Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Влияние азотного питания на рост и развитие корней растений

10.11.2018


В качестве модели при изучении данного вопроса взят арабидопсис, у которого обнаружены четыре принципиальных эффекта азотного питания на рост и развитие корней:

• локальный стимулирующий эффект нитратов на рост боковых корней;

• ингибирующий эффект высокой концентрации нитратов в тканях на рост боковых меристем корней;

• подавление роста боковых корней при высоком отношении сахар/азот;

• ингибирование роста главного корня и стимуляция ветвления латеральных корней экзогенным глутаматом (рис. 9.6).

Локальные стимулирующие эффекты нитратов на рост латеральных корней. Стимулирующий эффект локального действия нитратов обусловлен особенностями самого нитрат-аниона. Это подтверждается тем, что мутанты, дефицитные по нитратредуктазе (HP), демонстрируют реакцию, как у дикого типа, другие источники азота не способны индуцировать схожую реакцию. Интересно, что у ячменя отмечено увеличение как количества, так и длины боковых корней, а у арабидопсиса — в основном длины корней.

Прорыв в понимании сигнальных механизмов стимулирующих эффектов был сделан после идентификации компонента этого сигнального пути — транскрипционного фактора ANR1. Растения, у которых экспрессия ANR1 ингибирована, оказались не способны к морфологической реакции либо она была значительно ослаблена. Идентификация ANR1 демонстрирует существование специфических сигнальных путей ответа на локальное действие нитратов.

Оказалось также, что на этом сигнальном пути транспортер нитратов AtNRT1.1 (известный также как CHL1) может находиться выше (раньше), чем ANR1 (рис. 9.7). У мутантов, дефектных по гену AtNRT1.1, сильно снижен отклик на локальное действие источников азота, т. е. проявляется фенотип, схожий с линиями растений со сниженной активностью гена ANR1. При этом ослабление реакции не было следствием снижения поглощения азота или уменьшения аккумуляции его метаболитов. Важно, что ухудшение отклика у мутантных растений сопровождалось уменьшением количества мРНК гена ANR1, что свидетельствует о расположении продукта гена AtNRTL1 в сигнальной цепи выше ANR1 и влиянии AtNRTL1 на транскрипцию гена ANR1. Это указывает на связь ANR1 непосредственно с участником сигнального пути, который имеет не только нитрат-связывающую активность, но и играет роль в некоторых контролируемых нитратами процессах. Возможно, AtNRTL1 служит сенсором нитратов в сигнальном пути или содействует облегчению их доступа к сенсору в корнях. В частности у дрожжей, некоторые белки двойного назначения, типа переносчик/сенсор вовлечены в морфологические реакции.

Если AtNRT1.1 действительно сенсор нитратов, каким же образом тогда сигнал передается от AtNRT1.1 к ANR1? Хотя и есть данные, что AtNRTl.l участвует в регуляции транскрипции ANR1, не ясно как это происходит на молекулярном уровне. Теоретически уменьшение количества транскриптов ANR1 в мутантах, дефектных по гену AtNRT1.1, могло происходить как в результате изменения скорости транскрипции, так и в результате уменьшения частоты инициации транскрипции. Выявление точного способа этой регуляции могло бы обеспечить разгадку механизма взаимодействия между AtNRT1.1 и ANRl. Что касается роли ANR1 в сигнальном пути, то он играет важную роль в нитрат-индуцированной пролиферации латеральных корней и сигналом для этого служат сами нитрат-анионы. Как нитратный сигнал конвертируется в ростовой ответ, пока не установлено. He исключено, что транскрипционная регуляция ANR1 может быть частью механизма ответа на стимулирующее действие нитратов. Возможно, поддержание пролиферации требует, чтобы количество ANR1 было выше определенного порогового уровня. Видимо, нитратный сигнал может передаваться также посредством посттрансляционных модификаций или белок-белковых взаимодействий.

Ингибирование роста боковых меристем высокой концентрацией нитратов. Низкая концентрация нитратов благоприятна для роста боковых корней, а высокая оказывает ингибирующее влияние. Последнее наиболее заметно выражено при концентрации азота во внешней среде свыше 10 мМ. Две противоположные реакции на один и тот же анион отражают сложность механизмов, обеспечивающих адаптацию растения к нитратному питанию и регулирующих реакцию в зависимости от концентрации нитратов. Ингибирование наблюдается сразу после появления примордий боковых корней, но перед активацией меристемы. Это приводит к увеличению числа остановившихся в росте корешков, однако данное явление обратимо. Ингибирование снимается в течение 24 ч после возврата проростков в среду с низкой концентрацией нитратов. Обратимость ингибирования необходима растению для быстрой оптимизации роста корневой системы за счет активации спящих меристем в ответ на быстро меняющуюся концентрацию питательных веществ в окружающей среде.

Сигналом, ответственным за супрессию роста корней высокой концентрацией нитратов, является накопление последних в тканях, а не высокая концентрация во внешней среде или аккумуляция метаболитов азота. Это заключение основано на наблюдении за мутантами арабидопсиса nia1 и nia2, дефектными по нитратредуктазе и более чувствительными к ингибированию. Была высказана гипотеза о том, что в процесс ингибирования включен транспорт ауксина между корнем и стеблем. Проростки, которые выращивали сначала на высокой, а затем переносили на низкую концентрацию нитратов, имели значительно более высокую концентрацию ИУК в корнях, чем в стеблях в сравнении с проростками, выращиваемыми постоянно при высокой концентрации KNO3. Аналогичные данные получены и на сое. Видимо, высокая концентрация нитратов или ингибирует биосинтез ауксина, или блокирует его передвижение по стеблю к корню. Экзогенный ауксин не способен преодолеть ингибирующий эффект высокой концентрации нитратов. Возможно, наблюдавшийся эффект изменения концентрации ауксина не связан с морфологическим ингибированием, а экзогенный ауксин функционально не способен заменить эндогенный, поступающий по флоэме.

АБК также играет посредническую роль в процессе ингибирования роста корней высокой концентрацией нитратов, причем у мутантов, дефицитных по АБК, ингибирование существенно ниже. Экзогенный АБК имитирует ингибирующий эффект высокой концентрации нитратов, проявляющийся сразу после активации корневых меристем. Эта новая функция АБК в развитии латеральной меристемы хорошо согласуется с особенностью этого гормона — вызывать состояние покоя у семян и почек, что привело к появлению концепции «спящих боковых корней». Очевидно, что роль АБК в торможении роста латеральных меристем не опосредуется тем же механизмом, что и состояние покоя у семян, поскольку у мутантов по генам ABI1, ABI2 и ABI3, которые необходимы для наступления покоя в семенах, не наблюдается дефектов при ингибировании АБК роста латеральных корней.

Генетические исследования указывают на то, что ингибирование и АБК, и высокой концентрацией нитратов опосредованы одними и теми же сигнальными механизмами. Мутанты, идентифицированные по их способности давать видимые боковые корни в присутствии 0,5 мкМ АБК, также менее чувствительны к ингибированию высокой концентрацией нитратов. Регуляция роста латеральных корней тесно связана с ростом главного корня, причем его удаление устраняет ингибирование. Более того, присутствие меристемы главного корня необходимо для ингибирования как нитратами, так и АБК.

Интересно, что недавно идентифицированный рецептор абсцизовой кислоты (FCA) может быть включен в механизм ингибирования боковых корней нитратами и АБК. Указанный рецептор — ключевой регулятор цветения у арабидопсиса, причем мутанты по FCA зацветают позже. FCA, действительно, может быть рецептором АБК, и мутанты по гену FCA показывают меньшую чувствительность к ингибирующему эффекту АБК на боковые корни. Видимо, FCA также может быть компонентом сигнального пути, участвующим в ингибировании нитратами и АБК.

Нe исключено, что ингибирование роста боковых корней высокой концентрацией нитратов происходит вследствие осмотического эффекта. Низкий осмотический потенциал репрессирует развитие латеральных корней и оказывает ингибирующий эффект, схожий с высокой концентрацией нитратов. Важно, что осмотическая репрессия включает в себя также АБК и сильно уменьшается в мутантах, дефицитных по АБК. Однако существуют четкие различия между репрессией, вызываемой осмотическим потенциалом и нитратами/АБК. Так, осмотическая репрессия преодолевается избытком ауксина, в то время как ингибирование нитратами/АБК не зависит от ауксина. Это означает, что хотя обе формы ингибирования морфологически схожи, они опосредуются разными механизмами.

Ингибирование инициации боковых корней высоким отношением сахар/азот. В случае выращивания растений арабидопсиса при высоком соотношении сахара и азота (4,5% сахарозы к 8*10в-5% нитрата аммония) существенно тормозится инициация боковых корней. Сигналом ингибирования, возможно, служит высокое отношение углерод/азот, поскольку его изменение как за счет уменьшения концентрации сахарозы при сохранении низкой концентрации азота, так и увеличения концентрации азота при сохранении высокой концентрации сахарозы восстанавливает рост боковых корней до уровня, соответствующего высокой концентрации азота. Причиной ингибирования может быть также недостаток азота, поскольку высокий уровень сахарозы может ускорить расход азота, что приведет к его дефициту.

Каким же образом сигнал о высоком соотношении C/N улавливается и трансформируется в подавление латеральных корней не вполне понятно. Последнее может быть следствием блокирования движения ауксина от стеблей к корню, поскольку репрессия сопровождается увеличением аккумуляции ауксина в гипокотиле. Удалось получить мутантную форму lin1, которая способна инициировать рост большого числа боковых корней на среде с высоким соотношение C/N. Следовательно, репрессия вызывается не соотношением питательных веществ, блокирующим клеточное деление, а сигнальным механизмом с отрицательной регуляцией программы инициации боковых корней. Важным компонентом этого сигнального пути может быть LIN1. Интересно, что LIN1 был позднее охарактеризован как транспортер AtNRT2.1 с высоким сродством к нитрату.

Доказательства в поддержку возможной роли AtNRT2.1 включают также данные о том, что мутанты lin1 содержат несмысловую мутацию в этом гене и что аллельные мутанты, в том числе с удаленным геном NRT2.1, имеют схожий с lin1 фенотип. Кроме того, мутанты lin1 обладают более низкой скоростью поглощения нитратов при их дефиците. Эти результаты указывают на то, что NRT2.1 может выступать в качестве репрессора инициации роста боковых корней. Роль AtNRT2.1 в этом процессе скорее всего регуляторная, и этот белок, видимо, выполняет роль сенсора NO3-. Сигналом начала репрессии роста может быть высокое соотношение С : N, связанное с недостатком нитратов. В условиях высокого содержания углерода и низкого азота содержание нитратов может быстро уменьшаться вследствие метаболической активности, стимулируемой высоким содержанием сахара. Уменьшение количества нитратов, вероятно, улавливаемое через AtNRT2.1, будет приводить к подавлению роста боковых корней. Эта гипотеза может объяснить, почему уменьшение концентрации сахара или увеличение количества нитратов может уменьшить подавление: либо путем уменьшения скорости расхода нитратов, либо увеличением уровня нитратов соответственно. Данная гипотеза согласуется также с наблюдением, что растения, выросшие при высоком содержании сахара и низком уровне азота, характеризуются замедленным ростом, указывающим на симптом азотного голодания. Однако в настоящее время существует мало прямых экспериментальных доказательств, которые бы поддержали приведенную выше гипотезу. Ясно, что и углерод, и азот играют свою роль в инициации репрессии, поскольку AtNRT2.1 регулируется на уровне транскрипции и углеродными, и азотными сигналами. При этом AtNRT2.1 может действовать как интегратор этих сигналов через регуляцию собственной транскрипции, управляя при этом инициацией роста боковых корней.

Три формы морфологической адаптации корневой системы, рассмотренные выше, связаны с минеральной формой азота. Однако архитектура корня отзывчива также на органические формы азота, например глутамат. Низкие концентрации (0,05—0,5 мМ) глутамата вызывают ингибирование роста главного корня, но стимулируют рост боковых корней и их ветвление. Это приводит к формированию короткой, но разветвленной корневой системы, не схожей по фенотипу с наблюдаемой в случае, когда семена арабидопсиса выращиваются на среде с пониженной концентрацией фосфора.

Механизм, лежащий в основе ингибирующего действия глутамата на рост корней, не вполне понятен и, видимо, сопряжен с быстрыми цитологическими изменениями, такими, как деполимеризация кортикального слоя микротрубочек и деполяризации мембран. Эти изменения могут быть заблокированы антагонистами рецепторов глутамата (GluR), что согласуется с существованием большого количества их генов. Накапливается также все больше данных о сигнальной роли глутамата и его вхождении в общую систему азотной сигнализации, позволяющей растению отслеживать свой азотный статус при изменении условий азотного питания. Однако пока прямые экспериментальные доказательства связи таких рецепторов с морфологической реакцией корневой системы на глутамат отсутствуют.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: