Ауксин. Тропизмы и транспорт ауксина

Вы находитесь: Ауксин

Изгибы, вызываемые односторонним нанесением ауксина на растение, напоминают изгибы разных органов растения, возникающие под влиянием света или силы тяжести. Действительно, мы теперь знаем, что такие изгибы (тропизмы) связаны с асимметричным распределением ауксина в рассматриваемом органе. Например, если колеоптиль овса освещать светом низкой интенсивности с одной стороны или светом различной интенсивности с разных сторон, то этот орган обычно изгибается в сторону более яркого света (фототропизм). Изгибание происходит потому, что на стороне, обращенной к источнику света, рост несколько подавляется светом, а на противоположной - ускоряется.

Если удалить верхушку односторонне освещенного колеоптиля и с помощью описанного выше теста на изгиб определить содержание ауксина в обеих его половинах, то в затененной половине ауксина окажется примерно в два раза больше, чем в освещенной. Однако если затенять или освещать целиком всю верхушку колеоптиля, то ауксина в затененной верхушке будет не больше, чем в освещенной. Из этого физиологи заключили, что свет вызывает изгибание органа, воздействуя на латеральное распределение в нем ауксина. Разница в концентрации ауксина в свою очередь обусловливает неодинаковую скорость роста органа с двух его сторон, что и приводит к возникновению изгиба.

Аналогичным образом нижняя поверхность стебля, находящегося в горизонтальном положении (рис. 9.7), через некоторое время будет содержать больше ауксина, чем верхняя. Это приведет к ускоренному росту нижней стороны и в конечном счете к изгибанию стебля вверх (геотропизм) (рис. 9.8). Рост горизонтально расположенного корня вниз обусловлен (по крайней мера частично) различной чувствительностью корня к ауксину. В таком корне, как и в находящемся в горизонтальном положении стебле, ауксин накапливается на нижней стороне. Однако, поскольку в нормальном корне уже имеется оптимальная или даже сверхоптимальная концентрация ауксина, ее дальнейшее повышение на нижней стороне подавляет рост и тем самым вызывает изгибание корня вниз. Позднее проведенные исследования показали, что другие гормоны играют более важную роль в возникновении тропизмов корня. Например, было высказано предположение, что абсцизовая кислота - гормон ингибирующего действия - может также накапливаться на нижней стороне горизонтального корня и таким образом способствовать подавлению там роста клеток. Мы обсудим это явление ниже.

Физиологи растений не знают точно, каков механизм, с помощью которого растения детектируют односторонний свет и гравитационные стимулы. Спектр действия фототропизма показывает, что только синий свет и определенная часть ультрафиолета вызывают образование изгибов. В качестве фоторецептора в этом процессе может участвовать желтый пигмент, вероятно родственный каротину или рибофлавину (рис. 9.9). Многие другие реакции в растениях и грибах обнаруживают аналогичную зависимость от длины волны. В некоторых грибах синий свет, поглощаемый каким-то ферментом, содержащим флавин, вызывает восстановление цитохрома, что можно выявить с помощью спектрофотометра. В настоящее время считается, что эта реакция занимает, вероятно, центральное место в механизме, ответственном за фототропическое восприятие у растений, и связана каким-то еще не совсем понятным образом с последующей физиологической ответной реакцией.

В механизме, лежащем в основе реакции растения на силу тяжести (восприятие силы тяжести), по-видимому, участвуют статолиты, особо плотные зерна крахмала, перемещающиеся от одной стенки к другой при наклоне клетки (рис. 9.10). Под действием силы тяжести или центробежной силы они располагаются асимметрично у клеточных стенок, сигнализируя каким-то образом об изменении ориентации стебля или корня. Кроме того, некоторые другие органеллы в клетках, такие, как эндоплазматический ретикулум, поднимаются к верхней стороне клеток при наклоне верхушки растения в ту или иную сторону. Таким образом, в восприятие силы тяжести могут быть вовлечены и другие сигналы помимо тех, которые связаны с перемещением крахмальных статолитов. Какова бы ни была воспринимающая органелла, раздражение превращается в химический сигнал, очевидно, благодаря близости органеллы к периферической плазмалемме.

Восприятие как направленного света, так и силы тяжести происходит в кончике корня и верхушке стебля. В корне чувствительной зоной является чехлик (рис. 9.11), богатый крахмальными зернами, тогда как в стебле раздражение воспринимается верхушкой, включающей самые молодые листья. Однако зона, в которой развивается ответная реакция на вызывающий тропизм раздражитель, находится на некотором расстоянии (порядка нескольких миллиметров или сантиметров) от чувствительных клеток, расположенных в кончике корня или верхушке стебля. Так, ауксин должен мигрировать от верхушки стебля до лежащей под ним зоны роста. Этот процесс при нормальной температуре происходит примерно со скоростью 1 см/ч путем перемещения ауксина по клеткам паренхимы колеоптиля или по сердцевинной паренхиме и самым молодым недифференцированным сосудистым клеткам стебля. Однако такой транспорт необычен в том отношении, что он осуществляется лишь в одном нетто-направлении, а именно от верхушки стебля (рис. 9.12).

Поэтому если приложить блок содержащего ауксин агара к морфологическому апексу стебля, то это приведет к быстрому переходу ауксина в ткань стебля, откуда его можно собрать путем экстрагирования или диффузии в базальный блок. Однако если такой же блок приложить к основанию того же кусочка ткани, то ауксин не будет перемещаться от основания к апексу и далее в рецепторный блок. Односторонний транспорт ауксина в стеблях и колеоптилях называется полярным транспортом. Физиологическая основа полярного транспорта ауксина до конца еще не выяснена, но его механизм, вероятно, включает некоторые из перечисленных ниже этапов (рис. 9.13). Ауксин в виде неионизированной молекулы ИУК диффундирует из нижнего конца одной клетки в верхнюю часть лежащей под ней другой клетки. Поскольку цитоплазма имеет почти нейтральную реакцию, а клеточная стенка - слабокислую, ИУК снаружи клетки менее ионизирована, чем внутри нее. Следовательно, существует градиент диффузии, благодаря которому неионизированная ИУК может проникать в клетку. Присутствующая в клетке ионизированная ИУК нерастворима в липидах и потому не может диффундировать наружу, тогда как неионизированная ИУК продолжает поступать в клетку. В результате ИУК накапливается внутри клетки. Высказано предположение, что ИУК может выходить из клетки с помощью специфических белков-переносчиков, расположенных в клеточной мембране на нижнем конце клетки. Они способны захватывать находящуюся в клетке ионизированную ИУК и транспортировать ее наружу. Поскольку концентрация ионизированной

ИУК внутри клетки выше, чем снаружи, белки-переносчики действуют по существу как турникеты, через которые ионизированная ИУК выходит из клетки, а затем увлекается в соседнюю клетку. Эти гипотетические переносчики ауксина расположены только в нижней части клетки, и поэтому ауксин может перемещаться лишь в одном направлении - от апекса к основанию. Таким образом, предполагается, что полярность обусловлена структурными особенностями клетки на молекулярном уровне.

Полярный транспорт требует также активной метаболической энергии, которая необходима хотя бы для того, чтобы поддерживать в цитоплазме более высокий рН, чем снаружи. Это может осуществляться благодаря активному выкачиванию ионов Н+ из клетки с использованием АТР в качестве источника энергии.

Мы должны сейчас подытожить проведенное здесь обсуждение тропизмов, хотя в нашем понимании этих явлений есть еще много пробелов. Мы не знаем, каким образом рецепторы односторонне направленного света или гравитационного раздражения влияют на латеральное распределение ауксина; правда, неравномерное распределение ауксина на двух сторонах стимулированного стебля или корня возникает, по-видимому, главным образом вследствие его поперечной миграции. Например, симметрично нанесенная меченная 14С ИУК накапливается в затененной продольной половине фототропически стимулированного органа и нижней половине геотропически стимулированного органа.

Одно из возможных объяснений такого эффекта состоит в том, что базипетальный транспорт (транспорт к морфологическому основанию) ингибируется на стимулированной стороне. В результате происходит непрерывная диффузия вещества из освещенной половины в затененную при фототропизме стебля и из верхней половины в нижнюю при его геотропизме.

Несколько другая ситуация наблюдается в корне. Корневой чехлик обладает чувствительностью к силе тяжести. Сняв его с кончика корня, можно показать, что он служит также источником мощного ингибитора роста, который при асимметричном распределении вызывает образование изгибов. Опыты на отрезках корней, взятых за зоной роста, свидетельствуют, что перемещение ИУК в таких отрезках происходит в направлении к кончику корня, а не от него. Другими словами, здесь имеет место полярный транспорт, осуществляемый только в одном направлении- от верхушки стебля к кончику корня. Большая часть ИУК, обнаруживаемая в корнях, в действительности образуется в верхушке стебля, а затем транспортируется вниз по стеблю в кончик корня. Она накапливается также в тех местах, где развиваются новые боковые корни, и способствует там делению клеток. Корни все же вырабатывают очень небольшое количество ауксина, по всей вероятности, в корневом чехлике. Этот ауксин может мигрировать на расстояние 2-3 мм (или немного больше) назад в зону роста корня. Вели корень изогнут, то ауксин из кончика переходит на нижнюю сторону этой зоны, где, возможно, ингибирует рост и тем самым приводит к изгибанию корня вниз. Другим компонентом ингибитора корневого чехлика, вероятно, является абсцизовая кислота (см. гл. 10). Недавно проведенные исследования показывают, что в корневых тропизмах она играет более важную роль, чем ауксин.

У синтетических ауксинов, используемых для регулирования роста и развития растений, способность к перемещению связана с их активностью. Как правило, синтетические соединения, эффективно стимулирующие рост, обладают также и способностью к полярному транспорту. Это означает, что некоторая часть молекулы ауксина, ответственная за его действие, отвечает и за его связывание со специфическими участками транспортного белка. Когда мы измеряем контролируемый ауксином рост стебля, мы всегда находим, что скорость роста коррелирует не с общим содержанием ауксина, а с тем его количеством, которое способно к диффузии и выделяется из стебля, если его обрезать и поместить срезом на блок агара. Это свидетельствует о том, что не весь ауксин в клетке оказывает стимулирующее влияние на рост. Вероятно, рост контролируется ауксином, содержащимся в определенной части клетки, например в цитоплазме. Именно этот ауксин и доступен для транспортировки. Однако значительное количество ауксина может быть сосредоточено в других частях клетки, таких, как вакуоль, что делает его недоступным для транспортировки и неспособным оказывать влияние на рост тем не менее если мы экстрагируем ткань растворителями и измерим в экстракте количество ауксина, то при этом будет учтен и неподвижный ауксин, что приведет к неправильной оценке действительной локализации различных форм ауксина в изучаемых клетках. Этот феномен компартментации имеет большое значение для всей физиологии: часто локализация того или иного соединения или фермента важнее, чем его общее содержание. Такое правило почти наверняка применимо не только к ауксину, но и ко всем другим гормонам.

Количество активного ауксина в любой части растения зависит от нескольких факторов: от уровня синтеза ауксина в верхушке стебля, доли транспортируемого гормона, его компартментации в клетках и, наконец, от количества ауксина, подвергшегося распаду или метаболизировавшегося другими путями. Известно, что ауксин под действием фермента ИУК-оксидазы превращается в неактивный продукт - 3-метиленоксиндол (см. рис. 9.3). Некоторые ткани в растении, особенно в корне, чрезвычайно активно разрушают ауксин этим путем. Имеют место также разные реакции конъюгации ауксина с другими молекулами, такими, как аспарагиновая кислота и инозит. Количество этих продуктов обычно возрастает лишь тогда, когда на ткань наносят чрезвычайно высокие дозы ИУК. Поэтому предполагается, что образующиеся соединения являются запасными веществами или продуктами детоксикации.

В семенах зерновых, где практически отсутствует свободная ИУК, при обработке ткани разбавленной щелочью появляется значительное количество этого соединения. В ткани ИУК содержится а форме гликозидов, т. е. в сочетании с производными сахаров. При прорастании эти вещества транспортируются к верхушке колеоптиля, где ИУК высвобождается и делается доступной, как уже говорилось выше, для базипетального полярного транспорта.