Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Сигнальные системы водного дефицита

10.11.2018

Как клетки растений чувствуют засуху. Механизмы восприятия растениями сигналов водного дефицита достаточно сложны. Сигналы могу быть неодинаковыми для различных процессов, т. е. устьица могут не реагировать на сигналы, на которые реагируют, например, рост клеток растяжением или старение листьев. Кроме того, необходимо идентифицировать точное место образования и восприятия сигнала, а также процесс трансформации сигнала в соответствующий ответ клетки или ткани. В итоге будут активированы или деактивированы гены и произойдут физиологические изменения, приводящие к перепрограммированию развития растений. Ситуация усложняется также тем, что сигнальные системы различных абиотических стрессов перекрываются, в частности посредством образования АФК. При этом специфичность ответа именно на водный стресс сохраняется на уровне первичного восприятия стресса.

Сигнализация может происходить или локально, или на дальнем расстоянии, причем передача сигнала от корней к побегам требует перемещения химических компонентов или физических сигналов по растению в ответ на стресс, индуцированный в корнях. Сигналы могут быть позитивными (что-то добавляется в ксилемный ток) или негативными (что-либо изымается из ксилемного потока). Относительная важность химических и гидравлических сигналов на водный стресс до сих пор не определена, хотя это чрезвычайно актуально. При регуляции открывания устьиц и, соответственно, транспирации, оба типа сигналов, видимо, действуют вместе.

Первый шаг в ответе растения на сигнал водного дефицита на молекулярном уровне — восприятие его специальными рецепторами. Вслед за активацией рецепторы инициируют каскадную систему с целью передачи информации. На дрожжах показано, что первичное восприятие водного дефицита опосредовано трансмембранной гистидинкиназой, выступавшей в качестве своего рода осмосенсора. Установлено также, что водный стресс, приводящий к осмотическому стрессу, запускал у арабидопсиса экспрессию предполагаемого осмосенсора AtHTK1, имеющего домен гистидин-киназы, домен ресивера и два трансмембранных домена. Они могут быть первыми компонентами, «чувствующими» изменения осмотического потенциала внутри клетки и включающими нисходящий сигнальный каскад, приводящий в конечном счете к индуцированной дегидратацией экспрессии генов. Согласуется с этой гипотезой функционирование переносчика K+, клонированного у эвкалипта и имеющего некоторое сродство с AtHK1, в восприятии изменений концентраций растворов во внешней среде. Клонированы также посредники и регуляторы последующих этапов сигнальной цепи, идущих вслед за восприятием осмотических изменений.

Возможно также, что в процессе развития водного стресса изменение физического состояния мембран или белково-липидного взаимодействия в них переключает метаболизм на восприятие клетками изменений осмотического состояния растений. Так, недавно было установлено, что активация осморегулируемого ABC-транспортера OpuA опосредована изменениями свойств мембраны и белково-липидными взаимодействиями. Что особенно важно, изменения физического состояния мембран могут также регулировать активность главных интегральных мембранных белков, таких, как аквапорины, контролирующих объем клеток и их гомеостаз в целом. Экспрессия генов, кодирующих семейство этих белков, находится под контролем водного и осмотического стрессоров. Вместе с тем в опытах с хрустальной травкой показано, что посттранскрипционные и/или посттрансляционные факторы, видимо, играют гораздо большую роль в регуляции водных каналов в мембране, чем экспрессия генов.

Сигнальные процессы и опосредованные клеткой реакции. Вслед за начальным восприятием осмотических изменений в ходе развития стресса в результате стимуляции осмосенсора вступает в действие каскад передачи сигналов, включающий фосфорилирование/дефосфорилирование белков. Эти процессы опосредованы несколькими протеинкиназами и фосфатазами, гены которых активируются водным стрессом. Изменение концентрации Ca2+ в цитоплазме также участвует в интеграции различных сигнальных систем. Одними из самых распространенных регуляторных протеинкиназ, участвующих в передаче сигналов абиотических стрессов, являются Са2+-зависимые протеинкиназы (CDPK) и митогенактивируемые протеинкиназы (МАРК). Несколько CDPK и МАРК идентифицированы у растений в условиях водного стресса, также обнаружено их участие в передаче сигналов дегидратации, воспринятых на плазматической мембране.

После первых событий по распознаванию стресса опосредованные засухой реакции на клеточном и органном уровне могут осуществляться в разных направлениях, которые зависят от того, принимает ли в них участие АБК или нет. В первом случае накопление АБК активирует различные связанные со стрессом гены, часть из которых была признана стрессадаптивными. Продукты этих генов могут быть как функциональными (аквапорины и ферменты биосинтеза осмопротекторов), так и регуляторными (протеинкиназы). Что касается АБК-независимого пути, то он быстро индуцируется при стрессе, однако остается много неясного в механизмах его реализации. Хотя и считается, что АБК-зависимые и АБК-независимые пути функционируют раздельно и независимо друг от друга, тем не менее не исключено, что между ними существуют некоторые точки пересечения.

АБК-зависимые реакции. Ключевое регуляторное звено в биосинтезе АБК как в корнях, так и в листьях, вероятно, катализируется 9-цис-эпоксикаратиноиддезоксигеназой (NCED), ферментом, превращающим предшественник эпоксикаротиноид в ксантоксин в пластидах. Ксантоксин затем превращается в АБК с помощью двух цитозольных ферментов. Ген NCED клонирован в кукурузе, томатах, фасоли, кормовых бобах и имеет промотор, индуцируемый засухой как в корнях, так и в листьях. По имеющимся в настоящее время данным, регуляция на генном уровне не зависит от концентрации АБК (рис. 6.7).

АБК может индуцировать с помощью своих рецепторов сигнальные каскады как изнутри, так и снаружи клетки. Несколько генов, активность которых при стрессе возрастает, содержат в своих промоторных зонах элементы ответа на АБК (ABRE). Семейство факторов транскрипции (BZIP) клонировано у арабидопсиса, их транскрипция усиливается при водном и солевом стрессе. В основе этого механизма, вероятно, лежит повышение осмотического потенциала в результате действия указанных стрессоров. Если говорить о роли АБК в закрывании устьиц в ответ на снижение влажности почвы, то уменьшение устьичной аппертуры может происходить даже в отсутствие водного дефицита листьев и не требует синтеза АБК в корнях. Воздействия АБК на закрывание устьиц при водном стрессе могут быть опосредованы химическими сигналами (но не АБК), возникающими в корнях. Они, в свою очередь, приводят к изменению концентрации АБК в апопласте, что вызывает затем закрывание устьиц. При этом повышается активность фосфолипазы D и происходит гиперполяризация кальциевых каналов в мембране и калиевых каналов в тонопласте замыкающих клеток устьиц.

Корни играют ведущую роль в восприятии сигнала начала наступления водного стресса (рис. 6.8).

Продолжающийся при умеренном водном дефиците рост корней (в отличие от подавления роста побегов в начальные фазы стресса) является результатом быстрой осмотической адаптации, позволяющей частично восстановить тургор и поддерживать клеточные стенки в достаточно рыхлом состоянии. Уникальная способность корней поддерживать рост при умеренном водном стрессе сопровождается небольшим накоплением АБК. Вместе с тем в аналогичных условиях мутанты кукурузы, дефицитные по АБК, сохраняли, напротив, более высокую скорость роста побегов, чем корней в сравнении с дикими формами. Опыты на первичных корнях кукурузы указывают на то, что накопление эндогенной АБК при засухе ограничивает синтез этилена, предотвращая таким образом индуцируемое им ингибирование роста. Однако поддержание апикального роста корней кукурузы при низком водном потенциале коррелировало с увеличением транскриптов экспанзина и его активности независимо от концентрации АБК. Эти результаты указывают на то, что кроме опосредованного АБК механизма поддержания роста корней существует также АБК-независимый механизм.

Рост листьев, в отличие от корней, сильно ингибируется при водном стрессе. Растяжение клеток листа при стрессе регулируется изменениями pH, и ингибирование роста обусловлено быстрым снижением растяжимости стенок растущих клеток листа. Эти изменения связаны с ингибированием подкисления клеточных стенок, что, возможно, обусловлено инактивацией H+/АТФазы плазматических мембран при водном стрессе. Видимо, пероксидазы клеточных стенок тоже участвуют в ограничении роста листа растяжением.

Локальная экспрессия экспанзинов запускает весь процесс развития листа и изменяет его форму. Вместе с тем, в отличие от корней, неясно, как водный стресс влияет на накопление экспанзинов в листовой меристеме. Увеличение pH ксилемного сока может выступать в качестве сигнала наступления засухи для снижения роста листа растяжением с помощью АБК-зависимого механизма, что, в частности, было обнаружено на мутантах ячменя и томатов, дефицитных по АБК. Данные этих опытов показывают также, что для поддержания роста листа растяжением требуется эндогенная АБК.

АБК-независимые реакции. При дегидратации клеток у дефицитных по АБК и нечувствительных к АБК мутантов индуцируется несколько генов, т. е. им не требуется АБК для экспрессии. АБК-независимые гены обладают элементом ответа на дегидратацию (DRE) в своих промоторах. У арабидопсиса клонированы и охарактеризованы две группы факторов транскрипции, присоединяющихся к DRE. Гены dreb1 и dreb2 кодируют различные по структуре белки, которые присоединяются к DRE, но индуцируются разными абиотическими стрессорами. Первый ген индуцируется пониженной температурой и водным дефицитом, а второй — водным и осмотическим стрессом. Низкие температуры и водный дефицит индуцируют транскрипцию dreb1, в то время как транскрипция dreb2 индуцируется засухой и осмотическим стрессом. Клонированы две изоформы, обнаружившие тканевую специфичность, причем dreb2A экспрессируется только в корнях в ответ на засоление, a dreb2B в побегах и корнях при засухе. Промоторный элемент DRE, видимо, действует как точка пересечения, где сходятся различные сигнальные пути, запускаемые абиотическим стрессором с целью интеграции информации и реакции растений на множественные стрессоры. Разделение зоны влияния АБК-зависимых и АБК-независимых путей может также происходить в процессе восприятия первого стресса.

Осмотическая регуляция. Реакции на водный дефицит на клеточном уровне включают потерю тургора, изменения в текучести и составе плазматической мембраны, изменения в активности воды и/или концентрации растворов, а также взаимодействия типа белок-белок и белок-липиды. Осмотическая адаптация представляет собой один из важнейших процессов в приспособлении растений к засухе, поскольку она поддерживает метаболическую активность тканей и обеспечивает возобновление роста после улучшения водного режима. Вместе с тем в литературе мало данных о позитивном влиянии осморегуляции на урожайность полевых культур. Это, видимо, обусловлено тем, что поддержание тургора клеток связано со снижением скорости роста растений. Тем не менее, осморегуляция очень важна для корней, поскольку сохраняет достаточно активный рост в условиях постепенного снижения влажности почвы. Осморегуляция обычно достаточно медленный процесс (по крайней мере в побегах) и запускается при некотором пороговом значении дефицита влаги в клетке.

Особый интерес исследователей к проблеме осморегуляции проявился после идентификации гена осморегуляции — or (от англ. osmo-regulation), тесно связанного с урожайностью, особенно в условиях засухи. Рецессивный or-ген, связанный с накоплением K+, широко используется в программах по селекции пшеницы в Австралии, причем влияние данного гена на урожайность обнаружено только в условиях жесткого дефицита влаги. Отрицательным признаком, привносимым оr-геном является то, что он связан с геном пероксидазы в эндосперме семени. Это заметно снижает силу муки и делает малоперспективным его использование в селекции на качество урожая.

Синтезируемые осмотические компоненты включают белки и аминокислоты (пролин, аспарагиновую и глутаминовую кислоты), метилированные аммонийные соединения (глицин-бетаин и аланин-бетаин), гидрофильные белки (белки позднего эмбриогенеза — LEA), углеводы (фруктаны и сахароза), циклитолы (D-пинитол, маннитол) (рис. 6.9).

Указанные растворы стабилизируют клеточные мембраны и метаболизм при дегидратации путем взаимодействия скорее с молекулами воды, нежели с молекулами белка. При этом механизмы осмопротекции, видимо, запускаются только после наступления сильного стресса и важны прежде всего для выживания растений, а не сохранения высокой урожайности.

Пролин, как одна из самых изученных аминокислот стресса, синтезируется в цитозоле и митохондриях из глутамина. Гены, кодирующие ключевые ферменты биосинтеза пролина, клонированы. Их экспрессия возрастает при водном и осмотическом стрессе и включает как АБК-зависимые, так и АБК-независимые сигнальные каскады. Накопление пролина сопровождается предотвращением денатурации белка, сохранением структуры и активности ферментов, а также защитой мембран от повреждения АФК при дефиците влаги и высокой солнечной активности. Эти функции пролина могут быть даже более значимы для растения, чем его роль при осморегуляции. Катаболизм пролина при засухе ингибируется (рис. 6.10).

Глицин-бетаин в физиологических условиях не имеет заряда и способен стабилизировать структуру и активность многих молекул. Защитная роль глицин-бетаина является результатом или непосредственного взаимодействия с макромолекулами или образования гидратной оболочки вокруг комплексов макромолекул, что создает благоприятный термодинамический статус для предотвращения раскручивания и денатурации белковых молекул. Глицин-бетаин стабилизирует структуру РБФК при сильном засолении как in vitro, так и in vivo, стимулирует репарацию ФС II при фотоингибировании и защищает мембраны от ПОЛ. Интересно, что некоторые виды растений, в частности шпинат и ячмень, накапливают значительное количество глицин-бетаина при действии абиотических факторов, включая засуху, а другие виды (табак, арабидопсис) не синтезируют его. Множество попыток создать трансгенные формы со сверхэкспрессией ферментов синтеза глицин-бетаина с целью повышения засухоустойчивости оказались пока не совсем успешными.

В вегетативных органах в ответ на засуху накапливается несколько гидрофильных глобулярных белков. При нормальном развитии растений они синтезируются в период позднего эмбриогенеза, когда происходит естественное обезвоживание семян, и поэтому названы белками позднего эмбриогенеза (LEA). Функции этих белков разнообразны. Они участвуют не только в созревании и обезвоживании семян, но и в стабилизации структуры мембран и ферментных комплексов. Концентрация мРНК дегидринов (класс белков позднего эмбриогенеза) возрастает при прогрессирующей засухе у подсолнечника и пшеницы. У растений подсолнечника транскрипция двух генов дегидрина (HaDhn1 и HaDhn2) в состоянии сильного водного дефицита обнаруживает дневную флуктуацию с максимальным содержанием мРНК в полдень. Дегидрины содержат высококонсервативный богатый лизином домен, который, как предполагается, участвует в гидрофобных взаимодействиях, ведущих к стабилизации белков и комплексов макромолекул. Хотя и ясно, что дегидрины вовлечены в формирование реакции растений на целый ряд абиотических стрессов, в том числе низкотемпературного и солевого, механизмы усиления синтеза дегидринов, а также их функции in vivo до сих пор неясны.

Углеводы у растений выполняют разнообразные функции (от запасания энергии до сигнальной), с их помощью реализуется несколько стратегий адаптации. Понимание механизмов передачи «углеводных» сигналов и регуляции экспрессии генов с помощью сахаров все еще ограничено. Вместе с тем ясно, что сахара содействуют экспрессии генов, связанных с биосинтезом и хранением запасных веществ, включая крахмал, и репрессируют гены, влияющие на фотосинтез и мобилизацию резервов.

Гексокиназа участвует в механизме, с помощью которого растения «чувствуют» углеводный статус, перераспределяя ресурсы в соответствии с ним. При этом установлена скоординированная регуляция экспрессии генов в ответ на сигналы экологических стрессоров и истощение углеводов в тканях. Это указывает на то, что оба типа сигналов воспринимаются одним и тем же рецептором и что пути передачи сигналов пересекаются. В качестве примеров подобного согласованного ответа можно назвать индукцию гидролитических ферментов, например а-амилаз и инвертаз, и связанную с ней экспрессию стресс-белков при засухе. Благодаря этому содержание сахаров в листьях растений при стрессе, несмотря на низкую ИФ, сохраняется на достаточно высоком уровне за счет деградации крахмала. Подобный тип реакции содействует осморегуляции, повышает устойчивость к обезвоживанию и обеспечивает быстрое восстановление метаболической активности у молодых листьев. Индуцированные сахаром метаболические пути взаимодействуют с другими путями передачи сигналов, включая те из них, в которых участвуют этилен, АБК и другие гормоны.

В листьях некоторых видов растений в ответ на водный стресс накапливаются полиолы (восстановленные формы альдо- и кетосахаров) и циклитолы. Маннитол и сорбитол — наиболее часто встречающиеся в растениях полиолы. В цитоплазме маннитол синтезируется из фруктозо-6-фосфата, а сорбитол — из глюкозо-6-фосфата. Накопление указанных полиолов при засухе может составить у некоторых видов до 80% от общего накопления осморегуляторов. Маннитол функционирует как осмопротектор и защищает некоторые ферменты, в частности фосфорибокиназу (ФРК), от инактивации гидроксильными радикалами, которые присутствуют при окислительных стрессах, имеющих место в процессе действия на растения водного дефицита. Кроме того, маннитол, накапливающийся в вакуолях, выступает как осмотик. Так, у сельдерея в вакуолях содержится до 80% маннитола клетки. Накопление маннитола при осмотическом стрессе (солевом и/или водном), видимо, обусловлено снижением его катаболизма в зеленых тканях. Ключевым ферментом катаболизма маннитола является НАД-зависимая маннитолдегидрогеназа, активность которой в листьях сельдерея при засолении снижается из-за снижения количества белка и его транскриптов. Было предпринято несколько попыток повысить устойчивость к стрессорам путем повышения содержания полиолов у трансгенных растений. Однако это не прояснило их роль в качестве осмопротекторов у растений. В некоторых случаях избыточное накопление полиолов у трансгенных растений оказывало даже отрицательное влияние на рост и продуктивность.

Прочие механизмы. Считается, что мембраны тоже реагируют на осмотический сигнал при холодовом и водном стрессе путем изменения своей текучести. Эти изменения приводят к реорганизации цитоскелета и оказывают влияние на ионные и водные каналы. В этом механизме участвуют фосфолипазы С и D, а также фосфатидил-4,5-фосфат-5-киназа (PIP5). Клонированы два гена фосфолипазы D (CpPLDI и 2), вовлеченные в ранний ответ на дегидратацию. Интересно, что CpPLD1 экспрессировался конститутивно, a CpPLD2 — только специфично в ответ на засуху и АБК. При этом продукт деятельности фосфолипазы C и D - фосфатидиловая кислота выступает в качестве вторичного мессенджера стресса, опосредованного действием АБК. Однако процессы, включающие изменения в метаболизме липидов в ответ на водный стресс, остаются преимущественно неизученными.

Пересматривается также роль этилена при водном стрессе. Последние исследования свидетельствуют, что влияние АБК на рост опосредовано влиянием этилена на органы растений. Клонированы факторы ответа на этилен (ERF) у арабидопсиса и табака, участвующие в индуцированных этиленом сигнальных каскадах. Недавно у арабидопсиса клонирован набор активаторов и репрессоров транскрипции (AtERF-5), присоединяющихся к ERF для модуляции экспрессии генов. Последующие анализы показали, что AtERF-4 индуцировался стрессорами (засуха, засоление, холод), вызывающими дегидратацию, а ген AtERF-З лишь умеренно индуцировался при засухе и засолении, видимо, независимо от АБК и этилена. При этом исключительно важно, что AtERF-З и AtERF-4 могут выступать в листьях арабидопсиса как рецепторы транскрипции, в то время как AtERF-1,2 и 5, чья транскрипция индуцирована этиленом, могут активировать целый набор генов ответа на стресс. Видимо, экспрессия генов семейства AtERF в ответ на абиотические факторы контролируется как этилензависимыми, так и независимыми сигнальными системами. Следует также иметь в виду, что этилен и/или предшественники этилена могут транспортироваться из корней в побеги. При этом предшественник этилена — аминоциклопропанкарбоновая кислота (АЦК) выступает как стресс-сигнал, идущий от корней к побегам. Процессы восприятия стресса и последующей сигнализации, описанные выше, обобщены на рисунке 6.8.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: