Молекулярный уровень адаптации растений к засолению
Изменения в экспрессии генов. Из имеющихся на сегодня данных ясно, что засоленность влияет на уровень транскрипции примерно 8% всех генов. Около 70% всех генов, чья транскрипция изменилась в результате засоления, отлична от тех, что изменились в ответ на засуху. Обе эти группы активируются в зависимости от типа ткани, фазы развития, а также скорости наступления и продолжительности стресса. Большинство солеиндуцируемых изменений в экспрессии генов не зависят от АБК. У дикого типа и SOS-мутантов арабидопсиса идентифицированы 84 солерегулируемых генов, шесть из которых контролируются SOS-сигнальной системой. Устойчивость связана прежде всего с ранней реакцией на засоление, что включает раннюю транскрипцию генов, участвующих в трансдукции сигналов. Однако это положение не согласуется с данными физиологических опытов, предполагающих, что физиологические реакции сразу же после солевого шока мало связаны с реакцией растений после длительного выращивания при засолении. Причина несоответствия состоит в том, что в первом случае использовали слишком высокие уровни засоления, которые потенциально могли привести к летальному исходу даже солевыносливые виды в течение нескольких дней. Поэтому необходимо провести целый ряд опытов при умеренном засолении. Отсутствие осмотического контроля во многих опытах также затрудняет вычленение Na+-специфичного эффекта от осмотического эффекта.
Экспрессия генов варьирует также в зависимости от продолжительности последействия солевого шока. Так, у риса через 15 мин после резкого повышения уровня засоления до 150 мМ NaCl экспрессировались одни гены, а через 1 нед. — совершенно другие. Видимо, гены, индуцируемые сразу после солевого шока, связаны скорее с водным стрессом, нежели с солевым. У корней пшеницы ген, экспрессированный в раннюю фазу реакции на стресс (солевой шок в концентрации 250 мМ NaCl), идентифицирован как протеинкиназа, индуцируемая как АБК, так и засолением. Остается неясным, связаны ли эти изменения в экспрессиях генов с адаптацией к длительному действию засоления и дефицита влаги.
Сигнальные пути. Как отмечалось выше, эффекты солевого стресса включают как солеспецифический, так и осмотический компоненты, причем последний включает эффекты, опосредованные АБК. Осмотические пути (см. рис. 10.11), начиная от восприятия солевого стресса рецептором до изменения активности белка и транскрипции генов через сигнальные интермедиаты и фосфопротеиновые каскады, достаточно сложны. Анализ затрудняется также тем, что во многих опытах реакция на засоление определялась в течение короткого времени после резкого и быстрого изменения уровня засоления, нереального в полевых условиях. Поэтому неясно, в какой мере реакция растения связана с реакцией на шок, а не с физиологическим ответом на повышенную засоленность.
Активность цитозольного кальция. Транзитное повышение Ca2+ в цитозоле представляет собой форму раннего отклика клетки на быстрое увеличение концентрации Na+ в корнеобитаемой среде. Однако связь подобного поведения Ca2+ с реакцией растения в относительно постоянных условиях засоления остается пока неясной, хотя солеиндуцированные изменения в активности Са2+-транспортеров и компонентов, связанных с участием Ca2+ в передаче сигналов, предполагают, что кальций играет физиологически обусловленную роль в реакции растения на засоление (см. рис. 10.8).
Фосфорилирование/дефосфорилирование белков. Этот процесс играет одну из главных ролей в реакции растения на солевой стресс. Вполне возможно, что мембранно-связанные гистидинкиназы могут выступать в качестве сенсоров Na+ (как у некоторых бактерий). Сверхэкспрессия белка GSK1/Shaggylike у арабидопсиса вызывала появление симптомов солевого стресса в бессолевых вариантах выращивания (синтез антоциана, транскрипция некоторых генов отклика на солевой стресс), одновременно усиливая солеустойчивость. Эти растения накапливали также большую концентрацию Na+ в побеге, что, как правило, наблюдается у растений после сверхэкспрессии вакуолярного Na+-Hacoca. В силу высокой гидрофильности, возможно, повышенная активность киназы прямо или косвенно увеличивает активность Na+-Hacoca.
В растениях содержится множество киназ и фосфатаз, возможно связанных с солеустойчивостью и реакцией на засоление. Среди них метаболические фосфатазы (HAL2), Са2+-зависимые протеинкиназы (GDPK), серин/треонин протеинкиназы (SOS2), митогенактивируемая протеинкиназа (МАРК), двухкомпонентные протеинкиназы, Са2+-кальмодулинзависимые протеинкиназы и т. д. У растений в настоящее время идентифицированы около 100 протеинкиназ, в том числе несколько Са2+-зависимых и Са2+-кальмодулинзависимых, но физиологические функции установлены лишь у нескольких из них.
SOS-мутанты. Эти рецессивные мутанты, обладающие сверхчувствительностью к засолению, были идентифицированы благодаря неспособности поддерживать рост корней при повышенной концентрации NaCl. Эффект этот скорее солеспецифичный, нежели осмотический, так как мутанты особо чувствительны к NaCl и LiCl, но не к манниту. Изучение SOS-мутантов внесло заметный вклад в понимание механизмов передачи сигналов при засолении, в частности SOS-сигнальная система вовлечена в регуляцию транспорта Na+ по всему растению.
SOS3 представляет собой кальцийсвязывающий белок, который, как считается, реагирует на солеиндуцированное повышение концентрации Ca2+ в цитозоле. Он непосредственно реагирует с SOS2-серин/протеинкиназой. Одной из мишеней этого сигнального пути является SOS1 или Na+/H+-aнтипортер, локализованный в плазмалемме. Предполагается, что SOS2 увеличивает как транскрипцию SOS1, так и активность SOS1-белка благодаря прямому взаимодействию белок-белок (см. рис. 10.8). Кроме своей роли в качестве транслокатора Na+, SOS1 имеет крупный цитоплазматический домен, включающий в себя сенсор Na+, благодаря чему возрастает возможность контроля по принципу обратной связи SOS-сигнального пути со стороны SOS1. Транскрипты SOS1 локализованы в эпидермальных клетках и клетках стели корня, что, по мнению многих исследователей, позволяет им не только удалять Na+ из ксилемы и флоэмы, но и загружать его туда.
SOS1-, SOS2- и SOS3-мутанты демонстрируют разные фенотипы в отношении накопления Na+. Это указывает на то, что SOS2 и SOS3 регулируют экспрессию и/или активность других, кроме SOS1, Na+-связанныx белков. Мутанты SOS2 и SOS3 накапливают больше Na+, чем дикий тип, в то время как SOS1-мутанты — меньше, одновременно демонстрируя симптомы сильной токсичности Na+. Интересно, что все три типа мутантов имеют дефекты калийного питания и не могут расти нормально в питательной среде, содержащей менее 20 мМ K+. Взаимосвязи между токсичностью Na+ и дефицитом K+ пока не установлено.
Однако следует заметить, что определения параметров роста корня в течение короткого периода времени (7 сут) для идентификации SOS-мутантов явно недостаточно. Например, SOS2-мутанты почти не обнаруживали роста корня при 50 мМ NaCl, но характеризовались 100%-м выживанием при 100 мМ. В то же время SOS3-мутанты выживали лишь на 50% при 100 мМ NaCl и были оценены как менее чувствительные к NaCl, чем SOS2-мутанты, на основе ингибирования роста корня. Все три типа мутации влияли на калийное питание, а чувствительность к ингибированию роста корня NaCl коррелировала с концентрацией K+ (но не Na+) в ткани. Скрининг на выживание, массу побега или концентрацию Na+ при сильном засолении может помочь обнаружить другие мутанты по чувствительности к Na+ и его транспорту.
Факторы транскрипции. Реакция на высокую засоленность требует согласованной индукции транскрипции многих генов, а также активности специфичного набора факторов транскрипции с их присоединением к определенным последовательностям в про-моторных зонах генов-мишеней. Промоторные зоны включают также элементы, реагирующие на гидратацию (DRE3) и на АБК (ABRE), которые, видимо, вовлечены скорее в реакции растений на осмотический стресс, нежели на Nа+-специфичные воздействия. Были идентифицированы разнообразные белки, присоединяющиеся к этим элементам. Конститутивное сверхэспрессирование некоторых из этих генов, кодирующих данные белки, может индуцировать сильную конститутивную сверхэкспрессию нескольких стресс-индуцибельных генов параллельно с повышенной толерантностью к абиотическим стрессам.