УЧАСТИЕ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА В РЕГУЛЯЦИИ РОСТА И РАЗВИТИЯ КОРНЯ

Стриж И.Г.
Кандидат биологических наук, биологический факультет,
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Кислород является жизненно важным элементом на Земле и участником множества биологических процессов и биохимических реакций. Уникальной особенностью молекулярного кислорода является его способность выступать в качестве универсального акцептора электронов не только в процессе дыхания, но и в процессе фотосинтеза, а также при окислении различных субстратов. В результате, образуются активные формы кислорода (АФК), значение и роль которых в жизнедеятельности биологических систем активно исследуется и обсуждается, начиная с пионерских работ академика А.Н. Баха, на протяжении последних 100 лет. Несмотря на вековую историю, интерес к изучению АФК не только не ослабевает, но значительно усиливается благодаря развитию абсолютно новых методов исследований биологических систем. Долгое время, основной развиваемой идеей о роли АФК была идея об «иммунном» ответе, а именно о токсической роли АФК, образующихся в клетках по отношению, например, к патогенным микроорганизмам. В последние годы, активно стали обсуждать АФК как необходимые компоненты сигнальных цепей, позволяющих растениям реагировать на неблагоприятные условия окружающей среды. Таким образом, большинство исследователей сосредоточили свои усилия на поиске взаимосвязи продукции АФК с устойчивостью растений.

Вместе с тем, относительно недавно, в частности благодаря интенсивному развитию методов флуоресцентной микроскопии, ученые обнаружили, что образование АФК происходит в норме практически на всех этапах роста растений. В связи с этим были начаты исследования, нацеленные на расшифровку механизмов участия АФК в регуляции роста и развития растений. Было обнаружено, что АФК являются необходимыми компонентами тропизмов растений. Известно, что гравитропическая стимуляция корней кукурузы приводит к перераспределению полярного транспорта индолил-3-уксуснной кислоты (ИУК), основного гормона растений, регулирующего процессы роста и растяжения. Было показано, что этот процесс тесно взаимосвязан с образованием АФК. Недавно было продемонстрировано, что в растущем кончике корня Arabidopsis распределение определенных АФК четко соответствует зональному строению корня: продукция О2 регистрируется в зоне растяжения, тогда как Н2О2 накапливается в зоне дифференцировки и в клеточных стенках корневых волосков в момент их образования. Механизм действия и роль АФК в регуляции процессов роста и развития, по-видимому, различается в зависимости от конкретной формы АФК (О2, Н2О2 или ОН• ), а также от конкретного места их образования, т.е. от компетентности клеток.

Если продукция О2 необходима для роста растяжением, то продукция Н2О2 коррелирует с образованием сшивок в клеточных стенках, что приводит к торможению растяжения клетки. Следует подчеркнуть, что на сегодняшний день остается невыясненным как целый ряд звеньев сигнальных цепей, так и, зачастую, происхождение АФК, вызывающих ту или иную ответную реакцию. Исследования в этом направлении, несомненно, имеют большое значение для выяснения механизмов регуляции роста и развития растений. НАДФН-оксидаза, как основной поставщик АФК, необходимых для роста и развития корня. Одной из наиболее хорошо изученных редокс- систем плазмалеммы, вовлеченных в продукцию АФК в клетках корня, является НАДФН-зависимая оксидазная система, которая, как считают некоторые исследователи, подобна NOX системе, функционирующей в нейтрофилах млекопитающих. В растениях гомологи NOX названы «оксидазами дыхательного взрыва» (Rboh), они также участвуют в производстве АФК в ответ на действие патогена. В геноме Arabidopsis обнаружено 10 генов, кодирующих каталитические субъединицы НАДФН- оксидазы. Выделяют 3 класса Rboh, в зависимости от их экспрессии по тканям: 1) экспрессирующиеся повсеместно в растении (AtrbohD и F); 2) экспрессирующиеся только в корнях (AtrbohA-G, I); 3) экспрессирующиеся в пыльце (Atrboh H и J). Результатом активации НАДФН-оксидазного комплекса является передача электронов от цитозольного НАДФН или НАДН на О2 на внешней поверхности клетки с образованием О2, который затем дисмутирует с образованием более стабильного Н2О2.

В настоящее время, благодаря использованию мутантов по генам Rboh получены весомые доказательства того, что функцией этих ферментов является производство АФК для выполнения различных физиологических задач, в том числе и задач роста и развития. Потребность в АФК для концевого типа роста была продемонстрирована на клетках корневых волосков с использованием мутантов по НАДФН-оксидазе. Эти данные позволяют объяснить хорошо и давно известный факт, что для появления корневых волосков необходим кислород: в отсутствии аэрации корневые волоски не образуются. Механизм участия О2 в концевом росте, по-видимому, носит сложный характер. Показано, что АФК активируют гиперполяризационно-активируемый кальциевый канал, следовательно, образующийся в кончике будущего корневого волоска О2 необходим для формирования градиента ионов кальция. Рост пыльцевой трубки, который также относится к концевому типу, тоже требует присутствия АФК. АФК, образующиеся при работе НАДФН оксидаз, также участвуют в передаче гормональных сигналов в растении. Показано, что двойные мутанты Аrabidopsis по генам НАДФН оксидаз менее чувствительны к абсцизовой кислоте (АБК), а atrbohF мутанты Arabidopsis имеют более низкий уровень роста растяжением по сравнению с диким типом. Полученные данные являются физиологическим доказательством необходимости образуемых НАДФН-оксидазой АФК для роста растяжением. Следовательно, хорошо известное ингибирующее действие АБК на рост корня, по-видимому, связано с ингибированием работы ферментов, продуцирующих АФК. Недавно было показано, что гиббереллин– опосредованный рост клеток корня, также, по крайней мере частично, связан с продукцией АФК НАДФН-оксидазами плазмалеммы. Как полагают некоторые исследователи, образование АФК с участием НАДФН-оксидаз является главной отличительной чертой клеток и органов, участвующих в росте растяжением. В корнях кукурузы применение ингибитора НАДФН- оксидаз, снижающего уровень О2, показало, что рост корня зависит от образования АФК в апопласте.

Похожие эксперименты на корнях Arabidopsis позволили показать, что от уровня О2, образующегося при работе НАДФН-оксидаз плазмалеммы, зависит уровень апопластного H2O2, который может метаболизироваться пероксидазами клеточной стенки с образованием ОН•. Таким образом, продукция О2 НАДФН- оксидазами тесно связана с работой пероксидаз клеточной стенки. Пероксидазы клеточной стенки, их роль в регуляции роста и развития корня. Пероксидазы обычно рассматриваются в качестве антиоксидантов, защищающих клетки от разрушительного действия H2O2. В классическом пероксидазном цикле ферменты действительно катализируют восстановление H2O2 за счет электронов различных молекул-доноров, таких как фенольные соединения, предшественники лигнина, ауксин и различные вторичные метаболиты (Рис. 1). Однако помимо такой активности, пероксидазы могут проявлять и оксидазную активность с окислением железа гема из валентности 2 в валентность 3 и передачей электронов от восстановителей, таких как НАДН, на кислород. Подобная активность пероксидазы приводит к образованию О2 и H2O2. Предполагается также и третий тип реакции с образованием наиболее агрессивного кислородного радикала – гидроксильного радикала – из H2O2 в присутствии О2.

Таким образом, пероксидазы могут считаться бифункциоальными энзимами, способными окислять различные субстраты в присутствии H2O2, а также образовывать АФК. Разнообразие субстратов, окисляемых регулярно в пероксидазном цикле, объясняет, почему данные ферменты участвуют в широком спектре физиологических процессов, таких как катаболизм ауксина, образование лигнина и суберина, связывание компонентов клеточной стенки, защита от патогенов и рост клеток растяжением. До недавнего времени пероксидазам клеточной стенки не приписывалось иных функций, кроме их вовлечения в процесс биосинтеза лигнина и связанных с этим реакций образования поперечных сшивок в Рис. 1. Каталитический цикл пероксидаз класса III.клеточных стенках. Но около десяти лет назад появились экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что эти ферменты могут выполнять намного более широкий спектр физиологических функций, связанных с их АФК-продуцирующей активностью. Было, например, показано, что прорастающие семена редиса секретируют АФК и пероксидазу, причем, данный процесс завит от света, АБК и гиббереллина.

Доказано, что ОН• , образующийся при взаимодействии О2 с пероксидазами апопласта участвует в разрыхлении клеточной стенки, что является необходимым элементом растяжения клеток первичного корня. Рост клетки растяжением зависит от гидростатического давления, а ОН• , полученный в ходе апопластного метаболизма О2, может участвовать в разложении полимеров клеточной стенки, а также контроле активности ионных и водных каналов. Показано, что метаболизм ИУК пероксидазами тесно связан с продукцией АФК. На основании рассмотренных данных, можно заключить, что активные формы кислорода играют важную роль в процессах роста и развития растений, в том числе и в росте и развитии корня.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector