Биохимические процессы, протекающие в клеточных структурах в течение митотического цикла, и пусковые регулирующие механизмы деления животных и растительных клеток исследуют на основных моделях нормального клеточного деления, а именно: на дроблении оплодотворенных яйцеклеток, росте клеток в тканевых культурах, делении одноклеточных, росте бактериальных культур, физиологической регенерации тканей и органов.
Большая часть исследований по биохимии клеточного деления получена цитохимическими методами. В настоящее время общая картина метаболизма клеточного деления представляется в таком виде.
Цикл деления можно разделить на два периода: период от начала биохимической подготовки до начала морфологических изменений в ядре — автосинтетическая интерфаза и период самого деления ядра и цитоплазмы — митоз.
Подготовка клеточного деления во время интерфазы характеризуется в основном двумя биохимическими процессами: воспроизведением основных макромолекулярных соединений, необходимых для построения клеточного тела, — ДНК, РНК, белков митотического аппарата и некоторых других белков — и синтезом соединений, богатых энергией, необходимой как для упомянутых синтетических процессов, так и для осуществления ряда структурных перестроек и движений во время самого процесса деления (накопление так называемого энергетического резервуара митоза).
В период самого митоза, который занимает незначительную часть всего митотического цикла, в клетке, как правило, не происходят синтетические процессы, а осуществляется структурная реорганизация клетки и перемещение клеточных структур на основе физико-химических изменений высокомолекулярных соединений — белков, нуклеиновых кислот и др. Эти процессы протекают при затратах энергии, которая была накоплена во время интерфазы.
Нормальное клеточное деление — это в большинстве случаев не только деление клетки на две, по одновременно и удвоение клеточной массы, синтез которой также протекает с потреблением энергии (эндертонически). Одним из важнейших условий протекания митоза является предварительное удвоение количества ДНК, синтез которой происходит в строго фиксированном периоде интерфазы (синтетический период), хотя длительность и положение последнего варьируют у различных видов растительных и животных клеток.
Для синтеза ДНК в ядре необходимо наличие трифосфатов четырех нуклеозидов, входящих в состав молекулы ДНК, фермента полимеразы, осуществляющего полимеризацию нуклеозид-трифосфатов в молекулу ДНК, ДНК-затравки и ионов магния. Подготовка этих условий происходит в так называемом пресиптетическом периоде, предшествующем синтезу ДНК. Период этот наиболее чувствительный к изменениям условий среды и физиологического состояния клеточной популяции; это объясняется тем, что подготовка синтеза ДНК требует правильного функционирования системы, генерирующей АТФ, и правильной хронологической последовательности и координированности различных ферментных систем.
При делении клетки происходит не только удвоение количества ДНК. Вновь синтезированная ДНК но своему составу и структуре соответствует предшествующей. Отсюда правильно называют синтез ДНК ее редупликацией. В живых клетках функционируют механизмы, прекращающие синтез ДНК после удвоения ее количества.
Большинство исследований на растительных и животных объектах показали, что, как правило, синтез РНК в ядре происходит не одновременно с синтезом ДНК и пистонов, и до этого — в течение пресинтетического периода или после завершения синтеза ДНК и гистонов — во время постсинтетического периода, особенно непосредственно перед началом деления.
После интерфазы наступает цикл собственно деления клетки, т. е. митоз, состоящий из трех периодов: периода реорганизации (профазы), в течение которого из синтезированного во время интерфазы клеточного материала строятся структурные элементы будущих новых клеток (хромосомы, ахроматиновый аппарат) и одновременно разрушаются некоторые клеточные структуры, типичные для покоящейся клетки, периода деления и движения, являющегося основой митотического процесса и охватывающего метафазу и анафазу, и периода реконструкции (телофазы), когда исчезают характерные для делящейся клетки структуры и восстанавливается типичная для покоящейся клетки организация.
