Диссертация (Роль органических кислот в механизмах устойчивости растений амаранта к действию тяжелых металлов), страница 10

По мнению(Liu et al.,2015) эта регуляция не связана с воздействием аммония на процессы фотосинтезаили дыхания, а определяется исключительно снижением в присутствии аммония притоканитрата в растения, который оказывает индуцирующее действие на аккумуляцию оксалата уриса (Tian et al., 2008), механизм которого неизвестен (Liu et al.,2015). Ранее было показано,чтоувеличениерН,сопровождающеередукциюнитрата,можетбытьсигналом,стимулирующим биосинтез органических кислот (включая оксалат) для поддержаниявнутриклеточного рН (Raven, Smith 1976).

Однако (Sugiyama, Okutani, 1996) показали, чторедукция нитрата не является предпосылкой синтеза оксалата в листьях шпината, аиспользование NH4NO3 в умеренной концентрации 3мМ не ведет к заметным изменениямвнутриклеточного рН (Blingy et al. (1997). Более убедительны молекулярные исследования,которые показали, что сам нитрат, а не производные его метаболизма или увеличение рН,действует как прямой сигнал, индуцирующий метаболизм органических кислот (Scheible etal.

1997). Аммоний же, напротив, может служить негативным сигналом, ингибируяаккумуляцию оксалата (Ji, 2004), возможно, через стресс-индуцируемое нарушениеметаболизма,однакоокончательныйответнаэтивопросытребуетдальнейшихисследований.1.5.2.3. Метаболизм оксалата в растенияхМногие годы полагали, что оксалат является конечным продуктом метаболизма, аобразование оксалата кальция служит снижению его потенциальной токсичности длярастений(Franceschi,Horner, 2000).Внекоторыхработах, напротив, приводятсядоказательства, что синтез оксалата может индуцироваться кальцием и усиливаться в ответна повышение уровня Ca в клетках (Keates et al., 2000; Kostman et al., 2001).

Вовлечениеоксалата в метаболизм обсуждалось рядом авторов, показавших формирование глиоксилатаиз меченого оксалата (Havir, 1984), а также включение в листьях гороха метки из оксалата вглицин и серин, а при низких уровнях - в гликолат, аланин, глутамат, цитрат и малат (Ivanovet al., 1989). У Arabidopsis thaliana и Medicago truncatula идентифицирован локализованный в42цитозоли фермент оксалил-CoA синтетаза, который может катализировать первый этапдеградации оксалата до CO2 (Foster et al., 2016).

На растениях Vigna umbellate, Medicagotruncatula,FagopyrumesculentumиAmaranthushypochondriacusсиспользованиемтранскриптомного анализа также были идентифицированы гены оксалил-CoA синтетазы(AAE3), что позволило предположить специфическое вовлечение этого фермента вдеградацию оксалата в цитозоли в условиях Al стресса (Lou et al., 2016; Chen et al., 2017).В вопросе аккумуляции кристаллов оксалата кальция в растениях, большинствоавторов фокусируются в основном на их роли в секвестировании избытка Ca и поддержанииионного баланса в клетках, рассматривая оксалат как, прежде всего, эффективныйпротивоиондлясвязываниякальция.Распространеннымявляетсямнение,чтоводонерастворимый оксалат кальция не утилизируется в растениях, хотя в единичныхработах сообщалось о частичной или полной деградации кристаллов оксалата кальция вусловиях Ca дефицита (стресса) (Franceschi, Horner, 1980; Franceschi, 1989; Webb, 1999).

Сдругой стороны, у некоторых видов растений, показана возможность окисления оксалата приучастии мембраносвязанной оксалат оксидазы с образованием H2O2 и CO2, в том числе, влистьях Amaranthus spinosus (Goyal et al., 1999). В этой связи большой интерес представляетнедавнее исследование, выполненное на Amaranthus hybridus (Tooulakou et al., 2016), вкотором сформулирована гипотеза “Alarm photosynthesis”. Наблюдая сокращение размеровкристаллов оксалата кальция и увеличение активности оксалат оксидазы в листьях амарантаднем в условиях засухи и частичное восстановление кристаллов ночью, авторыпостулировали биохимический механизм запасания углерода в форме оксалата кальция приучастии реакций темнового дыхания.

Деградациякристаллов этого динамичноговнутреннего пула углерода позволяет утилизировать запасенный углерод днем дляфотосинтетической ассисимиляции, особенно в условиях CO2 голодания, вызванногозакрыванием устьиц при засухе, а функцию сигнальной молекулы приписывают АБК(Tooulakou et al., 2016).431.5.3. Участие органических кислот в процессах поступления и детоксикациитяжелых металлов в растениях1.5.3.1. Роль секреции органических кислот в поступлении тяжелых металлов иметаллоустойчивости растенийВ основе явления участия органических кислот в поступлении и детоксикации ионовметаллов лежит способность таких кислот, как, прежде всего, цитрат, малат, оксалат,малонат, аконитат и тартрат образовывать прочные связи с ионами тяжелых металлов за счеткарбоксильных групп, выполняющих функцию донора кислорода в металло-лигандах (Anjumet al., 2015).

Роль секреции органических кислот как возможного механизма повышенияметаллоустойчивости растений в наибольшей степени исследована применительно к Alустойчивости таких растений, как пшеница (Delhaize et al., 1993; Ma et al., 2001), кукуруза(Pellet et al., 1995), рис (Yang et al., 2000) и гречиха (Ma et al., 1997). В исследованиях,выполненных на Triticum aestivum, было установлено, что важнейшим механизмом,обеспечивающим устойчивость пшеницы к токсическому действию ионов Al3+, являетсяэкскреция малата с участием Al-активируемых малат-транспортирующих каналов (ALMT),локализованных на плазмалемме клеток кончика корня, ведущая к экстраклеточномухелатированию ионов Al3+ и ограничению их поступления в растения (Delhaize et al., 1993;Ma et al., 2001; Ryan et al., 2011; Yang et al., 2013).

Приводятся свидетельства, что секрецияанионов малата сопровождается секрецией ионов K+, что обеспечивает поддержание ионногобаланса и рН апопласта (Kochian et al., 2015).Однако модельные расчеты позволилизаключить, что эффлакс малата может быть недостаточен для обеспечения устойчивостипшеницы к Al стрессу и видимо малат, локализованный в клетках эпидермиса, такжеучаствует во внутриклеточной детоксикации ионов Al на уровне клеток корня (Kinraide et al.,2005).С другой стороны, было показано, что в растениях сорго, кукурузы, ячменя, сои иарабидопсиса Al устойчивость коррелирует скорее с секрецией цитрата, чем малата, котораяосуществляется при участии транспортеров MATE семейства в антипорте с Н+ (Ryan et al.,2011; Meyer et al., 2010; Wu et al., 2014). Более Al устойчивые генотипы кукурузыэкскретировали больше цитрата, чем менее устойчивые (Pellet et al., 1995).

Однако Пинерос ссоавт. (Piñeros et al., 2005) в исследованиях на других генотипах кукурузы наблюдали слабуюкорреляцию между эксудацией цитрата и Al устойчивостью растений Zea mays, чтопозволило им предположить экскрецию других, не установленных Al-хелаторов, например,44фенолов, в условиях Al стресса.

У риса, в отличие от других злаков, MATE механизм Alустойчивости выражен слабее, что позволило предположить доминирующую роль ABCтранспортеров, определяющих эффлакс UDP-глюкозы в клеточную стенку, что изменяет еесостав и снижает Al-связывающую способность, а также активизацию работы OsNrat1транспортера, который перемещает ионы Al3+ из клеточной стенки в клетки корня с ихпоследующим секвестированием в вакуолях при участии OsALS1 транспортера (Kochian etal., 2015).

Полагают, что устойчивость растений к Al стрессу может обеспечиватьсяпараллельным функционированием двух механизмов - экстраклеточного хелатирования Alлигандами органических кислот и внутриклеточного изолирования в вакуолях клеток корней(Ryan et al., 2011).Молекулярный механизм конститутивной и Al-индуцируемой экспрессии генов ALMTи MATE только сейчас начинает проясняться на основе идентификации cis-элементов и transфакторов, вовлеченных в экспрессию ряда Al устойчивых генов, при этом полученыдоказательства, что у пшеницы и арабидопсиса функционируют механизмы экскреции какмалата, так и цитрата (Lopez- Bucio et al., 2000; Kochian et al., 2015).

Эксудацию органическихкислотуAl-устойчивыхрастенийрассматриваюткакэволюционнуюадаптацию,позволяющую, прежде всего, нативным видам растений выживать в присутствии токсичныхконцентраций Al на кислых почвах (Lopez- Bucio et al., 2000). Попытки установить, являетсяли экспрессия генов ферментов, участвующих в синтезе органических кислот, или работатранспортеров на плазмалемме лимитирующей ступенью в экскреции органических кислотпри Al стрессе, дали противоречивые результаты. Согласно данным, приведенным в рядеработ, в одних экспериментах при Al стрессе наблюдали эффект повышения синтеза иусилениявыходацитратаималатаприсверхэкспрессиигеновцитратсинтазы,малатдегидрогеназы, ФЭП карбоксидазы и генов других энзимов, вовлеченных в цикл ДТК,однако в других случаях подобный эффект отсутствовал (Delhaize et al., 2007; Ryan et al.,2011; Yang et al., 2012).

С другой стороны, увеличение секреции анионов кислот не былопропорционально их концентрации в корнях, что наводит на мысль, что основную рольиграет активность транспортеров (Yang et al., 2012). Как было установлено, сверхэкспрессиягенов, кодирующих белки транспортеров кислот на плазмалемме, приводила к значительномуповышению Al устойчивости, т.е. Al действует, прежде всего, на экспрессию ALMT и MATEгенов (Kochian et al., 2015). С другой стороны, отмечается, что при нейтральном рН цитрат 3как анион трикарбоновой кислоты, является значительно более сильным хелатором Al3+, а45также Fe3+, Zn2+ и Cd2+, чем малат2- (Ryan et al., 2001), тогда как при кислом рН малат иоксалат формируют более устойчивые комплексы с этими металлами, а при высоких рНспособность к комплексированию сильно снижается (Jones, 1998).Исследование роли секреции органических кислот в устойчивости растений к такимметаллам, как Al, а также к Zn, Cu, Ni, Pb, Cd, позволило установить, что наряду с малатом ицитратом в корневых эксудатах ряда растений часто обнаруживается оксалат.

Секрециюоксалата корнями в условиях Al стресса наблюдали у гречихи (Ma et al., 1997- по Lopez). и уряда других видов, для которых характерна аккумуляция оксалата - амаранта, шпината,томата (Ma et al., 1997; Yang et al., 2008). С другой стороны была показана Cd- индуцируемаясекреция оксалата из апекса корней томата L. esculentum, ассоциированная с эксклюзией Cdи Cd устойчивостью растений (Zhu et al., 2011). Ингибитор анионного канала PG блокировалсекрецию оксалата, а внешний оксалат эффективно устранял Cd токсичность, препятствуявходу Cd в корень, видимо, через формирование внешнего Cd-оксалатного комплекса (Zhu etal., 2011). Экскреция оксалата показана также для растений риса в присутствии Pb (Yang etal., 2000).