WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные материалы
 

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |

«Авторы монографии – Рощина Виктория Владимировна, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Федерального Государственного Бюджетного Учреждения Науки ...»

-- [ Страница 4 ] --

Применение газового хроматографического анализа [Рощина, 1973а] позволило в настоях листьев березы Betula verrucosa, белой акации Robinia pseudoacacia, тополя Populus balsamifera, рябины Sorbus aucuparia и других пород идентифицировать ацетальдегид, пропионовый альдегид, этанол и пропанол. По-видимому, эти микропримеси не являются видоспецифическими и появляются всякий раз при настаивании листьев с водой. Возможно, они образуются в тканях растений, погруженных в воду, из-за недостаточной аэрации или представляют собой продукты жизнедеятельности развивающихся на настоях микроорганизмов. С другой стороны надо учитывать, что этанол найден в стеблях древесных растений, как обычный продукт [Мacdonald and Kimmerer, 1991].

Вымывание из корневых систем и семян. Вымывание различного рода соединений осуществляется и через корневые системы растений [Walker et al., 2003]. Выделительная поверхность корней сильно увеличивается за счет корневых волосков, ультраструктура которых обеспечивает высокий уровень обмена веществ, а тонкие оболочки плотно соприкасаются с почвой. Через корневую систему, по-видимому, могут выделяться почти все соединения, поступающие извне или синтезируемые в растении. По данным Ванчура [Vancura, 1964], в начальные фазы роста корней выделения составляют 7—10% от всей надземной массы растения. Следует отметить, однако, что исследования в природной обстановке корневых выделений затруднены из-за влияния, которое оказывают на состав выделений корневая и ризосферная микрофлоры.



Поэтому основные исследования проведены в водных культурах, иногда в стерильных условиях. Наиболее распространенными соединениями, выделяемыми корневыми системами, являются аминокислоты, состав которых зависит от видовых особенностей растений. В корневых выделениях Cucurbita pepo обнаружено от 9 до 11 аминокислот [Сабинин, 1955], которые определялись методом бумажной хроматографии. В других объектах количество обнаруженных аминокислот было больше. Корни Pisum arvense выделяли 20, Avena sativa — 15, Fagopyrum sagittatum — 14 свободных аминокислот [Рахтеенко и др., 1977]. В среднем за вегетационный период одно растение гороха выделяло (в мкг) 152,6, овса — 69,1, гречихи — 69,5 свободных аминокислот [Рахтеенко и др., 1977].

Количественные и качественные различия состава аминокислот, экскретируемых разными сортами бобовых, возможно, могут оказывать влияние на специфическое внедрение клубеньковых бактерий в корневые волоски. К этому выводу пришел Л. В.

Кравченко с сотр. [1987] при изучении состава аминокислот в корневых выделениях 4 видов гороха Pisum sativum, отличающихся различной эффективностью симбиоза с клубеньковыми бактериями. В корневых экссудатах ими обнаружено 14 различных аминокислот, среди которых доминировали аспарагиновая и глутаминовая. Однако содержание других аминокислот существенно варьировало в зависимости от сорта. В корневых выделениях мягкой пшеницы Triticum aestivum и томата Lycopersicon esculentum также обнаружены выше указанные экзометаболиты, и по их соотношению органических кислот и сахаров, интенсивности выделения L-триптофана можно судить о взаимодействии исследованных растений с ризосферными микроорганизмами [Кравченко с сотр., 2011].

Генотипы растений с повышенным содержанием корневых выделений (как более адаптированные к стрессу и приспособленные к благоприятным симбиозам с ризосферной микрофлорой) являются предметом поиска генетиков и селекционеров [Rengel, 2002].

В корневых экскретах обнаруживают также белки, среди которых встречаются ферменты, принимающие участие в окислительных и гидролитических процессах.





Выделение таких белков, например пероксидазы, отмечено и в суспензионных культурах клеток [Hystee and Turkcon, 1973]. В выделениях корней проростков люцерны Medicago sativa, томата Lycopersicon esculentum, пшеницы Triticum aestivum, лука-латука Latuca sativa, кукурузы Zea mays найдены катехиноксидазы [Tan, Kubo, 1990a]. Благодаря этому раствор катехина вокруг корней окрашивается в жёлто-красный цвет (поглощение при 420 нм). Из корневого экссудата Latuca sativa был выделен белок с молекулярной массой 20 кДа, гомогенный на 85% и идентифицированный как катехиноксидаза. Полагают [Tan, Kubo, 1990b], что эти оксидазы уменьшают рост-ингибирующий эффект природных фенолов, катехола, гидрохинона путем их окисления.

Сахара в составе корневых выделений были обнаружены многими авторами.

Наиболее часто в составе экскретов встречаются глюкоза, альдоза, арабиноза, ксилоза, рафиноза [Rovira, 1971]. В экссудатах корней кокосовой пальмы Cocus nucifera L., кроме обычных сахаров рафинозы, глюкозы и фруктозы, найдена еще и лактоза. В корневых выделениях обнаружен также ряд аминокислот и единственная органическая кислота – янтарная кислота, а также встречаются фенолы [Bopaiah et al., 1987]. Не менее часто, чем сахара, в экскретах корней находят другие органические кислоты - щавелевую, яблочную, фумаровую, пировиноградную, уксусную [Rovira, 1971; 1969 a,b; Kloss et al., 1984].

Выделение кислот в условиях анаэробиоза исследовала Г.М. Гринева [1975].

Количественные определения выполнены Клосс и др. [Kloss et al., 1984]. В экссудатах корешков из стерилизованных проросших семян Diplachne fusca на агаре и питательном растворе больше всего содержалось яблочной кислоты - 550 мг в 40 мл раствора, в меньших количествах - лимонной - 350 мг, фумаровой - 100 мг и янтарной - 90 мг.

Среди различных органических соединений корневых экссудатов привлекают к себе внимание полифенольные соединения. Джорджевич с соавт. [Djordjevic et al., 1987] установили, что корни белого клевера Trifolium гереns выделяют гидроксилированные фенолы в том числе 7,4' - дигидроксифлавон, кумарин умбелифepoн, изофлавон формононетин. Флавоноиды, по-видимому, - важнейший клacc соединений, найденных в корневых экссудатах. Еще в 1944 г Люндегард и Cтeнлид [Lundegardh, Stenlid, 1944] цит по Rао, 1990, показали, что в экссудатах корней земляного ореха Arachis spp. содержится 3', 4' - дигидроксифлавон. Затем это было подтверждено Петрил и Чрастил [Petril, Chrastil, 1955 цит. по Rао, 1990]. Флавоноиды способны стимулировать образование микоризы и рост бобовых растений, например белого клевера Trifolium repens [Siqueira et al., 1991].

В корнях яблони присутствует флавоноид флоридзин. Около 35% его секретируется в питательный раствор [Borner 1959, 1960]. В корневых экссудатах чечевицы Lens найдены 3 флавона 4',7-дигидрокси, 3',4',7'-тригидрокси и 4',7'- дигидрокси-3-метоксифлавоны [D'Arcy-Lametta, 1986]. B аналогичных образцах сои Glycine soja те же авторы обнаружили два флавоноида куместрол и дайдзеин. К тому же показано, что количество куместрола и 4',7-дигидроксифлавона выделяется в количестве 20% от общего содержания в корнях. В опытах с мечеными атомами установлено [Bazz, 1969, Grisebach, Zilg, цит по Rao 1968], что около 3% общего количества изофлавоноидов в растениях Cicer arietinum, Phaseolus aureus могут экскретироваться в среду.

В корневых выделениях обнаруживаются и терпеноидные соединения, сильно ингибирующие или стимулирующие рост окружающих растений (табл.28). В основном, это сесквитерпены и сесквитерпеновые лактоны (рис.85). По данным ряда авторов [Cook et al., 1966, Fisher et al., 1989] сесквитерпеновые лактоны (10-9 - 10-5 М) стимулируют прорастание семян облигатных корневых паразитов.

Таблица 28.Терпеноидные компоненты корневых экскретов, стимулирующие или ингибирующие рост растений.

–  –  –

Рис.85. Сесквитерпеновые лактоны, стимулирующие или ингибирующие рост растений. 1.

Стригол, 2. Бурродин, 3. Конфертифлорин, 4. Дезацетилконфертифлорин, 5. Партенин, 6. 7гидрокси-3-дезоксизалузанин С, 7. Дигидропартенолид, 8. Гваяулин А Например, (+)-стригол, входящий в состав корневых экскретов в 10 раз по сравнению с контролем стимулирует прорастание корневого паразита злаков ведьминой травы Striga asiatica. Причём эффекты проявляются в очень низких концентрациях, меньше, чем 10М[Cook et al., 1966; 1972; Fisher et al., 1989]. Семена корневых паразитов родов Striga, Alectra (сем. Scrophulariaceae) и Orobanche (сем. Orobanchaceae) вызывают значительное уменьшение урожая зерновых в тропиках и субтропиках. Корневые паразиты сохраняют жизнеспособность в почве многие годы и прорастают лишь тогда, когда в окружающей среде появляются корневые выделения растения-хозяина. Кук с соавт. [Cook et al., 1966, 1972] впервые выделили и идентифицировали (+) стригол из корневых экссудатов хлопчатника. В зависимости от концентрации стимулируют или угнетают рост окружающих растении сесквитерпены и сесквитерпеновые лактоны в корневых выделениях некоторых других растений [Fisher et al.,1989]. Дитерпен и фитоалексин момилактон, образуемый из геранилгеранилпирофосфата, найден в корневых выделениях риса и является мощным ингибитором роста окружающих растений [Kato-Noguchi, 2004;

Toyomasu et al., 2008].

Корни нередко выделяют и другие малораспространенные соединения. В составе экссудатов корней бархатцев Tagetes patula обнаружены 2 бензофурана и 4 тиофена (рис.86) - пятичленные серусодержащие гетероциклические соединения [Tang et al., Рис. 86. Тиофены и бензофураны из экстрактов корней бархатцев Tagetes patula [Tang et al., 1987]. Тиофены: 1 — -терциенил; 2 — 5-(3-бутен-1-унил)-2,2'-битиенил; 3—5-(4гидрокси-1-бутинил) -2,2'-битиенил; 4 — 5-(4-ацил-1-бутинил)-2,2'-битиенил.

Бензофураны: 5 — 6-гидрокси-2-изопропенил-5-ацетил, иначе кумаронон, или дигидроэупарин; 6 — эупарин; АС — ацил 1987]. Эти вторичные метаболиты оказались токсичными для различных организмов.

Особенно важно, что тиофены обладают аллелопатическим, инсектицидным, нематоцидным и бактерицидным действием. В корневых экскретах хлопчатника также были обнаружены витамины [Красильников,1958; Rovira et al., 1979].

Вымывание различных соединений происходит при прорастании семян. В составе их выделений чаще всего встречаются сахара, в основном моно- и дисахариды, аминокислоты и органические кислоты. Они найдены в экссудатах прорастающих семян гороха Pisum sativum, соевых бобов G1уcine hispida, вики Vicia sativa, фасоли Phaseolus vulgaris [Amoros, Durand, 1964]. Методом бумажной хроматографии показано выделение семенами красной сосны Pinus rubra 14 аминокислот (лизин, аргинин, глутамин, лейцин, валин, аспарагин и др.), 4 сахаров (глюкоза, фруктоза, сахароза, арабиноза) и 3 органических кислот (малоновая, лимонная, фумаровая) [Agnihotri, Vaartaja, 1969]. В питательной среде, на которой проращивали семена Pisum sativum, методом ионообменной хроматографии было определено 20 аминокислот и некоторое количество пептидов [Boulter et al., 1966]. Аминокислоты и сахара найдены в выделениях 7 сортов и гибридов риса Oryza sativa [Leelavathy, 1970]. В выделениях семян кукурузы Zea mays обнаружена 21 аминокислота, а люпина Lupinus — 23. Преобладающими среди них были глутаминовая кислота и -аланин [Берестецкий, Кравченко, 1980а, б]. Щиток, единственная семядоля зерновок злаков, при прорастании выделяет в окружающую среду глюконовую, фосфорную и лимонную кислоты. Считают [Щипарев и др., 1976], что подкисление эндосперма уже в первые часы набухания и прорастания является одним из важнейших пусковых механизмов прорастания зерновок Судя по смывам (Таблица 29), выделения семян и проростков обогащены ароматическими кислотами. В смывах, полученных из проростков 4-х субтропических трав Тайваня Brachia mutica, Digitaria decubens, Imperata cylindrica, Panicum repens методом газо-жидкостной хроматографии обнаружено 6 фитотоксических фенолов [Chou, 1989].

Особенно много их было у Digitaria decumbens. Среди этих веществ: феруловая, ркумаровая, дигидробензойная, ванилиновая, р-гидроксибензойная, р- 2,4гидроксифенилуксусная кислота в количестве от 0,3 до 2,5 х 10-7 молъ г-1 образца. А общее количество фенольных кислот было от 0,8 х 10-7 моль. г-1 образца до 7,75 х 10-7 моль г-1 образца.

В промывных водах, полученных после настаивания семян сандалового дерева Pterocarpus santalinus в течение 24, 48 и 72 ч в воде, было идентифицировано около 17 фенольных соединений, среди них протокатеховая, салициловая, мелилотовая, ванилиновая, флоретовая, гомопротокатеховая, кофейная, коричная, о-кумаровая, Таблица 29. Фенолы в смывах из семян и проростков

–  –  –

изоферуловая кислоты, кверцетин, рутин, кверцетин-3-рутинозид, эскулетин [Venkataramaiah et al., 1984]. Медленнее других вымывались из семян мелилотовая кислота и эскулетин. Полагают, что наличие фенольных соединений в семенах способствует как их устойчивости к микрофлоре, так и сохранению покоя.

Чрезвычайно физиологически активными соединениями являются алкалоиды, которые, как и полифенолы, выделяются прорастающими семенами. При набухании семян Datura stramonium в среду выходят скополамин и гиосциамин. В первый день вымывание алкалоидов составляло 0,12% общих алкалоидов. При концентрациях 0,1 — 1% скополамин угнетает рост проростков ряда культур [Lovett, Potts, 1987]. В зрелых семенах чая Thea найдены [Suzuki, Waller, 1987] кофеин (1,3,7-триметилксантин) и теобромин (3, 7диметилксантин), которые локализованы в семенной кожуре. При набухании и разрушении оболочки кофеин переходил в водорастворимую форму. Водные экстракты семян тормозили рост корней и стеблей. Считают, что алкалоиды, найденные в семенной кожуре, не используются для питания зародышем. Семенная кожура является защитным барьером между зародышем и окружающей средой. При прорастании целых семян освобождение кофеина происходит постепенно и не вызывает ингибирования роста проростков.

В выделениях семян обнаружены и другие биологически активные вещества. На микробиологических тестах показано [Bloudeau, 1966] выделение стерильными семенами Brassica oleifera тиамина, биотина, пантотеновой, никотиновой и фолиевой кислот. Среди выделений встречаются небелковые аминокислоты, которые относятся к классу токсинов, хотя они и наиболее просты в структурном отношении. В семенах глицинии Glycine wightii, инкубированных в дистиллированной воде, выделение аминокислот начинается вскоре после всасывания воды. Небелковая аминокислота — канаванин (аналог аргинина и ингибитор роста при прорастании семени) появляется в экссудате после 60 ч после всасывания [Bell, 1972]. Канаванин обнаружен также в канавалии мечевидной Canavalia ensiformis в количестве 4—6% сырой массы [Bell, 1972]. Экологическая функция подобных токсических веществ в семенах состоит в защите от поедания травоядными животными.

Таким образом, под действием дождя, тумана, искусственного дождевания или вымачивания, при выращивании на водных растворах из растительной ткани выделяется определенное количество ионов и органических веществ. При этом могут выделяться практически все водорастворимые вещества, содержащиеся в растениях. Общее количество извлекаемых водой веществ может достигать, например, у табака Nicotiana tabacum и кукурузы Zea mays 0,7—3% всей растительной массы [Rovira, 1959].

У водных растений выделения играют большую роль во взаимоотношениях в биоценозе. Экскреты водорослей могут содержать токсины и регулировать рост и развитие других видов [Bondarz, Cierniac, 1983]. Например, тихоокеанские водоросли Ulvaria obscura выделяют нейротрансмиттер дофамин (его содержание достигает 4 % сухого веса), который легко окисляется на воздухе в красный пигмент дофахром, токсичный для многих морских обитателей [van Alstyne et al., 2006]. Таким образом работает механизм химической защиты.

5.4. ЗАВИСИМОСТЬ ВЫМЫВАНИЯ ОТ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ, ФАЗЫ

РАЗВИТИЯ И АНАТОМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ РАСТЕНИЙ

Выделение различных веществ признается нормальной функцией растительного организма [Кириллова, 1964; Гродзинский, 1965 и др.]. Однако в оптимальных условиях выделяется относительно малое количество веществ. При повреждении и при воздействии различными раздражителями (сублетальная температура, смещение рН среды до 3,5, действие неуравновешенных растворов и др.) выделение веществ усиливается [Беликов, Кириллова, 1958; Кириллова, 1964; Tukey, 1970]. Указанные изменения являются следствием увеличения проницаемости, которое является весьма распространенной реакцией живой растительной клетки на повреждающее воздействие.

В опытах с промыванием листьев установлена зависимость извлечения минеральных и органических соединений от ряда внешних воздействий. Так, листья Coffea arabica отдавали в воду К+ в зависимости от температуры [Arens К., Arens Т., 1970]. Наименьшая отдача наблюдалась при температуре 8°С, с повышением температуры до 23—30° потери иона увеличивались в несколько раз. Свет усиливал утечку из листьев органических веществ, особенно cахаров (глюкоза) [Tukey, 1970], а также фосфата и серы. Напротив, выход других минеральных веществ светом не активировался [Tukey et al., 1958].

Вымывание зависело также от рН раствора, которым смачивали растения. Интактные листья фасоли при увлажнении растворами с различным значением рН отдавали разное количество минеральных веществ [Evans et al., 1981]. При низких значениях рН листья растений становились более проницаемыми для Са2+, нитрата, сульфата, при рН 5,7 вымывалось больше К+ и хлорида.

Количественный и качественный состав корневых выделений на разных по плодородию почвах неодинаков. По данным Л. Н. Каверзневой [1986], экскреторная деятельность корней сосны на суглинистых почвах значительно выше, чем на супесчаных.

На более богатых почвах в корневых экссудатах выше содержание аминокислот и углеводов. Общее количество углерода, поступавшего в почву с экссудатом корней, составляло в среднем 250—300 кг/га. В экссудатах также обнаружены органические кислоты, терпеновые соединения и ферменты азотного обмена — уреаза и глутаминаза.

Вымывание определяется и фазой развития растений, поскольку при этом изменяется направленность обмена веществ. У молочая Euphorbia esula и индийской хризантемы Chrysanthemum indicum вымывание сахаров из листьев ослабевает в период закладки бутонов, сильно возрастает в период цветения и вновь ослабевает к концу вегетации.

Молодые, активно растущие, ткани более устойчивы к действию дождя, чем старые.

Поскольку вымывание веществ усиливается в период цветения, дожди подавляют развитие части бутонов яблони [Шаповалов, 1973]. Прямыми определениями показана также зависимость вымывания сахаров от стадии созревания плодов. Вымывание cахаров возрастает с 4 мг/сут у незрелого плода до 84 мг/сут при созревании. При длительных и частых дождях эти потери сказываются на урожае [Tukey, 1966; 1970] Следует указать, что состав и количество извлекаемых соединений определяется не только химическим составом, интенсивностью и направленностью обмена веществ, но также анатомо-морфологическими особенностями покровных тканей растения.

Естественно поэтому, что между содержанием в листьях какого-либо вещества и его поступлением в окружающую среду мы не можем ожидать прямой зависимости.

Изучая состав растительных выделений, нельзя также не учитывать важную роль эпифитной микрофлоры [Красильников, 1958]. Часть веществ, которые обнаруживаются в составе смывов, питательных сред и т. д., по-видимому, является продуктами ее жизнедеятельности. Так повышение концентрации этанола и изменение состава других компонентов при повышении температуры и продолжительности опытов должно быть, вероятно, отнесено за счет более активной физиологической деятельности живых организмов, обитающих на поверхности растения.

Важную роль в экссудации корней играют и условия минерального питания [Haller and Stolp, 1985]. Интересные исследования корневых экссудатов нормальных и хлоротичных растений кукурузы Zea mays провели Элгала и Амбергер [Elgala, Amberger, 1986]. Для отбора проб они использовали оригинальную технику выращивания растений в песчано-водной культуре (нижняя часть корней погружалась в раствор, а верхняя находилась в песке). В таких условиях хлоротичные растения выделяли больше лимонной, пировиноградной, глутаровой, -кетоглутаровой, винной и глиоксиловой кислот. Обнаружены также различия в аминокислотном составе экссудатов. Такие аминокислоты, как цистеин, изолейцин, лейцин и лизин, обнаружены только в составе экскретов растений, страдающих от недостатка железа. Поскольку выделяемые корнями кислоты растворяют соли железа, адсорбированные и осажденные на поверхности корней, это позволяет корневой системе поглощать и в дальнейшем усваевать этот элемент минерального питания. Выделение значительных количеств органических кислот и аминокислот, по-видимому, способствует преодолению стресса, вызванного дефицитом железа.

Другим примером, показывающим связь секреторного процесса с условиями минерального питания, могут быть опыты [Lipton et al., 1987], в которых анализировались секреты корневых систем растений, выросших на полной питательной среде и при дефиците фосфора. В экстрактах из корней люцерны Medicago sativa при недостатке фосфора увеличивалось общее количество выделенных органических кислот — до 48,92 мкмоль/г сухой массы по сравнению с контролем — 38,46 мкмоль/г сухой массы. Больше всего возрастало количество лимонной кислоты — в 2 раза, янтарной — Рис.87. Вымывание органических веществ из растений. А. отпечаток цитрата кальция, выделяемого корнями люпина на поверхность почвы [Dinkelaker et al., 1989]., Б. электронная микроскопия экссудата на поверхности таллома папортника Notholaena rigida (адаптировано по [Arriaga-Giner et al., 1991]).

в 1,5 раза. Содержание же яблочной кислоты несколько снижалось. Увеличение экскреции органических кислот при дефиците фосфора, как и в случае недостатка железа, способствует, по-видимому, преодолению неблагоприятных условий минерального питания. На кальцинированных почвах лимонная кислота экскретируется корнями белого люпина Lupinus albus L. и осаждается в виде цитрата кальция на поверхности корней (Рис.87 А). рH таких выделений достигает 4,8, что ведет к растворению CaCO3 извеcтковых почв [Dinkelaker et al., 1989]. Показательно, что корни могут выделять фитохелатины, белки, которые связывают тяжелые металлы [Mattioni and Gabbrielli, 1994].

Экстремальные условия создаются и при инфицировании растений микроорганизмами. При этом в корневых экссудатах обнаруживаются фитоалексины.

Новаку и Станеку [Novak, Stanek, 1986] удалось обнаружить в корневых выделениях Pisum sativum фитоалексин пизатин, появление которого увеличивало устойчивость гороха к патогену. Корни сои Glycine soja, инфицированные зооспорами гриба Phytophtora megasperma, секретировали фитоалексины — глицеоллины [Werner, Hohl, 1987]. В присутствии ионов Mg2+ синтез стрессовых метаболитов увеличивался; напротив, ионы Са2+ в тех же концентрациях подавляли образование глицеоллина (6-гидроксифазеолина). В ряде работ изучено выделение корневыми системами гормонов.

Корни растений Lycopersicon esculentum, культивируемые на питательном растворе Хогланда, были способны выделять гиббереллины в питательную среду [Couillerot, Yi Young-Byung, 1985]. Авторы полагают, что экссудация гиббереллина корнями — один из механизмов регуляции его уровня в растении. В корневом экссудате хлопчатника Gossypium обнаружен [Ding Jing, Shen Zhen-de, 1985] комплекс цитокининов: зеатин, зеатин-рибозид, изопентениладенин. Среди метаболитов цитокининового комплекса доминировал зеатинрибозид. В экссудатах высокомолекулярной фракции корней идентифицированы полисахариды, урониды и белки [Collet, 1975].

5.5. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ВЫМЫВАНИЯ

Длительные ливни могут удалять значительное количество веществ, что приводит к задержке роста и развития растений. Холодный [Cholodnу, 1932] обнаружил, что дождь в период молочной стадии зрелости уменьшает урожай пшеницы Triticum sp. и ячменя Hordeum vulgare более чем на 30% за счет вымывания углеводов. На урожае озимой пшеницы Triticum и томата Lycopersicon esculentum может сказываться выщелачивание метаболитов при искусственном дождевании [Паненко, Пилипенко, 1981]. Урожай фруктов лучше в сухой сезон, чем в дождливый [Tukey, 1970], поскольку во время дождя происходит потеря сахара. Указанные и другие факты привели к представлениям о том, что задержка развития растений и снижение их урожая есть результат потери определенного количества метаболитов, вымываемых дождями. Выделение веществ замедляет рост растений. Добавление двухвалентных катионов снимает задержку роста [Шаповалов, 1973].

Вымывание метаболитов может иметь и положительное значение, так как таким путем ткани растений могут освобождаться от ненужных веществ. Кроме того, вымывание минеральных соединений из надземных частей ускоряет их поглощение и передвижение к листьям. Например, потеря Са2+ из листьев ускоряет его поглощение и транспорт по стеблю [Mecklenburg et al., 1964]. Корневые экссудаты могут также растворять оксиды марганца и железа [Jauregui, Reisenauer, 1982].

Одновременно с минеральными веществами и сахарами из свободного пространства клетки выделяются наружу вещества, обусловливающие бактерицидное действие и имеющие, по-видимому, какое-то значение для иммунитета растений. Вымывание фитогормонов, ингибиторов, алкалоидов, фенолов обогащает окружающую среду биологически активными веществами, которые при адсорбции их почвой и накоплении, возможно, обусловливают явление аллелопатии [Грюммер, 1957; Гродзинский, 1965;

Иванов, 1973]. Корневые и листовые смывы из кокосовой пальмы Cocos nucifera обладают заметной аллелопатической активностью, а, кроме того, способствуют естественному отбору микроорганизмов ризосферы [Gopal et al., 2006].

Листовые смывы деревьев оказывают значительный эффект на прорастание семян многих овощных культур [Jacob et al., 2007], а смывы листьев сои - на прорастание семян зерновых видов, таких как сорго [Pawar and Chavon, 2007]. Экссудаты на поверхность таллома папоротников (Рис. 87 Б) могут иметь значение для защиты от паразитов [Arriaga-Giner et al., 1991].

Существенное значение корневые экссудаты имеют для взаимодействия с ризосферной микрофлорой [Mccully, 2007]. Особенно важно, что они регулируют образование клубеньков на корнях бобовых растений клубеньковыми бактериями [Brewin, 1991]. Этанол, ацетальдегид и другие выделяемые корнем метаболиты служат источником углерода для корнеобитаемых микробов, и их рост, поэтому зависит от интенсивности процесса экскреции [Азарова, 1983; Mccully, 2007]. В других случаях экскреты корней могут играть роль и (или) аттрактантов для микробов ризосферы. Так, например, показано [Ariel, Lemos-Pastrana, 1980a], что корневые выделения кукурузы Zea mays, пшеницы сорго служат сигналом, привлекающим Triticum vulgare, Sorghum vulgare свободноживущих азотфиксирующих микробов, увеличивая их подвижность на 25— 100%. Роль аттрактантов могут выполнять аминокислоты, содержащиеся в корневых экстрактах: аланин, аспарагин, глютамин, лизин, серин и валин в концентрациях 10-5 —10-6 М [Ariel, Lemos-Pastrana, 1980 b].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Накопление водорастворимых веществ в свободном пространстве клетки — пространстве между клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной - создает условия для беспрепятственного их выхода наружу, поскольку целлюлозная оболочка легко проницаема для неорганических ионов и низкомолекулярных органических соединений.

Воздействие атмосферных осадков в виде росы, дождя, тумана стимулирует этот процесс.

В своей основе вымывание является пассивным процессом, хотя не исключено, что некоторые метаболиты могут попадать на поверхность растения после их активного выделения (секреции) и атмосферные осадки только смывают их. Наиболее часто выделяются ионы натрия, марганца, калия и магния. Органогены (ионы азота и фосфора) за редким исключением не выделяются или выделяются в чрезвычайно малых количествах. Физиологическое значение вымывания, как полагают, состоит в ускорении поглощения минеральных элементов корнями и перемещении их в стебли и листья.

Помимо минеральных солей с атмосферными осадками выделяются органические соединения, главным образом ассимиляты в виде cахаров. Эти потери иногда составляют значительную величину — до 5—6% сухого вещества. В смывах обнаруживаются также аминокислоты, органические кислоты, ингибиторы и стимуляторы роста, в том числе фенольной природы. Состав экстрагируемых веществ растений резко изменяется в зависимости от сезона года и условий произрастания растений, предшествующих сбору атмосферных смывов.

Есть сведения, что при вымывании изменяется проницаемость наружной цитоплазматической мембраны, и часть веществ может таким образом выделяться из внутренней части клетки. Изменение проницаемости мембран может быть вызвано: 1) удалением двухвалентных катионов, что аналогично действию дистиллированной воды;

2)резким перепадом температур вследствие более низкой по сравнению с окружающей средой температуры дождевой воды; 3) действием осмотического или солевого шока.

Особой разновидностью вымывания является выход веществ при набухании прорастающих семян, который является пусковым механизмом, побуждающим зародыш к росту. Состав экссудатов семени очень разнообразен и содержит практически все вещества, содержащиеся в семенах.

Много биологически активных веществ выделяется растениями в разные периоды их развития. Процессы экскреции могут быть активными и пассивными. Это видно на примере семян. Выделение веществ семенами не только пассивный процесс.

Значительный вклад в экссудаты вносит секреция как активный процесс.

Состав атмосферных смывов может быть показателем физиологического состояния организма, поскольку резкое увеличение выхода органических веществ наружу свидетельствует о повреждении цитоплазматических мембран. Влияние атмосферных осадков в связи с явлением вымывания ассимилятов может оказывать отрицательное воздействие на урожай растений. С этим необходимо считаться и в сельском хозяйстве при ирригации с дождеванием наземных сообществ, поскольку искусственное дождевание — дополнительный фактор вымывания.

Глава 6. ВЫДЕЛЕНИЕ ВЕЩЕСТВ ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Выделительная деятельность растений в экстремальных условиях до сих пор в литературе не рассматривалась. Такие ситуации возникают при различных повреждениях организма, если сила внешнего фактора превышает порог нормальной адаптации или изменения внешнего фактора слишком резкие, чтобы осуществлялись механизмы, поддерживающие гомеостаз.

Термин «стресс» впервые введен Селье [Selye, 1956] для обозначения реакции животных на различные резкие изменения среды. Ответная реакция рассматривается как защитная, направленная на сохранение индивидуума. В настоящее время термин «стресс» распространен и на другие организмы, в том числе и растения. Cтресс могут вызывать как абиотические (механические, химические и т. д.), так и биотические (внедрение патогена и др.) факторы. Под влиянием этих воздействий включаются защитные механизмы растения, среди которых важную роль могут играть экскретируемые вещества. В данной главе основное внимание будет уделено выделительной функции как цепи физиологических и биохимических реакций в клетке в ответ на стресс, а также составу выделений как показателю стрессового состояния растений.

6.1. ПОВРЕЖДЕНИЕ МЕМБРАН ПРИ СТРЕССАХ

Различные факторы внешней среды могут вызвать повреждение растительного организма, при котором произойдет освобождение вторичных метаболитов и превращение их в активно действующие соединения. Три таких примера, заимствованных из работы Матиль [Matile, 1987], проиллюстрированы на рис.88. У растений потенциально токсичные вторичные соединения и ферменты, ответственные за их превращения в ядовитые вещества, в обычных условиях изолированы друг от друга. У сорго Sorghum bicolor гликозид дуррин локализован в клеточном соке вакуолей эпидермальных клеток, тогда как два фермента, необходимые для образования цианистого водорода (синильной кислоты) — -глюкозидаза и гидроксинитриллиаза — содержатся соответственно в хлоропластах и цитозоле мезофильных клеток [Kojima et al., 1979]. Взаимодействие дуррина и ферментов происходит лишь при деструкции обеих тканей, например при поедании травоядными животными. У донника Melilotus alba вакуоли клеток эпидермиса и мезофилла листьев содержат гликозид о-кумаровой кислоты, а -глюкозидаза, отщепляющая агликон с образованием токсичного кумарина, локализована в наружных слоях клеточных стенок мезофилла. В этом случае две мембраны — тонопласт и плазмалемма — отделяют цианогенный гликозид от соответствующей гидролазы. Нарушение этих барьеров при повреждении ткани приводит к взаимодействию цианогенного гликозида и фермента, в результате образуется легколетучий кумарин, ответственный за характерный запах свежескошенного сена. Наконец, еще одним примером разделения предшественников токсических соединений и отщепляющего глюкозу Рис.88. Локализация потенциально токсичных вторичных метаболитов и ферментов, ответственных за выделение токсичных веществ. Адаптировано по [Matile, 1984; 1987].

Glc — глюкоза фермента служит хрен Armoracia lapathifolia, у которого гликозинолат синигрин (см. Рис.88) только тонопластом отделен от тиоглюкозидазы, катализирующей превращение гликозинолатов до изотиоцианатов и локализованной в цитозоле. Именно изотиоцианаты, образующиеся при расщеплении синигрина в результате его контакта с тиоглюкозидазой после повреждения целостности клеток, придают хрену характерный жгучий вкус.

Таким образом, поскольку вторичные соединения находятся в норме в компартментах, выделение их в окружающую среду возможно лишь при нарушении барьерной функции тонопласта, плазмалеммы и других окруженных мембранами структур (см. также 1.2).

Рассмотрим возможный механизм нарушения мембран при стрессе.

Наиболее чувствительны к повреждающему действию мембранные липиды. Прежде всего деградируют фосфолипиды [Galliard, 1978]. Например, при нарезании клубней картофеля теряется 20% эндогенных мембранных липидов в течение нескольких секунд и 40% — в течение минуты. При освобождении возможно деацетилирование мембранных фосфолипидов и галактолипидов, при котором освобождаются жирные кислоты. В интактных клетках они не найдены в больших количествах, так как свободные жирные кислоты токсичны для многих жизненных процессов. Жирные кислоты могут быть атакованы окислительными ферментами. Среди продуктов их окисления найдены гидроперекиси жирных кислот, карбонильные соединения и другие оксигенированные соединения. Так у томатов Lycopersicon esculentum с помощью фермента липооксигеназы (КФ 1.1З. 11.12) происходит образование альдегидов ноналя и гексеналя из линоленовой кислоты по типу гидроперекиси [Galliard, 1978]. Озон как фактор стресса вызывает выделение многих летучих органических веществ, в основном в форме окисленных продуктов [Roshchina V.V and Roshchina V.D., 2003; Beauchamp et al., 2005]. У табака Nicotiana tabacum образуется одна молекула С6 – летучих веществ на 5 молекул озона, и среди летучих выделений у отдельных линий растений, устойчивых и неустойчивых к озону, (E)-2-гексаналь и (Z)-3- гексенил ацетат составляют до 80- 85% (есть изомеры гексаналя и гексенола, а также гексанола) [Beauchamp et al., 2005]. Предполагается, что эти соединения образуются в октадеканоидном пути окисления мембран с участием липогеназ.

Другой участок повреждения мембран — белковые компоненты, образующие рецепторные, каталитические и другие комплексы. Как следствие неблагоприятного действия разных факторов могут происходить изменения активности ферментной системы, участвующей в реакциях энергообмена и метаболизма, и рецепторов, регулирующих ионную проницаемость мембран. Одним из чувствительнейших к повреждению процессов является фосфорилирование. Понижение уровня АТР в клетке, в свою очередь, нарушает барьерную функцию мембран. Повреждение растительной клетки в конечном счете приводит к изменениям метаболических процессов, а так как они взаимосвязаны, то реакции, не относящиеся к повреждению, скорее исключение, чем правило.

Повреждение мембран наблюдается при отклонении (повышение или понижение) от оптимальной температуры, что приводит к увеличению выхода органических веществ из живых клеток. В опытах П. С. Беликова и Т.В. Кирилловой [1958] экзоосмос органических соединений из чешуи лука и листьев элодеи повышался при температурах 35—45 ° по сравнению с 17—20 °. Аналогичный эффект был получен при пониженной температуре (5— 10°) на корнях кубышки Nuphar luteum и огурца Cucumis sativus [Беликов, Кириллова, 1958].

Повышение проницаемости мембран отмечено в гипертонических растворах, что обусловлено в первую очередь вымыванием катионов Са2+ и Mg2+, стабилизирующих проницаемость мембран. Добавление солей магния и кальция к дистиллированной воде (5x10-4 М) уменьшает выделение как органических, так и неорганических соединений [Беликов, Кириллова, 1958]. Нарушение проницаемости мембран происходит и при взаимодействии растений с патогенными грибами и микроорганизмами, которые вырабатывают токсины [Озерецковская, 1979]. Механизм действия этих веществ во многих случаях неясен. Изменения проницаемости наступают при многих других воздействиях, например действии загрязнителей окружающей среды [Shmidt,C., Ziegler, H.1991]. В конечном итоге изменяется метаболизм всего растения, будь то действие низких или высоких температур, пестицидов или других факторов [Dure, 1984].

6.2. СТРЕССОВЫЕ МЕТАБОЛИТЫ В результате процессов, вызванных повреждением и отмиранием клеток, в растениях образуются летучие и нелетучие соединения, которые относят к веществам стресса.

Несмотря на достигнутые успехи, все еще мало работ, посвященных химической природе и механизмам возникновения веществ, выделяющихся при ранении и повреждении растений.

Приводим сведения, полученные к настоящему времени.

6.2.1. Этилен Выделение этилена растениями как реакция на различные абиогенные и биогенные стрессы — широко распространенное явление. Этилен является фитогормоном, который образуется нормально функционирующей растительной тканью (см. 2.2.2. и 4.3.1.). Однако при некоторых экстремальных воздействиях продукция этилена возрастает.

Влияние механического повреждения на интенсивность образования этилена в листовых пластинках мятлика лугового Poa pratensis L. исследовали Колеман с сотр, [Coleman et al., 1987]. Пик увеличения активности АЦК-синтетазы после такого воздействия был обнаружен через I час, интенсивности образования этилена - через 2 часа, а содержания 1-аминоциклопропан -I-карбоновой кислоты (АЦК) - через 3 часа. При старении цветки петунии Petunia hybrida обычно выделяют этилен, и этот процесс активируется, если рыльце цветка поранить [Whitehead et al., 1984].

Этилен, как полагают [Corbineau et al., 1990], является индикатором повреждения холодом у масличной пальмы Elaeis guineensis Jacq. После потепления у данного вида растения обнаруживается повышенное содержание этого газа.

Подобно механическому повреждению не менее сильное воздействие на скорость выделения этилена оказывала -радиация [Larrigaudiere et al., 1990]. Эмиссия газа под её влиянием уже через 15 мин. увеличивалась с 0,3 нмоль/г сырой массы час (необработанные плоды томатов) до 2 нмолъ/г сырой массы час в результате стимуляции АЦК-синтетазы.

-1 Однако в дозах 1 килогрея (1000 джоуль кг ) активность фермента блокируется [Larrigaudiere et al., 1990].

Продукция этилена возрастает и при нарушении газового режима ткани. При затоплении дефицит О2 стимулирует синтез этилена. Так Танг и Козловский [Tang, Kozlowski, 1984] наблюдали, что в проростках вяза американского Ulmus americana, ясеня пушистого Fraxinus pennsylvanica, эвкалипта Eucalyptus camaldnisis и других растений содержание этилена достигало 0,4—6,0—20 нмоль/г сухой массы, в то время, как в незатопленных - всего 0,2—0,3 нмоль/г сухой массы. Аналогичные явления наблюдались в коре стебля подсолнечника Helianthus annuus, томата Lycopersicon esculentum и фасоли Phaseolus vulgaris, где затопление стимулировало образование этилена, который, в свою очередь, увеличивал целлюлазную активность и образование аэренхимы [Kawase, 1981].

Образование этилена стимулируется повышением концентрации СО2 в воздухе, окружающем растение. При этом ускоряется синтез и увеличивается активность этиленобразующих ферментов, ускоряя превращение 1-аминоциклопропан-1карбоксильной кислоты (АЦК) в этилен в листовых дисках табака Nicotiana tabacum [Philosoph-Hadas et al., 1986]. Это же было подтверждено опытами на осевых органах дурнишника Xanthium pennsylvanicum [Esashi et al., 1986]. Максимальное увеличение и превращение АЦК в этилен наблюдалось при концентрации СО2 до 10% (в зависимости от содержания О2 в атмосфере). В набухающих семенах этого же растения углекислый газ увеличивал образование этилена, действуя на двух стадиях биосинтеза: на стадии образования АЦК и на стадии превращения АЦК в этилен.

Нарушение минерального питания такие является одной из причин выделения стрессового этилена. Повышение концентрации нитратов до 11,5-9,2 м экв.л-1 увеличивает газоэкcкрецию этилена корневыми системами [Ligero et al., 1987].

Одно из ранних событий при внедрении патогена в растение - быстрое увеличение синтеза этилена. Например при заражении Bipolaris sorokiniana мятлика лугового Pоа pratensis L. отмечается повышение интенсивности синтеза этилена, увеличение активности АЦК-синтазы и накопление АЦК [Coleman et al., 1987]. Этилен как газообразный стрессовый гормон может быть сигналом для активирования защитных механизмов растения на внедрение патогена. Полагают [Ecker, Davis, 1987], что он оказывает регулирующее действие на гены, контролирующие синтез L - фенилаланин аммоний-лиазы (КФ 4.3.1.5.) и 4 - кумарат КоА лигазы (КФ 6.2.I.I2), ферменты фенилпропанового пути;

гена, кодирующий халконсинтазу, фермент флавоноидного гликозидного пути; гены, кодирующие ферменты синтеза гликопротеина - главного белкового компонента стенок клетки.

К газам, вызывающим появление стрессового этилена, относится озон, и синтез этилена зависит от степени повреждения растения этим газом. Положительный эффект наблюдался при нахождении растения в течение 2 ч в воздухе, содержащем всего 25х10-6% озона [Craker, 1971]. В условиях теплицы обработка озоном (588 мкг/м3) в течение 3 ч также стимулировала образование С2Н4 [Pell, Puente, 1986]. Считают, что основной путь выделения этилена из листа в стрессовых условиях связан с его диффузией через устьица.

Это убедительно было показано в опытах [Rodecar, Tingey, 1986] с растениями сои Glycine soja, томатов Lycopersicon esculentum, эвкалиптов Eucalyptus и плюща Hedera helix, которые выдерживали в камере с 0,75—0,95 мкл/л озона Оз. Усиление выделения этилена происходило с обеих поверхностей листа (у сои в 5 раз, у томата в 6,3 раза). У плюща выход этилена возрастал в 3,8 раза, у эвкалипта — в 3,6 раза, причем только с нижней стороны, где у этих растений располагаются устьица.

Выделение этилена увеличивалось и в ответ на повышение до 3 мкл/л концентрации сернистого газа в воздухе [Kimnerer, Kozlowski, 1982]. Такое же явление происходило при обработке растений дустом, кадмием, хлором, при воздействии автомобильных выбросов [Kimmerer, Kozlowski, 1982] и искусственного кислого дождя с рН 2,8—5,6 в течение 1 ч в условиях теплицы [Pell, Puente, 1986]. Следовательно, как можно было полагать, выделение этилена является симптомом стресса, вызванного загрязнением и другими неблагоприятными факторами. В связи с этим была изучена возможность определения этилена для индикации повреждающего действия кислых дождей [Arny, Pell, 1986].

Определения проведены с 3—4-недельными тепличными растениями картофеля Solanum tuberosum, редиса Raphanus sativus и сои Glycine soja, которые подвергались действию искусственного дождя растворами с рН от 2,8 до 5,6. Усиление образования этилена отмечено лишь при многократной обработке раствором с рН 2,8. Отсюда был сделан вывод [Arny, Pell, 1986], что этилен не является чувствительным индикатором реакции растений на кислые дожди. Однако по другим данным [Wolfendon et al., 1988], при загрязнении воздуха и кислых дождях скорость выделения этилена хвоей европейской ели Picea excelsa возрастает и это может быть диагностическим тестом на загрязнение.

Из других факторов на образование этилена оказывает влияние водный стресс.

Недостаток влаги, как и избыток в предклимактерический период, вызывает образование этилена [George et al., 1982]. Стимуляция синтеза углеводорода вызывается и повышенной концентрацией солей в почве [Chrominski et al., 1986], а также воздействием низкими температурами [Faguhar, Mayak, 1984].

Хан с сотрудниками [Khan et al., 1987] изучали возможность использования количества выделяющегося из ткани этилена в качестве показателя солеустойчивости растений риса. При замораживании семян риса Оryza L. в течение 6 дней в 0,1 М NaСl и воде выделялось мало этилена. Однако в присутствии 1-аглиноцикло-пропан-1-карбоновой кислоты (АЦК) или АЦК с добавлением хлористого натрия интенсивность выделения этилена возрастала на 3-й день, достигала максимума на 4-5-й дни и затем и снижалась.

Способность риса продуцировать АЦК-зависимый этилен была различной у разных сортов и коррелировала (r = 0,9I) с солеустойчивостью на стадии проростков [Khan et al., 1987].

Эти данные свидетельствуют о том, что этилен может служить биохимическим маркером при массовом отборе популяций риса на солеустойчивость на стадии проростков [Khan et al., 1987].

Механизм образования стрессового этилена полностью пока ясен. Робертc и Осборн [Roberts, Osborne, 1981] полагают, что при нарушении мембранной проницаемости при стрессе выделяются кофакторы, активирующие ферменты, включенные в биосинтез этилена. Однако при стрессах, вызванных, например, нарушением водного обмена, было показано, что биосинтез этилена увеличивается раньше каких-либо нарушений проницаемости и вымывания электролитов, но и уменьшается, когда процесс выхода электролитов усиливается. Это свидетельствует о том, что для биосинтеза этилена необходима мембранная целостность. Однако в каких именно компартментах синтезируется газ, долгое время оставалось неясным. Предполагалось участие в этом процессе тонопласта. Для проверки гипотезы были проведены опыты с изолированными вакуолями из кормовых бобов Vicia faba [Mayne, Kende, l986]. При разрушении тонопласта с помощью осмотического шока, детергентов, этанола или путем замораживания-оттаивания происходило ингибирование синтеза этилена. Также действовали разобщители окислительного фосфорилирования карбонил-цианид-тхлорфенилгидразон и динитрофенол, а также ионофоры — валиномицин и нигерицин.

Таким образом, было подтверждено, что одной из мембран, принимающих участие в синтезе этилена, является тонопласт.

Выделение этилена является весьма чувствительным показателем повреждения растительных клеток и тканей. Согласно Абелес [Abeles, 1972], первичная функция стрессового этилена — ускорять опадение органов, поврежденных заболеваниями, засухой и другими экстремальными факторами. При этом возможна регуляция пола у растений. В опытах с использованием пестицида этефона наблюдалось появление гермафродитов и женских цветков на мужском растении конопли Cannabis L. [Sriram, Ram, 1984]. Полагают, что механизм действия заключается в стимуляции выделения этилена. Этилен выделяется женскими цветками в значительных количествах (46,67 мл/г сырого веса в час) и в гораздо меньших количествах - мужскими цветками (1,73 мл/г сырой массы) [Sriram, Mohan Ram, 1984].

Этилен чаще всего действует как запускающий механизм. Он должен вызвать начало какого-то другого процесса, под влиянием которого впоследствии изменится, например, СО 2 метаболизм [Grodzinski, Woodrow, 1989]. Этилен может изменять скорость фотосинтеза и дыхания, модифицировать развитие растений и продуктивность в условиях, которые происходят в природе и в агрокультуре закрытых помещений. Однако действие этилена на CO 2 метаболизм в отличие от влияния двуокиси углерода на образование этилена является не прямым, а опосредованным.

Прямое влияние этилена на углеродный метаболизм не обнаружено. Взаимоотношения между главными путями метаболизма СО2, активностью C2H4 и ростом изучали Гродзинский и и Вудроу [Grodzinski, Woodrow, 1989]. Показана стимуляция СО2 (50мкл/л-1 ) выделения этилена фотосинтезирующими листьями растений как С3, так и С4 типа.

Этилен, возникающий при стрессе, может играть определенную роль в регуляции роста и устойчивости к болезням. При поражении грибами уровень этилена в листьях ячменя Hordeum sativum и арахиса Arachis sp. повышается [Walther et al., 1981] так же, как и в проростках пшеницы Triticum vulgare, инокулированных грибами Fusarium [WurzerFassnacht, Hoffmann, 1986]. Обработка зараженных грибами растений препаратами, ослабляющими заражение, приводит к снижению выделения этилена до уровня неинфицированных растений [Wurzer-Fassnacht, Hoffmann, 1986]. Образование этилена отмечено [Ben-David, 1986] и в листьях красного перца Capsicum annuum, зараженных Xanthomonas campestris. При этом интенсивность выделения этилена усиливалась в 35 раз по сравнению с контролем —105 пмоль/г-ч. При заражении молодые листья перца продуцировали больше этилена, чем взрослые, менее чувствительные листья [Ben-David et al., 1986]. Главными местами образования этилена были периферийные зоны листовой пластинки и некротические пятна [Ben-David et al., 1986].

Этилен способен регулировать экспрессию генов литических ферментов. Хитиназы -.

которые синтезируются в ответ на внедрение в клетку патогена, могут его лизировать, участвуя в деградации клеточной стенки гриба. Активность этого фермента увеличивается в присутствии экзогенного этилена. Оказалось, что этилен может участвовать в контроле экспрессии гена хитиназы, происходящем на уровне транскрипции гена. Это наряду с синтезом фитоалексинов - механизм защиты от патогена (Brogle et al., 1986).

Показателем стресса является продукция этилена даже при вымывании систем электролитов. Этот феномен, например, наблюдается при вымывании электролитов (40%) листьями сои Glycine. При этом выделение стрессового этилена коррелирует с липооксигеназной активностью, которая стимулируется при самом малом повреждении и ингибируется при более высоком значении этого показателя. Ингибирование липооксигеназы -пропилгаллатом блокирует образование этилена [Kasperska, KubackaZebalska, 1989]. Следовательно, для образования стрессового этилена требуется активация системы генерации свободных радикалов.

6.2.2. Этан и другие простейшие углеводороды Этан образуется чаще всего как главный углеводородный газ после гомогенизации тканей высших растений, которые в неповрежденном состоянии выделяют преимущественно этилен. Элстнер и Конзе [Elstner, Konze, 1976] установили (табл.30), Таблица 30. Образование этилена и этана (в пикомоль ч-1 г-1. сырой массы) неповрежденными и раздавленными прессом дисками листьев сахарной свеклы [Elstner, Konze, 1976]

–  –  –

что наибольшее количество этилена выделяют неповреждённые диски из листьев сахарной свеклы. После раздавливания дисков выделение этилена сильно уменьшается. Напротив, образование этана, низкое в необработанных дисках, стимулируется после раздавливания.

Последующие эксперименты показали; что обратная зависимость между образованием этилена и этана в растениях наблюдается при замораживании злаков в жидком азоте, при водном дефиците и гипоксии, механическом повреждении и анаэробиозе этиолированных проростков пшеницы Triticum [Kimmerer, Kozlovski, 1982].

Этан образуется также в результате химического воздействия на клетки [Schnabl et al., 1983], например в присутствии салицилгидроксамовой кислоты, растениями Vicia faba на свету и в темноте. Количество выделяемого газа на свету было выше, чем в темноте, и составляло 300 пмоль-мг-1 хлорофилла [Schnabl et al., 1984]. Образование этана проростками сосны смолистой Pinus resinosa и березы бумажной Betula papyrifera в атмосфере SO2 зафиксировали Кимерер и Козловски [Kimmerer, Kozlowski, 1982].

Выделение его в этих условиях продолжалось линейно поверхности некроза. Выделение этана стимулируется и гербицидами - дифеноловыми эфирами.

Недифференцированная каллюсная ткань моркови Daucus carota L. также обладает способностью выделять этилен и этан [Maitra, Sen, 1989].

Образование этана связывают с клеточной дезорганизацией. Полагают [Maitra, Sen, 1989], что этан является продуктом окисления ненасыщенных липидов Интересно, что регенерирующаяся ткань производит значительно меньше этилена, а производство этана прекращается полностью. Таким образом, появление газа не зависит от интактности тканей и, возможно, не имеет компартментации в клетках листа. Независимое образование этана и этилена, по мнению одних авторов [Kimmerer, Kozlowski, 1982], может указывать на существование двух разных путей образования газов. Другие [Peiser et al., 1982; Schnabl et al., 1984] считают, что этилен и этан образуются из общих предшественников. Возможно, что это продукты перекисного окисления жирных кислот.

В условиях стресса выделяются и другие короткоцепочечные углеводороды. В отличие от растений, у которых при тех или иных стрессах выделяются этилен и этан, листья табака Nicotiana tabacum, погруженные в раствор NaNSO3 (0,2-50 мМ), выделяют большое количество пропилена и пропана, но мало этилена и этана. При гомогенизации листьев продуцирование этана значительно увеличивается [Yung-jen-Chou et al., 1985].

Значение выделения пропилена и пропана у высших растений остается неизвестным. Более понятная картина у низших организмов. Например, при действии гербицида параквата на микроводоросли также образуется не только этан и этилен, но и пропан [Boehler-Kohler et Углеводороды этан, этилен, пропан, пентан и пентен образуют al., 1982].

фотосинтезирующие структуры сине-зеленых бактерий из ненасыщенных жирных кислот, входящих в состав мембран. Появление легколетучих углеводородов, таким образом, представляет собой показатель деградации фотосинтезирующих мембран [Sandmann, Boger, 1982]. Это положение было подтверждено опытами с экзогенно добавленными жирными кислотами (табл.31), из которых видно, что качественный состав и соотношение образующихся низкомолекулярных углеводородов зависит от вида жирной кислоты, подвергающейся перекисному окислению.

В биологическом отношении из всех выделяющихся углеводородов наиболее активны олефины. Способность воздействовать на биохимические процессы связана с наличием в их молекуле двойных связей. П. А. Власюк и Г. В. Поруцкий [1964] показали, Таблица 31. Летучие углеводороды (в нмоль), которые образуются при перекисном окислении из жирных кислот (3 мг/2мл) изолированными мембранами Anacystis в присутствии CuSO 4 (50 мкМ) [Sandmann, Boger, 1982].

–  –  –

стерола обладают незначительной активностью. Влияние на прорастание семян портулака Portulaca oleracea низших углеводородов было испытано Тейлорсоном [Taylorson, 1979].

Полученные данные (табл.32) показывают, что предельные углеводороды даже Таблица 32. Влияние на прорастание семян портулака Portulaca oleracea низших углеводородов (% проросших семян) [Taylorson, 1979].

–  –  –

при относительно высоких концентрациях не оказывают существенного влияния на прорастание семян. Несравненно более высокой биологической активностью обладают непредельные углеводороды - этилен и пропилен, причем действие пропилена проявляется в более высоких концентрациях. Крокер [1950], исследуя влияние низших непредельных углеводородов на реакцию проростков (образование апикального изгиба в проростках гороха, выращенных в темноте) и эпинастию листьев, показал, что физиологическая активность углеводородов этиленового ряда (этилен, пропилен, бутилен) быстро падает с увеличением длины цепи, а изопрен вообще не вызывает у растений подобных реакций.

Биологические эффекты этана, в целом, мало исследованы. Известно, что этан может уменьшать стимулирующее действие этилена на образование почек и рост листьев [Lefebvre, 1978]. Есть сведения, что этан является и активным репеллентом. Он содержится в смолистых выделениях сосны и токсичен для некоторых жуков. Это простое соединение чрезвычайно эффективно. Всего лишь 0,6 мкл газа образуется на 1 г сосновых иголок, но этого достаточно, чтобы воспрепятствовать их поеданию [Харборн, 1985].

Как одну из интересных особенностей пропилена следует отметить его способность индуцировать синтез этилена [Sfakiotakis, Dilley, 1973]. Так при обработке плодов яблони сорта Бед Деликонс пропилен стимулировал образование этилена, и эта способность увеличивалась по мере созревания плодов. При низких концентрациях О2 (6,5% и ниже) индукции синтеза этилена не наблюдалось.

Известна способность пропилена изменять чрезвычайно важные ключевые физиологические реакции растений [Lee et al., 1987]. При обработке пропиленом (500 мкл/л) в течение 2, 4 и 6 дней незрелых плодов томата Lycopersicon esculentum повышается скорость дыхания, увеличивается число полисом и наступают сдвиги в синтезе белков. Так белок с молекулярной массой 55 кДа, участвующий в созревании плодов, синтезируется только при определенной концентрации пропилена. Если концентрация недостаточна, то белок не синтезируется.

Углеводороды с тройной связью оказывают еще более слабое физиологическое действие, чем этилен и пропилен. Проростки гороха Pisum sativum реагируют на присутствие ацетилена в концентрациях, превышающих эффективную концентрацию этилена в 1200 раз, а эпинастия листьев томата Lycopersicon esculentum наблюдается при концентрации ацетилена, в 500 раз превышающей соответствующую концентрацию этилена [Крокер, 1950].

Из других эффектов известно, что ацетилен влияет на дыхание корней сои Glycine soja [Gerbaud, 1990]. В кратковременных опытах при барбатировании ацетиленом питательного раствора, в котором находилась корневая система, наблюдалось уменьшение скорости дыхания на 15-35%. При резком повышении освещенности ингибирующее действие ацетилена на дыхание возрастало.

Следует отметить, что характер физиологического действия углеводорода определяется не только свойствами его молекулы, но и природой исследуемого объекта.

Углеводороды, проявляющие высокие ингибирующие свойства в одном случае (действие на определенный физиологический процесс), могут быть совершенно неактивными при применении других проб и испытании других процессов.

6.2.3. Терпеноиды Образование терпеноидов при стрессе является новой проблемой, по сравнению с низшими углеводородами, описанными выше. Ранение, инфекция и другие экстремальные воздействия часто нарушают нормальный синтез терпеноидов [Urbasch, 1984] (см. также

3.6 и 4.3.2). Деградация растительных клеток приводит к изменению качественного и количественного состава этих соединений [Kuc, Lisker, 1978]. Они могут стимулировать заживление раны или повышать устойчивость к заболеванию. Озон, как и повышенная концентрация СО2, усиливает выделение летучих терпенов [Himanen et al., 2009].

В растительном мире одним из значительных источников летучих терпеновых соединений является живица хвойных. Ранения, которые часто наблюдаются в естественных условиях под действием повреждающих факторов, но которые особенно значительны при подсочке, вызывают обильное выделение этих веществ. Например смоляные монотерпеновые и дитерпеновые кислоты образуются у сосны Pinus cоntorta var.

latifolia или при поранении или инокуляции грибами Ceratocystis clavigera [Croteau et al., 1987]. В условиях стресса в смоле изменяется содержание - и - пиненов, каурена, фелландрена, мирцена, абиетиновой кислоты [Kuc, Lisker, 1978]. Количество и состав выделяющихся терпенов, по мнению ряда авторов, является показателем устойчивости растений к стрессам. В смоле смоляных ходов хвои Picea abies L, поврежденных в результате загрязнения воздуха, изменяется содержание монотерпеновых и сесквитерпеновых углеводородов, спиртов, кетонов. Особенно резко изменяется отношение -пинен/-пинен. В поврежденной хвое содержание -пинена увеличивается примерно в 4 раза [Juttner, 1988]. Возможно, содержание летучих терпенов монет быть индикатором повреждения дерева при загрязнении воздуха [Juttner, 1988].

У ели Picea abies, чувствительной к индустриальному дыму, содержится только небольшое количество камфена и лимонена и (или) много -пинена, тогда как летучие масла устойчивых растений обогащены камфеном. Таким образом, устойчивые и неустойчивые виды отличаются разным содержанием монотерпенов.

В 80-х годах показано изменение состава монотерпенов при фумигации растений сернистым газом. В бальзаме из пихты Abies balsamea при высоких концентрациях SO2 в течение нескольких дней обнаружено [Penwic, Potter, 1981] более высокое содержание - и

-пиненов, а также камфена, чем в контрольных растениях. В меньшей мере увеличивалось содержание борнеолацетата и некоторых других терпенов. В опытах Бухера [Bucher, 1982] при фумигации SO2 в хвое сосны Pinus sylvestris обнаружено увеличение содержания пинена в 5 раз и камфена в 10 раз по сравнению с контролем. При этом уменьшалось количество мирцена, лимонена и некоторых других летучих соединений. Общее количество монотерпенов при этом не изменялось.

Известны случаи выделения терпенов каурена и изокаурена в ответ на заражение грибами [Mellon, West, 1979]. При вирусной инфекции могут появляться соединения, обычно не образуемые растениями. Так из листьев табака Nicotiana rustica, зараженного вирусом табачной мозаики, кроме 16 известных сесквитерпеноидов, было выделено 3 новых, идентифицированных как окциденол, окциденталол и транс-окциденталол [Uegaki et al., 1985]. Корни риса в ответ на инфекцию грибами Pyricularia oryzae или облучение ультрафиолетовым светом образуют и выделяют момилактон, который является также аллелопатически активным агентом [Kato-Noguchi, 2004 ; Toyomasu et al., 2008]. Есть данные о том, что -мирцен повышает устойчивость сосны к нематодам [Ishikawa et al., 1987].

С продуцированием терпенов связана биологическая активность большого числа растений. Е. С. Лахно и Н. В. Козлова [1967], изучая состав выделений хвойных растений, пришли к выводу, что их антимикробные свойства обусловлены выделением скипидара, основную часть которого составляют терпены. Такие терпены, как камфора и цинеол, оказывали значительное влияние на рост корней огурца Cucumis sativus [Muller W.H., Muller С. Н., 1964]. Их действие было более сильным, чем - и -пиненов. Производные терпенов также могут быть физиологически активны - вызывать ингибирование роста растений (действуя как аллелохимикаты при аллелопатических взаимодействиях), или/и развития насекомых (действуя как кайромоны). Формулы таких защитных соединений даны на рис. 89.

Рис.89. Защитные терпеноиды растений. Сесквитерпеноиды из листьев табака Nicotiana rustica, инфицированные вирусом табачной мозаики – оксиденол (1) и оксиденталол (2). 3 - Кайрамон азадирахтин из Azadirachta indica. R – тиглоил.

Изучение механизма действия некоторых терпенов, в частности бициклического терпена -пинена, показало, что биологическая его активность находится в связи с его способностью блокировать SH-группы ферментов. Полагают также [Muller, 1965], что действие терпенов осуществляется благодаря растворению их в липофильных слоях кутикулы и протоплазме клеток растений.

Терпеноиды секреторных структур составляют важный аспект химической защиты растений в биоценозе. Концентрация монотерпенов у хвойных растений увеличивается при повреждении [Jutner, 1988]. Например, секреторные волоски Conradina canescens (сем.

Lamiaceae) выделяют монотерпены цинеол, камфору, пинокарвал, борнеол, обладающие аллелопатической активностью. Корни многих растений выделяют -фелландрен и цинеол в качестве защиты от патогенов [Wenke et al., 2010]. Цинеол на 100% ингибируют прорастание семян Leptochloa dubia и на 97% радиальный рост [Williamson et al., 1989]. В опытах по сравнению ингибирующего действия различных терпеноидов на прорастание семян редиса [Asplund, 1968] показано, что терпеноидные кетоны камфора и пулегон наиболее активны в низких концентрациях 1,5-3,3 мкМ, тогда как моноены - и -пинены, диены лимонен и -фелландрен, спирты борнеол и эфир цинеол вызывали аналогичный эффект в концентрациях в 5-100 раз более высоких.

6.2.4. Спирты Образование этанола и некоторых других спиртов идет и в аэробных условиях. Но при недостатке кислорода накопление спирта усиливается [Гринева, I975]. В проростках риса Oryza sativa способность к ферментативному образованию спирта возрастает особенно при критически низкой примерно 0,06 моль м-3 (5%) концентрации кислорода [Atwell, Greenway, 1987]. Затрудненная аэрация, связанная с анатомическими особенностями растения, наблюдается в корневых системах, особенно в ее апикальной части [Atwell et al., 1988]. У древесных пород недостаток кислорода испытывают глубоколежащие ткани. В летний жаркий день этанол в следовых количествах можно обнаружить во внутреннем воздухе тополя бальзамического Populus balsamifera, березы бородавчатой Betula verrucosa и других растений [Рощина, 1975]. В эндосперме семян клещевины Ricinus communis в условиях аноксии (15 ч) концентрация спирта может достигать 15 мкМ [Donaldson et al., 1985].

Как это показано для многих растений, образование этанола происходит и при затоплении вследствие ухудшения обеспеченности тканей кислородом. Оранжерейные опыты с затоплением люцерны Medicago sativa и лядвенца Lotus corniculatus позволили уловить этанол, который выделяется с транспирационным током [Barta, 1984].

Образование этанола отмечено также при низкотемпературных стрессах и оледенении у озимых сортов пшеницы Triticum [McKersie et al., 1982]. Возможно, конечно, что и в этих случаях образование спирта также обусловлено слабой аэрацией тканей. Из других стрессовых воздействий интерес представляет сернистый газ, в атмосфере которого проростки сосны смолистой Pinus resinosa и березы бумажной Betula papyrifera продуцировали этанол [Kimmerer, Kozlowski, 1982].

Освобождаясь от избыточного количества спирта, клетки выделяют его в окружающую среду. Особенно интенсивно этот процесс идет в корневых системах и слабо аэрируемых тканях, из которых этанол может перемещаться с транспирационным током.

Повышение экссудации этанола, аминокислот и cахаров корнями гороха Pisum sativum обнаружено [Smucker, Erickson, 1987] в искусственной газовой среде, содержащей азот и 30% СО2. В этих условиях количество этанола за 96 ч достигало свыше 250 мг/г сухой массы. Аминокислоты, главным образом аланин, лейцин, аспарагин, глютамин, составляли примерно 1,34 мг/г сухой массы. Следы этанола и других низкомолекулярных спиртов с помощью газовой хроматографии были обнаружены в транспирационной воде древесных растений [Рощина, 1973, 1974].

Этанол образуется в результате гликолиза из пирувата, который при аэрации преимущественно используется в цикле Кребса. В силу того, что уксусный альдегид, возникший из пирувата, не всегда полностью превращается в этанол, часть его может использоваться на образование других низших или даже высших спиртов [Glinka, Reinhold, 1962]. Метанол был обнаружен среди летучих веществ, выделяемых листьями редиса [Дадыкин и др., 1967], метанол и пропанол — в транспирационной воде древесных растений [Рощина, 1974], бутанол — в составе летучих компонентов сои [Nunomura et al., 1976]. В корнях кукурузы Zea mays и подсолнечника Helianthus annuus, а также в растворе, окружающем корни, найдены изобутанол, амиловый и гексиловый спирты. Повышенное содержание спирта, свидетельствующее об усилении гликолитических процессов, может на определенном этапе компенсировать недостающую энергию для жизнедеятельности организмов при недостатке аэрации.

Физиологические эффекты этанола изучены лучше, чем других спиртов. Низкие концентрации его стимулируют ростовые процессы. Например, отмечено, что у обработанных спиртом проростков овса Avena sativa усиливается рост мезокотиля [Mer, 1961]. В концентрации 0,02 М этанол стимулировал деление клеток хлореллы [Mer, 1961].

Из других спиртов таким же действием обладал только метанол. Однако этанол усиливал деление клеток на 75%, а метанол — всего лишь на 3—4% [Bach, Felling, 1958]. Стимулирующее действие спирта на клетки объясняется в основном его использованием как источника углеродных групп, поскольку при достаточном поглощении СО2 стимулирующее влияние вещества на рост снижается [Bach, Falling, 1958]. При повышении концентрации стимулирующее действие сменяется ингибирующим. Отмечено угнетение этанолом прорастания семян ячменя Hordeum vulgare и роста каллюсной ткани из сердцевины табака Nicotiana tabacum [Гринева, 1975]. Дальнейшее повышение концентрации этанола до 0,1% вызывает отмирание растений.

Ингибирование роста обусловлено нарушением метаболических процессов под влиянием химического стресса. Известно, что введение в листья растворов спирта приводит к изменению использования различных форм cахаров и усиливает дыхание. В митохондриях высокие концентрации этанола и метанола вызывают набухание митохондрий, ведущее к увеличению проницаемости мембран, и ингибируют фосфорилирование. Таким образом, действие этанола сказывается на самых существенных сторонах жизни клетки.

Другие спирты не влияют на рост столь эффективно. Значение их в метаболизме не изучено, неясна локализация центров их биосинтеза и дальнейшее вовлечение в обмен.

6.2.5. Альдегиды

Летучие альдегиды, как и спирты, являются компонентами растительных выделений интактных растений (см. 4.3.3). При стрессовых условиях выделение альдегидов часто повышается. Нанесение механической травмы способствует их образованию. Вероятно, поэтому высоким содержанием альдегидов отличаются гомогенаты листьев и других тканей растений. Летучие альдегиды были обнаружены в парах раздробленных почек черемухи Padus racemosa, тополя бальзамического Populus balsamifera, настоях из листьев тех же растений [Рощина, 1973а, 1974]. В яблочных, грушевых, виноградных и смородинных настоях плодов с дистиллированной водой были идентифицированы ацетальдегид, ацетон, пропионовый альдегид, масляный альдегид, метилпропилкетон, валерьяновый альдегид, метилбутиленкетон и др. [Pribella, Vasatko, 1967]. Этаналь часто обнаруживается в гомогенатах листьев и плодов [Masguelier, Vitte, 1967].

Альдегиды и кетоны с помощью чувствительных химических реакции найдены в выделениях измельченных листьев брусники Vaccinium vitis idaea, березы Betula verrucosa, черемухи Padus racemosa и дуба Quercus [Скворцов, Смирнова, 1972]. В.В.

Чубинидзе [1966] с помощью полярографического метода в воздухе раздробленных листьев белой акации Robinia pseudoacacia, тополя черного Populus nigra и других растений среди идентифицированных соединений обнаружил формальдегид, ацетальдегид и изовалерьяновый альдегид. Выделение альдегидов и спиртов с 6 углеродными атомами наблюдалось и при ранении томатов. Были идентифицированы [Urbash, 1984] 2-гексаналь, а также спирты транс-2-гексанол и н-гексенол, которые обладали антифунгальной активностью.

Многие растения при повреждении листьев образует гексаналь. Значительное количество этого альдегида найдено в гомогенатах листьев белой акации Robinia pseudoacacia [Schauenatein et al., 1977] и гинкго Ginkgo biloba [Major et al., 1963], Albizzia julibrissin, Ailanthus glandulosa [Major et al., 1972]. Выход газа зависит от pH [Major et al., 1972]. Наибольший выход газа у Ginkgo biloba при рН 3,7-5,0, у Ailanthus glandulosa при 6и падает при более высоких значениях. В интактных листьях гексаналь практически не образуется [Major et al., 1972]. В конденсате из листьев гинкго гексаналь присутствует в количестве, превышающем 3,78 х 10-7 мг в 3 мкл. Для его образования необходим кислород. Если листья, собранные в период роста, поместить в атмосферу без кислорода, то гексаналь не образуется. Возможно, что в синтезе гексаналя участвует фермент, требующий присутствия О2. С выделением гексаналя связывают устойчивость к грибной инфекции [Major et al., 1963, Major, Thomas, 1972]. Ненасыщенные альдегиды, как описано в обзоре Лира с соавт. [Lyr et аl., 1987], также обладают фунгицидными свойствами. Они образуются в растениях из ненасыщенных жирных кислот (линолевой и линоленовой) при участии фермента липогеназы. При гомогенизации тканей яблок в течение 10 мин выделяется до 2310 мкг гексаналя на 100 г плодов [Lyr et al., 1987]. При раневых реакциях и перекисном окислении липидов с помощью липооксигеназ из жирных кислот образуется не только гексаналь и гексеналь, но и -кетол и -кетол [Zimmerman, Vick, 1988].

Количество образуемых при ранении -кетолов возрастает в 3-5 раз в течение 10 мин.

Гексаналь и гесеналь могут быть важным фактором раневого ответа, защищая растительные ткани от патогенных грибов и болезнетворных микроорганизмов [Zimmerman, Vick, 1988].

Выделение альдегидов усиливается и при других стрессовых условиях. Так выделение ацетальдегида увеличивается при обработке сернистым газом проростков Pinus resinosa и Betula papyrifera в концентрации до 3 мкл/л [Kimmerer, Kozlowsкi, 1982].

Имеются также сведения, что выделение ацетальдегида из растений гороха Pisum sativum, бархатцев Tagetes и эвкалипта Eucalyptus viminalis возрастает в условиях водного дефицита, при замораживании и экспозиции в азоте [Kimmerer, Kozlowski, 1982]. Таким образом, выделение альдегидов при стрессах возрастает и может достигать биологически активных концентраций.

Биологические эффекты альдегидов зависят от числа углеродных атомов, концентрации и объекта, на котором испытывается их действие. Низшие альдегиды при малых концентрациях могут не оказывать влияния или даже стимулировать процесс.

Данные Тейлорсона [Taylorson, 1979] показывают, что при разведении 100 частей альдегида на миллион прорастание семян портулака Portulaca oleracea стимулируется, и масляный альдегид обладает более сильным действием, чем уксусный (табл.33). Более высокие концентрации альдегидов оказывают негативное действие на живые клетки.

Таблица 33. Влияние на прорастание семян (% проросших семян) портулака Portulaca oleracea низших альдегидов [Taylorson, 1979] Альдегид Концентрация (часть на миллион - v/v) Уксусный 32±8 33±5 24 ± 6 34±7 Пропионовый 20 ± 6 20±2 26±7 33±6 Масляный 29±4 28 ± 5 30 ±3 46±6 Отмечено, что альдегиды вызывают резкие сдвиги водоудерживающей способности клеток и проницаемости цитоплазматических мембран [Рощина, 1974; Рощина В. Д., Рощина В.

В., 1970, 1983].

Токсическое действие альдегидов связывается с их способностью реагировать с аминными и сульфгидрильными группами белков, вызывая их конформационные изменения [Schauenstein et al., 1977]. Однако сила и характер воздействия зависят также от структуры, гидрофильности, липофильности и полярных свойств молекулы. Наиболее реакционноспособным в ряду насыщенных алканалей является формальдегид, а по мере увеличения числа углеродных атомов ингибиторные свойства альдегидов снижаются [Schauenstein et al., 1977].

Насыщенные альдегиды обладают ингибирующим действием на ряд физиологических процессов растений и микробов. Формальдегид или ацетальдегид (в количестве 1 мМ) необратимо ингибируют клеточное деление Escherichia coli, тормозит или останавливает прорастание семян и рост проростков [Schauenstein et al., 1977].

Ацетальдегид может угнетать фотосинтез [Колесниченко, 1976]. Изучено действие алканалей на клеточное дыхание [Schauenstein et al., 1977]. Формальдегид ингибирует

-оксиглутамата окисление сукцината, глутамата, и пирувата, сопряженное с фосфорилированием [Schauenstein et al., 1977]. Кроме того, формальдегид и ацетальдегид подавляют активность АТРазы и обращение АТР электронного транспорта в митохондриальных частицах. Другие альдегиды — ацеталь, пропаналь, изобутаналь, изопентаналь — вызывают изменения окислительных процессов митохондрий, действуя на соответствующие дегидрогеназы и метаболизм пирувата. Эти эффекты частично обратимы. Примером необратимой инактивации может служить подавление альдегидами активности нитрогеназы и гидрогеназы [Slatyer et al., 1983].

Являясь физиологически активными веществами, низкомолекулярные альдегиды, возможно, обладают аллелопатическим эффектом. В пользу такого предположения свидетельствуют приведенные выше факты. Возможно, что растение — донор альдегидов, действуя на белки растения-акцептора, окажется конкурентоспособным. С другой стороны, у растения-акцептора могут быть защитные механизмы от такого воздействия; например, они могут включать усвоенные альдегиды в свой метаболизм путем окислительновосстановительных превращений, образуя органические кислоты и спирты [Дурмишидзе, 1977].

6.2.6. Цианистый водород По мере совершенствования методических приемов, кроме альдегидов и спиртов, были обнаружены и другие недоокисленные продукты повреждения растительных клеток. К их числу относится синильная кислота водород), которая HCN - (цианистый идентифицирована в составе летучих соединений поврежденных растительных тканей.

Впервые об этом сообщил Б. С. Драбкин [1954], исследовавший состав паров, выделяемых измельченными листьями черемухи Padus racemosa. Синильная кислота найдена также в выделениях измельченных семян льна Linum linearis [Ермаков, 1960]. Она поступала в воздух одновременно с ацетоном.

Главными биологическими предшественниками являются цианогенные HCN гликозиды, которые содержатся, по крайней мере, у 800 видов растений, представляющих 70—80 семейств [Miller, Conn, 1980]. 30 цианогенных гликозидов были идентифицированы (формулы некоторых из них представлены на Рис.90), но, как оказалось, только некоторые из них широко распространены — линамарин и лотаустралин. Обычно они встречаются в одних и тех же растениях: лимских бобах Phaseolus limensis, маниоке Manihot utilissima, льне Linum linearis, в разных видах клевера Trifolium newseeland, T. repens, хотя и в разных количествах. Известны цианиды с ароматическими радикалами, в частности амигдалин, присутствующий в семенах миндаля Amygdalus communis в количестве до 1,8%, персика Persica prunuca, рябины Sorbus aucuparia, черешни Cerasus avium, сливы Prunus domestica, а также дуррин, встречающийся у злака сорго Sorghum vulgare [Muller, Conn, 1980;

Solomonson, 1981].

Синтез цианогенных гликозидов осуществляется из аминокислот [Kakes, 1990]. На рис. 90 в качестве примера показан путь биосинтеза линамарина из валина. В процессе синтеза происходит образование и ее окислительное N-гидроксиаминокислоты декарбоксилирование до альдоксима с последующим его превращением в цианогидрин.

Последним этапом в биосинтезе цианогенных гликозидов является гликозидирование гидроксинитрила. Есть также сведения, что этилен участвует в метаболизме цианидов, поскольку цианид образуется как побочный продукт окисления предшественника этилена 1-аминоцикло-пропан-1-карбоновой кислоты (АЦК) в присутствии АЦК –оксидазы [Goudey et al., 1989; Grossman, 1996]. Увеличение синтеза цианидов происходит во время образования некротических пятен на листьях табака под действием вируса табачной мозаики, при этом стимулируется также образование этилена [Grossman, 1996]. Цианиды способны ингибировать дыхание на уровне электронтранспортной цепи, однако есть и устойчивый к цианиду путь дыхания [Laties, 1982].

Распределение цианогенных гликозидов по растению неравномерно. Наибольшее их количество часто сосредоточено в семенах, в других случаях — в верхушках стеблей и проростков. В интактных растениях, содержащих цианогенные гликозиды, образование синильной кислоты исключено, поскольку субстраты и ферменты этой реакции локализованы в разных органеллах (см. 6.1). При разрушении ткани специфические гликозидазы отщепляют сахар, а образовавшийся промежуточный продукт цианогидрин спонтанно разлагается с образованием кетона или альдегида и HCN. Количество Рис. 90. Цианогенные гликозиды. А - структура основных цианогенных глюкозидов; Б — биосинтез линамарина из аминокислоты валина; В— образование синильной кислоты при гидролизе цианогенных гликозидов.

синильной кислоты, которое может выделиться из пищевых растений (табл. 34) при их разрушении,достигает 910 мг на 100 г ткани. Иногда семена, как, например, у Sorghum vulgare, не выделяют HCN, однако этиолированные верхушки стеблей и молодые листья, образующиеся из этих семян, продуцируют синильную кислоту в значительных количествах. Отдельные органы гевеи Hevea brasilensis — черешки листьев, апикальная стеблевая почка, эндосперм и эмбрион семени и даже корни — выделяют синильную кислоту при механическом повреждении [Poulton, 1983]. Интересно, что продукция HCN может возрастать не только при физическом повреждении, но и в ответ на химическое воздействие и внедрение грибов-паразитов [Lieberei, 1986].

Физиологическое значение накопления цианогенных гликозидов не вполне ясно.

Определенная часть их, по-видимому, может расходоваться на биосинтез нецианогенных соединений, как это происходит при прорастании семян гевеи [Lieberei et al., 1985].

Полагают [Seiger, Price, 1976], что и в семенах бобовых растений цианиды могут быть источником азота. Однако наиболее очевидная биологическая роль цианогенных гликозидов высших растений — защита от истребления животными [Nahrstedt, 1985].

Полагают, что одной из причин культивирования маниока Manihot esculenta в районах Индии, Африки, Южной Америки, где эти растения составляют основной продукт Таблица 34. Количественное содержание HCN (в мг/100 г), выделяемого из пищевых растений [Poulton, 1983]

–  –  –

питания, является их устойчивость к саранче [Jones, 1981]. Однако и сами люди, использующие листья и трубки этого растения для питания, нередко страдают от отравления цианидами, которые содержатся в маниоке. Имеются случаи отравления овец и других травоядных животных растениями, содержащими цианогенные гликозиды [Vennesland et al., 1981; 1982]. Для насекомых летальные дозы — на 50 мг личинок около 100—250 нг HCN, и это меньше, чем выделяет при повреждении молодой лист клевера Trifolium repens [Nahrstedt, 1985]. Механизм действия HCN на животных, по-видимому, состоит в ингибировании фермента конечной стадии дыхания — цитохромоксидазы.

6.2.7. Фенолы В физиологически активных тканях высших растений фенольные соединения находятся в вакуолях в виде гликозидов. Если растительная клетка подвергается действию факторов, вызывающих стресс, то разрушение или увеличение проницаемости тонопласта приводит к выходу фенольных соединений в цитоплазму, где они окисляются до соответствующих хинонов. В окислении принимает участие фенолаза — медьсодержащий фермент. Он может окислять, например, хлорогеновую, кофейную кислоты, катехол, p-кумариновую кислоту, тирозин. Образующиеся хиноны — очень сильные окисляющие агенты, которые реагируют с -амино- и тиоловыми группировками белков. Кроме того, они могут подвергаться полимеризации с образованием коричневых и черных продуктов. Реакция полимеризации может протекать и неэнзиматически.

Поскольку эти реакции в интактном растении не наблюдаются, полагают [Rhodes, Wooltorton, 1978], что фермент, окисляющий полифенолы, и субстрат находятся в разных компартментах клетки, которые при стрессах разрушаются. Местом синтеза фенольных соединений являются хлоропласты [Запрометов, Колонкова, 1967; Запрометов, 1993]. Они же первичные компартменты фенольных соединений. Затем подавляющая масса водорастворимых фенолов концентрируется в вакуоли (см. также 1.4 и 3.8). Фенолаза же, как показывают опыты с экстракцией фермента, находится в растворимой части цитоплазмы клеток, хотя ее активность ассоциируется и с хлоропластами, и с митохондриями [Rhodes, Wooltorton, 1978].

Стрессовые условия не только способствуют освобождению и преобразованию уже имеющихся в клетке фенольных соединений, но и стимулируют фенольный метаболизм, при котором увеличивается синтез производных кофейной и хинной кислот. Среди них— коричная (циннамовая), хлорогеновая, изохлорогеновая кислоты (рис.91). Эти соединения присутствуют и в интактных тканях, но их накопление стимулируется стрессами.

Рис. 91. Ароматические кислоты, образующиеся при стрессе.

Синтез кофейной, коричной (циннамовой), хлорогеновой и изохлорогеновой кислот происходит в шикиматном пути синтеза ароматических кислот из фосфоенолпирувата и эритрозо 4-фосфата (рис.92). Количество фенольных соединений возрастает при разных повреждениях: механическом, химическом, например, тяжелыми металлами, инфекцией, грибами, бактериями или вирусами. Образованию фенолов способствует также дефицит элементов минерального питания (бора, кальция, магния, азота, фосфора, калия и серы), в частности, возрастает концентрация хлорогеновой кислоты [Putnam, 1983].

Рис.92. Синтез ароматических кислот (по: [Кретович, 1971; Осипов и др. 1986; Гудвин, Мерсер, 1986].

Засуха в комбинации с другими стрессами может значительно увеличить концентрацию хлорогеновой и изохлорогеновой кислот в растениях. У подсолнечника, например, комбинация засухи и азотного голодания индуцирует 15-кратное увеличение этих веществ. Жара и холод также влияют на образование и выделение фенолов [Putnam, 1983]. Многие другие факторы могут влиять на синтез и выделение фенольных соединений из растений. Гербициды и природные ингибиторы могут увеличивать их содержание. При стрессовых условиях, главным образом грибной инфекции, могут возникать новые фенольные соединения — фитоалексины: фазеолин, пизатин, сативин, медикарпин и др. (см. 6.2.10).

Феноменология биологических эффектов фенольных соединений изучена лучше других веществ. С их действием связывают явления аллелопатии, взаимодействия растений с насекомыми-фитофагами, устойчивости к заражению патогенными микроорганизмам [Harborne, 1988]. Фенолы могут играть здесь важную роль как детоксиканты высоких концентраций реактивных форм кислорода [Часов Минибаева, 2009]. Причем не исключено, что при стрессе имеет место регуляция на генном уровне.

Например, показано, что у трансгенных растений рапса Brassica napus по сравнению с растениями дикого типа наблюдается более высокая (в 2-4 раза) способность сохранять окислительный гомеостаз в условиях низкотемпературного стресса за счет накопления общих фенолов и флавоноидов (антоцианов) [Гомаа и др., 2012].

Возникающая в результате стресса хлорогеновая кислота обладает антимикробными свойствами, но еще более сильным действием обладают ее хиноны — продукты окисления [Стом, 1979]. Следует ожидать, что именно продукты окисления, а не сами фенольные соединения регулируют широкий круг процессов при экзогенных воздействиях. Таким образом, влияние на растения, приписываемое фенолам на основании модельных опытов, должно быть отнесено к веществам, вышедшим из вакуолей и продуктам их окисления.

Продукты окисления фенольных соединений не единственные токсины, — накапливающиеся в клетках при нарушении обмена. То особое место, которое им принадлежит, обусловлено ярко выраженной токсичностью хинонов, высокой концентрацией фенольных соединений и относительной устойчивостью окисляющего их фермента ортодинитрофенолоксидазы.

Фенолы и близкие им ароматические соединения могут вызывать значительные изменения проницаемости и водообмена клеток [Рощина В. Д., Рощина В. В., 1970;

Рощина, 1974]. При одних и тех же концентрациях наиболее сильно изменяют состояние цитоплазмы ароматические оксикислоты и полифенолы с орторасположением гидроксильных групп. Изменения проницаемости и гидрации в клетках так или иначе связаны с изменением высокомолекулярных компонентов цитоплазмы — белков.

Конформационные изменения макромолекул могут происходить в результате взаимодействия фенолов с белками, при котором фенольные соединения образуют также водородные мостики с пептидными связями. Степень конформационных изменений белка, вызванных фенолами, по-видимому, может быть различной — от незначительных структурных изменений до полного изменения расположения пептидных цепей. Таким образом, фенольные соединения, вступая в контакт с плазмалеммой, оказывают влияние на ее свойства, связанные с проницаемостью. Одновременно они соединяются с белками цитоплазмы, влияя на водоудерживающие силы клеток.

6.2.8. Азотсодержащие соединения.

Азотсодержащие соединения часто встречаются среди стрессовых метаболитов. К ним относятся алкалоиды, амины, аминокислоты, сульфоксиды аминокислот и стрессовые белки. Кроме того, описаны опыты по выделению окислов азота (моно- и диоксидов) после обработки растений гербицидами [Klepper, 1979].

Алкалоиды образуются почти у всех организмов и могут накапливаться в растениях под влиянием стрессов [Aniszewski, 2007]. Существует даже гипотеза об эндогенном образовании алкалоидов и в животном организме как возможной причины стрессов, вызывающих психические расстройства [Мецлер, 1980]. В этом случае проводят параллель между биохимией животных и растений. Однако экспериментальные данные по этим вопросам почти отсутствуют. Между тем алкалоиды широко распространены в растениях. Они содержатся приблизительно у 20% семейств высших растений.

Сосредоточены алкалоиды в основном в активнорастущих тканях, эпидермальных и гиподермальных клетках, в латексе млечников и обкладке сосудистых пучков. Место локализации алкалоидов в клетке — в основном вакуоль, где они содержатся в виде солей яблочной, винной, лимонной и других кислот (см. 1.4). В семенах алкалоиды запасаются внутри эндосперма, и покоящийся эмбрион обычно защищен от их токсического влияния [Friedman, Waller, 1985].

В химическом отношении алкалоиды не представляют собой однородной группы и существенно различаются по составу и строению. В зависимости от природы азотистого гетероцикла, входящего в их состав, алкалоиды разделяются на следующие основные группы: 1. производные пиперидина (анабазин, кониин), 2. производные пиридина (никотин), 3. производные тропана (атропин), хинолина (хинин), 4. производные изохинолина (морфин, берберин), 5. производные пурина (кофеин), 6. производные терпеноидов (соланин), 7. производные индола (стрихнин) [Mnz, 1984; Гудвин, Мерсер, 1986]. Обычно в растении содержится целый комплекс алкалоидов, родственных по своей химической природе, как, например, у табака Nicotiana tabacum, опийного мака Papaver somniferum, хинного дерева Cinchona succirubra. В отношении многих алкалоидов показано, что их содержание в растениях подвергается большим колебаниям, которое зависит от меняющихся условий среды. Особенно сильно влияют освещение, температура, засоление, засуха и т.д.

Поскольку в настоящее время алкалоиды более не рассматриваются как отбросы растений, и признается существование тесной связи между обменом белков и аминокислот, с одной стороны, и образованием алкалоидов — с другой, изменение количества алкалоидов при стрессах является показателем изменения азотного обмена растений.

Действие стрессовых факторов на накопление и выделение алкалоидов было экспериментально проверено рядом авторов. Так водный стресс резко увеличивал концентрацию алкалоидов у крестовника Senecio longilobus Benth [Briske, Camp, 1982].

Сходное явление наблюдали при повышении концентрации соли на суспензионной культуре Coffea arabica в период стационарной фазы [Frischknecht, Baumann, 1985].

Засоление (0,75% NaCl) при высокой интенсивности света вызывало увеличение синтеза пуриновых алкалоидов — теобромина и кофеина. Повышение содержания соли до 153,8 моль/м3 также приводило к повышению содержания алкалоидов типа тропана в листьях дурмана Datura innoxia. Дефицит К+ в аналогичных опытах вызывал повышение уровня диамина путресцина, который является предшественником пирролидина [Brachet, Cosson, 1986]. Значительное увеличение накопления алкалоидов (от 60 до 90 % от контроля) наблюдалось в суспензионной культуре клеток Catharanthus roseus под действием инокуляции грибом Aspergillus niger и осмотического шока [Godoy-Hernndez and Loyola-Vargas, 1991]. При заражении грибами алкалоид сангвинарин накапливается и секретируется также и в культуре клеток Papaver bracteatum [Cline and Coscia, 1989].

Рис.93. Алкалоиды, освобождающиеся при разрушении растительной ткани

Механическое повреждение ткани способствует освобождению алкалоидов, которые могут оказывать сильное физиологическое действие на живые организмы, будь то животные, микробы или растения. Формулы некоторых алкалоидов, освобождающихся при повреждении растительной ткани, показаны на Рис.93.

При механическом повреждении листьев дикого табака Nicotiana sylvestris содержание алкалоидов возрастает в 4 раза по сравнению с неповреждёнными растениями.

Особенно сильно увеличивается (примерно в 10 раз) через 19 часов после такого повреждения количество никотина и норникотина [Baldwin, 1989]. Полагают, что стимуляция синтеза алкалоидов при стрессе обусловлена участием этилена и абсцизовой кислоты [Бузук и др., 1989].

Неисследованной проблемой является накопление нуклеотидов и азотистых оснований при распаде нуклеиновых кислот под влиянием стресса, хотя довольно подробно проведен анализ аминокислот и аминов, аккумулирующихся в этих условиях.

Засуха и засоление – самые значительные факторы, вызывающие образование стрессовых азотсодержащих метаболитов. У покрытосеменных растений, произрастающих на песчаных дюнах или галечниках прибрежных зон, обнаруживается аккумуляция в листьях осмотически активных метаболитов — азотсодержащей аминокислоты пролина и производного аминов бетаина, которые были отнесены к стрессовым веществам [Smirnoff, Stewart, 1985]. Так как эти почвы имеют низкую насыщенность влагой и растения на них испытывают действие засухи и перегрева, полагают, что эти соединения определяют их засухо- и жаростойкость. Экспериментально было показано, что в присутствии стрессовых метаболитов возрастает термостойкость некоторых ферментов, в частности глютаминсинтетазы и глютаматоксалоацетатаминотрансферазы [Smirnoff, Stewart, 1985].

Возможна также связь между солеустойчивостью и содержанием у культурных трав бетаина. Превращение аминокислот в бетаин (СН3)3N+—СН2СОО-) путем их полного метилирования — процесс, характерный для азотного обмена многих растений, в том числе, например, у люцерны Medicago sativa.

В качестве веществ cтресса могут накапливаться амины, многие из которых физиологически также весьма активны. Например, при искусственном дефиците минерального питания в листьях риса Oryza sativa накапливается индольный амин серотонин, являющийся нейротраснсмиттером у животных [Kang et al., 2009]. Поскольку этот амин проявляет свойства стимулятора роста и мощного антиоксиданта [Roshchina, 2001a], то можно предполагать его защитные функции как метаболита, чей синтез увеличивается при стрессе. При стрессе могут накапливаться и выделяться полиамины, которые могут быть многофункциональными протекторами [Кузнецов и др., 2006]. При хранении плодов лимона Citrus limon, грейпфрута Citrus paradisi и стручкового перца Capsicum annuum в условиях низких температур, вызывающих повреждение ткани, в них накапливается полиамин путресцин Наибольшей [McDonald, Kushad, 1986].

чувствительностью к холоду обладает перикарпий плодов перца, хранение которых при температуре 1оС в течение 21 дня приводит к увеличению концентрации путресцина в 2,5 раза по сравнению с плодами, находящимися при 7,2°. При 4,4°С в мякоти и соке плода грейпфрута содержание путресцина за 60 дней повышалось на 39 и 40% соответственно по сравнению с плодами, хранящимися при 15,5°. При хранении плодов лимона в течение 21 дня при разных температурах отмечено линейное отношение между уровнем путресцина и увеличением холодового повреждения. Коэффициент корреляции равнялся 0,9.

Накопление полиаминов при холодовом стрессе подтверждается работой [Wang, 1987], выполненной на проростках огурца Cucumis sativus, выращенных в теплице. Холодная обработка (5° в течение 2 дней) приводила к увеличению уровня полиаминов, в частности спермидина.

Интересно, что путресцин накапливается в листьях ячменя Hordeum и других растений при калийном голодании, а также при хлоридном отравлении [Кретович, 1971].

Поскольку путресцин накапливается в результате декарбоксилирования аминокислоты орнитина, приведенные факты, по-видимому, указывают на активирование при стрессах декарбоксилаз аминокислот. Амины, образующиеся при декарбоксилировании аминокислот, могут снова вовлекаться в обмен веществ и использоваться в качестве строительного материала. Особенно легко эти амины используются растением для синтеза алкалоидов [Aniszewski, 2007].

К числу метаболитов, освобождающихся из клеток при стрессе, по-видимому, должны быть отнесены и небелковые аминокислоты, которых в высших растениях обнаружено свыше 400 [Friedman, Waller, 1985]. Многие из них — аналоги обычным белковым аминокислотам Распространены небелковые аминокислоты (рис.94).

относительно широко, многие из них токсичны. Некоторые из этих соединений характерны для отдельных семейств и даже для отдельных родов. Например, азетидин-2-карбоновая кислота обнаруживается в растениях из семейства Liliaceae, а также у некоторых видов из близкого к лилейным семейства Amaryllidaceae. Количество непротеиногенных аминокислот в различных органах растения может сильно варьировать [Фауден, 1968], но больше всего, по-видимому, их находится в семенах. Например, канаванин в семенах Canavalia

Рис. 94. Токсические небелковые аминокислоты и их аналоги среди белковых соединений

ensiformis составляет 4—6% сырой массы, а в в семенах Dioclea megacarpa — в пределах 7—10% сырой массы. В семенах Mucuna найден L-ДОФА (диоксифенилаланин) в количестве от 6 до 9% [Харборн, 1985].

Непротеиногенные аминокислоты не могут играть заметную роль в основных процессах промежуточного обмена, так как лишь немногие из них широко распространены в природе [Фауден, 1968]. Однако, поскольку эти соединения содержат азот, можно рассматривать их как запасные вещества семян, служащие источником легко мобилизуемого азота. Непротеиногенные аминокислоты могут также играть защитную роль в образующих их растениях, повышая их выживаемость. Ряд аминокислот растительного происхождения, например канаванин, дьенколевая кислота и -цианоаланин, токсичны для других форм жизни. Наиболее изученным токсином является азетидин-2-карбоновая кислота, впервые выделенная из Convallaria majalis. Она широко распространена у некоторых представителей бобовых и токсична вследствие ингибирующего действия на синтез и утилизацию пролина. Растения, образующие азетидин-2-карбоновую кислоту, сами защищены от ее пагубного действия благодаря способности белок-синтезирующего аппарата, в частности пролин-тРНК-синтетазы. распознавать эту кислоту и не включать ее в белок. Неадаптированные организмы ошибочно принимают азетидин-2-карбоновую кислоту за пролин и включают ее в белок, в результате чего могут погибнуть. Таким образом, присутствие небелковых аминокислот, особенно в семенах, обеспечивает общую защиту растений против насекомых и травоядных животных.

Среди азотсодержащих продуктов стрессовых выделений растений встречаются сульфоксиды аминокислот и белки. При повреждении тканей лука Allium сера и чеснока Allium sativum появлятся характерные для этих видов запахи, обусловленные летучими цистеин-сульфоксидами, которые обладают фунгицидной и бактерицидной активностью.

Они образуются из неактивных предшественников, в результате их гидролиза или расщепления с участием ферментов аллиназ или аллиинлиаз (рис. 95). В формировании характерного лакриматорного запаха лука принимают участие 4 предшественника алкицистеин-сульфоксида: S-метил, S-пропил, S-этил-L-цистеинсульфоксид и главный компонент s-транс-проп-I-енил-L-цистеинсульфоксид [Collin et al., 1986]. При их гидролизе образуется летучее лакриматорное (слезоточивое) соединение, аммиак и пируват. Синтез 3-х предшественников запаха лука S-метил, S-пропил, S-этил-Lцистеинсульфоксидов происходит из серина, тогда как главный предшественник S-транспроп-I-енил-L-цистеинсульфоксид - из валина и цистеина [Collin et al., 1986].

Предшественники веществ, обладающих характерным запахом, и фермент аллиназа, катализирующий процесс образования лакриматорных продуктов, расположены в разных компартментах клетки: аллиназа - в вакуоли, а предшественники - в цитоплазме. Очевидно,

Рис. 95.Образование летучих вешеств запаха лука и чеснока.

что реакция, в результате которой образуются вещества этого запаха, происходит только при разрушении клеток. В культуре ткани синтез предшественников не идет, очевидно, изза отсутствия необходимых структур. Как только такие структуры появляются в цитоплазме при дифференцировке клеток, начинается их синтез. Предполагают что местом синтеза предшественников лакриматорного запаха являются мелкие везикулы и может быть пластиды [Сollin et al.,1986].

Среди компонентов выделений при стрессе могут быть и белки, освобождаемые из клетки в результате повреждения или стимуляции особого секреторного механизма, а также белки, образуемые в ответ на действие неблагоприятного фактора. Окислительные системы растений часто включают в секретах оксидазы, например железистые волоски Bтипа дикого картофеля Solanum berthaltii Hawkes, содержат полифенолоксидазу [Kowalski et al., 1992]. В настоящее время рассматривается учение о стрессовых белках, возникающих у растений и животных при разных неблагоприятных факторах. У растений наиболее подробно изучены белки температурного стресса (молекулярная масса 80-95 кДа для растворимых белков и для связанных с гранулами- 70 и 80 кДа, хотя выделены белки с большим молекулярным весом) и обсуждаются механизмы их действия в самих растениях.

Существуют и так называемые травматические [Brandazza et al, 2004; Liu et al., 2010] и патоген-индуцированные белки [O’Leary et al., 2007]. Часто их объединяют под общим названием – группа белков патогенеза (pathogenesis-related group) [Datta et al., 1999].

Данных по анализу собственно секретов и экскретов немного по сравнению с литературой монографий по обнаружению и характеристикам стрессовых белков [Колесниченко и др, 2004; Косаковская, 2008], к которой читатель может специально обратиться. В данном разделе рассматриваются только случаи обнаружения стрессовых белков, найденных в выделениях растений.

Так при стрессах, вызванных внедрением патогена, экскретируются защитные белки [van Loon et al, 2006], в основном, гидролазы [Zoran, 2008]. Например, глюканаза и хитиназа выделяются клетками суспензионной культуры ткани нута Cicer arietinum при заражении грибом Ascochyta rabiei и тем самым разрушают фунгальную клеточную стенку [Vogelsang, Barz, I990]. Выделение этих ферментов не результат лизиса клеток, а часть секреторного механизма. В устойчивой к грибу линии нута хитиназная активность в 5 раз выше по сравнению с чувствительной линией. Напротив, у чувствительной линии активность -1,3-глюканазы в 3 раза выше, чем у устойчивой линии. Как показали опыты на мутантах, существует определенная связь между удерживанием в вакуоли и транспортом хитиназы в экстраклеточное пространство [et al., 1994 ]. В межклеточные пространства табака Nicotiana tabacum при инфекции вирусом табачной мозаики секретируются белки, обладающие как -1,3-глюканазной активностью, так и хитиназной, что было обнаружено с помощью антител против этих белков. Полагают, что они также играют важную роль в иммунитете растения [Hosokava, Ohashi, 1988]. В культуре ткани табака относящиеся к патогенезу белки выделялись в наружную среду суспензии клеток при стрессе, вызванном заражением вирусом табачной мозаики или салициловой кислотой или фитогормонами ИУК и гиббереллином и др. [Ohashi and Matsuoka, 1987]. Защитные белки филлопланины выделяются железистыми волосками на аэрируемую поверхность листьев табака [Shepherd et al., 2005]. Кислый и основной травматические белки найдены в каплях выделений пыльцы у гибридного тисса Taxus [O’Leary et al., 2007]. Считается, что такие белки участвуют в защите от повреждения яйцеклетки.

Введение генной инженерии в практику исследований корневых выделений позволило изучать секрецию корнями табака Nicotiana tabacum рекомбинантных белков путем использования инокуляции Agrobacterium [Gaume et al., 2003]. Это - новое направление в использовании стрессовых агентов для стимуляции развития ризосферы в практике гидропонной культуры.

6.2.9. Производные липидов и жирных кислот К стрессовым метаболитам можно отнести ряд продуктов метаболизма жирных кислот и липидов, многие из которых имеют двойные и тройные связи. К ним можно отнести и продукты перекисного окисления. Перекисное окисление начинается только в том случае, если в системе появляются свободные радикалы. Своеобразие реакции перекисного окисления состоит в его свободно-радикальном цепном характере. В ходе цепного окисления липидов первичными молекулярными продуктами являются перекиси. К вторичным продуктам окисления липидов относятся спирты, эпоксисоединения, альдегиды, кетоны, кислоты, кетоэфиры и другие соединения. Липидные перекиси обладают высокой химической активностью и оказывают отрицательное действие на живые организмы. Среди конечных продуктов перекисного окисления липидов значительную часть составляют низкомолекулярные легколетучие углеводороды этан, этилен, пентан, пентен и пентан, гексаналь, этан и этилен [Roshchina V.V., Roshchina V.D., 2003]. Состав их зависит от природы соединений, подвергшихся окислению.

Производные липидов и жирных кислот (алканы, алкены, кислоты, альдегиды, кетоны, спирты, простые и сложные эфиры) могут образовываться при механическом повреждении и изменении газового состава среды или просто освобождаются из компартментов при их разрушении. Первому вопросу посвящена работа Уоллбэнка и Уити [Wallbank, Wheatey, 1976], в которой исследовался химический состав цветной капусты Brassica oleracea, турнепса Brassica гара и редиса Raphanus sativus. Вакуумные экстракты из интактных растений содержали малое количество только одного компонента — гексенилацетата. В разрушенных листовых тканях тех же объектов преобладающим компонентом был цис-гексенил ацетат. Кроме того, были идентифицированы и другие компоненты — ацетон, метанол, гексилацетат и т. д.

С участием фермента липооксигеназы из жирных кислот образуются стрессовые кислоты, такие как 12-оксо-транс-I0-додеценовая и травматическая (Рис.96) [Zimmerman, Vick, 1989], которые предохраняют более глубоко лежащие клетки от проникновения патогенов.

Рис. 96. Стрессовые метаболиты, образуемые из липидов и жирных кислот

При стрессе может увеличиваться количество стероидов, например сердечных гликозидов дигоксина и дигитоксина, молекула которых состоит из несахаристого агликона и сахаров Основой агликона является тероидная (Рис.96).

циклопентанпергидрофенантреновая структура, часто связанная с ненасыщенным лактонным кольцом. Число сахаров (D-дигитоксоза, D-глюкоза, D-цимароза, L-рамноза и др.) в молекуле варьирует от одного до четырех. Исследования, проведенные [Stuhlfauth et al., 1987] у представителей семейства Scrophulariaceae, показали, что на синтез сердечных гликозидов оказывает влияние концентрация СО2. Так повышение содержания углекислоты в воздухе в 3 раза ведет к значительному (на 60%) общему увеличению их содержания у наперстянки Digitalis lanata. При этом особенно возрастает количество дигоксина - производного дигитоксигенина.

Среди стрессовых метаболитов, освобождающихся из компартментов клетки или секреторных ходов при повреждении особую роль играют ацетиленовые соединения и их производные (см. формулы на Рис. 26, глава 2). К ним относятся полиацетилены и тиофены [Bohlmann, 1973; I988], которые синтезируются из жирных кислот с участием липогеназы [Jente et al., 1988]. Тиофенов особенно много в секреторных выделениях корней бархатцев Tagetes patula и поэтому они обладают устойчивостью к поеданию личинками [Jente et al., 1990]. Более того, ацетилены и тиофены благодаря обилию тройных связей обладают и антивирусными свойствами [Hudson and Towers, 1988]. Для образования значительного количества тиофенов и их секреции необходима клеточная дифференциация ткани, что показано на клеточных агрегатах Tagetes patula, культивируемых в жидкой среде [Helsper et al., 1988].

6.2.10. Фитоалексины К группе стрессовых метаболитов относятся фитоалексины — соединения, которые аккумулируются в ответ на разнообразные травмы растительной ткани и играют ведущую роль в устойчивости растений к болезням [Haard, 1983; Hahn et al., 1989; 1992; Kuc, 1995;

Hammerschmidt, 1999; Merk-Trk, 2002]. Чаще всего накопление фитоалексинов происходит при инфицировании растений грибами или бактериями, а также при воздействии физических и химических факторов [Stoessl, 1982; Бейли, 1985]. Существует мнение [Мансфильд, Бейли, 1985], что фитоалексины, возможно, в следовых количествах, присутствуют и в здоровой ткани. Но это трудно доказать, так как невозможно определить, находится ли растение в состоянии стресса или совершенно здорово.

Синтез фитоалексинов индуцируется путем активирования синтезирующих их ферментов или образования их de novo. По этому признаку легко отличить фитоалексины от других антибиотических веществ, которые также могут выполнять защитную роль, но они содержатся в поврежденных тканях или образуются из неактивных предшественников путем простых реакций окисления или гидролиза [Деверолл, 1980].

Фитоалексины легко выделяются из листьев и могут быть составной частью растительных выделений [Brindle,Threifall, 1983]. Так после нанесения на лист капли воды

Рис. 97. Формулы фитоалексинов

со спорами гриба уже через несколько часов в ней обнаруживаются значительные количества фитоалексинов. На этом принципе основан метод капельных диффузатов для определения этих соединений. Сами фитоалексины синтезируются внутри листа, но часть их попадает («выталкивается») и на поверхность растения. Фитоалексины обнаружены также в корневых выделениях гороха Pisum sativum при выращивании гидропонным методом растений, инфицированных микроорганизмами [Novak, Stanek, 1986; Werner, Hohl, 1987], и во взвешенных каллюсных культурах ткани перца Capsicum annuum [Brooks et al., 1986].

Фитоалексины являются низкомолекулярными соединениями (молекулярная масса 250—600 Да), для которых характерно большое разнообразие молекулярных структуру.

Тип продуцируемого соединения обычно связан с вторичным метаболизмом, характерным для данного семейства. Таким образом, структура молекул фитоалексинов определяется исключительно растением, в котором они образуются [Деверолл, 1985].

Химические формулы некоторых хорошо известных веществ этой группы приведены на Рис.97.

К настоящему времени фитоалексины выделены из представителей более чем 20 семейств. Растения семейства Orchidaceae образуют фенантрены (орхинол), Convolvulaceae — фуранотерпеноиды (ипомеаморон), Leguminosae — изофлавоноиды (фазеолин, пизатин), Solanaсеае — сесквитерпены (ришитин), Compositae — полиацетилены (сафинол), Umbelliferae — изокумарины (метоксимеллеин), Malvaceae — терпеноидные полифенолы (гемигоссипол) и т. д. При инфицировании листьев Hevea brasiliensis обнаружен кумарин — скополетин [Giesemann et al., 1986], в корневых выделениях сои Glycine soja — глициоллины (гидроксифазеолин) [Werner, Hohl, 1987; и др.] В обзоре Кемпа [Kemp, 1986] приводятся сведения о фитоалексинах и стрессовых метаболитах в заболони деревьев, которые возникают при гибели клеток паренхимы.

Стилбены — пиносильвин и его моноэтиловый эфир — образуются у сосен рода Pinus, инфицированных многими видами грибов, ресвератрол, оксивератрол — у шелковицы Morus, пораженной фузариозом, и др.

Не всегда стрессовые метаболиты представлены только одним химическим веществом. Чаще всего это смесь близкородственных соединений, что имеет определенный биологический смысл, так как затрудняет адаптацию к ним паразитарных организмов.

Например, из картофеля Solanum tuberosum было выделено около 10 сесквитерпеновых соединений, включая и ришитин. В тканях хлопчатника Gossypium обнаружено 7, соединений терпеноидной природы [Метлицкий, 1987]. Количественные соотношения между отдельными соединениями варьируют в зависимости от природы инфекции, физиологического состояния растений, времени и других факторов. Известны примеры, когда в растении в ответ на стресс синтезируются соединения, относящиеся к разным классам химических соединений. Так в плодах и листьях томатов Lycopersicon esculentum, зараженных Cladosporium fulvum, наряду с сесквитерпенами образуются полиацетилены [Watson et al., 1985]. В семействе Solanaceae основной класс стрессовых метаболитов — дитерпены, хотя образуются и стероидные алкалоиды [Haard, 1983]. В эксудатах 5недельных корней облепихи Hippophae rhamnoides после инокуляции актиномицетами рода Franka возрастает содержание и органических кислот и флавоноидов [Мекурина и др., 1990].

Накопление фитоалексинов, как уже указывалось, вызывают не только инвазия, но также разнообразные физические и химические стрессы [Haard, 1983]. К числу физических факторов, вызывающих накопление стрессорных метаболитов, относятся охлаждение, видимый свет, аноксия и разреженное атмосферное давление. Например, после кратковременной экспозиции срезов ткани на ультрафиолетовом свету происходит аккумуляция фуранотерпенов у сладкого картофеля Ipomoea batatas, дитерпенов— в срезах картофеля Solanum tuberosum, изофлавоноидов — в люцерне Medicago sativa и стручках фасоли Phaseolus vulgaris [Бейли, 1985]. Есть также убедительные доказательства, что широкий круг химических агентов может вызвать аккумуляцию стрессовых метаболитов.

Соли тяжелых металлов (меди или ртути) вызывают накопление ипомеамарона в Ipomoea batatas, ришитина — в Solanum tuberosum, фазеолина— в Phaseolus vulgaris [Бейли, 1985].

Актиномицин Д и другие ингибиторы синтеза белка могут быть также эффективными возбудителями образования стрессовых метаболитов в контролируемых условиях.

Метаболические ингибиторы, такие как ацетат и фторит натрия, детергенты, разнообразные сульфгидрильные реагенты и соли дополнительные примеры — химических агентов, способных вызвать синтез стрессовых метаболитов [Стозл, 1985].

Недавние исследования указывают, что разнообразные пестициды также индуцируют накопление фитоалексинов [Стозл, 1985]. Образование фитоалексинов вызывается водным стрессом (дефицитом влаги), если при этом повреждается ткань. В этих условиях в некротических участках листа гороха обнаруживалось вещество, Pisum sativum соответствующее пизатину, в листьях бобов Vicia faba обнаружен ряд фунгитоксических веществ и среди них — виерон и виероновая кислота. Таким образом, фитоалексины могут накапливаться в сильно поврежденных стрессом листьях [Piumbe, Willmer, 1985].

Хотя многие экстремальные факторы вызывают образование фитоалексинов, но химический состав и количество их, по-видимому, изменяется в зависимости от конкретного воздействия. В пользу этого мнения свидетельствуют работы [Vaverka, 1986], в которых с помощью различных факторов индуцировали образование фитоалексинов в листьях сои Glycine soja. При этом обнаружено, что содержание фазеолина, 6--оксифазеолина изменялось в зависимости от действующего фактора от 2 до 420 мкг/г.

Наибольшее количество фитоалексинов появлялось при индуцировании Pseudomonas glycinea, наименьшее — при механическом повреждении.

Фитоалексины образуются в здоровых клетках растений, которые примыкают к поврежденным участкам ткани. Затем фитоалексины или близкие их предшественники перемещаются в некротизированные ткани, где и накапливаются в токсических для паразита концентрациях [Бейли, 1985].

Стимулом для синтеза фитоалексинов являются биохимические агенты — индукторы, или элиситоры, которые содержатся в оболочках интактных клеток бактерий, грибов, а также в тканях растения-хозяина [Scheel et al., 1989]. Они освобождаются после гибели клеток и мигрируют в живые клетки, где и индуцируют синтез фитоалексинов [Darvill, Albersheim, 1984; Озерецковская, Чалова, 1985]. Элиситоры, по-видимому, оказывают воздействие на генетические системы растений, активируя экспрессию тех генов, которые кодируют синтез ферментов, участвующих в образовании фитоалексинов [Darvill, Albersheim, 1984]. Они связываются с определенными высокочувствительными участками мембран [Cheong and Hahn, 1991; Cheong et al., 1991]. Элиситоры по химической природе представляют собой фрагменты пектина — олигосахариды или полисахариды.

Аналогичную роль, по-видимому, могут выполнять и ферменты, участвующие в синтезе элементов клеточной стенки. Это было показано в модельных опытах по обработке тканевой культуры табака Nicotiana tabacum коммерческой целлюлазой [Watson et al., 1985] и во взвешенных каллюсных культурах Capsicum annuum путем обработки их ферментами целлюлазой и пектиназой, выделенных из микроорганизмов [Brooks et al., 1986].

Предшественниками стрессовых соединений являются обычные метаболиты, накопление которых в большом количестве благоприятствует синтезу фитоалексинов [Бейли, 1985]. Конкретный механизм образования фитоалексина зависит от его химической природы. Как уже упоминалось, все фитоалексины — вещества вторичного происхождения и для их биосинтеза используются или активируются уже имеющиеся в растительных клетках биосинтетические пути, последние этапы которых могут быть связаны с образованием ферментов de novo. В качестве примера можно рассмотреть реакции биосинтеза фитоалексина дитерпенового углеводорода — касбена, который образуют проростки клещевины при поражении грибами [Dudley et al., 1986]. Касбен синтезируется из мевалоната, и активность его превращений до изопентилпирофосфата значительно не изменяется. Напротив, значительно повышается количество ферментов фарнезилпирофосфат синтетазы, геранилгеранилпирофосфат синтетазы и касбенсинтетазы.

Значительное количество этих ферментов связано с пропластидами только инфицированных тканей, и их нет в органеллах стерильных тканей. Следовательно, их синтез индуцируется только в процессе инфекции.

Фитоалексины - высокотоксические вещества, их эффективная доза составляет 10-5-10М [Смит, 1985], Этого достаточно для разрушения протопласта патогенов. Действие стрессовых метаболитов, по-видимому, неспецифическое и связано с их липофильностью, благодаря которой они легко проникают в мембраны и разрушают их [Darvell, Albersheim, 1984].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Прижизненную выделительную функцию растительных клеток следует отличать от неспецифических реакций выделения метаболитов, возникающих в результате воздействия стрессовых факторов. Однако эту грань нелегко провести, потому что в растительной ткани, подвергнутой экстремальному воздействию, нарушения метаболизма развиваются постепенно, охватывая все большее и большее число клеток. Поэтому в травмированной тем или иным фактором ткани часть клеток какое-то время осуществляет нормальный метаболизм, другие же находятся в разной степени повреждения. Поврежденная ткань выделяет продукты нормального метаболизма, вещества, освобождающиеся в результате повреждения компартментов, продукты окисления и гидролиза нормальных метаболитов и вновь синтезированные стрессовые метаболиты. Таким образом, поврежденные стрессом растительные клетки выделяют в количественном отношении больше веществ, и состав их более разнообразен.

Мишенью действия любого экстремального фактора (колебания температуры, освещенности, анаэробиоз, внедрение патогена, загрязнение среды и др.) являются клеточные мембраны, а на молекулярном уровне — составляющие их комплексы белков и липидов. При повреждении мембран выделение веществ осуществляется за счет увеличения проницаемости для многих метаболитов, которые ранее не могли преодолеть мембранный барьер, например алкалоидов, фенолов. Другой путь заключается в том, что повреждение мембран ведет к активации ферментов, участвующих в деградации мембранных составляющих, и продукты этого процесса увеличивают количество выделяемых растением веществ и вносят большое разнообразие в их состав. Основными деградационными процессами являются перекисное окисление липидов (образуются предельные углеводороды, например, этан) и протеолиз белков (образование аминокислот, аммиака и т. д.).

Помимо этого повреждения мембран и клеточной стенки растения служат своеобразным сигналом к изменению клеточного метаболизма и появлению новых продуктов в выделениях клеток за счет не деградационных, а синтетических процессов.

Здесь следует выделить синтез «стрессовых метаболитов» под контролем генома. Часто эти метаболиты ассоциируются с фитоалексинами, соединениями, образующимися в ответ на внедрение патогена, но практически отсутствующими в здоровом растении. Однако иногда имеет место синтез нормальных метаболитов в ответ на стресс, например этилена («стрессовый» этилен). По составу терпенов эфирных масел у хвойных растений можно судить о загрязнении окружающей среды или поражению грибами [Сотникова, Степень, 2001; Фуксман, 2001]. Особо следует отметить и путь синтеза спиртов и альдегидов под влиянием стресса, вызванного анаэробиозом, следствием которого является переключение метаболизма на анаэробный путь дыхания.

Многие продукты выделений растений при экстремальных воздействиях обладают ярко выраженной биологической активностью. Они оказывают заметное влияние на физиологические процессы растений, животных и микроорганизмов. При взаимодействиях в природе отмечено отпугивающее или бактерицидное действие растительных выделений, поэтому можно утверждать, что они участвуют в общих механизмах защиты растений и биохимических взаимодействиях организмов в экоценозах [Lovett, 1987; Inderjit, Mukerji, Ed. 2006; Inderjit et al., 2011].

Следует констатировать, что химическая природа и количество «стрессовых метаболитов» в выделениях растений слабо изучены. Однако они могут иметь важное практическое значение и как показатели стрессового состояния растений, и как факторы иммунитета и биохимических взаимодействий организмов. Исследования растительных выделений имеют и сугубо практическое применение, поскольку содержание в пищевых продуктах токсических концентраций фитоалексинов делает непригодными их для кормовых и пищевых целей.

Глава 7. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ РАСТИТЕЛЬНЫХ ВЫДЕЛЕНИЙ

Впервые предметом научных исследований биологические эффекты растительных Впервые предметом научных исследований биологические эффекты растительных выделений стали после работ эмбриолога Б. О. Токина [1980а], показавшего, что пары растертых тканей (фитонциды) обладают бактерицидным действием. Фитонциды как антимикробные агенты активно исследовались медиками, а действие фитонцидов оценивалось по терапевтическому эффекту. Другое направление исследований биологических эффектов растительных выделений было направлено на понимание их действия на ростовые процессы в фитоценозах при аллелопатических взаимодействиях [Гродзинский, 1974; 1991]. Механизмы действия экскретов на клеточном уровне стали изучаться с 60-х годов 20 века. Следует отметить, что в большинстве случаев информацию о влиянии на ростовые процессы следует рассматривать как необходимый феноменологический материал, выявляющий чувствительные виды, что необходимо для дальнейших углубленных исследований.

На рубеже конца двадцатого и начала двадцать первого веков биологические эффекты компонентов растительных выделений рассматриваются уже на клеточном и молекулярном уровнях с использованием методов генной инженерии и высокочувствительных спектральных приборов. Широко применяются также и различные модельные системы, включая одноклеточные биосенсоры раздел и (см. 1.6.) жизнеспособный многоклеточный объект арабидопсис, вегетирующий короткое время.

Значительное внимание уделено сигнальным системам. Тем не менее, основные этапы интегральных процессов – рост, развитие, деструкция клеток – остаются предметом исследований большинства физиологов растений, что также будет рассмотрено в настоящей главе.

7.1. РОСТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ. ДЕСТРУКЦИЯ КЛЕТОК.

В данном разделе мы считали необходимым рассмотреть данные по воздействию растительных выделений на этапы ростового процесса — деление и элонгацию (растяжение) клеток, а также их деструкцию. Кроме того, будут представлены сведения о таком важном процессе как оплодотворение, в котором основную роль играет прорастание пыльцы на пестике и где выделения взаимодействующих половых клеток имеют важнейшее значение для успешного размножения.

7.1.1. Деление и элонгация клеток Выделяемые метаболиты растительной ткани оказывают влияние на этапы митоза, которые клетка проходит в период деления. Прямые наблюдения за делением клеток под микроскопом под влиянием растительных экстрактов дают ценную информацию о первых фазах ростовых реакций. Так после обработки экстрактами из кожуры черного ореха Juglans nigra в корнях гороха Pisum sativum уменьшается число клеток, вступивших в фазу митоза. Вещества, содержащиеся в экстракте, замедляют процесс или препятствуют его началу [Jensen, Welbourne, 1962]. Подобным же действием на митотическую активность корней пшеницы Triticum vulgare, ржи Secale cereale и кресса (клоповник) Lepidium sativum обладают токсины, содержащиеся в выделениях, сорняков — осота полевого Sonchus arvensis, мари белой Chenopodium album и бодяка полевого Cirsium arvense [Буколова, 1971]. Было уcтановлено также [Shehab, Аdam; 1983], что водный экстракт Anastatiсa hierochuntica (1-3%) угнетает митоз в меристемах корня лука Allium сера. При этом наблюдались деспирализация ДНК, слипание хромосом, образование между ними мостиков, замедление расхождения хромосом к полюсам. Аналогичные явления наблюдались в корешках бобов Vicia faba при воздействии экстрактами из амми Ammi majus [Adam, Rashad, 1984]. Вытяжки из листьев табака Nicotiana tabacum также вызывали различные типы повреждения хромосом в корешках лука Allium сера при низких концентрациях (0,75—0,25%) и угнетали митоз при более высоких (1,5—1,0%) [Patnaik et al., 1984]. Действие на митоз растительных экстрактов описано также и в других работах [Sarkar, Kumar, 1974; Abraham, Dileep, 1976; Shehab, Adam, 1983]. Во всех проведенных исследованиях химическая природа действующего вещества или веществ оставалась неизвестной или только предполагалась. Сейчас выделены индивидуальные соединения (кницин, онопордопикрин), оказывающие аллелопатические эффекты на ростовые процессы [Cabral et al., 2008].

Данные о влиянии на митоз индивидуальных химических соединений-компонентов растительных экскретов немногочисленны. Этилен (в основном стрессовый) способен снижать митотический индекс меристем корней 5-дневных проростков гороха Pisum sativum и блокировать деление клеток [Rost et al., 1986]. Этанол в концентрации 40-50 мМ и ацетальдегид в концентрации 1-5 мМ подавляют соматический эмбриогенез и рост культуры ткани у клеток моркови [Perata, Alpi, 1991]. Ацетальдегид в концентрации 0,05— 0,2% вызывает удвоение хромосом, стимулируя полиплодию [Cortes et al., 1987]. Ацетилен (концентрация до 13 % газовой смеси) снижает до 50 % от контроля рост корней и дыхание клубеньков сои Glycine max [Gerbaud, 1990].

Ацетальдегид обладает мутагенным действием в концентрации 2,5 x10-3M на Escherichia coli, Saccharomyces cerevisia, нематоды и насекомые. У растений в концентрации 5-50 мМ, а в культуре тканей млекопитающих 0,1-10 мМ ацетальдегид оказывает повреждающее действие на ДНК [Dellarcо, 1988].

Значительные эффекты оказывают и монотерпены, например цинеол ингибирует почти на 100 % прорастание семян и радиальный рост проростков Leptochloa dubia.

Причем ингибирование вполне вероятно происходит в природных условиях, где отмечено аналогичное явление при воздействии на этот же объект содержимого секреторных волосков которые полностью заполнены Conradina canescens (сем. Lamiaceae), монотерпенами с преобладанием цинеола [Williamson et al., 1989].

Cреди соединений, извлекаемых из растительных тканей водой, наиболее активными являются фенолы. Их активность и характер действия определяется расположением гидроксильных групп в бензольном кольце. n-Фенолы способны стимулировать, а о- и рфенолы — ингибировать ростовые процессы (Месхи, Джохадзе,1973]. Мишенью действия фенолов является фермент РНК-полимераза на этапе транскрипции [Месхи, Джохадзе, 1973]. Установлено, что резорцин стимулирует, а пирокатехин ингибирует синтез РНК.

Включение 32P и 35S- метионина в ДНК и РНК снижалось также в присутствии бензойной, коричной, феруловой и ванилиновой кислот, а гидроксибензойная и р-кумаровая кислоты, наоборот, усиливали этот процесс. [Baziramakenga et al., 1997], Действие фенолов на генный аппарат иллюстрируется также следующим примером. Джорджевич с сотр.

[Djordjevic et al., 1987] показали, что фенолы, экскретируемые корнями клевера Trifolium repens, резко изменяют активность гена, ответственного за образование клубеньков Rhizobium trifolii. Входящие в состав экстракта гидроксилированные флавоны (наиболее сильно 7,4-дигидроксифлавон) стимулируют транскрипцию этого гена в низкой концентрации (5 х 10-7М). Напротив, кумарин умбеллиферон и изофлавон формононетин (в концентрациях на порядок более высоких) препятствуют этой индукпии. Симбиоз клубеньковых бактерий и растения осуществляется, таким образом, через механизм узнавания, где хемосигналами служат специфические фенолы [Djordjevic, Weinman, 1991].

Задержка элонгации корня ольхи Alnus glutinosa отмечена при действии полифенола юглона (10-3М). 0дновременно юглон подавлял активность нитрогеназы и дыхание корней [Nеауе, Dawson, 1988]. Полагают, что это имеет значение в адлелопатическом взаимодействии корневых выделений ореха Juglans nigra c ризосферой ольхи. Позднее ингибирующее действие юглона на элонгацию было подтверждено [Neave, Dawson, 1989] в опытах с корнями салата Lactuca spр.

Алкалоиды - другой класс биологически активных соединений - способны задерживать фазу деления клеток. Следующий пример иллюстрирует механизм ингибирования. Алкалоид колхицин, выделенный из Crocus automnalis, связываясь с молекулами белка, определяющего подвижность цитоплазмы, — тубулина, подавляет образование митотического веретена. Это хорошо видно под люминесцентным микроскопом, когда флуоресцирующий (максимум 500-520 нм) в ультрафиолетовом свете алкалоид связывается с ядром пыльцевого зерна гиппеастрма Hippeastrum hybridum [Roshchina et al., 2007].

Помимо воздействия на эмбриональную фазу роста летучие и водорастворимые метаболиты растительных выделений тормозят или стимулируют растяжение клеток. Это хорошо видно по ростовым реакциям на определенные компоненты растительных Таблица 35. Эффекты некоторых индивидуальных компонентов растительных экскретов на ростовые реакции растений.

–  –  –

экскретов (Таблица 35). Стимулирующий эффект наблюдался для сесквитерпенового лактонастригола, холинового эфира ацетилхолина и биогенных аминов, тогда как монотерпены и фенолы, в основном, тормозили или значительно ингибировали ростовые реакции.

Иванами и Хуадо [Iwanami, Hyodo, 1983] показали, что летучие выделения лимона Citrus limon и лимонного масла замедляют не только деление клеток, но и элонгацию проростков маша Phaseolus aureus. Вначале полагали, что эта реакция могла быть вызвана этиленом, который выделяется из растения и играет заметную роль как растительный гормон. Однако летучие экскреты лимона, кроме того, вызывали эффекты, несвойственные этилену. Летучие масла этого растения, содержащие (+)-лимонен, - и -пинены, камфен и др. терпены, вызывали этиоляцию листьев и подавляли образование ламеллярной структуры хлоропластов. По данным тех же авторов, ингибирование удлинения проростков наблюдалось также при воздействии летучих соединений из отрезанных сегментов олеандра Nerium oleander и кедра Cedrus deodara, кожуры апельсина Citrus sinensis и корней вазабии Vasabia japonica. Характер ингибирования также не был похож на этилен. Химическая природа действующего вещества не была установлена. В опытах Хейси и Дельвич [Heisey, Delwiche, 1984], с летучими веществами губоцветных (Trichostema lanceolatum), содержащими 2,9 мг летучих масел на 100 г свежих листьев и способными подавлять элонгацию зародышевого корня ячменя Hordeum vulgare, основное ингибирующее вещество было идентифицировано как монотерпеновый спирт — терпиненол. Активность этого спирта составляла 0,3 ингибиторной активности камфоры и 1,9 активности цинеола [Heisey, Delwiche, 1984].

В обзорной статье Келси в сотрудниками [Kelsey et al., 1984] приводится список терпенов, обладающих свойствами сильных ингибиторов, среди которых монотерпены камфен, камфора, цинеод, -пинен, и сесквитерпены кариофиллен, кумамбрины А и В, партенин. Летучие терпены и их производные ингибируют прорастание семян в низких концентрациях 10-5-10-6 М [Asplund, 1968; Pickman, 1986]. Наиболее токсичным оказался терпен пулегон, даже по сравнению с синильной кислотой и камфорой. Сесквитерпеновый лактон партенин, найденный у растения Parthenium hysterophorus также замедляет рост корней и гипокотелей бобов [Garciduenas et al.,1972] и Ageratum conyzoides [Singh et al., 2002]. Растение Piqueria trinervia (сем. Eupatoriaсeae), что растет в центральной части Мексики, образует чистую популяцию и из него выделяют два монотерпена диастероизомеры пикверол А и В (Рис.98) [Ortega et al.,1990], которые ингибируют рост сорняка Ipomoea purpurea.

Рис. 98. Структуры пулегона (1), пикверола А (2) и диацетил-пикверола или пикверол В (3).

Летучие вещества из листьев Thuja occidentalis ингибируют деление клеток, прорастание семян Amaranthus caudatus и Lipidium sativum. Aктивным началом являются ингибиторы роста - кетоны, эфиры и углеводороды, нелетучие – абсцизовая кислота и продукты окисления туйона [Oster et al., 1990].

Сесквитерпеновые лактоны (например, стригол) в низких концентрациях (10-11М) способны стимулировать прорастание семян облигатных корневых паразитов, таких как ведьмина трава Striga asiatica (Табл. 35, см. также раздел 5.3 и Рис. 84). По отношению к животным те же соединения проявляют цитотоксический, инсектицидный и моллюскоцидный эффекты [Fischer et al., 1989a,b; Fischer,1991]. Полагают, что механизм действия сесквитерпеновых латонов залючается в ингибировании транскрипционного фактора NF-B [Rngeler et al., 1999]. Изопреноидные спирты гераниол и фарнезол индуцируют растяжение корней ячменя Стимулирование [Wardle, Short, 1982].

радиального растяжения клеток в эмбриональном гипокотиле проростков, очевидно, лежит в основе стимуляции этиленом прорастания семян [Abeles, 1986]. Этилен регулирует экспрессию генов, например эндохитиназы [Broglie et al., 1986]. Показательно, что для ускорения прорастания семян латука Lactuca sativa требовалось всего 10 мкг/л этого газа.

Другие углеводороды – пропилен и этан такого действия не оказывали [Abeles, 1986].

Высокая активность этилена связана с его способностью воздействовать на экспрессию генома. В довольно высоких концентрациях этилен подавляет деление клеток и стимулирует старение листьев [Abeles, 1972]. Он регулирует прорастание семян, удлинение и утолщение стебля [Abeles, 1986], половую дифференциацию цветков [Byers et al, 1972], вызывает дозревание плодов [Adams, Yang, 1981] и связанные с ростом процессы передвижения cахаров [Jackson, Osborn, l970] и транспорт ауксина [Lyon, 1970]. Этилен ингибирует синтез бактериохлорофилла у зеленой сульфобактерии Chlorobium vibrioforme [Ormerod et al., 1990]. Обработка этиленом (или кастрация) цветка Cymbidium (сем.Губоцветные) усиливает окраску губы за счет синтеза антоциана, регулируемого на уровне трансляции и транскрипции фермента фенилаланин-аммоний-лиазы [Woltering, Somhorst, 1990]. Этилен регулирует экспрессию гена литических ферментов, например хитиназы, в ответ на внедрение в клетку патогена [Broiglie et al., 1986]. Полагают [Ecker, Davis, 1987; Ecker, 1995], что гены защитных белков регулируются этиленом. Повидимому, основной механизм действия этилена на ростовые процессы имеет место на уровне транскрипции гена. Известно, что С2Н4 способен активировать ДНК- и РНК – полимеразы [Ареlbaum et al., 1984]. Биогенный амин серотонин - компонент секрета стрекательных волосков также способен стимулировать элонгацию корней [Regula et al., 1989] и прорастание семян [Рощина, 1992].

В настоящее время большое внимание уделяется поиску нетоксических препаратов естественного происхождения, обладающих противолучевой активностью.

Радиомодифицирующее действие этилена, его аналогов – пропилена, ацетилена и алллена (Табл.36) изучено на растениях [Фиалкова, Гудков. 1989]. Этилен и его аналоги в Таблица 36. Защитное действие некоторых ненасыщенных углеводородов и некоторых других соединений при гамма-облучении проростков гороха. Радиозащитный эффект [Фиалкова, Гудков, 1989].

Радиопротектор Концентрация, Экспозиция, ч ЛД50 /10 г ФИД, М ммоль/л Контроль без - - 8 радиопротектора Этилен 2 6 19 2,4

–  –  –

концентрации 2-4 мМ/л воздуха оказывают сильное зашитное действие при гаммаоблучении проростков гороха. Защитным действием против радиации обладает аноксия.

Ни один из других факторов не обладал столь высокой защитой. Механизм высокого радиозащитного действия этилена связан со способностъю подавлять деление клеток.

Кроме того, ненасыщенные молекулы этилена обладают высокой реакционной способностью и могут принимать на себя окисляющее действие радикалов, образующихся в процессе радиолиза воды.

7.1.2. Прорастание пыльцы Своеобразным объектом для изучения механизма действия растительных экскретов на ростовые процессы является пыльца, которая прорастает, как только попадает в подходящую среду [Stanley and Linskens, 1974]. Пыльцевая трубка растет быстро, и скорость роста часто составляет несколько миллиметров в час [Эзау, 1980]. Выделения пыльцевых зерен имеют решающее значение во взаимодействии с пестиком для нормального оплодотворения и в конкурентных взаимоотношениях (пыльцевая аллелопатия) с пыльцой других видов растений [Murphy, 1992; 1999; 2007; Gaur et al., 2005;

2007]. В ранних публикациях о взаимодействии в cмесях пыльцы разных видов было отмечено как положительное, так и отрицательное влияние на прорастание пыльцевых зерен [Branscheidt,1930; Грюммер, 1955; Голубинский, 1960]. Пыльца сорняков при этом может тормозить прорастание пыльцы зерновых культцр и тем самым, нарушая оплодотворение, снижает урожай семян. Пыльца ряда растений рекомендована в качестве биосенсоров для изучения механизмов межклеточной коммуникации и испытания лекарственных и аллелопатически активных соединений [Roshchina, 2004, 2007a; Рощина, 2006; Рощина, Карнаухов, 2010; Рощина и др. 2011].

Долгое время считали, что пыльца высших растений имеет большую устойчивость к факторам внешней среды. В работе Иванами [Iwanami,1981] этому вопросу уделено особое внимание. По его данным, пыльца не теряет способности прорастать даже при высокой дозе облучения свыше 100 крад х- и -лучами или при воздействии разнообразными органическими растворителями, такими, как диэтиловый эфир, хлороформ и фенол. На прорастание пыльцы не действовали также ингибиторы актиномицин Д, бромодиоксидрин или циклогексимид. Однако обстоятельные опыты ряда авторов [Коваленко, 1972;

Голубинский, 1974; и др.] показали, что пары, выделяемые многими растениями, стимулируют или подавляют прорастание пыльцы.

Ингибиторный эффект летучих соединений растительной ткани был показан Иванами [Iwanami, 1981]. В его опытах (табл.37) летучие компоненты из перикарпа и Таблица 37. Масса растительных частей, блокирующих на 100% прорастание пыльцевых зерен камелии Camellia sinensis (в камере 30х22х7 мм) [Iwanami, 1984].

Вид Часть растения Масса, г Перикарп 0,03—0,08 Citrus limon Мякоть 0,8—1,0 Перикарп 0,05—0,09 Citrus medica Мякоть 0,6—0,8 Перикарп 0,04—0,09 Citrus unshiu Луковица Allium сера 0,3 Луковица 0,4 Allium sativum Лист 0,2—0,4 Allium tuberosum Корневище 0,2—0,5 Eutrema wasabi мякоти цитрусовых плодов блокировали прорастание пыльцевых зерен, причем соединения из перикарпа были активнее, чем из мякоти. Почти столь же токсичны были летучие метаболиты лука Allium сера и чеснока Allium sativum. Если летучие вещества действовали на уже проросшую пыльцу, то дальнейший рост ее прекращался, в концах пыльцевых трубок цитоплазма набухала, образуя шаровидные вздутия. Степень и способ ингибирования были сопоставимы с высокой дозой -лучей (200 крад) [Iwanami, 1983].

Наибольшее количество ингибиторов прорастания пыльцы, по-видимому, содержат семена. Сопоставление ингибиторов, экстрагируемых из листовых пластинок, семян, пыльцы, рылец и столбиков клонов капусты Brassica oleracea, показало, что наибольшая активность была характерна для экстрактов из семян, которые полностью блокировали прорастание пыльцы петунии Petunia hybrida и лилии Lilium lancougens. Химическая природа ингибиторов не была установлена.

Приведенные данные пополнились сообщением [Viswanathan, Lakshmanan, 1984] об ингибировании роста пыльцевых трубок Calotropis gigantea экстрактами из стеблей повилики Cuscuta reflexa, листьев гваюлы Parthenium hysterophorus, луковицы лука Allium сера, семян кукурузы Zea mays. Характер действия экстрактов зависел от вида растения и концентрации вытяжки. Экстракты Cuscuta reflexa и Zea mays вызывали ветвление пыльцевых трубок тест-объекта, которое в природных условиях не наблюдается. Эти же растворы в высоких концентрациях (для кукурузы 100 и 10%) замедляли рост пыльцевых трубок, а в более низких стимулировали.

Несомненный интерес представляют опыты С. В. Коваленко [1972] в которых определялось влияние летучих выделений цветков одних видов на прорастание пыльцы других одновременно цветущих растений. Исследовано 30 видов древесно-кустарниковых пород, произрастающих в дендрарии ботанического сада Одесского государственного университета.

Два примера из этой работы приводятся ниже:

Цветок Пыльца Стимуляция (+) или ингибирование (-) Robinia pseudoacacia Gleditschia triacanthos + » Cytisus laburnum + Wistaria sinensis Robinia pseudoacacia Paulownia tomentosus »

В первом из них показано, что летучие соединения цветков одних и тех же растений оказывают прямо противоположный эффект на пыльцу разных растений. В другом опыте цветки разных видов на пыльцу одного вида оказывали неодинаковое влияние. Таким образом, пыльца избирательно чувствительна к летучим соединениям цветков.

Среди компонентов растительных экскретов, влияющих на рост пыльцы, известны флавоноидные соединения и ряд органических кислот. По данным В. М. Кудрявцевой и А.П. Волынца [1981], флавоноидные соединения как самого тюльпана Tulipa, так и других растений стимулируют прорастание пыльцы тюльпана. Бензойная, ванилиновая и галловая кислоты обладают ингибирующим действием на прорастание пыльцы сосны Pinus.

Механизм регуляции прорастания пыльцы может быть связан с окислительновосстановительными процессами. В последние годы в этой связи особое внимание уделено активным формам кислорода (свободные радикалы липидов, терпенов и фенолов, супероксид анионрадикал, гидроксил радикал, перекиси органических соединений, перекись водорода и т.д.), которые образуются в выделениях растений, и в частности экскретах самой пыльцы и рыльца пестика, и регулируют прорастание пыльцы [Roshchina and Roshchina, 2003; Рощина и др., 2003]. В низких концентрациях развитие пыльцы может стимулироваться ими [Roshchina and Roshchina, 2003; Speranza et al., 2011 ] или в более высоких, наоборот угнетаться [Roshchina and Roshchina, 2003].

Рис.99. Влияние летучих выделений цветков на прорастание пыльцы Hippeastrum hybridum на искусственной питательной среде [Roshchina, 2007 a].

Пыльца, чувствительная к различным растительным экскретам, сама может содержать высокоактивные соединения. В опытах Висванатана и Лакшмаяана (Viswanathan, Lakshmanan, 1984] пыльца гваюлы Parthenium hysterophorum при нанесении на поверхность рыльца ингнбировала завязывание плодов у 7 исследованных видов, в том числе у Lycopersicon esculentum, Phaseolus vulgaris. Capsicum annuum, через 7-10 дней цветки опадали.

Выделения самих цветков, включая компоненты секреторных клеток нектарников, волосков, железок, рыльца пестика, могут влиять на прорастание пыльцы. [Roshchina, 2007a]. Летучие метаболиты, преимущественно спирты и альдегиды, такие как линалоол, цимол, гераниаль, нераль, образующие характерные цветочные ароматы, в низких концентрациях (10-10-10-8М) стимулируют прорастание пыльцы Hippeastrum hybridum, а в более высоких – способны угнетать процесс (Рис.99). Компонент запаха цветов ландыша Рис. 100. Влияние проазуленов и азулена в концентрациях 10-6,10-5, 10-4М на прорастание пыльцы Hippeastrum hybridum на искусственной питательной среде. Адаптировано из работ [Рощина и др., 1998; Roshchina, 2001b]. Белые или черные кружки означают, что пыльца, обработанная этими соединениями и нанесенная на рыльце пестика, оплодотворяет или не оплодотворяет растение, что анализируется по образованию плодов и семян линалоол часто встречается в секретах различных видов, в том числе пестика Hippeastrum hybridum. В секретах цитрусовых растений цитраль образуется двумя соединениями – альдегидами гераниаля и нераля. Многие цветы выделяют цимол и ментол в составе своих приятных ароматов [Knudsen et al., 1993]. Но в лабораторных экспериментах ментол слабо влиял на прорастание пыльцы, как и компоненты неприятных запахов - изомасляная кислота и пирролидин [Roshchina, 2001b]. Таким образом, летучие метаболиты генеративных органов непосредственно влияют на прорастание пыльцы.

Сесквитерпеновые лактоны цветков, проазулены и азулены, в зависимости от химической структуры молекулы и концентрации также могут стимулировать или ингибировать развитие пыльцы [Рощина и др., 1998б; Roshchina, 2001b]. Влияние указанных соединений (Рис.100) проявляется как in vitro (проращивание пыльцы на искусственной питательной среде), так и in vivo (оценивается по образованию плодов исемян после нанесения обработанной данными веществами пыльцы на пестик) [Roshchina et al., 2009].

Гроссгемин, гайллардин и аустрицин ингибировали прорастание пыльцы в концентрациях 10-6М, тогда как артемизинин, инулицин, деацетилинулицин и ледол стимулировали процесс (Рис.100).

Рис.101 Действие различных алкалоидов на прорастание вегетативных микроспор хвоща полевого Equisetum arvense и пыльцы гиппеаструма гибридного Hippeastrum hybridum [Roshchina, 2007b].

Смеси соединений в составе летучих выделений масла лаванды Lavandula vera, раздробленных плодов жгучего перца Capsicum annuum и луковиц чеснока Allium sativum, на расстоянии 2,5 см от пыльцы, помещенной на предметное стекло, вызывали соответственно ингибирование в первом варианте и стимуляцию в двух других вариантах прорастания пыльцевых зерен [Roshchina, 2007a].



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |
Похожие работы:

«Курумканское районное Управление образования МБОУ ДОД "Центр детского творчества" "Утверждено" педагогическим советом МБОУ ДОД "Центр детского творчества" Протокол № от "_"_ 200г. Директор _ /Берельтуев С.О./ Образовательная программа дополнительного образования детей любителей и исследователей приро...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.