В настоящее время существует мнение, что синтетические процессы в период митоза не протекают. Биохимиков здесь могут интересовать состав и субмикроскопическая организация
структур, специфических для делящихся клеток, механизм их образования, механизм митотических движений и координации деления. Так как изолировать хромосомы и другие структуры в достаточном количестве из клеток, находящихся на одной и той же стадии деления, пока невозможно, изменение их химического состава в течение митоза изучали только цитохимическими методами. Поэтому в настоящее время не представляется возможным получить более полную картину метаболизма клеточного деления и отдельных структур клетки. Задача растительной физиологии состоит в том, чтобы, вооружившись современными техническими средствами, перейти к развернутому и углубленному изучению структурной и функциональной биохимии покоящейся и делящейся клетки. Именно здесь, в этом вопросе, заложены основы будущей физиологии роста растений.
Если биохимию клеточного деления и меристем этической ткани начали изучать в последнее время, когда для этого возникли методические предпосылки, то начало изучению физиолого-биохимических основ второй фазы ростового процесса, фазы растяжения, было положено уже в 30—40-е годы нашего столетия.
В 1952 г. Броун, Рейт и Робинсон опубликовали обзор литературы, посвященной механизму роста растительных клеток. Под ростом клеток авторы понимают то, что и сейчас определяют старым термином «растяжение клеток». Конечно, собственно ростом клетки является фаза ее растяжения, но вряд ли целесообразно менять привычную для целых поколений цитологов и физиологов терминологию, в основу которой положены представления о ростовых процессах, протекающих во времени и включающих образование клетки, ее рост путем растяжения и дифференциации. Рассматривая лишь вторую фазу роста, авторы, однако, посчитали целесообразным подчеркнуть особенность этой фазы, заключающуюся в увеличении объема клетки, и предпочли пользоваться термином «рост клетки», предложенным Фрей-Вислингом в 1948 г., хотя аргументация такого подхода звучит неубедительно. Неудачность термина «растяжение клеток» они связывают с тем, что ранее рост клеток рассматривали как простое набухание, обусловленное поглощением воды. С появлением новых представлений об увеличении размера клеток, связанном с увеличением многих компонентов системы, по мнению авторов, возникает необходимость в новом термине. Однако совершенно очевидно, что какой бы механизм ни лежал в основе увеличения объема клетки, видимым результатом его проявления будет растяжение, или рост, клетки. Но последний термин затрудняет использование понятий о фазах роста. Если принять вместо термина «растяжение клеток» термин «рост клеток», тогда следует говорить о таких фазах роста клетки: деление, собственно рост и дифференциация.
Поскольку так или иначе в росте органов и целого организма фаза растяжения клеток играет важнейшую роль, мы, пользуясь материалами приводимых в упомянутой сводке многочисленных литературных источников, остановимся вкратце на метаболизме этого этапа ростового процесса растительной клетки.
По мере роста (растяжения) клетки ее способность к делению уменьшается и к определенному моменту практически прекращается. По-видимому, уже на ранних стадиях роста происходит изменение метаболизма, приводящее к подавлению клеточного деления. Увеличение размеров клетки обусловливается прежде всего поглощением воды и в относительно меньшей степени — повышением содержания других веществ. В процессе роста сухой вес клетки корня гороха возрастает примерно в 10 раз, причем почти в 5 раз увеличивается содержание белка. С прекращением роста наблюдается некоторое понижение содержания белков. В конечном итоге содержание белка оказывается ниже, чем в момент остановки роста, но выше, чем в меристематических клетках.
Повышение содержания белка связано с повышением активности общего обмена клетки во время ее роста. В частности, во время роста повышается интенсивность дыхания клеток и активность дипептидаз, фосфатазы и инвертазы, а также аминокислотный состав белков, что свидетельствует о соответствующем изменении всего обмена клеток.
Говоря об обмене веществ, характерном для растущей клетки, мы должны, конечно, учитывать, что между зонами роста, как и между ними и другими частями организма, существует тесная взаимосвязь и взаимодействие. Несомненно, что в клетки различных зон поступают метаболиты из соседних зон и из зрелых тканей. Возможны поэтому случаи, когда при воздействии тем или иным фактором на целый организм в той или иной зоне роста возникают изменения, обусловленные не непосредственным влиянием на них данного фактора, но представляющие собою вторичный эффект воздействия, оказанного на зрелые или меристематические клетки. В этих случаях влияние различных экспериментальных условий изучают на изолированных фрагментах, состоящих из растущих, меристематических или дифференцирующихся клеток.
Рост клетки связан с многочисленными биохимическими процессами, в которых участвуют различные механизмы регуляции, природа действия которых остается очень часто неизвестной, хотя в последние годы все больше значения придается внутренней организации физиологических процессов. На наличие прямой связи между дыханием и ростом указывали неоднократно. В осуществлении этой связи важную роль играет калий. Отмечалось, что для плохо растущих бескалийных растений свойственно ослабление синтеза белка, накопление неиспользованных аминокислот, слабое включение неорганического фосфора в органические соединения. Последними работами показано, что энергетическая система страдает от недостатка калия. В поглощающей зоне корня тыквы, в нормальных условиях характеризующейся интенсивным ростом, при недостатке калия перестает функционировать пентозофосфатный цикл, а интенсивность превращений в системе гликолиз — органические кислоты усиливается. Однако подъем дыхания, как предполагается, оказывается обесцененным, так как энергия окисления далеко неполно фиксируется в макроэргических фосфатных связях. Такие клетки образуют органические кислоты (пируват, оксипируват, глиоксилевую кислоту), которые являются исходным материалом для синтеза соответствующих аминокислот. Однако амидирование, трансамниирование, активация аминокислот АТФ и другие процессы, протекающие на пути синтеза белков, задерживаются или вследствие недостатка калия как кофактора ряда энзимов, или же в результате общего недостатка энергии. Поэтому синтез белков в клетках подавляется, они сильно отстают в росте.
Приведенные примеры влияния калия на рост посредством его участия в энергетическом обмене указывают на возможность активирования роста клеток путем стимулирования некоторых процессов обмена. Поскольку процессы роста определяются многими реакциями обмена, в том числе такими, которые тормозят или останавливают рост, важное значение приобретают исследования, направленные на всестороннее изучение метаболизма клеточного роста.
Для растения характерно сосредоточение ростовых процессов в определенных, четко обособленных областях,— зонах роста. Эти области находятся в апикальных частях растения — верхушках корня и стебля, в междоузлиях (вставочный рост) и в камбиальном кольце при росте вторичной меристемы. Именно здесь базируется большое строительство генетически предопределенного здания растения. Сюда притекают из корневой системы и листьев вещества, необходимые для этого строительства,— аминокислоты, углеводы, фосфорные соединения и другие вещества.
Поскольку рост является прежде всего новообразованием структур, его интенсивность определяется биосинтезом белка. Для образования новых клеток и синтеза веществ необходимо создание конституционного и ферментативного белков. В этом, собственно, и заключается взаимозависимость процесса роста и биосинтеза белка. Можно сказать даже, что проблема роста в значительной степени является в то же время проблемой биосинтеза белка. Биосинтез белка и нуклеиновых кислот в растущих областях растений является центральным звеном среди других процессов метаболизма.
В настоящее время большое внимание уделяется изучению обмена веществ в растущих клетках при апикальном росте органов. Почти совершенно не затронут биохимическими исследованиями интеркалярный рост, хотя познание его закономерностей представляет, несомненно, большой теоретический интерес. В литературе нет данных об обмене веществ в процессе роста и дифференциации клеток отдельных тканей, возникающих за счет деятельности интеркалярной меристемы. Дифференциация клеток при интеркалярном росте изучена плохо даже с морфологической стороны. Мало сведений и о том, как изменяется обмен веществ в дифференцирующихся клетках отдельных тканей в зависимости от интенсивности роста целого органа (метамера).
Нами совместно с Я. А. Дудинским были изучены некоторые стороны обмена веществ в процессах роста и дифференциации клеток основной паренхимы (сердцевины) при различной интенсивности роста междоузлий кукурузы и сорго. Выбор ткани продиктован главным образом методическими соображениями. Клетки основной паренхимы крупные, располагаются правильными продольными рядами и образуют участки (между проводящими пучками) «чистой» ткани, что является очень важным в подобных исследованиях. Оказалось, что в междоузлиях кукурузы и сорго интеркалярная меристема расположена не непосредственно над нижними узлами междоузлий, как это принято считать, а отделена от них небольшим участком тканей немеристематического характера. В период наиболее интенсивного удлинения междоузлий в них можно отличить пять зон роста: интеркалярную меристему, нижнюю и верхнюю зоны растяжения и нижнюю и верхнюю зоны окончательной дифференциации клеток. Количество зон роста в междоузлиях непостоянно. Вначале междоузлие состоит целиком из меристематических клеток. Затем в нем появляются нижняя и верхняя зоны растяжения, еще позже — нижняя и верхняя зоны окончательной дифференцирован клеток. Наиболее четко все пять зон роста выражены в период максимального ежесуточного удлинения междоузлий. Снижение скорости роста вскоре приводит к сужению и исчезновению зоны интеркалярной меристемы, так как клетки ее, постепенно теряя способность к делению, переходят к растяжению и в конце концов превращаются в клетки постоянных тканей.
Нижние зоны роста по своим размерам небольшие. Длину междоузлия составляют главным образом верхние зоны растяжения и дифференциации клеток. В отличие от кончиков корней зоны ни тер кал яркого роста имеют значительно большие размеры.
Примечательно то, что переход клеток от интеркалярной меристемы к нижней и верхней зонам растяжения неодинаков. Книзу от нее переход к растяжению резкий, размеры клеток быстро увеличиваются и на расстоянии 1,5—2 мм от интеркалярной меристемы достигают окончательных размеров; переход к верхней зоне растяжения, наоборот, постепенный, незаметный, размеры клеток увеличиваются на расстоянии многих миллиметров от интеркалярной меристемы.
Гибберелловая кислота вносит существенные изменения в закономерности роста и структуру междоузлий, основной паренхимы и ее клеток. У растений кукурузы, обработанных ГК, образуются длинные, но тонкие междоузлия. ГК увеличивает скорость, но сокращает продолжительность роста междоузлий. Наиболее интересно то, что после полного прекращения роста междоузлий контрольных и опытных растений количество клеток основной паренхимы в них одно и то же, хотя по длине междоузлия сильно отличаются. Эти различия нельзя рассматривать лишь как простое следствие увеличения длины клеток в междоузлиях опытных растений, так как оно меньше, чем увеличение длины междоузлий. Исходя из соотношения длины междоузлий, и клеток, следует заключить, что под влиянием ГК увеличивается количество клеток по длинной оси междоузлия. Но тогда возникает вопрос, чем объяснить одинаковое количество клеток основной паренхимы в междоузлиях опытных и контрольных растений. Ответ на этот вопрос можно дать на основании подсчета количества клеток между пучками на поперечных срезах. Он показывает, что между проводящими пучками в междоузлиях опытных растений клеток основной паренхимы меньше, чем в контрольных. Следовательно, ГК, увеличивая количество клеток в продольных рядах, уменьшает число последних, но не изменяет общего количества клеток основной паренхимы.
Исследование обмена веществ в растущих и дифференцирующихся клетках основной паренхимы проводили гистохимическими методами, так как выполнить эту работу обычными биохимическими методами невозможно. Нас интересовали активность ферментов (сукциидегидрогеназы, цитохромоксидазы, пероксидазы, полифенолоксидазы, каталазы, фосфорилазы) и содержание некоторых небелковых соединений (крахмала, липидов и полифенольных соединений). Проведенные гистохимические исследования позволили получить описанные ниже результаты.
Сукциндегидрогеназа. Наиболее интенсивное восстановление солей неотетразолия и синего тетразолия происходит в меристематических клетках. Ингибитор сукциндегидрогеназы, малонат, сильно угнетает восстановление солей тетразолия в клетках зон растяжения, особенно в нижней. Это указывает на то, что переход клеток к растяжению сопровождается возрастанием активности сукциндегидрогеназы, а в меристематических клетках в образовании формазана принимают активное участие и другие дегидрогеназы.
Прекращение роста клеток сопровождается незначительным снижением активности сукциндегидрогеназы. ГК усиливает активность дегидрогеназ лишь в меристематических клетках, и то незначительно.
Цитохромоксидаза. Активность ее минимальна в меристематических клетках и возрастает по мере перехода клеток к растяжению. Особенно резко увеличивается активность цитохромоксидазы при переходе клеток к нижней зоне растяжения. В обоих нижних зонах роста — растяжения и окончательной дифференцировки клеток — активность цитохромоксидазы намного выше, чем в верхних. По активности цитохромоксидазы клетки интеркалярной меристемы и нижней зоны растяжения резко отличаются. Переход клеток к растяжению вниз от меристемы сопровождается скачкообразным увеличением активности цитохромоксидазы. Этого нет в направлении кверху от меристемы. Здесь растяжение клеток также сопровождается повышением активности фермента, но значительно менее резким. Переход от меристематических клеток к растягивающимся трудноуловим. Влияние ГК на активность цитохромоксидазы не обнаружено.
Полифенолоксидаза. В отличие от цитохромоксидазы активность полифенолоксидазы значительно выше в меристематических клетках. В остальном она имеет много общего с цитохромоксидазой. В целом для клеток основной паренхимы характерен более высокий уровень активности полифенолоксидазы по сравнению с цитохромоксидазой. В различных участках основной паренхимы качественный состав полифенолоксидазы неодинаков. Особенно интересен участок клеток на границе зоны меристемы и нижней зоны растяжения. В нем происходит интенсивное окисление п-крезола. Клетки этого участка по размерам почти не отличаются от меристематических, однако фигур митоза в них не обнаружено. Эти клетки впоследствии входят в состав так называемого стеблевого узла, принимающего участие в геотропических изгибах стебля. ГК повышает активность полифенолоксидазы, причем наиболее заметно в верхних зонах роста.
Пероксидаза. Активность этого фермента в клетках основной паренхимы выше, чем активность цитохромоксидазы, и ниже, чем полифенолоксидазы. В меристематических клетках активность пероксидазы достаточно высокая. Прекращение роста клеток не сопровождается снижением активности пероксидазы. Клетки нижних зон роста отличаются от верхних значительно более высокой активностью пероксидазы. Как и в случае цитохромоксидазы и полифенолоксидазы, наблюдается резкое повышение ее активности при переходе клеток к нижней зоне растяжения. ГК повышает активность пероксидазы, но менее значительно, чем полифенолоксидазы.
Каталаза. В меристематических клетках активность не наблюдалась. Она проявлялась в зоне растяжения и была достаточно заметной лишь в зонах окончательной дифференциации клеток. ГК незначительно повышала активность каталазы, причем более существенно в верхней зоне растяжения и дифференциации клеток.
Фосфорилаза обнаружена во всех клетках основной паренхимы, по активность ее не везде одинакова. По сравнению с меристематическими клетками она значительно выше в клетках верхних и нижних зон роста. В клетках верхней зоны дифференциации фосфорилаза долгое время удерживается на высоком уровне, даже более высоком, чем в клетках зоны растяжения.
Крахмал. Несмотря на высокую крахмалсинтезирующую активность фосфорилазы в клетках основной паренхимы, содержание крахмала в них крайне неравномерно. Наибольшее количество крахмала обнаруживается в нижних зонах роста, особенно в зонах растяжения. Следовательно, между активностью фосфорилазы и уровнем содержания крахмала в клетках не всегда есть прямая зависимость. По-видимому, синтез крахмала связан еще с другими факторами.
Гибберелловая кислота вызывает существенное угнетение крахмал синтезирующей активности фосфорилазы, но не в одинаковой мере во всех клетках. Она остается на высоком уровне лишь в клетках, окружающих проводящие пучки. Б нижних зонах роста в этих местах содержание крахмала также высокое. ГК резко снижает содержание крахмала в клетках верхних зон роста, за исключением тех, которые непосредственно окружают проводящие пучки.
Липиды. Среди клеток основной паренхимы наиболее интенсивно окрашиваются Суданом черным клетки меристемы. По мере перехода клеток к растяжению, а затем к окончательной дифференциации окрашиваемость цитоплазмы снижается. В меристематических клетках интенсивно окрашиваются, помимо мелких структур, также крупные. Возможно, что это зачаточные вакуоли, которые могут содержать липиды. В растягивающихся и прекративших рост клетках окрашиваются только мелкие цитоплазматические структуры типа митохондрий и сферосом. ГК приводит к обеднению клеток липидами, особенно растягивающихся.
Полифенольные соединения. Полифенолы есть во всех исследованных клетках, но уровень их содержания и качественный состав зависят от фазы развития клеток и возраста междоузлия.
В междоузлиях, состоящих из одних меристематических клеток, полифенолов мало. Они сосредотачиваются в узловых пластинках, где интенсивно происходят процессы образования элементов ксилемы. С началом удлинения междоузлия максимум содержания полифенолов перемещается к нижней зоне растяжения клеток. В период интенсивного удлинения междоузлия, когда в них имеются все зоны роста, полифенолы распределяются таким образом: максимальное количество их содержится в клетках нижней зоны растяжения и интеркалярной меристемы, значительно меньшее — в клетках верхней зоны растяжения и низкое — в нижней и верхней зонах окончательной дифференциации клеток.
В тесной связи с фазами роста клеток находится качественный состав полифенолов. В нижних зонах роста преобладают полифенолы, дающие вследствие реакции Хепфнера—Форзатца вишнево-красные цвета, в меристеме — красно-коричневые, в верхней зоне растяжения — оранжевые, коричневые и желтые, в верхней зоне дифференциации — золотисто-желтые. ГК существенно повышает содержание полифенолов в клетках интеркалярной меристемы и верхней зоны растяжения. Под ее влиянием изменяется также их качественный состав: ГК повышает содержание полифенолов, дающих вишнево-красные цвета. Повышение содержания полифенолов в клетках под влиянием ГК коррелирует с усилением лигнификации.
Основная паренхима образуется за счет клеток, продуцируемых интеркалярной меристемой. Но в отличие от апикального роста при интеркалярной росте междоузлий злаков дифференциация клеток осуществляется по обе стороны от интеркалярной меристемы.
Таким образом, часть тканей междоузлия формируется за счет растяжения и дифференциации клеток, осуществляющихся книзу от интеркалярной меристемы, а часть — за счет растяжения и дифференциации клеток кверху от нее. Книзу от интеркалярной меристемы образуется лишь незначительная часть постоянных тканей, так как растяжение клеток в нижней зоне растяжения вскоре прекращается. Междоузлие формируется в основном за счет той части тканей, которые образуются кверху от интеркалярной меристемы. До сих пор не выяснено, почему растяжение клеток, начавшееся с нижнего конца междоузлия, столь непродолжительно. Окончательно не выяснено также, каково биологическое значение промежуточного участка тканей, образующихся между нижним узлом и зоной интеркалярной меристемы. Считают, что этот участок имеет большое значение, так как от него отходят придаточные корни. Если бы интеркалярная меристема располагалась непосредственно над узлом, то придаточные корни нарушали бы ее целостность. Не отрицая такой роли этого участка тканей, нам хотелось бы обратить внимание на другое. Клетки, расположенные книзу от меристемы, отличаются высоким уровнем активности окислительных ферментов и содержания крахмала. Существует определенная связь между уровнем обмена в этих клетках и ростом всего междоузлия. По мере снижения темпов роста междоузлия содержание крахмала и активность окислительных ферментов в клетках снижается. Это наводит на мысль о том, что, возможно, участок тканей, находящийся под меристемой, играет ведущую роль в снабжении меристематических клеток питательными веществами. С одной стороны он непосредственно граничит с узлом, в который непрерывно притекают питательные вещества из листьев и корней, с другой — с меристематическими клетками — активными потребителями питательных веществ.
Кроме того, не исключена возможность, что этот участок тканей содействует передвижению веществ по стеблю, так как в зоне интеркалярной меристемы проводящие пучки неполные. Между интеркалярной меристемой и участком тканей под ней, несомненно, существует определенная связь, Интеркалярная меристема никогда не покоится на зрелых клетках, а всегда на таких, которые еще не закончили растяжение. В состоянии незаконченного растяжения эти клетки находятся довольно продолжительное время и только с прекращением деятельности интеркалярной меристемы растяжение возобновляется. Как видим, в междоузлиях злаков нижняя зона растяжения содержит клетки, которые после непродолжительного растяжения прекращают его и затем вновь возобновляют.
Очень интересен тот факт, что между этими клетками и клетками интеркалярной меристемы существуют большие различия в обмене веществ. В клетках нижней зоны растяжения активность ферментов повышается скачкообразно, а содержание крахмала резко увеличивается.
Иные особенности обмена веществ характерны для клеток основной паренхимы, расположенных кверху от интеркалярной меристемы. Здесь растяжение клеток не сопровождается резким, скачкообразным повышением активности ферментов и содержания крахмала. Формирование клеток основной паренхимы кверху от интеркалярной меристемы осуществляется на низком уровне обмена веществ и, судя по нашим данным, у них нельзя обнаружить тех закономерностей, которые установлены на основании биохимического изучения клеток зон роста корней. Эти клетки вскоре после прекращения роста отмирают, чего не происходит с теми, которые расположены книзу от интеркалярной меристемы.
В нижних междоузлиях отмирание клеток основной паренхимы начинается спустя некоторое время после прекращения роста междоузлий, в средних — непосредственно после прекращения их роста, а в верхних — даже во время интенсивного удлинения междоузлий. Это говорит о том, что между отмиранием клеток и их собственным возрастом нет прямой зависимости. У большинства междоузлий основная паренхима отмирает перед цветением растений. Следовательно, эта ткань не выполняет функции запасающей, из которой после оплодотворения перетекают питательные вещества, в частности углеводы, в развивающиеся зерновки.
Две части основной паренхимы выполняют, по-видимому, различные функции. У той ее части, которая расположена книзу от интеркалярной меристемы, основная функциональная нагрузка приходится на протоплазму, а у той, которая расположена кверху от нее,— на клеточные оболочки. В зависимости от этого обмен веществ в процессе формирования клеток двух частей основной паренхимы различен, причем различия в обмене наступают очень рано. Дифференциация клеток одной и той же ткани, как видим, тесно связана с их местоположением в междоузлии и функционированием метамера и стебля в целом.
На основании биохимического изучения целых растений разного возраста, целых органов или их частей различной степени дифференциации был сделан вывод, что дыхание меристем и вообще эмбриональных органов и молодых растений осуществляется с участием главным образом цитохромоксидазы. Однако наши исследования показали, что в меристематических клетках активность цитохромоксидазы весьма низкая; она возрастает при переходе клеток к растяжению и дифференциации, причем особенно резко в тех клетках, которые в зрелом состоянии принимают на себя большую функциональную нагрузку.
Кверху от интеркалярной меристемы активность цитохромоксидазы в растягивающихся клетках основной паренхимы возрастает, однако намного слабее, чем книзу от нее. Это говорит о том, что между активностью цитохромоксидазы, дифференциацией и функцией клеток существует тесная связь. Для клеток интеркалярной меристемы исследованных нами растений более характерны полифенолоксидаза и пероксид аз а. Активность этих ферментов в меристематических клетках достаточно высокая. На основании полученных данных мы приходим к выводу, что в интеркалярной меристеме, продуцирующей клетки основной паренхимы, главными конечными оксидазами являются полифенолоксидаза и пероксидаза.
Изучение распределения полифенольных соединений в различных зонах интеркалярного роста показало, что их уровень коррелирует с активностью этих ферментов. По-видимому, в клетках основной паренхимы большой удельный вес занимают системы полифенол—полифенолоксидаза и полифенол—пероксидаза, принимающие активное участие в дыхании клеток. Однако не исключено, что полифенольные соединения клеток основной паренхимы являются исходными веществами при образовании лигнина в оболочках других клеток — механических, ксилемы и др. Нами обнаружено, что стимуляция роста междоузлий гибберелловой кислотой увеличивает уровень поли фенольных соединений в клетках основной паренхимы, повышает активность пероксидазы и полифенолоксидазы и усиливает процессы лигнификации в проводящих пучках и в периферической части междоузлий. В литературе имеются многочисленные данные о причастности пероксидазы и полифенолоксидазы к образованию лигнина.
В последнее время в литературе появляется много данных о том, что полифенольные соединения могут выступать в роли стимуляторов и ингибиторов роста клеток. В этой связи представляют интерес наши данные о распределении полифенольных соединений в различных зонах роста основной паренхимы. Они показывают, во-первых, что в тот период, когда клетки нижней зоны растяжения приостановили рост, в них содержится много полифенолов. Это наводит на мысль, что они, возможно, выступают здесь в роли ингибиторов растяжения. С другой стороны, полифенольных соединений очень много в меристеме и клетках верхней зоны растяжения, т. е. в тех зонах, где интенсивно осуществляются процессы деления и растяжения клеток. Совершенно ясно, что в данном случае полифенольные соединения не могут выступать в роли ингибиторов роста. Возможно, что в верхней зоне растяжения полифенолы являются стимуляторами роста клеток. Следует отметить, что качественный состав полифенольных соединений верхних зон роста несколько иной, чем нижних.
Стимуляция роста междоузлий ГК изменяет структуру и обмен веществ клеток основной паренхимы и ткани в целом, несмотря на то, что общее количество ее клеток остается неизменным. Наиболее существенные изменения обмена веществ в клетках основной паренхимы сводятся к повышению уровня полифенольных соединений, активности полифенолоксидазы и пероксидазы, усилению процессов лигнификации, снижению содержания крахмала и крахмалсинтезирующей активности фосфорилазы. Усиление процессов лигнификации связано, по-видимому, с повышением уровня полифенолов и активности полифенолоксидазы и пероксид азы, а снижение содержания крахмала — со снижением крахмалсинтезирующей активности фосфорилазы. Не исключено, что к подавлению активности фосфорилазы причастны полифенолы.
Гистохимическое исследование обмена веществ в клетках основной паренхимы позволило обнаружить еще одну интересную закономерность. Прекращение роста и созревание клеток основной паренхимы не сопровождается снижением пероксидазы и каталазы. Активность последней даже повышается в клетках, прекративших рост. Таким образом, прекращение роста клеток не всегда сопровождается снижением активности ферментов, как это часто отмечается для клеток корня.
Итак, гистохимическое исследование обмена веществ в процессе роста и дифференциации клеток отдельной ткани позволило установить ряд закономерностей, отличающихся от тех, которые установлены для клеток корней. Многие из них пока нельзя объяснить. Но уже полученные результаты убедительно показали, что рост и дифференциация клеток отдельной ткани имеет свои специфические закономерности, отличные от закономерностей роста и дифференциации «усредненной клетки». Они показали также, что обмен веществ в клетках одной ткани тесно связан с их местоположением в органе и типом его роста.
Тщательное исследование обмена веществ в процессе роста и дифференциации клеток различных тканей поможет ближе подойти к раскрытию одной из наиболее сложных ботанических и общебиологических проблем — проблемы дифференциации клеток.
В настоящей главе рассмотрены лишь некоторые стороны метаболизма растущей клетки, причем наибольшее внимание уделено клеткам основной паренхимы междоузлий злаков. Мы не считали необходимым останавливаться на биохимических аспектах роста клеток корня, которые хорошо и глубоко освещены в недавно вышедшей книге Н. В. Обручевой. Вопросы, относящиеся к механизму включения ауксинов в обмен веществ растущих клеток, будут рассмотрены ниже.