МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ
«ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ»
Направление – 020209.65 «Микробиология»
Форма подготовки очная
Школа естественных наук
Кафедра биохимии, микробиологии и биотехнологии
курс 3 семестр 6 .
лекции 34 (час.)
практические занятия 0 час.
семинарские занятия 0 час.
лабораторные работы 34 час.
всего часов аудиторной нагрузки 68 (час.)
самостоятельная работа 67 (час.)
реферативные работы –
контрольные работы –
зачёт - семестр
экзамен 6 семестр
Учебно-методический комплекс составлен на основании требований государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования (№ Гос.Рег. 86
ЕН/СП от 10 марта 2000 г.).
Учебно-методический комплекс дисциплины обсужден на заседании кафедры
Биохимии, микробиологии и биотехнологии « 20 » июня 2011 г., протокол № 10.
Заведующий кафедрой Костецкий Эдуард Яковлевич
Составитель: Веланский Петр Владимирович, старший преподаватель.
СОДЕРЖАНИЕ
Аннотация………………………………………………………………………………………...3
Рабочая программа учебной дисциплины…………………………………………..................5
Конспекты лекций ………………………………………………………..................................14
Материалы лабораторных занятий..........................................................................................216
Материалы для организации самостоятельной работы студентов ......................................221
Контрольно-измерительные материалы …….…………………............................................229
Список литературы …………………………………………………………………………...236
Глоссарий………………………………………………………………………………………239
Дополнительные материалы.....................................................................................................246
2
Аннотация учебно-методического комплекса дисциплины
«Физиология растений»
Учебно-методический комплекс дисциплины «Физиология растений»
разработан для студентов специальности 020209.65 «Микробиология» в
соответствии с требованиями ГОС 2 ВПО по данной специальности
(утверждено приказом и.о. ректора ДВФУ от 17.04.2012 № 12-13-87).
Дисциплина
«Физиология
растений»
входит
в
базовую
общепрофессиональную часть цикла (ОПД.Ф.07).
Общая трудоёмкость освоения дисциплины составляет 135 часов.
Учебным планом предусмотрены лекционные занятия (34 часов),
лабораторные работы (34 часа), самостоятельная работа студента (67 часов).
Дисциплина реализуется на 3 курсе в 6 семестре.
Содержание дисциплины охватывает следующий круг вопросов:
Предмет физиологии растений. Водный обмен растений. Минеральное
питание, физиолого-биохимическая
роль
элементов
минерального
питания. Фотосинтез. Брожение и дыхание растений. Гетеротрофный способ
питания у растений. Транспорт веществ по растению. Рост и развитие
растений. Физиология размножения растений. Движения растений. Основы и
механизмы устойчивости растений. Физиологические основы стресса
растений. Система антиоксидантной защиты. Засухоустойчивость.
Устойчивость к высоким и низким температурам. Солеустойчивость.
Устойчивость к затоплению. Устойчивость растений к патогенам.
Фитогормоны. Вторичные метаболиты растений.
Изучение дисциплины «Физиология растений» базируется на знаниях,
полученных в курсах: «Неорганическая химия», «Органическая химия»,
«Математика», «Физика», «Цитология», «Ботаника», «Биохимия».
Освоение данной дисциплины необходимо для формирования у
студентов научного мировоззрения и формирования знаний при изучении
дисциплин профессионального и профильного циклов.
Учебно-методический комплекс включает в себя:
рабочую программу учебной дисциплины;
конспекты лекций (краткие опорные конспекты, включающие
проблемные вопросы);
материалы лабораторных работ;
материалы для организации самостоятельной работы студентов
(полные тексты заданий самостоятельной работы и методические указания
по их выполнению);
контрольно-измерительные материалы;
список литературы;
глоссарий;
дополнительные материалы: научные публикации.
3
Достоинством данного УМКД является лекционный курс, дающий
системные представления о физиологии растений. Лабораторнае занятия
дополняют теоретические знания, полученные студентами на лекциях. К
наиболее
методически
разработанным
разделам
можно
отнести
раздел,посвященный физиологии и биохимии клетки.
Автор-составитель учебно-методического комплекса
(к.б.н., старший преподаватель кафедры биохимии, микробиологии и
биотехнологии Школы естественных наук ДВФУ) Веланский П.В.
Зав. кафедрой кафедры биохимии, микробиологии и биотехнологии
Костецкий Э.Я
4
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА РЕГИОНАЛЬНЫХ И МЕЖДУНАРОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДВФУ
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ (РПУД)
«ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ»
Направление – 020209.65 «Микробиология»
Форма подготовки очная
Школа естественных наук
Кафедра биохимии, микробиологии и биотехнологии
курс 3 семестр 6 .
лекции 34 (час.)
практические занятия 0 час.
семинарские занятия 0 час.
лабораторные работы 34 час.
всего часов аудиторной нагрузки 68 (час.)
самостоятельная работа 67 (час.)
реферативные работы –
контрольные работы –
зачёт - семестр
экзамен 6 семестр
Рабочая программа составлена на основании требований государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования (№ Гос. Рег. 86
ЕН/СП от 10 марта 2000 г.).
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры биохимии, микробиологии и
биотехнологии « 20 » июня 2011 г., протокол № 10.
Заведующий кафедрой Костецкий Эдуард Яковлевич
Составитель: Веланский Петр Владимирович, старший преподаватель.
5
Оборотная сторона титульного листа РПУД
I. Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:
Протокол от «_____» _________________ 20___ г. ______
Заведующий кафедрой _______________________ Костецкий Э.Я.
(подпись)
(И.О. Фамилия)
II. Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры:
Протокол от «_____» _________________ 20___ г. № ______
Заведующий кафедрой _______________________ __________________
(подпись)
(И.О. Фамилия)
6
АННОТАЦИЯ
Дисциплина является базовой в биологическом образовании и
относится к наукам о физиологии. Программа определяет общий объем
знаний по физиологии растений в соответствии с проектом ГОС ВПО.
Дисциплина «Физиология растений» относится к циклу (ОПД.Ф.), т.е. –
профессиональному циклу (базовая общепрофессиональная часть) по
специальности «Микробиология» 020209.65.
Рабочая учебная программа курса «Физиология растений» составлена
в
соответствии
с
требованиями
государственного
образовательного
стандарта. Основная цель курса – формирование представления о
закономерностях
жизнедеятельности
растений,
молекулярных
генетических
взаимозависимости
и
основах
биохимических,
сложных
функций и механизмов их регуляции в системе целого организма
Цель курса – цель сформировать у студентов представление о
закономерностях
жизнедеятельности
растений,
молекулярных
генетических
взаимозависимости
и
основах
биохимических,
сложных
функций и механизмов их регуляции в системе целого организма,
профессиональные первичные навыки лабораторного анализа и постановки
эксперимента в ходе изучения растительных организмов.
В результате изучения дисциплины студент должен знать:
• особенности строения и работы растительной клетки;
• современные представления о фотосинтезе как физиологической функции,
составляющей основу биоэнергетики;
• специфические черты дыхательного метаболизма растений;
• функции элементов минерального питания и водного обмена растений;
• закономерности роста и развития растений, принципы гормональной
регуляции;
Студент должен уметь:
7
• с использованием современных методов провести физиологический
эксперимент;
• применять знания по физиологии растений для освоения других
общепрофессиональных дисциплин и решения профессиональных задач.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
I. СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ КУРСА (34 ЧАСА)
Тема 1. Введение. Предмет физиологии растений. (2 часа).
Уровни организации растительного организма. Методологические
подходы изучения жизнедеятельности растений.
Тема 2. Физиология и биохимия растительной клетки. (2 часа).
Строение клетки: клеточная оболочка, цитоплазма, ядро, митохондрии,
хлоропласты, вакуоль, аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум,
лизосомы, рибосомы. Основные физиологические функции структурных
компонентов клетки.
Поступление воды в растительную клетку. Диффузия и осмос. Клетка
как осмотическая система. Поступление веществ в растительную клетку
Тема 3. Водный обмен растений. (2 часа).
Физические и химические свойства воды. Распределение воды в клетке
и в организме. Водный баланс растений. Транспирация. Лист как орган
транспирации. Корневая система как орган поглощения воды. Основные
двигатели водного тока. Передвижение воды по сосудам ксилемы. Водный
обмен у растений разных экологических групп.
Тема 4. Минеральное питание. (2 часа).
Физиолого-биохимическая роль элементов минерального питания
(углерода, азота, фосфора, серы, калия, кальция, кремния, микроэлементов).
Поступление минеральных солей через корневую систему. Поступление и
8
превращения
соединений
азота
в
растениях.
Почва
как
источник
питательных веществ. Применение удобрений.
Тема 5. Фотосинтез. (4 часа).
Хлоропласты. Химический состав и строение. Онтогенез пластид.
Пигменты фотосинтеза. Химические и физические свойства хлорофилла.
Каротиноиды. Фикобилины. Световая фаза фотосинтеза. Происхождение
кислорода при фотосинтезе. Циклический и нециклический транспорт
электронов.
Фотосинтетическое
фосфорилирование.
Темновая
фаза
фотосинтеза. С3 – путь фотосинтеза (цикл Кальвина), С4 – путь фотосинтеза
(цикл Хетча и Слэка), САМ-путь фотосинтеза. Фотодыхание.
Тема 6. Брожение и дыхание растений. (4 часа).
Брожение.
Начальный
этап
изучения
дыхания.
Оксиредуктазы.
Субстраты дыхания. Пути дыхательного обмена: гликолитический путь,
апотомический
путь,
прямое
окисление
сахаров.
Дыхательная
электронтранспортная цепь и окислительное фосфорилирование. Влияние
внешних и внутренних факторов на интенсивность дыхания. Взаимосвязь
дыхания с другими процессами обмена
Тема 7. Гетеротрофный способ питания у растений. (4 часа).
Сапрофиты.
Паразиты.
Насекомоядные
растения.
Гетеротрофный
способ питания за счет собственных органических веществ.
Тема 8. Транспорт веществ по растению. (2 часа).
Передвижение элементов минерального питания (восходящий ток).
Круговорот минеральных веществ в растении. Реутилизация. Особенности
передвижения ассимилятов по растению.
Тема 9. Рост и развитие растений. (6 часов).
Особенности роста клеток. Этапы онтогенеза высших растений. Типы
роста органов растения. Культура изолированных тканей. Гормоны роста
растений (фитогормоны). Движения растений. Тропизмы и настии. Развитие
растений. Этапы развития. Апоптоз. Половое размножение: инициация
9
цветения, детерминация пола, развитие цветка, опыление и оплодотворение,
развитие семян и плодов. Вегетативное размножение.
Тема 10. Движения растений. (2 часа).
Способы движения. Локомоторный способ движения у жгутиковых:
таксисы, механизм движения жгутиков. Верхушечный рост. Ростовые
движения: движение за счет роста растяжением, тропизмы, ростовые настии,
круговые нутации. Тургорные обратимые движения. Эволюция способов
движения.
Тема 11. Основы и механизмы устойчивости растений. (4 часа).
Физиологические основы стресса растений. Система антиоксидантной
защиты.
Засухоустойчивость.
температурам.
Устойчивость
Солеустойчивость.
к
высоким
Устойчивость
к
и
низким
затоплению.
Устойчивость растений к патогенам. Роль вторичных метаболитов в
защитных механизмах.
II. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ КУРСА
Лабораторные работы (34 часа)
1. Явление
плазмолиза
и
деплазмолиза.
Определение
осмотического
давления клеточного сока плазмолитическим методом (6 ч).
2. Определение вязкости протоплазмы (6 ч).
3. Проницаемость протоплазмы (6 ч).
4. Водный обмен. Определение интенсивности транспирации. Наблюдение
за устьичными движениями под микроскопом (4 ч).
5. Минеральное
питание
растений.
Определение
общей
и
рабочей
адсорбирующей поверхности корней методом Сабинина - Колосова (4 ч).
6. Растительные пигменты. Разделение пигментов методом хроматографии
(4 ч).
7. Количественное определение хлорофилла в листьях (4 ч).
10
III. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА (67 ЧАСОВ)
1. Работа с учебной литературой.
IV. ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ
1. Строение вторичной клеточной стенки.
2. Транспирация. Строение устьиц, регуляция устьичных движений.
3. Особенности водного обмена у растений разных экологических групп.
4. Круговорот азота в природе, доступные для растений формы азота.
Химическая и биологическая фиксация молекулярного азота атмосферы.
5. Пути ассимиляции аммиака в растении.
6. Редукция нитрата.
7. Нециклический и циклический транспорт электронов при фотосинтезе.
8. С3-путь фотосинтеза или цикл Кальвина.
9. Поглощение света и возбуждение хлорофилла. Строение антенных
комплексов.
10.Фотосистемы.
11.Фотодыхание. Схема, физиологическая роль.
12.С4-путь фотосинтеза или цикл Хетча и Слэка.
13.Фотосинтез по типу толстянковых (суккулентов).
14.Брожение. Типы, продукты брожения, распространение.
15.Глиоксилатный цикл..
16.Апотомический путь и прямое окисление сахаров при дыхании.
17.Гетеротрофный способ питания у растений. Типы гетеротрофного
питания, значение.
18.Деление растительных клеток. Образование фрагмопласта. Функция
клатрина. Неэквивалентный цитокинез.
19.Типы пластид и их формирование
20.Геном и белоксинтезирующая система пластид
11
21.Строение и белоксинтезирующий аппарат растительных митохондрий
22.Транспорт и сортировка белков в эукариотической клетке
23.Сигнальные системы клетки
24.Вторичные метаболиты. Классификация и функции.
25.Корневая система как орган поглощения воды.
26.Поглощение минеральных веществ растениями.
27.Строение и функции рибулозобисфосфаткарбоксилазы.
28.Влияние внутренних и внешних факторов на процесс фотосинтеза.
29.Хлорофиллы, строение и свойства.
30.Влияние внешних и внутренних факторов на интенсивность дыхания.
31.Взаимосвязь дыхания с другими процессами обмена растений.
32.Оксиредуктазы.
33.Хемосинтез. Принцип, распространение, роль хемосинтетиков
34.Ксилема. Строение, морфогенез, функция.
35.Флоэма. Строение, морфогенез, функция.
36.Типы секреции.
37.Строение и функции ауксинов.
38.Строение и функции гиббереллинов.
39.Строение и функции цитокининов.
40.Полярность растительных клеток
41.Дифференцировка клеток
42.Особенности роста растительных клеток.
43.Влияние факторов внешней среды на рост растений. Фитохром
44.Периодичность роста растений.
45.Устойчивость растений к патогенам.
46.Устойчивость растений к низким и высоким температурам.
47.Засухоустойчивость растений.
48.Солеустойчивость растений.
49.Строение и функции целлюлозы.
50.Строение и функции пектиновых компонентов.
12
51.Строение и функции гемицеллюлоз.
52.Строение и функции лигнина и суберина.
53.Строение и функции каротиноидов.
54.Строение и функции фикобилинов.
55.Строение и функции каллозы.
56.Функции Ф-белков (Phloem proteins) и форисом.
57.Строение и функции жасмонатов.
58.Строение и функции брассикостероидов.
59.Строение и функции этилена.
60.Функция PIN-белков.
61.Яровизация.
62.Тропизмы.
63.Ростовые настии.
64.Тургорные обратимые движения у растений.
65.Циклоаденилатная, сигнальная система.
66.MAP-киназная сигнальная система.
67.Фосфатидокислотная сигнальная система.
68.Кальциевая сигнальная система.
69.Липоксигеназная сигнальная система.
70.НАДФ-Н-оксидазная (супероксидсинтазная) и NO-синтазная сигнальные
системы.
71.Радиоустойчивость растений.
72.Устойчивость растений к недостатку кислорода.
V. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Алехина Н.Д., Балконин Ю.В., Гавриленко В.Д. и др. Физиология
растений М.: Изд. Центр «Академия», 2007
2. Физиология растений. Под ред. проф. Ермакова И.П. М.: Академия, 2007
13
3. Кузнецов В.В., Дмитриева Г.А. Физиология растений. М.: Высшая школа,
2005
4. Медведев С.С. Физиология растений. Учебник. СПб.: Изд-во СПб. ун-та,
2004. 336 с.
5. Якушкина Н.И., Бахтенко Е.Ю. Физиология растений. М.: 2005
6. Park S. Nobel. Physicochemical and environmental plant physiology. Fourth
edition. Elsevier Academic press. 2009
Дополнительная
1. Молекулярная биология клетки / Б. Альбертис, Д. Брей, Дж. Льюис и др.
В 3т. М.: Мир, 1994.
2. Малиновский В.И. Физиология растений Владивосток, ДВГУ: 2004
3. Гавриленко В.Ф., Гусев М.В., Никитина К.А., Хофман П. Главы
физиологии растений М.: 1986
4. Фотосинтез / Под ред. Говинджи. М.: Мир. 1987. Т. 1. 728 с.; Т. 2. 460 с.
5. Головко Т.К. Дыхание растений (физиологический аспект). СПб: Наука.
1999. 204 с.
6. Гудвин Т., Мерсер Э. Введение в биохимию растений. М.: 1986
7. Дерфлинг К. Гормоны растений. Системный подход. М.: 1985
8. Климашевский Э.Л. Генетический аспект минерального питания растений
М.: 1991
9. Малый практикум по физиологии растений (под ред. акад. А.Т.
Мокроносова) М.: изд-во московского университета, 1994
10.Метлицкий Л. В., Озерецковская О. Л. Как растения защищаются от
болезней М.: 1985
11.Курсанов А.Л. Транспорт ассимилятов в растении М.: 1976
12.Полевой, В. В. Фитогормоны / В. В. Полевой. – Л., 1982. 25. Полевой, В.
В. Физиология растений / В. В. Полевой. – М. : Высш. шк., 1989.
13.Тарчевский И.А. Метаболизм растений при стрессе. Казань, 2001
14
14.Эдвардс, С. Фотосинтез С3- и С4-растений: механизмы и регуляция /С.
Эдвардс, Д. Уокер. – М. : Мир, 1986. – 590 с.
15.Полевой В.В. Физиология растений
М.: 1989
16.Либберт Э. Физиология растений М.: 1976
VI.
МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
1. Крылова Н.В. Методические указания по курсу “Физиология растительной
клетки”.
Владивосток. ДВГУ, 1993.
2.
Крылова
Н.В.
Методические
указания
по
курсу
“Фотосинтез”
Владивосток. ДВГУ, 1993.
3. Малый практикум по физиологии растений. Под ред. Акад. А.Т.
Макроносова. МГУ.1994.
4. Бурцева Р.А. Практические занятия по физиологии и биохимии растений.
Владивосток.
ДВГУ, 1999.
VII. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
1. Лекционная аудитория с мультимедийным обеспечением.
2. Лаборатория для проведения лабораторных работ.
Оборудование:
1. Микроскопы, расходные материалы к ним
2. Фотоэлектроколориметр
3. Рефрактометр
4. Весы электронные
5. Лабораторная посуда, реактивы
интернет ресурсы:
15
1.
С.С. Медведев., Физиология растений, 2004
http://fizrast.ru/skachat/medvedev.html
2.
Н. Д. Алехина, Ю. В. Балнокин, В. Ф. Гавриленко и др. / Под ред.
И. П. Ермакова.,Физиология растений , 2005
http://fizrast.ru/skachat/ermakova.html
3.
Якушкина Н.И.,Физиология растений ,2004
http://fizrast.ru/skachat/yakushkina.html
16
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ
По дисциплине «ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ»
Направление – 020209.65 «Микробиология»
г. Владивосток
2011
17
Лекция 1. Введение. Предмет физиологии растений.
Физиология растений – это наука о процессах, происходящих в
растительном организме: почвенное, воздушное и гетеротрофное питание,
синтез, транспорт и распад веществ, рост и развитие, движения растений,
взаимодействие с патогенами, реакции на неблагоприятные факторы
внешней среды.
Физиология растений занимается процессами, происходящими на разных
уровнях организации: молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом,
органном, организменном и биоценотическом. Однако надо всегда иметь в
виду, что в растении все процессы на любом уровне организации
взаимосвязаны. Изменение какого-либо процесса сказывается на всей
жизнедеятельности организма. Кроме того, надо учитывать следующие
факторы:
растения являются продуктом длительной эволюции, в ходе которой
изменялись строение и обмен веществ растений под влиянием изменяющихся
условий внешней среды,
растительный организм неотделим от внешней среды, которая в
значительной мере влияет на обмен веществ в растении,
растительный организм развивается в течение всей своей жизни.
При изучении растительного организма возможны два подхода. Первый –
это переход от высокого уровня организации к более низкому. Большое
значение при этом имеет разработка модельных систем, применение которых
открывает новые возможности исследования растений. Так, например,
использование изолированных протопластов привело к большому прогрессу
в выяснении процессов проникновения и размножения вирусов в клетках
растений. Однако для того, чтобы понять закономерности жизнедеятельности
целого растения, этот подход недостаточен. Поэтому применяется и иной
путь – переход от изучения процессов на низком уровне организации к более
сложному.
18
Наука может считаться самостоятельной, если у нее есть свой объект,
предмет и свои методы исследования. Объектом физиологии растений
являются фототрофные организмы, т. е. организмы, синтезирующие
органические вещества из минеральных (СО2 и Н2О) с помощью энергии
света. Этот процесс назвали фотосинтезом.
Чем еще отличаются зеленые растения от незеленых организмов? Для
растений характерна очень большая поверхность тела по отношению к его
массе. Это объясняется тем, что чем больше побегов сформируется у
растения, тем из большего объема воздуха листья смогут поглощать
углекислый газ, необходимый для фотосинтеза, а хорошо разветвленные
корни имеют много зон активного поглощения веществ. Поглощать большие
количества СО2 и солей помогает и другая особенность зеленого растения —
неограниченный рост корней и стеблей. В отличие от большинства других
организмов растения прикреплены к определенному месту. Все эти
особенности влияют на функционирование органов растения.
Фототрофные организмы, изучаемые физиологией растений, находятся на
разных уровнях эволюции: водоросли, высшие споровые и семенные
растения.
Что значит изучить жизнь растения? Это значит изучить его свойства и
функции: воздушное питание — фотосинтез, корневое питание —
поглощение минеральных веществ из почвы, транспорт веществ, водный
обмен, рост и развитие растений, движение его органов, приспособление к
окружающим условиям.
Таким образом, предмет физиологии растений — это изучение всех
функций растительного организма; определение значения каждой из них для
организма в целом; установление взаимной связи функций и их зависимости
от внешних и внутренних факторов; изучение взаимодействия органов
растения. Следовательно, физиология не только описывает разные свойства и
процессы, идущие в растительном организме, а представляет собой систему
законов и закономерностей о жизни растения.
19
Живая материя построена по принципу иерархии: организм состоит из
органов, орган — из тканей, ткань — из клеток, клетка — из органелл.
Организмы
одного
вида,
сорта
образуют
популяцию;
несколько
растительных и животных популяций, обитающих на одной территории, —
сложную экологическую систему, или биогеоценоз.
Биогеоценоз — устойчивая система живых и косных (неживых)
компонентов природы, взаимодействующих путем обмена вещества и
потоков энергии в пределах однородного участка земной поверхности;
например лес, степь, луг, озеро, река и пр. Биогеоценозы формируют
биосферу — живую оболочку Земли. Кроме естественных биогеоценозов, на
планете существуют еще агрофитоценозы.
Агрофитоценоз — искусственное растительное сообщество, создаваемое
человеком. Примером могут служить посевы зерновых, посадки овощных,
плодовых и технических культур.
Итак, существует несколько уровней организации живой материи,
которые
можно
молекулярный,
расположить
клеточный
в
и
следующей
субклеточный,
последовательности:
тканевой,
органный,
организменный, популяционный, биогеоценологический и биосферный.
Изучение
закономерностей
теоретической
основой
жизнедеятельности
для
получения
растений
является
высоких
урожаев
сельскохозяйственных культур и, в дальнейшем, создания промышленных
установок по производству продуктов питания, материалов и топлива.
Лекция 2. Физиология и биохимия растительной клетки.
Клетка обладает сложной структурной организацией и представляет собой
систему, дифференцированную на отдельные органеллы. Растительная
клетка имеет клеточную стенку и протопласт. Протопласт состоит из ядра с
ядрышком, цитоплазмы и включенных в нее мембранных (вакуоль,
пластиды, митохондрии, аппарат Гольджи, лизосомы, эндоплазматический
ретикулум) и немембранных (микротрубочки, рибосомы) органелл. Все
20
органеллы погружены в матрикс цитоплазмы - гиалоплазму или основную
плазму.
Клеточная стенка. Характерной особенностью растительной клетки
является наличие жесткой (твердой) клеточной стенки. Клеточная оболочка
определяет форму клетки, придает клеткам и тканям растений механическую
прочность и опору, защищает цитоплазматическую мембрану от разрушения
под влиянием гидростатического давления, развиваемого внутри клетки.
Однако такую оболочку нельзя рассматривать только как механический
каркас. Клеточная оболочка обладает такими свойствами, которые позволяют
противостоять давлению воды внутри клетки, и в то же время обладает
растяжимостью
и
противоинфекционным
способностью
барьером,
к
принимает
росту.
Она
участие
в
является
поглощении
минеральных веществ, являясь своеобразным ионообменником. Появились
данные, что углеводные компоненты клеточной оболочки, взаимодействуя с
гормонами, вызывают ряд физиологических изменений. Для молодых
растущих клеток характерна первичная клеточная оболочка. По мере их
старения образуется вторичная структура. Первичная клеточная оболочка,
как правило, малоспециализирована, имеет более простое строение и
меньшую толщину, чем вторичная. В состав клеточной оболочки входят
целлюлоза, гемицеллюлозы, пектиновые вещества, липиды и небольшое
количество белка. Компоненты клеточной оболочки являются продуктами
жизнедеятельности клетки. Они выделяются из цитоплазмы и претерпевают
превращения на поверхности плазмалеммы. Первичные клеточные стенки
содержат
из
расчета
на
сухое
вещество:
25%
целлюлозы,
25%
гемицеллюлозы, 35% пектиновых веществ и 1—8% структурных белков.
Однако цифры весьма колеблются. Так, в состав клеточных стенок
колеоптилей злаков входит до 60—70% гемицеллюлоз, 20—25 % целлюлозы,
10% пектиновых веществ. Вместе с тем клеточные стенки эндосперма
содержат до 85% гемицеллюлоз. Во вторичных клеточных стенках больше
целлюлозы.
21
Остов
клеточной
оболочки
составляют
переплетенные
микро-
и
макрофибриллы целлюлозы. Целлюлоза, или клетчатка (С6Н10О5)n,
представляет собой длинные неразветвленные цепочки, состоящие из 3—10
тыс. остатков D-глюкозы, соединенных b-1,4-гликозидными связями.
Молекулы целлюлозы объединены в мицеллу, мицеллы объединены в
микрофибриллу,
микрофибриллы
Макрофибриллы,
мицеллы
и
объединены
микрофибриллы
в
макрофибриллу.
соединены
в
пучки
водородными связями. Диаметр мицеллы составляет 5 нм, диаметр
микрофибриллы — 25—30 нм, макрофибриллы — 0,5 мкм. Структура микрои
макрофибрилл
неоднородна.
Наряду
с
хорошо
организованными
кристаллическими участками имеются паракристаллические, аморфные.
Микро- и макрофибриллы целлюлозы в клеточной оболочке погружены в
аморфную
желеобразную
массу
—
матрикс.
Матрикс
состоит
из
гемицеллюлоз, пектиновых веществ и белка.
Гемицеллюлозы, или полуклетчатки,— это производные пентоз и гексоз.
Степень полимеризации у этих соединений меньше по сравнению с
клетчаткой (150—300 мономеров, соединенные b-1,3- и b-1,4-гли-козидными
связями). Из гемицеллюлоз наибольшее значение имеют ксилоглюканы,
которые входят в состав матрикса первичной клеточной стенки. Это цепочки
остатков D-глюкозы, соединенных b-1,4-гликозидными связями, у которых
от шестого углеродного атома глюкозы отходят боковые цепи, главным
образом из остатков D-ксилозы. К ксилозе могут присоединяться остатки
галактозы и фукозы. Гемицеллюлозы способны связываться с целлюлозой,
поэтому они формируют вокруг микрофибрилл целлюлозы оболочку,
скрепляя их в сложную цепь.
Пектиновые вещества — это полисахариды, образованные остатками
главным образом галактуроновой кислоты. Присутствуют во всех высших
растениях, особенно много во фруктах и в некоторых водорослях. Они
обусловливают высокую оводненность клеточной оболочки. Важнейшим
представителем
пектиновых
веществ
являются
рамногалактуронаны,
22
представляющие собой цепочку остатков oc-D-галактуроновой кислоты (Гк),
к которой в ряде мест присоединяются остатки рамнозы. Рамноза (С6Н1205)
— производное глюкозы. Вследствие внедрения рамнозы основная цепь
этого полисахарида при­обретает зигзагообразную форму. В некоторых
случаях четвертый углеродный атом рамнозы замещен на галактозу.
Пектиновые вещества содержат большое количество карбоксильных групп и
могут эффективно связывать ионы двухвалентных металлов, например, Са+2,
что играет роль в объединении компонентов клеточной стенки. Ионы Са+2
могут обмениваться на такие ионы как К+ и Н+, что обеспечивает
катионообменную способность.
Клеточные стенки содержат также белок экстенсин (до 10%). Это
гликопротеид, у которого около 30% всех аминокислот белковой части
представлено оксипролином. К оксипролину присоединяются углеводные
цепочки, состоящие из четырех остатков моносахара арабинозы. По
исследованиям
Д.
Лампорта,
именно
цепочки
арабинозы
придают
устойчивость структуре экстенсина. Вместе с тем экстенсии является
связующим звеном между полисахаридами, входящими в состав клеточной
оболочки, соединяя их в единый каркас. Наряду с этим в состав клеточной
оболочки входят специфические углевод-связывающие белки пектины,
согласно
современным
представлениям
участвующие
в
обеспечении
узнавания и взаимодействия клеток, рецепторных свойств, защиты от
инфекций. В клеточных оболочках локализован ряд ферментов, по
преимуществу гидролаз (глюкозидазы, гликозидазы и др.). Эти ферменты,
расщепляя соответствующие связи, могут участвовать в растяжении
клеточной оболочки.
Клеточная оболочка способна к утолщению и видоизменению. В
результате этого образуется ее вторичная структура. Утолщение оболочки
происходит путем наложения новых слоев на первичную оболочку. Ввиду
того, что наложение идет уже на твердую оболочку, фибриллы целлюлозы в
каждом слое лежат параллельно, а в соседних слоях — под углом друг к
23
другу. Предполагается, что за ориентацию микрофибрилл целлюлозы
ответственны микротрубочки. Этим достигается значительная прочность (и
твердость) вторичной оболочки. По мере того как число слоев фибрилл
целлюлозы становится больше, и толщина стенки увеличивается, она теряет
эластичность и способность к росту. Во вторичной клеточной стенке
содержание целлюлозы значительно возрастает (в некоторых случаях до 60%
и более).
По мере дальнейшего старения клеток матрикс оболочки может
заполняться различными веществами — лигнином, суберином. Лигнин —
это полимер, образующийся путем конденсации ароматических спиртов.
Включение лигнина сопровождается одревеснением, увеличением прочности
и
уменьшением
насыщенные
суберином
и
растяжимости.
ненасыщенные
клеточные
стенки
Мономерами
суберина
оксожирные
кислоты.
(опробковение
оболочки)
являются
Пропитанные
становятся
труднопроницаемыми для воды и растворов. На поверхности клеточной
стенки могут откладываться кутин и воск. Кутин состоит из оксожирных
кислот и их солей, выделяется через клеточную стенку на поверхность
эпидермальной клетки и участвует в образовании кутикулы. В состав
кутикулы могут входить воска, которые также секретирует цитоплазма.
Кутикула препятствует испарению воды, регулирует водно-тепловой режим
тканей растений.
Исследования позволили дать предположительную модель взаимосвязи и
взаиморасположения всех перечисленных веществ в клеточной стенке.
Согласно этой модели в первичной клеточной оболочке микрофибриллы
целлюлозы располагаются либо беспорядочно, либо перпендикулярно (в
основном) продольной оси клетки. Между микрофибриллами целлюлозы
находятся молекулы гемицеллюлозы, которые, в свою очередь, связаны через
пектиновые вещества с белком. При этом последовательность веществ
следующая: целлюлоза — гемицеллюлозы — пектиновые вещества — белок
— пектиновые вещества — гемицеллюлозы — целлюлоза. Микрофибриллы
24
целлюлозы
и
вещества
матрикса
оболочки
связаны
между
собой.
Единственными нековалентными связями являются водородные между
целлюлозными микрофибриллами и гемицеллюлозой (по преимуществу
ксилоглюканом). Между ксилоглюканом и пектиновыми веществами, так же
как и между пектиновыми веществами и белком экстенсином, возникают
ковалентные связи.
Клеточная стенка растительной клетки пронизана плазмодесмами. В
клеточной стенке они могут располагаться равномерно или группами.
Плазмодесмы обнаружены в клетках всех групп растений, за исключением
репродуктивных клеток. На каждые 100 мкм2 клеточной оболочки имеется
примерно 10—30 плазмодесм. Плазмодесма представляет собой канал (пору)
шириной до 1 мкм, выстланный плазмалеммой. В центре поры имеется
десмотрубка, которая образована мембранами эндоплазматической сети
соседних клеток. Десмотрубка окружена белками и слоем цитоплазмы,
которая
соединяется
с
цитоплазмами
соседних
клеток.
Благодаря
плазмодесмам цитоплазма всех объединена в единое целое — симпласт.
Взаимосвязанная система клеточных стенок и межклеточных промежутков
называется апопласт (свободное пространство). Симпласт и апопласт
являются важнейшими путями передвижения воды и минеральных веществ
между клетками. Одним из путей регуляции транспортной функции является
подвижность структуры плазмодесм (Ю.В. Гамалей) и объем свободного
пространства. Толщина клеточной стенки колеблется у разных видов
растений от десятых долей до 10 мкм. Так, клетки кортикальной паренхимы
более тонкие, а специализированные клетки эпидермиса, ксилемы, флоэмы и
другие — более толстые. У клетки отдельные стороны клеточной стенки
могут различаться по толщине, количеству плазмодесм. Клеточная стенка
внешней стороны клетки эпидермиса толще, имеет меньше плазмодесм, чем
внутренняя сторона этой клетки.
Между клеточными оболочками двух соседних клеток в местах их
соприкосновения имеется так называемая срединная пластинка; в состав
25
срединной пластинки входят пектиновые вещества, главным образом в виде
пектатов кальция (кальциевая соль пектиновой кислоты). Эти вещества как
бы цементируют, склеивают растущие клетки. При недостатке кальция
пектиновые вещества превращаются в слизь, наблюдается ослизнение ткани,
и клетки разъединяются (мацерация ткани). При созревании плодов
пектиновые вещества срединных пластинок, склеивающие клетки, переходят
в растворимую форму и благодаря этому плоды становятся мягкими.
Срединная пластинка является первым слоем, образующимся при делении
клетки.
Клеточная
оболочка
способна
к
эластическому
(обратимому)
и
пластическому (необратимому) растяжению. Эластическое растяжение
происходит под влиянием развивающегося в клетке давления воды
(тургорного давления). Макрофибриллы целлюлозы не связаны между собой
и скреплены только матриксом. Они под влиянием давления как бы
раздвигаются,
клеточная
оболочка
становится
тоньше.
Пластическое
необратимое растяжение это собственно рост клеточной оболочки. Рост
клеточной
оболочки
начинается
с
ее
разрыхления.
Поскольку
микрофибриллы практически не растягиваются в длину, то для того, чтобы
произошло растяжение оболочки, они должны скользить вдоль оси
растяжения, удаляясь друг от друга. Способность микрофибрилл скользить
друг около друга очень важна для обеспечения роста растяжением. Чем это
скольжение проходит легче, тем пластичнее клеточная стенка. Легкость
скольжения обусловлена водородными связями между микрофибриллами
целлюлозы и ксилоглюканом (пектиновыми веществами). Особенностью
этих связей является их лабильность — легкое разрушение и возобновление,
не требующее значительных энергетических затрат. После того как
растяжение
клетки
произошло,
между
вновь
образовавшимися
микрофибриллами целлюлозы и веществами матрикса возникают связи.
Подкисление увеличивает растяжимость клеток. В этом важную роль играет
экстенсии. Показано, что этот белок катализирует зависимое от рН
26
растяжение клеточных стенок. На размягчение клеточных стенок также
влияют ферменты глюканазы, которые вызывают распад ксилоглюкана.
Клеточные стенки неактивны и достаточно устойчивы, что и обеспечивает
выполнение механической и защитной функции. Однако под влиянием
патогенов они могут в течение секунд модифицироваться. Причем,
молекулы, образующиеся при распаде материала клеточных стенок, играют
роль сигналов, информируя растительный организм об инфекции и выполняя
защитную роль. Показано, что разрушение клеточных стенок может
приводить к накоплению олигосахаридов, способных стимулировать синтез
сигнальных молекул (фито-алексинов, этилена и др.), которые в соединении с
патогеном обусловливают дальнейший сигнал, рост и морфогенез у
изолированных частей (И.А. Тарчевский).
Цитоплазма растительной клетки — сложная многокомпонентная,
пластичная, дифференцированная система, включающая ряд мембранных и
немембранных структур. Именно в цитоплазме протекают основные
процессы метаболизма. С помощью центрифугирования цитоплазму можно
разделить на две примерно равные части. Все органоиды, как более тяжелые,
окажутся в осадке. Надосадочная жидкость и будет представлять основное
вещество цитоплазмы — гиалоплазму. Основная плазма, или гиалоплазма,
представляет собой среду, в которую погружены все органоиды клетки. Во
взаимодействии с ней и через нее осуществляются внутриклеточные
транспортные процессы, а соответственно связь между отдельными
органеллами. В ней протекают многие важнейшие биохимические процессы,
локализованы многочисленные ферменты.
Гиалоплазма
—
не
бесструктурная
масса.
Она
имеет
дифференцированную сложную, но легко перестраивающуюся структуру, от
состояния
которой
зависят
такие процессы
жизнедеятельности,
как
внутриклеточный транспорт везикул и органелл, активность ферментативных
процессов, их пространственная локализация. Структура гиалоплазмы
раскрыта благодаря применению иммунофлуоресцентной микроскопии.
27
Гиалоплазма включает сложную сеть белков (цитоскелет), состоящую из
микрофиламентов и микротрубочек. Цитоскелет играет важную роль в
процессах
митоза,
мейоза,
внутриклеточного
движения
цитоплазмы
(циклоза), образования клеточных стенок, транспорте воды и др.
Микрофиламенты — тонкие белковые нити диаметром 5—7 нм,
представляющие собой длинные цепочки глобулярного белка актина.
Обнаружены
также
особые
белки,
связывающие
между
собой
микрофиламенты с образованием сети. Именно от связывающих белков
зависит организация микрофиламентов. Вся эта структура очень лабильна.
Под
влиянием
различных
концентрация
кальция)
фрагменты
вновь
и
воздействий
микрофиламенты
собираются.
Это
(большое
значение
имеет
распадаются
на
отдельные
определяет
такие
свойства
цитоплазматического матрикса, как изменения вязкости, подвижность,
переход из состояния геля в золь и обратно.
Микротрубочки — полые цилиндрические органеллы диаметром 20—25
нм, достигающие в длину нескольких микрометров. Предполагают, что
стенки микротрубочек толщиной 5—8 нм состоят из цепочек глобулярного
белка тубулина, свернутых спирально. Микротрубочки могут разрушаться и
снова возникать. С микротрубочками связано движение цитоплазмы, участие
в различного рода перемещениях органелл. Предполагается участие
микротрубочек в построении клеточных стенок.
Рибосомы — это компактные рибонуклеопротеидные частицы диаметром
около 20 нм, лишенные мембран. Они состоят из белка и особого типа
рибонуклеиновой кислоты — рибосомальной (рРНК). В каждой клетке
несколько десятков тысяч рибосом. Они расположены не только в
цитоплазме, но и в ядре, в митохондриях, в пластидах. В связи с этим
различают два типа рибосом: 80S — цитоплазматические и 70S —
локализованные
в
органеллах.
Рибосомы
прокариот
имеют
также
коэффициент седиментации 70S (коэффициент седиментации характеризует
скорость осаждения частиц при ультрацентрифугировании). Основная
28
функция рибосом — синтез белка. Рибосомы состоят из двух субъединиц:
большой и малой. В большую субъединицу входят одна высокомолекулярная
РНК и две низкомолекулярные, в малую субъединицу — одна молекула
высокомолекулярной РНК. В состав рибосом входит также несколько
десятков разных молекул белка. РНК и белки объединены в рибосомах в
нуклеопротеидный тяж. Рибосомальная РНК представляет одинарную
цепочку
нуклеотидов,
однако
в
результате
взаимодействия
между
от­дельными звеньями цепочка частично спирализована. Спирализованные
участки составляют примерно 70% от всей длины цепочки, они непостоянны,
возникают и разрушаются. Образование рибосом происходит путем
самосборки. Составные части рибосом образуются в ядре. Так, рРНК
синтезируется в ядре, используя в качестве матрицы ядерную ДНК, а
рибосомальные белки синтезируются в ядрышке. Двухвалентные катионы
магния и кальция обеспечивают также ассоциацию субъединиц рибосом.
Мембраны. Большинство мембран имеет сходный химический состав —
примерно равное количество белков и липидов (60—40%) и небольшое
количество
(менее
10%)
углеводов.
Вместе
с
тем,
мембраны
с
биосинтетической функцией, например, внутренняя мембрана митохондрий,
содержат меньше липидов и больше белков, чем внешняя. Среди липидов
значительная доля принадлежит фосфолипидам. В мембранах растительной
клетки важное значение имеет фосфатидилглицерин. Это главный
фосфолипид
фотосинтетического
аппарата растений и
единственный
фосфолипид цианобактерий. Наряду с фосфолипидами в состав мембран
входят глико- и сульфолипиды.
Плазмалемма обладает полупроницаемостью, хотя и не идеальной. Она
хорошо проницаема для воды и значительно слабее для растворенных
веществ. В связи с этим показано, что белки, расположенные в плазмалемме,
приспособлены к избирательному транспорту отдельных веществ и воды.
Мембранные белки, образующие внутри мембраны каналы, проницаемые для
воды, носят название аквапорины. Ряд белков плазмалеммы осуществляет
29
рецепторную функцию, в частности, связываясь с гормонами. В процессе
роста клетки наблюдается быстрое увеличение поверхности плазмалеммы.
Это происходит путем присоединения к ней уже сформированных участков
мембран, принадлежащих пузырькам аппарата Гольджи.
Эндоплазматический ретикулум (ЭПР) или эндоплазматическая сеть —
сложная
система
каналов,
окруженных
мембранами
(6—7
нм),
пронизывающая всю толщу цитоплазмы. Каналы имеют расширения —
цистерны, которые могут обособляться в крупные пузырьки и сливаться в
вакуоли. Каналы и цистерны ЭПР заполнены электронно-прозрачной
жидкостью, содержащей растворимые белки и другие соединения. К
мембране ЭПР могут быть прикреплены рибосомы. Благодаря этому
поверхность мембран становится шероховатой. Такие мембраны носят
название гранулярных, в отличие от гладких — агранулярных. Мембраны
ЭПР связаны с мембраной ядра. Имеются данные, что эндоплазматический
ретикулум возникает благодаря выростам, образующимся на наружной
ядерной мембране. С другой стороны ядерная оболочка воссоздается из
пузырьков ЭПР на стадии телофазы.
Физиологическое
значение
эндоплазматического
ретикулума
многообразно. Мембраны ЭПР разделяют клетку на отдельные отсеки
(компартменты) и тем клетке по всей цитоплазме.
Аппарат Гольджи имеет два конца, два полюса: на одном полюсе,
формирующем,
образуются
новые
цистерны,
на
втором
полюсе,
секретирующем, происходит образование пузырьков. И тот, и другой процесс
происходят непрерывно: по мере того как одна цистерна образует пузырьки
и, таким образом, расформировывается, ее место занимает другая цистерна.
Расстояние между отдельными цистернами постоянно (20—25 нм). Одна из
основных функций аппарата Гольджи — это накопление и секреция веществ
и, прежде всего углеводов, что проявляется в его участии в формировании
клеточной оболочки и плазмалеммы. Одновременно цистерны аппарата
30
Гольджи, по-видимому, могут служить для удаления некоторых веществ,
выработанных клеткой.
Вакуоль — полость, заполненная клеточным соком и окруженная
мембраной (тонопластом). В молодой клетке обычно имеется несколько
мелких вакуолей (провакуолей). В процессе роста клетки образуется одна
центральная вакуоль, которая может занимать до 90% объема клетки. В
образовании вакуоли могут участвовать пузырьки, отделяющиеся от
аппарата Гольджи. Возможно образование «вторичных» вакуолей из
участков цитоплазмы, изолированных мембраной эндоплазматического
ретикулума, в которых с помощью гидролитических ферментов произошло
переваривание веществ. Из мембран эндоплазматической сети и возникает,
по-видимому,
тонопласт.
Тонопласт
обладает
избирательной
проницаемостью, в нем локализована система активного транспорта веществ.
Во многих случаях вещества, проникающие через плазмалемму, не
проникают через тонопласт и не попадают в вакуоль. Вакуоль содержит
клеточный сок, в котором растворены соли, органические кислоты, сахара,
ферменты, метаболиты (алкалоиды, фенолы) и другие соединения. В связи с
этим она определяет осмотическое поглощение воды, что особенно важно
при росте растяжением и для поддержания тургора клетки. В вакуолях ряда
клеток содержится пигмент (антоциан), который обусловливает окраску
цветков, плодов, а также частично осеннюю окраску листьев.
Вакуоли — это место, где могут аккумулироваться и сохраняться
запасные питательные вещества (сахароза, минеральные соли и др.). В
вакуолях содержится много протеолитических ферментов, таких как
протеазы, рибонуклеазы, гликозидазы и др. Предполагают участие этих
ферментов в образовании веществ клеточных стенок. Показано, что богатые
белками-ферментами вакуоли прорастающих семян (т. н. содержащие белок
вакуоли) обеспечивают гидролиз белков до аминокислот и синтез новых
белков, необходимых для формирования проростка. В вакуоль также
экскретируются различные клеточные отбросы, которые затем могут там
31
перерабатываться и обезвреживаться. Тонопласт может образовывать
инвагинации. При этом часть цитоплазмы включается в вакуоль и там
подвергается действию различных ферментов (переваривается).
Лизосомы — органеллы диаметром до 2 мкм — окружены мембраной,
возникшей из мембран эндоплазматической сети или аппарата Гольджи.
Внутренняя полость лизосом заполнена жидкостью, в которой содержатся
ферменты, главным образом гидролитические (протеазы, нуклеазы, липазы и
др.).
Микротельца — это окруженные одинарной мембраной пузырьки
сферической формы, более мелкие, чем лизосомы. Их диаметр равен 0,5—1,5
мкм. Микротельца возникают из ЭПР. Основная функция — накопление и
изоляция ферментов. Пероксисомы содержат ряд окислительных ферментов
(каталаза, гликолатоксидаза и др.) и осуществляют окисление различных
соединений с образованием перекиси водорода Н202. В пероксисомах
проходят
отдельные
встречаются
в
этапы
масличных
процесса
семенах
и
фотодыхания.
в
других
Глиоксисомы
тканях
растений,
накапливающих масла. Содержат те же ферменты, что и пероксисомы, а
также ферменты глиоксалатного цикла, которые участвуют в расщеплении
запасных жиров до Сахаров. В проростках этот процесс используется как
поставщик энергии для роста. Олеосомамы однослойной мембраной,
состоящей из фосфолипидов, которые гидро­фобной частью повернуты
внутрь к полости органеллы. В мембране имеются специальные белки
олеосины. Липиды олеосом при прорастании семян разрушаются и с
помощью ферментов глиоксосом подвергаются изменениям.
Митохондрии обычно имеют удлиненную палочковидную форму длиной
4—7 мкм и диаметром 0,5—2 мкм. Число митохондрий в клетке может быть
различным от 500 до 1000 и зависит от роли данного органа в процессах
энергетического обмена. Однако в некоторых организмах (дрожжах) имеется
лишь одна гигантская митохондрия.
32
Митохондрии
окружены
двойной
мембраной.
Толщина
мембран
составляет 6—10 нм. Мембраны митохондрий на 70% состоят из белка.
Фосфолипиды
мембран
фосфатидилэтаноламином,
представлены
а
также
фосфатидтилхолином,
специфическими
фосфолипидами,
например, кардиолипином. Мембраны митохондрий не пропускают Н+ и
служат барьером для их транспорта. Между мембранами находится
заполненное жидкостью перимитохондриальное пространство, равное 10 нм.
Внутреннее
пространство
митохондрий
заполняет
матрикс,
где
сосредоточены ферменты цикла Кребса.
Митохондрии могут ассоциировать друг с другом, как путем тесного
сближения, так и при помощи связующих тяжей. Наблюдаются также
контакты митохондрий с эндоплазматической сетью, ядром, хлоропластамиВ
растущих клетках в митохондриальном матриксе количество крист растет —
это коррелирует с увеличением интенсивности дыхания. Митохондрии
имеют свой онтогенез. В меристематических клетках можно наблюдать
инициальные частицы, которые представляют собой округлые образования,
окруженные двойной мембраной. Диаметр таких инициальных частиц
составляет
50
нм.
По
мере
роста
клетки
инициальные
частицы
увеличиваются в размере, удлиняются и их внутренняя мембрана образует
выросты. Вначале образуются промитохондрии. Они еще не достигают
окончательного
размера
и
имеют
мало
крист.
Сформировавшиеся
митохондрии делятся путем перетяжки или почкованием.
Ядро растительной клетки
Ядро открыто Р. Брауном в 1831 г. Значение ядра определяется, прежде
всего, наличием в нем дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Диаметр
ядра колеблется от 5 до 20 мкм. Во взрослых клетках ядро смещается к
периферии, что связано с появлением крупной центральной вакуоли.
Химический состав ядра представлен, главным образом, нуклеиновыми
ки­слотами и белками. Так, изолированные ядра клеток гороха содержат
33
ДНК — 14%, РНК — 12%, основных белков — 22,6%, прочих белков —
51,3%. Ядерная оболочка состоит из двух мембран толщиной около 8 нм
каждая, разделенных между собой перинуклеарным пространством шириной
20—30 нм, которое заполнено жидкостью.
Внешняя мембрана на поверхности имеет сложную складчатую структуру,
местами соединенную с эндоплазматической сетью. На внешней мембране
расположено большое количество рибосом. Внутренняя мембрана может
давать впячивания. Ядерная оболочка имеет поры. На 1 мкм2 ядерной
оболочки насчитывается от 10 до 100 пор диаметром около 20 нм.
В метаболический период в ядре имеется также одно или несколько
сферических гранул-ядрышек. Вещество ядрышка состоит из сильно
переплетенных нитей — нуклеонемы и содержит около 80% белка, 10—15%
РНК и некоторое количество ДНК. В ядрышке имеются рибосомы. Ядрышко
формируется
на
определенных
ядрышковым
организатором,
участках
таким
хромосомы,
образом,
являясь
называемых
производным
хромосомы.
Раздражимость. Это способность клетки реагировать на действие
внешних и внутренних факторов – раздражителей и передавать возбуждение
в другие клетки. Восприятие раздражения обозначают термином перцепция
или рецепция. У растений нет органов чувств, но есть рецепторные белки и
клетки, воспринимающие разные воздействия. Различают фото-, хемо- и
механорецепторы.
Возбуждение представляет собой измененное состояние клетки. В
отсутствие
раздражения
растительная
клетка
имеет
отрицательный
потенциал покоя от -50 до -200 мВ, то есть протоплазма заряжена
отрицательно по отношению к наружной поверхности. Это связано с тем. что
внутри клетки находится больше ионов хлора и калия, но меньше ионов
кальция, чем снаружи.
34
В ответ на раздражение возникает потенциал противоположного знака потенциал действия, который может распространяться и на время сравняться
или превысить потенциал покоя. Потенциал действия образуется в результате
выхода ионов хлора из клетки и поступления ионов кальция в клетку.
Раздражение
воспринимается
клеткой,
если
его
сила
превышает
пороговую величину. Следующие друг за другом подпороговые раздражения
могут
суммироваться,
если интервалы
между ними
незначительны.
Минимальное время, необходимое для рецепции, называют временем
презентации.
Установлены следующие законы раздражимости:
1. Закон силы раздражения: чем больше раздражение, тем сильнее
ответная реакция.
2. Закон длительности раздражения: чем длительнее раздражение, тем
сильнее ответная реакция.
3. Закон количества раздражения: чем больше сила раздражения, тем
меньше время презентации.
4. Закон градиента раздражения: чем выше скорость нарастания силы
раздражителя, тем больше ответная реакция.
При действии чрезмерно сильных и (или) длительных воздействий
чувствительность клеток к раздражителю снижается и клетки могут
погибнуть.
Реституция - это восстановление исходного состояния после раздражения.
Она идет с затратой энергии и тормозится под действием наркотиков,
ингибиторов дыхания, при недостатке кислорода и снижении температуры.
Во время реституции клетки находятся в рефрактерном периоде, когда новое
раздражение не вызывает возбуждения.
Поступление воды в клетку. Диффузия и осмос.
При температуре выше абсолютного нуля все молекулы находятся в
постоянном движении. Диффузия - это процесс, ведущий к равномерному
35
распределению молекул газов или растворенного вещества и растворителя
благодаря их постоянному движению. Диффузия всегда направлена от
большей концентрации вещества к меньшей. Количество вещества J,
диффундирующего в единицу времени через воображаемое поперечное
сечение, зависит от величины градиента dc/dx (градиент – мера изменения
какого-либо параметра с расстоянием или временем) и от природы
диффундирующего вещества, влияющего на коэффициент диффузии D. Это
1-й закон диффузии Фика, который описывается следующим уравнением:
J = - D dc/dx,
так как суммарный поток направлен в сторону области меньшей
концентрации, в уравнении стоит знак минус.
Скорость диффузии уменьшается с увеличением ее продолжительности.
Проходимое путем диффузии расстояние пропорционально не времени, как
при равномерном движении, а ее квадратному корню. Это 2-й закон
диффузии Фика:
dc/dt = D dc2/dx2,
где dc/dt – изменение концентрации вещества во времени.
Диффузия воды через полупроницаемую мембрану называется осмосом.
Полупроницаемая мембрана - это мембрана хорошо проницаемая для воды и
непроницаемая или плохо проницаемая для растворенных в воде веществ.
Осмотическая ячейка - это пространство, окруженное полупроницаемой
мембраной и заполненное каким-либо водным раствором. Все клеточные
мембраны,
в
том
числе
плазмалемма
и
тонопласт,
являются
полупроницаемыми мембранами. Вода проходит в клетку через водные поры
в плазмалемме, образованные специальными белками аквапоринами.
Внутри осмотической ячейки раствор развивает осмотическое давление :
= i c R T,
где с – концентрация раствора в молях, Т - абсолютная температура, R газовая постоянная 0,082 л атм/град моль, i – изотонический
36
коэффициент, равный 1 + (n-1), где - степень электролитической
диссоциации, n – число ионов, на которые распадается молекула электролита.
Благодаря осмотическому притоку воды в клетку там возникает
гидростатическое давление, называемое тургорным. Это давление прижимает
цитоплазму к клеточной стенке и растягивает ее. Клеточная стенка имеет
ограниченную
эластичность
и
оказывает
равное
противодавление.
Эластическое растяжение ткани благодаря тургорному давлению ее клеток
придает твердость не одревесневшим частям растений. Завядающие побеги
становятся дряблыми, так как при потере воды тургорное давление падает.
Тургорное давление противодействует притоку воды в клетку. Давление, с
которым вода осмотически притекает в клетку, равно таким образом,
разности между осмотическим давлением и тургорным давлением P. Эту
величину называют сосущей силой S: S = - P. Вода поступает в клетку из
внешнего раствора, если его потенциальное осмотическое давление меньше
сосущей силы клетки и, наоборот, вода выходит из клетки в раствор с более
высоким потенциальным осмотическим давлением.
При термодинамической трактовке сосущая сила заменяется водным
потенциалом w. Водный потенциал можно определить как работу,
необходимую для того, чтобы поднять потенциал связанной воды до
потенциала чистой, то есть свободной воды. Термин водный потенциал не
совсем точен. Правильнее, но менее употребителен термин разность
потенциалов
воды,
поскольку
он
определяется
разностью
между
химическими потенциалами воды в системе w (например, вакуоле) и чистой
воды ow при атмосферном давлении. Абсолютные значения w и ow
неизвестны, но их разность можно определить. Она всегда отрицательна.
Потенциал воды в растворе, растении, почве и атмосфере меньше 0.
Потенциал чистой воды равен 0.
Можно также заменить и P на потенциалы, а именно на осмотический
потенциал (отрицательный) и потенциал давления р (как правило,
37
положительный). В таком случае осмотическое уравнение превращается в
уравнение потенциала воды:
- w = - - р ( размерность бар = эрг см-3 106)
Величину
осмотического
потенциала
можно
определить
плазмолитическим методом. Плазмолиз - это процесс, обусловленный
потерей воды клеткой. Он проявляется в отходе протопласта от клеточной
стенки. В отдельных местах цитоплазма может в течение более или менее
продолжительного времени сохранять связь с клеточной стенкой, образуя так
называемые нити Гехта. Наблюдаются различные формы плазмолиза:
выпуклый плазмолиз при небольшой вязкости цитоплазмы и вогнутый
плазмолиз при высокой вязкости цитоплазмы (рис. 2.4). При переносе
плазмолизированных тканей в гипотонический раствор или чистую воду вода
поступает в клетку и происходит деплазмолиз. Количество воды в клетке
увеличивается, объем вакуоли возрастает и она прижимает цитоплазму к
клеточной
стенке.
изоосмотического
Плазмолитический
(изотонического)
метод
раствора,
основан
то
есть
на
подборе
имеющего
осмотический потенциал равный осмотическому потенциалу клетки. Раствор,
при котором начался плазмолиз, имеет осмотический потенциал примерно
равный осмотическому потенциалу клетки. Зная концентрацию наружного
раствора в молях, можно вычислить осмотический потенциал клетки.
Иногда при сильном завядании протопласт не отстает от клеточной стенки
как при плазмолизе, а сжимается и тянет ее за собой. При этом клеточная
стенка прогибается. Это явление называют циторризом. Развивается
натяжение или отрицательное давление стенки и потенциал тургорного
давления приобретает отрицательное значение. В этом случае величина
водного потенциала определяется уже не разностью, а суммой осмотического
потенциала и потенциала давления: -w = - + p.
Величина осмотического потенциала позволяет судить о способности
растения поглощать воду из почвы и удерживать ее, несмотря на
иссушающее действие атмосферы. Осмотический потенциал колеблется у
38
разных растений в пределах от -5 до -200 бар. У водных растений
осмотический потенциал около -1 бара. У большинства растений средней
полосы осмотический потенциал колеблется от -5 до -30 бар, растения степей
и
пустынь
имеют
более
отрицательный
осмотический
потенциал.
Осмотический потенциал различен и у разных жизненных форм. У деревьев
он более отрицателен, чем у кустарников и травянистых растений,
соответственно. У светолюбивых растений осмотический потенциал более
отрицателен, чем у теневыносливых растений.
Поступление воды в клетку обусловлено не только осмотическим
давлением, но и силой набухания. Набуханием называют поглощение
жидкости или пара высокомолекулярным веществом (набухающим телом),
сопровождаемое увеличением объема. Явление набухания обусловлено
коллоидальными и капиллярными эффектами. В протоплазме преобладает
набухание на коллоидальной основе (гидратация коллоидов), а в клеточной
стенке наблюдаются оба эффекта: капиллярный - накопление воды между
микрофибриллами и в межмицеллярных пространствах и коллоидальный гидратация полисахаридов, особенно гемицеллюлоз.
У
некоторых
частей
растений
поглощение
воды
происходит
исключительно путем набухания, например, у семян. Вода диффундирует в
набухающее тело. Благодаря большому сродству набухающего тела к воде
при набухании может возникать давление набухания в несколько сотен
атмосфер. Силу набухания обозначают термином матричный потенциал .
Таким образом, для клетки характерны следующие уравнения водного
потенциала:
вакуоль: -w = - - p
протоплазма: -w = - - p -
клеточная стенка: -w = -
Вода в клетку может поступать также в процессе пиноцитоза, когда часть
плазмалеммы под влиянием различных причин, чаще всего в результате
адсорбции
на
плазмалемме
крупных
молекул
и
вирусных
частиц,
39
прогибается внутрь клетки, внешние края такой инвагинации смыкаются и
виде пузырька - везикулы с адсорбированной частицей и внешним раствором
проходит внутрь цитоплазмы.
Поступление ионов в клетку. Все неорганические питательные вещества
поглощаются
в
форме
ионов,
содержащихся
в
водных
растворах.
Поглощение ионов клеткой начинается с их взаимодействия с клеточной
стенкой. Ионы могут частично локализоваться в межмицеллярных и
межфибриллярных промежутках клеточной стенки, частично связываться и
фиксироваться в клеточной стенке электрическими зарядами.
Поступившие ионы легко вымываются. Объем клетки, доступный для
свободной диффузии ионов, получил название свободного пространства.
Свободное пространство включает межклетники, клеточные стенки и
промежутки, которые могут возникать между клеточной стенкой и
плазмалеммой. Иногда его называют кажущееся свободное пространство
(КСП). Термин “кажущееся” означает, что его объем зависит от объекта и
природы растворенного вещества. КСП занимает в растительных тканях 5-10
% объема. Свободное пространство всего растения получило название
апопласт, в отличие от симпласта - совокупности протопластов всех клеток.
Поглощение и выделение веществ в КСП - физико-химический пассивный
процесс, не зависимый от температуры и ингибиторов энергетического и
белкового обменов. Клеточная стенка обладает свойствами ионообменника,
так как в ней адсорбированы ионы Н+ и НCO-3, обменивающиеся в
эквивалентных количествах на ионы внешнего раствора. В клеточную стенку
входят амфотерные белковые соединения, заряд которых меняется при
изменение рН. Поэтому адсорбция ионов зависит от величины рН. Из-за
преобладания отрицательных фиксированных зарядов в клеточной стенке
происходит первичное концентрирование катионов (особенно двух- и
трехвалентных).
Для того, чтобы проникнуть в цитоплазму и включиться в обмен веществ,
40
ионы должны пройти через плазмалемму. Транспорт ионов через мембрану
может быть пассивным и активным. Пассивное поглощение не требует затрат
энергии и осуществляется путем диффузии по градиенту концентрации
вещества, для которого плазмалемма проницаема. Пассивное передвижение
ионов определяется не только химическим потенциалом , как это имеет
место при диффузии незаряженных частиц, но и электрическим потенциалом
. Оба потенциала объединяют в виде электрохимического потенциала :
= + nF, где - химический, - электрический, - электрохимический
потенциалы, n - валентность иона, F - константа Фарадея. Любая разность
электрических потенциалов, которая возникает на мембранах, вызывает
соответствующее перемещение ионов.
Электрический потенциал на мембране - трансмембранный потенциал
может возникнуть по следующим причинам:
1) если поступление ионов идет по градиенту концентрации, но благодаря
разной проницаемости мембраны с большей скоростью поступают катионы,
чем анионы. В силу этого на мембране возникает разность электрических
потенциалов, что приводит к диффузии противоположно заряженного иона;
2) при наличии на внутренней стороне мембраны белков, фиксирующих
определенные
ионы.
За
счет
фиксированных
зарядов
создается
дополнительная возможность поступления ионов противоположного заряда;
3) в результате активного транспорта либо катиона, либо аниона, в этом
случае противоположно заряженный ион может передвигаться пассивно по
градиенту электрического потенциала.
Активный транспорт - это транспорт, идущий против электрохимического
градиента с затратой энергии, выделяющейся в процессе метаболизма. В
определенных пределах с повышением температуры скорость активного
поглощения веществ возрастает. В отсутствие кислорода, в атмосфере азота
поступление ионов резко тормозится. Под влиянием дыхательных ядов,
таких как цианистый калий, окись углерода, и ингибиторов дыхания, таких
как 2,4-динитрофенол, азид натрия, транспорт ионов ингибируется. С другой
41
стороны, увеличение содержания АТФ усиливает процесс поглощения.
Опыты, проведенные на искусственных липидных мембранах, показали,
что
перенос
ионов
может
происходить
под
влиянием
некоторых
антибиотиков - ионофоров, вырабатываемых бактериями и грибами. В одних
случаях катион входит во внутреннюю полость молекулы ионофора.
Образованный комплекс диффундирует через мембрану во много раз быстрее
по
сравнению
со
свободным
ионом.
Ионофоры
другого
типа
взаимодействуют с мембранами, образуя в них поры.
Активный транспорт ионов через мембрану осуществляется с помощью
переносчиков. Ион реагирует со своим переносчиком на поверхности
плазмалеммы. Комплекс переносчика с ионом подвижен в самой мембране и
передвигается к ее внутренней стороне. Здесь комплекс распадается и ион
освобождается во внутреннюю среду, а переносчик передвигается к внешней
стороне мембраны. Подтверждением наличия переносчиков служит тот факт,
что при увеличении концентрации солей в окружающем растворе скорость
поступления солей сначала возрастает, а затем остается постоянной. Это
объясняется ограниченным числом переносчиков. Переносчики специфичны,
то есть участвуют в переносе только определенных ионов и, тем самым,
обеспечивают избирательность поступления.
Транспорт
с
участием
переносчиков
может
идти
по
градиенту
электрохимического потенциала. Это пассивный транспорт, но благодаря
переносчикам он идет с большей скоростью, чем обычная диффузия и этот
процесс носит название облегченной диффузии.
Активный
транспорт
ионов
идет
с
потреблением
энергии,
аккумулированной в АТФ. Для использования энергии АТФ должна быть
гидролизована: АТФ + НОН АДФ + Фн. Этот процесс катализируется
ферментом аденозинтрифосфатазой (АТФазой). АТФаза обнаружена в
мембранах
различных
клеток.
Транспортные
АТФазы
являются
высокомолекулярными липопротеидами с мол. массой 200 - 700 кД. Для
растений большое значение имеет Н+-АТФаза (водородный насос или
42
водородная помпа), которая осуществляет перенос протонов через мембраны,
используя энергию гидролиза АТФ. Н+-АТФаза - это одиночный полипептид
с массой несколько большей 100 кД. Его содержание в плазмалемме
растительных клеток достигает 15% от общего количества белка. Перенос
ионов
водорода
сопровождается
переносом
катионов
в
обратном
направлении. Такой процесс называется антипорт. Вместе с протоном могут
двигаться анионы - симпорт. Освобождаемая при распаде АТФ энергия
используется для изменения конфигурации самой АТФазы, благодаря чему
участок фермента, связывающий определенный ион, поворачивается и
оказывается
по
другую
сторону
мембраны.
Также
выделены
низкомолекулярные транспортные белки пермеазы (10 - 45 кД), лишенные
ферментативной активности.
Пройдя через плазмалемму, ионы поступают в цитоплазму, где
включаются в метаболизм клетки. Внутриклеточный транспорт ионов
осуществляется
благодаря
эндоплазматического
движению
ретикулума.
цитоплазмы
Ионы
попадают
и
в
по
каналам
вакуоль,
если
цитоплазма и органеллы уже насыщены ими. Транспорт ионов через
тонопласт совершается также с помощью переносчиков и требует затраты
энергии. Переносчики, расположенные в тонопласте, имеют меньшее
сродство к ионам и действуют при более высоких концентрациях ионов по
сравнению
с
переносчиками
идентифицирована
особая
плазмалеммы.
Н+-АТФаза.
В
Она
тонопласте
не
была
тормозится
диэтилстильбестролом – ингибитором Н+-АТФазы плазмплеммы.
Лекция 3. Водный обмен растений.
Вода является главной составной частью растений. Ее содержание
неодинаково в разных органах растения (так, в листьях салата она составляет
95 %, а в сухих семенах - не более 10 % от массы ткани) и зависит от условий
внешней среды, вида и возраста растения.
Два процесса – поступление и испарение воды – называют водным
балансом.
43
Вода - это среда, в которой протекают процессы обмена веществ. Все
реакции гидролиза, окислительно-восстановительные реакции идут с
участием воды. Вода служит источником кислорода, выделяемого при
фотосинтезе, и во-дорода, используемого для восстановления углекислого
газа. Вода поддерживает конформацию молекул белка, устойчивость
структур цитоплазмы и оболочки клеток в упругом состоянии. С изменением
тургорного давления связаны некоторые движения частей растений.
Заряды в молекуле воды распределены неравномерно, так как атом
кислорода воды оттягивает электроны от атомов водорода. Поэтому
молекула воды представляет собой диполь: один полюс молекулы заряжен
положительно, а другой отрицательно. Благодаря этому молекулы воды
могут ассоциировать друг с другом, ионами и белковыми молекулами. Вода
участвует в поглощении и транспорте веществ, так как является хорошим
растворителем. Гидратные оболочки, окружающие ионы, ограничивают их
взаимодействие.
Водородная связь. Гидрофобность. Согласно термодинамике, материя
стремится к состоянию с минимальной энергией, а связывание понижает
химическую
энергию.
Молекулы
воды
поляризованы
и
способны
образовывать между собой водородные связи, чем объясняются многие
уникальные свойства воды. В то же время, гидрофобные молекулы не
поляризованы и не способны образовывать водородные связи, поэтому вода
отталкивает такие молекулы, предпочитая образовывать связи внутри себя.
Именно этот эффект определяет гидрофобное взаимодействие, называемое
так не совсем корректно, так как его источником является взаимодействие
гидрофильных молекул воды между собой. Так, две несмешивающиеся фазы
(гидрофильная и гидрофобная) будут находиться в таком состоянии, где
поверхность их контакта будет минимальной.
Вода обладает высокой теплоемкостью - 1кал/град, что позволяет
растению воспринимать изменения температуры окружающей среды в
смягченном виде. Испарение воды растениями - транспирация служит
44
основным средством терморегуляции у растений. Растения испаряют очень
много воды. Большой расход воды связан с тем, что растения обладают
значительной листовой поверхностью, необходимой для поглощения
углекислого газа, содержание которого в воздухе незначительно (0,032 %).
Формы почвенной влаги
По степени доступности для растения различают следующие формы
почвенной влаги. Гигроскопическая влага — адсорбированная частицами
почвы из атмосферы при её влажности менее 95 %, либо остающаяся в почве
при её высушивании до воздушно-сухого состояния (обычно при влажности
воздуха 50-70 %). Этот тонкий слой молекул воды удерживается с такой
силой, что их водный потенциал достигает -1000 бар и она недоступна для
растений.
По
гигроскопическая
представлениям
влага
не
большинства
сплошь
покрывает
исследователей,
частицы
почвы,
а
адсорбируется
почвой
из
концентрируется лишь на некоторых участках.
Максимально-гигроскопическая
влага
атмосферы с относительной влажностью 95-100 %. При отрицательных
температурах максимальная гигроскопическая влажность незасоленной
почвы совпадает с процентным содержанием незамёрзшей воды в целом.
Адсорбционная способность частиц почвы зависит от их величины, формы и
химического состава, причём даже на одной частице мощность слоя влаги
может быть различной в зависимости от формы поверхности. При этом часть
паров конденсируется на вогнутых участках, в результате чего суммарное
количество воды имеет двойную природу, складываясь из адсорбированной и
капиллярно-конденсированной влаги.
Плёночная
(молекулярная)
влага
—
дополнительная
влага,
адсорбируемая почвой из жидкой фазы поверх слоя максимальногигроскопической. С частицами почвы связана слабее, чем последняя,
причём рыхлость возрастает от внутренних слоёв ко внешним. По этой
причине плёночная влага, хотя слабо, но усваивается растениями.
45
Передвигается она под влиянием градиентов напора воды, температуры и
влажности почвы, а также осмоса, её скорость же ограничивается десятками
сантиметров в год.
Капиллярная влага — удерживается и передвигается по мелким порам в
почве под действием капиллярных сил. В порах более 8 мм в диаметре
сплошной вогнутый мениск не образуется, так как капиллярные силы не
выражены. В порах же менее 3 мкм вода находится преимущественно в
адсорбированном состоянии, а капиллярное движение сильно затруднено или
вообще
отсутствует;
осуществляется
же
оно
сообразно
градиентам
влажности, температуры и химического потенциала (осмоса): в зоны с
меньшим увлажнением и менее нагретые. Выделяется три вида капиллярной
влаги:
подпёртая (когда капилляры нижней своей частью сообщаются с
водоносным горизонтом — почвенной верховодкой или грунтовыми
водами), подвешенная (когда капиллярная влага оторвана от водоносных
горизонтов
и
удерживается
равнодействующей
силой
менисков)
и
посаженная (образующаяся при движении воды при резкой смене
гранулометрического
состава
и
на
границах
с
внутрипочвенными
пустотами). Капиллярная влага бывает открытая и закрытая (замкнутая) для
проникновения
воздуха.
Закрытая
находится
непосредственно
под
водоносными горизонтами, и капилляры оказываются полностью заполнены
водой; вода же открытого типа чередуется в капиллярах с участками,
заполненными воздухом и появляется в почве обычно через некоторое время
после осадков или полива. Капиллярная влага легко доступна растениям и
является одним из основных источников их водного питания; посредством её
передвигается основная масса растворимых солей из нижних горизонтов.
Гравитационная вода заполняет промежутки между частицами почвы и
хорошо доступна растениям. Однако она быстро испаряется и легко стекает в
нижние горизонты почвы под влиянием силы тяжести, вследствие чего
бывает в почве лишь после дождей.
46
Внутриклеточная вода содержится в отмерших неразложившихся частях
растений. До полного разложения растительной массы такая вода растениям
не доступна. Большой процент её имеется в слабо- и неразложившихся
торфах, дернине и лесной подстилке.
Количество почвенной воды в процентах, при котором растение впадает в
устойчивое завядание, называют коэффициентом или влажностью завядания.
Завядание растений разных видов может начинаться при одной и той же
влажности, но промежуток времени от завядания растения до его гибели
(интервал завядания) у растений может быть различным. Так, для растений
бобов он составляет несколько суток, а для растений проса - несколько
недель. Завядание начинается позже у растений с более отрицательным
осмотическим потенциалом и меньшей скоростью транспирации.
«Мертвый запас» влаги в почве - это количество воды полностью
недоступной растению. Он зависит от механического состава почвы. Чем
больше глинистых частиц в почве, тем больше «мертвый запас» влаги.
Количество доступной для растения воды представляет собой разность
между
полевой
влагоемкостью
(максимальное
количество
воды,
удерживаемое почвой) и «мертвым запасом».
Формы воды в растении
Вода в растении состоит из фракций, различающихся по своей
подвижности из-за связи с различными соединениями. 85-90 % воды
приходится на более подвижную фракцию. В эту фракцию входит резервная
вода, заполняющая вакуоли и другие компартменты клетки. Она осмотически
связана с сахарами, органическими кислотами, минеральными солями и
другими растворенными в ней веществами. Осмотически связанной водой
называют
воду,
образующую
периферические
слои
гидратационных
оболочек вокруг ионов и молекул. К подвижной фракции относят и
интерстициальную
воду,
выполняющую
транспортную
функцию
и
находящуюся в клеточных стенках, межклетниках и сосудах растения.
47
Фракция малоподвижной воды составляет 10-15 % всей воды клетки.
Это конституционная вода, химически связанная и входящая в состав
неорганических соединений, а также гидратационная вода, образующая
оболочки вокруг молекул веществ. Воду, гидратирующую мицеллы,
называют коллоидносвязанной. Молекулы воды располагаются вокруг
мицеллы несколькими слоями. Ближайший к поверхности мицеллы слой
воды очень прочно связан. За этим слоем следуют все менее прочно
связанные слои, молекулы которых могут обмениваться с молекулами
свободной воды. Коллоидносвязанная вода необходима для нормального
функционирования
клетки
и
ее
устойчивости
при
попадании
в
неблагоприятные условия. Коллоидные мицеллы могут гидратироваться не
только путем присоединения молекул воды к гидрофильным группам,
расположенным на поверхности - это так называемая мицеллярная
гидратация, но и путем внедрения молекул воды внутрь мицеллы и
присоединения к имеющимся здесь активным гидрофильным радикалам.
Такая гидратация называется пермутоидной.
Корневая система как орган поглощения воды
Наземные растения, в основном, поглощают воду из почвы. Однако
некоторое количество воды может попадать в листья из воздуха. Есть даже
растения, для которых атмосфера является главным источником влаги. Это
эпифиты, живущие на поверхности других растений, но не являющиеся
паразитами. Они обладают воздушными корнями с полыми тонкостенными
клетками и впитывают парообразную влагу и воду осадков подобно губке. У
некоторых эпифитов дождевая вода собирается листьями и затем всасывается
с помощью листовых волосков.
Корневая система является органом поглощения воды из почвы.
Сформировавшаяся корневая система представляет собой сложный орган с
хорошо
дифференцированной
структурой.
Подсчитано,
что
общая
поверхность корневой системы может превышать поверхность надземных
48
органов примерно в 150 раз. Рост корня и его ветвление продолжаются в
течение всей жизни растения.
Поглощение воды и питательных веществ осуществляется корневыми
волосками ризодермы. Ризодерма (Эпиблема) - это однослойная ткань,
покрывающая корень снаружи. Первичная покровная ткань молодых корней
растений. Формирует корневые волоски.
Веламен
(лат.
velamen)
—
губчатая,
обычно
многослойная,
гигроскопичная мёртвая ткань, покрывающая воздушные корни большинства
эпифитных растений. Как и ризодерма, относится к первичным покровным
тканям и происходит из поверхностного слоя апикальной меристемы корня.
Веламен образуется в результате многократных продольных делений
клеток эпидермиса.
Эта своеобразная ткань покрывает корни эпифитов и некоторых других
растений, приспособленных к жизни на периодически пересыхающих
субстратах. (семейства Орхидные и Ароидные. Веламен от ризодермы
отличается многослойностью. Протопласт веламена отмирает и поэтому
всасывает воду не осмотическим, а капиллярным путём. Дождевые потоки
или сконденсировавшиеся капли росы, стекая по коре деревьев или скалам,
покрытым мхом и лишайниками, постепенно вымывают питательные
вещества, превращаясь в сильно разведённый питательный раствор. Самые
первые его порции имеют большую, чем последующие, концентрацию
питательных веществ и поглощаются веламеном. В дальнейшем, особенно
при продолжительных ливнях, концентрация питательных веществ в
дождевой воде сильно снижается, но для растения это не имеет решающего
значения, так как веламен его корней уже насыщен первыми, наиболее
ценными порциями питательной влаги. Кроме того, веламен, как всякое
пористое вещество, способен поглощать влагу из воздуха и защищать ткани
от механических повреждений.
Из ризодермы вода попадает в клетки коры. У травянистых растений кора
корня обычно представляет собой несколько слоев живых паренхимных
49
клеток. Между клетками имеются крупные межклетники, обеспечивающие
аэрацию корня. Через клетки коры возможны два пути транспорта воды и
растворов минеральных солей: по симпласту и апопласту. Более быстрый
транспорт воды происходит по апопласту, так как в цитоплазме вода
отвлекается на нужды клетки.
Затем вода попадает в клетки эндодермы. Эндодерма - это внутренний
слой клеток коры, граничащий с центральным цилиндром. Их клеточные
стенки водонепроницаемы из-за отложения суберина и лигнина (пояски
Каспари). Поэтому вода и соли проходят через клетки эндодермы по
симпласту и транспорт воды в эндодерме замедляется (рис. 3.1). Это
необходимо, так как диаметр стели (центрального цилиндра), куда попадает
вода из эндодермы, меньше всасывающей поверхности корня.
Центральный цилиндр корня содержит перицикл и две системы
проводящих элементов: ксилему и флоэму. Клетки перицикла представляют
собой одно- или многослойную обкладку проводящих сосудов. Его клетки
регулируют транспорт веществ как из наружных слоев в ксилему, так и из
флоэмы в кору. Кроме того, клетки перицикла выполняют функцию
образовательной ткани, способной продуцировать боковые корни.
Паренхимные клетки перицикла активно транспортируют ионы в
проводящие элементы ксилемы. Контакт осуществляется через поры во
вторичных клеточных стенках сосудов и клеток. Между ними нет
плазмодесм. Затем вода и растворенные вещества диффундируют в полость
сосуда через первичную клеточную стенку. Для некоторых паренхимных
клеток сосудистого пучка характерны выросты - лабиринты стенок,
выстланные плазмалеммой, что значительно увеличивает ее площадь. Эти
клетки активно участвуют в транспорте веществ в сосуды и обратно и
называются передаточными или переходными. Они могут граничить
одновременно с сосудами ксилемы и ситовидными трубками флоэмы.
Вода
пассивно
диффундирует
в
сосуды
ксилемы
благодаря
осмотическому механизму. Осмотически активными веществами в сосудах
50
являются
минеральные
ионы
и
метаболиты,
выделяемые
насосами
плазмалеммы паренхимных клеток, окружающих сосуды. Водный потенциал
сосудов
выше,
чем
у
окружающих
клеток
из-за
повышающейся
концентрации ксилемного сока и отсутствия значительного противодавления
со стороны малоэластичных клеточных стенок. В результате поступления
воды в сосудах ксилемы развивается гидростатическое давление, получившее
название корневого давления. Оно участвует в поднятии ксилемного
раствора по сосудам ксилемы из корня в надземную часть растения.
Поднятие воды по растению вследствие развивающегося корневого давления
называют
нижним
концевым
двигателем.
Присасывающее
действие
транспирации (верхний концевой двигатель).
Примером работы нижнего концевого двигателя служат плач растений.
Весной у кустарников и деревьев с еще нераспустившимися листьями можно
наблюдать интенсивный ксилемный ток снизу вверх через надрезы ствола и
веток. У травянистых растений при отрезании стебля из пенька выделяется
ксилемный сок, называемый пасокой.
Поступление воды через корневую систему сокращается с понижением
температуры. Это происходит по следующим причинам: 1) повышается
вязкость воды и поэтому снижается ее подвижность, 2) уменьшается
проницаемость протоплазмы для воды, 3) тормозится рост корней, 4)
уменьшается скорость метаболических процессов. Поступление воды
снижается при ухудшении аэрации почвы. Это можно наблюдать, когда
после сильного дождя почва залита водой, но при ярком солнце из-за
сильного
испарения
растения
завядают.
Большое
значение
имеет
концентрация почвенного раствора. Вода поступает в корень только тогда,
когда водный потенциал корня меньше водного потенциала почвы. Если
почвенный раствор имеет более отрицательный потенциал, вода не будет
поступать в корень, а выходить из него.
Передвижение воды по сосудистой системе
51
Восходящий поток воды в растении идет по сосудам ксилемы, лишенным
цитоплазмы.
Помимо
работы
нижнего
концевого
двигателя
и
присасывающего действия транспирации (верхний концевой двигатель) в
передвижении воды по капиллярным сосудам ксилемы участвуют силы
сцепления (когезии) молекул воды друг с другом и силы прилипания
(адгезии) воды к стенкам сосудов. Обе силы препятствуют также
образованию пузырьков воздуха, способных закупорить сосуд. Скорость
передвижения воды по ксилеме равна 12-14 м/ч.
Большая часть воды, попавшей в листья, испаряется в атмосферу, а
меньшая часть (около 0,2 %) используется в метаболизме клеток, на
поддержание тургора и в транспорте органических соединений по сосудам
флоэмы. Вода из клеток листа и непосредственно из сосудов ксилемы
поступает
во
флоэмные
окончания
по
осмотическому
градиенту,
возникающему вследствие накопления в клетках флоэмы сахаров и других
органических соединений, которые образуются в клетках листьев и
переносятся в клетки флоэмы в результате активной работы транспортных
насосов. Нисходящий флоэмный ток доставляет органические соединения
тканям корня, где они используются в метаболизме. В корне окончания
проводящих пучков флоэмы, как и в листе, располагаются вблизи элементов
ксилемы и вода по осмотическому градиенту поступает в ксилему и движется
вверх с восходящим током.
Можно привести примерное распределение водных потенциалов, которое
и вызывает передвижение воды: водный потенциал почвы (—0,5 бар), корня
(—2 бар), стебля (—5 бар), листьев (—15 бар), воздуха при относительной
влажности 50% (-1000 бар).
Транспирация
Транспирация - это испарение воды растением. Основным органом
транспирации является лист. Вода испаряется с поверхности листьев через
клеточные стенки эпидермальных клеток и покровные слои (кутикулярная
транспирация) и через устьица (устьичная транспирация). В результате
52
потери воды в ходе транспирации в клетках листьев возрастает сосущая сила.
Это приводит к усилению поглощения клетками листа воды из сосудов
ксилемы и передвижению воды по ксилеме из корней в листья. Таким
образом, верхний концевой двигатель, участвующий в транспорте воды вверх
по растению, обусловлен транспирацией листьев. Верхний концевой
двигатель может работать при полном отключении нижнего концевого
двигателя, причем для его работы используется не только метаболическая
энергия как в корне, но и энергия внешней среды - температура и движение
воздуха.
Транспирация спасает растение от перегрева. Температура сильно
транспирирующего листа может примерно на 7 Сº быть ниже температуры
нетранспирирующего завядшего листа. Кроме того, транспирация участвует
в создании непрерывного тока воды с растворенными минеральными и
органическими соединениями из корневой системы к надземным органам
растения.
Транспирацию обычно выражают в следующих единицах. Интенсивность
транспирации - это количество воды, испаряемой растением в г за единицу
времени в часах единицей поверхности в дм2. Эта величина колеблется от
0,15 до 1,5. Транспирационный коэффициент - это количество воды в г,
испаряемой
растением
при
накоплении
им
1
г
сухого
вещества.
Продуктивность транспирации - это величина, обратная транспирационному
коэффициенту и равна количеству сухого вещества в г, накопленного
растением за период, когда оно испаряет 1 кг воды. Относительная
транспирация - это отношение воды, испаряемой листом, к воде, испаряемой
со свободной водной поверхности той же площади за один и тот же период
времени.
Кутикулярная транспирация. Снаружи листья имеют однослойный
эпидермис, внешние стенки клеток которого покрыты кутикулой и воском,
образующие эффективный барьер на пути движения воды. На поверхности
листьев часто развиты волоски, которые также влияют на водный режим
53
листа, так как снижают скорость движения воздуха над его поверхностью и
рассеивают свет и тем самым уменьшают потери воды за счет транспирации.
Интенсивность кутикулярной транспирации варьирует у разных видов
растений. У молодых листьев с тонкой кутикулой она может составлять
около половины всей транспирации. У зрелых листьев с более мощной
кутикулой кутикулярная транспирация равна 1/10 общей транспирации. В
стареющих листьях из-за повреждения кутикулы она может возрастать.
Таким образом, кутикулярная транспирация регулируется главным образом
толщиной и целостностью кутикулы и других защитных покровных слоев на
поверхности листьев.
Устьичная транспирация. Устьица представляют собой щель в
подъустьичную полость, окаймленную двумя замыкающими клетками
серповидной формы. Устьица играют важную роль в газообмене между
листом и атмосферой, так как являются основным путем для водяного пара,
углекислого газа и кислорода. Устьица находятся на обеих сторонах листа.
Есть виды растений, у которых устьица располагаются только на нижней
стороне листа. В среднем число устьиц колеблется от 50 до 500 на 1 мм2.
Транспирация через устьица идет почти с такой же скоростью, как и с
поверхности чистой воды. Это объясняется законом И. Стефана: через малые
отверстия скорость диффузии газов пропорциональна не площади отверстия,
а диаметру или длине окружности. Поэтому, хотя площадь устьичных
отверстий мала по отношению к площади всего листа (0,5-2 %), испарение
воды через устьица идет очень интенсивно.
Транспирация слагается из двух процессов: 1) передвижения воды в листе
из сосудов ксилемы по симпласту и, преимущественно, по клеточным
стенкам,
так
как
в
стенках
транспорт
воды
встречает
меньшее
сопротивление, 2) испарения воды из клеточных стенок в межклетники и
подъустьичные полости с последующей диффузией в окружающую
атмосферу через устьичные щели. Чем меньше относительная влажность
атмосферного воздуха, тем ниже его водный потенциал. Если водный
54
потенциал воздуха меньше водного потенциала подъустьичных полостей, то
молекулы воды испаряются наружу.
Основным фактором, влияющим на открывание и закрывание устьиц,
является содержание воды в листе, в том числе и в замыкающих клетках
устьиц. Клеточные стенки замыкающих клеток имеют неодинаковую
толщину. Внутренняя часть стенки, примыкающая к устьичной щели, более
толстая, а внешняя – более тонкая. По мере того как замыкающая клетка
осмотически поглощает воду, более тонкая и эластичная часть ее клеточной
стенки растягивается и оттягивает внутреннюю часть стенки. Замыкающие
клетки принимают полукруглую форму и устьица раскрываются. При
недостатке воды замыкающие клетки выпрямляются и устьичная щель
закрывается (рис. 3.2). Кроме того, по мере увеличения водного дефицита в
тканях растения повышается концентрация ингибитора роста абсцизовой
кислоты.
Она
подавляет
деятельность
Н+-насосов
в
плазмалемме
замыкающих клеток, вследствие чего снижается их тургор и устьица
закрываются. Абсцизовая кислота также ингибирует синтез фермента амилазы, что приводит к снижению гидролиза крахмала. По сравнению с
низкомолекулярными
углеводами
крах-мал
не
является
осмотически
активным веществом, поэтому сосущая сила замыкающих клеток уменьшается и устьица закрываются.
В отличие от других клеток эпидермиса замыкающие клетки устьиц
содержат хлоропласты. Синтез углеводов в процессе фотосинтеза в
замыкающих клетках увеличивает их сосущую силу и вызывает поглощение
воды, способствуя этим открыванию устьиц.
Состояние устьиц зависит от углекислого газа. Если концентрация СО2 в
подъустьичной полости падает ниже 0,03 %, тургор замыкающих клеток
увеличивается и устьица открываются. Повышение концентрации СО2 в
воздухе вызывает закрытие устьиц. Это происходит в межклетниках листа
ночью, когда в результате отсутствия фотосинтеза и продолжающегося
дыхания уровень углекислого газа в тканях повышается. Такое влияние
55
углекислого газа объясняет, почему ночью устьица закрыты и открываются с
восходом солнца. Сдвиг рН в щелочную сторону вследствие уменьшения
концентрации СО2 увеличивает активность ферментов, участвующих в
распаде крахмала, тогда как при кислом рН при повышении содержания СО2
в межклетниках повышается активность ферментов, катализирующих синтез
крахмала.
На свету замыкающие клетки устьиц содержат значительно больше калия,
чем в темноте. При открывании устьиц содержание калия в замыкающих
клетках увеличивается в 4 раза при одновременном снижении его
содержания в сопутствующих клетках. Установлено повышение содержания
АТФ в замыкающих клетках устьиц в процессе их открывания. АТФ,
образованная
в
процессе
фото-синтетического
фосфорилирования
в
замыкающих клетках, используется для усиления поступления калия.
Усиленное поступление ионов калия повышает сосущую силу замыкающих
клеток. В темноте ионы калия выделяются из замыкающих клеток и устьица
закрываются.
Периодичность суточного хода транспирации наблюдается у многих
растений, но у разных видов растений устьица функционируют неодинаково.
У
деревьев,
теневыносливых
растений,
многих
злаков
и
других
гидростабильных видов с совершенной регуляцией устьичной транспирации
испарение воды начинается на рассвете, достигает максимума в утренние
часы. В полдень транспирация снижается и вновь увеличивается в
предвечерние часы при снижении температуры воздуха. Такой ход
транспирации
приводит
к
незначительным
суточным
изменениям
осмотического давления и содержания воды в листьях. У видов растений,
способных переносить резкие изменения содержания воды в клетках в
течение дня, то есть у гидролабильных видов, наблюдается одновершинный
суточный ход транспирации с максимумом в полуденные часы. В обоих
случаях ночью транспирация минимальна или полностью прекращается.
56
Особенности водного обмена у растений разных экологических групп
Растения, обитающие в воде - гидрофиты, погружены в воду полностью
или частично. Они регулируют постоянство состава внутренней среды с
помощью механизмов защиты от избыточного поступления воды. У
монадных форм зеленых водорослей, заселяющих, в основном, пресные
воды, клеточные стенки замкнуты не полностью из-за наличия выростов
цитоплазмы - жгутиков, с помощью которых они передвигаются. У всех
монадных форм имеются пульсирующие вакуоли, посредством которых из
клеток удаляются избыток воды и отходы жизнедеятельности. У гидрофитов
с замкнутой клеточной стенкой ее противодавления достаточно для
предотвращения поступления излишков воды в клетку. Первичными
гидрофитами являются водоросли. Водные цветковые растения - это
вторичные гидрофиты, происходящие от наземных форм.
По
способности
водоснабжения
приспосабливать
различают
две
водный
обмен
к
колебаниям
группы
наземных
растений:
пойкилогидрические и гомойгидрические.
Пойкилогидрические организмы (бактерии, синезеленые водоросли,
низшие зеленые водоросли, грибы, лишайники и другие) приспособились
переносить значительный недостаток воды без потери жизнеспособности.
При этом у них снижается интенсивность обмена веществ, клетки
равномерно сжимаются. Протопласт их клеток при сильном обезвоживании
переходит в состояние геля. Увеличение количества воды в среде приводит к
возобновлению активного ме-таболизма в клетках. По характеру изменения
таких показателей водного режима, как интенсивность транспирации,
осмотическое давление, содержание воды в течение суток они относятся к
гидролабильным растениям, так как у них значительно изменяются
содержание воды и испарение.
Гомойгидрические
растения
(наземные
папоротникообразные,
голосеменные, цветковые) составляют большинство обитателей суши. Они
обладают механизмами регуляции устьичной транспирации, а также
57
корневой системой, обеспечивающей доставку воды. Поэтому даже при
значительных изменениях влажности среды у этих растений не наблюдается
резких колебаний содержа-ния воды в клетках, в которых, как правило,
развита вакуолярная система. Их клетки не способны к обратимому
высыханию. У этих растений гидростабильный тип водного режима.
Стабилизации водного режима у многих видов растений способствуют
запасы воды в корнях, стеблях и запасающих органах. Гомойгидрические
растения делятся на три экологические группы:
1. Гигрофиты (тонколистные папоротники, некоторые фиалки и другие),
произрастающие в условиях повышенной влажности и недостаточной
освещенности. Теневыносливые гигрофиты, с почти всегда открытыми
устьицами, имеют гидатоды, через которые выделяют избыток воды в
капельножидком состоянии. Гигрофиты плохо переносят почвенную и
воздушную засуху.
2. Мезофиты (лиственные деревья, лесные и луговые травы, большинство
культурных растений) обитают в среде со средним уровнем обеспеченности
водой и не имеют ясно выраженных приспособлений к избытку или
недостатку воды.
3. Ксерофиты живут в местах с жарким и сухим климатом и
приспособлены к перенесению атмосферной и почвенной засухи. Ксерофиты
делят на следующие группы:
1. Растения, избегающие засухи (эфемеры). Эти растения обладают
коротким вегетационным периодом, приурочивая весь жизненный цикл к
периоду дождей и засуху переносят в форме семян.
2. Растения, запасающие влагу (ложные ксерофиты). К этой группе
растений
относятся
суккуленты
(кактусы
и
растения
семейства
толстянковых). Эти растения живут в районах, где засушливые периоды
сменяются периодами дождей. Они имеют толстые и мясистые стебли.
Листья часто редуцированы, вся поверхность растений покрыта толстым
слоем кутикулы, что существенно снижает их транспирацию. Суккуленты
58
обладают неглубокой, но широко распространяющейся корневой системой.
Клетки
корня
характеризуются
сравнительно
низкой
концентрацией
клеточного сока. Вода, запасаемая в мясистых органах, тратится очень
медленно. Суккуленты обладают своеобразным обменом веществ. У них
днем устьица закрыты, а ночью они открываются, что обеспечивает
снижение расходования воды в процессе транспирации. Углекислый газ
поступает через устьица ночью и усваивается с образованием органических
кислот. В дневные часы углекислый газ вновь освобождается и используется
в процессе фотосинтеза. Поэтому эти растения фотосинтезируют при
закрытых днем устьицах. Растения этой группы не устойчивы к длительному
водному стрессу.
3. Гемиксерофиты или полуксерофиты - это растения, у которых сильно
развиты приспособления к добыче воды. У них глубоко идущая, сильно
разветвленная
корневая
система.
концентрацией
клеточного
сока
Клетки
и
очень
корня
обладают
высокой
отрицательным
водным
потенциалом. Растения этой группы обладают хорошо развитой проводящей
системой. Листья у них тонкие, с очень густой сетью жилок, что сокращает
путь передвижения воды к клеткам листа. Даже в очень жаркие дни они
держат устьица открытыми. Благодаря высокой интенсивности транспирации
температура листьев значительно понижается, что позволяет осуществлять
фотосинтез при высокой температуре воздуха. Листья некоторых растений
покрыты волосками, которые создают экран, дополнительно защищающий
листья от перегрева.
4. Эуксерофиты или настоящие ксерофиты - это растения, обладающие
способностью резко сокращать транспирацию в условиях недостатка воды.
Они имеют приспособления к сокращению потерь воды: подземные органы,
а иногда и стебли покрыты толстым слоем пробки, листья покрыты толстым
слоем
кутикулы,
многие
имеют
волоски,
устьица
расположены
в
углублениях, устьичные щели закупорены восковыми и смолистыми
пробочками, листья свернуты в трубочку, где создается свой микроклимат и
59
уменьшается контакт устьичных щелей с атмосферой. Для растений этой
группы характерна способность переносить обезвоживание и состояние
длительного завядания. Особенно хорошо переносят потерю воды растения с
жесткими листьями - склерофиты, которые и в состоянии тургора имеют
сравнительно мало воды. Эти растения характеризуются большим развитием
механических тканей.
Лекция 4. Минеральное питание.
Почва как источник питательных веществ
Растения получают углерод и кислород преимущественно из воздуха, а
остальные элементы из почвы. Питательные элементы - это химические
элементы, которые необходимы растению и не могут быть заменены
никакими другими. Питательные вещества - это соединения, в которых
имеются эти элементы. Питательные элементы содержатся в почве в 4
формах:
1) прочно фиксированные и недоступные для растения (например, ионы
калия и аммония в некоторых глинистых минералах,
2)
труднорастворимые
неорганические
соли
(сульфаты,
фосфаты,
карбонаты) и в такой форме недоступные для растения,
3) адсорбированные на поверхности коллоидов, доступные для растений
благодаря ионному обмену на выделяемые растением ионы,
4) растворенные в воде и поэтому легко доступные для растений.
Ионы поступают в клетки ризодермы из почвенного раствора и благодаря
контактному обмену Н+, НСО3- и анионов органических кислот на ионы
минеральных веществ почвенных частиц. Контактный обмен ионов
клеточной стенки ризодермы с частицами почвы осуществляется без
перехода ионов в почвенный раствор. Тесный контакт обеспечивается
благодаря выделению слизи корневыми волосками и отсутствию у
ризодермы кутикулы и других защитных покровов. Так как адсорбированные
ионы находятся в постоянном колебательном движении и занимают
60
определенный объем - сферу колебаний, при тесном контакте поверхностей
сферы
колебаний
двух
ближайших
адсорбированных
ионов
могут
перекрываться, в результате чего осуществляется ионный обмен.
Выделяя различные вещества (углекислый газ, аминокислоты, сахара и
другие), корень растения изменяет состояние питательных веществ в
прикорневой зоне непосредственно, например, путем выделения СО2 (СО2 +
Н2О = Н+ + НСО-3: повышение растворимости фосфатов и карбонатов) и
косвенно, создавая благоприятные условия для ризосферы, которая играет
большую роль в превращении почвенных минералов.
Катионы и анионы поступают в растения независимо друг от друга с
разной скоростью. Скорость поступления того или иного иона в большей
степени оп­ределяется быстротой его использования. Эта закономерность
была вскрыта путем определения изменения концентрации водородных
ионов (рН) в водных культурах. Оказалось, что значение рН раствора
меняется, если в составе соли катион и анион используются растением
неравномерно. Так, если в качестве источника азота используется хлорид
аммония NH4Cl, то при выращивании растений значение рН раствора
сдвигается в кислую сторону. Это происходит в силу того, что аммоний
необходим растению в значительно большем количестве, чем хлор, и
поэтому поступает быстрее, обмениваясь на водород, адсорбированный
поверхностью корня. Выделяющийся водород с хлором образуют соляную
кислоту.
В
результате
среда
подкисляется.
Можно
привести
противоположный пример. Если в качестве источника азота используется
нитрат натрия, то N03- будет использоваться растением интенсивнее, а,
следовательно, и поступать быстрее. В окружающем растворе будет
накапливаться NaHC03. Эта соль, подвергаясь гидролизу, образует NaOH
(сильная щелочь) и Н2С03 (слабая кислота), будет сдвигать значение рН
раствора в щелочную сторону. Эти опыты привели к тому, что стали
различать физиологически кислые соли, например, NH4Cl, (NH4)2S04, и
физиологически щелочные соли, например, NaN03, Са(Н2Р04)2.
61
Механизм и пути поступления минеральных солей через корневую
систему. Поступление питательных солей в корневую систему носит
частично активный характер, связанный с метаболизмом. Об этом
свидетельствуют следующие особенности поступления:
способность растений к избирательному концентрированию веществ;
относительная независимость поступления воды и солей;
зависимость от дыхания и фотосинтеза;
ускорение процесса под влиянием температуры и света.
Необходимо учитывать, что часто трудно провести границу между
пассивным (не связанным с затратой энергии) и активным (связанным с
затратой энергии) поступлением.
Корни поглощают вещества из почвенного раствора (водная фаза) и при
контакте с частицами мелкодисперсной коллоидной частью почвы (смесь
минеральных (алюмосиликатных) и органических (гуминовых) соединений).
Большая часть коллоидов почвы заряжена отрицательно, на их поверхности в
адсорбированном (поглощенном) состоянии находятся катионы. Некоторая
часть коллоидов почвы в определенных условиях может быть заряжена
положительно, поэтому на них в поглощенном адсорбированном состоянии
будут находиться анионы. Обменные катионы и анионы — один из
важнейших источников питания для растений. Катионы и анионы,
находящиеся в поглощенном состоянии на частицах почвы, могут
обмениваться на ионы, адсорбированные на поверхности клеток корня. Так
может осуществляться поступление катионов К+, Са2+, Na+ в обмен на
протоны, а также анионов N03-, Р043- и других в обмен на НС03- или
анионы органических кислот.
Особенно эффективно идет поглощение при контактном обмене, при
котором происходит обмен ионами без перехода их в раствор. Поглощенные
ионы адсорбируются на поверхности клеточных оболочек ризодермы. Из
адсорбированного состояния ионы могут по коре корня передвигаться двумя
путями: по апопласту и симпласту. При поступлении в симпласт ионы
62
проникают через мембрану и далее передвигаются по плазмодесмам к
сосудам ксилемы.
Ток воды с растворенными веществами, движущийся по свободному
пространству (апопласту), как бы омывает все клетки коры. На всем этом
пути
могут
наблюдаться
адсорбция
веществ
клеточными
стенками,
поступление ионов в клетки через соответствующие. Необходимо учесть, что
на пути движения по апопласту имеется преграда в виде клеток эндодермы с
поясками Каспари. В связи с этим перенос ионов через мембраны клеток
эндодермы необходим и также осуществляется с помощью переносчиков.
В целом между апопластом и симпластом в корневой системе происходит
непрерывное взаимодействие и обмен питательными солями. По мнению
некоторых исследователей, основным для транспорта ионов является
симпластный
путь,
отличающийся
от
апопластного
большей
эффективностью и возможностью осуществлять метаболическую регуляцию.
В осуществлении этого большая роль принадлежит осморегулирующей
функции вакуолей.
Последние биохимические исследования показывают, что важную роль в
переносе
ионов
в
ксилему
имеют
паренхимные
клетки
ксилемы.
Плазмалемма этих клеток содержит протонные помпы, водные каналы и
различные ионные каналы, которые специализированы в поступлении и
отдаче веществ.
Влияние внешних условий на поступление солей. При температуре,
близкой к 0°С, поглощение солей идет медленно, затем, в пре­делах до 40°С,
оно усиливается. Увеличение температуры на 10°С может вызвать
возрастание поглощения в два и даже в три раза. В темноте поглощение
солей замедляется и постепенно прекращается, а под влиянием освещения
ускоряется. Так, при освещении поглощение фосфора усиливается уже через
2—5 мин. Быстрота реакции указывает на прямое действие света.
При уменьшении содержания кислорода до 2—3% интенсивность
поступления солей остается на одном уровне. Лишь снижение концентрации
63
кислорода ниже 3% вызывает падение поглощения примерно в два раза.
Необходимо учитывать, что и интенсивность дыхания сохраняется на
высоком уровне в широком диапазоне концентраций кислорода. Падение
интенсивности дыхания наблюдается при той же концентрации кислорода,
при которой поглощение солей уменьшается.
Концентрация ионов водорода (рН) также сказывается на поглощении
солей. Еще в опытах Д.А. Сабинина и И.И. Колосова было показано, что при
подкислении
раствора
поступление
катионов
задерживается.
Это
происходит, по всей вероятности, в силу конкуренции, которая наблюдается
между одинаково заряженными ионами за возможность вступить в реакцию с
переносчиками. Вместе с тем подкисление улучшает доступность ионов
фосфорной кислоты. Наоборот, подщелачивание внешнего раствора снижает
поступление фосфора благодаря переходу одновалентного иона Н2Р04- в
двухвалентный НР04 2- и трехвалентный Р043-, которые являются менее
доступными для растения.
Как уже упоминалось, поглощение одного иона зависит от присутствия
других ионов. Так, в присутствии легко поглощаемого аниона катионы той
же соли поступают быстрее. Ионы с одинаковым зарядом обычно
конкурируют между собой. Однако в некоторых случаях наблюдается
противоположная закономерность. Так, при наличии в среде иона фосфора
(Р043-) поглощение нитратов (N03-) ускоряется. Это может явиться
косвенным результатом увеличения использования нитратов в присутствии
фосфорной кислоты.
Влияние внутренних факторов на поступление солей. Зависимость
поступления солей от интенсивности дыхания является установленным
фактом. При замене кислорода азотом не только прекращается поступление,
но наблюдается выделение питательных ионов из корня. Ингибиторы
процесса дыхания (в частности, цианистый калий) резко тормозят
поступление солей. Процесс дыхания может оказывать влияние на
поступление солей в нескольких направлениях. Так, в процессе дыхания
64
выделяющийся углекислый газ в водной среде диссоциирует на ионы Н+ и
НС03-. Адсорбируясь на поверхности корня, эти ионы служат обменным
фондом для поступающих катионов и анионов. В процессе переноса ионов
через мембрану участвуют специфические белки-переносчики, синтез
которых находится в зависимости от интенсивности дыхательного процесса.
Наконец, энергия, выделяемая в процессе дыхания, непосредственно
используется для поступления солей (активное поступление). В этой связи
особенно важно, что вещества, нарушающие накопление энергии дыхания в
макроэргических фосфорных связях (динитрофенол), также тормозят
поступление солей.
Поступление воды и солей во многих случаях идет независимо друг от
друга.
Сопоставление
количества
воды,
испаренной
в
процессе
транспирации, и количества поступивших солей показывает, что прямой
зависимости между этими процессами обычно нет.
Роль корней в жизнедеятельности растений. В клетках корня
происходят очень активные обменные процессы. Так, вне зависимости от
того, какие соединения азота находились в питательной среде и поступали в
клетки (аммиак или нитраты), в пасоке были обнаружены аминокислоты и
амиды. Имеются данные, что 50—70% поступившего азота включается в
метаболизм в корнях. Уже через несколько секунд после поступления
неорганическая фосфорная кислота оказывается в составе АТФ. Правда, при
переходе из клеток корня в полость сосудов фосфорная кислота обычно
вновь отщепляется. Есть вещества, которые синтезируются только в клетках
корня. Было показано, что образование таких азотсодержащих веществ, как
алкалоиды, происходит в клетках корня. В корнях синтезируются и другие
вещества, например, порфирины, каучук, витамины (В1, В6, никотино­вая
кислота, аскорбиновая кислота).
Показано, что фотосинтетическая деятельность листьев зависит от
гормональных веществ, поступающих через корневую систему. В настоящее
время не вызывает сомнения, что корневая система — место синтеза
65
важнейшей группы фитогормонов — цитокинов. Таким образом, живые
клетки корня являются источником многих важных и незаменимых
органических веществ, в том числе гормонов.
Содержание минеральных элементов в растениях
Растения способны поглощать из окружающей среды практически все
элементы. Однако для нормальной жизнедеятельности растительному
организму необходимо лишь 19 питательных элементов. Среди них углерод
(45% сухой массы тканей), кислород (42%), водород (6,5%) и азот (1,5%)
называют органогенами.
Оставшиеся 5% приходятся на зольные элементы, которые остаются в
золе после сжигания растения. Все элементы в зависимости от их
количественного содержания в растении принято делить на
макроэлементы (содержание более 0,01%) - к ним относятся азот, фосфор,
сера, калий, кальций, магний
и микроэлементы (содержание менее 0,01%): железо, марганец, медь,
цинк, бор, молибден, кобальт, хлор.
Установлено, что все перечисленные элементы равнозначны и полное
исключение любого из них приводит растение к глубокому страданию и
гибели, ни один из перечисленных элементов не может быть заменен другим,
даже близким по химическим свойствам. Макроэлементы при концентрации
200-300 мг/л в питательном растворе еще не оказывают вредного действия на
растение. Большинство микроэлементов при концентрации 0,1-0,5 мг/л
угнетают рост растений.
Для нормальной жизнедеятельности растений должно быть определенное
соотношение различных ионов в окружающей среде. Чистые растворы
одного какого-либо катиона оказываются ядовитыми.
Физиолого-биохимическая роль основных элементов питания
Углерод. Все органические соединения построены, в основном, из
углерода. Растение получает углерод из воздуха, поглощая углекислый газ,
но 2 – 5% углерода усваивается корнями в виде углекислоты из почвы.
66
Растения поглощают углекислый газ и в процессе фотосинтеза
синтезируют органическое вещество. В ходе диссимиляции, то есть
расщепления органических веществ с использованием заключенной в них
энергии, растения потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Таким
образом, растения участвуют в круговороте углерода на нашей планете.
Основная
масса
(примерно
57%)
углекислоты
атмосферы
имеет
растительное происхождение. Почва в результате жизнедеятельности
почвенных микроорганизмов поставляет около 58 млрд. т углекислоты в год,
то есть 38%. Промышленная деятельность человечества (сжигание угля,
нефти и другие) занимает 3% в балансе выделяемой углекислоты. Остальные
источники - дыхание людей и животных, вулканы, фумаролы и другие вместе выделяют менее 2% углекислоты.
Мировой океан принимает участие в регуляции содержания углекислого
газа в атмосфере. Морская и пресная вода, кроме карбонатов и оснований,
содержит также растворенную углекислоту и бикарбонаты. При изменении
давления СО2 в воздухе часть его для достижения динамического равновесия
между свободным газом атмосферы и растворенным в воде переходит в воду
или обратно в атмосферу. Однако постоянство парциального давления
углекислого газа в атмосфере достигается, главным образом, соответствием
между выделением углекислоты и потреблением ее растениями. Ежегодно в
процессе фотосинтеза наземные и морские растения поглощают около 15,6 х
1010 т углекислоты, то есть 1/16 всего мирового запаса.
Азот
входит
в
состав
белков,
нуклеиновых
кислот,
пигментов,
коферментов, фитогормонов и витаминов. При недостатке азота тормозится
рост растений, ослабляется образование боковых побегов и кущение у
злаков, наблюдается мелколистность, уменьшается ветвление корней.
Симптомом азотного дефицита является хлороз листьев - бледно-зеленая
окраска листьев, вызванная ослаблением синтеза пигмента хлорофилла.
Доступные для растений формы азота
Азот - один из наиболее широко распространенных элементов в природе.
67
Основными его формами на Земле являются связанный азот литосферы и
газообразный молекулярный азот атмосферы, составляющий около 76%
воздуха по массе. Однако молекулярный азот атмосферы не усваивается
высшими растениями. В почве сосредоточена лишь минимальная часть
литосферного азота и только от 0,5 до 2% почвенного азота доступно
растениям. Этот азот представлен в форме NO-3 и NH+4-ионов.
Ионы NO-3 подвижны, плохо фиксируются в почве и легко вымываются
почвенными водами в более глубокие слои почвы и водоемы. Содержание
нитратов в почве возрастает весной, когда создаются условия, благоприятные
для деятельности нитрифицирующих бактерий. Катион
NH+4
менее
подвижен, хорошо адсорбируется отрицательно заряженными частицами,
меньше вымывается осадками.
Аммонификация – превращение органического азота почвы в NH+4-ионы
называется
аммонификацией.
Она
осуществляется
гетеротрофными
микроорганизмами по схеме:
органический азот RNH2 + H2O NH3 + ROH, NH3 + H2O NH+4 + OHГние́ние (аммонификация) — процесс разложения азотсодержащих
органических
соединений
ферментативного
(белков,
гидролиза
под
аминокислот),
действием
в
результате
их
аммонифицирующих
микроорганизмов с образованием токсичных для человека конечных
продуктов — аммиака, сероводорода, а также первичных и вторичных
аминов при неполной минерализации продуктов разложения:
Трупных ядов (например путресцин и кадаверин)
Ароматические соединения (например скатол, индол- образуются в
результате
дезаминирования
и
декарбоксилирования
аминокислоты
триптофана)
Гниение серосодержащих аминокислот (цистеина, цистина и метионина)
приводит к выделению сероводорода, меркаптанов, диметилсульфоксида
Аммонифицирующие
микроорганизмы
(иначе
гнилостные
микроорганизмы, гнилостная микрофлора) широко распространены в почве,
68
воздухе, воде, животных и растительных организмах. Поэтому любой
подходящий субстрат быстро подвергается гниению. Наиболее глубокий
распад белка с образованием безазотистых и азотистых соединений (индол,
скатол, NH3,H2S) идет при участии спорообразующих бактерий рода Bacillus
(например Bacillus subtilis, Bacillus mycoides), Clostridium (Clostridium
perfringens,
Clostridium
tetani,
Clostridium
histolyticum),и
семейства
Enterobacteriaceae(например Proteus, Escherichia).
Умеренное, контролируемое иммунитетом организма бактериальное
гниение белков также является необходимой частью пищеварения и
происходит в толстом кишечнике человека и животных. Их активаторами
являются Proteus, Escherichia, Morganella, Klebsiella, Pseudomonas
Нитрификация — микробиологический процесс окисления аммиака до
азотистой кислоты и далее до азотной кислоты, что связано либо с
получением энергии (хемосинтез, автотрофная нитрификация), либо с
защитой от активных форм кислорода, образующихся при разложении
пероксида водорода (гетеротрофная нитрификация).
Биологическое окисление NH+4 до NO-3, то есть нитрификация - это
двухступенчатый процесс, осуществляемый двумя группами автотрофных
бактерий.
Первая стадия — окисление аммиака до нитрит-аниона, которое
осуществляют нитрозные бактерии родов Nitrosomonas, Nitrosococcus и
Nitrosospira по следующему механизму:
2 NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O,
Вторая стадия — окисление аниона азотистой кислоты до аниона азотной,
производимое нитратными бактериями (почвенный род Nitrobacter и водные
Nitrospira, Nitrococcus, Nitrospina) окисляют азотистую кислоту до азотной:
2HNO2 + О2 2HNO3
Гетеротрофная нитрификация
Особо выделяют гетеротрофную нитрификацию, происходящую у многих
бактерий и грибов и связанную с окислением аммиака и азота органических
69
соединений без использования полученной энергии, попутно с окислением
органического вещества и, предположительно, посредством кислорода,
образуемом при разложении пероксида водорода. Удельная активность этого
процесса на 2-4 порядка ниже, чем в случае автотрофной нитрификации,
однако именно с ним связано происхождение чилийской селитры а также вся
нитрификация в почвах и водоемах с низкими значениями pH.
Биологическая азотфиксация. Газообразный азот может превращаться в
доступные для растений соединения в ходе химической и биологической
азотфиксации. Химическое связывание N2 в форме NO-3 и NH+4-ионов в
небольших размерах происходит в результате фотохимических процессов и
электрических разрядов в атмосфере. Сейчас налажено промышленное
производство азотной кислоты и аммиака из азота воздуха.
Однако основная масса азота, содержащегося в населяющих нашу планету
живых
организмах,
микроорганизмов,
своим
способных
происхождением
ассимилировать
обязана
деятельности
молекулярный
азот
атмосферы, восстанавливая его до аммиака. Этот процесс называется
биологической азотфиксацией.
Организмы, способные к усвоению азота воздуха, можно разделить на
группы:
1)
симбиотические
азотфиксаторы
—
микроорганизмы,
которые
усваивают азот атмосферы, только находясь в симбиозе с высшим растением;
2) не симбиотические азотфиксаторы — микроорганизмы, свободно
живущие в почве и усваивающие азот воздуха;
3) ассоциативные азотфиксаторы — микроорганизмы, обитающие на
поверхности корневой системы злаков, т. е. живущие в ассоциации с
высшими растениями.
К группе симбиотических азотфиксаторов относятся бактерии рода
Rhizobium,
образующие
клубеньки
на корнях
бобовых
растений
и
фиксирующие, в среднем, от 100 до 400 кг азота на га. Большое значение в
природе имеют некоторые лишайники, представляющие собой симбиоз гриба
70
и азотфиксирующих цианобактерий. Они развиваются в субарктических
зонах, на скалах и других бесплодных участках, являясь, таким образом,
пионерами заселения суши. В настоящее время насчитывается около 190
видов растений разных семейств, способных симбиотически усваивать азот.
К их числу относятся некоторые деревья и кустарники: ольха, восковница,
лох, облепиха и другие.
Инфицирование растения-хозяина начинается с проникновения бактерий
рода Rhizobium в клетку корневого волоска. Затем бактерии мигрируют в
клетки коры и вызывают интенсивное деление инфицированных клеток, что
приводит к образованию клубеньков на корнях. При этом сами бактерии
превращаются в бактероиды, которые в 40 раз больше по объему исходной
бактерии.
Группа свободноживущих азотфиксаторов включает бактерии родов
Azotobacter, Beijerinckia, Clostridium, а также фотосинтезирующие бактерии и
некоторые виды цианобактерий - сине-зеленых водорослей. Все они
гетеротрофы и нуждаются в углеводном источнике питания. Бактерии родов
Azotobacter и Beijerinckia поселяются на поверхности корней высших
растений и используют корневые выделения. Заселение цианобактериями
рисовых полей увеличивает урожай риса примерно на 20%. Однако
сельскохозяйственное значение свободноживущих азотфиксаторов невелико.
В умеренном климате ежегодная фиксация ими азота составляет не более 20 40 кг азота на гектар.
Ассоциативные азотфиксаторы были обнаружены в 70—80-х годах XX в.
в лаборатории Д. Доберейнер в Бразилии (1976). Число их видов велико, как
велико
разнообразие
микроорганизмами.
ассоциативных
Такие
отношения
взаимоотношений
растений
характерны
ризосферных
для
с
микроорганизмов, т. е. живущих на поверхности корневой системы растений.
Часто микробиологи не делают различия между ассоциативными и
свободноживущими
азотфиксаторами.
Последовательность
взаимоотношений с растением-хозяином ассоциативных азотфиксаторов
71
имеет
определенное
хемотаксическое
сходство
узнавание,
с
симбиотическими
лектин-углеводное
организмами:
узнавание
и
этап
установления прочных связей. Отсутствует только этап образования
клубеньков. Эффективность азотфиксации ассоциативной микрофлорой
меньше по сравнению с симбиотической, но ассоциативные азотфиксаторы
продуцируют гормоны роста растений и обладают другими свойствами,
положительно влияющими на рост и развитие растений (защита от
фитопатогенов, разрушение токсических веществ). Наиболее изучены из этой
группы
микроорганизмы
из
рода
азоспирилл
(Azospirillum).
Они
колонизируют корни злаков и в связи с этим представляет интерес
технология их выращивания. Азоспириллы легко инфицируют корневую
систему злаков и других растений.
Молекула азота (N N) химически инертна. Для разрыва трех ее
ковалентных связей в химическом процессе синтеза аммиака требуются
катализаторы, высокие температура и давление. Биологическая фиксация
азота осуществляется при невысокой температуре и нормальном давлении,
что свидетельствует об очень высокой эффективности участвующего в этом
процессе фермента нитрогеназы. Фермент состоит из двух компонентов:
высокомолекулярного (200-250 кДа) Mo, Fe-белка и низкомолекулярного (5070 кДа) Fe-белка. Субстрат N2 связывается и восстанавливается на Mo, Feбелке, а Fe-белок служит переносчиком электронов от ферредоксина на Mo,
Fe-белок. Реакция сопряжена с гидролизом АТФ. Для восстановления N2 до
NH3 требуется 6 электронов, которые расходуются в три этапа:
2e + 2H+ 2e + 2H+ 2e + 2H+
N N HN = NH H2N - NH2 2 NH3
Поскольку
кислорода,
у
нитрогеназный
комплекс
азотфиксирующих
разрушается
микроорганизмов
в
присутствии
используется
ряд
механизмов для его защиты. У Rhizobium эту функцию выполняет
гемсодержащий белок легоглобин или леггемоглобин, обладающий очень
высоким сродством к кислороду. Он синтезируется клетками растения72
хозяина и встраивается в мембрану бактероида. Функционирующий в
бактероидах цикл Кребса служит источником субстратов для окисления в
электрон-транспортной цепи, осуществляющей синтез АТФ, обеспечивает
нитрогеназу электронами через ферредоксин, поставляет -кетоглутаровую
кислоту, которая, реагируя с NH-4, образует глютаминовую аминокислоту,
транспортируемую затем в клетки растения-хозяина.
Редукция нитрата. В органические соединения включается только
аммонийный азот, поэтому ионы нитрата, поглощенные растением,
восстанавливаются в клетках до аммиака. Редукция нитрата в растениях
осуществляется в два этапа. Сначала происходит восстановление нитрата до
нитрита, сопряженное с переносом 2 электронов и катализируемое
ферментом нитратредуктазой:
2 eNO-3 + НAД(Ф)Н + Н+ NO-2 + НАД(Ф)+ + Н2О
Грибы и зеленые водоросли в качестве донора электронов используют
восстановленный НАДФН. У высших растений фермент имеет сродство к
восстановленному НАДН, который образуется в ходе реакций гликолиза и
цикла Кребса.
Нитриты, образующиеся на первом этапе редукции нитратов, быстро
восстанавливаются до аммиака ферментом нитритредуктазой. Она в качестве
донора электронов использует восстановленный ферредоксин:
6 еNO-2 + 6 Фдвосст. + 8 Н+ NH+4 + 6 Фдокисл. + 2 Н2О
Обе эти реакции происходят в листьях и корнях. В зеленых частях
растения нитритредуктаза локализована в хлоропластах. Восстановитель
ферредоксин
получает
электронтранспортной
электроны
цепи.
В
прямо
корнях
из
нитрит
фотосинтетической
восстанавливается
в
пропластидах. Так как в корнях ферредоксин отсутствует, то источником
электронов служит НАДФН, образующийся в пентозофосфатном пути
дыхания.
73
Пути ассимиляции аммиака. Аммиак, поступивший в растение из
почвы, образовавшийся при восстановлении нитратов или в процессе
фиксации молекулярного азота, усваивается растениями с образованием
аминокислот и амидов. Фермент глутаматдегидрогеназа катализирует
восстановительное аминирование -кетоглутаровой кислоты с образованием
глютаминовой кислоты. На первом этапе реакции субстраты соединяются с
образованием
иминокислоты,
которая
затем
восстанавливается
в
глютаминовую кислоту при участии НАД(Ф)Н.
Глютаматдегидрогеназа (мол. масса 200-300 кДа) обнаружена в листьях и
корнях у всех высших растений, но в корнях ее активность выше. Фермент
локализован преимущественно в митохондриях, хотя имеется в цитоплазме и
в хлоропластах. Он состоит из 4-6 субъединиц. Это фермент обратимого
действия и зависит от рН. Оптимум рН для аминирования на 1,5 единицы
выше, чем для дезаминирования.
Глютаминсинтетаза катализирует реакцию, в которой глютаминовая
кислота функционирует как акцептор NH3 для образования амида глютамина.
Для этой реакции необходима АТФ.
Ионы марганца, кобальта, кальция и магния являются кофакторами
глютаминсинтетазы. Фермент обнаружен во всех органах растений и
локализован в цитоплазме.
Помимо
-кетоглутаровой
кислоты,
играющей
основную
роль
в
первичном связывании аммиака, роль акцепторов аммиака в растениях могут
выполнять
и
другие
соответствующих
называемые
органические
ферментов
первичные
кислоты,
взаимодействуют
аминокислоты.
Они
которые
с
помощью
с
NH3,
образуя
же
служат
так
акцептором
аминогрупп в различных реакциях переаминирования.
К числу этих органических кислот относятся
щавелевоуксусная,
пировиноградная, гидроксипировиноградная, глиоксиловая и другие, в
процессе
восстановительного
аминирования
которых
получаются
соответственно аспарагиновая кислота, аланин, серин, глицин.
74
Принято считать, что образование аспарагина преобладает в том случае,
когда происходит распад белков в семенах. В клетках корня и листьев
растущего растения идет, главным образом, образование глютамина. Таким
образом, образование аспарагина из ЩУК - это путь обезвреживания
аммиака, появляющегося при распаде белка - так называемая регрессивная
ветвь
азотного
обмена,
тогда
как
синтез
глютамина
-
это
путь
обезвреживания аммиака при синтезе белка - прогрессивная ветвь азотного
обмена.
Фосфор. Растения поглощают из почвы свободную ортофосфорную
кислоту и ее двух- и однозамещенные соли, растворимые в воде, а также и
некоторые органические соединения фосфора, такие как фосфаты сахаров и
фитин (кальциево-магниевая соль мио-инозитгексафосфорной (фитиновой)
кислоты).
Содержание фосфора в растениях составляет около 0,2% на сухую массу.
Основной запасной формой фосфора у растений является фитин. Содержание
фитина в семенах достигает 2% от сухой массы, что составляет 50% от
общего содержания фосфора.
При дефиците фосфора снижается скорость поглощения кислорода,
снижается
активность
дыхательных
ферментов,
локализованных
в
митохондриях, и активируются ферменты (оксидаза гликолевой кислоты,
аскорбатоксидаза) немитохондриальных систем окисления, происходит
распад фосфорорганических соединений, тормозится синтез белков и
свободных нуклеотидов. Наиболее чувствительны к недостатку фосфора
молодые растения. Симптомом фосфорного голодания является синеватозеленая окраска, в первую очередь, старых листьев нередко с пурпурным изза накопления антоцианов или бронзовым оттенком (свидетельство задержки
синтеза белка и накопления сахаров).
Сера в почве находится в органической и неорганической формах.
Органическая сера входит в состав растительных и животных остатков.
Основные неорганические соединения серы в почве – сульфаты (CaSO4,
75
MgSO4, Na2SO4). В затопляемых почвах сера находится в восстановленной
форме в виде FeS, FeS2 или H2S.
Растения поглощают из почвы сульфаты и в очень незначительных
количествах серосодержащие аминокислоты. Содержание серы в растениях
составляет около 0,2%. Однако в растениях семейства крестоцветных ее
содержание значительно выше. Сера содержится в растениях в двух
основных формах - окисленной в виде неорганического сульфата и
восстановленной (аминокислоты, глутатион, белки). Процесс восстановления
сульфата происходит в хлоропластах.
Одна из основных функций серы в белках - это участие SH-группы в
образовании
ковалентных,
водородных
и
меркаптидных
связей,
поддерживающих трехмерную структуру белка. Сера входит в состав
цистеина и метионина. Сера входит в состав многих витаминов и
коферментов, таких как биотин, коэнзим А, глутатион, липоевая кислота. В
связи с этим сера необходима для многих процессов обмена веществ
(например, аэробная фаза дыхания, синтез жиров и так далее). Сера
участвует в образовании полиаминов, которые влияют на структуру
нуклеиновых кислот и рибосом, регулируют процессы деления клеток.
Недостаточное снабжение растений серой тормозит синтез серосодержащих
аминокислот и белков, снижает фотосинтез и скорость роста растений,
приводит к разрушению хлоропластов. Симптомы дефицита серы побледнение и пожелтение молодых, а затем и старых листьев.
Калий поглощается растениями в виде катиона. Его содержание в
растениях составляет, в среднем, 0,9%. Концентрация калия высока в
огурцах, томатах и капусте, но особенно много его в подсолнечнике. В
растениях калий больше сосредоточен в молодых растущих тканях. Около
80% калия содержится в вакуолях и 1% калия прочно связан с белками
митохондрий и хлоропластов. Калий стабилизирует структуру этих органелл.
Калий участвует в создании разности электрических потенциалов между
клетками. Он нейтрализует отрицательные заряды неорганических и
76
органических анионов. Калий в значительной мере определяет коллоидные
свойства цитоплазмы, так как способствует поддержанию состояния
гидратации коллоидов цитоплазмы, повышая
ее водоудерживающую
способность. Тем самым калий увеличивает устойчивость растений к засухе
и морозам.
Известно более 60 ферментов, активируемых калием. Он необходим для
включения
фосфата
в
органические
соединения,
реакций
переноса
фосфатных групп, участвует в синтезе рибофлавина - компонента всех
флавиновых дегидрогеназ.
При недостатке калия он может заменяться натрием, но некоторые
активируемые калием ферменты ингибируются натрием. При недостатке
калия листья желтеют снизу вверх - от старых к молодым. Их края и
верхушки приобретают бурую окраску, иногда с красными пятнами, затем
происходит отмирание этих участков. Снижается функционирование камбия,
нарушается развитие сосудистых тканей, уменьшается толщина кутикулы и
стенок эпидермальных клеток, тормозятся процессы деления и растяжения
клеток, что приводит к появлению розеточных форм растений. Недостаток
калия вызывает остановку развития и гибель верхушечных почек, в
результате чего активируется рост боковых побегов и растение принимает
форму куста.
Кальций. В почве содержится много кальция и кальциевое голодание
встречается редко, например, при сильной кислотности или засоленности
почв и на торфяниках. Общее содержание кальция у разных видов растений
составляет
0,5-3,0%.
Много
кальция
содержат
бобовые,
гречиха,
подсолнечник, картофель, капуста, гораздо меньше - зерновые, лен, сахарная
свекла. В тканях двудольных растений кальция больше, чем у однодольных.
Кальций накапливается в старых органах и тканях. Это связано с тем, что
реутилизация кальция затруднена, так как он из цитоплазмы переходит в
вакуоль и откладывается в виде нерастворимых солей щавелевой, лимонной
и других кислот.
77
В растениях имеется два запасных пула ионов кальция: внеклеточный
(апопластный) и внутриклеточный в вакуоле и эндоплазматическом
ретикулуме.
Большое
количество
кальция
связано
с
пектиновыми
веществами срединной пластинки и клеточной стенки. Он содержится также
в хлоропластах, митохондриях и ядре в комплексах с биополимерами в виде
неорганических фосфатов и в форме иона.
Взаимодействуя с отрицательно заряженными группами фосфолипидов,
кальций стабилизирует клеточные мембраны. При недостатке кальция
увеличивается проницаемость мембран и нарушается их целостность.
Изменения концентрации кальция в цитоплазме играют важную роль в
структурных перестройках компонентов цитоскелета - актиноподобных
белков, участвующих в процессах движения цитоплазмы, обратимых
изменениях
ее
цитоплазматических
вязкости,
ферментных
в
пространственной
систем.
Процессы
организации
сборки-разборки
микротрубочек регулируются уровнем ионов кальция наряду с ионами
магния и гуанозинтрифосфата. Кальций активирует ряд ферментов,
способствуя агрегации субъединиц, служа мостиком между ферментом и
субстратом, влияя на состояние аллостерического центра фермента. Избыток
кальция в ионной форме угнетает окислительное и фотофосфорилирование.
Кальций используется в растительных клетках как вторичный посредник
для контролирования многих процессов (закрытие устьиц, тропизм, рост
пыльцевых
трубок,
акклиматизация
к
холоду,
экспрессия
генов,
фотоморфогенез).
Регулирующее действие кальция на многие стороны метаболизма зависит
от его взаимодействия с внутриклеточным рецептором кальция белком
кальмодулином. Это кислый с изоэлектрической точкой при рН 3,0-4,3
термостабильный низкомолекулярный (мол. масса 16,7 кДа) белок. Он
обладает большим сродством к кальцию. Его комплекс с кальцием
активирует многие ферменты, например, протеинкиназы (фосфорилирование
белков), фосфоэстеразу, транспортную Са2+-АТФазу и другие. Кальмодулин
78
может связываться с мембранами в клетке и легко переходит в цитозоль.
Влиянием кальция на сборку и разборку элементов цитоскелета объясняет
его необходимость для митоза, так как комплекс кальция с кальмодулином
регулирует сборку микротрубочек веретена. Кальций участвует в слияниии
везикул Гольджи при формировании новой клеточной стенки.
При недостатке кальция у делящихся клеток не образуются клеточные
стенки и образуются многоядерные меристематические клетки. Недостаток
кальция вызывает прекращение образования боковых корней и корневых
волосков, приводит к набуханию пектиновых веществ, что вызывает
ослизнение клеточных стенок и разрушение клеток. Также нарушается
структура плазмалеммы и мембран клеточных органелл. Симптомами
дефицита кальция является побеление с последующим почернением
кончиков
и
краев
листьев.
Листовые
пластинки
искривляются
и
скручиваются. На плодах, в запасающих и сосудистых тканях появляются
некротические участки.
Магний. Недостаток в магнии растения испытывают на песчаных и
подзолистых почвах. Много магния в сероземах, черноземы занимают
промежуточное положение. Водорастворимого и обменного магния в почве
3-10%. Магний поглощается растением в виде иона Mg2+. Кальций, калий,
аммоний и марганец действуют как конкуренты в процессе поглощения
магния растениями.
У высших растений среднее содержание магния составляет 0,02-3%.
Много магния в молодых клетках, а также в генеративных органах и
запасающих тканях.
Около 10-12% магния находится в составе хлорофилла. Магний
необходим
для
синтеза
протопорфирина
IX
-
непосредственного
предшественника хлорофиллов. Магний активирует ряд реакций переноса
электронов при фотофосфорилировании, он необходим при передаче
электронов от фотосистемы I к фотосистеме II. Магний является кофактором
почти всех ферментов, катализирующих перенос фосфатных групп. Это
79
связано со способностью магния к комплексообразованию.
Магний необходим для многих ферментов гликолиза и цикла Кребса. Для
9 из 12 реакций гликолиза требуется участие металлов-активаторов и 6 из
них активируются магнием. За исключением фумаразы, все ферменты цикла
Кребса активируются магнием или содержат его как компонент структуры.
Для двух из семи (глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназа и транскетолаза)
ферментов пентозофосфатного пути необходим магний. Он требуется для
работы ферментов молочнокислого и спиртового брожения.
Магний усиливает синтез эфирных масел, каучука, витаминов А и С.
Ионы магния необходимы для формирования рибосом и полисом, связывая
РНК и белок, активации аминокислот и синтеза белка. Он активирует ДНК- и
РНКполимеразы, участвует в формировании пространственной структуры
нуклеиновых кислот.
Недостаток магния приводит к уменьшению содержания фосфора в
растении, даже если фосфаты в достаточных количествах имеются в
питательном субстрате. При недостатке магния тормозится превращение
моносахаров в крахмал, слабо функционирует механизм синтеза белков,
нарушается формирование пластид: матрикс хлоропластов просветляется и
граны слипаются, ламеллы стромы разрываются и не образуют единой
структуры. При магниевом голодании между зелеными жилками появляются
пятна и полосы светло-зеленого, а затем желтого цвета. Края листовых
пластинок приобретают желтый, оранжевый, красный или темно-красный
цвет и такая как бы мраморная окраска наряду с хлорозом служит
характерным
симптомом
недостаточности
сначала
нехватки
магния.
появляются
на
Признаки
старых
листьях,
магниевой
а
затем
распространяются на молодые листья.
Кремний обнаружен у всех растений. Особенно много его в клеточных
стенках. Растения, накапливающие кремний, имеют прочные стебли.
Недостаток кремния задерживает рост злаков (кукуруза, овес, ячмень) и
двудольных растений (огурцы, томаты, табака, бобы). Исключение кремния
80
во время репродуктивной стадии уменьшает количество семян, при этом
снижается число зрелых семян, и нарушается ультраструктура клеточных
органелл.
Микроэлементы
Железо. Среднее содержание железа в растениях составляет 0,002-0,008%.
Ионы Fe3+ почвенного раствора восстанавливаются редокс-системами
плазмалеммы клеток ризодермы до Fe2+ и в такой форме поступают в корень.
Железо необходимо для функционирования основных редокс-систем
фотосинтеза и дыхания, синтеза хлорофилла, восстановления нитратов и
фиксации молекулярного азота клубеньковыми бактериями, входя в состав
нитратредуктазы и нитрогеназы. Поэтому недостаточное поступление железа
в растения в условиях переувлажнения и на карбонатных почвах приводит к
снижению интенсивности дыхания и
фотосинтеза и
выражается в
пожелтении (хлорозе) листьев и быстром их опадении.
Марганец в клетки поступает в форме ионов Mn2+. Среднее его
содержание составляет 1 мг на 1 кг сухой массы (0,0001%). Марганец
накапливается в листьях. Он необходим для фоторазложения воды с
выделением кислорода и восстановления углекислого газа при фотосинтезе.
Марганец способствует увеличению содержания сахаров и их оттоку из
листьев. Два фермента цикла Кребса - малат- и изоцитратдегидрогеназы активируются ионами марганца. Он также необходим для функционирования
нитратредуктазы
при
восстановлении
нитратов.
Марганец
является
кофактором РНКполимеразы и ауксиноксидазы, разрушающей фитогормон
3-индолилуксусную кислоту.
Характерный симптом марганцевого голодания - точечный хлороз
листьев, когда между жилками появляются желтые пятна, а затем клетки в
этих участках отмирают.
Молибден. Наибольшее содержание молибдена характерно для бобовых
(0,5-20 мг на 1 кг сухой массы), злаки содержат от 0,2 до 2 мг на кг. Он
поступает в растения в форме аниона МоО2-4, концентрируется в молодых,
81
растущих органах. Его больше в листьях, чем в корнях и стеблях, а в листе
сосредоточен, в основном, в хлоропластах.
Молибден входит в состав нитратредуктазы и нитрогеназы, а также
необходим для биосинтеза легоглобина. Как металл-активатор молибден
участвует в реакциях аминирования и переаминирования, для включения
аминокислот
в
пептидную
цепь,
работы
таких
ферментов
как
ксантиноксидаза и различных фосфатаз.
При недостатке молибдена в тканях накапливается большое количество
нитратов, не развиваются клубеньки на корнях бобовых, тормозится рост
растений, наблюдаются деформации листовых пластинок. При высоких дозах
молибден токсичен. При недостатке молибдена молодые листья по краям
приобретают серую, а затем коричневую окраску, теряют тургор, а затем
ткани листа отмирают и остаются только жилки в виде хлыстиков.
Кобальт. Среднее содержание кобальта в растениях 0,02 мг на 1 кг сухой
массы.
Кобальт
необходим
бобовым
растениям
для
обеспечения
размножения клубеньковых бактерий. В растениях кобальт встречается в
ионной форме и в витамине В12. Растения не вырабатывают этот витамин. Он
синтезируется бактероидами клубеньков бобовых растений и участвует в
синтезе метионина в бактероидах. При старении клубеньков и прекращении
фиксации азота витамин выходит в цитоплазму клеток клубеньков. Наряду с
магнием
и
марганцем
кобальт
активирует
фермент
гликолиза
фосфоглюкомутазу и фермент аргиназу, гидролизующий аргинин.
Внешние признаки недостатка кобальта сходны с признаками азотного
голодания.
Медь поступает в клетки в форме иона Сu2+. Среднее содержание меди в
растениях 0,2 мг на кг сухой массы. Около 70% всей меди, находящейся в
листьях, сосредоточены в хлоропластах и почти половина ее в составе
пластоцианина - переносчика электронов между фотосистемами II и I. Она
входит в состав ферментов, катализирующих окисление аскорбиновой
кислоты, дифенолов и гидроксилирование монофенолов - аскорбатоксидазы,
82
полифенолоксидазы, ортодифенолоксидазы и тирозиназы. Два атома меди
функционируют в цитохромоксидазном комплексе дыхательной цепи
митохондрий. Медь входит в состав нитратредуктазного комплекса и влияет
на
синтез
легоглобина.
Для
биосинтеза
этилена
также
необходим
медьсодержащий фермент. Влияя на содержание в растениях ингибиторов
роста фенольной природы медь повышает устойчивость растений к
полеганию. Она также повышает засухо-, морозо- и жароустойчивость.
Недостаток меди вызывает задержку роста и цветения, хлороз, потерю
тургора и завядание растений. У злаков при недостатке меди не развивается
колос, у плодовых появляется суховершинность. При дефиците меди белеют
и отмирают кончики листьев, листья и плоды плодовых деревьев
покрываются бурыми пятнами.
Цинк. Содержание цинка в надземных частях бобовых и злаковых
растений составляет 15-60 мг на кг сухой массы. Повышенная концентрация
отмечается в листьях, репродуктивных органах и конусах нарастания,
наибольшая - в семенах.
Цинк поступает в растение в форме катиона Zn2+. Он необходим для
функционирования ряда ферментов гликолиза - гексокиназы, енолазы,
триозофосфатдегидрогеназы,
альдолазы,
а
также
входит
в
состав
алкогольдегидрогеназы. Цинк активирует карбоангидразу, катализирующую
реакцию дегидратации гидрата оксида углерода: Н2СО3 СО2 + Н2О, что
помогает использованию углекислого газа в процессе фотосинтеза. Цинк
участвует в образовании аминокислоты триптофана. Именно с этим связано
влияние катионов цинка на синтез белков, а также фитогормона 3индолилуксусной кислоты, предшественником которой является триптофан.
Подкормка цинком способствует увеличению содержания ауксинов в тканях
и активирует их рост.
При дефиците цинка у растений нарушается фосфорный обмен: фосфор
накапливается в корнях, задерживается его транспорт в надземные органы,
замедляется превращение фосфора в органические формы. При недостатке
83
цинка в растениях уменьшается содержание сахарозы и крахмала,
увеличивается количество органических кислот и небелковых соединений
азота - амидов и аминокислот. Кроме того, в 2-3 раза подавляется скорость
деления клеток, что приводит к морфологическим изменениям листьев,
нарушению растяжения клеток и дифференциации тканей. Наиболее
характерный признак цинкового голодания - это задержка роста междоузлий
и листьев, появление хлороза и развитие розеточности.
Бор. Его среднее содержание составляет 0,1 мг на кг сухой массы. В боре
наиболее нуждаются двудольные растения. Много бора в цветках. В клетках
большая часть бора сосредоточена в клеточных стенках. Бор усиливает рост
пыльцевых трубок, прорастание пыльцы, увеличивает количество цветков и
плодов. Без него нарушается созревание семян. Бор снижает активность
некоторых дыхательных ферментов, оказывает влияние на углеводный,
белковый и нуклеиновый обмен. При недостатке бора нарушаются синтез,
превращения и транспорт углеводов, формирование репродуктивных
органов, оплодотворение и плодоношение. Он не может реутилизироваться и
поэтому при борном голодании прежде всего отмирают конусы нарастания,
останавливается рост побегов и корней, листовые пластинки утолщаются,
скручиваются, становятся ломкими, цветки не образуются.
Применение удобрений
В естественных биоценозах поглощенные из почвы соединения частично
возвращаются с опавшими листьями, ветками, хвоей. С убранным урожаем
сельскохозяйственных
растений
поглощенные
вещества
из
почвы
устраняются. Величина выноса минеральных элементов зависит от вида
растения, урожайности и почвенно-климатических условий. Овощные
культуры, картофель, многолетние травы выносят больше элементов
питания, чем зерновые.
Для предотвращения истощения почвы и получения высоких урожаев
сельскохозяйственных культур необходимо внесение удобрений.
Сопоставляя количество элементов в почве и растении с величиной
84
урожая
Ю.
Либих
сформулировал
закон
минимума
или
закон
ограничивающих факторов. Согласно этому закону величина урожая зависит
от количества того элемента, который находится в почве в относительном
минимуме.
Позже было установлено наличие у растений критических периодов по
отношению к тому или иному минеральному элементу, то есть периодах
более высокой чувствительности растений к недостатку этого элемента на
определенных этапах онтогенеза. Это позволяет регулировать соотношение
питательных веществ в зависимости от фазы развития и условий среды. Так,
известно, что в осенний период для озимых культур не рекомендуется
вносить азотные удобрения, так как они усиливают ростовые процессы,
снижая устойчивость растений. В осенний период надо проводить подкормки
фосфором и калием, а весной азотом.
С помощью удобрений можно регулировать не только величину урожая,
но и его качество. Так, для получения зерна пшеницы с высоким
содержанием белка надо вносить азотные удобрения, а для получения
продуктов
с
высоким
содержанием
крахмала
(например,
зерна
пивоваренного ячменя или клубни картофеля) необходимы фосфор и калий.
Удобрения
подразделяют
на
минеральные
промышленные
(азотные,
калийные,
фосфорные,
и
органические,
микроудобрения,
бактериальные) и местные (навоз, торф, зола), простые (содержат один
элемент питания - азотные, калийные, борные) и комплексные (содержат два
или более питательных элементов). Калийная селитра (KNO3), аммофос
(NH4H2PO4)
Лекция 5. Фотосинтез.
Фотосинтез – это процесс трансформации поглощенной растением
электромагнитной энергии солнечного света в химическую энергию
органических соединений. Чтобы свет мог быть использованным в процессе
фотосинтеза, необходимо его поглощение фоторецепторами – пигментами.
85
История изучения фотосинтеза. Первые опыты по фотосинтезу были
проведены Джозефом Пристли в 1770—1780-х годах, когда он обратил
внимание на «порчу» воздуха в герметичном сосуде горящей свечой (воздух
переставал быть способен поддерживать горение, помещённые в него
животные задыхались) и «исправление» его растениями. Пристли сделал
вывод что растения выделяют кислород, который необходим для дыхания и
горения, однако не заметил что для этого растениям нужен свет. Это показал
вскоре Ян Ингенхауз.
Позже было установлено что помимо выделения кислорода растения
поглощают углекислый газ и при участии воды синтезируют на свету
органическое вещество. В 1842 Роберт Майер на основании закона
сохранения энергии постулировал что растения преобразуют энергию
солнечного света в энергию химических связей. В 1877 В. Пфеффер назвал
этот процесс фотосинтезом.
Хлорофиллы были впервые выделены в 1818 П. Ж. Пельтье и Ж. Кавенту.
Разделить пигменты и изучить их по отдельности удалось М. С. Цвету с
помощью созданного им метода хроматографии. Спектры поглощения
хлорофилла были изучены К. А. Тимирязевым, он же, развивая положения
Майера, показал что именно поглощенные позволяют повысить энергию
системы, создав вместо слабых связей С-О и О-Н высокоэнергетические С-С
(до этого считалось что в фотосинтезе используются жёлтые лучи, не
поглощаемые пигментами листа). Сделано это было благодаря созданному
им методу учёта фотосинтеза по поглощённому CO2, в ходе экспериментов
по освещению растения светом разных длин волн (разного цвета) оказалось
что интенсивность фотосинтеза совпадает со спектром поглощения
хлорофилла.
Окислительно-восстановительную сущность фотосинтеза (как
оксигенного, так и аноксигенного) постулировал Корнелис ван Ниль. Это
означало что кислород в фотосинтезе образуется полностью из воды, что
экспериментально подтвердил в 1941 А. П. Виноградов в опытах с
86
изотопной меткой. В 1937 г. Роберт Хилл установил что процесс окисления
воды (и выделения кислорода), а также ассимиляции CO2 можно разобщить.
В 1954—1958 Д. Арнон установил механизм световых стадий фотосинтеза, а
сущность процесса ассимиляции CO2 была раскрыта Мельвином
Кальвином с использованием изотопов углерода в конце 1940-х, за эту
работу в 1961 ему была присуждена Нобелевская премия.
В 1955 году был выделен и очищен фермент рибулозобисфосфаткарбоксилаза/ оксигеназа. С4 фотосинтез был описан Ю. С. Карпиловым в
1960 и М. Д. Хэтчем и К. Р. Слэком в 1966.
Значение. Фотосинтез является основным источником биологической
энергии, фотосинтезирующие автотрофы используют её для синтеза
органических веществ из неорганических, гетеротрофы существуют за счёт
энергии, запасённой автотрофами в виде химических связей, высвобождая её
в процессах дыхания и брожения. Энергия получаемая человечеством при
сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф) также
является запасённой в процессе фотосинтеза.
Фотосинтез является главным входом неорганического углерода в
биологический цикл. Весь свободный кислород атмосферы — биогенного
происхождения и является побочным продуктом фотосинтеза. Формирование
окислительной атмосферы (кислородная катастрофа) полностью изменило
состояние земной поверхности, сделало возможным появление дыхания, а в
дальнейшем, после образования озонового слоя, позволило жизни выйти на
сушу
Прочие факты
Морской слизень Elysia chlorotica ассимилирует хлоропласты водоросли
Vaucheria litorea в клетки пищеварительного тракта. Хлоропласты способны
фотосинтезировать в организме слизня в течение нескольких месяцев, что
позволяет слизню жить за счет глюкозы, полученной в результате
фотосинтеза. Геном слизня кодирует некоторые белки, необходимые
хлоропластам для фотосинтеза.
87
Предполагается, что в естественной среде фотосинтезирующие бактерии
могут использовать не только свет Солнца, но и другие источники света, а
потому могут находиться в местах, не подвергающихся облучению звезды[2]
В 2005 году Томас Битти из университета Британской Колумбии и Роберт
Блейкеншип из университета Аризоны в глубоководных пробах, взятых в
окрестностях глубоководного термального источника у побережья Коста
Рики обнаружили серобактерию GSB1, сходную с серобактериями родов
Chlorobium и Prosthecochloris, содержащую бактериохлорофилл. Они
предположили, что вероятность контаминации образца невелика и,
следовательно, GSB1 использует для фотосинтеза не солнечный свет
(который не проникает сквозь 2,4-километровую толщу моря), а тусклый
длинноволновый (~750 нм) свет, испускаемый гидротермальными
источниками.
По состоянию на конец 70-х годов XX века, мощность солнечной
энергии, перерабатываемой земной растительностью при фотосинтезе, всего
лишь на порядок превосходила мощность всех электростанций в мире.
Типы фотосинтеза
Бесхлорофильный
фотосинтез.
Осуществляется
археями
рода
Halobacterium, является наиболее примитивным типом фотосинтеза, кванты
света поглощаются белком-бактериородопсином, имеющим сходство с
родопсином в виде наличия ретиналя, этот тип фотосинтеза отличается
отсутствием электрон-транспортной цепи, синтез АТФ осуществляется через
создание электрохимического градиента протонов или ионов хлора при
помощи бактериородопсиновой и галородопсиновой ионной помпы.
Хлорофильный фотосинтез.
Аноксигенный фотосинтез вариант фотосинтеза, при котором не
происходит синтеза молекулярного кислорода; используется анаэробными
фототрофными бактериями. Фотосинтетическим пигментом является, в
отличие от оксигенного фотосинтеза у растений, не хлорофилл, а
88
бактериохлорофилл. В аноксигенном фотосинтезе участвует только одна
световая реакция; она поддерживает циклический транспорт электронов.
Электроны, покидающие цикл для восстановления NAD, не являются
продуктом разложения воды. Фотосинтез зависит от наличия в среде
восстановленных субстратов, например, сероводорода, серы, тиосульфата,
органических соединений или молекулярного водорода, и не сопровождается
выделением 02. Собственно фотореакция хотя и аналогична первой
фотореакции у зеленых растений, однако у некоторых бактерий она
приводит, вероятно, лишь к созданию протонного потенциала и тем самым к
запасанию энергии (АТР), но не к восстановлению NAD. Таким образом,
нециклический
перенос
электронов
(от
донора
электронов
к
пиридиннуклеотиду) здесь отсутствует. По-видимому, NADH2 образуется в
результате какой-то темновой реакции в ходе обратного транспорта
электронов, протекающего с затратой энергии.
Осуществляется
пурпурными
и
зелёными
бактериями,
а
также
геликобактериями.
У зеленых бактерий фотосинтетический пигмент находится в хлоросомах
и, частично, в клеточной мембране, у остальных — только в мембране и ее
производных.
Оксигенный фотосинтез распространён гораздо шире. Осуществляется
растениями, цианобактериями и прохлорофитами.
Этапы фотосинтеза:
фотофизический;
фотохимический;
химический.
На первом этапе происходит поглощение квантов света пигментами, их
переход в возбуждённое состояние и передача энергии к другим молекулам
фотосистемы.
На втором этапе происходит разделение зарядов в реакционном центре,
перенос электронов по фотосинтетической электронотранспортной цепи, что
89
заканчивается синтезом АТФ и НАДФН. Первые два этапа вместе называют
светозависимой стадией фотосинтеза.
Третий этап происходит уже без обязательного участия света и включает
в
себя
биохимические
реакции
синтеза
органических
веществ
с
использованием энергии, накопленной на светозависимой стадии. Чаще всего
в качестве таких реакций рассматривается цикл Кальвина и глюкогенез,
образование сахаров и крахмала из углекислого газа воздуха.
Первые процессы фотосинтеза у цианобактерий появились ещё в
архейскую эру.
Хемосинтез — способ автотрофного питания, при котором источником
энергии для синтеза органических веществ из CO2 служат реакции окисления
неорганических
соединений.
Подобный
вариант
получения
энергии
используется только бактериями или археями. Явление хемосинтеза было
открыто в 1887 году русским учёным С. Н. Виноградским.
Необходимо отметить, что выделяющаяся в реакциях окисления
неорганических соединений энергия не может быть непосредственно
использована в процессах ассимилияции. Сначала эта энергия переводится в
энергию макроэнергетических связей АТФ и только затем тратится на синтез
органических соединений.
Распространение. Хемосинтезирующие организмы (например,
серобактерии) могут жить в океанах на огромной глубине, в тех местах, где
из разломов земной коры в воду выходит сероводород. Конечно же, кванты
света не могут проникнуть в воду на глубину около 3-4 километров (на такой
глубине находится большинство рифтовых зон океана). Таким образом,
хемосинтетики — единственные организмы на земле, не зависящие от
энергии солнечного света.
С другой стороны, аммиак, который используется нитрифицирующими
бактериями, выделяется в почву при гниении остатков растений или
животных. В этом случае жизнедеятельность хемосинтетиков косвенно
90
зависит от солнечного света, так как аммиак образуется при распаде
органических соединений, полученных за счёт энергии Солнца.
Роль хемосинтетиков для всех живых существ очень велика, так как
они являются непременным звеном природного круговорота важнейших
элементов: серы, азота, железа и др. Хемосинтетики важны также в качестве
природных потребителей таких ядовитых веществ, как аммиак и
сероводород. Огромное значение имеют нитрифицирующие бактерии,
которые обогащают почву нитритами и нитратами — в основном именно в
форме нитратов растения усваивают азот. Некоторые хемосинтетики (в
частности, серобактерии) используются для очистки сточных вод.
Строение Хлоропласта
Внутреннее пространство хлоропласта заполнено бесцветным
содержимым (стромой) и пронизано мембранами (ламеллами), которые
соединяясь друг с другом образуют тилакоиды, которые в свою очередь
группируются в стопки, называемые граны. Внутритилакоидное
пространство отделено и не сообщается с остальной стромой, предполагается
также что внутреннее пространство всех тилакоидов сообщается между
собой. Световые стадии фотосинтеза приурочены к мембранам, автотрофная
фиксация CO2 происходит в строме.
В хлоропластах имеются свои ДНК, РНК, рибосомы (70s типа), идёт
синтез белка (хотя этот процесс и контролируется из ядра). Они не
синтезируются вновь, а образуются путём деления предшествующих. Всё это
позволило считать их предшественниками свободных цианобактерий,
вошедших в состав эукариотической клетки в процессе симбиогенеза.
Пигменты.
Хлорофиллы. У всех высших растений, водорослей и цианобактерий
содержится хлорофилл a, хлорофилл b имеется у высших растений и зеленых
водорослей. Хлорофилл с, лишенный фитола, содержится в бурых и
диатомовых водорослях, хлорофилл d – в красных водорослях.
91
Фотосинтезирующие зеленые бактерии имеют бактериохлорофиллы c и d,
пурпурные бактерии - бактериохлорофиллы a и b.
У хлорофилла а четыре пиррольных кольца соединены между собой
метиновыми мостиками (=СН-), образуя порфириновое кольцо. Кроме того,
атомы азота пиррольных колец связаны с атомом магния. С порфириновым
ядром
соединено
циклопентановое
кольцо,
образованное
остатком
кетопропионовой кислоты и содержащее активные карбонильную (С=О) и
метилированную
карбоксильную
(О=С-О-СН3)
группы.
Структура,
состоящая из порфиринового ядра и циклопентанового кольца, называется
форбином.
Боковая
цепь,
состоящая
из
пропионовой
кислоты
и
непредельного спирта фитола, связана с атомом углерода IV пиррольного
кольца (рис. 5.1).
Хлорофилл, лишенный фитола, называется хлорофиллидом. Если атом
магния замещен протоном, то такое соединение носит название феофитина.
Активность хлорофиллов, также как и других пигментов, обусловлена
наличием большого количества двойных связей с делокализованными
электронами.
Хлорофиллы
хорошо
растворимы
в
органических
растворителях
(этиловом эфире, бензоле, хлороформе, ацетоне, этиловом спирте) и
нерастворимы в воде. Хлорофиллы имеют максимумы поглощения света в
красной и синей частях спектра. Растворы хлорофиллов обладают
флуоресценцией (668 и 648 нм для Хл а и Хл б, соответственно)и
фосфоресценцией.
Каротиноиды
–
жирорастворимые
пигменты,
присутствующие
в
хлоропластах всех растений. Они входят в состав хромопластов в незеленых
частях растений, например, корнеплодов моркови. К каротиноидам относят 3
группы соединений: 1) оранжевые или красные каротины, 2) желтые
ксантофиллы, 3) каротиноидные кислоты. Каротины и ксантофиллы состоят
из 8 остатков изопрена, которые образуют цепь конъюгированных двойных
92
связей (рис. 5.2). Основные каротиноиды - -каротин, лютеин, виолаксантин
и неоксантин.
Каротины
и
ксантофиллы
растворимы
в
хлороформе,
бензоле,
сероуглероде, ацетоне. Каротины хорошо растворяются в эфирах, но плохо в
спиртах, а ксантофиллы наоборот. Каротиноиды имеют максимумы
поглощения в фиолетово-синей и синей частях спектра света. Они не
способны к флуоресценции.
К. нековалентно связаны с белками и липидами фотосинтетических
мембран.
Главные
функции
каротиноидов:
поглощение
света
в
качестве
дополнительных пигментов, защита молекул хлорофиллов от необратимого
фотоокисления, тушение активных радикалов, участие в фототропизме, так
как способствуют определению направления роста побега.
Фикобилины. Сине-зеленые и красные водоросли помимо хлорофилла а
и каротиноидов содержат пигменты фикобилины. Их молекула состоит из 4
последовательных пиррольных колец (рис. 5.3). Фикобилины являются
хромофорными группами глобулиновых белков фикобилипротеинов. Они
делятся на 3 группы: 1) фикоэритрины – белки красного цвета, 2)
фикоцианины – сине-голубые белки и 3) аллофикоцианины – синие белки.
Все они обладают флуоресценцией и растворимы в воде.
Фикобилины имеют максимумы поглощения в оранжевой, желтой и
зеленой частях спектра света. Это позволяет водорослям полнее использовать
свет, проникающий в воду. Вода обладает светопоглощающей способностью.
На глубине около 30 м полностью исчезают красные лучи, около 180 м –
желтые, 320 м – зеленые, а на глубину более 500 м не проникают синие и
фиолетовые
лучи.
Фикобилины
–
это
дополнительные
пигменты,
участвующие в светособирающем комплексе. Около 90 % энергии света,
поглощенного фикобилинами, передается на хлорофилл а.
Ф.
являются
хромофорной
группой
глобулярных
белков
фикобилипротеинов, с которыми связаны ковалентно.
93
У растений имеется фикобилин фитохром. Он не участвует в
фотосинтезе, но является фоторецептором красного и дальнего красного
света и выполняет регуляторные функции в клетках растений.
Световая фаза фотосинтеза
Фотосинтез имеет две фазы – световую и темновую. В световой фазе
молекулы пигментов поглощают фотоны, передают поглощенную энергию
молекулам хлорофилла а, происходит трансформация энергии света в
химическую энергию АТФ и восстановленного НАДФН, выделяется
кислород в результате фоторазложения воды. Все эти процессы происходят
на мембранах хлоропластов. При темновой фазе фотосинтеза в строме
хлоропластов
восстанавливается
поглощенный
СО2
с
образованием
углеводов и других органических соединений.
Поглощение света и возбуждение хлорофилла. Электрон представляет
собой заряженную частицу, которая движется по орбите вокруг ядра атома.
Электрон обладает вектором магнитного момента – спином, который
отражает направление вращения электрона вокруг своей оси. В стабильном
состоянии валентные электроны занимают самые низкие энергетические
уровни и распределены по ним согласно принципу Паули: два электрона с
антипараллельными спинами на каждой орбитали. Такое состояние
молекулы называют основным синглетным состоянием S0. При поглощении
молекулой пигмента фотона электрон переходит на более высокую орбиталь
за счет энергии фотона. Если у возбужденного электрона сохраняется
направление спина, то считают, что молекула находится в синглетном
возбужденном состоянии S*. Если возбужденный электрон меняет спин, то
такое возбужденное состояние называется триплетным Т*.
Поглощение молекулой хлорофилла кванта красного света приводит к
синглетному возбужденному состоянию S*1. При поглощении кванта синего
цвета с более высоким уровнем энергии электрон переходит на более
высокую орбиталь S*2. Время жизни электрона на S*2 составляет не более 1012
секунды. За такое короткое время энергия электронного возбуждения не
94
может быть использована и электрон возвращается на S*1, потеряв немного
энергии в виде тепла. Время жизни электрона в состоянии S*1 равно 10-9.
Если молекула пигмента не участвует в фотохимической реакции, то
электрон возвращается в стабильное состояние. При этом часть энергии
теряется в виде тепла и излучается квант света с большей по сравнению с
поглощенным фотоном длиной волны – явление флуоресценции.
Время жизни электрона в состоянии Т* равно 10-4-10-2 секунды. Из
триплетного возбужденного состояния молекула может вернуться в
стабильное состояние, излучив кроме тепла еще более длинноволновый, чем
при
флуоресценции,
квант
света.
Это
слабое
свечение
называют
фосфоресценцией. Если молекула в возбужденном состоянии участвует в
фотохимических
реакциях
с
передачей
электрона
акцептору,
то
флуоресценции и фосфоресценции не происходит.
Для более полного использования падающего на листья света энергия
фотонов улавливается 200-400 молекулами пигментов светособирающего
(антенного) комплекса и передается к одной молекуле хлорофилла а,
являющейся реакционным центром, которая и участвует в фотохимических
реакциях. Передача энергии молекулами пигментов происходит по принципу
индуктивного резонанса. Молекула пигмента, поглотившая фотон, создает
переменное электрическое поле, которое усиливает колебания электрона в
соседней молекуле. Это происходит из-за перекрытия частот колебаний и
очень маленького расстояния между молекулами пигментов. Тем более, что
при освещении листьев тилакоиды и граны сдвигаются и уплотняются,
поэтому хлоропласты уменьшаются в объеме. Передача энергии молекулами
пигментов идет с большой эффективностью. Так, от хлорофилла b к
хлорофиллу а передается примерно 90 %, а от каротиноидов к хлорофиллу а
– 40 % поглощенной энергии.
Совокупность молекул светособирающего комплекса и реакционного
центра составляет фотосистему. Предположение о существовании в
хлоропластах двух фотосистем высказал Р. Эмерсон в 1957 г, изучая влияние
95
света на квантовый выход фотосинтеза у водоросли хлореллы. Квантовый
выход фотосинтеза – это количество выделившегося кислорода или
связанного углекислого газа на 1 квант поглощенной энергии. Он установил,
что при одновременном освещении хлореллы коротковолновым (650 нм) и
длинноволновым (700 нм) красным светом эффект выше, чем суммарный
квантовый выход при воздействии красным светом этих длин в отдельности.
Это явление получило название эффекта усиления Эмерсона. Позже
предположение Р. Эмерсона о наличии двух фотосистем получило
экспериментальное подтверждение.
Светособирающие комплексы. Передача энергии идёт резонансным
путём (механизм Фёрстера) и занимает для одной пары молекул 10−10—
10−12 с, расстояние на которое осуществляется перенос составляет около 1
нм. Передача сопровождается некоторыми потерями энергии (10 % от
хлорофилла a к хлорофиллу b, 60 % от каратиноидов к хлорофиллу), из-за
чего возможна только от пигмента с максимумом поглощения при меньшей
длине волны к пигменту с большей. Именно в таком порядке взаимно
локализуются
пигменты
ССК,
причём
наиболее
длинноволновые
хлорофиллы находятся в реакционных центрах. Обратный переход энергии
невозможен.
ССК растений расположен в мембранах тилакоидов, у цианобактерий
основная его часть вынесена за пределы мембран в прикреплённые к ним
фикобилисомы — палочковидные полипептидно-пигментные комплексы, в
которых находятся различные фикобилины: на периферии фикоэритрины (с
максимумом поглощения при 495—565 нм), за ними фикоцианины (550—615
нм) и аллофикоцианины (610—670 нм), последовательно передающие
энергию на хлорофилл a (680—700 нм) реакционного центра.
Интегральные мембранные белки. Тилакоидные мембраны содержат
интегральные белки, играющие важную роль в захвате светового фотона и в
светозависимых фотосинтетических реакциях. На мембране есть четыре
основных белковых комплекса:
96
Фотосистемы I и II
Цитохромный комплекс b6f
АТФ-синтаза
Фотосистема II в основном встречается у грановых тилакоидов, тогда как
фотосистема I и АТФ-синтаза — у строматических тилакоидов, а также у
внешних слоев гранов. Цитохромный комплекс b6f распределен равномерно
по всей мембране.
Поскольку две фотосистемы пространственно разделены на тилакоидной
мембране, для обмена электронами между ними необходимы подвижные
переносчики. В роли таких переносчиков выступают пластохинон и
пластоцианин. Пластохинон переносит электроны от фотосистемы II к
цитохромному комплексу b6f, тогда как пластоцианин переносит их от
цитохромного комплекса b6f к фотосистеме I.
Все вместе эти белки преобразуют энергию света для работы
электронтранспортных
цепей,
которые
создают
электрохимический
потенциал через тилакоидную мембрану, а также синтезируют фосфат
никотинамид-аденинового динуклеотида (НАДФ) — продукт конечной
окислительно-восстановительной реакции. АТФ-синтаза использует этот
электрохимический
потенциал
для
синтеза
АТФ
в
процессе
фотофосфорилирования.
Фотосистемы тилакоида — центры осуществления окислительновосстановительных светозависимых реакций. Каждая фотосистема содержит
антенный комплекс, который улавливает свет различных длин волн с
использованием
хлорофилла
и
вспомогательных
фотосинтетических
пигментов, таких как каротиноиды и фикобилипротеины. На антенном
комплексе имеется от 250 до 400 молекул пигмента. Поглощаемая ими
энергия за счет резонансного переноса передается специализированному
хлорофиллу a, расположенному в реакционном центре каждой фотосистемы.
Когда любая из двух молекул хлорофилла a в реакционном центре получает
энергию, электрон передается молекуле-акцептору.
97
Реакционный центр Фотосистемы I наиболее эффективно поглощает свет
на длине волны 700 нм. Он содержит две молекулы хлорофилла a,
обозначаемые P700. Фотосистема II содержит хлорофилл P680, максимум
поглощения которого приходится на 680 нм (следует отметить, что обе эти
длины волны лежат глубоко в красной области спектра, см. статью про
видимый свет). В обозначениях хлорофиллов P — сокращение от «пигмент»,
а число показывает длину волны в нанометрах, на которой достигается
максимум поглощения света.
Нециклический и циклический транспорт электронов
Фотосистема II. Фотосистема — совокупность ССК, фотохимического
реакционного центра и переносчиков электрона. Светособирающий комплекс
II содержит 200 молекул хлорофилла a, 100 молекул хлорофилла b, 50
молекул каротиноидов и 2 молекулы феофитина. Реакционный центр
фотосистемы
II
представляет
собой
пигмент-белковый
комплекс,
расположенный в тилакоидных мембранах и окружённый ССК. В нём
находится димер хлорофилла a с максимумом поглощения при 680 нм
(П680). На него в конечном счёте передаётся энергия кванта света из ССК, в
результате чего один из электронов переходит на более высокое
энергетическое состояние, связь его с ядром ослабляется и возбуждённая
молекула П680 становится сильным восстановителем (E0=-0,7 В).
Заполнение электронной вакансии в молекуле П680 происходит за счёт
воды. В состав ФС II входит водоокисляющий комплекс (белковый комплекс
S), содержащий в активном центре ионы марганца в количестве 4 штук. Для
образования одной молекулы кислорода требуется две молекулы воды,
дающие 4 электрона. Поэтому процесс проводится в 4 такта и для его
полного осуществления требуется 4 кванта света. Комплекс находится со
стороны внутритилакоидного пространства и полученные 4 протона
выбрасываются в него.
П680
восстанавливает
феофитин.
От
феофитина
электроны
последовательно передаются на пластохиноны QA и QB, расположенные на
98
другой стороне мембраны тилакоида, затем на две липидорастворимые
молекулы пластохинона PQ. Одна молекула пластохинона переносит 2
электрона и 2 протона, которые берутся из стромы. Принимая 2 электрона и
захватывая из стромы 2 Н+, 2 молекулы PQH2 диффундируют через
липидную фазу мембраны.
Таким образом, суммарный результат работы ФС II — это окисление 2
молекул воды с помощью 4 квантов света с образованием 4 протонов во
внутритилакоидном пространстве и 2 восстановленных пластохинонов в
мембране.
Фотосистема I содержит примерно 200 молекул хлорофилла. В
реакционном центре первой фотосистемы находится димер хлорофилла a с
максимумом
поглощения
при
700
нм
(П700).
После
возбуждения
реакционного центра фотосистемы I - молекулы хлорофилла а с максимумом
поглощения при 700 нм (П700), 2 квантами длинноволного красного света 2
электрона передаются мономерной форме хлорофилла а – А1, далее на
витамин K1 (филлохинон), после чего электрон передаётся на ферредоксин,
который и восстанавливает НАДФ с помощью фермента ферредоксинНАДФ-редуктазы.
Белок пластоцианин, восстановленный в b6f комплексе, транспортируется
к
реакционному
центру
первой
фотосистемы
со
стороны
внутритилакоидного пространства и передаёт электрон на окисленный П700.
и затем переносчикам электронoв железосерным белкам А2 и АВ,
ферредоксину на наружной стороне мембраны тилакоида, НАДФ-редуктазе.
Этот фермент восстанавливает НАДФ в НАДФН. На вакантные места в П+700
переходят электроны с пластоцианина и нециклическая цепь транспорта
электронов замыкается.
В мембранах хлоропластов может функционировать циклический
транспорт электронов, когда действует только фотосистема I. Возбужденные
молекулы П700 передают электроны на А1, железосерные белки А2 и АВ,
переносящие электроны на другую сторону мембраны, ферредоксин,
99
пластохинон, цитохром
b6,
железосерный
белок
FeSr,
цитохром
f,
пластоцианин и П700 (рис. 5.4). Энергия, освобождающаяся при транспорте
электронов, используется для фосфорилирования АДФ.
b6f или b/f-комплекс является насосом, перекачивающим протоны из
стромы во внутритилакоидное пространство и создающий градиент их
концентрации за счёт выделяющейся в окислительно-восстановительных
реакциях электронтранспортной цепи энергии. 2 пластохинона дают
перекачку 4 протонов. В дальнейшем трансмембранный протонный градиент
(pH стромы около 8, внутритилакоидного пространства — 5) используется
для синтеза АТФ трансмембранным ферментом АТФ-синтазой.
Механизм фотофосфорилирования АДФ объясняет теория П. Митчелла.
Согласно
этой
теории,
трансмембранный
перенос
пластохинонами
электронов и протонов в одну сторону чередуется с переносом цитохромной
системой в обратную сторону электронов. Поэтому по одну сторону
мембраны накапливается избыток протонов и возникает электрохимический
мембранный потенциал. Его энергия используется для синтеза АТФ при
разрядке мембраны в результате транспорта протонов через мембрану
посредством Н+-АТФазы, которая действует как АТФсинтетаза. Этот
фермент выглядит как грибовидная частица на поверхности мембраны
тилакоидов. Его молекула состоит из двух частей: головки, выступающей с
наружной стороны мембраны и содержащей активный центр фермента, и
ножки, погруженной в мембрану и представляющей канал, через который
передвигаются протоны.
Темновая фаза фотосинтеза
С3-путь фотосинтеза или цикл Кальвина
Восстановительный пентозофосфатный цикл, цикл Кальвина — серия
биохимических реакций, осуществляемая при фотосинтезе растениями (в
строме хлоропластов), цианобактериями, прохлорофитами и пурпурными
бактериями, а также многими бактериями-хемосинтетиками, является
наиболее распространённым из механизмов автотрофной фиксации CO2.
100
Этот путь ассимиляции СО2 обнаружен у всех фотосинтезирующих
растений. Он был назван циклом Кальвина в честь американского биохимика
М. Кальвина, который с сотрудниками открыл и изучил его в 1946-1956
годах с помощью метода меченых атомов и хроматографии. Растения разное
время подкармливали
14
СО2 и хроматографировали экстракты. Цикл
Кальвина или восстановительный пентозофосфатный цикл состоит из трёх
стадий:
1. карбоксилирования;
2. восстановления;
3. регенерация акцептора CO2.
1. Карбоксилирование. Фосфорибулокиназа фосфорилирует при участии
АТФ рибулозо-5-фосфат с образованием АДФ и рибулозо-1,5-дифосфата.
Последний
является
акцептором
СО2
и
под
действием
рибулозодифосфаткарбоксилазы присоединяет СО2. В результате образуются
2 молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК).
2.
Восстановление.
Фосфоглицераткиназа
при
участии
АТФ
фосфорилирует 3-ФГК и образовавшаяся 1,3-дифосфоглицериновая кислота
восстанавливается
с
помощью
НАДФН
и
дегидрогеназы
фосфоглицеринового альдегида до 3-фосфоглицеринового альдегида (3ФГА).
3. Регенерация. После фиксации трех молекул СО2 и образования шести
молекул 3-ФГА пять из них используются для синтеза рибулозо-5-фосфата, а
одна молекула 3-ФГА – для образования глюкозы. Для образования одной
молекулы глюкозы требуется 6 оборотов цикла, 6 CO2, 12 НАДФН и 18
АТФ.
o Триозофосфатизомераза превращает 3-ФГА в фосфодиоксиацетон.
o Затем альдолаза образует из 3-ФГА и фосфодиоксиацетона фруктозо1,6-дифосфат.
o Он теряет один остаток фосфорной кислоты под влиянием фруктозо-1,6дифосфатазы и превращается во фруктозо-6-фосфат.
101
o Транскетолаза переносит гликолевый альдегид от фруктозо-6-фосфата
на 3-ФГА с образованием эритрозо-4-фосфата и ксилулозо-5-фосфата.
o Альдолаза присоединяет фосфодиоксиацетон к эритрозо-4-фосфату с
образованием седогептулозо-1,7-дифосфата.
o Он дефосфорилируется фосфатазой и под влиянием транскетолазы
соединяется с 3-ФГА. Продуктами этой реакции являются ксилулозо-5фосфат и рибозо-5-фосфат.
o Две
молекулы
ксилулозо-5-фосфата
при
участии
рибулозофосфатэпимеразы и одна молекула рибозо-5-фосфата под
действием рибозофосфатизомеразы превращаются в три молекулы
рибулозо-5-фосфата.
o Шестая молекула 3-ФГА используется для синтеза фруктозо-1,6дифосфата при повторении цикла. Из двух молекул фруктозо-1,6дифосфата образуются фруктозо-6-фосфат и глюкозо-1-фосфат.
o Последний,
взаимодействуя
с
уридинтрифосфатом,
дает
уридинфосфоглюкозу.
o Уридинфосфоглюкоза и фруктозо-6-фосфат образуют сахарозофосфат,
который после дефосфорилирования превращается в сахарозу.
Следовательно, для образования одной молекулы сахарозы необходимо
прохождение
четырех
циклов
Кальвина.
Крахмал
синтезируется
из
уридинфосфоглюкозы под влиянием амилосинтетазы.
Среди продуктов фотосинтеза обнаружены аминокислоты. При
недостатке НАДФН 3-ФГК превращается не в 3-ФГА, а в пировиноградную
кислоту. Она, присоединяя аммиак, образует аланин. Из пировиноградной
кислоты в цикле Кребса образуются органические кислоты, которые в ходе
реакций аминирования и переаминирования дают аминокислоты.
С4-путь фотосинтеза или цикл Хетча-Слэка
Австралийскими учеными М. Хетчем и К. Слэком был описан С4-путь
фотосинтеза, характерный для тропических и субтропических растений
(сахарный тростник, кукуруза и др.). Листья этих растений содержат
102
хлоропласты двух типов: обычные в клетках мезофилла и крупные
хлоропласты, не имеющие гран и фотосистемы II, в клетках обкладки,
окружающих проводящие пучки.
При
низкой
концентрации
растворённого
в
строме
CO2
рибулозобифосфаткарбоксилаза катализирует реакцию окисления рибулозо1,5-бифосфата
и
его
распад
на
3-фосфоглицериновую
кислоту
и
фосфогликолевую кислоту, которая вынужденно используется в процессе
фотодыхания.
Для увеличения концентрации CO2 растения С4 типа изменили анатомию
листа. Цикл Кальвина у них локализуется в клетках обкладки проводящего
пучка, в клетках мезофилла же под действием ФЕП-карбоксилазы
фосфоенолпируват
карбоксилируется
с
образованием
щавелеуксусной
кислоты, которая превращается в малат или аспартат и транспортируется в
клетки обкладки, где декарбоксилируется с образованием пирувата,
возвращаемого в клетки мезофилла.
С4 фотосинтез практические не сопровождается потерями рибулозо-1,5бифосфата из цикла Кальвина, поэтому более эффективен. Однако он требует
не 18, а 30 АТФ на синтез 1 молекулы глюкозы. Это оправдывает себя в
тропиках, где жаркий климат требует держать устьица закрытыми, что
препятствует поступлению CO2 в лист, а также при рудеральной жизненной
стратегии.
В
цитоплазме
присоединяет
клеток
СО2
к
мезофилла
фосфоэнолпируваткарбоксилаза
фосфоэнолпировиноградной
кислоте,
образуя
щавелевоуксусную кислоту. Она транспортируется в хлоропласты, где
восстанавливается
до
яблочной
кислоты
при
участии
НАДФН.
В
присутствии ионов аммония щавелевоуксусная кислота превращается в
аспарагиновую кислоту. Яблочная и (или) аспарагиновая кислоты переходят
в хлоропласты клеток обкладки, декарбоксилируются до пировиноградной
кислоты и СО2. СО2 включается в цикл Кальвина, а пировиноградная кислота
переносится
в
клетки
мезофилла,
где
превращается
в
103
фосфоэнолпировиноградную кислоту (рис. 5.6). Такой механизм позволяет
растениям фотосинтезировать при закрытых из-за высокой температуры
устьицах. Кроме того, продукты цикла Кальвина образуются в хлоропластах
клеток обкладки, окружающих проводящие пучки. Это способствует
быстрому оттоку фотоассимилятов и тем самым повышает интенсивность
фотосинтеза.
CAM - Фотосинтез по типу толстянковых (суккулентов)
У суккулентов (кактусов и растений сем. толстянковых (Crassulaceae)
процессы фотосинтеза разделены не в пространстве, как у других С4растений, а во времени. Этот тип фотосинтеза получил название CAM
(crassulation acid metabolism)-путь. Устьица днем обычно закрыты, что
предотвращает потерю воды в ходе транспирации, и открыты ночью. В
темноте СО2 поступает в листья, где фосфоэнолпируваткарбоксилаза
присоединяет
его
к
фосфоэнолпировиноградной
кислоте,
образуя
щавелевоуксусную кислоту. Она восстанавливается НАДФН-зависимой
малатдегидрогеназой до яблочной кислоты, которая накапливается в
вакуолях. Днем яблочная кислота переходит из вакуоли в цитоплазму, где
декарбоксилируется с образованием СО2 и пировиноградной кислоты. СО2
диффундирует в хлоропласты и включается в цикл Кальвина (рис. 5.7).
Фотодыхание — стимулируемое светом выделение углекислого газа и
поглощение кислорода у растений преимущественно с фотосинтезом С3типа. Не сопровождается получением энергии. Т.к. первичным продуктом
является гликолевая к-та, путь получил название гликолатного. В
естественных условиях доля фотодыхания в синтетическом газообмене листа
составляет 25-30%. У некоторых С3 растений с малой эффективностью
фотосинтеза интенсивность фотодыхания может достигать 50% от
интенсивности фотосинтеза.
Rubisco осуществляет как реакцию карбоксилирования (присоединение
СО2 к РБФ и образование двух ФГК через промежут. С6 соед.), так и
оксигенирования (присоединиение О2 к РБФ с образованием ФГК и Ф104
гликолевой к-ты). Показано, что на Rubisco первоначально садится РБФ, а
затем либо СО2 либо О2 (конкурентно), при этом способность связывать
СО2 гораздо выше.
Из-за
наличия
катализирующего
оксигеназной
присоединение
активности
CO2
к
у
фермента
Rubisco,
рибулозо-1,5-бифосфату
на
начальной стадии цикла Кальвина, вместо ассимиляции углекислоты под
воздействием того же фермента возможно окисление рибулозофосфата с
распадом его на 3-фосфоглицериновую кислоту, которая может поступить в
цикл, и на фосфат гликолевой кислоты. Он дефосфорилируется и гликолевая
кислота транспортируется в пероксисомы, где окисляется до глиоксиловой
кислоты и аминируется с получением глицина. В митохондриях из двух
молекул глицина образуется серин и углекислый газ. Серин может
использоваться
для
синтеза
белка,
либо
превращается
в
3-
фосфоглицериновую кислоту и возвращается в цикл Кальвина.
Физиологическое значение. Невозможность утилизации продуктов
световой
фазы
(при
недостатке
СО2)
вызывает
разрушение
(фотодеструкцию) фотосинтетического аппарата. Однако при наличии О2
фотодеструкции не происходит. В рез-те фотодыхания происходит частичная
утилизация сахаров, фотосинтетический аппарат работает «вхолостую».
Такая ситуация обычно возникает, когда в условиях дефицита влаги
закрываются утьица и снижается поступление СО2.
Фотодыхание имеет некоторое синтетическое значение (образование
глицина и серина ).
Фотодыхание усиливается при низком содержании СО2 и высокой
концентрации О2 в воздухе. На ранних этапах развития жизни, когда в
атмосфере было мало кислорода, Rubisco занял ключевую позицию в
фотосинтезе, и его оксигеназная функция не доставляла проблем. По мере
увеличения содержания кислорода потери на фотодыхание нарастали, и у
ряда растений возникли механизмы активной доставки к месту работы
105
рубиско углекислого газа (см. C4 и CAM-фотосинтез), увеличивающее долю
её карбоксилазной активности до 100%.
Влияние внутренних и внешних факторов на фотосинтез
Фотосинтез
осуществляется
в
полуавтономных
органеллах
–
хлоропластах. Однако он в значительной мере контролируется процессами,
происходящими в растении, и факторами внешней среды.
Отток ассимилятов. Накопление фотоассимилятов в хлоропластах и в
околопластидном пространстве приводит к ингибированию ферментов,
участвующих в фотосинтезе.
Содержание
хлорофилла.
С
увеличением
содержания
в
клетке
хлорофилла увеличивается интенсивность фотосинтеза.
Возраст листа и растения. В ходе роста листа интенсивность
фотосинтеза увеличивается. После окончания роста листа она постепенно
снижается. У многих однолетних растений интенсивность фотосинтеза
достигает максимума в фазу бутонизации и цветения, а затем снижается.
Свет. Имеется нижний порог освещенности, при котором растения
начинают фотосинтезировать. Затем зависимость интенсивности фотосинтеза
от освещенности имеет логарифмический характер с последующим выходом
на плато. Угол наклона кривой зависимости интенсивности фотосинтеза от
освещенности зависит от влияния других факторов. Так, у светолюбивых
растений
она
выходит
на
плато
при
значительно
более
высокой
освещенности, чем у теневыносливых растений. Уровень освещения, при
котором поглощение СО2 в ходе фотосинтеза равно выделению СО2 в
процессе дыхания, называется компенсационным пунктом.
Важен и спектральный состав света. При освещении красным светом
образуются преимущественно углеводы, синим - амино- и органические
кислоты.
Температура. При низкой освещенности фотосинтез идет с одинаковой
скоростью при 15 и 25оС. Это объясняется тем, что при низкой освещенности
интенсивность фотосинтеза зависит от скорости световых реакций. При
106
высокой освещенности интенсивность фотосинтеза лимитируется скоростью
темновых реакций и Q10 примерно равен 2. Для большинства растения С3типа оптимальная температура 20-25оС, для растений С4-типа она равна 2540оС. При температуре выше оптимальной интенсивность фотосинтеза
снижается из-за инактивации хлоропластов и закрытия устьиц.
Содержание СО2 в воздухе. Повышение содержания СО2 с 0,03 % до 0,3
%
вызывает
увеличение
интенсивности
фотосинтеза.
Дальнейшее
возрастание концентрации СО2 до 1 % не сказывается на фотосинтезе, но
более высокий уровень СО2 в воздухе приводит к депрессии фотосинтеза.
Высокие концентрации СО2 особенно неблагоприятны при высокой
освещенности, так как происходит ингибирование темновых реакций.
Влияние содержания углекислого газа на фотосинтез зависит от вида
растения.
Снабжение водой. При большом водном дефиците интенсивность
фотосинтеза снижается из-за закрытия устьиц, что уменьшает поступление
СО2 в листья, снижает транспирацию и приводит к повышению температуры
листа. Кроме того, обезвоживание изменяет конформацию и, следовательно,
активность ферментов.
Содержание кислорода в воздухе, в среднем, равно 21 %. Повышение
концентрации или отсутствие кислорода для фотосинтеза неблагоприятны.
Кислород снижает активность рибулозодифосфаткарбоксилазы.
Минеральное питание. Исключение любого элемента минерального
питания отрицательно сказывается на фотосинтезе. Особенно важны такие
элементы как фосфор, магний, железо, марганец, медь, калий и азот. На всех
этапах фотосинтеза участвуют фосфорилированные соединения. Калий
активирует процессы фосфорилирования и участвует в открывании устьиц.
Магний
входит
в
состав
хлорофиллов,
активирует
реакции
карбоксилирования и восстановления НАДФ. Железо необходимо для
синтеза хлорофиллов. Марганец участвует в фоторазложении воды. Медь
107
входит в состав пластоцианина. Азот необходим для формирования
хлоропластов и образования пигментов.
Значение фотосинтезирующих организмов для биосферы
Выделяют пять основных аспектов планетарной роли
фотосинтезирующих организмов.
Накопление органической массы. В процессе фотосинтеза наземные
растения образуют до 170 млрд. тонн, а растения мирового океана – до 70
млрд. тонн биомассы в год в пересчете на сухое вещество, используемой
гетеротрофными организмами.
Обеспечение постоянства содержания СО2 в воздухе. Связывание СО2
в ходе фотосинтеза в значительной мере компенсирует его выделение в
результате других процессов (дыхание, брожение, деятельность вулканов,
производственная деятельность человечества).
Препятствие развитию парникового эффекта. Часть солнечного света
отражается от поверхности Земли в виде тепловых инфракрасных лучей. СО2
поглощает инфракрасное излучение и тем самым сохраняет тепло на Земле.
Повышение содержания СО2 в атмосфере может способствовать увеличению
температуры, то есть создавать парниковый эффект. Это приведет к
затоплению прибрежных зон из-за поднятия уровня мирового океана в
результате таяния ледников в горах и на полюсах. Однако высокое
содержание СО2 в воздухе активирует фотосинтез и, следовательно,
концентрация СО2 в воздухе опять уменьшится.
Накопление кислорода в атмосфере. Первоначально в атмосфере Земли
кислорода было очень мало. Сейчас его содержание составляет 21 % по
объему воздуха. В основном, этот кислород является продуктом фотосинтеза.
Ежегодно растения и другие фотосинтезирующие организмы поставляют в
атмосферу примерно 120 млрд. тонн кислорода.
Озоновый экран. Озон (О3) образуется в результате фотодиссоциации
молекул кислорода под действием солнечной радиации на высоте около 25
108
км. Озон задерживает большую часть ультрафиолетовых лучей, губительных
для всего живого.
Лекция 6. Брожение и дыхание растений.
Брожение. Первый этап, то есть гликолиз, одинаков при брожении и
дыхании. Поворотным моментом является образование пировиноградной
кислоты. Впервые Л. Пастер показал, что в присутствии кислорода брожение
у дрожжей заменяется дыханием. Дело в том, что для брожения необходим
НАДН, который в аэробных условиях окисляется. Это явление характерно и
для высших растений и получило название эффекта Пастера.
При брожении АТФ образуется исключительно путём субстратного
фосфорилирования. В зависимости от конечного продукта различают разные
типы брожения: спиртовое и молочнокислое. В присутствии кислорода
может происходить уксуснокислое брожение.
Брожение не высвобождает всю имеющуюся в молекуле энергию, поэтому
промежуточные продукты брожения могут использоваться в ходе клеточного
дыхания.
Термин брожение также используется в более широком смысле, для
обозначения бурного роста микроорганизмов в соответствующей среде. При
использовании в этом смысле не делается различия между аэробным и
анаэробным метаболизмом.
Брожение — это процесс, важный в анаэробных условиях, в отсутствие
окислительного фосфорилирования. В ходе брожения, как и в ходе
гликолиза, образуется АТФ. Во время брожения пируват преобразуется в
различные вещества.
Хотя на последнем этапе брожения (превращения пирувата в конечные
продукты брожения) не освобождается энергия, он крайне важен для
анаэробной
клетки,
поскольку
на
этом
этапе
регенерируется
никотинамидадениндинуклеотид (NAD+), который требуется для гликолиза.
Это важно для нормальной жизнедеятельности клетки, поскольку гликолиз
109
для многих организмов — единственный источник АТФ в анаэробных
условиях.
В ходе брожения происходит частичное окисление субстратов, при
котором водород переносится на NAD+ (никотинамидадениндинуклеотид). В
ходе других этапов брожения его промежуточные продукты служат
акцепторами водорода, входящего в состав NADH; в ходе регенерации NAD+
они восстанавливаются, а продукты восстановления выводятся из клетки.
Конечные продукты брожения содержат химическую энергию (они не
полностью окислены), но считаются отходами, поскольку не могут быть
подвергнуты дальнейшему метаболизму в отсутствие кислорода (или других
высоко-окисленных акцепторов электронов) и часто выводятся из клетки.
Следствием этого является тот факт, что получение АТФ брожением менее
эффективно, чем путём окислительного фосфорилирования, когда пируват
полностью окисляется до двуокиси углерода. В ходе разных типов брожения
на одну молекулу глюкозы получается от двух до четырех молекул АТФ (ср.
около 36 молекул путём аэробного дыхания). Однако даже у позвоночных
брожение (анаэробное окисление глюкозы) используется как эффективный
способ получения энергии во время коротких периодов интенсивной
мышечной работы, когда перенос кислорода к мышцам недостаточен для
поддержания аэробного метаболизма. Брожение у позвоночных помогает во
время коротких периодов интенсивной работы, но не предназначено для
длительного использования. Например, у людей гликолиз с образованием
молочной кислоты дает энергию на период от 30 секунд до 2 минут.
Скорость генерации АТФ примерно в 100 раз больше, чем при
окислительном фосфорилировании. Уровень pH в цитоплазме быстро падает,
когда в мышце накапливается молочная кислота, в конечном итоге
ингибируя ферменты, вовлеченные в процесс гликолиза.
Продукты реакции брожения
Продукты брожения — это по сути отходы, получившиеся во время
превращения пирувата с целью регенерации NAD+ в отсутствие кислорода.
110
Стандартные примеры продуктов брожения — этанол (питьевой спирт),
молочная кислота, водород и углекислый газ. Однако продукты брожения
могут быть более экзотическими, такими как масляная кислота, ацетон,
пропионовая кислота, 2,3-бутандиол и др.
Основные типы брожения
Спиртовое брожение (осуществляется дрожжами и некоторыми видами
бактерий), в ходе него пируват расщепляется на этанол и двуокись углерода.
Из одной молекулы глюкозы в результате получается две молекулы
питьевого спирта (этанола) и две молекулы углекислого газа. Этот вид
брожения очень важен в производстве хлеба, пивоварении, виноделии и
винокурении. Если в закваске высока концентрация пектина, может также
производиться небольшое количество метанола. Обычно используется только
один из продуктов; в производстве хлеба алкоголь улетучивается при
выпечке, а в производстве алкоголя двуокись углерода обычно уходит в
атмосферу, хотя в последнее время её стараются утилизировать.
Молочнокислое брожение, в ходе которого пируват восстанавливается до
молочной кислоты, осуществляют молочнокислые бактерии и другие
организмы. При сбраживании молока молочнокислые бактерии преобразуют
лактозу в молочную кислоту, превращая молоко в кисломолочные продукты
(йогурт, простокваша и др.); молочная кислота придаёт этим продуктам
кисловатый вкус.
Молочнокислое брожение происходит также в мышцах животных, когда
потребность в энергии выше, чем обеспечиваемая дыханием, и кровь не
успевает доставлять кислород.
Обжигающие ощущения в мышцах во время тяжелых физических
упражнений соотносятся с получением молочной кислоты и сдвигом к
анаэробному гликолизу, поскольку кислород преобразуется в двуокись
углерода аэробным гликолизом быстрее, чем организм восполняет запас
кислорода; а болезненность в мышцах после физических упражнений
вызвана микротравмами мышечных волокон. Организм переходит к этому
111
менее эффективному, но более скоростному методу производства АТФ в
условиях недостатка кислорода. Затем печень избавляется от излишнего
лактата, преобразуя его обратно в важное промежуточное звено гликолиза —
пируват.
Считается, что анаэробный гликолиз был первым источником энергии для
общих предков всех живых организмов до того, как концентрация кислорода
в атмосфере стала достаточно высокой, и поэтому эта форма генерации
энергии в клетках — более древняя. За очень редкими исключениями она
существует и у всех ныне живущих клеток.
Уксуснокислое
брожение
осуществляют
многие
бактерии.
Уксус
(уксусная кислота) — прямой результат бактериальной ферментации. При
мариновании
продуктов
уксусная
кислота
предохраняет
пищу
от
болезнетворных и вызывающих гниение бактерий.
Маслянокислое брожение Сбраживание углеводов с преимущественным
образованием масляной кислоты производят многие анаэробные бактерии,
относящиеся к роду Clostridium. Первые этапы расщепления углеводов при
маслянокислом Б. аналогичны соответстветственным этапам спиртового Б.,
вплоть до образования пировиноградной кислоты, из которой при
маслянокислом Б. образуется ацетил-кофермент A (CH3CO-KoA). АцетилKoA может служить предшественником масляной кислоты, подвергаясь
следующим превращениям:
Ацетоно-бутиловое Б. бактерии Clostridium acetobutylicum сбраживают
углеводы с преим. образованием бутилового спирта (CH3CH2CH2CH2OH) и
ацетона (CH3COCH3). При этом образуются также в сравнительно
небольших количествах водород, CO2, уксусная, масляная кислоты,
этиловый спирт. Первые этапы расщепления углеводов те же, что и при
спиртовом Б. Бутиловый спирт образуется путём восстановления масляной
кислоты:
CH3CH2CH2COOH + 4H = CH3CH2CH2CH2OH + H2O.
112
Метановое брожение начинается с разложения сложных в-в (напр.,
целлюлозы) до одно- или двууглеродных молекул (СО2, НСООН, СН3СООН
и др.), к-рое осуществляют микроорганизмы, живущие в симбиозе с
метанообразующими бактериями. Последние синтезируют метан
Дыхание – это окислительный распад органических веществ при участии
кислорода с образованием воды, углекислого газа и макроэргических
соединений, которые используются клетками.
Субстраты дыхания. Дыхательный коэффициент – это объемное или
молярное
отношение
СО2,
выделившегося
в
процессе
дыхания,
к
поглощенному за это же время О2. При нормальном доступе кислорода
величина коэффициента зависит от субстрата дыхания. Если используются
углеводы, то коэффициент равен 1. Если разложению подвергаются более
окисленные соединения, например, органические кислоты, то поглощение
кислорода уменьшается и коэффициент становится больше 1. Так, при
использовании яблочной кислоты он равен 1,33. При окислении более
восстановленных соединений (жиры, белки) требуется больше кислорода и
коэффициент становится меньше 1. Например, при использовании жиров
коэффициент равен 0,7.
При недостатке углеводов используются другие субстраты. Особенно это
проявляется при прорастании семян, в которых запасными питательными
веществами являются белки и жиры. Белки предварительно расщепляются до
аминокислот. Затем аминокислоты окисляются до ацетилкоэнзима А и
кетокислот, которые участвуют в цикле Кребса. Жиры гидролизуются
липазой до глицерина и жирных кислот. Глицерин фосфорилируется и затем
окисляется до 3-фосфоглицеринового альдегида, который включается в
обмен
углеводов.
Жирные
кислоты
окисляются
с
образованием
ацетилкоэнзима А.
Оксиредуктазы
Окисление дыхательных субстратов в ходе дыхания осуществляется с
участием ферментов. Они называются оксиредуктазами, так как окисление
113
одного
вещества
(донора
электронов
и
протонов)
сопряжено
с
восстановлением другого вещества (акцептора). Различают следующие
группы ферментов.
Анаэробные или пиридиновые дегидрогеназы. Это двухкомпонентные
ферменты, коферментом которых является НАД или НАДФ. Они передают
электроны различным акцепторам, но не кислороду и отнимают два протона
от субстрата. Один протон присоединяется к коферменту, а другой
выделяется в среду. В зависимости от белковой части различают более 150
ферментов.
Аэробные или флавиновые дегидрогеназы. Они катализируют отнятие
двух протонов от субстратов и передают электроны от анаэробных
дегидрогеназ разным акцепторам (хиноны, цитохромы), в том числе и
кислороду. Простетической группой служат производные витамина В 2 –
флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид.
Оксидазы. Эти ферменты передают электроны от субстрата только на
кислород. При этом образуются вода (переносятся на О2 4 электрона),
перекись водорода (Н2О2) или супероксидный анион кислорода (О-2). Н2О2 и
О-2 весьма токсичны и поэтому быстро превращаются в воду и кислород под
действием каталазы и супероксиддисмутазы, соответственно.
Оксигеназы.
Они
активируют
кислород
и
катализируют
его
присоединение к различным органическим соединениям (аминокислоты,
фенолы, ненасыщенные жирные кислоты, ксенобиотики – чужеродные
токсичные вещества).
Гликолитический путь состоит из двух фаз – анаэробной (гликолиз) и
аэробной (цикл Кребса).
Гликолиз. Реакции гликолиза идут в цитозоле и в хлоропластах. В
результате гликолиза из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы
пировиноградной кислоты и 4 молекулы АТФ (рис. 6.1). Поскольку
макроэргическая связь формируется прямо на окисляемом субстрате, такой
процесс
образования
АТФ
получил
название
субстратного
114
фосфорилирования.
Две
молекулы
АТФ
покрывают
расход
на
первоначальное активирование субстрата за счет фосфорилирования.
Следовательно, накапливаются 2 молекулы АТФ. Кроме того, в ходе
гликолиза восстанавливаются 2 молекулы НАД до НАДН, окисление
которых в электронтранспортной цепи митохондрий приводит к синтезу 6
молекул АТФ. Итого образуются 8 молекул АТФ. Образовавшиеся 2
молекулы пировиноградной кислоты вступают в аэробную фазу дыхания.
Цикл ди- и трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Аэробная фаза
дыхания
локализована
в
митохондриях.
Пировиноградная
кислота
окисляется до воды и углекислого газа в дыхательном цикле, получившем
название цикла ди- и трикарбоновых кислот или цикла Кребса в честь
английского биохимика Г. Кребса, описавшего этот путь. В этом цикле
окисляется не сама пировиноградная кислота, а ее производное –
ацетилкоэнзим
А.
Он
образуется
в
результате
окислительного
декарбоксилирования пировиноградной кислоты. Процесс этот состоит из
ряда реакций и катализируется сложной мультиферментной системой,
состоящей
из
трех
ферментов
и
пяти
коферментов,
и
названной
пируваткарбоксилазой.
Глиоксилатный
цикл
является
модификацией
цикла
Кребса
и
локализован не в митохондриях, а в глиоксисомах. В этих органеллах
образуется изолимонная кислота, как и в цикле Кребса. Затем она под
действием изоцитратлиазы распадается на глиоксиловую и янтарную
кислоты.
Глиоксиловая
кислота
реагирует
со
второй
молекулой
ацетилкоэнзима А с образованием яблочной кислоты, которая затем
окисляется до щавелевоуксусной кислоты. Янтарная кислота выходит из
глиоксисомы и превращается в щавелевоуксусную кислоту.
В
ходе
глиоксилатного
цикла
утилизируются
две
молекулы
ацетилкоэнзима А, образовавшегося при распаде запасных жиров, и
образуется одна молекула НАДН.
115
Осуществляется в прорастающих семенах масличных растений, а также у
нек-рых микроорганизмов (бактерий и плесневых грибов), растущих на
среде, которая в качестве единственного источника углерода содержит
СН3СООН;
у
микроорганизмов
функционирует
наряду
с
циклом
трикарбоновых к-т (ЦТК).
Глиоксилатный
цикл
рассматривают
как
видоизмененный
ЦТК.
Последний отличается от глиоксилатного цикла отсутствием р-ций I и IV, крые в глиоксилатном цикле катализируются соответствующими ферментами
изоцитрат-лиазой и малат-синтазой; у высших растений эти ферменты
одновременно присутствуют только в тех тканях, где функционирует
глиоксилатный
цикл.
Остальные
р-ции
глиоксилатного
цикла
катализируются теми же ферментами, что и соответствующие р-ции ЦТК.
Апотомический путь катаболизма гексоз (пентозофосфатный путь
окисления
глюкозы,
гексозомонофосфатный
цикл,
пентозный
шунт)
происходит в цитоплазме и при отсутствии света в хлоропластах. Глюкоза
фосфорилируется при участии гексокиназы до глюкозо-6-фосфата. Он
окисляется
глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой.
При
этом
образуются
восстановленный НАДФН и лактон фосфоглюконовой кислоты. Лактон
произвольно или при участии глюконолактозы гидролизуется до 6фосфоглюконовой
кислоты.
Она
под
действием
фосфоглюконатдегидрогеназы с коферментом НАДФ декарбоксилируется с
образованием
восстановленного
НАДФН
и
пятиуглеродного
сахара
рибулозо-5-фосфата. Отсюда и название апотомический путь (апотомия –
усекновение). Последующие реакции представляют цикл регенерации
исходного субстрата – глюкозо-6-фосфата. Для прохождения полного цикла
необходимы три молекулы глюкозо-6-фосфата. Как видно из рис. 6.4, из 6
молекул глюкозо-6-фосфата образуются 6 молекул СО2 и 6 молекул
рибулозо-5-фосфата, из которых восстанавливается 5 молекул глюкозо-6фосфата. При этом также образуется 12 молекул НАДФН, которые при
окислении в дыхательной электронтранспортной цепи могут дать 36 молекул
116
АТФ, что не уступает энергетическому выходу гликолитического пути.
Продукты апотомического пути также участвуют в обмене веществ.
Прямое окисление сахаров. Некоторые бактерии, грибы и морские
водоросли способны окислять нефосфорилированную глюкозу. Сначала глюкоза
превращается
в
-форму
при
участии
мутаротазы.
Затем
флавинзависимая глюкооксидаза отнимает 2 атома водорода от группировки
СНОН 1-го атома углерода глюкозы и переносит их на молекулярный
кислород, образуя перекись водорода. Она разлагается каталазой и
пероксидазой. Глюкоза при этом превращается в лактон глюконовой
кислоты,
который
глюконовой
неферментативно
кислоты.
Глюконовая
гидратируется
кислота
с
после
образованием
фосфорилирования
распадается на пировиноградную кислоту и 3-фосфоглицериновый альдегид.
Дыхательная
электронтранспортная
цепь
и
окислительное
фосфорилирование.
Дыхательная электронтранспортная цепь состоит из переносчиков
электронов, которые передают электроны от субстратов на кислород.
Расположение переносчиков определяется величиной их окислительновосстановительного потенциала. Цепь начинается с НАДН, имеющего
потенциал –0,32 В, и кончается кислородом с потенциалом +0,82 В.
Переносчики расположены по обеим сторонам внутренней мембраны
митохондрий
и пересекают ее. На внутренней
стороне мембраны,
расположенной к матриксу митохондрии, два протона и два электрона от
НАДН
переходят
на
флавинмононуклеотид
и
железосерные
белки.
Флавинмононуклеотид, получив протоны, восстанавливается и переносит их
на внешнюю сторону мембраны, где отдает протоны в межмембранное
пространство.
Железосерные
белки,
находящиеся
внутри
мембраны,
передают электроны от НАДН окисленному убихинону Q. Он, присоединив
еще два протона, диффундирует в мембране к цитохромам. Цитохром b560
отдает два электрона убихинону, который, присоединив еще два протона из
матрикса, передает два электрона цитохрому b556 и два электрона цитохрому
117
c1, а протоны выходят в межмембранное пространство. На наружной стороне
мембраны цитохром с, получив два электрона от цитохрома c1, передает их
цитохрому а, который переносит их через мембрану на цитохром а3.
Цитохром а3, связывая кислород, отдает ему электроны. Кислород
присоединяет два протона с образованием воды.
Таким
образом,
транспорт
электронов
в
дыхательной
электронтранспортной цепи сопровождается трансмембранным переносом
протонов.
Возникающая
внутренней
мембране
разность
митохондрий
потенциалов
по
используется
обеим
для
сторонам
синтеза
АТФ
(окислительное фосфорилирование), как это было показано в разделе 5.2.2. В
результате прохождения двух электронов по цепи образуется 3 молекулы
АТФ.
Влияние внешних и внутренних факторов на дыхание.
Температура. Дыхание у некоторых растений идет и при температуре
ниже 0оС. Так, хвоя ели дышит при –25оС. Интенсивность дыхания, как
всякой ферментативной реакции, возрастает при повышении температуры до
определенного предела (35-40оС).
Кислород необходим для осуществления дыхания, так как он является
конечным акцептором электронов в дыхательной электронтранспортной
цепи.
Увеличение
сопровождается
содержания
повышением
кислорода
в
воздухе
до
8-10
интенсивности
дыхания.
Дальнейшее
%
увеличение концентрации кислорода существенно не влияет на дыхание.
Однако в атмосфере чистого кислорода дыхание растений снижается, а при
длительном его действии растение погибает. Гибель растения обусловлена
усилением в клетках свободнорадикальных реакций и повреждением
мембран вследствие окисления их липидов.
Углекислый газ является конечным продуктом дыхания. При высокой
концентрации газа дыхание растений снижается по следующим причинам: 1)
ингибируются дыхательные ферменты, 2) закрываются устьица, что
препятствует доступу кислорода к клеткам.
118
Содержание воды. Водный дефицит растущих тканей увеличивает
интенсивность дыхания из-за активации распада сложных углеводов
(например, крахмала) на более простые, которые являются субстратом
дыхания.
Однако
при
этом
нарушается
сопряжение
окисления
и
фосфорилирования. Дыхание в этом случае представляет бесполезную трату
вещества. Иная закономерность характерна для органов, находящихся в
состоянии покоя. Повышение содержания воды в семенах приводит к
резкому увеличению интенсивности дыхания.
Свет. Трудно выявить влияние света на дыхание зеленых растений, так
как одновременно с дыханием осуществляется противоположный процесс –
фотосинтез. Освещенность, при которой интенсивность фотосинтеза равна
интенсивности
дыхания
по
уровню
поглощенного
и
выделенного
углекислого газа, называют компенсационным пунктом. Дыхание незеленых
тканей активируется светом коротковолновой части спектра, так как
максимумы поглощения флавинов и цитохромов расположены в области 380600 нм.
Минеральные вещества. Такие элементы как фосфор, сера, железо, медь,
марганец необходимы для дыхания, являясь составной частью ферментов
или как фосфор промежуточным продуктом. При повышении концентрации
солей в питательном растворе, на котором выращивают проростки, их
дыхание активируется (эффект «солевого дыхания»).
Механическое повреждение усиливает дыхание из-за быстрого окисления
фенольных и других соединений, которые выходят из поврежденных
вакуолей и становятся доступными для оксидаз.
Изменение интенсивности дыхания в онтогенезе. У светолюбивых
растений
более
высокая
интенсивность
дыхания
по
сравнению
с
теневыносливыми. Растения северных широт дышат более интенсивно, чем
южные,
особенно
при
пониженной
температуре.
Наиболее
высока
интенсивность дыхания у молодых активно растущих тканей и органов.
После окончания роста дыхание листьев снижается до уровня, равного
119
половине максимального и затем долго не меняется. При пожелтении листьев
и в период, предшествующий полному созреванию плодов, у этих органов
наблюдается активация синтеза этилена с последующим кратковременным
усилением
дыхания,
которое
называют
климактерическим
подъемом
дыхания. Этилен увеличивает проницаемость мембран и гидролиз белков,
что приводит к повышению содержания субстратов дыхания. Однако это
дыхание не сопровождается образованием АТФ.
Взаимосвязь дыхания с другими процессами обмена. Для дыхания
нужны в качестве субстратов углеводы, которые образуются в ходе
фотосинтеза. Многие промежуточные продукты дыхания необходимы для
биосинтеза важнейших соединений. Триозофосфат, превращаясь в глицерин,
может использоваться при синтезе жиров. Пировиноградная, кетоглутаровая
и щавелевоуксусная кислоты путем аминирования превращаются в аланин,
глютаминовую и аспарагиновую аминокислоты. Они используются при
синтезе
белков.
Янтарная
кислота
дает
основу
для
формирования
порфиринового ядра хлорофилла. Ацетилкоэнзим А является исходным
материалом для образования жирных кислот. Пентозы, образующиеся в ходе
апотомического пути окисления, входят в состав нуклеотидов, нуклеиновых
кислот, никотинамидных и флавиновых коферментов. Эритрозо-4-фосфат,
реагируя с фосфоэнолпировиноградной кислотой, образует шикимовую
кислоту, которая необходима для образования ароматических аминокислот,
например, триптофана. Триптофан участвует в синтезе белков и является
предшественником фитогормона 3-индолилуксусной кислоты.
Лекция 7. Гетеротрофный способ питания у растений.
Автотрофные (фото- и хемо- трофы)организмы самостоятельно
синтезируют органическое вещество из неорганического, гетеротрофные –
питаются готовым органическим веществом. Граница между автотрофами и
гетеротрофами достаточно условна, так как существует множество видов,
120
обладающих переходной формой питания — миксотрофией, либо
использующие наиболее удобный в данных условиях тип питания.
Миксотрофы — это организмы, которые способны использовать различные
источники углерода и энергии. Миксотрофы могут быть одновременно
фототрофами и хемотрофами, литотрофами и органотрофами.
Миксотрофами являются представители как прокариот, так и эукариот. К
ним относятся многие пурпурные бактерии.
Существует два типа гетеротрофного питания.
1.Голозойный — питание твёрдыми пищевыми частицами
(органической пищей) посредством их захвата внутрь тела организма,
которые затем перевариваются и всасываются в пищеварительной системе.
Один из видов гетеротрофного питания. Этот способ свойствен большинству
животных и насекомоядным растениям. У животных метод предполагает
наличие фагоцитоза, когда клеточные мембраны полностью окружают
частицы пищи. Противопоставляется голофитному или осмотрофному
способу.
2. Голофитный способ питания — питание без захвата твёрдых
пищевых частиц посредством транспорта (пассивного — осмоса, или
активного) растворённых питательных веществ через поверхностные
структуры клетки. Один из видов гетеротрофного питания. Данный способ
характерен для фотосинтезирующих растений, грибов и большинства
микроорганизмов (исключая гетеротрофных простейших).
Противопоставляется голозойному способу.
Среди растений имеются факультативные и облигатные гетеротрофы –
сапрофиты (питаются продуктами разложения) паразиты и насекомоядные
растения.
В жизни растения-автотрофа есть периоды, когда оно питается гетеротрофно
за счет запасенных ранее органических соединений: прорастание семян,
клубней, рост побегов из корневищ.
121
Органическая пища переводится в легкоусвояемые соединения в ходе
пищеварения. Пищеварение – процесс ферментативного расщепления
макромомолекулярных
соединений
на
продукты,
лишённые
видовой
специфичности и пригодные для всасывания и усвоения. Различают три типа
пищеварения: внутриклеточное, мембранное и внеклеточное.
1. Внутриклеточное – происходит в цитоплазме, вакуолях, пластидах,
сферосомах.
2. Мембранное – осуществляется ферментами, расположенными в
клеточных мембранах.
3. Внеклеточное – происходит при выделении наружу гидролитических
ферментов (насекомоядные растения, эндосперм злаков при проростании,
грибы).
Сапрофиты. (редуценты), когда организм питается растворами простых
органических веществ. Иногда они выделяют ферменты непосредственно на
субстрат, а затем всасывают образовавшиеся питательные вещества.
Уничтожая мёртвые растения и животные, сапротрофы играют важную роль
в круговороте веществ. Редуценты (также деструкторы, сапротрофы,
сапрофиты,
сапрофаги)
—
микроорганизмы
(бактерии
и
грибы),
разрушающие отмершие остатки живых существ, превращающие их в
неорганические соединения и простейшие органические соединения.
В плазмалемме гиф грибов функционирует H+ помпа и в окружающую
среду гриб выделяет различного рода кислые гидролазы. При закислении
наружной среды снижается диссоциация органических кислот и они
проникают в клетку в виде нейтральных молекул. Сахара и аминокислоты
поступают
в
симпорте
с
ионами
H+
с
помощью
специальных
липопротеиновых переносчиков.
Сапрофитный способ питания также довольно обычен среди водорослей
(глубоководные диатомовые, хлорококковые и эвгленовые при наличии
большого количества растворённой органики).
122
Среди
покрытосеменных
растений
сапрофитный
способ
питания
встречается редко, среди растений не имеющих хлорофилла, или слабо
способных к фотосинтезу. (Напр. – растение образует клубень, в котором
поселяются муравьи и питается продуктами их жизнедеятельности.)
Паразиты – это растения, которые либо полностью (заразиха –
Orobanche, раффлезия) либо в значительной мере (повилика - Cuscuta)
потеряли способность к фотосинтезу. Семена заразихи прорастают под
влиянием корневых выделения растения-хозяина. Проростки заразихи растут
по направлению к корню растения-хозяина и верхушка зародышевого корня
заразихи внедряется в него, преобразуясь в гаусторию (присоску) и выделяя
ферменты, растворяющие клеточные стенки. Заразиха получает от растенияхозяина все необходимые вещества. Повилика – вьющееся растение, у
которого корневой конец засыхает, а стебель обвивается вокруг стебля
растения-хозяина и присасывается к нему с помощью гаусторий в форме
дисков, прилегающих к коре растения. Группа клеток из центральной части
диска, прорастая, достигает проводящей системы хозяина, откуда повилика
получает воду и питательные вещества.
Микотрофные виды. Некоторые виды, не содержащие хлорофилла,
используют симбиоз с грибами. Особенно много таких среди орхидных. На
ранних этапах развития все орхидеи вступают в симбиоз с грибами, т.к.
запаса питательных веществ в их семенах недостаточно для роста зародыша.
У
взрослых
микотрофных
орхидей
гифы
грибов
проникают
в
периферическую зону корней, но не далее.
Насекомоядные. Сейчас известно более 400 видов покрытосеменных
растений, которые ловят мелких насекомых и используют их как
дополнительный источник питания. Большинство из них растут на бедных
азотом болотистых почвах. По способу ловли добычи растения делят на две
группы. При пассивном способе ловли насекомые прилипают к листьям,
железки которых выделяют липкую смесь, или попадают в ловушки в виде
кувшинов или урн, окрашенных в яркие цвета и выделяющих сладкий
123
ароматный секрет. При активном захвате происходит приклеивание
насекомого липкой слизью и обволакивание его листом или волосками, а
также насекомые втягиваются с водой в ловчие пузырьки, благодаря
поддерживаемому в них вакуума. Попавшее насекомое переваривается под
действием секрета железок, содержащего кислоты, протеазы, фосфатазы,
РНКазы, липазу. Всасывание продуктов пищеварения осуществляется теми
же железками, соединенными с проводящей системой растения. Некоторые
растения парализуют добычу алкалоидами, содержащимися в выделяемой
слизи (росянка - конитин).
В зрелых зерновках злаков зародыш непосредственно не контактирует с
тканями эндосперма, содержащими запасные питательные вещества. Для
переваривания и поглощения запасных веществ служит видоизмененная
семядоля – щиток. В эпителиальных клетках щитка действует протонная
помпа, выделяющая в эндосперм протоны. Также из щитка в эндосперм
транспортируются органические кислоты и кислые гидролазы: амилаза,
протеаза, глюканаза и другие. На третьи сутки прорастания семян начинает
функционировать слой живых клеток в эндосперме – периферический
алейроновый слой. Эти клетки также выделяют в эндосперм органические
кислоты и кислые гидролазы. В результате запасные вещества эндосперма
растворяются и всасываются щитком, а затем попадают в проводящие пучки.
Лекция 8. Транспорт веществ по растению.
Различают ближний и дальний транспорт веществ по растению. Ближний
транспорт – это передвижение ионов, метаболитов и воды между клетками
по симпласту и апопласту. Дальний транспорт – передвижение веществ
между органами в растении по проводящим пучкам и включает транспорт
воды и ионов по ксилеме (восходящий ток от корней к органам побега) и
транспорт метаболитов по флоэме (нисходящий и восходящий потоки от
листьев к зонам потребления веществ или отложения их в запас).
Ксилема
124
Ксилема состоит из мёртвых одеревеневших клеток, имеющих отверстия
(перфорацию) — трахеид, а также из сосудов, образованных при слиянии
ряда клеток; волокон и паренхимных клеток. У ряда видов сосуды
отсутствуют, у остальных видов сосуды развиты по-разному, наибольшего
развития достигая у покрытосеменных. Клетки ксилемы объединяются в так
называемые проводящие (сосудисто-волокнистые) пучки, которые при
рассмотрении стебля в разрезе образуют кольцо.
Основная функция — транспорт воды и минеральных солей от корней к
листьям, то есть осуществляет восходящий ток.
Загрузка сосудов ксилемы наиболее интенсивно происходит в зоне
корневых
волосков.
примыкающих
к
В
паренхимных
трахеидам
или
клетках
сосудам,
проводящего
пучка,
функционируют
насосы,
выделяющие ионы, которые через поры в стенках сосудов попадают в их
полости. В сосудах результате накопления ионов увеличивается сосущая
сила, которая притягивает воду. В сосудах развивается гидростатическое
давление и происходит подача жидкости в надземные органы.
Разгрузка ксилемы, то есть выход воды и ионов через поры сосудов
ксилемы в клеточные стенки и в цитоплазму клеток мезофилла листа или
клеток обкладки, обусловлена гидростатическим давлением в сосудах,
работой насосов в плазмалемме клеток и влиянием транспирации,
повышающей сосущую силу клеток листа.
Флоэма
В стеблях большинства растений флоэма располагается снаружи по
отношению к ксилеме, a листьях — обращена к нижней стороне жилок
листовой пластинки, в проводящих пучках корней тяжи флоэмы и ксилемы
чередуются.
По
своему
происхождению
флоэма
делится
на
первичную,
дифференциирующуюся из прокамбия и вторичную, дифференциирующуюся
из камбия. Первичная флоэма, в свою очередь, подразделяется на
125
протофлоэму и метафлоэму, в отличие от вторичной флоэмы, у первичной
отсутствуют сердцевинные лучи.
Клеточный состав и первичной, и вторичной флоэмы одинаков; они
состоят из нескольких типов клеток различной морфологии, выполняющих
различные функции:
Ситовидные элементы (ситовидные клетки, ситовидные трубки и
клетки-спутницы), обеспечивающие основной транспорт
Склеренхимные элементы (склереиды и волокна), выполняющие
опорную функцию
Паренхимные
элементы
(паренхимные
клетки),
обеспечивающие
ближний радиальный транспорт
Ситовидные элементы являются высокоспециализированными клетками,
обеспечивающими флоэмный транспорт ассимилятов. Их особенностью,
благодаря которой они получили своё название, являются ситовидные поля
(или ситовидные пластинки у покрытосеменных растений), являющихся
скоплением специализированных пор в клеточной стенке. Поры ситовидных
полей являются видоизменёнными первичными поровыми полями — их
поры
представляют
собой
расширенные
плазмодесмы
—
цитоплазматические мостики, соединяющие соседние протопласты, однако
если
первичное
плазмодесмами,
поровое
через
поле
пору
обычно
ситовидного
пронизано
поля
несколькими
проходит
один
цитоплазматический тяж с диаметром до нескольких микрометров, что в
десятки раз превышает диаметр плазмодесм. Происхождение такого
гигантского по сравнению с плазмодесмами цитоплазматического тяжа
неясно, считается, что его образование возможно как путём слияния группы
плазмодесм, так расширением единственной плазмодесмы.
Канал поры ситовидного элемента выстлан полисахаридом каллозой,
которая у многих растений образует валик у отверстия канала, каллоза
накапливается в течение жизни ситовидного элемента.
126
Ситовидные элементы споровых (хвощей, плаунов, папоротников) и
голосеменных растений представлены ситовидными клетками, эти клетки
вытянуты в длину, ситовидные поля разбросаны по боковым стенкам.
Флоэмный транспорт
Флоэмный сок представляет собой раствор углеводов (у древесных
растений
—
преимущественно
сахарозы),
являющихся
продуктами
фотосинтеза, в достаточно высокой концентрации — 0,2—0,7 моль/литр (7—
25 %), а также других ассимилятов и метаболитов (аминокислот и
фитогормонов) в значительно более низких концентрациях. Скорость
транспорта составляет десятки сантиметров в час и может достигать 100
см/час на расстояние нескольких метров, что превышает скорости диффузии.
В отличие от ксилемы, где перемещение содержимого происходит в
одном направлении — вверх от корней к листьям, флоэмный транспорт
происходит от органов-доноров, в которых происходит фотосинтез к
акцепторам — органам или областям, в которых продукты фотосинтеза
потребляются или запасаются. Интенсивное потребление ассимилятов
происходит в корнях, верхушках побегов, формирующихся листьях,
репродуктивных органах; у многих видов растений есть специальные органы
запасания — луковицы, клубни и корневища, выступающие в качестве
акцепторов.
Эксперименты с радиоактивными метками (14C) показали, что транспорт
от донора — например, подкормленного меткой листа — происходит к
ближайшим акцепторам, то есть нижние листья обеспечивают углеводами
корни, листья побега, расположенные рядом с плодами — плоды и т. п.
Следует отметить, что флоэмный транспорт является двусторонним: так,
органы запасания могут в зависимости от фазы вегетации выступать как в
качестве акцептора — при накоплении крахмала, синтезирующегося из
углеводов, поставляемых листьями в конце вегетационного периода — так и
в качестве донора при расщеплении запасённого крахмала на углеводы,
идущие на построение молодых листьев в начале периода вегетации.
127
Ассимиляты из клеток листьев поступают во флоэму, состоящую из
нескольких типов клеток. В ситовидных трубках флоэмы плазмалемма
окружает протопласт, содержащий небольшое число митохондрий и пластид,
а также агранулярный эндоплазматический ретикулум. Тонопласт разрушен.
Зрелая ситовидная трубка лишена ядра. Поперечные клеточные стенки –
ситовидные пластинки – имеют перфорации, выстланные плазмалеммой и
заполненные полисахаридом каллозой и фибриллами актиноподобного Фбелка, которые ориентированы продольно. Ситовидные трубки связаны с
клетками-спутниками плазмодесмами. Клетки-спутники (сопровождающие
клетки) – это небольшие вытянутые вдоль ситовидных клеток паренхимные
клетки с крупными ядрами, цитоплазмой, с большим количеством рибосом,
других органелл и, особенно, митохондрий. Число плазмодесм в этих клетках
в 3-10 раз больше, чем в стенках соседних мезофильных клеток. В клеточных
стенках клеток-спутников много инвагинаций, выстланных плазмалеммой,
что значительно увеличивает ее поверхность. Самые мелкие проводящие
пучки включают один-два ксилемных сосуда и одну ситовидную трубку с
сопровождающей клеткой. У многих С4-растений проводящие элементы
листа окружены плотно сомкнутыми клетками обкладки, отделяющими
пучки от мезофилла и от межклетников. Проводящая система листа
представлена проводящими пучками, которые объединены в жилки разных
размеров. Жилки расположены по листу так, чтобы обеспечить равномерный
сбор ассимилятов по всей площади листа. Транспорт ассимилятов в листе
строго ориентирован: ассимиляты передвигаются из каждой микрозоны
клеток мезофилла радиусом 70-130 мкм в сторону ближайшего к ней малого
пучка и далее по клеткам флоэмы в более крупную жилку.
Основной транспортной формой ассимилятов у большинства растений
является сахароза (до 85 % от общего сухого вещества). Активность
инвертазы – фермента, расщепляющего сахарозу на глюкозу и фруктозу – в
проводящих тканях очень низка. Также транспортируются олигосахара,
азотистые
вещества,
органические
кислоты,
витамины,
гормоны.
128
Неорганические соли составляют 1-3 % от общего количества веществ сока,
особенно много ионов калия.
В клетках мезофилла осмотическое давление ниже, чем в тонких
проводящих пучках. По мере продвижения от тонких пучков к средней
жилке содержание сахаров возрастает. Поэтому загрузка проводящей
системы ассимилятами идет против градиента концентрации с затратой
энергии. Источником АТФ служат клетки-спутники. В плазмалемме клетокспутников функционирует протонная помпа, выводящая наружу протоны.
Она активируется ауксином и блокируется абсцизовой кислотой. Закисление
апопласта в результате работы этой помпы способствует отдаче ионов калия
и сахарозы клетками листа и поступлению их в клетки флоэмных окончаний.
Трансмембранный перенос протонов происходит по концентрационному
градиенту, а сахарозы – против градиента с помощью белков-переносчиков.
Поступившие в клетки протоны вновь выкачиваются протонной помпой,
работа которой сопряжена с поглощением ионов калия. Сахароза и ионы
калия по плазмодесмам переносятся в полости ситовидных трубок.
В 1926 г. Э. Мюнх предложил гипотезу тока ассимилятов по ситовидным
элементам флоэмы под давлением. Согласно этой гипотезе между
фотосинтезирующими клетками листа, где накапливается сахароза, и
тканями, использующими ассимиляты, создается осмотический градиент и
возникает ток жидкости во флоэме от донора к акцептору. Предполагается
также, что движущей силой перемещения жидкости из одной ситовидной
трубки в другую через поры в ситовидной пластинке может быть транспорт
ионов калия. Ионы калия активно входят в ситовидную трубку выше
ситовидной пластинки, проникают через нее в нижележащую ситовидную
трубку и пассивно выходят из нее в апопласт. В результате на ситовидных
пластинках
возникает
электрический
потенциал,
способствующий
транспорту веществ. Кроме того, фибриллы актиноподобного Ф-белка в
порах ситовидных пластинок обладают сократительными свойствами и
129
периодическими сокращениями способствуют передвижению жидкости по
флоэме.
Разгрузка
флоэмы
происходит
из-за
высокого
гидростатического
давления в ситовидных трубках и аттрагирующей (притягивающей)
способности органа-акцептора. Его аттрагирующая способность зависит от
интенсивности
роста
органа,
в
ходе
которого
используются
транспортируемые ассимиляты и тем самым снижается их концентрация в
клетке. Следовательно, возникает градиент концентрации между элементом
проводящей
системы
и
клеткой
акцептора.
Интенсивность
роста
контролируется балансом регуляторов роста. В плазмалемме клеток
акцептора функционирует протонная помпа, которая воздействует на
ситовидные трубки и клетки-спутники, закисляя апопласт и тем самым
способствует отдаче ими ионов калия и сахарозы в клеточные стенки. Затем
сахароза
поглощается
клетками
акцептора
с
участием
мембранных
переносчиков в симпорте с протонами, а ионы калия – по электрическому
градиенту.
Каллоза нерастворима в воде, хорошо флюоресцирует в люминесцентном
микроскопе.
У
виноградного
растения
каллоза
образуется
как
в
вегетативных, так и в генеративных органах. Она выстилает канальцы
ситовидных пластинок флоэмы осенью 1-го года их образования, весной,
гидролизуясь, рассасывается. Осенью 2-го года каллоза вновь закупоривает
канальцы, а на 3-й год выводит ситовидные трубки из строя. На стенках
клеток паренхимы пораженных органов каллоза способствует образованию
каллуса. В клетках фиброзного слоя пыльника откладывающаяся каллоза
образует
утолщения.
В
оболочках
микро-
и
макроспороцитов
(и
соответственно микро- и макроспор) каллоза играет роль изолятора, а также
предохраняет от обезвоживания и др. неблагоприятных условий, что имеет
важное значение при спорогенезе. В оболочке растущих пыльцевых трубок,
особенно в базальной части, откладывающаяся каллоза вызывает утолщения,
часто — каллозные пробки.
130
Процессы выделения веществ выполняют разнообразные функции.
Например, от повреждений и микроорганизмов клетки защищают клеточные
стенки, которые образуются из выделяемых полисахаридов и других
веществ, слизистые полисахаридные чехлы на поверхности корневых
волосков, восковые выделения на поверхности листьев, летучие фитонциды.
Выделение нектаров способствует опылению растений насекомыми и ловле
добычи насекомоядными растениями.
Выделение веществ может быть пассивным и активным. Пассивное
выделение по градиенту концентрации называется экскрецией, активное
выведение веществ с затратой энергии – секрецией. У растений различают
три типа секреции.
1. Мерокриновая может быть двух разновидностей: а) эккриновая
(мономолекулярная)
через
мембраны,
которая
осуществляется
переносчиками или ионными насосами, б) гранулокриновая – выделение
веществ в везикулах (мембранных пузырьках, секрет которых освобождается
наружу при взаимодействии везикул с плазмалеммой или переходит в
вакуоль. Везикулы образуются в аппарате Гольджи. Этот тип секреции
характерен для большинства пищеварительных желез.
2. Апокриновая – когда вместе с секретом выделяется часть цитоплазмы,
например, вместе с отрывом головок у солевых волосков галофитов. Такой
тип секреции характерен для протоков слюнных желез человека в
эмбриогенезе.
3. Голокриновая – когда вся клетка превращается в секрет, например,
секреция слизи клетками корневого чехлика. Этот тип секреции характерен
для поверхностного эпителия желудка.
Процесс секреции у растений осуществляется специализированными
клетками и тканями. К наружным секреторным структурам относятся
железистые волоски (трихомы), железки, нектарники, осмофоры (железки,
расположенные в цветках и вырабатывающие эфирные масла, от которых
зависит аромат цветков) и гидатоды. Примером внутренних секреторных
131
структур могут быть идиобласты – одиночные клетки, служащие для
отложения каких-либо веществ. Кроме того, к секреции способна каждая
растительная клетка, формирующая свою клеточную стенку.
Лекция 9. Рост и развитие растений.
Онтогенез растительной клетки
Несколько слов о терминах, применяемых при изучении роста и развития
растений.
Онтогенезом называют индивидуальное развитие организма от зиготы
или вегетативного зачатка до естественной смерти. В ходе онтогенеза
реализуется наследственная информация организма – его генотип – в
конкретных условиях окружающей среды, в результате чего формируется
фенотип, то есть совокупность всех признаков и свойств данного
индивидуального организма.
Развитие – это качественные изменения в структуре и функциональной
активности растения и его частей в процессе онтогенеза. Возникновение
качественных различий между клетками, тканями и органами получило
название дифференцировки.
Рост – необратимое увеличение размеров и массы клетки, органа или
всего организма, обусловленное новообразованием элементов их структур.
Деление клеток
Эмбриональная фаза или митотический цикл клетки делится на два
периода: собственно деление клетки (2-3 ч) и период между делениями –
интерфаза (15-20 ч). Митоз – это такой способ деления клеток, при котором
число хромосом удваивается, так что каждая дочерняя клетка получает набор
хромосом, равный набору хромосом материнской клетки. В клетках растений
нет центриолей, их роль выполняют скопления мембран ЭР на полюсах.
В зависимости от биохимических особенностей различают следующие
этапы интерфазы: собственно митоз – М, пресинтетический – G1 (от англ. gap
– интервал), синте-тический - S и премитотический - G2. В течение этапа G1
132
синтезируются нуклеотиды и ферменты, необходимые для синтеза ДНК.
Происходит синтез РНК. В синтетический период происходит удвоение ДНК
и образование гистонов. На этапе G2 продолжается синтез РНК и белков.
Репликация
митохондриальной
и
пластидной
ДНК
происходит
на
органеллы
смещаются
на
протяжении всей интерфазы.
Профаза.
периферию.
Разрушается
Ядро
ряд
структур,
увеличивается,
ядрышко
диссоциирует.
Хроматин
оформляется в хромосомы с кинетохорами.
Кинетохор — белковая структура на хромосоме, к которой крепятся
волокна веретена деления во время деления клетки. Кинетохоры играют
важнейшую роль при сегрегации хромосом для последующего разделения
родительской клетки на две дочерние.[1]
Кинетохоры формируются на центромерах хромосом у эукариотов.
Кинетохоры подразделяют на две области — внутреннюю, крепко связанную
с центромерной ДНК, и внешнюю, взаимодействующую с микротрубочками
веретена деления.
Структурно кинетохоры состоят из множества белков, их набор различен
у разных видов, но многие из них гомологичны. Основными белками,
входящими в состав кинетохора являются белки, связывающие его с
хроматидой,
и
белки,
участвующие
в
переносе
хроматиды
по
микротрубочкам веретена деления. Основными из них являются динеины.
Веретено деления включает микротрубочки двух типов: межполюсные
(10%), идущие от кинетохор к полюсам (90%). Центры инициации сборки
тубулина
Микротрубочки — белковые внутриклеточные структуры, входящие в
состав цитоскелета.
Микротрубочки представляют собой полые внутри цилиндры диаметром
25 нм. Длина их может быть от нескольких микрометров до, вероятно,
нескольких миллиметров в аксонах нервных клеток. Их стенка образована
димерами тубулина. Микротрубочки, подобно актиновым микрофиламентам,
133
полярны: на одном конце происходит самосборка микротрубочки, на другом
—
разборка.
В
клетках
микротрубочки
играют
роль
структурных
компонентов и участвуют во многих клеточных процессах, включая митоз,
цитокинез и везикулярный транспорт.
Функция Микротрубочки в клетке используются в качестве «рельсов» для
транспортировки
частиц.
По
их
поверхности
могут
перемещаться
мембранные пузырьки и митохондрии. Транспортировку по микротрубочкам
осуществляют белки, называемые моторными. Это высокомолекулярные
соединения, состоящие из двух тяжёлых (массой около 300 кДа) и
нескольких лёгких цепей. В тяжёлых цепях выделяют головной и хвостовой
домены. Два головных домена связываются с микротрубочками и являются
собственно двигателями, а хвостовые — связываются с органеллами и
другими внутриклеточными образованиями, подлежащими транспортировке.
Выделяют два вида моторных белков:
цитоплазматические динеины;
кинезины.
Динеины перемещают груз только от плюс-конца к минус-концу
микротрубочки, то есть из периферийных областей клетки к центросоме.
Кинезины, напротив, перемещаются к плюс-концу, то есть к клеточной
периферии.
Перемещение осуществляется за счёт энергии АТФ. Головные домены
моторных белков для этого содержат АТФ-связывающие участки.
Помимо транспортной функции, микротрубочки формируют центральную
структуру ресничек и жгутиков — аксонему. Типичная аксонема содержит 9
пар
объединённых
микротрубочек
по
периферии
и
две
полных
микротрубочки в центре. Из микротрубочек состоят также центриоли и
веретено деления, обеспечивающее расхождение хромосом к полюсам клетки
при митозе и мейозе. Микротрубочки участвуют в поддержании формы
клетки и расположения органоидов (в частности, аппарата Гольджи) в
цитоплазме клеток.
134
Прометафаза.
Начинается
движение
хромосом.
Кинетохоры
увеличиваются, Хромосомы движутся сначала к полюсам, а затем к середине
веретена. В это время в хромосоме раскручиваются две сестринские
хроматиды. Повреждение кинетохор останавливает движение хромосом.
Метафаза. Хромосомы собираются вдоль поперечника веретена и
образуют метафазную пластинку. Синтез РНК и белков продолжается, но с
небольшой скоростью.
Анафаза. Деление кинетохора, физическое разделение двух хроматид и
перемещение их к полюсам кинетохором вперед. Перераспределение МТ: их
становится меньше в полярных областях, больше в интерполярной области.
Телофаза. МТ у полюсов веретена разбираются, образуется фрагмопласт.
Везикулы, производные АГ с пектинами, мембраны ЭР.
Образование
серединной
пластинки.
Отложение
целлюлозы.
Гемицеллюлозы, пектины и экстенсин доставляются к формирующейся
клеточной стенке в везикулах АГ. В диктиосомах АГ происходит первичная
полимеризация и мембранная упаковка этих компонентов.
Компоненты ферментного комплекса синтетазы целлюлозы локализованы
на наружной поверх-ти плазмалеммы.
Все компоненты попадают в формирующуюся клеточную стенку путем
везикулярного транспорта, UDP- и GDP-глюкоза транспортируется через
плазмалемму.
Цитокинез, цитотомия — деление тела эукариотической клетки.
Клатрин. — внутриклеточный белок, основной компонент оболочки
окаймлённых пузырьков, образующихся при рецепторном эндоцитозе.
Три молекулы клатрина ассоциированы друг с другом на C-терминальном
конце таким образом, что тример клатрина имеет форму трискелиона. В
результате полимеризации клатрин формирует замкнутую трёхмерную сеть,
напоминающую футбольный мяч (полигедральная латексная структура).
Размер клатриновых везикул — около 100 нм.
135
С помощью адапторных белков, таких как AP180 и адаптин, клатрин
рекрутируется к определённому участку клеточной мембраны. Этот
адапторный
белок
также
способствует
полимеризации
клатрина
и
образованию полигедральной латексной структуры на клеточной мембране.
Другой адапторный белок эпсин также рекрутирует клатрин к мембране и
способствует его полимеризации. В этом случае полимеризация клатрина
сильно
деформирует
клеточную
мембрану
так,
что
образуется
полусферическая почкообразная структура, обращённая внутрь клетки.
После образования везикулы и отрыва везикулы от мембраны (под действием
ГТФазы динамина) клатриновая оболочка быстро диссоциирует и клатрин
может повторно использоваться для эндоцитоза. Этот процесс как правило
длится
около
1
минуты.
Транспортная
везикула
сливается
с
внутриклеточными эндосомами и доставляет внутренний материал в клетку.
Процесс
стимулируется
в
результате
взаимодействия
лиганда
со
специфическим рецептором.
Фаза растяжения.
Прекратившие деление клетки переходят к росту растяжением. Под
действием ИУК (ауксин) активируется транспорт протонов в клеточную
стенку, она разрыхляется, ее упругость повышается и становится возможным
дополнительное поступление воды в клетку. Происходит рост клеточной
стенки из-за включения в ее состав пектиновых веществ и целлюлозы.
Увеличение размеров растущей клетки происходит за счет образования
большой центральной вакуоли и формирования органелл цитоплазмы.
Напрвление растяжения определяется направление фибрилл целлюлозы.
Эффект «кислого роста». Низкий рН - разрыв кислотолабильных связей,
активация кислых гидролаз. Кислый рост не поддерживается процессами
биосинтеза, длится 1-3 часа (СО2).
В конце фазы растяжения усиливается лигнификация клеточных стенок,
что снижает ее упругость и проницаемость, накапливаются ингибиторы
136
роста, повышается активность оксидазы ИУК, снижающей содержание
ауксина в клетке. Образуется вторичная клеточная стенка.
Фаза дифференцировки клетки
После роста растяжением растительная клетка специализируется для
выполнения той или иной функции. Этот процесс носит название
дифференциации. Особенности дифференциации растительной клетки во
многом связаны с изменениями в I структуре ее клеточной стенки.
Каждая клетка растения содержит в своем геноме полную информацию о
развитии всего организма и может дать начало формированию целого
растения
(свойство
тотипотентности).
Однако,
находясь
в
составе
организма, эта клетка будет реализовать только часть своей генетической
информации.
Дифференциация клеток на ткани (гистогенез) и органы (морфогенез)
осуществляется на основе дифференцированной работы генома, которая идет
по заданной программе. В зависимости от концентрации гормональных,
питательных веществ, электрических зарядов происходит дерепрессия или
репрессия определенных участков генома и, как следствие, биохимическая, а
затем анатомо-морфологическая дифференциация. Имеется ряд условий,
способствующих этому.
1. Полярность— это ориентация процессов и структур в пространстве, то
есть
физиолого-биохимические
изменяются
в
и
определенном
анатомо-морфологические
направлении.
При
этом
свойства
физиолого-
биохимические или анатомо-морфологические различия изменяются в
определенном направлении, в результате чего один конец отличается от
другого. Явление полярности проявляется как на одной клетке, так и на ряде
клеток.
Поляризация вызывается градиентами осмотического давления, рН,
концентрации кислорода, углекислого газа, гормональными, электрическими
и
трофическими
контактами
с
соседними
клетками,
механическим
137
давлением. В результате в клетках реализуются именно те потенции, которые
соответствуют окружающим условиям («эффект положения»).
Так, меристематическая клетка уже поляризована благодаря своему
положению: у нее есть верх и низ. И если деление пройдет перпендикулярно
оси полярности, то, несмотря на одинаковое распределение наследственного
материала
(ДНК),
физиологическим
дочерние
и
клетки
структурным
будут
неодинаковыми
особенностям,
по
по
факторам
наследственности, расположенным в цитоплазме, и по веществам —
гормонам,
регулирующим
активность
генома.
Полярно
образование
отдельных органов. Так, у черенков корни образуются всегда на нижнем
конце. Полярность проявляется в определенной направленности роста корня
и стебля, в определенном направлении передвижения веществ.
Она может обуславливаться неравномерным распределением зарядов.
Верхушка побега заряжена положительно по отношению к основанию,
сердцевина стебля — по отношению к поверхности. Возникновение
полярности может быть обусловлено разными причинами — как внешними,
так и внутренними.
Большое влияние на возникновение полярности имеет взаимодействие
клеток. Возникновение полярности под влиянием окружающих клеток
получило название «эффекта поля». Окружающие клетки могут оказывать
эффект благодаря неравномерному химическому, механическому или
электрическому воздействию.
G-белки (англ. G proteins) — это семейство белков, относящихся к
ГТФазам и функционирующих в качестве вторичных посредников во
внутриклеточных сигнальных каскадах. G-белки названы так, поскольку в
своём сигнальном механизме они используют замену GDP на GTP как
молекулярный функциональный «выключатель» для регулировки клеточных
процессов. G-белки были обнаружены и исследованы Альфредом Гилманом
и Мартином Родбеллом, которые получили за это открытие Нобелевскую
премию по физиологии и медицине 1994 года[1].
138
Rho белки Rho ГТФазы — семейство клеточных сигнальных белков,
«малых» (около 21 кДа) G-белков. относящихся к суперсемейству Ras. Белки
этого семейства регулируют многие аспекты внутриклеточной динамики
актина. Они обнаружены практически во всех клетках эукариот, включая
дрожжи и некоторые растения. Наиболее изучены 3 белка этого семейства:
Cdc42,
Rac1
и
RhoA.
Rho
ГТФазы
являются
молекулярными
переключателями и играют важную роль в клеточной пролиферации,
апоптозе, экспрессии генов и во множестве других общих клеточных
функциях.
Типы
G-белков.
G-белки
делятся
на
две
основных
группы
—
гетеротримерные («большие») и «малые». Гетеротримерные G-белки — это
белки с четвертичной структурой, состоящие из трёх субъединиц: альфа(α),
бета (β) и гамма (γ). Малые G-белки — это белки из одной полипептидной
цепи, они имеют молекулярную массу 20—25 кДа и относятся к
суперсемейству Ras малых ГТФаз. Их единственная полипептидная цепь
гомологична α-субъединице гетеротримерных G-белков. Обе группы Gбелков участвуют во внутриклеточной сигнализации.
Гетеротримерные G-белки. У всех гетеротримерных G-белков сходный
механизм
активации:
они
активируются
при
взаимодействии
со
специфическими рецепторами, сопряженными с G-белками, при этом
обменивая ГДФ на ГТФ и распадаясь на α- и βγ-субъединицы. αсубъединица, связанная с ГТФ, воздействует на следующее звено в цепи
передачи сигнала. βγ-субъединица также может вызывать собственные
эффекты. Инактивация G-белков происходит в результате медленного
гидролиза
ГТФ
до
ГДФ
α-субъединицей,
после
чего
происходит
реассоциация (объединение) субъединиц.
Белки-помощники G-белков. В работе многих G-белков участвуют
вспомогательные белки. GAPs (GTPase Activating Proteins, белки-активаторы
ГТФазной активности) ускоряют гидролиз ГТФ, ускоряя инактивацию Gбелков. Особенно важна функция GAPs для малых G-белков, так как альфа139
субъединицы гетеротримерных G-белков часто сами обладают достаточной
ГТФ-азной активностью. К GAP-белкам относятся белки семейства RGS.
GEFs (Guanine nucleotide Exchange Factors, факторы обмена гуаниловых
нуклеотидов), ускоряют обмен ГДФ на ГТФ и таким образом активируют Gбелки. Обычно для G-белка GEF-ом служит активированный лигандом
рецептор, однако в некоторых случаях белки AGS (Activator of G-protein
Signaling, активаторы передачи сигнала G-белками) могут активировать Gбелок независимо от воздействия на него рецептора.
Клетки получают внеклеточные стимулы разными способами: в форме
растворимых молекул (ростовых факторов, цитокинов и гормонов) которые
взаимодействуют с рецепторами клеточной поверхности; от адгезивных
взаимодействий с внеклеточным матриксом; и от межклеточных адгезий. Эти
стимулы заставляют генерировать изменения в актиновом цитоскелете в
специфических сайтах (see Poster), прежде всего посредством Rho белков.
Локальные guanine-nucleotide-exchange factors (GEFs) или GTPase-activating
proteins (GAPs) служат для активации или подавления уровней активных
связанных с мембраной Rho белков. У человека существует ~20 Rho GTPases,
из которых Rho, Rac и Cdc42 наиболее изучены (for a review, see Heasman и
Ridley, 2008). Будучи активированными, Rho GTPases соединяются с
различными эффекторами, включая протеин киназы (Zhao и Manser, 2005) и
некоторые актин-связывающие белки. Они непосредственно или косвенно
влияют на локальную сборку или разборку филаментозного (F)-актина. Пути,
стоящие ниже Rho, которые сталкиваются с актином и являются предметом
данной работы. Для каждой клеточной структуры в 'типичной' слипчивой
клетке, мы включили информацию о специфической роли Rho эффекторов.
Некоторые свойства этих эффекторов, их регуляция и их связанные с
актином роли представлены в тексте. В статье не рассматривается роль Rho
белков в обеспечении изменений в динамике актина во время клеточного
цикла [см Villalonga и Ridley (Villalonga и Ridley, 2006)] или в
140
специализированных структурах подосом и инвадоподий (см. Buccione et al.,
2004; Linder, 2007; Albiges-Rizo et al., 2009).
Неравномерное деление. При неэквивалентном цитокинезе (даже
неполяризованных клеток) цитоплазматические факторы распределяются
неравномерно (ядро делится как обычно), что и вызывает дифференциацию
дочерних клеток. Так, при образовании устьиц делению клетки эпидермиса
предшествует концентрация цитоплазмы и органелл на одной ее стороне.
Затем, после обычного деления ядра, делится сама клетка. При этом
образуется одна клетка меньшего, а другая большего размера. Меньшая по
размеру клетка дает начало замыкающим клеткам устьиц. Клетки ризодермы
также делятся неравномерно. Меньшая клетка, богатая цитоплазмой, белком,
РНК, получила название трихобласта. Именно она больше не делится, а
образует вырост — корневой волосок. Неэквивалентное деление наблюдается
и при образовании ситовидных элементов. При этом из одной материнской
клетки образуются две дочерние клетки, из которых одна дифференцируется
в элемент ситовидной трубки, а другая в клетку-спутницу.
Особые морфогенетические вещества, причем источником их является,
в первую очередь, меристема. Доказательством этого служат исследования
Торрея, согласно которым в меристеме корня присутствует стимул,
вызывающий дифференциацию проводящей системы. Согласно его данным,
одним
из
таких
веществ,
вызывающих
дифференциацию,
является
фитогормон ауксин.
Взаимовлияние тканей хорошо проявляется в явлениях, получивших
название гомо- и гетерогенетической индукции. При гомогенетической
индукции определенная ткань вызывает образование себе подобной. Это
хорошо проявляется при срастании тканей, а также при культуре
изолированных тканей. В последнем случае в тканях каллуса при
соприкосновении
с
кусочком
ксилемы
возникает
ксилема,
а
при
соприкосновении с флоэмой — флоэма. При гетерогенетической индукции
какая-то ткань или орган блокирует образование сходной ткани или органа.
141
Это проявляется при образовании устьиц, которые возникают только на
определенных расстояниях друг от друга. Последнее важно для регуляции
испарения воды и поступления С02 в листья.
Поверхностные свойства клеток, т. е. непосредственное взаимодействие
— «слипание» поверхностей. Адгезия обусловлена присутствием на
поверхности клеток специфических белков — лектинов, способных к
обратимому связыванию с углеводами. Лектины появляются в результате
избирательной экспрессии генов на разных стадиях развития клетки. Именно
эти соединения обеспечивают «узнавание» и взаимодействие клеток. Так,
лектин — углеводные взаимодействия лежат в основе связывания
микроорганизмов-азотфиксаторов с определенным видом бобового растения.
Кроме того, появились данные, что эти взаимодействия имеют значение в
защите
организма
от
болезнетворных
микроорганизмов.
Согласно
современным представлениям, адгезия клеток играет решающую роль в
морфогенезе, или образовании определенной формы того или иного органа.
Большинство специализированных клеток не способно к размножению.
Однако растение растет всю свою жизнь, и в течение всей жизни в нем
образуются новые клетки. Они развиваются из клеток образовательных —
меристематических
—
тканей.
Размножение
делением
является
специализацией меристематических клеток, их функцией в организме.
Происшедшие из них клетки развиваются, превращаясь в те или иные
специализированные клетки - клетки ситовидных трубок, клетки пробки,
волокна и т. д. Образовательная ткань находится в разных частях растения
(например, в точках роста — на верхушках побегов, корней). В толще стебля
обычно есть несколько слоев образовательной ткани.
Фаза зрелости. Клетка выполняет те функции, которые заложены в ходе
ее дифференцировки.
Старение и смерть клетки
При старении клеток происходит ослабление синтетических и усиление
гидролитических процессов. В органеллах и цитоплазме образуются
142
автофагические
вакуоли,
разрушаются
хлорофилл
и
хлоропласты,
эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, ядрышко, набухают
митохондрии, в них снижается число крист, вакуолизируется ядро. Гибель
клетки становится необратимой после разрушения клеточных мембран, в том
числе и тонопласта, выхода содержимого вакуоли и лизосом в цитоплазму.
Механизмы старения (гипотезы):
1. Накопление повреждений в генетическом аппарате, мембранах и др
структурах, накопление токсинов.
2. Включение генетической программы как последнего этапа онтогенеза.
Старение и смерть клетки происходит в результате накопления
повреждений в генетическом аппарате, клеточных мембранах и включения
генетической програмированной клеточной смерти – PCD (programmed cell
death), аналогичной апоптозу у клеток животных.
Этилен и АБК ускоряют старение.
Один из признаков старения – увеличение рН. Приводит к денатурации
белков и активации кислых гидролаз. Поэтому отказ Н-помп или потеря
полупроницаемости мембран приводят к смерти клеток.
Ауксин активирует Н+ помпы (выкачивают Н) и защищает цитоплазму от
закисления.
Биогенез клеточных структур
Типы пластид и их формирование
Пропластиды являются предшественниками остальных типов пластид и
всегда присутствуют в меристематических клетках. Клетки меристем
покрытосеменных растений, как правило, содержат около 20 пропластид.
Форма пропластид чаще всего сферическая или эллипсоидная, размеры от 0,2
до 1,0 мкм. Внутренняя среда пропластид — строма — имеет зернистую
структуру и достаточно однородна. В ней можно идентифицировать один
или несколько нуклеоидов в виде электронно-прозрачных областей с
кольцевыми структурами ДНК диаметром около 3 нм. Пропластиды
143
содержат гораздо меньше рибосом, чем высокодифференцированные
этиопласты или хлоропласты. В пропластидах внутренняя мембранная
система развита слабо. Она состоит лишь из нескольких инвагинаций
внутренней мембраны и небольшого числа уплощенных ламелл. Иногда в
пропластидах присутствуют везикулы с запасными белками. В ряде случаев в
строме пропластид содержатся отложения белка фитоферритина, основной
функцией которого является хранение ионов железа. Фитоферритин в
растительной клетке находится почти исключительно в пластидах, больше
всего в пластидах запасающих органов.
Из пропластид формируются остальные типы пластид. Набор пластид в
конкретной клетке зависит от типа ее дифференцировки
Этиопласты — развиваются из пропластид в темноте, при освещении они
превращаются в хлоропласты. Этиопласты представляют собой специальный
вид пластид, образующихся в клетках этиолированных листьев и других, в
норме зеленых, тканях растений, выращиваемых в темноте. В этиопластах
нет хлорофилла, но присутствует большое количество протохлорофиллида.
Мембранные липиды в них хранятся в форме рельефной мембранной
структуры, называемой проламеллярным телом (рис.). Эта структура
формируется из липидов, которые обычно составляют внутренние мембраны
хлоропластов. Образование проламеллярных тел обусловлено отсутствием
мембранных
белков,
необходимых
для
формирования
нормальных
тилакоидов хлоропластов. Липиды образуют мембранные трубочки, которые
ветвятся в трех измерениях и формируют квазикристаллическую решетчатую
структуру.
После
освещения
хлоропласт(фотоморфогенез).
этиопласты
Свет
начинают
вызывает
синтез
развиваться
в
хлорофилла
из
протохлорофиллида, а также синтез белков мембран. Это приводит к
формированию
хлорофилл-белковых
комплексов,
при
этом
липиды
проламеллярного тела трансформируются в тилакоиды.
Хлоропласты — зеленые фотосинтезирующие пластиды, отвечающие за
поглощение и трансформацию энергии света. В высших растениях
144
хлоропласты имеют преимущественно сферическую или эллипсоидную
форму, у мхов и водорослей она может быть иной. Например, каждая клетка
в
нитчатой
морской
водоросли
Spirogyra
содержит
единственный
лентообразный хлоропласт. У высших растений длина хлоропластов
варьирует от 5 до 8 мкм при ширине от 3 до 4 мкм. Клетка палисадной
хлоренхимы листьев клещевины (Ricinus communis) содержит около 35
хлоропластов, в клетке губчатой хлоренхимы их около 20. В листе
клещевины насчитывается приблизительно 500 000 хлоропластов на 1 мм2,
из них 82 % приходится на палисадную хлоренхиму. Клетка хлоренхимы
зрелого листа арабидопсиса {Arabidopsis thaliana) Включает приблизительно
120 хлоропластов. Деление раз в 6-20 ч.
Лейкопласты
—
бесцветные
пластиды,
вовлеченные
в
синтез
изопреноидов, чаще всего моно - и сесквитерпенов, составляющих основу
эфирных масел. Лейкопласты представляют собой уникальный тип пластид,
синтезирующих
изопреноиды,
иногда
их
называют
«терпеноидными
пластидами». Для них характерно наличие плотной стромы, небольшого
количества внутренних мембран и рибосом, а также небольших пластоглобул
(капель
липидов).
Типичный
признак
лейкопластов
—
наличие
«ретикулярного футляра», т. е. они обычно окружены обширной сетью
трубчатых мембран гладкого ЭР, которые также участвуют в синтезе
изопреноидов.
Лейкопласты способны дифференцироваться в более специфичные
пластиды:
Хромопласты — Желтые, оранжевые или красные пластиды. Их цвет
зависит от комбинации каротиноидов — единственных липофильных
пигментов высших растений. Хромопласты ответственны за окраску многих
плодов, цветков и корней. Хромопласты могут развиваться непосредственно
из пропластид или повторно дифференцироваться из хлоропластов, как,
например,
в
созревающих
плодах
помидора.
Хромопласты
могут
редифференцироваться в хлоропласты, что наблюдается, в частности, в
145
выступающих из земли и освещаемых участках корнеплодов моркови.
Развитие хромопластов сопровождается мощной индукцией ферментов,
катализирующих
биосинтез
каротиноидов.
Неактивные
формы
этих
ферментов обычно находятся в строме, активные формы присутствуют
только
в
мембранах
пластид,
где
локализованы
как
липофильные
предшественники каротиноидов, так и сами каротиноиды.
Механизмы превращения пропластид в ту или иную форму пластид
полностью неизвестны, однако установлено, что главную роль в регуляции
этого процесса играет ядерный геном. Ядерные мутации могут переключать
развитие с хромопластов на хлоропласты или же полностью блокировать
развитие пластид. У таких мутантов образуются либо различные формы
лейкопластов, либо незрелые хлоропласты с аномальной пигментацией,
свойственные многим декоративным растениям.
Важнейшим фактором, определяющим развитие и функционирование
пластид, является свет. Свет регулирует примерно пятую часть из 100—120
генов, входящих в состав хлоропластного генома.
Амилопласты — Неокрашенные пластиды, которые внешне похожи на
пропластиды, но содержат гранулы крахмала. Их название происходит от
амилозы — линейного, растворимого в воде полисахарида, состоящего из α
(1→ 4)-глюкопиранозильных единиц, основного компонента крахмала.
Амилопласты обычно присутствуют в клетках запасающих органов.
Крахмальные зерна, которые могут быть весьма массивными, располагаются
в строме. В клубнях картофеля, например, зерно крахмала обычно заполняет
всю пластиду, за исключением тонкого слоя стромы у внутренней мембраны.
В грависенсорных клетках (статоцитах) кончика корня амилопласты
выполняют функции статолитов, седиментирующих под действием силы
тяжести и вызывающих таким образом гравитропический ответ. Структура
«статолитного» амилопласта отличается от запасающего наличием матрикса,
который охватывает все крахмальные гранулы.
Элайопласты — запасание липидов, монослойная мембрана.
146
Геронтопласты a plastid found in formerly (ранее) green tissues that are
currently senescing. A gerontoplast is a chloroplast that has re-purposed through a
process of developmental senescence.
Оболочки пластид
Через мембраны пластид происходит интенсивный обмен метаболитов в
обоих направлениях. В отличие от других мембран эукариотической клетки,
внутренняя и внешняя мембраны пластид, как и мембраны тилакоидов,
бедны фосфолипидами и обогащены галактолипидами. По мнению ряда
исследователей,
это
может
отражать
эволюцию
фотосинтетических
организмов в морской среде, где содержание фосфора ограничено.
Внешняя мембрана Оболочки содержит неспецифичный поровый белок
(порин), который разрешает свободный транспорт воды, разнообразных
ионов и метаболитов с размером до 10 кДа в межмембранное пространство.
Внешняя мембрана не имеет складок и никогда не сливается с внутренней
мембраной. В то же время существуют места контактов внешней и
внутренней мембран. В этих зонах осуществляется перенос пластидных
белков из цитозоля в пластиду. На внешней мембране пластид локализованы
белки, выполняющие те или иные функции, в частности ферменты,
вовлеченные в обмен галактолипидов.
Внутренняя
мембрана
Оболочки
проницаема
для
маленьких
незаряженных молекул, включая О2 и NH3, а также для недиссоциированных
низкомолекулярных монокарбоновых кислот. Большинство метаболитов
пересекают внутреннюю мембрану пластид при помощи специальных
переносчиков. Внутренняя мембрана оболочки пластид содержит также
ферменты,
участвующие
в
формировании
тилакоидных
мембранных
липидов.
Размножение пластид
Пластиды образуются за счет деления существующих пластид, причем это
происходит независимо от деления клетки. Пропластиды способны к
интенсивному делению, причем все гены, контролирующие этот процесс,
147
обычно
имеют
ядерную
локализацию.
Чаще
делятся
пропластиды,
этиопласты и молодые хлоропласты, однако способность к делению
сохраняет даже полностью развившийся хлоропласт. В апексах корня, стебля
и других меристемах скорость деления пропластид коррелирует со
скоростью деления клеток, таким образом, количество пластид у дочерних и
исходных клеток примерно одинаково. Число пропластид в клетке на этой
стадии невелико: около 20. В онтогенезе растения на стадии растяжения
клеток их деление останавливается, тогда как деление пластид продолжается,
что приводит к увеличению их количества в клетке. Например, по мере
развития
листа
шпината
количество
пластид
в
клетке
возрастает
приблизительно в 10 раз и достигает 150 — 200 органелл на клетку.
Одновременно значительно увеличивается копийность пластидной ДНК.
Число копий хлоропластного генома в одной клетке мезофилла листа может
варьировать от 500 до 10 000, а количество ДНК может достигать 10 — 20%
всей ДНК клетки листа.
Деление начинается с заметного сжатия пластиды в центре. Сжатие
углубляется, образуя узкую перетяжку между двумя будущими дочерними
пластидами, после чего они полностью разъединяются. На стадии перетяжки
на
внешней
мембране
пластиды
со
стороны
цитозоля
образуется
электронноплотное кольцо. Недавние исследования показали, что это кольцо
содержит белок, близкий сократительному (контрактильному) белку FtsZ
бактерий, который необходим для формирования перетяжки при делении
бактериальных клеток.
Наследование пластид
Органеллы могут переходить от одного поколения к другому через
яйцеклетку
(материнское
наследование),
через
спермии
(отцовское
наследование) либо обоими способами (двуродительское наследование). У
большинства
покрытосеменных
растений
пластиды
и
митохондрии
наследуются по материнской линии. Эти органеллы от отцовской линии либо
не попадают в спермии, либо деградируют в процессе развития мужского
148
гаметофита или двойного оплодотворения. Независимо от исходной
локализации (в яйцеклетке или спермии) в момент наследования пластиды
находятся на стадии пропластид.
В
ряде
видов
цветковых
растений
было
зарегистрировано
двуродительское наследование пластид и митохондрий. У Pelargonium
«мужские» пластиды и митохондрии отличаются от «женских» по
ультраструктуре. Это позволяет визуально определить в развивающемся
зародыше присутствие органелл от каждого родителя. Наследование
органелл в свинчатке своеобразно. Данный вид характеризуется наличием
диморфных спермиев: одна из мужских гамет обогащена митохондриями,
тогда как другая — пластидами. При этом происходит предпочтительное
оплодотворение: «пластидный» спермий сливается с яйцеклеткой гораздо
чаще, чем «митохондриальный».
Некоторые
растения
(например,
саговники,
гинкго)
кардинально
отличаются по способу наследования пластид: пластиды переходят к
следующему поколению через сперматозоид (в этом случае мужской
гаметофит живет довольно долго, развиваясь в женской шишке после
опыления). Таким образом, для некоторых голосеменных характерно
наследование пластид по отцовской линии.
Геном и белоксинтезирующая система пластид
Все пластиды имеют собственный геном и белоксинтезирующую систему.
У современных фотосинтезирующих эукариот пластидная ДНК (плДНК), как
правило, представлена многокопийной кольцевой молекулой размером от
120 до 290 тыс. п. н. У большинства видов эта молекула содержит два
инвертированных повтора (IRA и IRB — от англ. Inverted Repeats),
Разделяющих ее на две неравные области (рис. 1.9). Инвертированные
повторы (inverted repeats): нуклеотидная последовательность ДНК, которая
повторяется в противоположных ориентациях на той же самой молекуле.
У многих бобовых и большинства голосеменных растений ДНК пластид
имеет всего лишь один IR-повтор и обладает измененным порядком генов.
149
Для некоторых видов высших растений проведено полное секвенирование
плДНК. Установлено, что ДНК пластид содержит около 100 генов, причем их
набор близок для разных видов. Все идентифицированные гены можно
разделить на две группы:
• гены, обслуживающие процессы транскрипции и трансляции белков
пластид (гены «домашнего хозяйства»);
• гены белков, обеспечивающих «полезную работу» пластид, прежде всего
процесс фотосинтеза.
Многие пластидные гены организованы в виде оперонов — блоков генов,
считывающихся с единого промотора. Ряд пластидных генов имеют
мозаичную структуру, т. е. состоят из чередующихся экзонов и интронов.
РНК-полимеразы пластид
Транскрипция пластидных генов обеспечивается двумя типами РНКполимераз, одна из которых кодируется в ядре растительной клетки, тогда
как другая — пластидной ДНК.
1.
Собственная
РНК-полимераза
пластид
обладает
типичными
прокариотическими чертами и очень близка соответствующему ферменту
Escherichia Coli. Она состоит из четырех типов субъединиц α2ββ’β" (у
эубактерий из трех — α2ββ’)- Эти субъединицы кодируются в пластидном
геноме. Структура фермента α 2ββ’β" характерна лишь для пропластид и
этиопластов. Такая РНК-полимераза не может узнавать промоторные области
генов, для этого к ней должна присоединиться σ-субъединица. Она
кодируется ядерным геномом и присоединяется к ферменту при освещении
пластиды. У арабидопсиса выявлено как минимум три гена σ -субъединиц.
Несмотря на ядерное кодирование, продукты этих генов имеют высокую
гомологию с σ - субъединицами цианобактерий и эффективно распознают
типичные промоторы прокариот. Ядерная локализация этих генов, вероятно,
является результатом перемещения генетического материала пластид в ядро.
2. Поскольку в темноте и в пропластидах собственная РНК-полимераза
пластид неактивна, то в этих условиях работает другая РНК-полимераза,
150
которая кодируется ядерным геномом. Она представляет собой мономерный
фермент, очень похожий на РНК-полимеразу бактериофагов ТЗ и Т7. В
геноме арабидопсиса идентифицирован
ген, кодирующий
эту РНК-
полимеразу. Продукт данного гена имеет сигнальную последовательность
транспорта в пластиды.
Имеется своеобразное «распределение ролей» в работе двух РНКполимераз пластид, которое обеспечивается различными промоторами
пластидных генов. Все гены пластид можно разделить на три группы:
• имеющие стандартные эубактериальные промоторы — к ним относятся
почти все гены белков, участвующих в процессах фотосинтеза, их
транскрипцию обеспечивает собственная РНК-полимераза пластид;
• имеющие нестандартные промоторы — такие промоторы свойственны
лишь немногим генам; важно, что таким промотором снабжен rif-оперон,
содержащий гены собственной пластидной РНК-полимеразы; их активность
связана с мономерной РНК-полимеразой фагового типа;
•
имеющие
универсальные
промоторы
—
подобные
промоторы
характерны для большинства генов «домашнего хозяйства» пластид;
успешно распознаются обеими РНК-полимеразами.
Транскрипция пластидной РНК
Можно предположить, что в пропластидах работает только РНКполимераза фагового типа. Этот фермент обеспечивает экспрессию лишь
немногих генов, в том числе собственной РНК-полимеразы пластид, однако
она неактивна. Свет активирует РНК-полимеразу за счет присоединения σсубъединицы, и транскрипционная активность в пластидах избирательно
увеличивается почти в 100 раз.
В дифференцированных хлоропластах транскрипция пластидных генов
также регулируется весьма эффективно. Основным фактором и в этом случае
является
свет.
Для
большинства
пластидных
генов
максимальная
транскрипционная активность приходится на предрассветные часы. С
началом интенсивного освещения транскрипция ДНК хлоропластов заметно
151
снижается, что, однако, не препятствует активной экспрессии пластидных
генов.
На более поздних этапах дифференцировки пластид активность некоторых
генов может блокироваться. Например, в амилопластах клеток клена
происходит неравномерное метилирование пластидной ДНК, в результате
чего одни гены (в том числе rrn16, PsbA) Продолжают нормально
считываться, в то время как другие (RbcL, AtpA, AtpB, AtpE, PsaA)
Подвергаются практически полной репрессии. Подобная ситуация показана
для хромопластов томата и перца. Таким образом, частичное метилирование
пластидной ДНК может играть существенную роль в регулировании
активности пластидных генов и преобразовании хлоропластов в другие
формы пластид.
Созревание пластидной РНК
После транскрипции происходит процесс созревания пластидных РНК. К
нему относится сплайсинг транскриптов, у которых есть интрон-экзонная
структура; формирование зрелых концов у транскриптов; редактирование
некоторых мРНК. Пластидные интроны отличаются от ядерных прежде всего
способностью к автосплайсингу. Это означает, что вырезание пластидных
интронов происходит автокаталитически, т. е. без участия каких-либо
ферментов.
Одной из своеобразных модификаций информационных РНК пластид
является их «редактирование» — химическая модификация в мРНК
некоторых
пиримидиновых
оснований.
В
результате
редактирования
происходит замена одного основания на другое, что изменяет нуклеотидную
последовательность
транскрипта
и
кодирование
соответствующей
информации. Обычно остаток цитозина заменяется на урацил. Процесс
редактирования может приводить к образованию инициаторного кодона,
отсутствующего в исходной РНК, замене стоп-кодонов на смысловые
триплеты
или
превращение
одних
смысловых
кодонов
в
другие.
Редактирование мРНК представляет собой мощный регуляторный механизм
152
экспрессии пластидных генов. Важно отметить, что до сих пор все известные
случаи
редактирования
пластидных
мРНК
обнаружены
только
в
хлоропластах высших растений.
Стабильность РНК рассматривается как один из основных факторов,
способных регулировать экспрессию пластидных генов. Большинство зрелых
пластидных РНК содержат в своей 3′-некодирующей области характерную
шпильку. Подобная вторичная структура предохраняет молекулу РНК от
разрушающего
действия,
однако
наличие
3′-концевой
шпильки
не
гарантирует сохранность РНК. При определенных условиях (например, в
темноте)
такая
шпилька
распознается
специфическими
белковыми
комплексами. Они разрушают 3′-конец молекулы РНК, и молекула РНК
становится доступной для рибонуклеаз.
Даже при эффективной защите своего 3′-конца зрелые пластидные мРНК
подвержены быстрой деградации за счет рибонуклеазной атаки с 5′-конца.
Этого не происходит лишь при трансляции мРНК, когда она связана с
пластидными рибосомами. Таким образом, стабильность пластидных мРНК
находится в тесной зависимости от уровня их трансляции.
Трансляция белков в пластидах
Пластидный
аппарат
белкового
синтеза
находится
под
двойным
генетическим контролем. Одни компоненты этого аппарата кодируются
ядерными генами, другие (в том числе рибосомные и все транспортные РНК,
а также приблизительно треть рибосомных белков) кодируются пластидной
ДНК.
Рибосомы пластид существенно отличаются от цитозольных рибосом
растительной клетки, но близки к рибосомам эубактерий. В пластидной
рибосоме белков значительно меньше, чем в цитозольной. Это приводит к
заметному снижению ее коэффициента седиментации (70S вместо 80S).
Рибосомы пластид, как правило, содержат четыре типа рРНК, три из которых
(23S, 5S и 16S) характерны для эубактерий. Четвертая рРНК (4.5S)
гомологична 3′-концу 23S-pPHK и не обнаруживается ни в одном другом
153
типе рибосом. Пластидные рибосомы близки эубактериальным и по
комплексу белков. Оба типа рибосом имеют практически одинаковое
количество
белков,
обладают
похожими
иммунологическими
характеристиками и чувствительны к одним и тем же антибиотикам
(хлорамфеникол, стрептомицин). Для большинства белков пластидной
рибосомы показана высокая степень гомологии с соответствующими
полипептидами эубактерий.
Весь набор пластидных тРНК кодируется приблизительно 30 различными
генами
Trn,
Локализованными
в
пластидной
ДНК.
Подавляющее
большинство этих генов представлено единственной копией.
Синтез белка в пластидах эффективно регулируется различными
факторами, прежде всего светом. Показано, что у некоторых пластидных
мРНК
(например,
мРНК
PsbA
Хламидомонады)
5′-область
имеет
характерную шпильку, распознаваемую крупным белковым комплексом.
Входящий в него белок RB47 (мол. массой 47 кДа) в темноте находится в
окисленной форме и не способен взаимодействовать со шпилькой мРНК.
Освещение хлоропласта приводит к восстановлению сульфгидрильных групп
белка RB47. В восстановленной форме он способен связываться со
шпилькой, что является обязательным условием инициации трансляции.
Таким образом, синтез белка, кодируемого геном PsbA, Активно идет на
свету, но останавливается с наступлением темноты.
Белки, кодируемые в пластидном геноме
Процесс фотосинтеза в хлоропластах осуществляется сложными пигментбелковыми комплексами, расположенными в тилакоидных мембранах. К ним
относятся фотосистемы I и II, B6 F-Комплекс, пластидная АТФ-синтаза.
Формирование
этих
белковых
структур
находится
под
двойным
генетическим контролем, т. е. каждый белковый комплекс, обслуживающий
процесс фотосинтеза, содержит как белки, кодируемые ядерным геномом,
так и белки, кодируемые в геноме хлоропластов.
154
Хлоропласты высших растений содержат около 40 генов, кодирующие
«рабочие» белки пластид. У разных организмов набор генов хлоропластного
генома может быть различным. В целом можно отметить следующую
закономерность: функциональные белки фотосинтетического аппарата чаще
кодируются
в
геноме
хлоропластов,
тогда
как
регуляторные
или
«дополнительные» — в ядерном геноме. Например, в хлоропластом геноме
кодируются основные белки реакционных центров обеих фотосистем,
апопротеины цитохромов B6 И F, α- И β-субъединицы АТФ-синтазы,
большая (каталитическая) субъединица Rubisco. Под ядерным генетическим
контролем находится весь спектр антенных хлорофиллсвязывающих белков,
малая (регуляторная) субъединица Rubisco.
Строение растительных митохондрий
Митохондрия — основная органелла, осуществляющая процесс дыхания в
эукариотической клетке. Растительные митохондрии представляют собой
сферические или удлиненные органеллы диаметром от 0,5 до 1,0 мкм и
длиной от 1 до 3 мкм. Число митохондрий в растительной клетке варьирует в
зависимости от метаболической активности соответствующей ткани, однако
для клеток одного типа (ткани) концентрация митохондрий в единице объема
цитоплазмы обычно достаточно постоянна. Например, небольшие клетки
кончика корня проростка кукурузы содержат приблизительно по 200
митохондрий, тогда как гораздо более крупные клетки зрелого корня могут
иметь до 2000 митохондрий. В метаболически активных клетках, например
клетках-спутницах
ситовидных
трубок
или
секреторных
клетках,
значительная часть (до 20% от объема цитоплазмы) может быть занята
митохондриями, сливающимися в единую «митохондриальную сеть» —
хондриом. Некоторые одноклеточные водоросли (типа Chlamydomonas)
Содержат всего лишь несколько небольших митохондрий.
Наружная мембрана митохондрий содержит белки-порины, гомологичные
бактериальным, и проницаема для небольших молекул. Внутренняя
мембрана практически непроницаема для ионов и органических молекул.
155
Транспорт через внутреннюю мембрану, как и у пластид, осуществляется
белками-переносчиками (транспортерами) или через специальные каналы.
Митохондрии размножаются делением. В отличие от пластид при их
делении обычно не обнаруживается разделительного кольца. Подобное
кольцо было обнаружено только при делении митохондрии у одноклеточной
красной морской водоросли Cyanidium caldariwn.
Геном митохондрий высших растений
Высшие растения имеют наиболее крупный митохондриальный геном
среди всех эукариотических организмов. Если у подавляющего большинства
эукариот (в том числе у водорослей), размер митохондриальной ДНК
небольшой и составляет десятки тысяч пар оснований, то у высших растений
— сотни тысяч.
Структура митохондриального генома растений также необычна. У
большинства высших растений и водорослей мтДНК) представлена
многочисленными кольцевыми молекулами размером не более 80 тыс. п. н.,
однако у целого ряда организмов, например у хламидомонад, она имеет не
кольцевую, а линейную структуру. Крупная митохондриальная ДНК высших
растений часто содержит значительное количество протяженных повторов, а
потому способна к внутри - и межмолекулярной рекомбинации с
образованием большого числа кольцевых молекул различного размера. В
митохондриальном геноме растений, помимо крупных кольцевых молекул
ДНК, часто присутствуют кольцевые и линейные плазмиды.
К
настоящему
времени
проведено
полное
секвенирование
митохондриальной ДНК некоторых водорослей, а также высших растений
(печеночника, арабидопсиса, риса). Показано, что у разных объектов в
составе мтДНК содержится от 25 (у хламидомонады) до 104 (у печеночника)
генов. У высших растений мтДНК содержит, как правило, чуть больше 50
генов.
Подавляющая
часть
генома
митохондрий
растений
состоит
из
некодирующих последовательностей. Гены отделены друг от друга по
156
меньшей мере несколькими тысячами нуклеотидных пар, поэтому каждый
ген обычно считывается автономно.
Белоксинтезирующий аппарат растительных митохондрий
Транскрипцию генов осуществляет мономерная РНК-полимераза фагового
типа, кодируемая в ядре и способная эффективно мигрировать в
митохондрии. Процесс созревания митохондриальных транскриптов в общих
чертах сходен с таковым для пластид. Для ряда митохондриальных генов
отмечен транссплайсинг. У высших растений практически все мРНК
митохондрий подвержены интенсивному редактированию. Этот процесс
включает не только типичное для пластид преобразование С → U, но и
обратную химическую модификацию U→C.
Митохондриальные
рибосомы
растений
заметно
отличаются
от
цитозольных и пластидных рибосом. В частности, их малая субъединица
содержит 18S рРНК, а в большой субъединице помимо 26S рРНК
присутствует 5S-фрагмент рРНК. Все типы митохондриальных рРНК
кодируются митохондриальным геномом. В отличие от многих эукариот, у
которых белки митохондриальных рибосом кодируются исключительно
ядерными генами, у высших растений, криптомонад и золотистых
водорослей более десятка рибосомальных белков кодируются собственным
геномом. Особенность митохондриальной белоксинтезирующей системы
растений состоит в том, что не все тРНК кодируются митохондриальным
геномом. Недостающие варианты тРНК транспортируются в митохондрию из
цитозоля.
Молекулярный аппарат аэробного дыхания у растений также находится
под двойным генетическим контролем. У всех эукариот растворимые
ферменты цикла Кребса находятся под ядерным контролем. Белки электронтранспортной цепи митохондрий, напротив, обычно находятся под двойным
контролем. В геноме митохондрий высших растениях кодируются около 20
белков дыхательной цепи.
157
Онтогенез растений
Растения растут в течение всей своей жизни, образуя новые ткани и
органы, которые начинают формироваться в эмбриональных зонах –
меристемах.
клетками
Существование
(инициалями),
меристем
длительное
поддерживается
время
инициальными
способными
к
делению.
Апикальные (верхушечные) меристемы расположены на концах побегов и
корней. Апикальные меристемы побега и корня представляют собой не
только образовательные ткани, но и главные координирующие центры,
влияющие на морфогенетические процессы в целом растении. Латеральные
(боковые) меристемы образуют слои клеток вдоль побега и корня. В
основании
междоузлий
и
листьев
локализованы
интеркалярные
(вставочные) меристемы.
Параметры роста
В слове Растение Заключено фундаментальное свойство растений —
способность к росту в течение всей жизни.
Казалось бы, о росте можно судить по увеличению общей (сырой)
биомассы растения. Однако сырая биомасса может не только увеличиваться,
но и уменьшаться: при засухе ткани теряют воду, а при поливе вода
поглощается, сырая масса увеличивается. При росте синтезируются новые
вещества, поглощаются элементы минерального питания, т. е. увеличивается
сухая биомасса. Взятый в отрыве от других критериев роста и этот
показатель может оказаться ошибочным. Так, при прорастании семян сухая
биомасса уменьшается (запасные органические вещества расходуются при
дыхании), хотя рост происходит. Еще один показатель роста — увеличение
числа клеток. Если число клеток растет, можно уверенно говорить о росте, но
постоянное число клеток еще не говорит об отсутствии роста: в зоне
растяжения увеличение числа клеток незначительно, тем не менее рост идет.
Таким образом, Ростом Можно назвать необратимое увеличение растения
хотя бы по одному из параметров: по числу клеток, линейным размерам,
сырой и/или сухой биомассе. Самый быстрый и экономичный способ роста
158
— Растяжение, При котором происходит сильная вакуолизация клеток. Для
растяжения основными «строительными материалами» являются вода и
углеводы (целлюлоза, пектин и др.), тогда как для обеспечения деления
клеток нужен приток минеральных веществ, прежде всего — азота, фосфора
и др.
Кривая роста
Хорошей модельной системой для изучения роста является культура
растительных клеток In Vitro. В среду добавляют сахара, минеральные соли и
ростовые факторы, самые важные из которых — ауксины и цитокинины. При
перемешивании в жидкой среде растительные клетки образуют небольшие
агрегаты (по 5 — 25 клеток). Такой способ выращивания клеток называют
суспензионной культурой; Клетки находятся в ней примерно в одинаковых
условиях. В суспензии легко измерять число клеток, сырую и сухую
биомассу. Питательную среду со временем приходится заменять: клетки
периодически пересаживают в новую среду. Такой способ выращивания
называют периодической культурой.
На Кривой роста выделяют несколько характерных участков. На
начальной стадии клетки не растут, их число и биомасса не изменяются —
это так называемая Лаг-фаза. В течение лаг-фазы клетки адаптируются к
новым условиям и происходит изменение химического состава среды
(кондиционирование). За лаг-фазой идет Фаза экспоненциального роста (II).
Большинство клеток вовлекается в процесс деления. Клетки слабо
вакуолизированы, интенсивно используются ресурсы питательной среды. В
Фазе замедления роста (III) Число клеток, участвующих в митозах,
постепенно уменьшается, нарастает вакуолизация. Иногда между фазой
экспоненциального роста и фазой замедления роста выделяют Фазу
линейного роста. Вследствие исчерпания ресурсов среды наступает
Стационарная Фаза (IV) — кривая роста выходит на плато, число клеток и их
биомасса меняется слабо, митотический индекс падает. Обычно на этой
159
стадии периодическую суспензионную культуру пересаживают. Если этого
не сделать, наступает Фаза деградации (V) — Клетки начинают погибать.
Кривая роста, полученная для периодической суспензионной культуры,
достаточно показательна. Аналогичные кривые можно получить и на целых
растениях. Например, у однолетников лаг-фаза соответствует периоду покоя
семени, на начальных этапах рост идет медленно, усиливаясь по мере
развития листьев (экспоненциальный рост). Замедление роста связано с
формированием цветков и плодов, в конце жизни растение больше не растет
(фаза стационара) и после плодоношения погибает (деградация). Получение
кривых роста для деревьев более трудоемко (трудно точно оценить биомассу
и количество клеток, фаза деградации иногда затягивается на 400 лет и более
и т. д.), но общий характер кривой роста сохраняется.
В природе растение подвергается действию внешних факторов, которые
изменяют характер кривой роста. Даже в благоприятных условиях скорость
роста различна днем и ночью (различаются температура, испарение,
поступление воды и минеральных веществ, доступность фотоассимилятов).
При этом в течение суток наблюдаются кратковременные периоды
интенсивного роста и «стационары». Для деревьев характерны сезонные
колебания роста. Наиболее известный пример — различная скорость
отложения древесины. Каждая почка растет в соответствии с S-образной
кривой роста. И в этом случае внешние факторы обусловливают чередование
интенсивного роста с фазой «стационара», которая стыкуется с лаг-фазой
следующего ритма роста. Общая кривая роста оказывается составленной
небольшими (разномасштабными) S-образными участками. Таким образом,
кривая роста целого растения обычно имеет более сложную форму, чем
кривая роста в периодической суспензионной культуре.
Влияние факторов внешней среды на рост растений
На рост растений оказывают влияние продукты жизнедеятельности других
растений (явление аллелопатии), микроорганизмов (антибиотики, регуляторы
роста) и факторы внешней среды.
160
Свет. Растения воспринимают свет не только как источник энергии, но и
в качестве сигнала, характеризующего условия среды. В клетках имеются
рецепторные молекулы фитохрома, опосредующие действие света на
морфогенез. Фитохром состоит из двух белковых субъединиц и хромофора –
незамкнутого тетрапиррола, относящегося к группе фикобилинов. Фитохром
синтезируется в форме Ф660, поглощающей красный свет. Под действием
красного света он переходит в активную форму Ф730, поглощающей дальний
красный свет. Под действием дальнего красного света и в темноте Ф730
превращается в Ф660. Фитохром изменяет проницаемость клеточных
мембран, регулирует движение хлоропластов и влияет на синтез ферментов и
стимуляторов роста гиббереллинов и цитокининов.
Фитохром — фоторецептор, сине-зеленый пигмент, существующий в
двух взаимопревращающихся формах. Одна поглощает красный свет
(λ~660нм), другая — дальний красный (λ~730нм). Поглотив свет, фитохром
переходит из одной формы в другую. Этот пигмент играет важную роль в
ряде процессов, таких как цветение и прорастание семян.
Температура.
Различают
три
основные
температурные
точки:
минимальная температура, при которой начинается рост, оптимальная –
наиболее благоприятная для роста и максимальная, при которой рост
прекращается. В зависимости от приспособленности к температурному
режиму различают теплолюбивые (минимальная температура выше 10оС,
оптимальная 30-40оС) и холодостойкие (минимальная температура 0-5оС,
оптимальная 25-30оС).
Газовый состав. Необходим кислород, так как дыхание поставляет
энергию для ростовых процессов, и углекислый газ, который в ходе
фотосинтеза
восстанавливается
до
органических
веществ.
Избыток
углекислого газа на короткое время повышает растяжимость клеточных
стенок и стимулирует рост клеток (эффект «кислого роста»).
161
Водный режим. Недостаточное снабжение растений водой задерживает
рост побегов и кратковременно стимулирует с последующим торможением
рост корней.
Минеральное питание. Для нормального роста необходимо достаточное
снабжение всеми питательными элементами. Избыток азота стимулирует
рост вегетативной массы, но замедляет процессы дифференцировки и
формирование цветков.
Ростовые корреляции – это зависимость роста и развития одних органов
от других. Самый простой тип корреляции связан с питанием. Развитие
побега зависит от корня, поставляющего минеральные вещества и воду. В
свою очередь, побег поставляет в корень органические соединения.
Основную роль играют гормональные взаимодействия между частями
растения. Примером гормональной регуляции служит явление апикального
доминирования – торможения верхушкой побега или корня развития
соответственно
пазушных
почек
или
боковых
корней.
Апикальное
доминирование обусловлено тем, что точка роста побега, содержащая
большое количество ауксина, является мощным аттрагирующим центром,
притягивающим питательные вещества и цитокинин, синтезированный в
корне. Кроме того, ауксин задерживает образование проводящих пучков,
соединяющих боковые почки с центральной проводящей системой. Удаление
верхушки побега стимулирует этот процесс, а приток цитокинина к
пазушным почкам усиливает в них клеточные деления. Формирующиеся в
боковых
почках
листовые
зачатки
начинают
синтезировать
ауксин,
необходимый для дальнейшего развития боковых побегов.
Ростовые корреляции используются в растениеводстве для получения
большего количества продукции. Например, пасынкование – удаление
боковых побегов у томатов – способствует образованию более крупных
плодов, пикировка – обрывание кончиков корней при пересадке рассады
овощей – увеличивает число боковых корней.
162
Процессам роста, как и другим физиологическим явлениям, свойственна
периодичность, которая вызывается как особенностями самих процессов, так
и факторами внешней среды. Наиболее распространены процессы с
периодичностью около суток (циркадные циклы): изменения митотической
активности в меристемах, фотосинтез, дыхание, открытие и закрытие
цветков, движении листьев у ряда растений и так далее. Суточные ритмы
связаны
с
суточными
колебаниями
освещенности
и
температуры.
Сложившаяся периодичность физиологических процессов сохраняется у
растений некоторое время после изменения условий среды. Поэтому эти
ритмы названы эндогенными.
Дифференцировка
Термин Дифференцировка был введен для обозначения процесса
приобретения различий между клетками (тканями, органами, системами
органов и т. д.). Предполагается, что есть начальное недифференцированное
состояние, когда наблюдатель не может установить различий между
клетками, затем появляются видимые различия клеток и они становятся
дифференцированными. Традиционно недифференцированными считают:
делящиеся клетки эмбриона; меристематические клетки апексов корня и
стебля,
камбия,
феллогена,
интеркалярных
меристем;
клетки,
неорганизованно делящиеся в экспериментальных условиях (суспензионная
и каллусная культура In Vitro).
Клетки, покинувшие зону деления, приступают к дифференцировке.
Результат этого процесса можно увидеть, например, при образовании
проводящей системы: возникает прокамбий, который дифференцируется на
флоэму, ксилему и камбий. Во флоэме дифференцируются ситовидные
элементы и клетки-спутницы, в ксилеме — паренхимные клетки и трахеиды.
Проводящий
пучок
может
быть
усилен
дифференцирующимися
механическими тканями и т. д. В данном примере клетки поэтапно
приобретают анатомические различия в связи с выполняемыми функциями,
многообразие клеток растет.
163
Анатомической
дифференцировке
предшествует
Биохимическая
дифференцировка, Когда видимых различий между клетками мало, но они
не одинаковы по содержанию тех или иных веществ. Удобнее следить за
дифференциальной экспрессией генов: появлением новых или снижением
уровня старых мРНК, белков. Эти данные позволяют зарегистрировать
различия между клетками раньше, чем они станут видимыми на
анатомическом уровне. Таким образом, дифференцировка начинается с
изменения активности генома, экспрессии одних генов и подавления
активности других.
При таком подходе делящиеся клетки меристемы придется считать
дифференцированными, так как для прохождения клеточного цикла нужна
определенная активность генома, которая и будет отличать эти клетки от
других. Анатомы давно обратили внимание на неоднородность клеток
меристемы.
Можно
сказать,
что
апикальная
меристема
корня
дифференцирована на каллиптроген (инициали чехлика), дерматоген
(инициали эпидермальной ткани), инициали коры, покоящийся центр и
инициали осевого цилиндра. Для каждой из групп делящихся клеток
характерны определенная локализация, направление веретена делений и тип
производных клеток. Исследование меристемы методами молекулярной
генетики показывает, что обнаруженная анатомами дифференцировка
меристемы на зоны совпадает с зонами дифференциальной экспрессией
определенных генов. Более того, саму меристему в целом можно достаточно
четко выделить по зонам дифференциальной экспрессии. Таким образом,
меристема является биохимически дифференцированной тканью.
Дифференциальная экспрессия генов — фундаментальное проявляение
дифференцировки, и, с этой точки зрения, недифференцированных клеток
вообще не существует. Понятие «недифференцированный» хорошо работает
только там, где в соответствии с задачами исследования исходные различия
между клетками не учитывают (или нет методов их обнаружить).
164
Итак, дифференцировкой можно назвать процесс изменения профиля
генной активности, приводящий к дальнейшему изменению функции клеток.
Терминальная дифференцировка
В эмбриологии животных процесс дифференцировки изображают как
сложный «ландшафт», по которому катится «шар». Шар — это символ
клетки, дающей начало новому организму. В развилках шар «совершает
выбор» и скатывается по одной из нескольких возможных траекторий. Так и
клетки, возникшие при делении зиготы, направляются по одному из
возможных
путей
дифференцировки.
При
этом
клетки
теряют
«морфогенетический потенциал». Все «траектории» заканчиваются в «море»,
символизирующем смерть организма. Если в начале пути у «шара»-клетки
много потенциальных возможностей, то по мере приближения к «морю» их
становится все меньше. Развилки на траектории обозначают выбор путей
дифференцировки, крестики — нереализованные пути. При «скатывании»
шара к «морю» возможностей выбора становится все меньше. По имени
ученого, предложившего такую аналогию, ее называют Морфогенетическим
ландшафтом Уоддингтона. Процесс дифференцировки равносилен потере
морфогенетического потенциала.
В отличие от клеток животных большинство клеток растений после
анатомической дифференцировки легко переходят к делению. Такой процесс
называют
Дедифференцировкой
(потерей
специализации).
При
механическом повреждении растения, а также в условиях эксперимента
дедифференцировка приводит к образованию Каллуса — ткани, обладающей
быстрым ростом, и без строгой пространственной организации веретен
деления.
В каллусной культуре можно вызвать образование новых органов: корней,
побегов, эмбриоидов. При отсутствии видимого порядка каллусная ткань
частично сохраняет профиль генной активности, характерный для исходных
тканей. Так, каллусы, полученные из тканей листа, при соответствующей
обработке развивают вегетативные побеги, каллусы из цветоножек образуют
165
цветки. Из большинства клеток можно получить новый организм (для клеток
животных это невозможно).
Практически любая клетка многоклеточного организма содержит полный
набор генов, необходимый для формирования организма, однако не каждая
клетка может дать начало целому организму. Свойство клетки реализовать
имеющуюся генетическую информацию и дать начало целому организму
называют
Тотипотентностъю.
Тотипотентность
клеток
растения
сравнительно легко реализовать, тогда как большинство животных клеток не
могут
образовать
новый
дифференцировки
как
организм.
снижения
Таким
образом,
морфогенетического
понятие
потенциала,
заимствованное из эмбриологии животных, не применимо к тотипотентным
растительным клеткам, так как их морфогенетический потенциал долго
остается высоким.
В растениях есть клетки, не вступающие в клеточный цикл, — это
мертвые клетки ксилемы или живые клетки ситовидных элементов,
потерявшие ядро. В более мягких случаях за счет эндоредупликации без
деления
клетка
увеличивает
плоидность.
Так,
у
Arabidopsis
в
растягивающихся клетках гипокотиля содержание ДНК повышается до 8с, у
одноклеточных волосков — до 32с, а в клетках суспензора — до 1024с. Все
эти
клетки
выполняют
дедифференцироваться.
присущие
К
ним
им
применимо
функции
понятие
и
не
могут
Терминальной
дифференцировки (необратимый процесс, после которого клетка не может
дедифференцироваться и реализовать свою тотипотентность). Для клеток с
терминальной
справедливой:
дифференцировкой
вместе
с
аналогия
потерей
Уоддингтона
оказывается
тотипотентности
снижается
морфогенетический потенциал клеток, и они гибнут.
Периодизация индивидуального развития
Если рост можно охарактеризовать как количественное явление, то
развитие — это качественное явление. В процессе развития растение
приобретает
новые
структуры.
В
развитии
растения
выделяют
166
Эмбриональный, ювенильный, (иногда — Виргинилъный), генеративный и
Сенильный этапы.
Эмриональный период начинается со слияния яйцеклетки и спермия (т. е.
с образования зиготы). У цветковых растений зигота делится поперек,
образуя материнскую клетку суспензора (нижняя клетка) и будущий
проэмбрио (верхняя клетка). В суспензорной части деления ориентированы в
плоскости первого деления зиготы, в результате образуется суспензор
(подвесок), продвигающий зародыш в глубь эндосперма. В верхней части два
деления
происходят
экваториальной.
в
меридианальной
Дальнейшие
деления
плоскости,
приводят
к
и
одно
—
в
дифференцировке
протодермы (покровная ткань зародыша) и внутренней паренхимы. На
стадии глобулы зародыш имеет шаровидную форму.
Далее сценарий развития зависит от систематической группы. У
двудольных синхронно растут две семядоли, что приводит к стадии сердечка,
а затем — торпедо. У голосеменных семядолей больше двух, а у
однодольных — одна, поэтому форма зародыша отличается от сердцевидной.
У некоторых растений на эмбриональной стадии формируются уникальные
органы (например, щиток, колеоптиль и колеориза у злаков или гаустория на
верхушке семядоли у лука). Эмбриональный этап заканчивается переходом в
состояние покоя, которое наступает как на ранних стадиях (например, на
стадии глобулы у орхидных и заразиховых), так и после формирования
примордиев настоящих листьев.
После периода покоя начинается Ювенилъный период. Его можно
разделить на стадию проростка (пока функционируют семядоли и другие
зародышевые органы) и собственно ювенильный этап (растет вегетативная
масса). Иногда выделяют отдельную Виргинилъную стадию, когда растение
по всем признакам не отличается от генеративного, но еще не цветет.
Генеративный этап роста — это период цветения и плодоношения.
Длительность этапов, как и число стадий, на которые разбивают
индивидуальное развитие, зависит от жизненной стратегии. У однолетников
167
ювенильный этап бывает коротким, его трудно разделить на отдельные фазы.
У многолетников, напротив, ювенильный этап может занимать несколько
лет. Чем длиннее ювенильный период, тем больше отдельных стадий в нем
можно
выделить.
Генеративный
период
продолжителен
только
у
поликарпиков (растений, способных цвести многократно). У монокарпиков
после цветения наступает программированная гибель, деградация идет очень
быстро. Так, у бамбуков (подсем. Bambusoidae) ювенильный и виргинильный
периоды продолжаются 100 — 150 лет, а генеративный период и
программированная гибель происходят за один сезон. Иногда многолетний
поликарпик
оказывается
угнетенным
(например,
из-за
внезапного
похолодания гибнет значительная часть растения), тогда растение не цветет
один или несколько сезонов. Такое состояние интерпретируется как что-то
похожее на «старость» (квазисенильное).
Размножение. Происходит формирование генеративных органов и
образование плодов. У растений выделяют половое, бесполое и вегетативное
размножение. При половом размножении новый организм появляется в
результате слияния половых клеток – гамет. Бесполое размножение
характерно для споровых растений, у которых чередуются два поколения –
бесполое диплоидное и половое гаплоидное. При бесполом размножении
новый организм развивается из спор. Вегетативным размножением
называют воспроизведение растений из вегетативных частей растения
(клубней, луковиц, отводок).
Реакция на температурные и световые воздействия позволяет растениям
адаптироваться
к
условиям
их
существования,
используя
наиболее
благоприятный срок цветения и плодоношения. Переход растения к
цветению и плодоношению имеет две фазы: индукцию и эвокацию. В фазе
индукции растение реагирует на экологические факторы — температуру
(яровизация) и длительность светового дня (фотопериодизм), а также на
возраст растения (эндогенная регуляция). Эти воздействия создают
флоральный стимул для растения, то есть способствуют переходу к стадии
168
цветения. В фазе эвокации (от лат. evocatio — вызывание) в апикальных
(верхушечных) меристемах происходят количественные и качественные
биохимические изменения, приводящие к закладке и формированию цветков.
Принято разделение растений на три группы.
- К первой группе относятся растения, которые не могут перейти к
цветению без действия пониженных температур (таковыми являются озимые,
двулетники и некоторые виды многолетних растений).
- Ко второй группе относятся растения, зацветание которых ускоряется
после действия на них пониженных температур (однако подобное
воздействие для их развития необязательно).
- К третьей группе относятся растения, которые не нуждаются в
воздействии на них пониженных температур для перехода к цветению
(яровые).
Для подготовки к заложению цветков разным видам растений необходимы
различные диапазоны пониженных температур. В среднем этот диапазон
находится в промежутке +1...+7 °С. Однако для некоторых злаков диапазон
расширяется до отрицательных температур (0...−6°С). Для растений из более
теплых мест обитания необходимы более высокие температуры: +10...+13 °С.
Яровизация — физиологическая реакция растений на охлаждение,
вызванная адаптацией к сезонным изменениям умеренного климата. Для
цветения и образования семян эти растения должны быть подвергнуты
воздействию низких положительных температур (2—10 °C, в зависимости от
вида и сорта растений). Яровизация присуща некоторым двулетним и
многолетним растениям, в частности, злакам (рожь, пшеница и другим),
корнеплодам (свёкла, морковь), а также плодовым деревьям (например,
яблоням). В рамках современной экологической физиологии это явление
описывается как холодовая реактивация диапаузы.
Яровизацией
называется
также
основанный
на
этом
явлении
агротехнический приём контролируемого охлаждения семян перед их
посевом, позволяющий сократить сроки вегетации растений, и в отдельных
169
случаях обеспечить их вызревание в более холодном климате. Этот
агроприём разрабатывался отечественными и зарубежными специалистами;
массовое (при постепенном ежегодном увеличении достигшее 13 % от общей
площади зерновых СССР в 1941 г.), хотя и не вполне удачное, его внедрение
на полях производилось в СССР в 1930-е гг. под руководством Т. Д.
Лысенко. В период во время и после Великой Отечественной войны широкое
внедрение яровизации было прекращено (за исключением культуры проса и
картофеля) из-за недостатков данного метода, заключающихся в повышенной
трудоёмкости полевых работ, неопределённости эффекта от массовой
яровизации, и возможности повреждения наклюнувшихся семян при их
несвоевременном посеве.
Различия между озимыми и яровыми формами зерновых культур
обусловлены генетически. Так, озимая и яровая рожь различаются по одному
гену.
С яровизацией тесно связано явление фотопериодизма — реакции
растения на соотношение длительности темного и светлого времени суток
(фотопериоды). В ходе фотопериодической реакции в листьях растений
образуются вещества, стимулирующие цветение (гиббереллины), которые
затем попадают в вегетативные почки — зачатки будущих цветков.
В зависимости от реакции на длину дня, растения делятся на
короткодневные, переходящие к цветению только тогда, когда день короче
ночи (рис, соя), длиннодневные (хлебные злаки, крестоцветные, укроп),
растения, нуждающиеся в чередовании разных фотопериодов, а также
нейтральные по отношению к длине дня (гречиха, горох). Длиннодневные
растения распространены, в основном, в умеренных и приполярных широтах,
короткодневные – в субтропиках.
У большинства растений наибольшей чувствительностью к фотопериоду
обладают листья, только что закончившие рост. Основную роль в восприятии
фотопериода играет фитохром. Показано участие в переходе к цветению
170
стимулятора роста гиббереллина. В условиях неблагоприятного фотопериода
в листья обнаруживаются ингибиторы цветения.
Сенильный этап - старости и отмирания включает в себя период от
полного прекращения плодоношения до смерти организма. Для него
характерно прогрессирующее ослабление жизнедеятельности. Однолетние
растения погибают целиком. У многолетних трав ежегодно полностью
отмирает надземная часть, а корневая система остается жизнеспособной. У
многих растений стареют и опадают ранее образовавшиеся листья. У
листопадных деревьев осенью одновременно стареют и опадают все листья.
Перед опадением листа или плода в основании черешка листа или
плодоножки образуется отделительный слой, где размягчаются и частично
растворяются клеточные стенки и срединные пластинки. Этот процесс
индуцируется
этиленом,
продуцируемым
стареющими
листьями
и
созревающими плодами.
Регенерация у растений
Регенерация – это восстановление организмом поврежденной или
утраченной части тела, что является одним из способов вегетативного
размножения и защиты растений от повреждений. Различают следующие
виды регенерации.
I. Физиологическая регенерация.
Части восстанавливаются при их естественном изнашивании, например,
постоянное восполнение слущивающихся клеток корневого чехлика. Чем
старше организм, тем меньше скорость регенерации.
II. Травматическая регенерация.
1. Регенерация, обусловленная дедифференцировкой клеток:
а) заживление ран.
Эпидермис и первичная кора дедифференцируются, их клетки начинают
делиться и образуют вторичную меристему, которая превращается в пробку.
б) органогенез, связанный с образованием каллуса.
171
В биотехнологии каллусом называют недифференцированные клетки,
являющиеся тотипотентными и способными поэтому дать начало целому
растению. Являются объектом генетической инженерии. В биологии
растений каллусом называют также клетки, образующиеся на раневой
поверхности растения в виде опробковевающей ткани, которая возникает в
результате деления пограничных с раной клеток.
Каллусная ткань способствует зарастанию ран, срастанию прививок и т. д.
Клетки дедифференцируются и переходят к неорганизованному делению,
образуя каллусную ткань из рыхло соединенных друг с другом паренхимных
клеток. Иногда отдельные клетки дают начало адвентивным, то есть
возникшим не из эмбриональных тканей, органам: корням, побегам, листьям.
в) соматический эмбриогенез.
На раневой поверхности образуется каллус. Из отдельных клеток каллуса,
начинающих делиться, формируются соматические зародыши (эмбриоиды),
из которых при определенных условиях развивается целый организм.
г) восстановление частей без образования каллуса.
Паренхимные клетки коры под влиянием ауксина, индуцирующего
генетическую программу ксилемообразования, превращаются в клетки
ксилемы при образовании обходного участка проводящего пучка вокруг
места его прерывания.
2). Регенерация на уровне меристем:
Меристе́мы, или образовательные ткани, или меристематические ткани
— обобщающее название для тканей растений, состоящих из интенсивно
делящихся и сохраняющих физиологическую активность на протяжении всей
жизни клеток, обеспечивающих непрерывное нарастание массы растения и
предоставляющих материал для образования различных специализированных
тканей (проводящих, механических и т. п.).
По своему местоположению меристемы делятся на:
верхушечные (апикальные) — точки роста, расположенные вблизи
верхушки побега или кончика корня;
172
боковые (латеральные) — камбий, перицикл — по периферии корня или
побега они способствуют так называемому вторичному росту этих органов
растения в толщину;
вторичная (феллоген) — пробковый камбий; формирует покровную ткань
— пробку;
вставочная (интеркалярная) — отдельные участки в зонах активного
роста (в междоузлиях стебля и у оснований растущих листьев);
раневая (травматическая) — возникает из клеток паренхимы и
«затягивает» пораженный участок.
а) восстановление апикальных меристем.
При продольном рассечении конуса нарастания из каждой половины
могут регенерировать отдельные апексы.
б) органогенез из предсуществующих зачатков.
Восстановление надземных органов у высших растений происходит за
счет отрастания пазушных почек при устранении доминирующего влияния
апекса побега.
Лекция 10. Движения растений.
Движение – это перемещение организма или его частей в пространстве.
Движение необходимо для питания, защиты и размножения растений.
Верхушечный рост. Перемещение корневых волосков и гиф грибов
происходит за счет верхушечного роста. В кончиках клеток содержится
много везикул, производных аппарата Гольджи и эндоплазматического
ретикулума, которые доставляют материалы для формирования клеточной
стенки, а также синтетазы и гидролазы. Гидролазы разрыхляют стенку,
которая
растягивается
под
давлением
протопласта.
Микрофибриллы
целлюлозы раздвигаются и в стенку встраиваются новые компоненты.
Ростовые
движения.
В
процессе
эволюции
у
растений
возник
специфический способ движения за счет необратимого роста клеток
растяжением.
173
Тропизмы
Это движения растений, обусловленные односторонне действующими
факторами среды. Они являются следствием более быстрого роста клеток
растяжением на одной стороне побега, корня, листа. В зависимости от
природы фактора различают гео-, фото-, тигмо-, термо-, электро-, травмо- и
хемотропизмы. При положительных тропизмах движение направлено в
сторону раздражителя, при отрицательных – от него. Рассмотрим несколько
видов тропизма.
Геотропизм – изгибание под действием гравитационного поля Земли
вследствие разной скорости роста клеток противоположных сторон органа.
Восприятие силы тяжести связано с воздействием на плазмалемму и
эндоплазматический ретикулум статолитов (амилопласты, хлоропласты,
отложения солей). Давление статолитов на мембраны приводит к изменению
мембранного транспорта, поляризации клеток. При этом нижняя часть
стеблей и корней, приведенных в горизонтальное положение, приобретает
суммарный электроположительный заряд. Активируется транспорт ауксина
как отрицательно заряженного аниона к нижней стороне органа. У стебля это
приводит к усилению роста нижней части горизонтально расположенного
стебля и его изгиба вверх. У клеток корней выше чувствительность к
ауксину, поэтому повышенная концентрация ИУК в нижней части корня
ингибирует ее рост и верхняя половина растет быстрее, что приводит к
изгибу корня вниз.
Фототропизм
– изгибы
растений
под
влиянием одностороннего
освещения. Затененная сторона этиолированных проростков растет более
быстро, так как туда перемещается ауксин. В зеленых проростках ауксин не
транспортируется на затененную часть побега, но у них в клетках
освещенной стороны накапливается ингибитор роста ксантоксин.
Хемотропизм – ростовая реакция на химические соединения. Он
наблюдается
у
корней,
пыльцевых
трубок,
железистых
волосков
насекомоядного растения росянки. Большую роль при этом играет не только
174
природа вещества, но и его концентрация: при низкой концентрации
хемотропизм положителен, а при сверхоптимальной – отрицателен.
Тигмотропизм - изгиб в ответ на прикосновение.
Автотропизм – выправление тропических изгибов после исчезновения
фактора.
Ростовые настии
Это обратимые движения органов растений, обусловленные диффузно
действующими факторами среды (в т.ч. за счет неравномерного роста клеток
растяжением).
При росте верхней стороны орган изгибается книзу (эпинастия), нижней
стороны – кверху (гипонастия).
Фотонастия вызвана сменой света и темноты. У многих растений цветки
закрываются при наступлении темноты и открываются утром. Эти движения
можно вызвать, искусственно затеняя и освещая растения. Движения цветков
происходят из-за разной скорости роста верхней и нижней сторон лепестков
при изменении освещенности.
Термонастия - при повышении температуры раскрываются цветки за счет
неравномерного роста у тюльпанов.
Тигмонастия характерна для лазящих растений, когда усик в ответ на
прикосновение закручивается. Он реагирует только при создании эффекта
трения. В темноте усик не закручивается, но освещение растения даже через
90 мин после прикосновения вызывает закручивание усика. Движение
происходит при участии этилена и ауксина, так как обработка ими вызывает
закручивание усика без механического раздражения. После прикосновения
нижняя сторона усика теряет тургор и становится вогнутой. Затем начинает
расти верхняя сторона усика, что приводит к его закручиванию.
Хемонастии
Росянка
(быстр
тургорные)
–
азотсодержащие
в-ва
(органика, карбонат аммония).
Сейсмонастии на сотрясение (быстр тургорные) – мимоза "вянет", защита
от ураганов и ливней.
175
Нутации
Это
круговые
или
колебательные
движения
органов
растения,
характерные, в основном, для растущих побегов и корней, часто имеющие
автономны (эндогенный) характер. Они происходят за счет идущих по кругу
ускорений роста клеток в результате геотропической корректировки в
гравитационном поле.
В основе круговых нутаций стеблей и корней лежит геотропическая
корректировка и автотропизм.
Периодические изгибы характерны для вьющихся растений (лиан
)(период 2-12ч, влево у большинства), за счет диагеотропическй реакции, при
этом чувствительности к прикосновению нет .
Тургорные обратимые движения
Сюда относят движения замыкающих клеток устьиц. Такие же движения
характерны
для
растений,
чьи
листья
имеют
специализированные
образования в сочленениях между стеблем и черешком, между черешком и
пластинкой листа. В этих образованиях паренхимные клетки коры, изменяя
свой тургор, приводят к складыванию и разгибанию листьев. Различают
флексорные и экстензорные клетки. Повышение тургора во флексорных
клетках приводит к складыванию листьев, в экстензорных – к их разгибанию.
Изменения тургора в этих клетках связано с изменениями транспорта
сахарозы, ионов калия и хлора в результате деятельности протонных помп.
Эти движения могут происходить медленно при смене условий освещения
(никтинастические или движения сна), при механическом и химическом
воздействиях у росянки или с большой скоростью при сотрясении у мимозы,
кислицы и других растений.
Лазающие растения – периодические тургорные движения (40 мин)
эндогенного характера (у вьющихся – не эндогенного).
Лекция 11. Основы и механизмы устойчивости растений.
176
Теория стресса была сформулирована Гансом Селье, и термин «стресс»
(от англ. stress — напряжение) в физиологию растений был заимствован в
медицинской науке. В настоящее время в литературе употребляют различные
наименования
стрессов:
климатический,
водный,
осмотический,
температурный и даже экологический. Складывается представление, что
существует множество различных стрессов. Правильнее называть внешние
факторы, действующие на биологическую систему и вызывающие стресс,
стрессорами,
а
стресс
рассматривать
как
состояние
организма,
формирующееся в ответ на их воздействие. Например, «температурный
стрессор», «осмотический стрессор» и т. д. Реакции на стрессорные
воздействия лишь при некоторых условиях являются патологическими, в
принципе же они имеют адаптивное значение, и поэтому были названы Селье
«общим адаптационным синдромом». В более поздних работах он объединял
термины «стресс» и «общий адаптационный синдром» и употреблял как
синонимы (Селье) (1982).
Действие стрессора зависит от величины повреждающего фактора,
длительности его воздействия и сопротивляемости растения. Устойчивость
растений к стрессору зависит и от фазы онтогенеза. Наиболее устойчивы
растения, находящиеся в состоянии покоя. Наиболее чувствительны растения
в молодом возрасте.
Физиология стресса
Неблагоприятные факторы внешней среды называют стрессорами, а
реакцию организма на отклонения от нормы стрессом (напряжением). Для
растений характерны три фазы стресса: 1) первичная стрессовая реакция, 2)
адаптация, 3) истощение.
В первую фазу наблюдаются значительные отклонения в физиологобиохимических процессах, проявляются как симптомы повреждения, так и
защитная реакция. Значение защитных реакций состоит в том, что они
направлены на устранение (нейтрализацию) возникающих повреждений.
Если воздействие слишком велико, организм погибает еще в стадии тревоги в
177
течение первых часов. Если этого не случилось, реакция переходит во
вторую фазу.
Во второй фазе организм либо адаптируется к новым условиям
существования, либо повреждения усиливаются. При медленном развитии
неблагоприятных условий организм легче приспосабливается к ним. После
окончания
фазы
адаптации
растения
нормально
вегетируют
в
неблагоприятных условиях уже в адаптированном состоянии при общем
пониженном уровне процессов.
В фазу повреждения (истощения, гибели) усиливаются гидролитические
процессы, подавляются энергообразующие и синтетические реакции,
нарушается гомеостаз. При сильной напряженности стресса, превышающей
пороговое для организма значение, растение гибнет. При прекращении
действия стресс-фактора и нормализации условий среды включаются
процессы репарации, т. е. восстановления или ликвидации повреждений.
Адаптационный процесс (адаптация в широком смысле) протекает постоянно
и осуществляет «настройку» организма изменениям внешней среды в
пределах естественных колебаний факторов. При значительных или
внезапных отклонениях условий среды возникает необходимость срочной
мобилизации приспособительных реакций. Можно полагать, что стрессреакция играет существенную роль в адаптации организма. В целом реакция
растения на изменившиеся условия является комплексной, включающей
изменения биохимических и физиологических процессов. Эти изменения
могут носить как неспецифический, так и специфический характер.
Неспецифическими являются однотипные реакции организма на действие
разнородных стрессоров или разных организмов на один и тот же стрессфактор.
К
специфическим
отличающиеся
в
относят
зависимости
от
ответные
фактора
реакции,
и
качественно
генотипа.
Понятие
специфичности и неспецифичности адаптивных реакций применяют, вопервых, определяя отношение организма (вида, сорта) к различным
178
стрессорам, а во-вторых, характеризуя реакцию различных организмов
(видов, сортов) на один и тот же стрессор.
Характер ответа растения на различные факторы включает в себя
неспецифические
реакции,
неблагоприятных
условий
возникающие
при
специфические
реакции,
и
действии
любых
зависящие
от
особенностей воздействия.
К первичным неспецифическим процессам, происходящим в клетках
растений при действии любых стрессоров, относятся следующие:
1. Повышение проницаемости мембран, деполяризация мембранного
потенциала плазмалеммы.
2. Вход ионов кальция в цитоплазму из клеточных стенок и
внутриклеточных
компартментов
(вакуоль,
эндоплазматическая
сеть,
митохондрии).
3. Сдвиг рН цитоплазмы в кислую сторону.
4. Усиление активности протонной помпы в плазмалемме и, возможно, в
тонопласте, препятствующей неблагоприятным сдвигам ионного гомеостаза.
5. Активация сборки актиновых микрофиламентов цитоскелета, в
результате чего возрастает вязкость и светорассеяние цитоплазмы.
6.Усиление поглощения кислорода, ускоренная трата АТФ, развитие
свободнорадикальных процессов.
7. Повышение содержания стрессовых метаболитов. (Пролин, полиамины,
редуцир. сахара, бетаины)
8. Активация синтеза стрессовых белков.
9. Усиление синтеза этилена и абсцизовой кислоты, торможение деления и
роста, поглотительной активности клеток и других физиологических
процессов, осуществляющихся в обычных условиях.
Важнейшей неспецифической реакцией на неблагоприятные воздействия
является изменение свойств мембран, что связано с перестройками в их
структуре. Это в значительной мере касается липидов. Наблюдаются сдвиги
179
в соотношении различных групп жирных кислот, изменяется степень их
ненасыщенности, возрастает уровень перекисного окисления липидов (ПОЛ),
снижается их подвижность. Это влияет на функции мембранных белков.
Структурные изменения в мембранах приводят к освобождению из
связанного состояния ионов Са2+. Известна роль кальция в поддержании
структуры хроматина, в регуляции активности ферментов в митохондриях и
хлоропластах. В цитозоле концентрация кальция невысока (10-5—10-8 М), в
то время как в апопласте и органеллах его в 103—104 раз выше. В результате
стрессового воздействия поток кальция из апопласта в цитоплазму резко
возрастает. Вслед за этим кальций выводится из цитоплазмы. Изменение
концентрации кальция запускает специфические мембранные каналы и
транспортные системы, а также вызывает структурные изменения в клетке.
Нарушение структуры мембран приводит к многочисленным изменениям в
метаболизме.
Повышается
проницаемость
деполяризация
мембранного
потенциала
мембран,
плазмалеммы,
происходит
значение
рН
сдвигается в кислую сторону.
Возрастает активность Н+ — помпы в плазмалемме и тонопласте.
Увеличивается
вязкость
цитоплазмы,
активируется
сборка
актиновых микрофиламентов цитоскелета, в результате чего возрастает
вязкость и светорассеяние цитоплазмы, наблюдается торможение деления и
роста клеток.
Важной особенностью реакции растений на стресс-факторы является
изменение
интенсивности
являются
основными
энергетического
органеллами,
обмена.
снабжающими
Митохондрии
клетки
таким
энергетическим эквивалентом как АТФ. В состоянии стресса цитохромный
путь дыхания падает и возрастает альтернативный путь с его терминальной
оксидазой
АО,
не
сопровождаемой
образованием
АТФ.
Возникает
недостаток энергетических ресурсов. Между тем при стрессе необходимы
дополнительные энергетические эквиваленты. Возрастают затраты АТФ на
поддержание структуры и обмена веществ, что сопровождается временной
180
активацией дыхания. В дальнейшем при усилении действия стрессора
дыхание снижается, и соотношение синтеза и расхода АТФ еще больше
нарушается.
Возрастание
накоплению
активности
различных
гидролитических
протекторных
процессов
соединений,
ведет
например
и
к
такого
низкомолекулярного осмотически активного вещества, как пролин.
Пролин способен образовывать гидрофильные коллоиды, что удерживает
воду и защищает белки от денатурации (при засухе, засолении, низкой или
высокой температурах).
Из других стрессовых метаболитов необходимо отметить образование
редуцирующих сахаров, полиаминов, бетаинов.
Полиамины способны предотвращать повреждения, вызванные морозом,
засухой, действием солей. Это вещества основной природы, легко
связываются
с
отрицательно
заряженными
группами
полимеров.
Увеличивают стабильность РНК, ДНК, рибосом, стабилизируют мембраны,
тормозят лизис клеточных стенок.
Бетаины как метилированные производные аминокислот и аминов
являются главными донорами метильных групп. Метилирование изменяет
функциональную активность ДНК и других внутриклеточных полимеров и
повышает их устойчивость к различным стрессовым воздействиям. Следует
отметить, что перенос метильных групп на ДНК является самой
распространенной модификацией ДНК.
Важнейшей неспецифической реакцией клеток на действие стрессоров
является синтез особых белков. Ряд подобных белков, связанных со
стрессом, был идентифицирован в 80—90-е годы. Установлены гены,
кодирующие белки и показано, что стресс индуцирует экспрессию целого
ряда генов. Это позволяет судить, какие гены ответственны за устойчивость.
Стрессовые белки синтезируются в растениях в ответ на различные
воздействия:
анаэробиоз,
повышенные
и
пониженные
температуры,
обезвоживание, высокие концентрации соли, действие тяжелых металлов,
181
вредителей, а также при раневых эффектах и ультра­фиолетовой радиации. В
настоящее
время
обнаружено,
что
при
каждом
из
этих
стрессов
синтезируются как общие, так и специальные для каждого из них белки.
Стрессовые белки разнообразны и образуют группы высокомолекулярных и
низкомолекулярных белков. Белки с одинаковой молекулярной массой
представлены разными полипептидами. Это обусловлено тем, что каждую
группу белков кодирует не один ген, а семейство близких генов. После
завершения синтеза белка могут происходить различные модификации,
например, обратимое фосфорилирование. Защитная роль стрессовых белков
в
растении
подтверждается
фактами
гибели
клетки
при
введении
ингибиторов синтеза белка в период действия стрессора. С другой стороны
изменения в структуре гена, повреждающие синтез белков, приводят к потере
устойчивости клеток. В результате изменения действия фактора или
факторов происходит переключение жизни клетки на стрессовую программу.
Это
осуществляется
одновременно
на
многих
уровнях
регуляции.
Тормозится экспрессия генов, активность которых характерна для жизни
клетки в нормальных условиях, и активируются гены стрессового ответа.
Активирование генов стресса происходит благодаря рецепции сигнала и
соответствующей сигнальной цепи. Абиотические стресс-факторы (избыток
солей, повышенная температура и др.) по-видимому, активируют рецепторы
в плазматической мембране. Там начинается сигнальная цепь, которая через
различные интермедиаты, такие как протеинкиназы, фосфатазы приводит к
образованию транскрипционного фактора. Эти факторы в ядре активируют
гены
путем
связывания
со
специфическими
промоторами.
Последовательность реакций следующая: стресс- сигнал -> рецептор в
плазмалемме -> сигнальная цепь в цитозоле —> транскрипционный фактор в
ядре —> промотор стресс-индуцированного гена -> мРНК -> белок ->
защитная роль в растении.
В результате изменений на транскрипционном уровне в клетках растений
через 5 мин от начала стресса появляются мРНК, кодирующие стрессовые
182
белки.
Происходят
изменения
и
в
белоксинтезирующем
аппарате.
Распадаются полисомы, синтезирующие нормальные белки и формируются
полисомы, синтезирующие стрессовые белки. Наблюдается ослабление, а
затем и прекращение синтеза обычных белков в клетке, и переключение
аппарата белкового синтеза на синтез стрессовых белков. Показано, что уже
через 15 мин после начала воздействия стресс-фактора (теплового) в клетках
обнаруживаются стрессовые белки. Их синтез постепенно нарастает,
достигая максимума, а затем ослабевает. После окончания воздействия
синтез стрессовых белков прекращается и возобновляется синтез белков,
характерных для клетки в нормальных условиях. При этом при нормальной
температуре мРНК стрессовых белков быстро разрушаются, тогда как сами
белки могут сохраняться существенно дольше, обеспечивая, по-видимому,
повышение устойчивости клеток к нагреву.
Существенную роль в ответе растений на стрессоры играет гормональная
система.
Показано,
что
при
неблагоприятных
условиях
возрастает
количество абсцизовой кислоты, этилена, жасмоновой кислоты, изменяется
соотношение фитогормонов. Высказывается мнение, что у растений в
отличие от животных при неблагоприятных условиях ведущую роль играют
гормоны, тормозящие их функциональную активность. Это обеспечивает
организму торможение роста и вхождение в покоящееся состояние. При
действии неблагоприятных факторов важным для растения, является
соранение нормальных донорно-акцепторных отношений, поскольку при
снижении запроса на ассимиляты, уменьшается фотосинтез. Однако на
уровне организма имеется возможность смягчать это явление. В ряде случаев
это происходит в результате увеличения объемов запасающих тканей.
Устойчивость растений против неблагоприятных условий имеет
разный характер. Она может быть основана на том, что организм тем или
иным путем избегает их воздействия. Например, одни растения запасают
воду (суккуленты) и тем самым избегают обезвоживания при засухе, другие
растения,
с
очень
коротким
вегетационным
периодом
(эфемеры),
183
приурочивают
Значительно
жизнедеятельность
большее
значение
ко
времени
имеет
выпадения
устойчивость,
осадков.
основанная
на
выносливости клеток растений, т. е. способности в процессе адаптации
перестраивать как скорость, так и направление метаболических реакций
таким образом, чтобы и в изменившихся условиях среды вырабатывать все
необходимые
соединения.
биологическими
Разный
особенностями
уровень
видов.
устойчивости
Растения,
обусловлен
различающиеся
по
устойчивости, на стрессовые воздействия реагируют однотипно, но
отличаются по скорости физиологических и структурных перестроек. Для
растений,
устойчивых
стабильность
к
клеточных
действию
мембран
стрессоров,
показана
сравнению
с
по
большая
неустойчивыми.
Сохранению целостности мембран способствует торможение распада
липидов и белков, что может быть связано с эффективной работой
механизмов антиоксидантной защиты. Важными является сохранение
содержания ненасыщенных жирных кислот, регуляция кальциевого обмена в
клетках. Это придает мембране большую пластичность и создает лучшие
условия для функционирования мембран. Так, показано, что мембраны
холодостойких растений отличаются большим содержанием ненасыщенных
жирных кислот. Это позволяет сохранять жидкостное состояние при
пониженных температурах, при которых они переходят в полужидкое
состояние.
Значение
липидов
мембран
в
устойчивости
к
низким
температурам подтверждается опытами с трансгенными растениями. При
изучении процессов устойчивости отмечаются случаи одновременного ее
повышения к нескольким факторам после действия какого-либо одного
стрессора (по П.А. Генкелю: «сопряженнаяустойчивость»). Так, установлено,
что предварительный тепловой шок повышает устойчивость к водному
дефициту, засолению, тяжелым металлам. С другой стороны, повышение
теплоустойчивости растений отмечено при водном дефиците, действии
засоления, холодовой закалке. Из неблагоприятных условий, которые
вызывают
стресс
у
растительных
организмов,
наиболее
часто
184
встречающимися
стрессорами
являются
недостаток
воды,
высокая
температура, низкая температура, высокая концентрация солей. В настоящей
главе
остановимся
на
засухоустойчивости,
рассмотрении
жаростойкости,
физиологических
основ
холодоустойчивости,
морозоустойчивости, зимостойкости, солеустойчивости, устойчивости к
недостатку или отсутствию кислорода.
Кроме того, стрессоры оказывают и специфическое воздействие на
клетки. В невысоких дозах повторяющиеся стрессы приводят к закаливанию
организма,
причем
закаливание
к
одному
стрессору
способствует
повышению устойчивости организма и другим повреждающим факторам.
На организменном уровне сохраняются все клеточные механизмы
адаптации и дополняются новыми, отражающими взаимодействие органов в
целом
растении.
Прежде
всего,
это
конкурентные
отношения
за
физиологически активные вещества и пищу. Это позволяет растениям в
экстремальных условиях сформировать лишь такой минимум генеративных
органов, которые они в состоянии обеспечить необходимыми веществами
для созревания. При неблагоприятных условиях ускоряются процессы
старения и опадения нижних листьев, а продукты гидролиза их органических
соединений используются для питания молодых листьев и формирования
генеративных органов. Растения способны замещать поврежденные или
утраченные органы путем регенерации и роста пазушных почек. Во всех этих
процессах
коррелятивного
роста
участвуют
межклеточные
системы
регуляции (гормональная, трофическая и электрофизиологическая).
В условиях длительного и сильного стресса в первую очередь гибнут
неустойчивые растения. Они устраняются из популяции, а семенное
потомство образуют более устойчивые растения. В результате общий
уровень устойчивости в популяции возрастает. Таким образом, на
популяционном уровне включается отбор, приводящий к появлению более
приспособленных организмов и новых видов.
Засухоустойчивость
185
В естественных условиях очень часто даже в обычные ясные дни
поступления воды в растение не успевает за ее расходованием. Образуется
водный дефицит, в полуденные часы содержание воды в листьях примерно
на 25—28% меньше по сравнению с утренними. Полуденный водный
дефицит представляет собой нормальное явление. Увеличению водного
дефицита препятствует сокращение транспирации в ночные часы.
Однако при определенном сочетании внешних условий водный дефицит
настолько возрастает, что не успевает восстанавливаться за ночь. В
некоторых случаях может наблюдаться завядание растений и утрачивается
тургор. Первые фазы завядания сходны с первыми фазами плазмолиза.
Однако в дальнейшем течение процессов завядания и плазмолиза различно.
При плазмолизе происходит отставание цитоплазмы от клеточной оболочки,
а при завядании сокращающаяся в силу потери воды цитоплазма тянет за
собой оболочку. На оболочке образуются как бы складки, она теряет
первоначальную форму, что и вызывает потерю прямостоячего положения
тканей и организма в целом.
Различают два типа завядания. Причиной временного завядания чаще
всего бывает атмосферная засуха, когда доступная вода в почве есть, однако
низкая влажность воздуха, высокая температура настолько увеличивают
транспирацию. При временном завядании в основном теряют тургор листья.
Чаще всего это наблюдается в полуденные часы. В ночные часы растения
оправляются и к утру вновь находятся в тургесцентном состоянии.
Временное завядание не проходит без последствий. При потере тургора
устьица
закрываются,
фотосинтез
резко
замедляется,
растение
не
накапливает сухого вещества, а только тратит его. Временное завядание
сравнительно легко переносится растением.
Глубокое завядание наступает тогда, когда в почве почти не остается
доступ­ной для растения воды. В этих условиях даже небольшая
транспирация вызывает все возрастающий водный дефицит и глубокое
завядание. Последствия такого завядания могут быть необратимыми и
186
губительными.
Вместе
с
тем
непродолжительное
завядание
может
рассматриваться как один из способов защиты растения от гибельного
обезвоживания. Так, при завядании благодаря устьичным и внеустьичным
регулирующим механизмам транспирация резко сокращается, что позволяет
растительному организму в течение определенного промежутка времени
сохранить воду и не погибнуть от полного высыхания. Завядание может
происходить при разной потере воды. У растений тенистых местообитаний с
малоэластичными клеточными оболочками потеря воды, равная 3—5%, уже
вызывает завядание. Однако есть и такие растения, у которых завядание
наступает только при 20—30%-ном водном дефиците.
Последствия водного дефицита многообразны. Действие засухи в
первую очередь приводит к уменьшению в клетках свободной воды, что
влияет на гидратные оболочки белков и функционирование ферментов.
Особенно резко падает активность ферментов, катализирующих процессы
синтеза. Вместе с тем активность ферментов, катализирующих процессы
распада, возрастает. Крахмал распадается на сахара. Завядание приводит к
увеличению
активности
ферментов,
катализирующих
распад
белков
(протеолиз). Содержание белкового азота резко падает, а небелкового —
возрастает. Под влиянием засухи в листьях снижается количество РНК
вследствие уменьшения ее синтеза и активации рибонуклеаз. В цитоплазме
наблюдается распад полисом. Изменения, касающиеся ДНК, происходят
лишь при длительной засухе. Из-за уменьшения свободной воды возрастает
концентрация вакуолярного сока. При обезвоживании у растений, не
приспособленных к засухе, значительно усиливается интенсивность дыхания,
а затем снижается. У засухоустойчивых растений в этих условиях
существенных изменений дыхания не наблюдается.
Недостаток воды изменяет и такие основные физиологические процессы,
как фотосинтез и дыхание. При обезвоживании устьица закрываются, это
резко ухи о снижает поступление С02 в лист и, как следствие, интенсивность
фотосинтеза падает. Однако уменьшение содержания воды снижает
187
интенсивность фотосинтеза и у растений, не имеющих устьиц (мхи,
лишайники). Обезвоживание нарушает структуру хлоропластов, а также
конформацию ферментов, участвующих в процессе фотосинтеза, уменьшает
их активность, нарушается процесс фотофосфорилирования.
Интенсивность дыхания в первый период завядания возрастает в
результате усиления распада крахмала, т.к.. возрастает количество сахаров —
основного субстрата дыхания. При этом сахара в основном накапливаются в
листьях, так как отток ассимилятов при засухе резко тормозится. Вместе с
тем при недостатке воды в клетках энергия, выделяющаяся в процессе
дыхания, не аккумулируется в АТФ, а в основном выделяется в виде тепла.
Таким образом, при завядании энергия дыхания не может быть использована
растением.
Уменьшение содержания воды прекращает редупликацию ДНК, а,
следовательно, деление клеток. Вторая фаза роста клеток (фаза растяжения)
идет за счет усиленного поступления воды. В условиях недостатка воды эта
фаза резко тормозится. Клетки, образовавшиеся в условиях засухи,
отличаются малым размером. Недостаток воды приводит и к другим
анатомическим изменениям — большему развитию механических тканей.
Торможение процессов роста, наблюдаемое при недостатке воды, может
также явиться следствием нарушения гормонального обмена. Действительно,
показано, что при недостатке воды увеличивается активность ингибиторов
роста (абсцизовой кислоты, этилена).
Скорость роста корней в начале засухи увеличивается и снижается лишь
при длительном недостатке воды в почве. При засухе в корнях ускоряется
дифференцировка клеток и происходит опробковение и суберинизация
экзодермы.
В условиях водного дефицита при закрытых устьицах в клетках
тормозится поступление углекислого газа. Недостаток СО2 вызывает
ослабление фотосинтеза и как следствие некоторый избыток кислорода. В
этих условиях возможно накопление супероксидных радикалов или других
188
АФК. Это приводит к развитию перекисного окисления липидов и
повреждению мембран. В этой связи важным моментом адаптации растений
к
условиям
засухи
является
развитие
антиоксидантной
системы
и
образование соответствующих ферментов, в первую очередь СОД.
Важное значение в обеспечении устойчивости при засухе имеет
образование стрессовых белков. Это, например большая группа белковдегидринов (LEA-белки). Эти белки обычно синтезируются в период
позднего эмбриогенеза, когда происходит естественное обезвоживание
семян. Как уже отмечалось синтез таких белков индуцируется АБК. При
обезвоживании
LEA-белки
предохраняют
клеточные
структуры
от
деградации, связывая воду. Возрастает роль белков, участвующих в
транспорте воды через мембраны — аквапоринов. Защита ДНК при засухе
осуществляется другими стрессовыми белками — шаперонами. Значение
этих
белков
заключается
в
поддержании
целостности
ДНК
при
обезвоживании.
Обычно гибель растений от водного дефицита наступает еще до их
полного высыхания, и причиной ее являются нарушения обмена веществ.
Особенно опасно в этом отношении нарушение нуклеинового и белкового
обмена. Прекращение синтеза и усиление распада белка, снижение его
содержания
ниже
критического
уровня
приводят
к
необратимым
изменениям. Глубокий распад сложных органических соединений ведет к
образованию промежуточных продуктов распада (например, аммиака),
которые, накапливаясь, отравляют организм. Обезвоживание приводит к
повреждениям из-за резкого повышения концентрации клеточного сока и
сдвига рН в кислую сторону.
Устойчивость растений к высоким температурам
Растения
различаются
по
способности
выносить
повышенные
температуры. Большинство растений начинают страдать при температуре
35—40°С. Лучше переносят повышенную температуру обезвоженные
органы: семена до 120°С, пыльца до 70°С. Однако есть высшие растения,
189
главным образом растения пустынь (например, суккуленты), которые
переносят повышение температуры до 60°С. Некоторые водоросли, грибы и
бактерии могут переносить еще более высокую температуру. Наиболее
термофильными
являются
микроорганизмы
(бактерии,
некоторые
водоросли), обитающие в горячих источниках и в кратерах вулканов,
которые способны переносить повышение температуры до 100°С.
Температура транспирирующих листьев ниже температуры воздуха.
Водный дефицит, который возникает при недостатке воды, увеличивает
неблагоприятное действие повышенных температур. Высокая температура
вызывает
повреждения
денатурируют
при
мембран
различной
и
белков.
температуре.
Различные
Однако
ферменты
даже
частичная
денатурация некоторых наиболее термолабильных ферментов приводит к
нарушению согласованности процессов обмена. Накапливаются растворимые
азотистые соединения и другие ядовитые промежуточные продукты обмена,
в результате чего происходит гибель клеток. Особенно чувствителен к
повышенной температуре фотосинтез. Депрессия этого процесса обычно
начинается уже при 35—40°С. Необходимо заметить, что при повышенных
температурах
уменьшается
активность
фитогормонов.
Резко
падает
активность гиббереллинов, что является одной из причин торможения
ростовых процессов.
Жаростойкость
достигается
рядом
приспособительных
изменений
метаболизма, в том числе возрастание вязкости цитоплазмы, увеличение
содержания
осмотически
активных
веществ,
органических
кислот,
связывающих аммиак. Устойчивые к высокой температуре растения
способны к синтезу более жароустойчивых ферментов. При высоких
температурах в клетках синтезируются специфические белки теплового шока
(БТШ). Они были открыты в 1962 г. у дрозофилы, потом у человека, затем у
растений
(1980
г.)
и
микроорганизмов.
Некоторые из
этих
БТШ
синтезируются не только при повышенной температуре, но и при других
стресс-факторах, например, при недостатке воды, низких температурах,
190
действии солей. Показано, что после действия одного стрессора клетки
становятся устойчивыми к другим.
Устойчивость растений к низким температурам
Растения различных мест обитания имеют неодинаковую устойчивость к
низким температурам. Так, многие растения Крайнего Севера без особого
вреда зимой переносят охлаждение до -60С. Большинство теплолюбивых
растений южного происхождения плохо переносит низкие положительные
температуры. Например, хлопчатник гибнет в течение суток при 1-3С.
Поэтому устойчивость растений к низким температурам подразделяют на
холодостойкость или устойчивость теплолюбивых растений и растений
умеренной
зоны
к
низким
положительным
температурам
и
морозоустойчивость или способность растений переносить температуру
ниже 0С.
Теплолюбивые
растения
сильно
страдают
при
положительных
пониженных температурах. Внешними симптомами являются завядание
листьев, появление некротических пятен. Первичный эффект пониженных
положительных температур связан с повреждением мембран из-за перехода
липидов
из жидкокристаллического
состояния
в
состояние
геля и
конформационных изменений белков. Возрастает потеря мембранами ионов
кальция, выход калия из цитоплазмы. Происходит увеличение содержания
супероксидных радикалов и других АФК. Благодаря нарушениям обменных
процессов
в
организме
накапливаются
промежуточные
продукты
метаболизма. Так, резко тормозятся реакции цикла Кребса, благодаря чему
накапливаются продукты гликолиза. Возрастает активность альтернативного
пути дыхания.
Приспособления. Прежде всего, это поддержание стабильности мембран и
предотвращение утечки ионов. Устойчивые растения отличаются большей
долей ненасыщенности жирных кислот в составе фосфолипидов мембран.
Это позволяет поддерживать подвижность мембран и предохраняет от
разрушений.
В
этой
связи
большую
роль
выполняют
ферменты
191
ацетилтрансферазы и десатуразы. У устойчивых растений возрастает
эффективность работы антиоксидантной системы, синтезируются стрессовые
белки. Показано, что при действии низких положительных температур
индуцируется синтез низкомолекулярных белков.
Реакции генома на тепловое и холодовое воздействие. Изменение
интенсивности транскрипции одних и тех же генов низкомолекулярных
белков. Причем в условиях теплового шока (40°С, 2 ч) наблюдалась
стимуляция, а холодового (4°С, 10 мин) ингибирование их активности.
Основными причинами гибели клеток растений при отрицательных
температурах являются: 1) их обезвоживание и 2) повреждение клеточных
структур из-за механического сжатия льдом. При этом лед может
образовываться как в самой клетке, так и вне клетки. При быстром
понижении температуры образование льда происходит внутри клетки о (в
цитоплазме, вакуолях). При постепенном снижении температуры кристаллы
льда образуются в первую очередь в межклетниках. Плазмалемма
препятствует проникновению кристаллов льда внутрь клетки. Содержимое
клетки
находится
в
переохлажденном
состоянии.
В
результате
первоначального образования льда вне клеток водный потен­циал в
межклеточном пространстве становится более отрицательным по срав­нению
с водным потенциалом в клетке. Происходит перераспределение воды.
Равновесие между содержанием воды в межклетниках и в клетке достигается
благодаря либо оттоку воды из клетки, либо образованию внутриклеточного
льда. Выбор того или иного пути зависит: от быстроты понижения
температуры, от проницаемости плазмалеммы для воды, от первоначальной
осмотической концентрации клеточного сока. При длительном действии
мороза кристаллы льда вырастают до значительных размеров и, помимо
сжатия клеток, могут повреждать плазмалемму. Сухие семена могут
выносить понижение температуры до -196°С (температура жидкого азота).
Одной из наиболее ранних реакций на охлаждение является окислительный
стресс. Усиление перекисного окисления липидов происходит благодаря
192
нако­плению
активных
форм
кислорода.
Изменяется
соотношение
ненасыщенных и насыщенных жирных кислот. Возможно, именно это
является
началом
холодового
повреждения
плазмалеммы,
мембран
митохондрий и хлоропластов, по­вышения их проницаемости.
У морозоустойчивых растений повышено содержание ненасыщенных
жирных кислот в клеточных мембранах. Поэтому фазовый переход липидов
мембран из жидкокристаллического состояния в гель происходит при
отрицательных
температурах.
В
состоянии
геля
резко
снижается
проницаемость мембран. Кроме того, у морозоустойчивых растений
активируется синтез криопротекторов – гидрофильных белков, моно- и
олигосахаров. Вода, входящая в состав гидратных оболочек этих веществ, не
замерзает и не выходит из клеток. Другой тип полимеров-криопротекторов это гемицеллюлозы, выделяемые в клеточную стенку. Они обволакивают
кристаллы льда и тормозят их рост.
Солеустойчивость
В зависимости от преимущественного накопления отдельных солей
натрия засоление может быть сульфатным, хлоридным, содовым или
смешанным. Наиболее вредное влияние оказывают ионы Na+ и СI-. Действие
засоления на растительные организмы связано с двумя причинами:
ухудшением
водного
баланса
концентраций
солей.
Под
и
токсическим
влиянием
солей
влиянием
происходят
высоких
нарушения
ультраструктуры клеток, в частности изменения в структуре хлоропластов.
Особенно это проявляется при хлоридном засолении. Высокая концентрация
солей
вызывает
проницаемость,
повреждения
теряется
мембранных
способность
к
структур,
повышается
избирательному накоплению
веществ. В этом случае соли поступают в клетки пассивно вместе с
транспирационным
током
воды.
Поскольку
в
большинстве
случаев
засоленные почвы располагаются в районах, характеризующихся высокой
летней температурой, интенсивность транспирации у растений очень
высокая. Надо
учесть также, что на засоленных почвах большая
193
концентрация натрия препятствует накоплению других катионов, в том числе
и таких необходимых калия и кальция.
Для того чтобы избежать осмотического стресса важное значение имеет
осморегуляция. Для этого растение использует два пути: накопление ионов и
особенно образование растворенных органических веществ, таких как
глицинбетаин, сорбитол, сахароза, пролин. Одной из причин большей
устойчивости к засолению растений с САМ-метаболизмом является
накопление органических кислот.
Под
влиянием
солей
в
растениях
нарушается
азотный
обмен,
накапливается аммиак и другие ядовитые продукы. При хлоридном
засолении растения испытывают резкий дефицит соединений серы. В
условиях засоления, связанного с высокой концентрацией сернокислых
солей, наблюдается обратный процесс — избыточное накопление серы, что
приводит
к
концентрация
накоплению
солей,
ряда
токсичных
продуктов.
особенно
хлористых,
может
Повышенная
действовать
как
разобщитель процессов окисления и фосфорилирования и нарушать
снабжение растений макроэргическими фосфорными соединениями.
Высокая концентрация Na+ и (или) Сl- тормозит фотосинтез. Это связано
с
чувствительностью
к
высокой
концентрации
солей
процессов
фосфорилирования и карбоксилирования. Повышенная концентрация солей
инактивирует работу белков, тормозит их синтез.
При действии солей активируется работа многих генов, кодирующих
ферменты
синтеза
пролинсинтаза
веществ,
является
участвующих
ключевым
в
осморегуляции.
ферментом
синтеза
Так,
пролина,
альдегиддегидрогеназа вызывает аккумуляцию бетаина. Другие ферменты
(например, глицеринальдегидфосфатдегидрогеназа) приводят к увеличению
растворимых сахаров, что влияет на осмотическую кон­центрацию. У САМ
растений под действием солей экспрессируются многие ферменты САМ —
пути:
ФЕП-карбоксилаза,
малатдегидрогеназа
и
др.
Показано,
что
осмотический стресс регулирует гены, кодирующие АТФазу, аквапорины.
194
Отрицательное действие высокой концентрации солей сказывается раньше
всего на корневой системе растений. При этом в корнях страдают наружные
клетки, непосредственно соприкасающиеся с раствором соли. В стебле
наиболее подвержены действию солей клетки проводящей системы.
Растения, устойчивые к засолению, называют галофитами (от греч. galos соль, Phyton - растение). Они отличаются от гликофитов - растений
незасоленных водоемов и почв - рядом анатомических и метаболических
особенностей. У гликофитов при засолении снижается рост клеток
растяжением, нарушается азотный обмен и накапливается токсичный
аммиак.
Все галофиты делят на три группы:
1. Настоящие галофиты (эугалофиты) - наиболее устойчивые растения,
накапливающие в вакуолях значительные количество солей. Поэтому они
обладают большой сосущей силой, позволяющей поглощать воду из сильно
засоленной почвы. Для растений этой группы характерна мясистость листьев,
которая исчезает при выращивании их на незасоленных почвах.
2. Солевыделяющие галофиты (криногалофиты), поглощая соли, не
накапливают их внутри тканей, а выводят из клеток на поверхность листьев с
помощью секреторных железок. Выделение солей железками осуществляется
с помощью ионных насосов и сопровождается транспортом больших
количеств воды. Соли удаляется с опадающими листьями. У некоторых
растений избавление от избытка солей происходит без поглощения больших
количеств воды, так как соль выделяется в вакуоль клетки-головки листового
волоска с последующим ее обламыванием и восстановлением.
3. Соленепроницаемые галофиты (гликогалофиты) растут на менее
засоленных почвах. Высокое осмотическое давление в их клетках
поддерживается за счет продуктов фотосинтеза, а клетки малопроницаемы
для солей.
Солеустойчивость
растений
увеличивается
после
предпосевного
закаливания семян. Семена замачивают один час в 3 % растворе NaCl с
195
последующим промыванием водой в течение 1,5 часа. Этот прием повышает
устойчивость растений к хлоридному засолению. Для закалки к сульфатному
засолению семена в течение суток вымачивают в 0,2 %-ном растворе
сульфата магния.
Устойчивость к недостатку кислорода
Кислородная недостаточность (гипоксия) возникает при временном или
постоянном переувлажнении, при заболачивании почвы, при образовании
ледяной корки на озимых посевах и хранении сельскохозяйственной
продукции. У растений, корни которых постоянно испытывают недостаток
кислорода, в процессе длительной эволюции появились изменения в
морфолого-анатомическом строении тканей: разрастание основания стебля,
образование
дополнительной
поверхностной
корневой
системы
и
вентиляционных систем межклетников, необходимых для транспорта
кислорода из надземной части растения в корни.
У
некоторых
растений
для
защиты
от
гипоксии
активируется
пентозофосфатный и гликолитический пути дыхания. В устойчивых к
кислородному дефициту растениях не накапливаются токсичные продукты
анаэробного распада. При недостатке кислорода как конечного акцептора
электронов приспособительными оказываются процессы так называемого
аноксического
эндогенного
окисления,
в
ходе
которого
электроны
переносятся на такие вещества как нитраты, двойные связи ненасыщенных
соединений (жирные кислоты, каротиноиды).
Газоустойчивость
Газоустойчивость
-
это
способность
растений
сохранять
жизнедеятельность при действии вредных газов. Токсичные газы, попадая в
листья, образуют кислоты или щелочи. Это приводит к изменению рН
цитоплазмы, разрушению хлорофилла, нарушению клеточных мембран. Для
разных видов растений характерен свой безопасный для жизнедеятельности
уровень накопления токсичных газов. Так, лох, тополь и клен более
устойчивы к хлору и сернистому газу (SO2), чем липа и каштан. Растения,
196
устойчивые к засолению и другим стрессорам, имеют более высокую
газоустойчивость.
Газоустойчивость растений повышается при оптимизации минерального
питания и водоснабжения, а также в результате закаливания семян.
Замачивание семян в слабых растворах соляной и серной кислот повышает
устойчивость растений к кислым газам.
Радиоустойчивость
Различают прямое и косвенное действие радиации на живые организмы.
Прямое действие энергии излучения на молекулу переводит ее в
возбужденное
или
повреждения
структуры
дезаминирование
ионизированное
ДНК:
азотистых
состояние.
разрывы
Особенно
связей
оснований,
опасны
сахар-фосфат,
образование
димеров
пиримидиновых оснований. Косвенное действие радиации состоит в
повреждениях
молекул,
мембран,
органоидов
клеток,
вызываемых
продуктами радиолиза воды. Заряженная частица излучения, взаимодействуя
с молекулой воды, вызывает ее ионизацию. Ионы воды за время жизни 10-15
- 10-10 сек способны образовать химически активные свободные радикалы и
пероксиды. Эти сильные окислители за время жизни 10-6 - 10-5 сек могут
повредить
нуклеиновые
кислоты,
ферменты,
липиды
мембран.
Первоначальные повреждения усиливаются при накоплении ошибок в
процессах репликации ДНК, синтеза РНК и белков.
Устойчивость растений к действию радиации определяется следующими
факторами:
1. Постоянное присутствие ферментных систем репарации ДНК. Они
отыскивают поврежденный участок, разрушают его и восстанавливают
целостность молекулы ДНК.
2. Наличие в клетках веществ – радиопротекторов (сульфгидрильные
соединения,
аскорбиновая
кислота,
каталаза,
пероксидаза,
полифенолоксидаза). Они ликвидируют свободные радикалы и пероксиды,
возникающие при облучении.
197
3. Восстановление на уровне организма обеспечивается у растений: а)
неоднородностью популяции делящихся клеток меристем, которые содержат
клетки
на
разных
фазах
митотического
цикла
с
неодинаковой
радиоустойчивостью, б) присутствием в апикальных меристемах покоящихся
клеток, которые приступают к делению при остановке деления клеток
основной меристемы, в) наличием спящих почек, которые после гибели
апикальных
меристем
начинают
активно
функционировать
и
восстанавливают повреждение.
Устойчивость растений к патогенам
Болезни растений вызываются паразитическими грибами, бактериями,
вирусами, вироидами, микоплазмами, нематодами. Нематоды и растенияпаразиты могут быть переносчиками вирусов. Различают следующие группы
патогенов:
1. Факультативные (необязательные) паразиты, которые, являясь
сапрофитами, живут на мертвых остатках растений, но могут поражать
живые ослабленные растения.
2. Факультативные сапрофиты ведут в основном паразитический образ
жизни и реже - сапрофитный.
3. Облигатные (обязательные) паразиты поражают только живые
растения.
По характеру питания паразитов делят на некротрофов и биотрофов.
Некротрофы (все факультативные паразиты и некоторые факультативные
сапрофиты) поселяются на предварительно убитой ими ткани. Клетки
растения-хозяина погибают и перевариваются под действием токсинов и
гидролитических
ферментов,
выделяемых
патогеном.
Биотрофы
(облигатные паразиты) определенное время сосуществуют с живыми
клетками растения-хозяина.
Устойчивость растений к патогенам определяется, как было установлено
Х. Флором в 50-е годы 20 века взаимодействием комплементарной пары
генов растения-хозяина и патогена, соответственно, гена устойчивости (R от
198
англ.
resistance)
и
гена
авирулентности
(Аvr).
взаимодействия предполагает, что продукты
участвуют
в
распознавании
растением
Специфичность
экспрессии
патогена
с
этих
их
генов
последующим
активированием сигнальных процессов для включения защитных реакций.
Продукты экспрессии некоторых R генов установлены. Это белки и все
они содержат повтор, богатый лейцином, а также протеинкиназный и
нуклеотидсвязывающий домены. Домен белка, содержащий повтор, богатый
лейцином, ответственен за связывание белка с белком, то есть отвечает за
распознавание
патогена.
Протеинкиназный
и
нуклеотидсвязывающий
домены участвуют в фосфорилировании белков и регуляции экспрессии
защитных генов, соответственно.
Со стороны патогенов в процессе узнавания участвуют элиситоры. Это
вещества, индуцирующие в устойчивых растениях экспрессию защитных
генов. Растительные глюканазы, разрушая полисахариды клеточных стенок
грибов и бактерий, превращают их в низкомолекулярные элиситоры (связанные
глюканы
и
хитозан).
Элиситором
является
и
липогликопротеиновый комплекс (активная часть – ненасыщенные жирные
кислоты: арахидоновая и эйкозапентаеновая). Элиситорными свойствами
обладает углеводная часть маннан - содержащих гликопротеинов.
При разрушении пектиновых полисахаридов растительных клеточных
стенок полигалактуроназами патогенов образуются олигосахарины, которые
мигрируют в здоровые клетки, где индуцируют защитные реакции. Эти
вещества получили название констуитивных или эндогенных элиситоров.
Активной частью является додека--1,4-галактуронин, состоящий из 12
галактуронозильных остатков.
Растение распознает элиситоры своими рецепторами, расположенными в
клеточной стенке и плазмалемме. Однако взаимодействию грибных
элиситоров с рецепторами препятствуют супрессоры – низкомолекулярные
глюканы, выделяемые гифой гриба и конкурирующие с элиситором за
199
связывание с рецептором. Если супрессор связывается с рецептором, то
защитные реакции не включаются.
Для грибов и бактерий известно, что их элиситоры связываются с
внешним (локализованным снаружи плазмалеммы) участком белкового
рецептора, расположенного в плазмалемме. В результате этого связывания
происходит автофосфорилирование внешнего участка рецептора и изменение
его конформации. Остаток фосфорной кислоты передается на внутренний
участок рецептора, что также изменяет его конформацию. Следствием
взаимодействия рецептора с элиситором является активация каскада
передачи сигнала для возбуждения экспрессии защитных генов. В настоящее
время известно 7 сигнальных систем:
1. циклоаденилатная,
2. MAP-киназная (mitogen-activated protein-kinase),
3. фосфатидокислотная,
4. кальциевая,
5. липоксигеназная,
6. НАДФ-Н-оксидазная (супероксидсинтазная),
7. NO-синтазная.
В
пяти
первых
сигнальных
системах
посредником
между
цитоплазматической частью рецептора и первым активируемым ферментом
являются G-белки. Эти белки локализованы на внутренней стороне
плазмалеммы. Их молекулы состоят из трех субъединиц: , и . В
состоянии покоя все субъединицы образуют комплекс, где -субъединица
связана с гуанозиндифосфатом. В результате конформационных изменений
после связывания с элиситором рецептор GPCR (G protein-coupled receptor)
присоединяется к G-белку. При этом гуанозиндифосфат отсоединяется от субъединицы и его место занимает гуанозинтрифосфат. После этого субъединица отделяется от двух других субъединиц и связывается с какимлибо эффектором, например, аденилатциклазой. Затем -субъединица
гидролизует гуанозинтрифосфат до гуанозиндифосфата, инактивируется,
200
отделяется от эффектора и присоединяется к свободным - и субъединицами. Таким образом, G-белки, связываясь с эффекторами,
включают сигнальные пути.
Кратко рассмотрим каждую сигнальную систему.
Циклоаденилатная сигнальная система. Взаимодействие стрессора с
рецептором на плазмалемме приводит к активации аденилатциклазы, которая
катализирует образование циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) из
АТФ. цАМФ активирует ионные каналы, включая кальциевую сигнальную
систему, и цАМФ-зависимые протеинкиназы In cell biology, protein kinase A
refers to a family of enzymes whose activity is dependent on the level of cyclic
AMP (cAMP) in the cell. PKA is also known as cAMP-dependent protein kinase.
Эти ферменты активируют белки-регуляторы экспрессии защитных генов,
фосфорилируя их.
сигнальная
MAP-киназная
система.
Активность
протеинкиназ
повышается у растений, подвергнутых стрессовым воздействиям (синий свет,
холод, высушивание, механическое повреждение, солевой стресс), а также
обработанных этиленом, салициловой кислотой или инфицированных
патогеном.
МАРK (митоген-активируемые киназы (серин треонин протеинкиназы))
Митоген-активируемые
киназы
отвечают
на
внеклеточные
стимулы
(митогены) и регулируют многие клеточные процессы (экспрессию генов,
деление, дифференцировку и апоптоз).
В растениях функционирует протеинкиназный каскад как путь передачи
сигналов. Связывание элиситора с рецептором плазмалеммы активирует
киназу
киназы
МАР-киназы.
Она
катализирует
фосфорилирование
цитоплазматической киназы МАР-киназы, которая активирует при двойном
фосфорилировании треониновых и тирозиновых остатков МАР-киназу. Она
переходит в ядро, где фосфорилирует белки-регуляторы транскрипции.
Ras — это семейство генов, а также белки, которые они кодируют — так
называемые
малые
G-белки
(малые
ГТФазы).
Ras
являются
201
мембраносвязанными белками, участвующими в передаче сигнала. Они
осуществляют один из первых этапов передачи сигнала извне клетки и, как
правило, регулируют размножение клеток.
Фосфатидокислотная сигнальная система. В клетках животных G
белки под воздействием стрессора активируют фосфолипазы C и D.
Фосфолипаза
С
образованием
диацилглицерола
взаимодействует
гидролизует
с
фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат
и
Ca2+-каналами
инозитол-1,4,5-трифосфата.
мембраны
с
IP3
эндоплазматического
ретикулума, в результате чего происходит выделение ионов кальция из ЭПР.
Повышенное содержание ионов кальция приводит к активации Са2+зависимых
протеинкиназ.
Диацилглицерол
после
фосфорилирования
специфичной киназой превращается в фосфатидную кислоту, которая
является сигнальным веществом в животных клетках. Фосфолипаза D
непосредственно катализирует образование
фосфатидной кислоты из
липидов (фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин) мембран.
Кальциевая сигнальная система. Воздействие различных факторов
(красного света, засоления, засухи, холода, теплового шока, осмотического
стресса, абсцизовой кислоты, гиббереллина и патогенов) приводит к
повышению содержания ионов кальция в цитоплазме за счет увеличения
импорта из внешней среды и выхода из внутриклеточных хранилищ
(эндоплазматического ретикулума и вакуоли).
Повышение концентрации ионов кальция в цитоплазме приводит к
активации
растворимых
и
мембранносвязанных
Са2+-зависимых
протеинкиназ. Они участвуют в фосфорилировании белковых факторов
(PKC) регуляции экспрессии защитных генов.
Протеинкиназы С (PKC) — это семейство протеинкиназ, содержащее
порядка десяти изоферментов, которые классифицируют по вторичным
посредникам
на
три
семейства:
традиционные,
или
классические
(conventional), оригинальные (novel), или нестандартные и нетипичные
(atypical). Традиционным протеинкиназам С для активации требуется Ca2+,
202
диацилглицерол или фосфатидилхолин. Оригинальные протеинкиназы С
активируются
молекулами
диацилглицерола,
и
не
требуют
Ca2+.
Традиционные и оригинальные протеинкиназы С активируются через
сходные пути сигнальной трансдукции, например, с помощью фосфолипазы
С. Нетипичные изоформы, не требуют ни Ca2+, ни диацилглицерола для
активации.
Са2+/кальмодулин-зависимые киназы, или СаМ киназы, регулируются
Са2+/кальмодулиновым комплексом. СаМ киназы классифицируют на два
класса: специализированные СаМ киназы (например, киназа легких цепей
миозина, которая фосфорилирует молекулы миозина, вызывая мышечное
сокращение) и многофункциональные СаМ киназы (играют роль во многих
процессах:
секреции
нейромедиаторов,
регуляции
транскрипционных
факторов, в метаболизме гликогена), порядка 2 % белков головного мозга
представлены СаМ второго типа.
Кальмодулин (СаМ) — это вездесущий, кальций-связывающий белок,
который связывается с многими другими белками и регулирует их
активность. Это маленький кислый белок, состоит из 148 аминокислотных
остатков, содержит четыре домена связывания кальция.[16]
СаМ служит промежуточным звеном в воспалении, апоптозе, мышечных
сокращениях, развитии кратковременной и длительной памяти, росте нервов
и иммунном ответе. Кальмодулин экспрессируется во многих типах клеток и
находится
в
цитоплазме,
внутри
органелл,
а
также
находится
в
плазматической мембране и мембранах органелл.[17] Многие белки, которые
связываются с кальмодулином, не могут сами связывать кальций и
используют кальмодулин как «датчик» кальция и компонент системы
передачи сигнала.
Кальмодулин
также
используется
для
запасания
Ca2+
в
эндоплазматическом и саркоплазматическом ретикулумах. После связывания
кальция молекула кальмодулина претерпевает конформационные изменения,
что позволяет молекуле связывать другие белки для осуществления
203
специфического ответа. Молекула кальмодулина может связать до четырёх
ионов кальция, может подвергаться посттрансляционной модификации,
например,
фосфорилированию,
ацетилированию,
метилированию,
протеолизу, причем эти модификации могут модулировать активность СаМ.
Было
показано,
человеческий
что
Са2+ способен
репрессор
непосредственно
транскрипции,
не
влиять
задействуя
на
каскад
фосфорилирования белков. Также ионы кальция активируют фосфатазы и
фосфоинозитспецифичную фосфолипазу С. Регулирующее действие кальция
зависит от его взаимодействия с внутриклеточным рецептором кальция белком кальмодулином.
Липоксигеназная сигнальная система.
Взаимодействие элиситора с рецептором на плазмалемме приводит к
активации мембранносвязанной фосфолипазы А2, которая катализирует
выделение из фосфолипидов плазмалеммы ненасыщенных жирных кислот, в
том числе линолевой и линоленовой. Эти кислоты являются субстратами для
липоксигеназы. Липоксигеназы (англ. Lipoxygenases) — железо-содержащие
ферменты, катализирующие реакцию диоксигенации (присоединение двух
атомов кислорода) к полиненасыщенным жирным кислотам. Субстратами
для этого фермента могут быть не только свободные, но и входящие в состав
триглицеридов ненасыщенные жирные кислоты.
Промежуточные и конечные продукты липоксигеназного метаболизма
жирных кислот обладают бактерицидными, фунгицидными свойствами и
могут активировать протеинкиназы. Так, летучие продукты (гексенали и
ноненали) токсичны для микроорганизмов и грибов, 12-гидрокси-9Zдодеценовая кислота стимулировала фосфорилирование белков у растений
гороха, фитодиеновая, жасмоновая кислоты и метилжасмонат через
активирование протеинкиназ повышают уровень экспресии защитных генов.
НАДФ-Н-оксидазная
заражение
патогенами
сигнальная
система.
Во
стимулировало
продукцию
многих
случаях
реактивных
форм
кислорода и гибель клеток. Реактивные формы кислорода не только
204
токсичны для патогена и инфицированной клетки растения-хозяина, но и
являются участниками сигнальной системы. Так, перекись водорода
активирует факторы регуляции транскрипции и экспрессию защитных генов.
NO-синтазная
сигнальная
система.
В
макрофагах
животных,
убивающих бактерии, наряду с реактивными формами кислорода действует
окись азота, усиливающая их антимикробное действие. В животных тканях
L-аргинин под действием NO-синтазы превращается в цитруллин и NO.
Активность этого фермента была обнаружена и в растениях, причем вирус
табачной мозаики индуцировал повышение его активности в устойчивых
растениях, но не влиял на активность NO-синтазы в чувствительных
растениях. NO, взаимодействуя с супероксидом кислорода, образует очень
токсичный пероксинитрил. При повышенной концентрации окиси азота
активируется гуанилатциклаза, которая катализирует синтез циклического
гуанозинмонофосфата. Он активирует протеинкиназы непосредственно или
через образование циклической АДФ-рибозы, которая открывает Са2+ каналы
и тем самым повышает концентрацию ионов кальция в цитоплазме, что в
свою очередь, приводит к активации Са2+-зависимых протеинкиназ.
Таким образом, в клетках растений существует скоординированная
система сигнальных путей, которые могут действовать независимо друг от
друга или сообща. Особенностью работы сигнальной системы является
усиление сигнала в процессе его передачи. Включение сигнальной системы в
ответ на воздействие различных стрессоров (в том числе и патогенов)
приводит
к
активации
экспрессии
защитных
генов
и
повышению
устойчивости растений.
Устойчивость
растений
к
патогенам
основана
на
разнообразных
механизмах защиты. В целом эти механизмы подразделяют на: 1)
конституционные, то есть присутствующие в тканях растения-хозяина до
заражения, и 2) индуцированные, то есть возникшие в ответ на контакт с
паразитом или его внеклеточными выделениями.
205
Конституционные
механизмы:
а)
особенности
структуры
тканей,
обеспечивающие механический барьер для проникновения патогена, б)
способность к выделению веществ с антибиотической активностью
(например, фитонцидов), в) отсутствие или недостаток веществ, жизненно
важных для роста и развития паразита.
Индуцированные механизмы: а) усиление дыхания, б) накопление
веществ, обеспечивающих устойчивость, в) создание дополнительных
защитных
механических
барьеров,
г)
развитие
реакция
сверхчувствительности.
Устойчивость к нектрофам обеспечивают следующие механизмы: 1)
детоксикация токсинов паразита (например, викторина - токсина возбудителя
гельминтоспориоза овса в устойчивых растениях овса), 2) отсутствие у
устойчивых растений рецепторов, связывающих токсин (у восприимчивых
растений связывание токсина с рецептором в плазмалемме хозяина приводит
к гибели клетки, 3) инактивация экзоферментов паразита неспецифическими
ингибиторами типа фенолов, 4) задержка синтеза экзоферментов паразита
устранением (маскировкой) их субстратов (например, синтез пектиназы и
пектинметилэстеразы, осуществляемый некротрофами лишь в присутствии
субстрата - пектиновых веществ, при поражении не происходит из-за
усиления суберинизации и лигнификации клеточных стенок растенияхозяина в месте поражения, что маскирует пектиновые соединения), 5)
повреждение клеточных стенок паразита ферментами растения-хозяина хитиназой, глюканазой.
Взаимодействие растения и паразита происходит на поверхности
растения, которая служит первой линией его обороны. Споры патогена или
сам патоген вначале должны удержаться на поверхности органа. Этому у
многих растений препятствует отложение воска на кутикуле эпидермальных
клеток, что делает поверхность плохо смачиваемой водой, необходимой для
прорастания спор. Патогены (грибы, бактерии, вирусы, передающиеся
механическим путем) преодолевают этот барьер через устьица и поранения.
206
Покровные ткани служат не только механической преградой, но и
токсическим барьером, так как содержат разнообразные антибиотические
вещества. Эти защитные свойства присущи поверхности растения до
контакта с патогеном и усиливаются после заражения. При заболевании
происходит
отложение
гидроксипролинбогатых
гликопротеинов
(экстенсинов), суберина и лигнина в клеточные стенки растений. В
результате
повышается
их
механическая
прочность,
ограничивается
проникновение и распространение паразита и приток питательных веществ к
паразиту, компоненты стенки защищены от атаки ферментами паразита.
Лигнин может откладываться и в клеточной стенке гиф грибов, останавливая
их рост. Немногие грибы способны расщеплять лигнин. Если возбудитель
образует на поверхности листа апрессорий (орган-присоску для преодоления
клеточной стенки), то непосредственно под ним клеточная стенка
утолщается. Образуется бугорок-папилла, содержащий лигнин и кремний.
Его своевременное формирование не позволяет паразиту проникнуть в
клетку. В устойчивых растениях хлопчатника при поражении грибами родов
Verticillium и Fusarium патоген, попадая через корни в проводящую систему,
задерживается тиллами (выпячиваниями в сосудах, представляющими собой
содержимое соседних паренхимных клеток, покрытое пектиновым чехлом).
Задержанный гриб повреждается антибиотическими веществами.
Патоген, преодолев поверхностные барьеры и попав в проводящую
систему и клетки растения, вызывает заболевание растения. Характер
заболевания зависит от устойчивости растения. По степени устойчивости
выделяют четыре категории растений: чувствительные, толерантные,
сверхчувствительные
и
крайне
устойчивые
(иммунные).
Кратко
охарактеризуем их на примере взаимодействия растений с вирусами.
В чувствительных растениях вирус транспортируется из первично
зараженных клеток по растению, хорошо размножается и вызывает
разнообразные симптомы заболевания. Однако и в чувствительных растениях
существуют защитные механизмы, ограничивающие вирусную инфекцию.
207
Об этом свидетельствует, например, возобновление репродукции вируса
табачной мозаики в протопластах, изолированных из зараженных листьев
растений табака, в которых закончился рост инфекционности. Темно-зеленые
зоны, образующиеся на молодых листьях больных чувствительных растений,
характеризуются высокой степенью устойчивости к вирусам. Клетки этих
зон почти не содержат вирусных частиц по сравнению с соседними клетками
светло-зеленой ткани. Низкий уровень накопления вирусов в клетках темнозеленой ткани связан с синтезом антивирусных веществ. В толерантных
растениях
вирус
распространяется
по
всему
растению,
но
плохо
размножается и не вызывает симптомов. В сверхчувствительных растениях
первично инфицированные и соседние клетки некротизируются, локализуя
вирус в некрозах. Считается, что в крайне устойчивых растениях вирус
репродуцируется
только
в
первично
зараженных
клетках,
не
транспортируется по растению и не вызывает симптомов заболевания.
Однако был показан транспорт вирусного антигена и субгеномных РНК в
этих растениях, а при выдерживании зараженных растений при пониженной
температуре (10-15оС) на инфицированных листьях формировались некрозы.
Наиболее хорошо изучены механизмы устойчивости сверхчувствительных
растений. Образование локальных некрозов является типичным симптомом
сверхчувствительной реакции растений в ответ на поражение патогеном. Они
возникают в результате гибели группы клеток в месте внедрения патогена.
Смерть инфицированных клеток и создание защитного барьера вокруг
некрозов блокируют транспорт инфекционного начала по растению,
препятствует
доступу
к
патогену
питательных
веществ,
вызывают
элиминацию патогена, приводят к образованию антипатогенных ферментов,
метаболитов и сигнальных веществ, которые активируют защитные процессы
в соседних и отдаленных клетках, и в конечном итоге, способствуют
выздоровлению растения. Гибель клеток происходит из-за включения
генетической программы смерти и образования соединений и свободных
радикалов, токсичных как для патогена, так и для самой клетки.
208
Некротизация инфицированных клеток сверхчувствительных растений,
контролируемая генами патогена и растения-хозяина, является частным
случаем программированной клеточной смерти (PCD – programmed cell
death). PCD необходима для нормального развития организма. Так, она
происходит, например, при дифференциации трахеидных элементов в ходе
образования ксилемных сосудов и гибели клеток корневого чехлика. Эти
периферические клетки погибают даже тогда, когда корни растут в воде, то
есть гибель клеток является частью развития растения, а не вызвана
действием
почвы.
Сходство
между
PCD
и
гибелью
клеток
при
сверхчувствительной реакции заключается в том, что это два активных
процесса, в некротизирующейся клетке также повышается содержание ионов
кальция в цитоплазме, образуются мембранные пузырьки, увеличивается
активность дезоксирибонуклеаз, ДНК распадается на фрагменты с 3’ОН
концами, происходит конденсация ядра и цитоплазмы.
Помимо
включения
PCD,
некротизация
инфицированных
клеток
сверхчувствительных растений происходит в результате выхода фенолов из
центральной вакуоли и гидролитических ферментов из лизосом вследствие
нарушения целостности клеточных мембран и увеличения их проницаемости.
Снижение целостности клеточных мембран обусловлено перекисным
окислением липидов. Оно может происходить при участии ферментов и
неферментативным путем в результате действия реактивных форм кислорода
и свободных органических радикалов. Выше было показано, что в растениях
при заболевании увеличивалась активность фосфолипаз и липоксигеназ.
Известны такие виды реактивного кислорода, как супероксидный (О2),
пергидроксильный (НО2), который является протонированной формой
супероксида, гидроксильный (ОН) радикалы, перекись водорода (Н2О2),
синглетно-возбужденный кислород (1О2). Реактивные формы кислорода
постоянно присутствуют в растительных клетках в небольшом количестве,
образуясь в процессе окислительно-восстановительных реакций. Очень
быстрое накопление реактивных форм кислорода было показано для
209
различных комбинаций растение-патоген и при обработке элиситорами.
Окислительный взрыв происходил и при воздействии абиотических
факторов:
ультрафиолетового
облучения
(280-320
нм),
повышенной
температуре, осмотическом и механическом стрессах.
Нарушение
целостности
клеточных
мембран
и
увеличение
их
проницаемости обусловлены также действием так называемого “киллера
протопластов”,
обнаруженного
в
некротизированных
листьях
сверхчувствительных растений табака, пораженных вирусом табачной
мозаики
или
бактериями.
Было
показано,
что
водные
экстракты
некротизированных листьев токсичны для изолированных протопластов. В
наших опытах на основании данных по гель-фильтрации и ионно-обменной
хроматографии экстрактов некротизированных листьев растений табака
сорта Ксанти нк было установлено, что “киллер протопластов” является
кислым белком с молекулярной массой примерно 70 кДа.
Одним из характерных свойств сверхчувствительных растений является
приобретенная (индуцированная) устойчивость к повторному заражению
патогеном.
Были
предложены
термины:
системная
приобретенная
устойчивость (systemic acquired resistance - SAR) и локальная приобретенная
устойчивость (localized acquired resistance - LAR). О LAR говорят в тех
случаях, когда устойчивость приобретают клетки в зоне, непосредственно
примыкающей к локальному некрозу (расстояние примерно 2 мм). В этом
случае
вторичные
некрозы
совсем
не
образуются.
Приобретенная
устойчивость считается системной, если она развивается в клетках больного
растения, удаленных от места первоначального внедрения патогена. SAR
проявляется в снижении уровня накопления вирусов в клетках, уменьшении
размеров вторичных некрозов, что свидетельствует об угнетении ближнего
транспорта вируса. Не ясно, различаются ли между собой LAR и SAR или это
один и тот же процесс, происходящий в клетках, расположенных на разном
расстоянии от места первичного проникновения вируса в растение.
210
Приобретенная устойчивость, как правило, неспецифична. Устойчивость
растений к вирусам вызывалась бактериальной и грибной инфекциями и
наоборот. Устойчивость может индуцироваться не только патогенами, но и
различными веществами.
Развитие SAR связано с распространением по растению веществ,
образующихся
в
первично
зараженных
листьях.
Было
сделано
предположение, что индуктором SAR является салициловая кислота,
образующаяся при некротизации первично зараженных клеток. Оно основано
на следующих фактах. Было установлено, что содержание эндогенной
салициловой кислоты увеличивается в 20 раз в первично зараженных и в 5
раз в незараженных листьях сверхчувствительных растений табака сорта
Ксанти нк по сравнению с чувствительными растениями Ксанти. Заражение
растений огурцов вирусом некроза табака или грибом Colletotrichum
lagenarium вызывало повышение концентрации салициловой кислоты во
флоэмном соке. В опытах с использованием радиоактивной метки было
установлено, что большая часть салициловой кислоты, содержащейся в
неинфицированных листьях больных растений, транспортировалась из
первично зараженных листьев. Трансгенные растения табака и Arabidopsis
thaliana со встроенным бактериальным геном nahG, кодирующим фермент
салицилат гидроксилазу, который катализирует превращение салициловой
кислоты в катехол, не накапливали салициловую кислоту и не проявляли
устойчивость к заражению патогеном. Однако имеются работы, результаты
которых подвергают сомнению предположение о том, салициловая кислота
является индуктором SAR, специфичным для сверхчувствительных растений.
Так,
было
показано, что
салициловая кислота одинаково
угнетает
репродукцию вируса в клетках чувствительных и сверхчувствительных
растений.
При заболевании в растениях накапливаются вещества, повышающие их
устойчивость к патогенам. Важную роль в неспецифической устойчивости
растений играют антибиотические вещества - фитонциды, открытые Б.
211
Токиным в 20-х годах 20 века. К ним относятся низкомолекулярные вещества
разнообразного строения (алифатические соединения, хиноны, гликозиды с
фенолами, спиртами), способные задерживать развитие или убивать
микроорганизмы. Выделяясь при поранении
лука, чеснока, летучие
фитонциды защищают растение от патогенов уже над поверхностью органов.
Нелетучие фитонциды локализованы в покровных тканях и участвуют в
создании защитных свойств поверхности. Внутри клеток они могут
накапливаться в вакуоли. При повреждениях количество фитонцидов резко
возрастает, что предотвращает возможное инфицирование раненых тканей.
К антибиотическим веществам растений относят также фенолы. При
повреждениях и заболеваниях в клетках активируется полифенолоксидаза,
которая окисляет фенолы до высокотоксичных хинонов. Фенольные
соединения убивают патогенны и клетки растения-хозяина, инактивируют
экзоферменты патогенов и необходимы для синтеза лигнина.
Среди вирусных ингибиторов обнаружены белки, гликопротеины,
полисахариды,
РНК,
фенольные
соединения.
Различают
ингибиторы
заражения, которые влияют непосредственно на вирусные частицы, делая их
неинфекционными, или они блокируют рецепторы вирусов. Например,
ингибиторы из сока свеклы, петрушки и смородины вызывали почти полное
разрушение частиц вируса табачной мозаики, а сок алоэ вызывал линейную
агрегацию частиц, что снижало возможность проникновения частиц в клетки.
Ингибиторы размножения изменяют клеточный метаболизм, повышая тем
самым устойчивость клеток, или угнетают вирусную репродукцию. В
устойчивости растений к вирусам участвуют рибосом-инактивирующие
белки (RIPs). Была установлена прямая корреляция между активностью RIPs
в инактивации рибосом в растениях табака, ингибировании репродукции
вируса табачной мозаики и формировании локальных некрозов. RIPs
являются группой N-гликолитических ферментов, которые влияют на
состояние рибосом, отрезая специфичный адениновый остаток у высоко
консервативной
последовательности
рибосомальной
28S
РНК.
Это
212
необратимое изменение приводит к неспособности рибосом связывать
фактор элонгации 1а и поэтому блокирует трансляцию.
В сверхчувствительных растениях табака, пораженных вирусом табачной
мозаики, были обнаружены белки, первоначально названные b-белками, а
сейчас их обозначают как белки, связанные с патогенезом (PR-белки) или
белки, ассоциированные с устойчивостью. Общепринятое название «PRбелки» предполагает, что их синтез индуцируется только патогенами. Однако
эти белки образуются и в здоровых растениях при цветении и различных
стрессовых воздействиях.
В
1999
году
на
основе
аминокислотной
последовательности,
серологическим свойствам, энзимной и биологической активности была
создана унифицированная для всех растений номенклатура PR-белков,
состоящая из 14 семейств (PR-1 – PR-14). Некоторые PR-белки имеют
протеазную, рибонуклеазную, 1,3--глюканазную, хитиназную активности
или являются ингибиторами протеаз. Высшие растения не имеют хитина.
Вероятно, что эти белки участвуют в защите растений от грибов, так как
хитин и -1,3-глюканы являются главными компонентами клеточных стенок
многих грибов и хитиназа гидролизует -1,3-связи хитина. Хитиназа может
действовать также как лизоцим, гидролизуя пептидоглюканы клеточных
стенок бактерий. Однако -1,3-глюканаза может способствовать транспорту
вирусных частиц по листу. Это объясняется тем, что -1,3-глюканаза
разрушает каллозу (-1,3-глюкан), которая откладывается в клеточной стенке
и плазмодесмах и блокирует транспорт вируса.
В состав PR-белков входят также низкомолекулярные (5 кДа) белки модификаторы клеточных мембран грибов и бактерий: тионины, дефенсины
и липидпереносящие белки. Тионины токсичны в условиях in vitro для
фитопатогенных
грибов
и
бактерий.
Их
токсичность
обусловлена
разрушающим действием на мембраны патогенов. Дефенсины обладают
сильными антигрибными свойствами, но не действуют на бактерии.
Дефенсины из растений семейств Brassicaceae и Saxifragaceae подавляли
213
рост растяжением гиф грибов, но способствовали их ветвлению. Дефенсины
из растений семейств Asteraceae, Fabaceae и Hippocastanaceae замедляли
растяжение гиф, но не влияли на их морфологию.
В
зараженных
сверхчувствительных
низкомолекулярные
антибиотические
растениях
вещества,
накапливаются
получивших
название
фитоалексинов. Они обладают антибактериальным, фунгитоксичным и
антинематодным действием. Фитоалексины синтезируются в живых клетках,
граничащих с локальными некрозами. Из погибающих клеток поступает
сигнал
о
необходимости
синтеза
фитоалексинов,
которые
затем
перемещаются в некротизирующиеся клетки, где находится паразит.
Фитоалексины подавляют рост патогенов, дезактивируют их экзоферменты.
Транспортируются они по апопласту. Синтез их можно вызвать и
химическими веществами. Многие высокоспециализированные патогены
преодолевают
фитоалексиновый
барьер,
разлагая
фитоалексины
или
прекращая их синтез.
Еще одна возможность поддержания устойчивости растений - регуляция
растением-хозяином
образования
соединений,
жизненно
важных
для
паразита. Так, фитофтора не способна продуцировать -ситостерин,
необходимый грибу для образования спор. Его источником для гриба служат
клетки
растения.
У
устойчивых
к
фитофторе
растений
в
месте
инфицирования клетки резко сокращают синтез этого вещества и паразит не
может
размножаться.
Недостаток
-ситостерина
также
приводит
к
повреждению мембран патогена, что делает его клетки чувствительнее к
воздействию фитоалексинов. Вместе с тем предшественники -ситостерина
используются на синтез фитоалексинов сесквитерпеноидной природы.
При
заражении
растений
патогенами
увеличивается
активность
литического компартмента клеток чувствительных и сверхчувствительных
растений. К литическому компартменту клеток растений относят мелкие
вакуоли - производные эндоплазматического ретикулума и аппарата
Гольджи, функционирующие как первичные лизосомы животных, то есть
214
содержащие гидролазы структуры, в которых нет субстратов для этих
ферментов. Кроме этих вакуолей к литическому компартменту клеток
растений относятся центральная вакуоль и другие вакуоли, эквивалентные
вторичным лизосомам клеток животных, которые содержат гидролазы и их
субстраты, а также плазмалемма и ее производные, в том числе
парамуральные
тела,
и
внеклеточные
гидролазы,
локализованные в
клеточной стенке и в пространстве между стенкой и плазмалеммой.
215
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
МАТЕРИАЛЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ
По дисциплине «ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ»
Специальность– 020209.65 «Микробиология»
г. Владивосток
2011
216
.
Лабораторные работы (34 часа)
Тема Физиология и биохимия растительной клетки.
Лабораторная работа 1. Явление плазмолиза и деплазмолиза.
Определение осмотического давления клеточного сока плазмолитическим
методом (6 ч).
Лабораторная работа 2. Определение вязкости протоплазмы (6 ч).
Лабораторная работа 3. Проницаемость протоплазмы (6 ч).
Тема Водный обмен.
Лабораторная работа 4. Определение интенсивности транспирации.
Наблюдение за устьичными движениями под микроскопом (4 ч).
Тема Минеральное питание.
Лабораторная работа 5.Определение общей и рабочей адсорбирующей
поверхности корней методом Сабинина - Колосова (4 ч).
Тема Фотосинтез.
Лабораторная работа 6. Растительные пигменты. Разделение
пигментов методом хроматографии (4 ч).
Лабораторная работа 7. Количественное определение хлорофилла в
листьях (4 ч).
217
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ
РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
По дисциплине «ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ»
Специальность – 020209.65 «Микробиология»
г. Владивосток
2011
218
Самостоятельная работа студентов
В дисциплине «Физиология растений» реализуются следующие виды
самостоятельной
работы
студентов:
самостоятельное
изучение
теоретического материала.
Самостоятельное изучение теоретического материала предполагает работу
с учебной литературой; итогом работы являются конспект, схема, таблица.
На самостоятельное изучение в соответствии с тематикой лекций
выносятся следующие вопросы.
Раздел 1. Вклад русских ученых в становление и развитие физиологии
растений как науки. Физиология растений – теоретическая основа
рационального землепользования.
Раздел 2. Строение и функции органоидов растительной клетки.
Клеточная стенка: химический состав, структурная организация,
ультраструктура и физические свойства. Функции и эволюция клеточной
стенки Плазмодесмы. Образование и рост клеточной стенки. Гиалоплазма
как коллоидная система. Движение гиалоплазмы.
Раздел 3. Физические и химические свойства воды. Молекулярное
строение воды. Состояние воды в растворах. Особенности водного обмена
различных групп растений: ксерофиты, мезофиты, гидрофиты.
Раздел 4. Почва как источник минеральных элементов. Твердая фаза
почвы, почвенный раствор, состав и структура почвенного поглощающего
комплекса.
Источники
азота
для
растений.
Симбиотическая
фиксация
молекулярного азота.
Водная, песчаная и почвенная культуры: их применение в физиологии
растений. Питательные смеси. Физиологически кислые и физиологически
основные соли. Гидропоника. Физиологические основы применения
удобрений.
Раздел 5. Хлоропласты. Основные элементы структуры хлоропластов
(двойная мембрана, матрикс, тилакоиды, граны). Онтогенез хлоропластов.
Пигменты фотосинтеза. Особенности фотосинтетических пигментов у
различных групп организмов. Компенсаторная хроматическая адаптация.
дения между молекулами пигментов. История открытия флюоресценции.
Особенности организации ЭТЦ фотосинтеза у про- и эукариот.
Регуляция фотосинтетической ассимиляции СО2 у растений различных
экологических групп. Экология фотосинтеза. Фотосинтез в условиях
промышленной фитотроники и в замкнутых системах жизнеобеспечения.
Раздел 6. Методы определения дыхательного газообмена у растений.
219
Митохондрии. Их структура и функции. Изменение ультраструктуры
митохондрий в зависимости от функционального состояния организма.
Соотношение различных путей ассимиляции углеводов в зависимости от
факторов среды. Основные
положения
хемиосмотической
теории
сопряжения Митчелла.
Методы определения составляющих дыхательного газообмена.
Раздел 7. Типы гетеротрофного питания у растений.
Раздел 8. Влияние факторов внешней среды на работу нижнего
концевого двигателя. Температура, аэрация, водоудерживающая сила почвы.
Раздел 9. Рост растений и среда. Влияние температуры, света, воды,
газового состава атмосферы, элементов минерального питания на ростовые
процессы. Клеточные основы роста. Фазы роста клеток и их характеристики.
Изменения морфологии и метаболизма при прохождении каждой фазы.
Понятие о клеточном цикле, влияние различных факторов на деление клеток.
Фитогормоны (ауксины, гиббереллины, цитокинины, абсцизовая кислота,
этилен, брассиностероиды): их строение, биосинтез, транспорт,
физиологическое действие.
Раздел
10. Тропизмы (фото-, гео-, электро- и термотропизмы).
Гормональная природа тропизмов. Настии. Сейсмонастические движения.
Раздел 11. Первичные неспецифические стрессовые реакции растений.
Особенности стрессовых реакций на различных уровнях организации
растительных организмов. Особенности приспособительных реакций
растений к гипо- и аноксии. Реакции сверхчувствительности, их роль в
формировании устойчивости растений. Фитоалексины: механизмы действия.
Особенности физиологических процессов растений на ценотическом
уровне.
220
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
По дисциплине «ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ»
Специальность – 020209.65 «Микробиология»
г. Владивосток
2011
221
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ
1. Клеточное строение впервые наблюдал у растений:
1) Р. Гук;
2) Н. Грю;
3) Р. Броун;
4) Я. Пуркине.
2. Клеточная теория сформулирована:
1) М. Шлейденом и Т. Шванном;
2) Т. Шванном;
3) М. Шлейденом;
4) Р. Вирховым.
3. Впервые термин протоплазма применил:
1) Ф. Кон;
2) Я. Пуркине;
3) Э. Уилсон;
4) Ч. Дарвин.
4. Ядро в растительной клетке описал:
1) Р. Броун;
2) Я. Пуркине;
3) Н. Грю;
4) Р. Гук.
5. Компоненты клетки обозначают общим понятием:
1) цитоплазма;
2) протоплазма;
3) протопласт;
4) понятием 2 или 3.
6. Плазмолиз наблюдается при погружении клетки:
1) в гипотонический раствор;
2) в гипертонический раствор;
3) в воду;
4) в изотонический раствор.
222
7. Деплазмолиз наблюдается при погружении плазмолизированной
клетки:
1) в воду;
2) в слабый раствор;
3) в гипертонический раствор;
4) самопроизвольно благодаря явлению анатоноза
5) из-за постепенного проникновения молекул плазмолитика в клетку.
8. Плазмоптиз происходит при погружении в чистую воду:
1) морских водорослей;
2) пыльцевых зерен;
3) клеток сосудистых растений;
4) клеток сосудистых растений и пыльцевых зерен.
9. Подвижность протоплазмы обусловлена изменчивостью свойств:
1) липидов;
2) белков;
3) фосфатидов;
4) липоидов и фосфатидов.
10. Органы растения увеличиваются в размерах благодаря:
1) увеличению числа клеток;
2) увеличению числа клеток и их росту;
3) увеличению числа клеток и образованию межклетников.
11. Растительные клетки соединены между собой:
1) межклетниками;
2) особым межклеточным веществом, находящимся между оболочками
соседних клеток;
3) выростами цитоплазмы;
4) межклеточным веществом и межклетниками.
12. Перед делением клетки происходит:
1) удвоение хромосом;
2) накопление питательных веществ;
3) накопление питательных веществ и минеральных солей.
13. Клеточное строение организмов свидетельствует о:
223
1) сходстве живой и неживой материи;
2) принципиальном отличии растений от животных;
3) единстве органического мира;
4) некотором отличии прокариотной клетки от эукариотной.
14. Растительная клетка отличается от животной наличием:
1) рибосом и аппарата Гольджи;
2) митохондрий и ЭР;
3) ядра, пластид и сферосом;
4) пластид, вакуолей с клеточным соком и клеточной стенки.
15. К одномембранным органоидам клетки относятся:
1) клеточный центр, комплекс Гольджи;
2) эндоплазматическая сеть, митохондрии;
3) ЭС, лизосомы, комплекс Гольджи;
4) пластиды, комплекс Гольджи, рибосомы.
16. Двумембранное строение имеют:
1) митохондрии, пластиды, ядро;
2) лизосомы, рибосомы, митохондрии;
3) ЭР (эндоплазматический ретикулум), комплекс Гольджи;
4) клеточный центр, рибосомы.
17. В отличие от других жидкостей протоплазма имеет:
1) высокую вязкость;
2) низкую вязкость;
3) среднюю вязкость;
4) структурную вязкость.
18. Явление плазмолиза используется для определения:
1) осмотического потенциала;
2) вязкости протоплазмы;
3) изучения клеточной проницаемости;
4) интенсивности дыхания;
5) интенсивности фотосинтеза.
19. Проницаемость мембран протоплазмы обеспечивают ионы:
1) Ca2+;
2) Na+, K+, Cl-;
224
3) Zn2+;
4) Mg2+;
5) Cu2+.
20. Клеточные мембраны построены из:
1) белков и углеводов;
2) липидов и белков;
3) нуклеиновых кислот и липидов;
4) углеводов.
21. В росте клеточной стенки принимает участие:
1) аппарат Гольджи;
2) эндоплазматический ретикулум (ЭР);
3) микротрубочки;
4) глиоксисомы.
22. Какие органоиды растительной клетки относятся к полуавтономным:
1) митохондрии, хлоропласты, ядро;
2) ядро, рибосомы, аппарат Гольджи;
3) ЭР, микротрубочки, митохондрии;
4) пероксисомы, сферосомы.
23. Рибосомы в клетке размещаются:
1) свободно плавают в цитоплазме;
2) в ядре;
3) значительная часть лежит в гранулярной эндоплазматической сети, а
часть свободно плавает в цитоплазме;
4) в наружной мембране ядерной оболочки.
24. Функции аппарата Гольджи состоят в:
1) химической модификации веществ клетки;
2) упаковке веществ в пузырьки и выведение их в виде секретов;
3) выведении синтезированных веществ во внешнюю среду, участие в
синтезе клеточной стенки:;
4) синтезе белков.
25.В каких из названных органоидов растительной клетки накапливается
крахмал?
1) в хлоропластах и ядре;
225
2) в хлоропластах и лейкопластах;
3) в вакуолях и митохондриях;
4) в сферосомах.
26. Из чего формируются пластиды?
1) из этиопластов;
2) пропластид;
3) амилопластов;
4) протеинопластов.
27. В каких структурных компонентах клетки имеет мести поглощение
энергии квантов света?
1) в рибосомах;
2) хлоропластах;
3) в гиалоплазме;
4) в ЭР.
28. Набор гидролитических ферментов в клетке находится:
1) в лизосомах;
2) в митохондриях;
3) в хлоропластах;
4) в ЭР.
29. Какие органоиды в клетке с энергетическими системами и с центром
дыхания?
1) ядро;
2) митохондрии;
3) хлоропласты;
4) рибосомы.
30.
клетки?
Почему митохондрии считают полуавтономными органоидами
1) они с энергетическими станциями клетки, в которых происходит
синтез АТР;
2) они образованны двумя мембранами;
3) в них есть мощная белоксинтезирующая система;
4) принимают участие в транспорте электронов.
31.
среды?
Чем отделена цитоплазма растительной клетки от окружающей
226
1) плазмолеммой;
2) тонопластом;
3) клеточной стенкой;
4) клеточном центром.
32. Какую функцию выполняют рибосомы?
1) транспортную;
2) синтез белков;
3) синтез жиров;
4) синтез углеводов.
33. Почему митохондрии называют энергетическими станциями клетки?
1) осуществляют синтез АТР;
2) синтез белка;
3) расщепляют АТР;
4) синтез углеводов.
34. Каковы функции ядра?
1) участие в делении клетки и фотосинтезе;
2) построение клеточной стенки;
3) сохранение и передача наследственной информации;
4) передача информации в цитоплазму путем синтеза и-РНК.
35. К группе органогенных химических элементов относятся:
1) кислород, углерод, водород, железо;
2) углерод, магний, кислород, йод;
3) водород, кислород, углерод, азот;
4) железо, фосфор, азот, углерод.
36. Доля минеральных веществ в сухой массе растений составляет:
1) 50%;
2) 75%;
3) 5%;
4) 2%.
37. Полисахаридами растений являются:
1) глюкоза и фруктоза;
2) крахмал, целлюлоза, пектин;
227
3) сахароза и гликоген;
4) ксилоза и арабиноза.
38. ДНК в растительной клетке можно обнаружить в:
1) цитоплазме и ядре;
2) ядре, хлоропластах, митохондриях;
3) ЭP, аппарате Гольджи, рибосомах;
4) клеточной стенке.
39. Основной функцией сахарозы является:
1) транспортная;
2) структурная;
3) запасающая;
4) защитная.
40. Пептидная связь образуется при взаимодействии групп:
1) ОН и СООН;
2) NH2 и ОН;
3) СООН и NН2;
4) СО и ОН.
41. Каталитическая функция присуща следующей группе органических
веществ:
1) нуклеиновым кислотам;
2) белкам;
3) фосфолипидам;
4) липидам.
42. В образовании кутикулы у растений принимают участие:
1) целлюлоза и суберин;
2) кутин и воск;
3) лигнин и крахмал;
4) гликоген.
43. Какие функции выполняют липиды?
1) регуляторную, антибиотиков;
2) транспортную, каталитическую;
3) энергетическую, строительную;
4) каталитическую, регуляторную.
228
44. Какие запасные вещества откладываются у растений на зиму?
1) белки;
2) углеводы;
3) жиры;
4) углеводы, белки, жиры.
45. Какое значение для растений имеют жиры?
1) структурные компоненты мембран;
2) запас энергии;
3) терморегуляция;
4) источник Н2О.
46. Чем отличаются ферменты от других белков?
1) синтезируются на рибосомах;
2) являются катализаторами химических реакций;
3) в их состав входят металлы, витамины.
47. В какой части клетки находится наибольшая часть свободной воды?
1) в клеточной оболочке;
2) в вакуолях;
3) в цитоплазме;
4) в хлоропласте.
48. Внутриклеточные системы регуляции:
1) регуляция на уровне ферментов;
2) генетическая и мембранная регуляция;
3) рецепторно-конформационная регуляция;
4) аллостерическая регуляция.
49. Межклеточные системы регуляции:
1) регуляция на уровне репликации, транскрипции, процессинга и
трансляции;
2) дистанционная регуляция;
3) трофическая, гормональная и электрофизиологическая регуляция;
4) изостерическая регуляция
50. Межклеточные системы регуляции взаимосвязаны и действуют
через:
229
1) ферментативную систему регуляции;
2) генетическую систему регуляции;
3) мембранную систему регуляции;
4) окислительно-восстановительную систему регуляции.
51. Фитогормоны – одна из главных систем регуляции у растений:
1) ауксин, цитокинин, гиббереллины, абсцизины, этилен;
2) фикоэритрин, фикоцианин;
3) бактериохлорофилл, протохлорофилл;
4) зеаксантин, виолаксантин, ликопин.
52.Единая
растений:
иерархическая
система
регуляции
у
многоклеточных
1) мембранная – ферментативная – генетическая;
2) мембранная – трофическая – гормональная;
3) внутриклеточные – межклеточные – организменный уровень
регуляции;
4) генетическая – гормональная – мембранная.
Контрольные вопросы для самостоятельной оценки качества освоения
дисциплины:
Тема 1. Введение. Предмет физиологии растений.
1. Предмет физиологии растений. История развития, задачи и методы
изучения физиологии растений. Связь физиологии растений с другими
науками.
Тема 2. Физиология и биохимия растительной клетки
1. Особенности строения растительной клетки. Специфическая роль в
метаболизме органоидов, типичных для растений (пластиды, вакуоль,
клеточная стенка). Симбиотическая теория происхождения пластид и
митохондрий.
2. Немембранные и мембранные структуры клетки. Физиологическая роль
мембран и проницаемость клеток для разных соединений.
3. Функциональная роль органоидов клеток.
4. Культура изолированных клеток и тканей, использование ее в
биотехнологии и селекции.
5. Роль ДНК в передаче наследственной информации. Структуры белка,
основные положения о белках.
230
6. Механизм синтеза белка.
7. Ферменты, их свойства, физиологическое значение, классификация.
Влияние условий среды на активность ферментов.
8. Физические и химические свойства воды и ее значение в организации
живой материи.
9. Растительная клетка, как осмотическая система. Явление плазмолиза и
тургора. Сосущая сила клетки.
10.Факторы, действующие на изменение осмотического потенциала клетки.
Водный потенциал клетки.
Тема 3. Водный обмен растений.
1. Водный баланс растений. Распределение воды в клетке и в организме,
свободная и связанная вода.
2. Поглощение воды корнем. Корневое давление, плач, гуттация.
3. Транспирация, ее значение для растений.
4. Лист как орган транспирации. Структура устьиц одно- и двудольных
растений. Виды и этапы транспирации.
5. Влияние факторов внешней среды на процесс транспирации. Суточный
ход
процесса
транспирации.
Интенсивность
транспирации,
транспирационный коэффициент, продуктивность транспирации.
6. Водоудерживающие силы почвы. Доступная и недоступная вода.
Влагоемкость почвы.
7. Завядание растений, типы. Засухоустойчивость. Физиологические
особенности засухоустойчивых растений, экологические группы
ксерофитов.
8. Влияние водного стресса на физиологические процессы у растений.
Физиологические основы орошения, водопотребление.
Тема 4. Минеральное питание.
1. Корневая система растений, как орган поглощения минеральных
элементов. Передвижение питательных веществ по растению.
2. Роль элементов минерального питания в жизни растений. Необходимые
растению макро- и микроэлементы.
3. Усвоение растениями азота и его значение. Особенности азотного
питания.
4. Значение для растений макроэлементов К, Са, S, Мg, Fе. Антагонизм
ионов.
5. Микроэлементы, их роль и функциональные нарушения при недостатке в
растении (Мn, Cu, Zn, B, Mo).
6. Физиологические основы применения удобрений.
Тема 5. Фотосинтез.
1. Фотосинтез как процесс питания растений. Значение его в круговороте
углерода и кислорода на Земле. История открытия и изучения
231
фотосинтеза. Значение работ К.А. Тимирязева по фотосинтезу. Роль в
фотосинтезе различных участков спектра видимого света.
2. Методы определения интенсивности фотосинтеза.
3. Влияние внешних факторов на процессы фотосинтеза.
4. Лист, как орган фотосинтеза. Хлоропласты, их ультраструктура (граны,
ламеллы, тилакоиды, строма, рибосомы), значение в жизнедеятельности
растений.
5. Хлорофиллы, свойства. Факторы, влияющие на образование хлорофилла.
6. Каротиноиды, свойства. Факторы, влияющие на образование
каротиноидов. Свойства фикобилинов.
7. Энергетика фотосинтеза.
8. Фотофизический этап фотосинтеза. Передача поглощенной энергии
фотона
между
молекулами
пигментов.
Представление
о
фотосинтетической единице, светособирающем комплексе, реакционном
центре и фотосистеме.
9. Фотохимический этап фотосинтеза. Циклический и нециклический поток
электронов.
10.Темновая фаза фотосинтеза. С3 – путь фотосинтеза (цикл Кальвина).
Этапы цикла Кальвина.
11.С4 – путь фотосинтеза (цикл Хэтча – Слэка). Структура листьев С4растений, особенности хлоропластов из клеток мезофилла и обкладки.
12.САМ-путь фотосинтеза.
Тема 6. Брожение и дыхание растений.
1. Значение дыхания в жизни растений. Методы определения интенсивности
дыхания.
2. Аденозинтрифосфат. Структура и функции.
3. Субстраты дыхания. Брожение и дыхание.
4. Гликолитический путь дыхательного обмена. Анаэробная фаза дыхания
(гликолиз).
5. Гликолитический путь дыхательного обмена. Аэробная фаза дыхания
(цикл Кребса).
6. Пентозофосфатный путь дыхательного обмена.
7. Локализация процессов дыхания в клетке.
8. Влияние внешних и внутренних факторов на интенсивность дыхания.
Тема 7. Гетеротрофный способ питания у растений.
1. Сапрофиты. Паразиты.
2. Насекомоядные растения.
3. Гетеротрофный способ питания за счет собственных органических
веществ.
Тема 8. Транспорт веществ по растению.
1. Передвижение воды по растению. Нижний и верхний концевые двигатели
водного тока.
Тема 9. Рост и развитие растений.
1. Развитие растений. Типы онтогенеза: моно- и поликарпики.
232
2. Деление онтогенеза на этапы.
3. Регуляция перехода растений в генеративное состояние. Явление
яровизации. Явление фотопериодизма.
4. Определение понятия
«рост». Фазы роста (деления, растяжения,
дифференцировки).
5. Влияние внешних и внутренних факторов на рост растений.
6. Переход растений в состояние органического покоя. Понятие и виды
покоя.
7. Размножение растений.
8. Фитогормоны, стимуляторы и ингибиторы роста. Практическое
использование фитогормонов в растениеводстве. Гербициды.
9. Ауксины. Применение ауксинов и их заменителей. Физиологические
проявления действия ауксинов. Влияние ауксинов на рост растений.
10.Гиббереллины, физиологические проявления действия гиббереллинов.
11.Цитокинины и брассины, их физиологическое действие.
12.Этилен, абсцизовая кислота, их физиологическое действие.
Тема 10. Движения растений.
1. Движения растений. Тропизмы и настии, их физиологические механизмы
и адаптивная роль.
Тема 11. Основы и механизмы устойчивости растений.
1. Представление о стрессе и стрессорах. Три фазы стрессовой реакции
растений. Механизмы устойчивости к повреждающим факторам внешней
среды.
2. Физиологические основы устойчивости растений. Жаростойкость,
морозоустойчивость, закаливание растений.
3. 60.Солеустойчивость растений, группы галофитов.
4. Фитогормоны, стимуляторы и ингибиторы роста. Практическое
использование фитогормонов в растениеводстве. Гербициды.
5. Ауксины. Применение ауксинов и их заменителей. Физиологические
проявления действия ауксинов. Влияние ауксинов на рост растений.
6. Гиббереллины, физиологические проявления действия гиббереллинов.
7. Цитокинины и брассины, их физиологическое действие.
8. Этилен, абсцизовая кислота, их физиологическое действие.
Вопросы к экзамену
1. Строение вторичной клеточной стенки.
2. Транспирация. Строение устьиц, регуляция устьичных движений.
3. Особенности водного обмена у растений разных экологических групп.
4. Круговорот азота в природе, доступные для растений формы азота.
Химическая и биологическая фиксация молекулярного азота атмосферы.
5. Пути ассимиляции аммиака в растении.
6. Редукция нитрата.
7. Нециклический и циклический транспорт электронов при фотосинтезе.
8. С3-путь фотосинтеза или цикл Кальвина.
233
9. Поглощение света и возбуждение хлорофилла. Строение антенных
комплексов.
10.Фотосистемы.
11.Фотодыхание. Схема, физиологическая роль.
12.С4-путь фотосинтеза или цикл Хетча и Слэка.
13.Фотосинтез по типу толстянковых (суккулентов).
14.Брожение. Типы, продукты брожения, распространение.
15.Глиоксилатный цикл..
16.Апотомический путь и прямое окисление сахаров при дыхании.
17.Гетеротрофный способ питания у растений. Типы гетеротрофного
питания, значение.
18.Деление растительных клеток. Образование фрагмопласта. Функция
клатрина. Неэквивалентный цитокинез.
19.Типы пластид и их формирование
20.Геном и белоксинтезирующая система пластид
21.Строение и белоксинтезирующий аппарат растительных митохондрий
22.Транспорт и сортировка белков в эукариотической клетке
23.Сигнальные системы клетки
24.Вторичные метаболиты. Классификация и функции.
25.Корневая система как орган поглощения воды.
26.Поглощение минеральных веществ растениями.
27.Строение и функции рибулозобисфосфаткарбоксилазы.
28.Влияние внутренних и внешних факторов на процесс фотосинтеза.
29.Хлорофиллы, строение и свойства.
30.Влияние внешних и внутренних факторов на интенсивность дыхания.
31.Взаимосвязь дыхания с другими процессами обмена растений.
32.Оксиредуктазы.
33.Хемосинтез. Принцип, распространение, роль хемосинтетиков
34.Ксилема. Строение, морфогенез, функция.
35.Флоэма. Строение, морфогенез, функция.
36.Типы секреции.
37.Строение и функции ауксинов.
38.Строение и функции гиббереллинов.
39.Строение и функции цитокининов.
40.Полярность растительных клеток
41.Дифференцировка клеток
42.Особенности роста растительных клеток.
43.Влияние факторов внешней среды на рост растений. Фитохром
44.Периодичность роста растений.
45.Устойчивость растений к патогенам.
46.Устойчивость растений к низким и высоким температурам.
47.Засухоустойчивость растений.
48.Солеустойчивость растений.
49.Строение и функции целлюлозы.
50.Строение и функции пектиновых компонентов.
234
51.Строение и функции гемицеллюлоз.
52.Строение и функции лигнина и суберина.
53.Строение и функции каротиноидов.
54.Строение и функции фикобилинов.
55.Строение и функции каллозы.
56.Функции Ф-белков (Phloem proteins) и форисом.
57.Строение и функции жасмонатов.
58.Строение и функции брассикостероидов.
59.Строение и функции этилена.
60.Функция PIN-белков.
61.Яровизация.
62.Тропизмы.
63.Ростовые настии.
64.Тургорные обратимые движения у растений.
65.Циклоаденилатная, сигнальная система.
66.MAP-киназная сигнальная система.
67.Фосфатидокислотная сигнальная система.
68.Кальциевая сигнальная система.
69.Липоксигеназная сигнальная система.
70.НАДФ-Н-оксидазная (супероксидсинтазная) и NO-синтазная сигнальные
системы.
71.Радиоустойчивость растений.
72.Устойчивость растений к недостатку кислорода.
235
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
По дисциплине «ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ»
Специальность – 020209.65 «Микробиология»
г. Владивосток
2011
236
Основная литература
1. Алехина Н.Д., Балконин Ю.В., Гавриленко В.Д. и др. Физиология
растений М.: Изд. Центр «Академия», 2007
2. Физиология растений. Под ред. проф. Ермакова И.П. М.: Академия, 2007
3. Кузнецов В.В., Дмитриева Г.А. Физиология растений. М.: Высшая школа,
2005
4. Медведев С.С. Физиология растений. Учебник. СПб.: Изд-во СПб. ун-та,
2004. 336 с.
5. Мокроносов,
А.
Т.
Фотосинтез.
Физиолого-экологические
и
биохимические аспекты М., 2006. – 448 c.
6. Якушкина Н.И., Бахтенко Е.Ю. Физиология растений. М.: 2005
7. Park S. Nobel. Physicochemical and environmental plant physiology. Fourth
edition. Elsevier Academic press. 2009
Дополнительная литература
1. Молекулярная биология клетки / Б. Альбертис, Д. Брей, Дж. Льюис и др.
В 3т. М.: Мир, 1994.
2. Малиновский В.И. Физиология растений Владивосток, ДВГУ: 2004
3. Гавриленко В.Ф., Гусев М.В., Никитина К.А., Хофман П. Главы
физиологии растений М.: 1986
4. Фотосинтез / Под ред. Говинджи. М.: Мир. 1987. Т. 1. 728 с.; Т. 2. 460 с.
5. Головко Т.К. Дыхание растений (физиологический аспект). СПб: Наука.
1999. 204 с.
6. Гудвин Т., Мерсер Э. Введение в биохимию растений. М.: 1986
7. Дерфлинг К. Гормоны растений. Системный подход. М.: 1985
8. Климашевский Э.Л. Генетический аспект минерального питания растений
М.: 1991
9. Либберт Э. Физиология растений М.: 1976
10.Малый практикум по физиологии растений (под ред. акад. А.Т.
Мокроносова) М.: изд-во московского университета, 1994
11.Метлицкий Л. В., Озерецковская О. Л. Как растения защищаются от
болезней М.: 1985
12.Курсанов А.Л. Транспорт ассимилятов в растении М.: 1976
13.Полевой В.В. Физиология растений М.: 1989
14.Полевой, В. В. Фитогормоны / В. В. Полевой. – Л., 1982. 25.
15.Тарчевский И.А. Метаболизм растений при стрессе. Казань, 2001
16.Эдвардс, С. Фотосинтез С3- и С4-растений: механизмы и регуляция М. :
Мир, 1986. – 590 с.
17.Усманов, И. Ю. Экологическая физиология растений М. : Логос, 2001.
237
интернет ресурсы
1. С.С. Медведев., Физиология растений, 2004
http://fizrast.ru/skachat/medvedev.html
2.
Н. Д. Алехина, Ю. В. Балнокин, В. Ф. Гавриленко и др. / Под ред.
И. П. Ермакова.,Физиология растений , 2005
http://fizrast.ru/skachat/ermakova.html
3.
Якушкина Н.И.,Физиология растений ,2004
http://fizrast.ru/skachat/yakushkina.html
238
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
ГЛОССАРИЙ
По дисциплине «ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ»
Спеециальность – 020209.65 «Микробиология»
г. Владивосток
2011
239
Автотрофный способ питания — характерен для организмов, обладающих
способностью синтезировать органические соединения из неорганических.
Аммонификация — процесс, протекающий в почве и приводящий к
образованию кетокислот, насыщенных органических кислот и аммиака.
Апикальный рост — рост растений за счет меристем, расположенных в
окончаниях (верхушках) стебля и корня.
Апопласт — совокупность свободных пространств клеток, межклетников и
мертвых сосудов ксилемы.
Брожение — анаэробный процесс расхода органических соединений на
более простые, сопровождающийся выделением энергии.
Водный
баланс
растений
—
соотношение
между
поступлением
и
расходованием воды.
Водный потенциал клетки (сосущая сила) — это разность между свободной
энергией воды внутри и вне клетки при той же температуре и атмосферном
давлении. Эта мера энергии, с которой вода устремляется в клетку.
Газоустойчивость растений — способность растений выносить повышенное
содержание в атмосфере различных газов.
Галофиты
—
растения
засоленных
местообитаний,
обладающие
способностью к приспособлению в процессе онтогенеза к высокой
концентрации солей.
Гетеротрофный
способ
питания
—
характерен
для
организмов,
обладающих способностью строить органическое вещество своего тела из
уже имеющихся готовых органических соединений, только перестраивая
их.
Гигроскопическая вода — вода, которая при помещении ее в атмосферу с
95% относительной влажностью почвы полностью недоступна для
растения.
Гигрофиты — наземные растения, обитающие в районах с большим
количеством осадков и высокой влажностью воздуха.
Гидатоды — водяные устьица, через которые осуществляется гуттация.
240
Гидропоника — выращивание растений на водных питательных растворах.
Гидрофиты — водяные растения с листьями, частично или полностью
погруженными в воду или плавающими.
Гликогалофиты
—
растения,
цитоплазма
клеток
корня
которых,
малопроницаема для солей.
Гликофиты — растения пресных мест, не обладающие способностью к
произрастанию на засоленных почвах.
Гравитационная вода — вода, заполняющая крупные поры и капилляры
почвы большого диаметра и подчиняется в своем движении действию силы
тяжести.
Гуттация — выделение воды в виде жидкости на поверхности листьев,
когда воздух насыщен водяными парами.
Денитрификация — процесс образования из доступных для растения форм
азота (NO2, NO3) недоступного — N2.
Деплазмолиз — явление, обратное плазмолизу, при этом цитоплазма
занимает прежнее положение.
Дыхательный коэффициент (ДК) — отношение количества выделенного
углекислого газа к количеству поглощенного кислорода.
Жаростойкость растений — растения, способные выносить повышенные
температуры.
Интенсивность дыхания — это количество поглощенного кислорода или
выделившегося углекислого газа единицу времени (1 час) на единицу массы
(1 г).
Интенсивность транспирации — количество воды граммах, испаренной с
1м2 поверхности листьев за 1 час.
Интеркалярный
(вставочный)
рост
—
рост
за
счет
меристем,
расположенных в основании междоузлий (у злака), а также интеркалярные
меристемы характерны для некоторых листьев.
Капиллярная вода — вода, сосредоточенная в капиллярах почвы, и ее
доступность тем выше, чем больше диаметр капилляра.
241
Коллоидно-связанная вода — вода, связываемая молекулами биополимеров.
Компенсационная точка — освещенность, при которой интенсивность
фотосинтеза равна интенсивности дыхания.
Корневое давление — сила, вызывающая в растении односторонний ток воды
с растворенными веществами, не зависящая от процесса транспирации.
Криптогалофиты (солевыделяющие) — растения, поглощающие соли
корнями, но не накапливающие их в клеточном соке.
Ксероморфизм — анатомические и физиологические особенности строения и
функционирования листьев верхних ярусов растений, которые развиваются
в условиях несколько затрудненного водоснабжения.
Ксерофиты — растения засушливых мест: полупустынь, саванн, степей, где
воды в почве мало, а воздух сухой и горячий.
Культура изолированных клеток и тканей — метод выращивания на
искусственной питательной среде в стерильных условиях клеток тканей,
возникших в результате деления клеток, выделенных из кусочков листа,
стебля, корня или других органов.
Мезофиты — растения, произрастающие в условиях умеренной влажности.
Микориза — это ассоциация корня высшего растения и непатогенного гриба.
Морозоустойчивость растений — способность растений выносить действие
низких
отрицательных
температур.
Это
комплексный
признак,
запрограммированный генетически и проявляющийся в определенных
условиях среды. Настии – движение органов растения, вызываемое
раздражителем, не имеющим строгого направления, а действующим
равномерно на все растения.
Нитрификация
—
процесс,
происходящий
в
почве
с
участием
микроорганизмов (Nitrobacter и Nitrosomonas) и приводящий к образованию
нитратов и нитритов.
Осмотически
связанная
вода
—
вода,
связанная
с
ионами
или
низкомолекулярными соединениями.
242
Осмотическое давление — это сила, которую необходимо приложить, чтобы
помешать
проникновению
воды
в
раствор,
отделенного
от
него
полупроницаемой мембраной.
Относительная
транспирация
—
это
отношение
интенсивности
транспирации к интенсивности свободного испарения с такой же площади,
как и площадь листьев.
Пасока — вода с растворенными веществами.
Плазмолиз — процесс отделения протопласта от клеточной стенки под
действием раствора большей концентрации, чем концентрация клеточного
сока.
Пленочная вода — вода, окружающая коллоидные частицы почвы.
Покой — такое состояние целого растения или отдельных органов, когда
отсутствует видимый рост.
Продуктивность транспирации — это количество граммов сухого вещества,
накопленного в растении при испарении 1000 г воды.
Ретарданты — синтетические ингибиторы роста.
Ризосферные микроорганизмы — микроорганизмы, развивающиеся около
корневых систем.
Сидерация
—
запахивание
зеленых
растений,
обычно
бобовых,
используемых в качестве удобрения. При этом почва обогащается азотом.
Симпласт
—
совокупность
протопласт
всех
клеток,
соединенных
плазмодесмами.
Тотипатентность — явление, когда клетки данного организма обладают
одинаковым
геномом,
а,
следовательно,
все
клетки
обладают
и
одинаковыми потенциальными возможностями.
Транспирационный
коэффициент
—
это
количество
граммов
воды,
израсходованной растением при накоплении 1 г сухого вещества.
Транспирация — физиологический процесс испарения воды надземными
органами растений.
243
Тропизмы — изменения положения органов, вызываемые односторонне
действующим внешним раздражителем.
Тургор — состояние напряжения клеточной оболочки.
Устьице — это отверстие (щель), ограниченная двумя замыкающими
клетками.
ФАР (фотосинтетически активная радиация) — участок видимого спектра,
поглощаемый пигментами хлоропластов (380…700 нм).
Фитогормоны — это вещества, действующие в ничтожных количествах,
образующиеся в одних органах и оказывающие регуляторное влияние на
какие-либо физиологические процессы в других органах растения.
Фитохром — пигмент из группы хромопртеидов с молекулярной массой
около 120 кДа.
Флуоресценция — явление свечения некоторых веществ при их освещении.
Хлорофилл флуоресцирует красным (вишневым) светом.
Фосфоресценция — длительное свечение, максимум которого лежит в
инфракрасной области спектра.
Фотодыхание — активируемое светом и высокой температурой процесс
поглощения кислорода и высвобождения углекислого газа.
Фотопериодизм
—
это
реакция
растения
на
соотношение
продолжительности дня и ночи, связанная с приспособлением онтогенеза к
сезонным изменениям внешних условий.
Фотосинтез
—
процесс
образования
органического
вещества
из
неорганических веществ — углекислого газа и воды, осуществляющийся на
свету, при участии пигментной системы растений.
Фотосинтетический коэффициент — отношение объема выделенного
кислорода к объему поглощенного углекислого газа.
Фотосинтетическое фосфорилирование — синтез АТФ за счет энергии
света.
Фотосистема — совокупность молекул пигментов (фотосинтетическая
единица) совместно с определенными белками-переносчиками электронов.
244
Хемосинтез — образование органических веществ из неорганических,
используя энергию химических связей.
«Хлороз» растений
— при недостатке железа замедляется синтез
хлорофилла и растения приобретают бледно-зеленую окраску, по цвету
напоминающую газ-хлор.
Эвгалофиты (солянки) — растения, накапливающие в клетках большое
количество солей, с мясистыми стеблями и листьями.
Эффект Пастера — в присутствии кислорода процесс брожения у дрожжей
тормозится и заменяется процессом дыхания; одновременно резко
сокращается распад глюкозы.
Яровизация — свойство озимых однолетних и двулетних растений ускорять
переход к заложению цветков после действия на них пониженных
температур в течение определенного времени.
245
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
(ДВФУ)
ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
По дисциплине «ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ»
Специальность – 020209.65 «Микробиология»
г. Владивосток
2011
246
1. Аксёнова Н.П., Миляева Э.Л., Романов Г.А. Флориген обретает
молекулярный облик / Н.П. Аксёнова, Э.Л. Миляева, Г.А. Романов //
Физиология растений. 2006. 3: 449 – 454.
2. Бухов
Н.Г.,
Егорова
Е.А.
Доказательства
функционирования
альтернативных путей электронного транспорта через ФСI в интактных
листьях ячменя на слабом белом свету / Н.Г. Бухов, Е.А. Егорова //
Физиология растений. 2005. 1: 5 – 11.
3. Ершов П.В., Решетова О.С., Трофимова М.С., Бабаков А.В. Активность
ионных транспортёров и солеустойчивость ячменя. Физиология растений
/ П.В. Ершов, О.С. Решетова, М.С. Трофимова, А.В. Бабаков // 2005. 6:
867 – 875.
4. Лукаткин А.С. Инициация и развитие холодового повреждения в листьях
теплолюбивых растений / А.С. Лукаткин // Физиология растений. 2005. 4:
608 – 613.
5. Патент США № 4443242 / Fox R. № 06/340462; Заявл. 18.01.1982; Опубл.
17.04.1984; 71/11.
6. Полесская О.Г., Каширина Е.И., Алёхина Н.Д. Влияние солевого стресса
на антиоксидантную систему растений
в зависимости от условий
азотного питания / О.Г. Полесская, Е.И. Каширина, Н.Д. Алёхина //
Физиология растений. 2006. 2: 207 – 214.
7. Пшибытко
Н.Л.,
Зеневич
Л.А.,
Кабашникова
Л.Ф.
Состояние
фотосинтетического аппарата в процессе фузариозного увядания томата /
Н.Л. Пшибытко, Л.А. Зеневич, Л.Ф. Кабашникова // Физиология
растений. 2006. 1: 31 – 37.
8. Романов Г.А., Медведев С.С. Ауксины и цитокинины в развитии
растений / Г.А. Романов, С.С. Медведев // Физиология растений. 2006. 2:
309 – 319.
9. Bauer Helmut, Plattner Karin, Volgger Waltraud. Photosynthesis in Norway
spruce seedlings infected by the needle rust Chrysomyxa rhododendri / Helmut
247
Bauer, Karin Plattner, Waltraud Volgger // Tree Physiology. 2000. 20: 211 –
216.
10. Blackman F. F. Vegetation and Frost. New Phytologist / F. F. Blackman //
1909. 8. 9 – 10: 354 – 363.
11. Espinoza C., Medina C., Somerville S., Arce-Johnson P. Senescenceassociated genes induced during compatible viral interactions with grapevine
and Arabidopsis. Journal of Experimental Botany / C. Espinoza, C. Medina, S.
Somerville, P. Arce-Johnson // 2007. 58(12): 3197 – 3212.
12. Espinoza C., Medina C., Somerville S., Arce-Johnson P. Senescenceassociated genes induced during compatible viral interactions with grapevine
and Arabidopsis. Journal of Experimental Botany / C. Espinoza, C. Medina, S.
Somerville, P. Arce-Johnson // 2007. 58(12): 3197 – 3212.
13. Grant John J., Loake Gary J. Role of Reactive Oxygen Intermediates and
Cognate Redox Signaling in Disease Resistance / John J. Grant, Gary J. Loake
// Plant Physiology. 2000. 124: 21 – 29.
14. Harrison L. Christen, Weiser Conrad J., Burke Michael J. Environmental and
Seasonal Factors Affecting the Frost-induced Stage of Cold Acclimation in
Cornus stolonifera Michx. / L. Christen Harrison, Conrad J. Weiser, Michael J.
Burke // Plant Physiol. 1978. 62: 894 – 898.
15. Karageorgou Panagiota, Manetas Yiannis. The importance of being red when
young: anthocyanins and the protection of young leaves of Quercus coccifera
from insect herbivory and excess light. / Panagiota Karageorgou , Yiannis
Manetas // Tree Physiology. 2006. 26: 613 – 621.
16. Koornneef Annemart, Pieterse Corne M.J. Cross Talk in Defense Signaling.
Plant Physiology / Annemart Koornneef, Corne M.J. Pieterse // 2008. 146: 839
– 844.
17. Kreps Joel A., Wu Yajun, Chang Hur-Song, Zhu Tong, Wang Xun, Harper Jeff
F. Transcriptome Changes for Arabidopsis in Response to Salt, Osmotic, and
Cold Stress. / Joel A. Kreps, Yajun Wu, Hur-Song Chang, Tong Zhu, Xun
Wang, Jeff F. Harper // Plant Physiol. 2002. 130: 2129 – 2141.
248
18. Loewenberg Jakob R. The development of bean seeds (Phaseolus vulgaris L.) /
Jakob R. Loewenberg // Plant Physiol. 30: 244-250.
19. Loreto F., Förster A, Dürr M., Csiky O., Seufert G. On the monoterpene
emission under heat stress and on the increased thermotolerance of leaves of
Quercus ilex L. fumigated with selected monotherpenes / F. Loreto, A. Förster,
M. Dürr, O. Csiky, G. Seufert // Plant, Cell and Environment. 1998. 21: 101 –
107.
20. Mentag R., Luckevich M., Morency M.-J., Séguin A. Bacterial disease
resistance of transgenic hybrid poplar expressing the synthetic antimicrobial
peptide D4E1. / R. Mentag, M. Luckevich, M.-J. Morency, A. Séguin // Tree
Physiology. 2003. 23: 405 – 411.
21. O'Dell Charlie. Foliar Feeding of Plant Nutrients. Virginia Vegetable, Small
Fruit and Specialty Crops / Charlie O'Dell // 2002. 1. 11.
22. Paré Paul W., Tumlinson James H. Plant Volatiles as a Defense against Insect
Herbivores. Plant Physiology / Paul W. Paré, James H. Tumlinson // 1999. 121:
325 – 331.
23. Paul Matthew J., Foyer Christine H. Sink regulation of photosynthesis /
Matthew J. Paul, Christine H. Foyer // Journal of Experimental Botany. 2001.
52. 360. P. 1383 – 1400.
24. Ropp R. S. De, Markley Elizabeth. The correlation of different aspects of auxin
action / R. S. De Ropp, Elizabeth Markley // Plant Physiology. 1955. 210 –
214.
25. Scarth G.W. Cell Physiological Studies of Frost Resistance: a Review / G.W.
Scarth // New Phytologist. 1944. 43. 1: 1 – 12.
26. Schachtman Daniel P., Reid Robert J., Ayling S.M. Phosphorus Uptake by
Plants: From Soil to Cell / Daniel P. Schachtman, Robert J. Reid, S.M. Ayling
// Plant Physiol. 1998. 116. P. 447 – 453.
27. Schröder Peter, Wolf Andreas E. Characterization of glutathione S-transferases
in needles of Norway spruce trees from a forest decline stand / Peter Schröder,
Andreas E.Wolf // Tree Physiology. 1996. 16: 503 – 508.
249
28. Schröder Peter, Wolf Andreas E. Characterization of glutathione S-transferases
in needles of Norway spruce trees from a forest decline stand / Peter Schröder,
Andreas E.Wolf // Tree Physiology. 1996. 16: 503 – 508.
29. Shvaleva Alla, Costa e Silva Filipe, Scotti Paula, Oufir Mouhssin, Hausman
Jean-François, Cedric Guignard, Ramos Paula, Almeida M. Helena, Rodrigues
M. Lucília, Pereira João S. , Chaves M. Manuela. Physiological and
biochemical responses to low non-freezing temperature of two Eucalyptus
globulus clones differing in drought resistance / Alla Shvaleva, Filipe Costa e
Silva, Paula Scotti, Mouhssin Oufir, Jean-François Hausman, Guignard Cedric,
Paula Ramos, M. Helena Almeida, M. Lucília Rodrigues, João S. Pereira, M.
Manuela Chaves // Ann. For. Sci. 2008. 65: 204.
30. Sundbom Erik, Strand Martin, Hallgren Jan-Erik. Temperature-Induced
Fluorescence Changes: A Screening Method For Frost Tolerance Of Potato
(Solanum sp.) / Erik Sundbom, Martin Strand, Jan-Erik Hallgren // Plant
Physiol. 1982. 70: 1299 – 1302.
31. Thomas Howard, Howarth Catherine J. Five ways to stay green / Howard
Thomas, Catherine J. Howarth // Journal of Experimental Botany. 2000. 51.
90001: 329 – 337.
32. Thomas Howard, Howarth Catherine J. Five ways to stay green / Howard
Thomas, Catherine J. Howarth // Journal of Experimental Botany. 2000. 51.
90001: 329 – 337.
33. Thomashow Michael F. Role of Cold-Responsive Genes in Plant Freezing
Tolerance / Michael F. Thomashow // Plant Physiol. 1998. 118: 1 – 8.
34. Torres Miguel Angel, Jones Jonathan D.G., Dang Jeffery L. Reactive Oxygen
Species Signaling in Response to Pathogens / Miguel Angel Torres, Jonathan
D.G. Jones, Jeffery L. Dang // Plant Physiology. 2006. 141: 373 – 378.
35. Zheng Si-Jun, Dicke Marcel. Ecological Genomics of Plant-Insect Interactions:
From Gene to Community / Si-Jun Zheng, Marcel Dicke // Plant Physiology.
2008. 146: 812 – 817.
250
