Введение в фитогормоны. Ауксины

Автор Чергинцев Д. А.

Растения представлены самыми разнообразными по внешнему виду, форме и размерам организмами. Это могут быть как миниатюрные особи, вроде мохообразных, так и гиганты размером в 110 метров. Для координированного управления таким гигантским телом необходим постоянный обмен сигналами между различными его частями.

Действительно, как «понять» корню стометрового растения, что где-то наверху развилось большое количество листвы, увеличилась площадь транспирации, и поэтому ему необходимо активно расти, чтобы снабжать организм водными растворами? Каким образом, будучи неподвижным, почувствовать вредителей и избавиться от них?

Для этих и многих других случаев у растений, как и у животных, есть специализированные системы передачи информации: электрическая, действующая локально путем изменения мембранных потенциалов клеток; трофическая, обусловленная потоками различных синтезированных внутри растения (эндогенных) веществ; и самая важная – гормональная, где ключевую роль играют сигнальные молекулы, которые называются фитогормонами. Фитогормоны (дословно с греческого – растительные возбудители) являются низкомолекулярными регуляторными эндогенными веществами, которые способны транспортироваться по растительному организму и вызывать различные тканеспецифичные ответы, но не участвующие во всевозможных метаболических путях непосредственно. Важным свойством всех гормонов является способность действовать в очень небольших концентрациях (примерно 1*10^-5 моль/л и меньше).

Действие фитогормонов заключается в изменении программы развития, что выражается комплексным изменением активности клеток и тканей: рост, растяжение, синтез пептидов и всевозможных метаболитов. Любая растительная клетка способна к синтезу всего разнообразия гормонов. Как и гормоны животных, растительные гормоны очень тесно взаимодействуют между собой. Небольшое изменение баланса в гормональной системе серьезно сказывается на различных уровнях организации тела растения.

Гормоны являются первичными мессенджерами в сигнальных путях. Они связываются с рецепторами на клеточной мембране или внутри клетки, и дальше по каскаду вторичных мессенджеров информация передается до конкретной эффекторной системы.

В 1859 году Чарльз Дарвин написал свой известнейший труд «Происхождение видов», давший начало не просто новому этапу развития биологии, но и изменивший мировоззрение миллионов людей. Но не так много людей знает о других работах этого замечательного британского естествоиспытателя. Среди его исследований многие посвящены исследованию физиологии растений. Именно Дарвин в 1857 году в книге «Насекомоядные растения» высказал мнение о том, что растения не только растут и живут, но также обладают чувствами и движениями. Сын Чарльза Дарвина, Фрэнсис Дарвин, вместе с отцом ставил на растениях опыты, которые мы бы сейчас назвали физиологическими.

 Очевидно, что светочувствительность и способность расти по направлению к свету (положительный фототропизм) является очень важной особенностью растений. Опыты по поиску светочувствительной части растений и были поставлены Чарльзом и Фрэнсисом Дарвинами (рис.1)

Деление клеток у растений происходит в особых тканях, называемых меристемами, одной из таких меристем побегов является апикальная (верхушечная) меристема. В некоторой области (субапикальной) под меристемой новообразованные клетки удлиняются и наблюдается рост побега. Было обнаружено, что если освещать проростки с одной стороны, то растения будут поворачиваться к источнику света, при этом изгиб будет формироваться как раз в зоне под меристемой.

В ходе самого опыта проростки канареечной травы освещали с одного бока и в результате наблюдали изгиб верхушки. Изгиб наблюдался и в случае, когда субапикальная зона была закрыта плотным материалом. А вот если закрыть макушки проростков, изгиба наблюдаться не будет. На основе данных эксперимента можно сделать вывод о том, что за световосприятие у растений ответственна меристема, и она, передавая какие-то сигналы нижележащей области, заставляет клетки в ней неравномерно удлиняться, что и обуславливает изгиб.

То, что этот сигнал является химическим веществом, было выявлено в опыте Ф.Вента. Похожие опыты независимо ставили Тиманн и Холодный.

В ходе этого эксперимента у растений отрезали меристему и переносили ее на агар. Из меристемы в агар выделялись разнообразные вещества, в том числе и интересующее исследователя. Затем эти агаровые блоки переносились на побеги с удаленной меристемой. И в том случае, когда использовали агаровый блок с веществами из меристемы, проростки начинали расти. Если же поместить блок только на край побега, то наблюдается изгиб, причем в сторону, противоположную блоку.

Вызывающее данный эффект химическое вещество, названное ауксином (от латинского слова расти), было выделено Ф.Кёглем из мочи вегетарианцев. Ауксины - это группа разнообразных химических веществ, основное из которых – гетероауксин или β-индолилуксусная кислота (ИУК), синтезируются в основном в апикальной меристеме побега и в растущих листьях, являются гормонами роста в небольших концентрациях, а также ингибиторами роста - в высоких. Последний эффект позволяет использовать синтетические аналоги ауксинов в качестве гербицидов. Применяемыми синтетическими аналогами часто являются 2,4-дифеноксиуксусная кислота, 1-натилуксусная кислота, индолмаслянная кислота. Эти вещества в растении могут превращаться в ИУК.

Есть несколько путей синтеза ИУК из триптофана (рис.4). В основном пути L-Trp под действием трансаминазы превращается в индол-2-пируват, который после декрабоксилирования и окисления превращается в ИУК. Интересно, что часть ИУК в растениях может иметь бактериальное происхождение. Такое наблюдается в случае заражения бактериями корончатого галла (Agrobacterium tumefaciens). В ходе заражения происходит трансформация растительных клеток плазмидой, несущей гены, отвечающие за неконтролируемый растениями синтез ИУК.

Инактивация и депонирование избытка гормона происходит путем взаимодействия со специфическими сахарами и белками. Распад идет путем окисления в присутствии молекулярного кислорода.

Ауксины по растению могут в незначительной степени транспортироваться по флоэме, основной же транспорт идет от клетки к клетке, что определяется наличием специальных трансмембранных переносчиков. Протонированная форма активно закачивается в клетку белком AUX1, депротонированная АУК выкачивается из клетки белком PIN. При этом AUX и PIN расположены на разных полюсах клетки, что обеспечивает полярный транспорт гормона. Это особенно важно при развитии и закладке разных частей растения. В присутствии ингибиторов полярного транспорта ауксина наблюдаются аномальные разрастания частей растения и изменение общего габитуса.

Ауксины имеют широкий спектр действия на растения, проявляющийся во множестве физиологических эффектов. Перечислим некоторые из них.

1. Аттрагирующий эффект. Места синтеза и накопления ауксинов привлекают потоки питательных веществ, необходимых для деления и роста клеток.
2. Растяжение клеток. Клеточная стенка растений содержит сшивочные гликаны (устаревшее: гемицеллюлоза). Эти полисахаридные молекулы сшивают между собой фибриллы целлюлозы, создавая таким образом жесткий каркас по типу матраса. Внутри клеток тонопласт создает тургорное давление, которое сдерживается жесткой структурой клеточной стенки. Во внеклеточном пространстве содержатся ферменты (экспансины, ксилоглюканэндотрансликозилазы) которые при закислении внеклеточной среды расщепляют связи между сшивочными гликанами, и фибриллы целлюлозы под действием давления расходятся.

Этот процесс вызывается ауксином. У растительной клетки обнаружено два рецептора связывания ИУК. Ранее считалось, что ключевым рецептором в данном случае может быть Auxin Binding Protein1 (ABP1), который располагается в клеточной мембране и мембране ЭПР. В последнее время было обнаружено, что ABP1 располагается в апопласте, и появились данные, оспаривающие необходимую роль ABP1 в процессах развития взрослого растения. Второй рецептор (а точнее - рецепторная система) внутриядерный. Это многокомпонентная систама, работающая по принципу ингибирования ингибирования - при связывании ауксина с белками-корецепторами  (TIR1/AFB-Aux/IAA) происходит убиквитинилирование ингибитора генов ответа на ауксины (Aux/IAA) и его деградация в протеасоме. При этом активируется транскрипция генов ответа на ИУК. В частности, активируется транскрипция гена протонной помпы, которая встраивается в мембрану ЭПР и затем транспортируется в везикуле (как ранее полагали - усиленно за счет ABP1) к плазмалемме и встраивается в нее. Протонная помпа за счет гидролиза АТФ перекачивает протоны, закисляет апопласт, что приводит к активации в апопласте специальных белков (экспансины,  ксилоглюканэндотрансгликозилазы), которые нарушают прочность и жесткость клеточной стенки, позволяя ей растянутся под воздействием внутриклеточного давления.

С растяжением тесно связаны всевозможные тропизмы растений, кроме гравитропизма, который происходит иначе (рис.6). В корневом чехлике присутствуют статолиты, представленные амилопластами с крахмальными гранулами. С их помощью растение «узнает» о направлении вектора силы тяжести. В соответствии с этим вектором в клетках кончика корня выстраиваются органеллы, а также белки трансмембранного переноса ауксина. Ауксин транспортируется по васкулатуре к кончику корня, где происходит смена направления его транспорта на 180° с помощью различных белков семейства PIN, и транспорт происходит в направлении от корневого чехлика по кортексу. Если корень расположен ортотропно, ауксины распределяются равномерно по всему цилиндру кортекса, и удлинение его клеток в зоне растяжения происходит равномерно. Если корень расположен более-менее горизонтально, то происходит переориентация потока ауксинов преимущественно на нижележащую сторону, где гормон угнетает растяжение, тем самым вызывая изгиб корня по вектору силы тяжести.

Ауксин влияет на дифференцировку клеток в растениях. Потоками ауксина размечаются места закладки прокамбия, т.е. проводящих пучков. Пучок формируется там, где поток ауксинов разворачивается внутрь меристемы.

 Он также отвечает за закладку и развитие ксилемы. Под действием ауксинов происходит вторичное утолщение, пролиферация камбия.Ауксин влияет на дифференцировку клеток в растениях. Потоками ауксина размечаются места закладки прокамбия, т.е. проводящих пучков. Пучок формируется там, где поток ауксинов разворачивается внутрь меристемы.

4. Ауксины отвечают за эффект апикального доминирования, заключающийся в том, что с потоками гормона боковые почки получают сигнал о благополучии апикальной и не растут. Чем дальше от верхушки, тем слабее сигнал, поэтому почки начинают расти, и наблюдается базитонное ветвление (рис.7Б). При удалении апекса побега (снятии эффекта апикального доминирования) первыми трогаются в рост почки, находящиеся выше всего, т.е. первые, до которых перестал доходить сигнал, это акротонное ветвление (А).

Эффект апикального доминирования также снимается при цветении. Этим можно объяснить существование соцветий типа дихазий.

       5. Будучи ответственны за закладку проводящих пучков в меристеме, ауксины также определяют листорасположение. Согласно одной из гипотез, для закладки проводящего пучка необходимо определенное количество гормона, поступающего из клеток меристемы. Таким образом, существует некая фиксированная площадь, под которой потом будут закладываться проводящие ткани. Ближе, чем позволяют границы этой площади, соседний проводящий пучок не сможет возникнуть. А, поскольку каждый проводящий пучок принадлежит определенному листу, расположение примордиев (зачатков) листа будет соответствовать расположению этой площади. В зависимости от индивидуальных характеристик растения, от размеров его меристемы (количества этих площадей в одном круге) будет зависеть филлотаксис.

       6. Увеличение листовой массы растения вызывает увеличение площади транспирации, что должно сопровождаться более интенсивным поглощением почвенных растворов. Соответственно, ауксины стимулируют ризогенез, заключающийся в закладке боковых и придаточных корней. На этом основано действие сельскохозяйственных препаратов типа Корневина.

7. Ауксины могут стимулировать развитие плодов без опыления (явление партенокарпии), что используется при получении бессемянных плодов.