Ауксин. Як діє ауксин

Ви перебуваєте: Ауксин

Як ми бачили, ауксин може виявляти безліч різноманітних впливів на рослини, регулюючи такі процеси, як розподіл, розтягання й напрямок розвитку кліток під час їх диференціації. Він викликає цілий ряд фізичних, хімічних і фізіологічних змін у клітках, причому деякі з них відбуваються надзвичайно швидко. Наприклад, швидкість руху цитоплазми у відрізках колеоптиля вівса збільшується через кілька хвилин після нанесення на них ауксину. Хоча ця швидка реакція може бути раннім проявом дії ауксину, важко зв'язати її безпосередньо з розтяганням кліток, яке в якийсь момент повинне спричинити істотні зміни в клітинній стінці. Малоймовірно, що одна-єдина 'домінуюча реакція' за участю ауксину відповідальна за всі ці ефекти. Тому фізіологи рослин досліджували кілька різних процесів. У нас зараз є цілком прийнятне вистава про те, яким образом ауксин регулює розтягання кліток. Ми поступово підходимо уводити, увести до ладу розгадці механізму, за допомогою якого ауксин контролює інші аспекти розвитку.

На відміну від кліток тваринних протопласти рослинних кліток укладені в напівжорсткий 'дерев'яний' ящик - .клітинну стінку. Незалежно від того, які зміни відбуваються усередині ящика, клітка не може збільшуватися у своїх розмірах, якщо її стінки не здатні розтягуватися. Аналогічну ситуацію можна спостерігати й у тварин: наприклад, у представника членистоногих - омара, у якого все тіло укладене у твердий зовнішній кістяк, що полягає переважно з хітину. Тварина може рости лише тоді, коли старий твердий зовнішній кістяк скидається в процесі линьки, а лежачий під ним новий шар залишається протягом якогось часу м'яким і розтяжним. Клітки рослин не можуть скидати свої клітинні стінки подібно тому, як омари скидають свої зовнішні кістяки. Для них єдиний шлях збільшитися в обсязі - це модифікувати існуючу клітинну стінку, для того щоб зробити її більш розтяжної. Було показано, що ауксин відіграє в цьому процесі істотну роль.

Ростом рослинних кліток управляють два фактори: розтяжність клітинних стінок і тургорное тиск клітинного вмісту, що діє на клітинну стінку. Ми можемо уявити собі цю ситуацію за аналогією з не повністю надутим повітряною кулею, у якій збільшення обсягу пропорційно внутрішньому тиску й назад пропорційно опору, надаваному стінкою кулі. Куля буде збільшуватися в розмірах, якщо ми підвищимо внутрішній тиск накачиванием у нього повітря. Це аналогічно збільшенню тургорного тиску усередині клітки. З іншого боку, якби ми змогли зробити стінку кулі більш розтяжної, впливаючи на неї хімікатами, що розм'якшують гуму, то куля також збільшилася б у розмірах, але без підвищення первісного внутрішнього тиску. Через 1-2 год послу нанесення ауксину на стебло або колеоптиль їх клітки збільшуються в розмірах набагато більше, ніж відповідні клітки в контрольному варіанті без ауксину. Таке збільшення відбувається в основному в довжину, а не завширшки. Це обумовлене спіральним розташуванням целюлозних микрофибрилл у клітинній стінці, що сприяє скоріше подовженню, чому радіальному росту клітки, а також тим, що ауксин збільшує розтяжність клітинної стінки. Ми можемо це виміряти, якщо спочатку прокип'ятимо відрізок стебла або колеоптиля, для того щоб убити його й усунути тим самим тургорное тиск у клітках, а потім, затисши обоє кінця відрізка, визначимо силу, необхідну для його розтягання. Ця сила пов'язана з розтяжністю стінки зворотною залежністю. Розтяжність стінки можна розкласти на два компоненти: пластичну розтяжність (необоротну деформацію) і эластическую (оборотну деформацію). Якщо перш ніж убити сегменти стебла рослини, обробити їхнім ауксином, то виявиться, що для їхнього необоротного розтягання до певного межі буде потрібно менше зусиль, чому в контрольному досвіді без застосування ауксину. Таке індуковане ауксином збільшення пластичної розтяжності клітинної стінки спостерігається лише в живих клітках. Ауксин не виявляє ніякого впливу на розтяжність при його нанесенні безпосередньо на клітинні стінки у відрізках мертвого стебла або колеоптиля.

Як можна пояснити дія, що розпушує, ауксину на клітинні стінки? Может Может ли оно быть обусловлено, например, увеличением в клетке количества фермента целлюлазы, разрушающей клеточную стенку Дійсно, активність цього ферменту різко зростає через кілька годин після нанесення ауксину, і, отже, фермент міг би зруйнувати деякі целюлозні микрофибриллы, підвищивши тим самим розтяжність стінки. Хоча сама по собі така ідея ймовірна, активність целлюлазы, очевидно, збільшується лише після того, як ауксин уже почав впливати на ріст. Ясно, що будь-яка прийнятна теорія дії ауксину повинна включати процес, який починається до стимульованого ауксином збільшення швидкості росту

Щоб точно визначити, з якого моменту починає збільшуватися швидкість росту після нанесення ауксину, учені використовують прилад, зображений на мал. 9.16.

За допомогою цього приладу можна виміряти з точністю до декількох секунд час, протягом якого відбуваються будь-які зміни довжини відрізка стебла. Через 10-15 хв послу додавання ауксину ще не відзначається збільшення швидкості росту. Потім ріст швидко прискорюється й досягає найвищої швидкості протягом наступних 15 хв. Таким чином, проміжок часу від 10 до 15 хв послу нанесення ауксину потрібно для того, щоб викликати зміни в метаболізмі, що приводять у підсумку до прискорення росту. Ці зміни повинні досягтися свого максимуму приблизно через 30 хв. Тому будь-які зміни, які не виявляються протягом години або трохи пізніше, не можуть ставитися до первісної дії ауксину на індукування росту. Однак вони могли б бути частиною механізмів, які повинні ввімкнутися пізніше для підтримки індукованого ауксином росту

Яке ж зміна відбувається за такий короткий період, що його можна зв'язати з індукованим ауксином розтяганням кліток? Відповідь, імовірно, укладений у феномені, уперше виявленому в 300х роках, але, що не звернув на себе увага більшості вчених. Потім він був відкритий повторно й описаний на початку 700х років. Було встановлено, що кисле середовище (низький рн) сприяє розтяганню кліток. Якщо відрізки стебла або колеоптиля помістити в прилад, зображений на мал. 9.16, зануривши їх у кислий розчин, то їх ріст підсилиться. Якщо для поліпшення проникнення кислоти з відрізків зняти эпидермис, то оптимальне посилення росту й розтяжності клітинних стінок буде спостерігатися при рн близько 5. Якщо мертві відрізки розтягти механічно, то зусилля, яке необхідно прикласти, щоб досягтися певного ступеня розтягання, буде менше в тому випадку, коли відрізки занурені в розчин із рн 3,5, а не із рн 7,0. Таким чином, вплив кислоти на розтягання не вимагає наявності метаболически активних кліток. Розтягання кліток є прямим наслідком дії іонів Н+ на компоненти стінки. Про зв'язок між кислотою й ауксином свідчить те, що вони впливають на ріст. Різняться ж вони тим, що, по-перше, кислота діє на стінки, а ауксин - на клітки й, по-друге, вплив кислоти триває лише короткий час, а вплив ауксину - щонайменше кілька годин. Між кислотою й ауксином, можливо, існує проста залежність. Якщо під впливом ауксину відбувається підкислення клітинних стінок, то це може викликати їхнє наступне розпушення. Цей механізм пояснює лише первісну стимуляцію росту, тому що матеріали, необхідні для подальшого розтягання кліток, швидко вичерпуються. Щоб ріст міг тривати, ауксин повинен виявити ще одна дія, яка забезпечила б синтез нової стінки. Саме цей останній процес відсутній, коли розтягання стінки индуцируется тільки однієї кислотою

Відомо, що в клітинних мембранах і в мембранах різних органелл клітки є метаболические насоси для різноманітних речовин, таких, як мінеральні іони, сахароза, гормони й іони водню (див. гл. 7). Відповідно одній широко розповсюдженій теорії, ауксин стимулює роботу локалізованого в плазмалемме насоса, що перекачує іони Н+ із цитоплазми в клітинну стінку. Такі насоси являють собою білки, що одержують енергію для своєї роботи в результаті розщеплення АТР до ADP і неорганічного фосфату. Ресинтез АТР залежить, звичайно, від метаболізму. Ця теорія припускає, що насос, що перекачує іони Н+, функціонує лише в тому випадку, якщо з ним зв'язана ИУК, що діє як эффектор (активатор) (мал. 9.17). Такий зв'язок, очевидно, оборотна. Вона утворюється й розпадається залежно від концентрації ИУК у навколишній цитоплазмі. Ця модель в основному підтвердилася, коли було показано, що відрізки колеоптиля зі знятим эпидермисом при приміщенні їх у розчин підкисляють його тільки після додавання ИУК у середовище. Таким чином, незважаючи на те що теорія активируемого ауксином протонного (Н+) насоса не дозволила всіх проблем і її необхідно доповнити деякими деталями, вона Узгодиться з більшістю даних і являє собою прийнятне пояснення дії ауксину на розтягання кліток

Але ми ще не закінчили. Чому підкислення сприяє розтяганню клітинних стінок? Щоб відповісти на це питання, ми повинні повернутися до структури клітинної стінки рослини (мал. 2.31). Стінка складається з довгих молекул целюлози, зв'язаних між собою полісахаридними містками, утвореними сумішшю цукрів, таких, як галактоза, арабииоза й ксилоза. Полісахаридні містки, що становлять частина стінки, звичайно називають гемицеллюлозой. Довгі целюлозні молекули, з'єднані один з одним цими поперечними зв'язками, обумовлюють твердість клітинної стінки. При необоротнім розтяганні клітинної стінки, що відбувається звичайно в процесі росту, целюлозні ланцюги повинні сковзати відносно один одного, і це може бути досягнуте тільки в тому випадку, якщо поперечні зв'язки між ланцюгами целюлози будуть розірвані. Коли розтягання стінки завершується, поперечні зв'язки утворюються знову, фіксуючи целюлозні ланцюги в їхньому новім положенні (мал. 9.18). У результаті розміри клітки збільшуються. Щоб кислота могла сприяти збільшенню розтяжності стінки, вона, мабуть, повинна розривати поперечні зв'язки між молекулами целюлози. Було висловлене припущення, що в клітинній стінці є рнмзалежний фермент, що руйнує такі зв'язки. Цей фермент не діє при рн 6,0-7,0, але стає високоактивним при рн близько 5,0. Коли під впливом ауксину, що присутствующего усередині клітки, іони Н+ накачуються в клітинну стінку, фермент активується й руйнує поперечні зв'язки; целюлозні ланцюги звільняються й одержують можливість сковзати одна щодо іншої. Таке ковзання здійснюється під дією тургорного тиску клітинного вмісту, що викликає розтягання стінки й збільшення розмірів клітки. Ми ще не знаємо природу цього гіпотетичного ферменту, про існування якого свідчить те, що некоторые хімічні сполуки, що перешкоджають звичайно дії ферментів, здатні інгібувати індуковане кислотою розтягання стінок ізольованих кліток

Під час відсутності ауксину індукований кислотою ріст триває лише короткий період, а в його присутності триває протягом багатьох годин. Що ж собою представляє цей довгочасний процес, активируемый ауксином? Якщо додати інгібітор синтезу білка (такий, як циклогексимид) до стимульованим ауксином відрізкам стебла, то вони припиняють ріст приблизно через 15 хв послу зупинки синтезу білка. Якщо ж інгібітор додається задовго до нанесення ауксину, то останній все-таки стимулює ріст, але лише протягом тих же 15/хв. Звідси ми можемо укласти, що первісна стимуляція росту, обумовлена викачуванням іонів Н+ із цитоплазми під впливом ауксину, не залежить від синтезу білка,

тоді як подальший індукований ауксином ріст потребує синтезу білка. Одним з необхідних білків є, очевидно, сам білок, що виконує функцію насоса, тому що в присутності циклогексимида індуковане ауксином підкислення зовнішнього середовища припиняється. Отже, у присутності ауксину цей білок-насос повинен мати досить короткий час життя й постійно синтезуватися. Для продовження росту необхідні також і інші процеси. Щоб удержати стінку клітки в розтягнутому стані й зробити її твердої, потрібно перешикувати полісахаридні поперечні зв'язки. Потім, щоб запобігти поступовому стоншенню стінки (відомо, що її товщина протягом усього періоду росту клітки залишається приблизно однакової), повинне синтезуватися більше целюлози й полисахаридов, що утворюють поперечні зв'язки. Так, примітно, що ауксин, як було встановлено, підвищує активність ферментів, відповідальних за синтез целюлози. Ці ферменти локалізовані в клітинній мембрані й у пухирцях диктиосом, які, як відомо, беруть участь у синтезі компонентів стінки

Для безперервного розподілу, розтягання й диференціації кліток під впливом ауксину необхідний постійний синтез нових білків. У період росту клітки білки використовуються для побудови додаткових компонентів цитоплазми клітки, а при диференціації потрібні нові ферменти, що участвующие в процесах, характерних тільки для диференційованого стану клітки. Було показано, що ауксин викликає збільшення швидкості синтезу білка шляхом підвищення синтезу мрнк у ядрі. Разом з іншими гормонами й регуляторами ауксин, імовірно, змінює також тип, що утворюється мрнк, змінюючи тим самим тип ферментів у клітці. У результаті синтезується більше ферментів, специфічних відносно росту й диференціації кліток. Крім того, синтезується більше рибосомной РНК, щоб задовольнити підвищену потребу в ній, що виникає при синтезі білка. Ми ще не знаємо, які ферменти, синтезовані під впливом ауксину, индуцируют тривалий ріст кліток і їх диференціацію. Такі проблеми із труднощами піддаються рішенню, однак поступово ми будемо усе більше довідуватися про деталі, пов'язані з ростом і диференціацією кліток, і зрештою зможемо краще уявити собі, де слід шукати відповіді на невирішені питання