Ауксин. Как действует ауксин

Вы находитесь: Ауксин

Как мы видели, ауксин может оказывать множество разнообразных воздействий на растения, регулируя такие процессы, как деление, растяжение и направление развития клеток во время их дифференциации. Он вызывает целый ряд физических, химических и физиологических изменений в клетках, причем некоторые из них происходят чрезвычайно быстро. Например, скорость движения цитоплазмы в отрезках колеоптиля овса увеличивается через несколько минут после нанесения на них ауксина. Хотя эта быстрая реакция может быть ранним проявлением действия ауксина, трудно связать ее непосредственно с растяжением клеток, которое в какой-то момент должно повлечь за собой существенные изменения в клеточной стенке. Маловероятно, что одна-единственная 'доминирующая реакция' с участием ауксина ответственна за все эти эффекты. Поэтому физиологи растений исследовали несколько разных процессов. У нас сейчас есть вполне приемлемое представление о том, каким образом ауксин регулирует растяжение клеток. Мы постепенно подходим к разгадке механизма, с помощью которого ауксин контролирует другие аспекты развития.

В отличие от клеток животных протопласты растительных клеток заключены в полужесткий 'деревянный' ящик - .клеточную стенку. Независимо от того, какие изменения происходят внутри ящика, клетка не может увеличиваться в своих размерах, если ее стенки не способны растягиваться. Аналогичную ситуацию можно наблюдать и у животных: например, у представителя членистоногих - омара, у которого все тело заключено в жесткий наружный скелет, состоящий преимущественно из хитина. Животное может расти лишь тогда, когда старый жесткий наружный скелет сбрасывается в процессе линьки, а лежащий под ним новый слой остается в течение какого-то времени мягким и растяжимым. Клетки растений не могут сбрасывать свои клеточные стенки подобно тому, как омары сбрасывают свои наружные скелеты. Для них единственный путь увеличиться в объеме - это модифицировать существующую клеточную стенку, с тем чтобы сделать ее более растяжимой. Было показано, что ауксин играет в этом процессе существенную роль.

Ростом растительных клеток управляют два фактора: растяжимость клеточных стенок и тургорное давление клеточного содержимого, действующее на клеточную стенку. Мы можем представить себе эту ситуацию по аналогии с не полностью надутым воздушным шаром, в котором увеличение объема пропорционально внутреннему давлению и обратно пропорционально сопротивлению, оказываемому стенкой шара. Шар будет увеличиваться в размерах, если мы повысим внутреннее давление накачиванием в него воздуха. Это аналогично увеличению тургорного давления внутри клетки. С другой стороны, если бы мы смогли сделать стенку шара более растяжимой, воздействуя на нее размягчающими резину химикатами, то шар также увеличился бы в размерах, но без повышения первоначального внутреннего давления. Через 1-2 ч после нанесения ауксина на стебель или колеоптиль их клетки увеличиваются в размерах намного больше, чем соответствующие клетки в контрольном варианте без ауксина. Такое увеличение происходит в основном в длину, а не в ширину. Это обусловлено спиральным расположением целлюлозных микрофибрилл в клеточной стенке, что способствует скорее удлинению, чем радиальному росту клетки, а также тем, что ауксин увеличивает растяжимость клеточной стенки. Мы можем это измерить, если сначала прокипятим отрезок стебля или колеоптиля, для того чтобы убить его и устранить тем самым тургорное давление в клетках, а затем, зажав оба конца отрезка, определим силу, необходимую для его растяжения. Эта сила связана с растяжимостью стенки обратной зависимостью. Растяжимость стенки можно разложить на два компонента: пластическую растяжимость (необратимую деформацию) и эластическую (обратимую деформацию). Если прежде чем убить сегменты стебля растения, обработать их ауксином, то окажется, что для их необратимого растяжения до определенного предела потребуется меньше усилий, чем в контрольном опыте без применения ауксина. Такое индуцированное ауксином увеличение пластической растяжимости клеточной стенки наблюдается лишь в живых клетках. Ауксин не оказывает никакого влияния на растяжимость при его нанесении непосредственно на клеточные стенки в отрезках мертвого стебля или колеоптиля.

Как можно объяснить разрыхляющее действие ауксина на клеточные стенки? Может ли оно быть обусловлено, например, увеличением в клетке количества фермента целлюлазы, разрушающей клеточную стенку? Действительно, активность этого фермента резко возрастает через несколько часов после нанесения ауксина, и, следовательно, фермент мог бы разрушить некоторые целлюлозные микрофибриллы, повысив тем самым растяжимость стенки. Хотя сама по себе такая идея вероятна, активность целлюлазы, по-видимому, увеличивается лишь после того, как ауксин уже начал оказывать влияние на рост. Ясно, что любая приемлемая теория действия ауксина должна включать процесс, который начинается до стимулированного ауксином увеличения скорости роста.

Чтобы точно определить, с какого момента начинает увеличиваться скорость роста после нанесения ауксина, ученые используют прибор, изображенный на рис. 9.16.

С помощью этого прибора можно измерить с точностью до нескольких секунд время, в течение которого происходят любые изменения длины отрезка стебля. Через 10-15 мин после добавления ауксина еще не отмечается увеличения скорости роста. Затем рост быстро ускоряется и достигает наивысшей скорости в течение последующих 15 мин. Таким образом, промежуток времени от 10 до 15 мин после нанесения ауксина требуется для того, чтобы вызвать изменения в метаболизме, приводящие в итоге к ускорению роста. Эти изменения должны достичь своего максимума примерно через 30 мин. Поэтому любые изменения, которые не обнаруживаются в течение часа или несколько позже, не могут относиться к первоначальному действию ауксина на индуцирование роста. Однако они могли бы быть частью механизмов, которые должны включиться позже для поддержания индуцированного ауксином роста.

Какое же изменение происходит за такой короткий период, что его можно связать с индуцированным ауксином растяжением клеток? Ответ, вероятно, заключен в феномене, впервые обнаруженном в 30-х годах, но не обратившем на себя внимание большинства ученых. Затем он был открыт повторно и описан в начале 70-х годов. Было установлено, что кислая среда (низкий рН) способствует растяжению клеток. Если отрезки стебля или колеоптиля поместить в прибор, изображенный на рис. 9.16, погрузив их в кислый раствор, то их рост усилится. Если для улучшения проникновения кислоты с отрезков снять эпидермис, то оптимальное усиление роста и растяжимости клеточных стенок будет наблюдаться при рН около 5. Если мертвые отрезки растянуть механически, то усилие, которое необходимо приложить, чтобы достигнуть определенной степени растяжения, будет меньше в том случае, когда отрезки погружены в раствор с рН 3,5, а не с рН 7,0. Таким образом, влияние кислоты на растяжение не требует наличия метаболически активных клеток. Растяжение клеток является прямым следствием действия ионов Н+ на компоненты стенки. О связи между кислотой и ауксином свидетельствует то, что они оказывают сходное влияние на рост. Различаются же они тем, что, во-первых, кислота действует на стенки, а ауксин - на клетки и, во-вторых, влияние кислоты длится лишь короткое время, а влияние ауксина - по меньшей мере несколько часов. Между кислотой и ауксином, возможно, существует простая зависимость. Если под влиянием ауксина происходит подкисление клеточных стенок, то это может вызвать их последующее разрыхление. Этот механизм объясняет лишь первоначальную стимуляцию роста, так как материалы, необходимые для дальнейшего растяжения клеток, быстро исчерпываются. Чтобы рост мог продолжаться, ауксин должен проявить еще одно действие, которое обеспечило бы синтез новой стенки. Именно этот последний процесс отсутствует, когда растяжение стенки индуцируется только одной кислотой.

Известно, что в клеточных мембранах и в мембранах различных органелл клетки имеются метаболические насосы для разнообразных веществ, таких, как минеральные ионы, сахароза, гормоны и ионы водорода (см. гл. 7). Согласно одной широко распространенной теории, ауксин стимулирует работу локализованного в плазмалемме насоса, перекачивающего ионы Н+ из цитоплазмы в клеточную стенку. Такие насосы представляют собой белки, получающие энергию для своей работы в результате расщепления АТР до ADP и неорганического фосфата. Ресинтез АТР зависит, конечно, от метаболизма. Эта теория предполагает, что насос, перекачивающий ионы Н+, функционирует лишь в том случае, если с ним связана ИУК, действующая как эффектор (активатор) (рис. 9.17). Такая связь, по-видимому, обратима. Она образуется и распадается в зависимости от концентрации ИУК в окружающей цитоплазме. Эта модель в основном подтвердилась, когда было показано, что отрезки колеоптиля со снятым эпидермисом при помещении их в раствор подкисляют его только после добавления ИУК в среду. Таким образом, несмотря на то что теория активируемого ауксином протонного (Н+) насоса не разрешила всех проблем и ее необходимо дополнить некоторыми деталями, она Согласуется с большинством данных и представляет собой приемлемое объяснение действия ауксина на растяжение клеток.

Но мы еще не закончили. Почему подкисление способствует растяжению клеточных стенок? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны вернуться к структуре клеточной стенки растения (рис. 2.31). Стенка состоит из длинных молекул целлюлозы, связанных между собой полисахаридными мостиками, образованными смесью сахаров, таких, как галактоза, арабииоза и ксилоза. Полисахаридные мостики, составляющие часть стенки, обычно называют гемицеллюлозой. Длинные целлюлозные молекулы, соединенные друг с другом этими поперечными связями, обусловливают жесткость клеточной стенки. При необратимом растяжении клеточной стенки, что происходит обычно в процессе роста, целлюлозные цепи должны скользить относительно друг друга, и это может быть достигнуто только в том случае, если поперечные связи между цепями целлюлозы будут разорваны. Когда растяжение стенки завершается, поперечные связи образуются вновь, фиксируя целлюлозные цепи в их новом положении (рис. 9.18). В результате размеры клетки увеличиваются. Чтобы кислота могла способствовать увеличению растяжимости стенки, она, очевидно, должна разрывать поперечные связи между молекулами целлюлозы. Было высказано предположение, что в клеточной стенке имеется рН-зависимый фермент, разрушающий такие связи. Этот фермент не действует при рН 6,0-7,0, но становится высокоактивным при рН около 5,0. Когда под влиянием ауксина, присутствующего внутри клетки, ионы Н+ накачиваются в клеточную стенку, фермент активируется и разрушает поперечные связи; целлюлозные цепи освобождаются и получают возможность скользить одна относительно другой. Такое скольжение осуществляется под действием тургорного давления клеточного содержимого, что вызывает растяжение стенки и увеличение размеров клетки. Мы еще не знаем природу этого гипотетического фермента, о существовании которого свидетельствует то, что некоторые химические соединения, препятствующие обычно действию ферментов, способны ингибировать индуцированное кислотой растяжение стенок изолированных клеток.

В отсутствие ауксина индуцированный кислотой рост длится лишь короткий период, а в его присутствии продолжается в течение многих часов. Что же собой представляет этот долговременный процесс, активируемый ауксином? Если добавить ингибитор синтеза белка (такой, как циклогексимид) к стимулированным ауксином отрезкам стебля, то они прекращают рост примерно через 15 мин после остановки синтеза белка. Если же ингибитор добавляется задолго до нанесения ауксина, то последний все же стимулирует рост, но лишь в течение тех же 15/мин. Отсюда мы можем заключить, что первоначальная стимуляция роста, обусловленная выкачиванием ионов Н+ из цитоплазмы под влиянием ауксина, не зависит от синтеза белка,

тогда как дальнейший индуцированный ауксином рост нуждается в синтезе белка. Одним из необходимых белков является, по-видимому, сам белок, выполняющий функцию насоса, так как в присутствии циклогексимида индуцированное ауксином подкисление наружной среды прекращается. Следовательно, в присутствии ауксина этот белок-насос должен иметь довольно короткое время жизни и постоянно синтезироваться. Для продолжения роста необходимы также и другие процессы. Чтобы удержать стенку клетки в растянутом состоянии и сделать ее жесткой, нужно перестроить полисахаридные поперечные связи. Затем, чтобы предотвратить постепенное утончение стенки (известно, что ее толщина в течение всего периода роста клетки остается примерно одинаковой), должно синтезироваться больше целлюлозы и полисахаридов, образующих поперечные связи. Так, примечательно, что ауксин, как было установлено, повышает активность ферментов, ответственных за синтез целлюлозы. Эти ферменты локализованы в клеточной мембране и в пузырьках диктиосом, которые, как известно, участвуют в синтезе компонентов стенки.

Для непрерывного деления, растяжения и дифференциации клеток под влиянием ауксина необходим постоянный синтез новых белков. В период роста клетки белки используются для построения дополнительных компонентов цитоплазмы клетки, а при дифференциации требуются новые ферменты, участвующие в процессах, характерных только для дифференцированного состояния клетки. Было показано, что ауксин вызывает увеличение скорости синтеза белка путем повышения синтеза мРНК в ядре. Совместно с другими гормонами и регуляторами ауксин, вероятно, изменяет также тип образующейся мРНК, изменяя тем самым тип ферментов в клетке. В результате синтезируется больше ферментов, специфических в отношении роста и дифференциации клеток. Кроме того, синтезируется больше рибосомной РНК, чтобы удовлетворить повышенную потребность в ней, возникающую при синтезе белка. Мы еще не знаем, какие ферменты, синтезируемые под влиянием ауксина, индуцируют продолжительный рост клеток и их дифференциацию. Такие проблемы с трудом поддаются решению, однако постепенно мы будем все больше узнавать о деталях, связанных с ростом и дифференциацией клеток, и в конце концов сможем лучше представить себе, где следует искать ответы на нерешенные вопросы.