Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Стратегии адаптации растений к анаэробному стрессу

10.11.2018

В литературе наиболее активно обсуждаются две главные «стратегии» адаптации растений к анаэробному стрессу:

• избегание анаэробиоза путем дальнего транспорта кислорода, т. е. кажущаяся толерантность;

• метаболическая адаптация, т. е. истинная толерантность, которая осуществляется благодаря основательной перестройке, главным образом, белкового, углеводного и энергетического обмена (рис. 7.3).

Избегание анаэробиоза путем дальнего транспорта O2. Наиболее распространенным и эффективным способом избегания анаэробиоза в условиях затопления является формирование сквозных воздушных полостей, аэренхимы в корнях, стеблях и листьях, способствующих путем диффузии или массового потока легкому транспорту O2 из аэрируемых надземных органов в органы, локализованные в анаэробной среде (вплоть до кончиков корней). Поэтому сначала рассмотрим механизм образования аэренхимы, а затем особенности дальнего транспорта O2 у растений, обладающих и необладающих аэренхимой.

Формирование аэренхимы (рис. 7.4). В надземных и подземных органах у гидрофитов, обитающих на затопленных почвах, и мезофитов, растущих на сухих почвах (кукуруза, пшеница, подсолнечник, клевер), формирование аэренхимы способствует более экономной трате O2 и его транспорту из аэрируемых надземных частей растений в корни и корневища. Снабжение кислородом прикорневой зоны происходит в результате диффузии O2 из корней в ризосферу. Кислород участвует в детоксикации восстановленного железа, марганца, сероводорода, которые накапливаются в анаэробной среде почвы, а также в нитрификации и фиксации азота. Наличие аэренхимы способствует удалению с восходящим током ряда летучих продуктов (C2H4, CO2, CH4), которые также накапливаются в затопленных переувлажненных почвах. Так, ежегодно рисовыми полями в атмосферу выделяется примерно 25—60 млн тонн метана, внося заметный вклад в глобальное потепление климата.

Формирование аэренхимы у растений происходит не только конститутивно, но и индуцируется низким содержанием O2 в результате переувлажнения или затопления путем шизо- либо лизогении. В случае шизогении газовые пространства образуются в результате регулируемого деления и растяжения клеток. Такой способ, более свойственный растениям, обитающим на затопленных переувлажненных почвах, осуществляется преимущественно конститутивно. При лизогении формирование аэренхимы осуществляется в результате апоптоза части клеток в коровой части. Гибели этих клеток предшествует, в частности, накопление этилена в корнеобитаемой зоне и в корнях, приводящее к экспрессии генов, с участием которых и происходит распад и гибель клеток (рис. 7.5). Именно этилен, концентрация которого заметно повышается при затоплении почвы и дефиците кислорода, является сигнальной молекулой — триггером последующих событий, приводящих к образованию аэренхимы.

Снижение содержания O2 в ризосфере сказывается прежде всего на его содержании в стеле корня, где анаэробные условия наступают раньше, чем в коре корня. В условиях гипоксии/аноксии в стеле корня индуцируется активность фермента, участвующего в синтезе предшественника этилена — 1-аминоциклопропан-1-карбоновой кислоты (АЦК). В присутствии незначительных количеств в коре корней молекулярного кислорода (3—12,5%), который необходим для превращения АЦК в этилен и активации АЦК-оксидазы, происходит превращение АЦК в этилен, который провоцирует каскад реакций, приводящих к формированию аэренхимы.

На ранних этапах этого процесса принимают участие ионы кальция, запускающие реакции активации киназ и фосфатаз. Благодаря этому индуцируется экспрессия генов, ответственных за синтез этилена и последующие реакции, приводящие в итоге к гибели клеток, в частности, деградации клеточных стенок с участием целлюлазы, пектиназы, ксиланазы и ряда других ферментов.

Транспорт кислорода и вентиляция растений. Транспорт кислорода из надземных аэрируемых органов в анаэробно инкубированные корни у сухопутных растений, таких, например, как тыква и хлопчатник, который составляет лишь незначительную долю (4—7%) от нормальной потребности корней в кислороде, возрастает у корней хлопчатника до 27% при снижении температуры до 10°C.

Вместе с тем даже незначительный транспорт O2 играет определенную протекторную роль в жизнедеятельности корней. Так, у отделенных от растения корней деградация ультраструктуры митохондрий наблюдалась через 6—10 ч анаэробной инкубации, тогда как корни интактных растений того же вида переносили анаэробную обработку в течение значительно более длительного периода. Кроме того, корни целых растений, помимо кислорода, получают из надземных частей ассимиляты. He исключено, что отмеченная выше ранняя деградация ультраструктуры клеток у отделенных корней в условиях анаэробиоза может быть в какой-то степени обусловлена субстратным голоданием. Действительно, подкормка экзогенной глюкозой существенно повышала толерантность клеток отделенных корней даже в условиях строгой аноксии и способствовала заметному притоку 14С-сахарозы из листьев.

У растений, обитающих на затопленных почвах (в отличие от упомянутых мезофитов), транспортируемый кислород выделяется из корней в корнеобитаемую среду, если их надземные части находятся на воздухе. Корни толерантных растений (риса, сои), обитающих на затопленных почвах, действительно были более чувствительны к дефициту кислорода по сравнению с корнями нетолерантных к затоплению растений (гороха и тыквы).

Подкормка в условиях аноксии корней некоторых гидрофитов экзогенной глюкозой не приводила к усилению их адаптационных свойств, как это имело место у корней мезофита тыквы, обитающего на сухих аэробных почвах. В отличие от корней растений, обитающих на сухих аэробных почвах, в корнях гидрофитов в условиях дефицита кислорода не происходило повышения ни активности алкогольдегидрогеназы (АДГ), ни скорости этанольного брожения. Следовательно, корни этих растений, будучи достаточно обеспечены кислородом, транспортируемым из надземных органов, в ходе эволюции не выработали защитные биохимические механизмы адаптации к дефициту кислорода. Таким образом, они биохимически менее или вовсе не адаптированы к аноксии по сравнению с корнями растений, которые возделываются на сухих аэрируемых почвах.

Ситуация с аэрацией корней существенно осложняется, когда надземные органы оказываются полностью погруженными в воду, как это имеет место у проростков риса в Юго-Восточной Азии. При этом резко снижается поступление O2 как в надземные органы, так и, в особенности, в корневую систему, а также затрудняется и образование кислорода в процессе фотосинтеза из-за меньшей доступности CO2 атмосферы и ухудшения освещенности растений. В результате тормозится новообразование фотоассимилятов при фотосинтезе и ухудшается обеспечение корней кислородом и ассимилятами. Особенно это характерно для ночных часов, когда корневая система даже у риса и водных растений испытывает дефицит кислорода, переходя на этанольное брожение. Это приводит к приостановке роста корней.

При частичном затоплении, как это имеет место у риса, O2 для аэрации корней поступает из контактирующих с атмосферой листьев как через аэренхиму, так и по внешней поверхности растения. Этим объясняется необычно высокая скорость роста (до 20—30 см/сут) глубоководного риса в период муссонов, в связи с чем часть листьев постоянно контактирует с внешней атмосферой.

Определение топографии распределения кислорода по корню в продольном и поперечном направлении с помощью платиновых кислородных микроэлектродов показало, что наиболее аэрируемой частью корней, по которой происходит транспорт кислорода, является кора, а наименее аэрируемой — стель корня. Поэтому при снижении содержания кислорода во внешней среде стель раньше всех других тканей корня становится анаэробной, провоцируя тем самым активацию синтазы АЦК — предшественника этилена и последующий синтез в коре этилена с участием АЦК-оксидазы. У корней без аэренхимы снижение уровня кислорода происходит также и вдоль корня, причем далее 10 см от кончиков корней кислород практически не обнаруживается. Отсюда ясно, почему неаэренхиматозные корни проникают в анаэробную почву максимум на глубину 10 см и погибают от дефицита кислорода. В корнях же кукурузы, обладающих аэренхимой, топография распределения кислорода существенно отличалась как в продольном, так и в поперечном направлении. Такие корни, находясь в анаэробной среде, были значительно лучше обеспечены поступающим из надземных органов кислородом.

Таким образом, у гидрофитов (в отличие от мезофитов) важнейшей «стратегией» адаптации является избегание анаэробиоза корней путем дальнего транспорта кислорода, а не метаболическая адаптация.

Метаболическая адаптация к гипоксии и аноксии. «Стратегия» метаболической адаптации к условиям гипоксии и даже строгой аноксии реализуется благодаря коренной перестройке белкового, углеводного и энергетического обмена.

Аминокислоты при анаэробиозе. Из-за недостатка энергии при аноксии снижается скорость синтеза белка, и потребность в аминокислотах уменьшается. Это главная причина увеличения концентрации свободных аминокислот наряду с их накоплением, индуцированным стрессом.

Распад 1 мг белка приводит к накоплению 16—18 мкмоль свободных аминокислот. Передвижение из эндосперма является основным фактором накопления аминокислот в колеоптилях риса, причем накопление аминокислот соответствовало снижению в них концентрации сахаров. Однако это происходит не всегда. В корнях риса, которые способны выжить несколько дней при полном анаэробиозе, после двух дней аноксии накопление аминокислот составляло лишь 1/3 от количества израсходованных сахаров. У кукурузы же за 24 ч стресса (период, после которого корни полностью погибали) не происходило существенного накопления аминокислот. Таким образом, способность накапливать свободные аминокислоты в условиях анаэробиоза, очевидно, коррелирует с выживаемостью растительных тканей.

Помимо количественных изменений при недостатке кислорода меняется соотношение свободных аминокислот. Уровень некоторых аминокислот (глутамата, аспартата и их амидов) падает, а аланина, у-аминомасляной кислоты (ГАМК) и диамина путресцина (Пут) увеличивается. Три последних соединения синтезируются впрямую или опосредованно из глутамата (рис 7.6).

Глутамат занимает центральное положение в анаэробном обмене аминокислот и должен постоянно синтезироваться, чтобы обеспечить непрерывное накопление аланина, ГАМ К и Пут при анаэробном стрессе. Уже после нескольких часов анаэробиоза аланин и ГАМК составляют до 50% всего фонда свободных аминокислот. При аноксии источником глутамата служат различные процессы: 1) протеолиз; 2) реакции переаминирования с другими аминокислотами; 3) повторная ассимиляция аммония в цикле глутаминсинтетаза/глутаматсинтаза (ГС/ГОГАТ); 4) восстановление нитратов.

Синтез аланина происходит в результате реакции переаминирования с глутаматом, который служит донором аминогруппы. За 24 ч анаэробиоза накопление аланина отделенными корнями риса достигало уровня, составлявшего 1,2% сухой массы растения. Среди аминокислот именно аланину принадлежит главная роль в поддержании осмотического потенциала клеток.

Синтез ГАМК осуществляется путем а-декарбоксилирования глутамата, который катализирует кальций/кальмодулинзависимая глутаматдекарбоксилаза (ГД), с достаточно низким оптимумом pH (5,9). Таким образом, анаэробное накопление ГАМК может происходить при закислении цитоплазмы, потере кальция или при их сочетании. АБК, которая стимулирует потерю клетками кальция, может быть ранним сигналом к накоплению ГАМК. Усиление активности ГД в условиях стресса снижает вызванное стрессом закисление, поскольку протоны вовлекаются в дальнейший обмен веществ. Te же рассуждения приложимы и к накоплению Пут в анаэробных условиях, когда активируется декарбоксилаза аргинина. Как и в случае ГАМК, АБК стимулирует накопление Пут в корнях пшеницы. Существует обратное соотношение между уровнем Пут и содержанием K+ в тканях растений. Это наблюдение позволяет предполагать, что синтез Пут, как элемент рН-стата, способствует поддержанию ионного равновесия в тканях. Кроме того, будучи сильным катионом, Пут может регулировать активность некоторых ферментов, связанных с мембранами, например АТФазы плазмалеммы.

Анаэробная ассимиляция нитратов. Ферменты, необходимые для восстановления и ассимиляции нитратов (HP и НиР, ГС и ГОГАТ), были активны в анаэробных условиях, и их активность возрастала в процессе прорастания. Восстановление нитратов, в ходе которого образуются ионы ОН-, вносит определенный вклад в поддержание pH-стата ткани, подвергающейся стрессу. Опыты с 15NO3 показали, что в анаэробных условиях происходит значительное включение азота в аланин, ГАМК и аргинин.

Накопление мРНК при недостатке кислорода. Избирательная трансляция мРНК является заметным регуляторным механизмом при гипоксии. Сильное ингибирование синтеза белка можно объяснить скорее как механизм сохранения энергии, поскольку содержание мРНК в клетке не снижается, но в условиях гипоксии она плохо транслируется. Изменения в накоплении мРНК в ответ на ухудшение обеспеченности клетки АТФ зависят от многих условий, в том числе от напряженности стресса, уровня освещенности, доступности элементов питания, возраста ткани, органа и фазы развития растения.

Гены, индуцируемые при аноксии и гипоксии у арабидопсиса, исключительно разнообразны, они запускают синтез белков, участвующих в метаболизме углеводов или липидов, брожении, синтезе этилена, путях трансдукции сигналов и транскрипции генов. Интересно, что значительная часть индуцированных гипоксией генов кодируют белки с неизвестной функцией. К транскрипционным факторам, регулирующим экспрессию генов у растений при гипоксии, относится ATMYB2. Накопление мРНК ATMYB2 стимулируется низкими температурами, дегидратацией и при поражении патогенами, каждый из которых снижает биосинтез белка и усиливает дифференциальную трансляцию мРНК. Идентифицирован ряд генов, кодирующих предполагаемые элементы трансдукции сигналов при дефиците O2. Они включают связывающие кальций белки, белок-модифицирующие ферменты, в том числе МАПК и др. Одновременно значительно индуцируются мРНК несимбиотического гемоглобина, участвующего в регуляции энергетического статуса клетки при гипоксии.

Анаэробные белки. Впервые эти белки были обнаружены в резистентных к аноксии колеоптилях риса при анаэробном прорастании семян в лаборатории Б.Б. Вартапетяна. Позднее они были выявлены в условиях гипоксического и аноксического стрессов и в органах других растений, обладающих как высокой чувствительностью, так и толерантностью к дефициту кислорода. Анаэробные белки образуются в условиях аноксии также в органах растений, нетолерантных к анаэробному стрессу, в частности в корнях кукурузы. При перенесении их из аэробной среды в анаэробную синтез белков, характерных для этих клеток в условиях аэрации, прекращается, но одновременно индуцируется синтез около 20 анаэробных белков.

Таким образом, в отличие от толерантных к аноксии колеоптилей риса и сорняка рисовых полей ежовника (Echinochloa phyllоpogon), у которых, как в условиях активного анаэробного роста, так и после их перенесения из аэробной среды в анаэробную, отмечено присутствие специфических анаэробных белков наряду с белками, свойственными аэробно растущим колеоптилям, у корней кукурузы в условиях аноксии синтез аэробных белков полностью прекращается.

Анаэробные белки, синтез которых индуцируется главным образом в условиях гипоксии и в меньшем числе при аноксии, являются ферментами гликолиза и брожения, а также родственных процессов углеводного метаболизма. Это АДГ, пируватдекарбоксилаза (ПДК), глицероальдегид-3-фосфатдегидрогеназа, энолаза, глюкозо-6-фосфатизомераза, альдолаза, а-амилаза, сахарозосинтаза. К анаэробным белкам относятся также ферменты, участвующие в формировании аэренхимы (ксилоглюканэндотрансгликозилаза) и в регуляции pH цитоплазмы.

При анаэробном прорастании семян риса в проростках появлялась мРНК, специфичная для HP и НиР. В колеоптилях риса зарегистрирована экспрессия двух форм ГС, пластидной ГС2 и цитоплазматической ГС1. В анаэробных условиях синтез ГС1 опережает синтез ГС2. ГОГАТ существует в виде двух изоформ, различающихся донорами электронов (НАД*H и ферредоксин). В опыте с растениями риса показана анаэробная экспрессия ферредоксинзависимой ГОГАТ, однако изоформа НАД*Н-ГОГАТ при этом не экспрессировалась. Судя по экспрессии двух ферредоксинзависимых ферментов (НиР и ГОГАТ), в анаэробном обмене аминокислот участвует ферредоксин-НАДФ-редуктаза (ФНР), фермент, восстанавливающий ферредоксин в лишенных хлорофилла тканях. Показано, что в колеоптилях риса экспрессируется корнеспецифичная форма ФНР — изоформа, которая восстанавливает ферредоксин, используя НАДФ*H в качестве донора электронов.

Экспрессия всех этих белков в условиях аноксии указывает на то, что обмен аминокислот (равно как и углеводный обмен) играет важную роль в реакции растений на анаэробный стресс. Синтез некоторых соединений (аланина, ГАМК и путресцина) и восстановление нитратов позволяют растениям сохранять клеточный гомеостаз при недостатке кислорода.

Индукция синтеза анаэробных белков в условиях гипоксии и аноксии свидетельствует о том, что клетки «чувствуют» низкий уровень кислорода и передают сигналы. Последние индуцируют соответствующие гены, которые в свою очередь кодируют синтез анаэробных белков.

Восприятие и передача сигнала, ведущие к модификации экспрессии генов, запускаются посредством изменения гомеостаза клеток. Универсальная косвенная реакция на гипоксию, например, может быть опосредована потреблением ограниченного количества АТФ и других ресурсов, в частности углеводов и липидов.

Фактором, воспринимающим сигнал о дефиците кислорода, долгое время считался несимбиотический гемоглобин (Hbs), характеризующийся исключительно низкой константой диссоциации по кислороду. Хотя гемсодержащие транскрипционные факторы в растении не обнаружены, предполагается, что ZAT 12 как транскрипционный фактор участвует в передаче сигналов ответа на окислительный стресс у арабидопсиса. При окислительном стрессе ZAT 12 содействует экспрессии других факторов транскрипции и ап-регуляции цитозольной аскорбатпероксидазы-1, ключевого фермента по разложению H2O2. Поскольку гемоглобин прочно соединяется с кислородом, такая возможность кажется маловероятной, хотя в условиях гипоксии синтез Hbs ускоряется и его уровень существенно повышается. Видимо, метаболические пути, включающие взаимодействие Hbs и NO в условиях гипоксии, являются альтернативой митохондриальному транспорту электронов в процессе дыхания растения, т. е. гемоглобин функционирует в этих условиях в качестве диоксигеназы NO, которая образуется в анаэробных условиях в результате восстановления нитрата. Вполне возможно, что образование комплекса Hbs-NO обеспечивает в условиях кислородной недостаточности утилизацию НАД*Н, поддерживая уровень АТФ с помощью пока неизвестного механизма. Интересно, что трансгенные по Hbs растения люцерны были более толерантны к затоплению, чем контрольные растения, а также растения, у которых экспрессия Hbs была подавлена. Тем не менее синтез этого белка при дефиците кислорода происходит слишком медленно, чтобы быть ответственным за индукцию и новообразование ферментов гликолиза и брожения.

Накопление АФК является традиционным следствием действия на растения биотических и абиотических стрессов, в том числе гипоксии, аноксии. Уровни транскриптов ZAT 12 заметно возрастали в ответ на гипоксию и аноксию, что указывает на его участие в этих процессах.

Показана также роль ионов Ca2+ в восприятии и передаче сигнала о дефиците кислорода по растению. В растениях (кукуруза, рис, арабидопсис) перемещение Ca2+ в пределах клетки является предпосылкой к определенным изменениям в экспрессии генов в ответ на гипоксию и аноксию. В клетках корней кукурузы для индукции экспрессии генов, в том числе Adhl, необходимо увеличение концентрации цитозольного кальция. Обратимое увеличение цитозольного Ca2+ происходит сразу же после перенесения клеток в условиях аноксии. Интересно, что обработка клеток каффеином, способствующим увеличению цитозольного кальция, была достаточной для индукции гена Adh1. Однако воздействие аноксией на обработанные кафеином растения еще сильнее стимулировало увеличение пула цитозольного кальция в их клетках. Это указывает на то, что Ca2+ высвобождается в ответ на аноксию как из чувствительных, так и нечувствительных к каффеину компартментов кальция.

Падение уровня кислорода сразу же воспринимается митохондриями и сопровождается выходом ионов Ca2+ из них в цитозоль. После поступления Ca2+ в цитозоль происходит трансформация сигнала через соответствующие передатчики, что приводит к экспрессии генов, кодирующих синтез анаэробных белков, и к прекращению синтеза ряда других, ранее синтезируемых белков.

Видимо, динамические изменения митохондриального и цитозольного кальция играют роль вторичного мессенджера, важного в формировании ответа клеток кукурузы на аноксию. Аналогичная тенденция отмечена и для других растений, причем заметный вклад в увеличение цитозольного кальция вносило его поступление в клетку из апопласта. Интересно отметить, что увеличение цитозольного кальция происходит главным образом в клетках стебля и семядолей, но не корня.

Регуляция синтеза анаэробных белков в условиях гипоксии и аноксии растений происходит как на уровне транскрипции и трансляции, так и в посттрансляционный период. У колеоптилей риса в условиях аноксии блокирование синтеза анаэробных белков на уровне трансляции драматически дестабилизировало ультраструктуру митохондрий и других органелл клеток. Аналогичная ситуация была обнаружена при блокировании синтеза анаэробных белков на уровне транскрипции в опытах с суспензионной культурой клеток маиса.

Представление о ключевой роли энергетического и углеводного обменов в адаптации растений к анаэробному стрессу расширилось после открытия в 1981 г. феномена гипоксической предобработки.

Гипоксическая акклимация. Путем предварительного затопления растений озимой пшеницы, весьма чувствительных к дефициту кислорода при низкой температуре (2 °C), показано последующее существенное повышение активности ферментов анаэробного дыхания (ПДК и АДГ), энергетического статуса клеток, скорости анаэробного дыхания и брожения и соответственно резистентности корней к последующей аноксии. Такую предобработку назвали «гипоксической акклимацией», и она показана на многих видах полевых культур. Так, корни кукурузы сохраняли способность к росту даже после 90 ч аноксии, если они подвергались гипоксической предобработке, тогда как без нее они теряли способность к росту уже после 24-часовой аноксии. Гипоксически обработанные корни кукурузы имели более высокую скорость анаэробного дыхания, повышенную концентрацию АТФ в тканях, более высокие уровень энергетического обмена и отношение АТФ/АДФ.

При гипоксической и аноксической обработке проростков кукурузы и риса наряду с индукцией синтеза ферментов гликолиза и брожения имеет место индукция синтеза сахарозосинтазы и а-амилазы, а также нуклеозиддифосфаткиназы, пируватортофосфаткиназы и богатого глицином белка, связывающего РНК. Благодаря сахарозосинтазе в условиях анаэробиоза сахароза, образующаяся при распаде запасного крахмала, активно вовлекается в гликолитические реакции и в реакции синтеза целлюлозы, обеспечивая тем самым энергичный рост побегов под водой. Обработка проростков арабидопсиса экзогенной сахарозой сильно изменяет характер экспрессии генов: ряд ранее неизвестных генов экспрессируются, тогда как другие гены репрессируются. Подкормка сахарозой приводила к индукции специфических генов, отличных от генов, модулируемых сахарозой в аэробных условиях.

Гипоксическая обработка растений как бы имитирует природные условиях, когда аноксия в почве при затоплении наступает постепенно, после предварительной гипоксии. Главным следствием гипоксической акклимации является повышение энергетического статуса клетки, формирование аэренхимы, регуляция pH клетки и прочие защитные функции, что способствует формированию толерантности клеток к последующей аноксии.

Углеводный обмен при анаэробиозе. Углеводный и энергетический метаболизм играют ключевую роль в резистентности клеток растений к аноксии. Так, при перенесении кончиков корней кукурузы из аэробной среды в анаэробную без подкормки экзогенной глюкозой аденилатный энергетический заряд (АЭЗ), равный АТФ + 0,5АДФ/АТФ + АДФ + АМФ, падал с 0,9 до 0,2 уже через 30 мин. Тогда как при последующей подкормке экзогенной глюкозой в тех же условиях аноксии, величина АЭЗ сразу же повышалась до 0,6 при одновременном ускорении лактатного и этанольного брожения. Подкормка экзогенной глюкозой корней кукурузы (как и других растений) существенно повышала толерантность их клеток к аноксии. Так, подкормка даже после 44 ч анаэробной инкубации (без подкормки около 4 ч) позволяет сохранить постанаэробную способность корней риса, гороха, тыквы и других культур к росту.

В отсутствие кислорода гликолиз остается единственным источником энергии, необходимой для поддержания активности клеток. При этом в расчете на 1 молекулу глюкозы образуются всего 2 молекулы АТФ — против 38, синтезируемых в ходе аэробного дыхания. В результате в первые же минуты действия стресса резко падает энергетический заряд клетки. Увеличение энергопродукции достигается усиленным расходованием углеводов. Из-за недостатка энергии, необходимой для поглощения питательных элементов, резко подавляется передвижение сахаров в корень, и во многих случаях снижается уровень углеводов, доступных для анаэробного дыхания. Свободные гексозы играют важную роль в поддержании осмотического потенциала клетки, снижение их концентрации должно компенсироваться накоплением других соединений, например аминокислот и органических кислот.

Весьма интересной представляется роль фермента а-амилазы, ответственного за анаэробную мобилизацию резервного крахмала, в адаптации анаэробно прорастающих семян, в частности риса. Благодаря ей обеспечиваются субстратом не только анаэробный гликолиз и брожение, но и рост проростка риса в отсутствие кислорода. В отличие от семян риса, в семенах других злаков (пшеницы, ячменя, овса) а-амилаза при аноксии не синтезируется, поэтому семена, лишенные субстрата (эндогенных сахаров), в анаэробных условиях, не прорастая, погибают. Лишь при их искусственной подкормке экзогенными сахарами можно в определенной степени повысить их устойчивость к аноксии.

В прорастающих в условиях аноксии семенах риса (в отличие от аэробнопрорастающих) экспрессируется особый ген а-амилазы (Amy3D), активность которого регулируется и контролируется наличием сахара, а не гормонами (ГК), как при аэробном прорастании. Избыток сахара подавляет экспрессию гена Amy3D, а голодание, напротив, индуцирует активность этого гена (рис. 7.7).

Усиленное потребление сахаров в процессе анаэробного брожения приводит к недостатку сахара и, таким образом, активирует экспрессию гена Amy3D на ранних стадиях анаэробного прорастания семян, обеспечивая проросток сахаром. Одновременно аноксия ослабляет активность гена Amy1А, который экспрессируется преимущественно в аэробных условиях. Показано, что активность гена Amy3D в условиях аноксии достаточна для синтеза соответствующего изозима а-амилазы, мобилизующего углеводные резервы семени риса.

Как показано на рисунке 7.7, при аэробных условиях синтезируемые ГК индуцируют экспрессию гена Amy1А. Это приводит к быстрой и эффективной деградации крахмала, осуществляемой изоформой а-амилазы Amy1А. Накапливающаяся в прорастающих семенах глюкоза подавляет экспрессию гена Amy3D. В отсутствие же кислорода ГК не синтезируются, и/или подавляется индукция ГК гена Amy1А. Поскольку крахмал не разрушается, начинается голодание по сахарам. Низкий уровень глюкозы индуцирует экспрессию гена Amy3D, что позволяет начаться деградации крахмала со скоростью, близкой к скорости потребления глюкозы при анаэробном брожении.

Семена ячменя и других чувствительных к аноксии злаков в условиях анаэробиоза не синтезируют а-амилазу, поскольку алейроновый слой в этих условиях не реагирует на ГК. Половинки семян риса, напротив, синтезируют а-амилазу в ответ на обработку ГК3. Возникает вопрос о причинах различий ответных реакций риса и ячменя на обработку ГК. Интересно, что образование АТФ в процессе анаэробного брожения происходит в семенах ячменя быстрее, чем в семенах риса, т. е. в ячмене образуется достаточно АТФ для синтеза а-амилазы. При этом в половинках семян ячменя образуется в 10 раз больше этанола, чем в половинках семян риса. Однако это не мешает индукции синтеза а-амилазы, и соответственно этанол не играет существенной роли в подавлении синтеза фермента при аноксии.

Можно было бы предположить, что АБК накапливается при аноксии в ячмене и рисе в разной степени, однако заметной разницы в содержании АБК у этих растений ни в аэробных, ни в анаэробных условиях не обнаружено. Поэтому пока неизвестно, почему ячмень не может синтезировать а-амилазу при аноксии.

Таким образом, гиббереллины не нужны для прорастания риса в условиях аноксии. Этот вывод не противоречит признанию важной роли а-амилазы при аноксии, поскольку активная экспрессия гена Amy3D (и в меньшей степени Аmу3В/С) компенсирует слабую экспрессию зависимого от ГК гена Amy1A.

Изучение особенностей углеводного метаболизма и роста у контрастных по устойчивости к затоплению сортов риса показало, что при затоплении у наиболее устойчивого к полному затоплению сорта FR13A существенно подавлены ростовые процессы и более экономно тратятся резервы углеводов. Основная причина повреждения и гибели проростков менее толерантных сортов риса в условиях полного затопления — энергетическое голодание, вызванное исчерпанием субстрата гликолиза вследствие более щедрой траты запасных углеводов в процессе активного роста листьев.

Для энергичного функционирования этанольного и лактатного брожения в условиях гипоксии и аноксии требуется активное вовлечение в метаболизм, помимо полимерных углеводов (крахмала), также и сахаров (глюкозы, фруктозы, сахарозы) с участием соответствующих ферментов — гексокиназ и сахарозосинтазы. В процессе гипоксической акклимации (но не аноксии) активировались именно эти ферменты, что и обеспечивало сравнительно высокую скорость гликолиза и генерацию АТФ и тем самым жизнедеятельность клеток растений в условиях аноксии. Корни кукурузы с двойной мутацией по сахарозосинтазе даже после гипоксической акклимации не были в состоянии метаболизировать сахарозу и не переживали аноксию, тогда как при их подкормке экзогенной глюкозой в течение относительно длительного периода не повреждались и не погибали. Видимо, в условиях аноксии сахароза могла быть вовлечена в гликолитический поток в корнях только с участием сахарозосинтазы, но не инвертазы.

В условиях кислородного дефицита индуцируется синтез также гликолитических ферментов, в частности АДГ, хотя их активность достаточно высока и в условиях аэробиоза. В условиях гипоксии и аноксии происходит также резкое повышение активности ПДК — ключевого фермента в регуляции этанольного брожения. У трансгенных по ПДК растений табака, риса и арабидопсиса резко усиливается накопление как ацетальдегида, так и этанола. При этом существенно повышается толерантность к кислородной недостаточности, по крайней мере, у риса и арабидопсиса. У большинства растений при переходе от аэробного метаболизма к анаэробному сразу подключается лактатное брожение, приводя к быстрому подкислению цитоплазмы, и в результате — к переключению гликолитического потока на этанольное брожение. Интересно, что у проростков ячменя в условиях анаэробиоза лактатное брожение в течение нескольких дней является доминирующим процессом анаэробного дыхания. У риса и пшеницы анаэробное брожение протекает, в основном, на базе этанольного брожения, без участия лактатного брожения, как это имеет место у толерантных растений или в органах нетолерантных растений, подвергшихся гипоксической акклимации. Наконец, помимо регуляции pH цитоплазмы путем переключения на этанольное брожение в ряде случаев толерантность к кислородной недостаточности достигается путем экскреции лактата из клеток наружу либо благодаря биохимическим реакциям, приводящим к поглощению H+. В результате у толерантных растений поддерживается относительно высокий уровень генерации АТФ, в то время как нетолерантные растения в отсутствие предварительной гипоксической акклимации не способны регулировать pH цитоплазмы и погибают от продолжающегося подкисления цитоплазмы.

Таким образом, для синтеза достаточного количества АТФ, необходимого для поддержания жизнедеятельности растений в анаэробных условиях, растительная клетка должна быть обеспечена как субстратом, так и соответствующими активными ферментными системами, способными мобилизовать полимерные и мономерные формы углеводов для последующей их реализации в процессе гликолиза и брожения. Анаэробный энергетический обмен обеспечивает не только длительное переживание некоторых растений в условиях даже полного отсутствия кислорода. В ряде случаев именно благодаря анаэробному энергетическому обмену имеет место энергичный рост растений, как, например, при анаэробном прорастании семян риса и подводном росте дикорастущих растений, о чем уже говорилось выше.

Регуляция кислотности цитоплазмы как механизм адаптации к анаэробному стрессу. Длительное время в качестве ведущего фактора, как в подкислении цитоплазмы, так и в регуляции pH цитоплазмы, рассматривалось лактатное брожение в начальный период анаэробиоза. Переключение с лактатного брожения на этанольное происходило в результате закисления цитоплазмы. Однако некоторые исследования не подтверждают, в частности, роль лактата в закислении цитоплазмы в начальный период анаэробиоза. Наряду с этим на колеоптилях риса было показано, что стимуляцией энергетического метаболизма путем подкормки экзогенной глюкозой в процессе анаэробной инкубации можно снизить негативное действие подкисления цитоплазмы на постанаэробный рост колеоптелей. С этими наблюдениями хорошо согласуются результаты опытов с применением ЯМР, в которых показано, что при аналогичной подкормке корней кукурузы в условиях анаэробиоза повышаются уровень АТФ и pH цитоплазмы.

Таким образом, роль лактата как источника протонов, стимулирующих этанольное брожение на ранних этапах анаэробиоза, была поставлена под сомнение исследователями, установившими, что падение pH в этот период соответствует динамике гидролиза тринуклеотидов, а не накопления лактата. С другой стороны, у корней ячменя в условиях кислородного дефицита индуцируется изозим ЛДГ, и накопление лактата не ограничивается начальным периодом анаэробиоза, а продолжается в течение нескольких дней.

Применение ЯМР позволило проследить в условиях гипоксии и аноксии, при изменении pH цитоплазмы, за биохимическими превращениями органических соединений in vivo. В частности, наблюдение за метаболизмом 13С-ацетата в условиях аноксии показало вхождение метки в цитрат, глутамат, у-аминобутилат и сукцинат. Более того, было показано, что в условиях аноксии частично функционируют цикл трикарбоновых кислот и глиоксилатный цикл.

Следовательно, изменение и регуляция pH цитоплазмы происходит не только в результате синтеза лактата и гидролиза тринуклеотидов, но и вследствие анаэробного функционирования других биохимических процессов, в том числе происходящих с участием глутаматдегидрогеназы и малатдекарбоксилазы. В результате этого происходит поглощение протонов и осуществляется регуляция pH цитоплазмы. В этом процессе активно участвуют также ферменты, ответственные за синтез аланина и у-аминобутилата.

Защитная роль в условиях аноксии нитратов как конечных акцепторов электронов при рециклизации НАД, которая была показана и в электронно-микроскопических исследованиях, рассматривается некоторыми авторами как следствие подавления процесса закисления цитоплазмы в результате акцептирования протонов нитратами. Наряду с этим у некоторых растений в регуляции pH цитоплазмы может играть существенную роль удаление лактата из клеток, что также способствует снижению кислотности цитоплазмы.

Наконец, в нескольких исследованиях было показано, что лактатное и этанольное брожение происходят не последовательно при перенесении растений из аэробной в анаэробную среду (согласно теории pH-стата Дэвиса), а одновременно, либо анаэробное дыхание функционирует практически в отсутствие лактатного брожения.

Тем не менее обе альтернативные точки зрения, связывающие повреждение и гибель растительных клеток при анаэробном стрессе с закислением цитоплазмы либо с энергетическим голоданием, вызванным субстратным голоданием или недостаточной активностью ферментов гликолиза и брожения, продолжают активно обсуждаться в литературе.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: