Фітогормони – інгібітори росту рослин

Размещено на http://www.allbest.ru/

АБК і її фізіологічна роль

Для того, щоб вижити при змінах умов навколишнього середовища, рослина повинна мати здатність в потрібний час гальмувати або стимулювати ті чи інші фізіологічні процеси. Без сумніву в процесах переходу рослинного організму до літнього спокою, підготовку до зими чи, навпаки, до пробудження навесні, значну роль відіграють фітогормони, зокрема абсцизова кислота (АБК). Відкриття абсцизової кислоти було пов'язане із вивченням двох явищ - опадання листків плодів та стану спокою бруньок.

В 1949 р. було доведено, що в бруньках картоплі, ясену в стані спокою знаходяться інгібітори росту, що блокують дію ауксину у вівсяній пробі. Пізніше Ф.Уоринг з співробітниками (1963) виділив теж речовину, яка сприяла переходу до стану спокою бруньок берези. Сполуку, яка виявляла в цьому відношенні найбільший ефект, назвали дорміном. Одночасно різні дослідники виділили сполуку, яка спричинює опадання листків та коробочок бавовнику. Вони назвали її абсцизом. Як виявилось пізніше. Дорін та абсцизин одна і та ж сама речовина, що відноситься до інгібіторів росту, яку і назвали - абсцизова кислота (С15 Н20 О4) (Рис.1).

Рис. 1. Абсцизова кислота

В основі біотестів на абсцизову кислоту лежать наступні процеси:

- пригнічення ауксин-індукованого росту калеоптилей вівса;

- пригнічення проростання ізольованих зародків пшениці;

- стимуляція закривання продихів;

-прискорення опадання черешків сім'ядольних листків проростків бавовнику;

- гальмування індукованого гіберелінами синтезу L-амілази в алейроновому шарі

ячменю;

- пригнічення росту різних видів ряски.

Більшість тканин вищих рослин здатні синтезувати абсцизову кислоту. Центри синтезу - листки, плоди, а також кореневий чохлик. Біосинтез її відбувається шляхом, спільним для всіх терпеноїдів, тобто через мевалонову кислоту. Іншим шляхом синтезу АБК може бути деградація каротиноїдів, зокрема, катаболізму такого каротиноїда як віалоксантин. Найбільша кількість АБК виявляється на час опадання плодів. Транспорт АБК здійснюється в різних напрямках як по флоемі, так і по ксилемі. Протягом ряду років роль АБК в стимулюванні спокою є предметом дискусій. На відміну від попередніх груп фітогормонів, АБК затримує ростові процеси в усіх їх проявах. Вона контролює перехід до стану спокою, старіння листків, і дозрівання плодів, приймає участь в бульбоутворенні. Особливо важлива роль АБК у формуванні та прояві реакції кореня на гравітацію. Корінь росте вниз під впливом сили тяжіння. В механізмі явища геотропізму значну роль також відіграє АБК: синтезуючись в кореневому чохлику, вона транспортується в звичайних умовах по провідних судинах в базипетальному напрямку. Якщо корінь розміщується горизонтально, то абсцизова кислота транспортується в нижню частину, де і затримує ріст; відповідно верхня частина продовжує ріст, спричинюючи вигин кореня вниз. Підтвердженням цьому є порушення геотропічної чутливості при видаленні кореневого чохлика і той факт, що АБК екстрагована з кореневого чохлика, тобто вона в ньому синтезується. При нанесенні АБК поверхню кореня ріст гальмується, причому асиметричне нанесення АБК на поверхню кореня зумовлює вигин в той бік на який було нанесено АБК. Видалення половини чохлика теж спричинює вигин в той бік, куди було нанесено АБК.[1]

Фізіологічні прояви дії абсцизової кислоти

Абсцизова кислота - гормон стресу, тому вона швидко нагромаджується в тканинах, особливо при водному дефіциті. АБК синтезується в хлоропластах, а потім плазмодесмами притікає до продихових клітин, де спричинює закривання їх. В умовах водного стресу спостерігається швидке збільшення вмісту АБК, транслокація відбувається протягом всього часу, доки триває посуха і пониженим залишається водний потенціал. Крім того. екзогенне введення в листки низьких концентрацій АБК зумовлює закривання продихів вже через 3-9 хв. Концентрація АБК в листках при стресі різко зростає. До того ж відомо, що хлоропласти мезофілу синтезують АБК, тоді як продихові хлоропласти не здатні синтезувати їх можливий механізм даного явища АБК гальмує вихід Н+ із замикаючих клітин та надходження К+ в ці клітини. Передбачають, що плазмолема замикаючих клітин містить протонний насос, активність якого контролюється АТФ, яка утворюється під час циклічного фотофосфорилювання в хлоропластах цих продихів. Протонний насос активно викачує Н+ із клітини. Відповідно цей процес зрівноважується пасивним надходженням іонів К+ в клітину. Вихід іонів водню із цитоплазми викликає підвищення рН її до 8-9, яке є оптимальним для функціонування фосфоеналпіруваткарбоксилази. Цей фермент каталізує перетворення фосфоеналпірувату, що утворюється із крохмалю, в оксалацетат, який під дією малат-дегідрогенази відновлюється до малату. Останній накопичується у вакуолях. В результаті знижується водний потенціал, що викликає надходження води у вакуолі. Підвищення тургору двох замикаючих клітин викликає відкриття продихової щілини. Вважають, що АБК порушує цей нормальний хід процесу шляхом блокування роботи протонного насосу. Зміни, які виникають після цього, підвищують водний потенціал у вакуолях, а отже забезпечують вихід води із них. Замикаючи клітини втрачають внаслідок цього тургор і продихова щілина закривається. Велику роль в дії АБК відіграють процеси фосфорилювання і дефосфорілірованія , що пов'язано з роботою протеинкиназ. У дослідах з ін'єкціями показано , що дія АБК на рух продихів не виявляється при порушенні процесів фосфорилювання і дефосфорілірованія , а також при гальмуванні роботи протеинкиназ.[6]АБК прискорює синтез протекторних білків , що визначають стійкість до посухи та інших несприятливих умов. На пізніх стадіях ембріогенезу поряд з підвищенням вмісту АБК з'являються специфічні РНК і відповідні білки. Це так звані білки пізнього ембріогенезу , які беруть участь у забезпеченні стійкості до зневоднення. Обробка АБК підвищує вміст цих білків. Є дані , що АБК на пізніх етапах ембріогенезу відіграє істотну роль у регуляції транспорту асимілятів з оболонки насіння до зародку, який розвивається.

Абсцизова кислота - гальмує процеси росту, сильний інгібітор проростання насіння. (Рис. 2)

Рис. 2. Вплив АБК на ріст рослин озимого жита (А) і гороху (Б): 1- контроль; 2, 3. АБК, відповідно 1.10-5 М і 1.10-6 М

Вона сприяє появі відокремлювального шару в черешках та плодоніжках, прискорюючи опадання листя та плодів. У деяких випадках АБК надає атрагіруючий вплив на формуючі плоди, сприяючи їх дозріванню, і обумовлює стан спокою насіння всередині плоду. АБК прискорює старіння, спричинюючи розпадання нуклеїнових кислот, білків, хлорофілу.

Механізм дії АБК на молекулярному рівні невідомий, хоча вважають, що всі фізіологічні ефекти, пов'язані з гальмуванням ростових процесів. Тому можливо допустити, що АБК блокує деякі етапи процесу транскрипції з утворенням мРНК та трансляції мРНК в білок. Передбачають також, що АБК гальмує функціональну активність Н+ насоса, що може в свою чергу, спричинити різноманітні наслідки. Нагромаджуються дані, що АБК може впливати на процеси метаболізму, змінюючи проникність деяких мембран для різних іонів. Тому механізм дії АБК можна пояснити частково впливом її на синтез білків, а частково - на вибіркову проникність мембран.

АБК - як антиоксидант, як оксидант

Якщо рівень оксидантів в клітині відносно великий, то АБК спочатку діє як антиоксидант, віддаючи Н від ОН-групи на нейтралізацію вільних метаболічних радикалів. Проте окиснена АБК (?О. ) може діяти як оксидант, викликаючи деструктивні зміни в клітині. Відсутність біологічного ефекту АБК при одночасному внесенні із дикватом або незадовго до цього може означати, що для дії АБК як антиоксиданта необхідно її попереднє відновлення до 1?,4?-діольної АБК.

У вільнорадикальному стані АБК може зв'язуватись з будь-якими речовинами клітини, зокрема досить великої молекулярної маси, утворюючи кон'югати, які за хімічними властивостями менш активні, ніж вільна АБК. Причому, чим більше АБК переходить у вільнорадикальний стан, тим більше буде її зв'язаних форм. Можливо, ці форми АБК часто розглядаються в літературі як зв'язування з рецептором і біологічна активація кислоти. Проте залишаються без відповіді питання про тип зв'язку: ковалентний він, чи водневий? Інше питання: чи є в дійсності біологічно активною АБК після кон'югації з високомолекулярними нерухомими біополімерами клітини? Оскільки зв'язані форми АБК утворені ковалентними зв'язками, то у випадку зв'язування з високомолекулярними біополімерами, АБК може ставати вільною за участю ферментів, які повинні розривати такий зв'язок.[3] Таким чином, потрібний додатковий фактор для реалізації дії АБК. Це ускладнює хімічні реакції за її участю АБК в клітині при зв'язуванні з рецепторами. Отже, вважається, що тільки вільна АБК має антиоксидантні властивості, а зв'язані її форми мало впливають на протікання окисно-відновних процесів. Вміст АБК в клітинах у відповідь на підвищення ендогенного рівня окисників (сигнальний фактор) закономірно збільшується, що необхідно для нейтралізаціїї вільних радикалів. В літературі часто АБК розглядається як складова гіпотетичних сигнальних систем [7]. Вважається, що у живих клітин сигнальною системою є мембрани, структурні зміни яких, зокрема внаслідок окиснення ліпідів, викликають функціональні зміни в різних компартментах клітини, які власне, і є сигналом для активації захисних реакцій клітини.

Останні охоплюють реакції нейтралізації вільних радикалів і репараційних процесів [5]. Витримування рослин в розчині АБК є штучним збільшенням її природної ендогеної концентрації, а також зменшенням кількісті вільних радикалів у клітині. Тобто АБК є природним антиоксидантом і разом з іншими антиоксидантами, наприклад простагландинами групи Е і F, токоферолом, холестеролом, фосфатидилінозитолом тощо, виконує захисні антиокcидантні функції в клітинах. Ефективність дії останніх речовин у нейтралізації вільних радикалів і визначає здатність клітин виживати за умов стресів, що супроводжуються пероксидним окисненням.(Рис.3)

У виробничій практиці АБК використовують для обприскування плодових дерев в кінці вегетації з метою прискорення дозрівання і скорочення строків збирання врожаю.

Рис. 3. Механізми трансформації АБК у клітині

Етилен і його фізіологічна роль

Газ етилен (С₂Н₄) справедливо відносять до гормонів рослин, так як він синтезується в рослинах і у вкрай низьких концентраціях регулює їх зростання, активує дозрівання плодів, викликає старіння листя і квіток, опадання листя і плодів, бере участь у відповіді рослин на різні стресові фактори і в регуляції багатьох інших важливих подій у житті рослини [2]. Етилен, точніше, етиленпродуценти - сполуки, руйнування яких супроводжується виділенням етилену, мають широке застосування в практиці сільського господарства. В останні роки великі успіхи досягнуті в отриманні та вивченні мутантних рослин, нечуттєвих до етилену. Ці мутанти забезпечили прогрес у виділенні генів, що відповідають за сприйняття і передачу етиленового сигналу в рослинах, і допомогли частково розшифрувати молекулярні шляхи, по яких сигнал проходить, викликаючи включення або придушення певних фізіологічних програм.[10]

Етилен виявляє великий вплив майже на всі процеси росту, розвитку і старіння рослин.

1. Етилен має значення для дозрівання плодів. В міру поступового дозрівання в них відбуваються постійні зміни: у недозрілих плодах руйнується хлорофіл, а проявляються в дії інші пігменти, що змінюють забарвлення. М'ясиста частина стає м'якою. Таким чином, етилен, як природний продукт, виділяється багатьма рослинними тканинами, плодами, квітами, листками, безлистяними стеблами і коренями рослин, а також деякими видами грибів. На сьогоднішній день етиленом обробляють томати, для прискорення їх дозрівання, які збирають зеленими. Етилен також використовується для прискорення дозрівання горіхів та винограду.

2. Етилен сприяє опаданню листків, квіток та плодів. В листках етилен активізує ферменти, що викликають руйнування клітинних оболонок, які пов'язані з опаданням. Тому етилен використовують на практиці для легшого відокремлення плодів вишні, ожини, чорниці, винограду, дозволяючи провести механічний збір урожаю. Він також використовується для прорідження садів.

3. Етилен використовується для зміни статі квіток у однодомних рослин. Ним обробляють чоловічі квіти, щоб збільшити кількість жіночих, отже збільшити урожай.

Таким чином, етилен - газоподібний гормон, який утворюється в результаті неповного згорання вуглеводнів. Він відноситься до природних регуляторів росту і викликає рід фізіологічних реакцій.

Рис. 4. Етилен

Етилен віднесений до фітогормонам порівняно недавно. Проте ще в 1911 р. російський вчений Д.Н. Нелюбов встановив , що етилен гальмує ріст стебла в довжину , одночасно викликаючи його потовщення і вигин в горизонтальному напрямку ( потрійна реакція стебла). У подальшому було показано , що соковиті плоди ряду рослин (апельсини , банани та ін ) виділяють етилен , і що він стимулює дозрівання плодів.

У 1935 - 1937 рр.. Хічкок і Циммерман в США і Ю.В. Ракітін в СРСР провели велику кількість досліджень, що показали , що етилен - регулятор дозрівання плодів. У 60 -ті роки показано , що спектр дії етилену значно ширше і що , подібно АБК , цей фітогормон надає в основному гальмівний вплив на процеси росту. Показано, що первісним попередником етилену є амінокислота метіонін. В освіті етилену бере участь ряд ферментів, з яких особливе значення має аминоциклопропанкарбосинтаза ( АЦК - синтетаза ) , що каталізує утворення 1 - аміноциклопропан - 1 -карбонової кислоти (АЦК ) - безпосереднього попередника етилену. Активність цього ферменту зростає в процесі дозрівання плодів і, що найголовніше, регулюється ауксином. Показано, що високі концентрації ауксину викликають синтез етилену. Припускають, що відбувається на рівні індукції генів АЦК- синтетази. Етилен утворюється в дозріваючих плодах , старіючих листках , в проростках до того , як вони виходять на поверхню грунту. У рослині етилен визначають за допомогою біотестів або газової хроматографії.[11]

Біологічна активність етилену

Як показано в дослідах Д.Н. Нелюбова, етилен пригнічує ріст стебла в довжину і викликає його потовщення. Згодом вчені з'ясували, що це відходить за рахунок зміни напрямку росту клітин стебла, якому відповідає зміна орієнтації елементів цитоскелету. Етилен пригнічує ріст кореня, прискорює старіння, що добре простежуєтьсяється на листках і квітках рослин. Етилен прискорює також дозрівання плодів, викликає опадання листків та плодів (рис.5). Він індукує утворення в черешку спеціального шару клітин, по якому відбувається відрив листа від рослини, а на місці відриву замість ранки залишається індукований етиленом захисний шар клітин, які мають запробковілі стінки. Цей фітогормон впливає на стать квіток, викликаючи утворення жіночих квіток у рослин, для яких характерні окремі жіночі та чоловічі квітки, наприклад у огірка, гарбуза і кабачків. Утворення коренів на стеблі і формування в стеблі особливої ??тканини - аеренхіми, по якій кисень надходить в коріння, індукуються етилном. Це рятує рослини в умовах кисневого голодування коренів, в яке вони потрапляють при затопленні грунту. Крім цього етилен викликає і інші зміни в рослинах. Наприклад, епінастію, зміна кута нахилу листа по відношенню до стебла (листя опускаються). У відповідях рослин на різні пошкоджуючиі впливи - механічні, хімічні та біологічні - також бере участь етилен. Він утворюється у відповідь рослин на атаку патогенів. Етилен включає системи захисту рослин від патогенів. При цьому він індукує синтез великого числа ферментів, наприклад ферментів, що руйнують клітинну стінку грибів (хітинази, специфічні - глюканаза), а також ферментів, що у синтезі фітоалексинів сполук, отруйних для патогену. При пораненні рослин відбуваються синтез і виділення етилену. Є дані про те, що при об'їданні листя деревних рослин тваринами об'їдена рослина виділяє етилен і під його дією в листках сусідніх рослин можуть синтезуватися речовини, що роблять листя несмачними для тварин.[9]

Рис. 5. Схема реакцій рослин на етилен. К - контроль без етилена

Біосинтез етилену

Ключовим з'єднанням для біосинтезу етилену в рослинах є амінокислота метіонін. При взаємодії метіоніну з макроергічним з'єднанням АТФ виникає проміжний продукт S-аденозілметіонін, який далі перетворюється в 1-міноціклопропан-1-карбонову кислоту (АЦК) - безпосередній попередник етилену в рослинах. Потім АЦК у присутності кисню розкладається з утворенням етилену, аміаку, мурашиної кислоти і вуглекислого газу. (Рис. 6).

Рис. 6. Схема біосинтезу етилену в рослинах

Вказані індуктори АЦК- синтетази і киснезалежність останнього етапу біосинтезу етилену.

Кожен етап каталізується певним ферментом. Ключовим ферментом, на рівні якого регулюються біосинтез етилену, є АЦК-синтетаза. АЦК-синтетаза не синтезується в клітинах постійно але, а індукується індукторами - речовинами, які виликають її синтез. Такі ферменти прийнято називати індуцибельними. Синтез АЦК-синтази індукують високі концентрації ауксину, молекули - хімічні сигнали грибної інфекції, а також сам етилен. Синтез АЦК-синтетази йде до тих пір, поки присутній індуктор. Потім синтез припиняється, а утворені молекули ферменту руйнуються, оскільки період їх напіврозпаду становить 20-30 хв. Це підкреслює, як чітко рослина контролює синтез етилену на рівнях- утворення і руйнування ключового ферменту.

Істотно, що в геномі рослин існує велике сімейство генів АЦК-синтетази, які розрізняються за своєю регуляції: одні включаються на різних стадіях нормального розвитку рослин, інші - при пораненні, треті - при дії патогену і т.д. Це забезпечує багатофакторну систему регуляції синтезу етилену в рослинах. Гени АЦК-синтетази і АЦК-оксидази залучають більшої уваги генних інженерів, так як модифікація рослин по цих генам дозволяє регулювати синтез етилену і, отже, регулювати швидкість дозрівання плодів. На цьому шляху американські генні інженери одержали трансгенні рослини томатів з збільшеним на місяць строком зберігання плодів.

Наступний етап біосинтезу етилену зводиться до окисленню АЦК. Він кисневмісний і не протікає в умовах кисневого голодування (анаероби). Така ситуація виникає в корінні при затопленні грунту. Без кисню придушуються дихання кореня, синтез АТФ і залежні від неї процеси. Порушується постачання пагонів водою, елементами мінерального живлення, гормонами (цитокінінами) та іншими продуктами життєдіяльності кореня. Все це загрожує загибеллю рослин. І тут включається етиленова система захисту. В анаеробних умовах перетворення в корінні АЦК в етилен припиняється. АЦК надходить у складі пасоки - розчину, що надходить з коріння в пагони, в надземні органи, де не бракує кисню і перетворюється там в етилен. Крім того, етилен індукує утворення в стеблі аеренхіми - тканини, по якій кисень потрапляє з стебел в коріння і забезпечує їх нормальну життєдіяльність. Цей приклад добре ілюструє, як етилен забезпечує адаптацію рослин до умов кисневої недостатності в зоні коренів, що виникає при затопленні грунту.

При нормальному протіканні життя рослин етилен активно синтезується в дозріваючих плодах і старіючих листках. Це зрозуміло: він індукує дозрівання плодів, старіння і опадання листя.

Арабінопсис - рослина, яка забезпечила успіх у вивчені механізму дії етилена.

Успіх у вивченні механізму сприйняття і передачі етиленового сигналу був досягнутий на рослині Arabidopsis thaliana. Це улюблений об'єкт генетиків і молекулярних біологів рослин, подібно плодової мушці-дрозофілі у генетиків тварин.

Арабідопсис володіє найменшим серед вивчених рослин геномом (сукупність генів даного організму) - всього 120 млн пар основ, що становить 3% від генома людини. Диплоїдна клітина містить всього 5 пар хромосом. На відміну від інших рослин ДНК арабідопсису містить мало нуклеотидних послідовностей, що не беруть безпосередньої участі в кодування її білка. У арабідопсису порівняно короткий життєвий цикл - близько 6 тижнів. Він дає дуже багато дрібних насіння. Сама рослина теж невелика, що дозволяє працювати з нею у стерильних умовах, вирощуючи рослини в колбах. Все це створює великі переваги арабідопсису як модельної системи для вивчення генома рослин. Урядом США створено спеціальну програму і виділені фонди для визначення нуклеотидної послідовності повного генома Арабідопсиса. Дослідження генома арабідопсису важливо тому, що існує багато спільного в геномах всіх 250000 видів рослин. Це дозволяє виділити потрібний ген з арабідопсису, а потім, використовувати його, виділити відповідний йому ген з іншої рослини з більш складною організацією геному.[7]

В даний час отримано велику кількість мутантів арабідопсису з пошкодженням одиничного гена. Ці мутанти дозволяють вивчати генетику росту і розвитку, фотосинтезу, відповідь рослин на зовнішні впливи і генетику метаболічних ланцюгів.Зокрема, в США отримані мутанти Арабі- допсіса, нечутливі до етилену. Їх обробка етиленом не давала типового відповіді проростків на С₂Н₄ : У мутантів на відміну від дикого типу (не му- тантний рослин) не відбувалося придушення росту стебла в довжину, його потовщення і придушення зростання кореня. Етилен не викликав у мутантів активації етилен чутливих генів, наприклад генів хітинази, що не прискорював старіння листя і не викликав епінастіі. Все це дозволило припускати, що пошкоджений ген рецептора, через який проявляються всі реакції рослин на етилен. Отримання мутантів дозволило перейти до виділення генів сприйняття та передачі етиленових сигналів.

Виділення гена - рецептора етилену

Дослідження, проведені М. Холом (Великобрітанія) і Е. Сіслером (США), показали, що:

1) клітинам рослин притаманна здатність зверни- мо пов'язувати етилен,

2) інгібування цього процесу призводить до придушення типових реакцій рослин на етилен,

3) етілензв'язуючий білок знаходиться в клітинній мембрані. Дослідження нечутливих до етилену мутантів арабідопсису підтвердило, що у них різко знижене зв'язування етилену. Це дозволяло очікувати, що у мутантів пошкоджений ген рецептора цього гормону. Великий прогрес був досягнутий в результаті робіт деяких груп американських дослідників, включаючи А. Блікер, Дж. Еккера, Х. Клея.

Один з генів, що викликають нечутливість до етилену (etr1), виділений і клоновани А. Блікером. Потім ген був введений в клітини дріжджів, в яких і було здійснено синтез кодованого геном etr1 білка. Цей білок ETR1 надавав клітинам дріжджів здатність зв'язувати етилен, яка була відсутня у контрольних дріжджів. Зв'язування відбувалося з тієї ж кінетикою, що в клітинах рослин, і пригнічувалось тими ж інгібіторами. Все це дозволяло зробити висновок, що в дріжджах синтезований рецептор етилену. Він являє собою білок 79 kD, який утворює димер (147 kD), дві субодиниці якого з'єднані дисульфідним містком. Установлення нуклеотидної послідовності гена etr1 дозволило вивести з неї амінокислотну попослідовність кодованого їм білка ETR1. Білок виявив високу гомологію з бактеріальною гістидиновою протеїнкіназою, що входить до складу бікомпонентної сигнальної системи бактерій. Вона називається бікомпонентною тому, що діє в два етапи і включає в себе два білка: сенсор і ефектор (рис. 7).

Рис. 7. а - бікомпонентна сигнальна система бактерій; б- схематичне зображення структури етиленового рецептора ETR1 у арабідопсису

На першому етапі прийнятий сенсорною гістидил-протеїнкіназою сигнал збуджує активність ферменту і призводить до фосфорилювання в його молекулі всього одного гістидинового залишку, розташованого в строго певній ділянці молекули, високо консервативному у всіх гістидилових протеїнкіназ. На другому етапі функціонування бікомпонентної сигнальної системи фосфатна група передається з гістидинового залишку на залишок аспарагінової кислоти, розташованій у бактерій зазвичай в іншому білку. У результаті фосфорилювання він активується і набуває здатність регулювати активність генів, включаючи одні з них і вимикаючи інші. Таким шляхом здійснюється відповідь клітини на прийнятий сигнал. Гістидинова протеїнкіназ, яка входить до складу бікомпонентної сигнальної системи, широко поширена у бактерій і бере участь в їх реакціях на зміну осмотичних умов середовища, концентрації в ній необхідних метаболітів, в явищах хемотаксису і взаємодії з хозяїном. В еукаріотичних клітинах широко розповсюджені серинові і треонінові протеїнкінази, які фосфорилируют у білків певні серинові і треонінові залишки , і тирозинові протеїнкінази , фосфорилюють тирозинів залишок. Гістидинова протеїнкіназа вважалася специфічною для бактерій , проте вона виявлена також у дріжджів , де бере участь у відповіді на сольовий стрес, і у ссавців. Встановлена А. Блікером приналежність ETR1 арабідопсис до гістидинової протеїнкінази є першим сповіщенням про їх присутність у рослин.

Аналіз амінокислотної послідовності ETR1 , виведеної з нуклеотидної послідовності його гена , виявляє в білку три різні частини (див. рис. 7).

Одна з них (розташована на N-кінці молекули ) відрізняється високою гідрофобністю.Вона унікальна за своєю структурою , не має в банку даних аналогів з іншими білками. Ця частина молекули локалізована в мембрані і відповідальна за зв'язування етилену. Далі в молекулі розташована гістидинова протеїнкіназа , яка повинна фосфорилювати триста п'ятдесят третій гістидин і далі передавати фосфатну групу на 659 -й залишок аспарагінової кислоти , розташованої ближче до С- кінця молекули. Судячи з амінокислотної послідовності ,в молекулі етиленового рецептора містяться і сенсорна і ефекторна частини бікомпонентних сигнальної системи бактерій.

Генетичні досліди показали , що у арабідопсиса за рецепторним білком ETR1 в системі переносу етиленового сигналу повинен бути розташований білок CTR1 , блокуючий в нормі проходження сигналу. Мутація за його гену ctr1 призводить до морфологічних змін у арабідопсису , які могли б виникнути при постійному включенні етиленової програми. Цей білок репресує етиленові програми у дикого типу. Вивчення первинної структури (амінокислотної послідовності ) білка CTR1 показало його принадлежність до сімейства широко поширених у еукаріот серин / треонінових протеїнкиназ , які участвують в так званому МАР- кіназного каскаді,в якому послідовно одна кіназа фосфорилює іншу і тим самим активує її для фосфорилювання наступній протеїнкінази в ланцюзі передачі сигналу на білки хроматину.[8]

Таким чином встановлено, що в передачі етиленового сигналу в клітинах арабідопсису приймають участь сигнальні системи як бактеріального ( гістидинова протеїнкіназа - ETR1 - рецептор етилену ) , так і еукаріотичного типу ( репрессор передачі сигналу CTR1 , серин / треонінових протеїнкіназа , що відноситься до МАР- кіназного каскаду ).

Необхідні дослідження для з'ясування конкуруючої взаємодії в клітинах цих регуляторних систем. Ланцюжок подальших етапів передачі етиленового сигналу ще не вивчена. вона може бути досить складною і включати в себе , наприклад , так звані G- білки , що показано в лаботорії М. Холла. Ці білки приєднують до себе GTP ( гуанозинтрифосфат ) і в результаті приднання мають здатність до передачі сигналів від одного білка до іншого.[6]

Відомо, що в кінцевому рахунку етилен включає певні генетичні програми , які забезпечують специфічну відповідь на нього рослиною. Наприклад , індукція етиленом захисних реакцій рослин на патоген включає в себе активацію генів в-1,3- глюканази , лужної хітинази , РR-білків , халкон- синтетази і багатих на оксипролін глікопротеїнів. Цього не відбувається у нечуттєвих до етилену мутантів. В даний час не настільки добре вивчені етиленіндукуючі гени та знайдено регуляторні елементи ( РЕ) в ДНК їх промоторів , які відповідальні за включення генів етиленом. Ці РЕ мають спільні нуклеотидні послідовності у різних етилен залежних генів. Виявлені білки , здатні впізнавати РЕ етиленіндукуючих генів , що представляють собою , мабуть , трансфактори, взаємодія яких з РЕ включає гени. У цих білках мається загальна амінокислотна послідовність (59 амінокислотних залишків), що забезпечує їх зв'язування з ДНК. Припускають , що ці білки можуть бути мішенню для розглянутого вище сигнального каскаду , хоча це ще необхідно довести, тому на схемі , що підсумовує всі наведені відомості про можливий механізм дії етилену ,стрілки , що йдуть до трансфакторам , показані пунктиром (рис. 8 ).

Рис. 8. Гіпотетична схема передачі етиленового сигналу у рослин

В основу представленої схеми покладено одна з гіпотез А.Блікера [12]. дослідження механізму дії етилену розвиваються настільки швидко , що немає сумніву в тому , що найближчим час буде з'ясована вся ланцюг подій від взаємодії етилену з його рецептором до включення етиленіндукуючих генетичних програм.

Досягнутий на Arabidopsis thaliana прогрес у вивченні етиленового рецептора і його гена дозволив виділити відповідний ген з генома томатів і синтезувати в дріжджовий системі закодований в ньому білок з властивостями рецептора етилену (Х. Клей ). Цей білок ТАЕ1 організований за тим же принципом , що і ETR1 у арабідопсису. Крім того , у томатів виділені інші гени , гомологічні etr1 арабідопсису , але мають визначені відмінності від нього (Х. Клей ). дослідження на арабідопсису і томатах показали , що рецептори етилену кодуються мультигенним сімейством , окремі гени якого по-різному експресуються в ході росту і розвитку рослин.

Жасмонова кислота і її фізіологічна роль

Вперше жасмонова кислота (жасмонат) була виділена в 1962 р. з ефірного масла жасмину великоквіткового (Jasminum grandiflorum), де вона присутня у вигляді летючого ефіру метилжасмонату. Це досягнення фітохімії залишилося б непоміченим, якби в 1980р. не було виявлена фізіологічна дія цієї речовини на рослину. Жасмонат і метилжасмонат (Рис.9) інгібують ріст паростків, проростання пилкових трубок, утворення калуса, сприяють закриттю устячок, взаємодію кореневих волосків з частинками ґрунту, стимулювали утворення клубенів і цибулин, впливали на цитоскелет, переорієнтувавши його.

Синтез починається в хлоропластах, продовжується в пероксисомах, закінчується в цитоплазмі і активується еліситорами і системіном. Вважають, що пептид системіну, який утворюється в пошкоджених тканинах в результаті гідролізу якогось поліпептиду-попередника, транспортується по флоемі до клітин-мішеней, зв'язується з локалізованим в плазмалемі рецептором і активує експресію жасмонатзалежних генів. Активація синтезу жасмонової кислоти у відповідь на ряд механічних стимулів відбувається за участю Са-кальмодулінового шляху сигнальної трансдукції. Концентрація жасмонової кислоти найбільш висока в зонах клітинного ділення, молодих бруньках, квітках, тканинах околоплідника, а також у гіпокотільном гачку бобових рослин.[4]

Синтез жасмонової кислоти

Синтез жасмонової кислоти починається з гідролізу фосфоліпідів фосфоліпазою А. Звільнена з ліпідів ліноленова кислота під дією ліпоксигенази перетворюється в перекисне похідне і далі формує п'ятичлений цикл, що є основою для жасмонату. Після синтезу жасмонова кислота може метильоватися, переходячи в фізіологічно активний метилжасмонат, але можливо і глікозилювання, і тоді жасмонат переходить в неактивну (запасну) форму.

Рис. 9. Жасмонова кислота Метилжасмонат

Жасмонати

У Arabidopsis виявлені два гени, відповідальні за синтез ліпоксигенази: один з них (ATLOX 1) екпресується в листях, коренях, паростках при нормальному розвитку і не залежить від зовнішних умов, тоді як експресія ATLOX2 підвищується у відповідь на механічне пошкодження і патогенез. Цікаво, що жасмонати підвищують активність ліпоксигенази, стимулюючи свій власний біосинтез.Крім жасмонової кислоти знайдені інші речовини цього класу, що виконують ті ж самі функції: кукурбінова кислота з гарбуза і туберозова кислота з картоплі.

Жасмонат пригнічує експресію низки ядерних і хлоропластних генів, продукти яких необхідні для фотосинтезу, що призводить до зниження вмісту хлорофілу і хлорозу. Жасмонати беруть участь у двох принципово різних регуляторних процесах:

1) стримують вегетативний ріст і сприяють переходу до стану спокою,

2) посилюють імунну відповідь.

У багатьох тестах АБК і жасмонати поводяться як синергісти. Так, при дії жасмонатами до доби, пригнічується синтез РБФК і руйнується хлорофіл. За придушенням біосинтезу білка відповідає Jip60 (Jasmonate-induced protein, мол.масса 60 кДа). Поява Jip60 в клітинах викликає руйнування полісом і загальне придушення трансляції. Обробка клітин 10^-5 М жасмоновою кислотою протягом 48 годин і більше викликає їх загибель.[9]

Жасмонати викликають в зародках синтез білків пізнішого ембріонального розвитку - Lea (Late embryogenesis abundant proteins). До унікальної фізіологічної реакції, що запускається жасмонатами, відноситься синтез вегетативних запасних білків - VSP (Ve-getative storage proteins). У деяких рослин ці білки збігаються за структурою з запасними білками насіння, але в інших помітно відрізняються. Синтез VSP спостерігається тільки при доброму забезпечені азотом, а при голодуванні VSP не відкладаються. Жасмонати регулюють депонування нерозчинних азотних сполук і донорно-акцепторні відносини. Паралельно з VSP і Lea синтезуються білки, характерні для водного дефіциту (перекриває реакція з АБК). Поява цих білків супроводжується послабленням флоемного струму і закриттям продихів.

Висновок

фітогормон інгібітор рослина

Отже, зі всього вище сказаного можна зробити висновок що, дослідження які ведуться в цій галузі і практичне використання фітогормонів є досить перспетивними. Ряд фітогормонів вдалося синтезувати і уже на сучасному етапі активно використовується АБК як антитранспірант при пересадці дерев та кущів, для збільшення стійкості до засухи. Етилен використовують в сільському господарстві для прискорення зрілості плодів. Всі гормони шикоро застосовуються для отримання рослин з ізольованих клітин або протопластів, а також при клонувальному мікророзмноженні.

На сучасному етапі активно проходить вивчення генетикою та молекулярною біологією механізмів сприйняття та передачі гормонального сигналу в рослинах. Цей етап обіцяє дати в руки дослідників зовсім нові шляхи керування життям рослин через отриманих генно-інженерним шляхом трансформатів з заданими параметрами росту, плодоношення і швидкості дозрівання плодів.

Список використаної літератури

1. Кузнецов Вл.В. Физиологія растений: Учебник. / Вл. В. Кузнецов, Г. А. Дмитриева, Изд. 2-е, перераб. И доп. - М.: Высш. Шк., 2006.- 742 с.: ил.

2. Кулаева О.Н Как регулируется жизнь растений // Соросовский Образовательный Журнал. 1995. № 1. С. 20-27

3. Курчий Б.А. Снижение эндогенного содержания абсцизовой кислоты при ингибирующем действии некоторых природных и синтетических биорегуляторов на рост проростков озимой ржи //

4. Курчий Б.А. Что регулируют регуляторы роста (What regulate the growth regulators?). -Киев: Логос, 1998. -С.34-37.

5. Курчий Б.А. Мембранные аспекты механизма действия биорегуляторов небелковой природы // Там же. -С.42-69.

6. Jones G.M., Vale J.A. Mechanisms of toxicity, clinical features, and management of diquat poisoning: a review // J.Toxicol. Clin. Toxicol. -2000. -38, N 2. -P.123-128.

7. Leung J., Giraudat J. Abscisic acid signal transduction // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. -1998. -49. -P.199-222.

8. Lowry O.N., Rosebrough N.J., Fаrr A.J., Rondall A.J.

9. 7 Полевой В.В Фитогормоны. Л.: Изд-во ЛГУ, 1982. 249с.

10. Полевой В.В. Физиология растений: Учеб. для биол.спец.вузов.-М: Высш.шк.,1989.с.38-39

11.Ecker J. R. The Ethylene Signal Transduction Pathway in Plants // Science. 1995. Vol. 268. P. 667-675

12. Bleecker A. B., Schaller G. E. The Mechanism of Ethylene Perception // Plant physiol. 1996. Vol. 111. P.653-660.

Размещено на Allbest.ru