Факультет

Студентам

Посетителям

На что действуют фитогормоны

Если бы были данные по локализации фитогормонов в клетке, то они могли бы помочь в выяснении вопроса об уровне регулирования, на котором осуществляется действие фитогормона.

Например, если твердо установлено, что активная форма фитогормона находится в плазмалемме или в других цитоплазматических мембранах, то маловероятно, что гормон действует на уровне транскрипции ДНК, происходящей, как известно, в ядре клетки. Но так как надежные данные о локализации фитогормонов внутри клетки еще не получены, то в различных работах для одного и того же фитогормона предполагаются различные уровни регулирования. Этими уровнями являются:

1) регулирование синтеза ферментов, которое включает в себя транскрипцию ДНК, трансляцию информационной РНК в аминокислотные последовательности белков и работу рибосомного аппарата,

2) регулирование активности имеющихся ферментов, в основном за счет аллостерического действия,

3) регулирование свойств цитоплазматических мембран, приводящее к изменению доступа субстратов к ферментам и изменяющее таким образом реальную скорость метаболитических процессов в клетках.

В настоящее время в связи с успехами, достигнутыми молекулярной генетикой, большое внимание уделяется связи между гормонами и синтезом нуклеиновых кислот и белка. Так, при изучении действия гормонов животных на дифференциацию клеток во многих случаях отчетливо показано, что при этом появляются новые типы молекул и-РНК и белков.

Очевидно, что подобные связи должны существовать и во время действия фитогормонов на клетки растений. Однако вряд ли следует полагать, что любая реакция клеток на фитогормон обязательно связана с дерепрессией новых локусов геномной ДНК и с синтезом информационных РНК и белков.

Возможны такие реакции, которые не связаны с изменением количества и состава белков; живая система при данном неизменном составе белков и нуклеиновых кислот может нести разную функциональную нагрузку в зависимости от концентрации субстратов, скорости их доступа к ферментам, температуры и других условий. Вероятно, основным здесь является состояние протоплазмы (вязкость, проницаемость, скорость движения, распределение катионов), а не ее качественный и количественный состав. Регулятор роста, воздействуя на состояние цитоплазмы, может изменять скорость зависящих от этого состояния процессов. Это то, что Стерн называет «кратковременным эффектом» регулятора (short-term effect). Сюда можно, по-видимому отнести действие фитогормонов на поглощение веществ из раствора, в том числе и воды, на изменение пластических и эластических свойств оболочек клеток, а также в некоторых случаях на дыхание и синтез веществ оболочки (когда интенсивность этих процессов не связана с изменением количества белка в клетке). Но при этом оказывается, что осуществление такой реакции на фитогормон требует, чтобы все функции клетки, в том числе и синтезы РНК и белков, оставались ненарушенными, т. е. они необходимы для реализации действия гормона в каком-то конечном результате. В этом случае можно наблюдать, что ингибиторы транскрипции ДНК (актиномицин D), синтеза и трансляции и-РНК (аналоги оснований, пуромицин, хлорамфеникол, циклогексимид, аналоги аминокислот) будут устранять реакцию клеток на фитогормон.

Такое положение, вероятно, создалось в отношении связи между действием ауксицов на растяжение клеток отрезков колеоптилей злаковых или стеблей бобовых и синтезом белков и нуклеиновых кислот в них. В работах многих авторов было показано, что одновременная с ауксином или предварительная обработка отрезков актиномицином D, хлорамфениколом, 8-азагуанином, 6-метилпурином, циклогекоимидом уменьшала или устраняла реакцию отрезков на ауксин.

Однако в этих работах показано, что действие ингибиторов в большинстве случаев начинает сказываться на скорости роста лишь через 2 часа после начала их применения, тогда как действие ауксина обнаруживается уже через 15—30 минут, а влияние на движение цитоплазмы в клетках еще раньше. Следовательно, можно считать, что в случае стимуляции роста отрезков колеоптилей и стеблей для сохранения реакции на ауксин необходим синтез РНК и белков, но это не означает, что действие ауксина в этом случае направлено на эти синтезы.

Скорость процесса под влиянием фитогормона может быть связана с изменением скорости новообразования цитоплазмы. При этом скорость синтеза информационной РНК может варьировать, но с сохранением того же качественного состава. Следует отметить, что такой способ регуляции скорости синтеза белков будет эффективным только при наличии в «летках свободных рибосом, «не заряженных» еще и-РНК. Выяснить, носит ли действие фитогормона такой характер, можно при определении скорости включения аминокислот в белки в расчете на 1 мг рибосомальной РНК клетки. Если эта скорость увеличивается, то это означает, что часть рибосом, которые до обработки фитогормоном не участвовали в синтезе белка, включились в эту работу после обработки фитогормоном вследствие увеличения количества и-РНК для образования полирибосомных комплексов.

В некоторых случаях обнаруживалось отчетливое увеличение количества рибосомальной РНК и рибосом под влиянием обработки ауксином верхушек проростков гороха, срезов клубней топинамбура, гипокотилей сои. Такое же стимулирование синтеза рибосомальной РНК наблюдалось и под влиянием цитокининов, т. е. это довольно распространенный способ действия фитогормонов на скорость синтеза белков в клетках. При этом, по-видимому, скорость синтеза в расчете на одну рибосому будет оставаться неизменной или даже падать. Это действие фитогормона также не связано с активацией новых участков генетического аппарата клетки.

Наконец, в тех случаях, когда под влиянием фитогормонов изменяется характер дифференциации клеток, можно ожидать появления новых белков и соответствующих им информационных РНК. Именно при таких процессах фитогормон выступает как регулятор транскрипции и трансляции тех или иных участков генетической информации. В работах Володарского и Бутенко с помощью методов иммунохимии было показано, что дедифференциация клеток сердцевинной паренхимы под влиянием ауксина и кинетина сопровождается появлением на фоне общего увеличения содержания белка новых белков, характерных для меристематических делящихся клеток. Образование новых белков обнаружено и при индукции органогенеза в недифференцированном каллусе. В работе Ямада и сотр. усиление включения Р32 во фракцию и-РНК обнаруживалось только при индукции образования почек в недифференцированном каллусе табака с помощью кинетина.

Одним из типов дифференциации, вызываемых ауксином, является индукция корнеобразования. Это действие ауксина оказалось очень чувствительно к аптиметаболитам синтеза ДНК, РНК и белка. При испытании действия бромурацила и гистона на процесс индукции корнеобразования удалось добиться дифференцированной реакции: при некоторых концентрациях этих веществ процесс размножения клеток корневого зачатка не угнетался, но процесс их дифференциации в элементы проводящей ткани подавлялся полностью.

В ряде работ показано, что ауксин приводил к сохранению некоторых свойств, характерных для молодых, меристематических клеток, в течение более длительного срока. В работе Саркисяна и Спельсберга показано, что ИУК задерживает появление белков, характерных для более старых частей гипокотиля фасоли, и изменяет спектр белков этих старых частей в сторону более молодого состояния. В другой работе ИУК задерживала появление изозима пероксидазы, характерного для стареющих и растягивающихся тканей в отрезках стебля карликового гороха. 2,4-Д задерживала появление новых белков по мере удаления от кончика корня гороха, которое наблюдалось в контроле.

Особым случаем является действие гормонов на прорастание семян. В частности, в работах Палег, Бриггса и Варнера с сотр. было показано, что эндосперммобилизующее действие гиббереллина, связано с активацией синтеза гидролитических ферментов. При этом оказалось, что актиномицин D не подавлял индукцию синтеза этих ферментов и, в частности, альфа-амилазы, тогда как ингибиторы синтеза белка (фторфенилаланин, этионин, пуромицин, хлорамфеникол) и ингибиторы дыхания (2,4-динитрюфенол, фторацетат) действовали угнетающе. По данным Палег, 5-фторурацил и 2-тиоурацил не угнетали образования альфа-амилазы, тогда как в работе Хриспилс и Варнера было показано, что другие антиметаболиты синтеза РНК — 8-азагуанин и 6-метилпурин подавляли этот процесс.

Приведенные данные позволили предположить, что в клетках алейронового слоя имеется в готовом виде и-РНК, необходимая для синтеза этих ферментов, есть рибосомы и транспортные РНК, но синтез осуществляется только при введении гормона, т. е. в этом случае показано, что действие гиббереллина осуществляется на уровне трансляции, и, возможно, какой-то активации рибосом.

Следует отметить, что еще ни одна система индукции синтеза ферментов под влиянием фитогормонов не подверглась такому интенсивному изучению, как система синтеза а-амилазы в эндосперме ячменя под влиянием гиббереллина. Полученные результаты заставляют нас не спешить с выводом о том, что всякое появление новой ферментативной активности или новых белков связано с активацией новых генов в хромосомах. По некоторым данным, абсцизиновая кислота оказывает противоположное гормональное действие, т. е. подавляет синтез а-амилазы. Возможно, что этот фитогормон действует также на рибосомальном уровне.

Индуцирование прорастания семян с помощью гиббереллина и кинетина также подавляется ингибиторами синтеза нуклеиновых кислот и белка. Но в этих случаях ингибиторы могут не только мешать гормонам проявлять свое действие, но и подавлять синтез ДНК и размножение клеток, осуществляемых в ходе прорастания. Поэтому данные по взаимодействию гормонов и антиметаболитов в процессе прорастания семян не поддаются однозначному истолкованию.

Приведенные выше факты об изменениях синтеза белка и нуклеиновых кислот под влиянием фитогормонов не дают, однако, надежных оснований считать, что эти изменения обусловлены непосредственным действием гормонов. Такие основания можно получить в опытах, в которых влияние фитогормонов на синтез белков и нуклеиновых кислот будет сопоставляться с их локализацией в клетке или с влиянием на ферментные системы и органоиды, участвующие в этих синтезах in vitro.

В качестве одной из таких попыток можно рассматривать работы группы сотрудников под руководством Галстона, которые обнаружили включение метки из ИУК-С14ООН в РНК растительных тканей и связывание ИУК с РНК in vitro. Однако в опытах этих авторов нет достаточно убедительных данных о том, что метка С14, обнаруживаемая в составе РНК, находится в виде присоединенной молекулы ИУК.

Изучение действия фитогормонов на изолированные ядра показало, что в некоторых случаях удается обнаружить усиление включения меченых предшественников в РНК. Особенно интересны данные, полученные Черри. В его опытах 2,4-Д незначительно стимулировала включение Р32 в ядра, выделенные из семядолей арахиса, которые не реагировали на 2,4-Д усилением роста. Но включение Р32 в РНК ядер, изолированных из гипокотилей сои, которые реагируют на 2,4-Д усилением роста, значительно увеличивалось. Следовательно, компетентность ткани по отношению к ауксину на уровне клеток сохраняется также на уровне ядер, выделенных из этих клеток. Следует отметить, что стимуляция ауксином включения предшественников в РНК изолированных ядер несравненно меньше, чем стимуляция их включения в РНК ненарушенных тканей. Поэтому такие опыты, хотя и свидетельствуют в пользу гипотезы о действии фитогормонов на аппарат синтеза РНК, но не могут еще считаться достаточным доказательством этого. В некоторых работах изучалось действие фитогормонов на дыхание и окислительное фосфорилирование изолированных митохондрий. При этом обнаружено положительное действие ауксина и гиббереллина на митохондриальную активность.

Если гормон действует как аллостерический эффектор активности некоторых, вероятно, ключевых ферментов, то есть основания ожидать, что такое действие фитогормона будет обнаруживаться не только in vivo, но и in vitro. Об увеличении активности кислой фосфатазы под влиянием ауксина in vitro сообщалось в работе Туряна. Эта работа была развитием идеи Вилдмана и Баннера о том, что ИУК, возможно, входит в состав активного центра кислой фосфатазы. Однако дальнейших публикаций относительно этого факта не последовало. Кроме того, проверка, проведенная в нашей лаборатории, показала, что ИУК не влияла на активность фосфатазы в отрезках колеоптилей кукурузы ни in vivo, ни in vitro.

Сообщалось о том, что ИУК, введенная в реакционную среду для определения активности фермента, увеличивала активность изоцитратлиазы. Однако позднее были получены противсфечивые результаты. Также обнаруженное ранее действие ауксина на активность пектинтрансэлиминазы in vitro оказалось артефактом спектрофотометрического определения. Таким образом, действие ауксина на какую-либо из ферментных систем in vitro не является в настоящее время доказанным.

В то же время во многих работах получены отчетливые данные об изменении активности целого ряда ферментов в вытяжках или в других препаратах из обработанных фитогормонами тканей растений. Так, при обработке дисков из клубней топинамбура и корней цикория 2,4-Д в течение 3 дней происходило увеличение активности инвертазы в 65 раз без соответствующего увеличения количества белка. Значительное увеличение активности инвертазы под влиянием ауксина наблюдалось также у сахарного тростника, в срезах клубней топинамбура и моркови. Гиббереллин увеличивал активность инвертазы в 5 раз в междоузлиях овса и значительно увеличивал активность сахаразы в тычиночных нитях кукурузы.

Большое число работ связано с выяснением влияния фитогормонов, и главным образом ауксина, на ферменты, участвующие в метаболизме полисахаридных компонентов клеточных стенок. Под влиянием ауксина увеличивалась активность пектинметилэстеразы. Это связывалось с индукцией расслабления клеточных стенок и их пластического растяжения под влиянием ауксина, о чем будет сказано ниже. В настоящее время большое значение в росте растяжением придается ферментам, гидролизующим целлулозу и гемицеллулозу (целлулаза и 1,3-глюканаза). Показано, что ИУК в концентрациях, усиливающих рост, увеличивала удельную активность целлулазы, но при задержке опадения черешков листьев фасоли 2,4,5-Т угнетала, в то время как этилен стимулировал активность этого фермента. В других опытах наблюдали не только увеличение под влиянием ИУК активности 1,3-глюканазы, но и воспроизведение эффекта ИУК на рост отрезков колеоптилей с помощью экзогенной 1,3-глюканазы. Это говорит о том, что наблюдаемое под влиянием ауксина изменение активности фермента имеет физиологическое значение.

Значительные изменения наблюдались под влиянием фитогормонов в активности пероксидазы и ИУК-оксидазы, причем авторы обращали внимание на обратную корреляцию между скоростью роста и активностью этих ферментов. В работе Мак Кьюна и Галстона наблюдалось изменение субстратной специфичности пероксидазы под влиянием гиббереллина. В наших опытах под влиянием обработки гиббереллином не наблюдалось изменения субстратной специфичности пероксидазы. Уменьшение активности пероксидазы при ускорении роста проростков гороха под влиянием гиббереллина обнаруживалось в наших опытах лишь при пересчете на 1 г сырого веса, но не на один проросток. Это позволило нам предположить, что это уменьшение активности является следствием ускорения роста, а не его причиной.

Были отмечены также изменения в активности других ферментов; фенилаланиндеза-миназы под влиянием абсцизиновой кислоты, фосфатазы у ацетабулярии, гексокиназы и пируваткиназы, пептидазы, РНК-азы и ДНК-азы под влиянием кинетина, глутаматоксалоацетатаминотрансферазы и изоцитратлиазы под влиянием ГК.

Все приведенные данные относительно зависимости активности различных ферментов от фитогормонов можно суммировать таким образом: до сих пор нет ни одного бесспорно доказанного случая действия фитогормонов на активность выделенных из тканей ферментов, тогда как при обработке тканей растений фитогормонами активность ферментов в выделяемых из тканей препаратах может значительно изменяться. В некоторых случаях это изменение удается связать с активацией синтеза ферментов, но возможны и другие механизмы, например, активация неактивной формы фермента, изменение степени экстрагируемости из ткани и другие. При этом следует отметить, что в большинстве работ определяли изменение под влиянием (фитогормона потенциальной активности фермента, а не его реальной активности в клетках обработанных тканей, изменение которой может быть иным.

Одним из способов регулирования реальной активности ферментов в клетке является изменение свойств цитоплазматических мембран под влиянием фитогормонов. Возможность того, что стимулирующее действие ауксина на рост отрезков колеоптилей связано с его влиянием на цитоплазматические мембраны, была рассмотрена выше. В настоящее время неясно, осуществляется ли действие ауксина на другие объекты и действие других фитогормонов таким же образом.

Каждый из известных в настоящее время фитогормонов в зависимости от объекта, на котором испытывается их действие, может оказывать влияние на самые разные процессы. Применяемая иногда некоторыми авторами упрощенная терминология типа «ауксин — гормон растяжения клеток», «цитокинин — гормон задержки старения», «гормон деления клеток», «гиббереллин — гормон роста стебля» не соответствует действительности, так как можно наблюдать, что и ауксин, и гиббереллин, и цитокинин способны усиливать растяжение и деление клеток, вызывать их дифференциацию, задерживать старение изолированных органов и т. д. Однако объекты, на которых обнаруживаются эти эффекты, могут быть различными для разных фитогормонов.

Возникает вопрос, действует ли данный фитогормон при индукции разных типов реакций по-разному или же одинаковым образом. Для этого необходимо выяснить, во-первых, одинакова ли во всех случаях первичная молекулярная реакция фитогормона, т. е. его активный комплекс с рецептором, и, во-вторых, одинаков ли уровень регулирования, на котором осуществляется действие фитогормона.

Исходя из того, что в большинстве случаев при разных реакциях на фитогормон существует сходная зависимость активности от химической структуры фитогормона, мы можем предполагать, что первичная молекулярная реакция и активная форма фитогормона в клетках при разных типах реакций также имеет одинаковую природу. Например, ИУК, индолилмасляная кислота, 2,4-Д, НУК, нафтоксиуксусная кислота и другие ауксины могут вызывать растяжение отрезков колеоптилей, индукцию корнеобразования у черенков, размножение клеток в культуре ткани обладают способностью к полярному транспорту и т. д.

Те различия, которые обнаруживаются между ауксинами в отношении разных реакций (например, индолилмасляная кислота наиболее активна при индукции корнеобразования, 2,4,5-ТУ — при индукции партенокарпии, 2,4-Д — при индукции каллусообразования), обусловлены, вероятно, не только большим или меньшим сродством ауксинов к разным рецепторам, но и различными вторичными причинами (способность к проникновению в ткань и к побочным неауксиновым эффектам, устойчивость к действию разрушающих ферментов и т. д.).

Различие в реакции тканей разных видов растений на производные ауксина может быть обусловлено различием между ними по способности превращать эти производные в ауксин. Наиболее четко это было показано в отношении индолилацетонитрила, который был активен как ауксин у колеоптилей злаковых, имеющих нитрилазу, и не активен у стеблей гороха, не имеющих нитрилазы и не способных поэтому превращать индолилацетонитрил в ИУК.

Такие отношения между активностью в разных биопробах и строением молекул существуют, по-видимому, у гиббереллинов и цитокининов; здесь наблюдались скорее количественные, чем качественные различия. Вопрос об активных формах фитогормонов нельзя считать окончательно решенным.

В отношении уровней, на которых осуществляется действие фитогормонов, можно сделать предположение, что При разных реакциях индуцирующее и регулирующее действие фитогормонов может осуществляться на разных уровнях. Так, если влияние ауксина на растяжение клеток, по-видимому, не связано с количественным и качественным изменением транскрипции и трансляции нуклеотидного кода в последовательности аминокислот белков, то действие ауксина на корнеобразование, дифференциацию клеток ксилемы и на ряд других процессов несомненно зависит от синтеза ДНК, РНК и белков. Точно так же действие гиббереллина на эндосперм ячменя не угнетается актиномицином, т. е. не связано с транскрипцией ДНК в и-РНК, а действие его на рост стебля целого растения подавляется актиномицином и 5-фтордезоксиуридином, т. е. связано с репликацией ДНК и синтезом РНК.

Как связать различия между разными реакциями на фитогормон в отношении уровня, на котором реализуется его действие, со сходством в первичной молекулярной реакции между фитогормоном и рецептором? Можно предполагать, что одни и те же рецепторы, образующие с фитогормоном активный комплекс, локализованы в разных участках у клеток, обнаруживающих неодинаковую реакцию на фитогормон. Тогда один и тот же активный комплекс фитогормона с рецептором будет действовать по-разному в зависимости от его внутриклеточной локализации.

Интересную гипотезу в связи с этим предложил Венис. Он считает, что первичное действие гормонов может состоять в аллостерическом взаимодействии с белками, только в одних случаях это могут быть белки цитоплазматических мембран, а в других — белки-репрессоры ДНК. Следует добавить к этому предположению, что способностью к аллостерическому взаимодействию с фитогормонами могут обладать белки разных цитоплазматичеоких мембран — эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, митохондрий, микротрубочек, ядерной оболочки.

В некоторых работах сообщается о том, что изменение характера дифференциации клеток и направления морфогенеза может быть достигнуто не с помощью гормонов, а веществами трофического типа. Так, эмбриогенез в культуре ткани дикой моркови вызывался добавлением к 55 ммолям KNOβ 5 ммолей NH4Cl, причем соли аммония были необходимы только для образования эмбриоидных структур, дальнейший рост которых мог проходить и без NH4. На среде с 60 ммолями KNOβ наблюдался только каллусный рост.

Культура ткани Picea glauca росла только на среде с глутамином. При этом клетки были сферической формы, без вакуолей, с крупными ядрами и активно размножались. При замене глутамина на аммонийные соли рост ткани по сырому весу уменьшался незначительно, но деление прекращалось, клетки увеличивались в размерах, в них наблюдалось накопление смол, лигнина, крахмала и другие процессы, характерные для старения и дифференциации клеток.

Образование узелков проводящей ткани в недифференцированном каллусе табака индуцировалось совместным действием ИУК и сахарозы. При этом соотношение между ИУК и сахарозой определяло соотношение между ксилемными и флоэмными элементами в этих узелках. Увеличение концентрации сахарозы и NaNO3 в инкубационной среде приводило к тому, что новообразующиеся почки на дисках корня цикория были цветочными, а не вегетативными, как обычно. При добавлении кокосового молока или витамина, почки оставались вегетативными. В стерильной культуре ряски Wolffia microscopica цветение на неблагоприятном фотопериоде индуцировалось либо цитокининами, либо Fe-хелатом.

Во всех приведенных случаях характерной особенностью действия негормональных веществ является то, что они выступают не в роли факторов питания, а в роли факторов регулирования. Это подчеркивается довольно высокой специфичностью действия этих веществ, так как замена глутамина на другие аминокислоты или сахарозы на другие сахара не давала подобных эффектов.

Можно предположить, что в некоторых случаях вещества негормональной природы выполняют функции регулирования, т. е. обладают гормональным действием. Это обусловлено, по-видимому, их влиянием на различные уровни регулирования в клетке (транскрипция, трансляция, аллостерический эффект, влияние на мембраны), а не их использованием в качестве субстратов в различных метаболических процессах.

Таким образом, фитогормоны можно рассматривать как вещества, наиболее специализированные для выполнения регуляторных функций в организме, но эти функции в некоторых случаях присущи и другим соединениям, являющимся непосредственными участниками метаболизма.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: