И.П. Ермаков - Физиология растений (1134204), страница 124
Текст из файла (страница 124)
Вспашка поля ночью показала, что засоренность снижается на 30— 60% по сравнению с участком, вспаханным днем. 7.3.2.Б. Внутренние часы и фитохромная система В растениях важную роль играют циркадные лрояессы, связанные со сменой дня и ночи (от лат. сиса — вокруг, йез — день).
У растений существуют «внутренние часы», которые отмеряют время. Чтобы обнаружить их, использовали растение РЬагЬ~ти лЫ (сем. Вьюнковые). Цветение фарбитис зависит от длины светового дня: если день короче определенного интервала, то растение цветет, если длиннее — вегетирует. Уникальность физиологических свойств фарбитис в том, что цветение можно вызвать единственным днем «удачного» освещения. Проростки фарбитис, растущие в темноте, обрабатывали вспышками красного света. Если вторая вспышка света следовала через короткий промежуток после первой, то растения переходили к цветению. Как только интервал между двумя вспышками превышал критическую величину, растение не давало цветков. Однако если дать вторую вспышку более чем через 24 ч, оно снова цвело (рис. 7.30).
Вероятно, у фарбитис есть «эндогениые часы», которые «запускаются» первой вспышкой света. С этого момента растение «отмеряет сутки». «Внутренние сутки» разбиты на фотофильный (рйойи — свет) и скотофильный (з/согоз— темнота) периоды. Если вторая вспышка приходится на фотофильный период, фарбитис цветет, а если на скотофильный — вегетирует. Фитохромная система взаимодействует с внутренними часами растения. Растение «подстраивает» циркадные ритмы по сигналам фитохромной и криптохромной (см.
подразд. 7.3.3) систем. Зндогенный ритм часов и внешний ритм освещения интегрируются в единый сигнал„на который растение должно ответить адекватно (в частности„фарбитис запускает программу цветения или вегетативного развития). В течение суток условия освещения меняются из-за того, что солнце находится под разными углами к горизонту. Когда оно в зените (угол, близкий к 90'), спектр падающих лучей искажается незначительно. Однако при малых углах (раннее утро или поздний вечер) спектр оказывается обогащенным К- и ДК-квантами.
Утром и Ф(А), и Ф(В) активизируются, растение «просыпает- 485 ег. рис. 7.30. Опыт (варианты), демонстрирующий наличие часов у РлаИмти пг7(вьюнковые): 1, 2 — вторая вспышка приходится на ! фотофильную фазу, растение цветет (цв.); 3 — 5— вторая вспышка приходится на скотофильную фазу, растение вегетирует (вег.); 6, 7 — вторая вспышка приходится на И фотофильную фазу, растение цветет; 8 — схематическое изображение внутренних часов (эндогенного цнркадного осциллятора); ат — вспышки света; длителыиють темного времени показана штриховкой ся».
Вечером растения получают большую дозу дальних красных лучей, активизируется только Ф(А), тем самым фитохромная система «говорит» растению о времени суток. Часто ночью температура воздуха заметно ниже, чем днем, поэтому, получив фитохромный сигнал и «сверив» его с часами, растение «предпринимает превентивные меры» (о механизмах защиты от холода см. в гл. 8). Если растения вовремя не получат сигнал о наступлении ночи, они не успевают адаптироваться к суточным колебаниям температуры и хуже растут. Важность фитохромов для циркадной температурной адаптации выяснили случайно.
В целях повышения продуктивности лесных насаждений были получены трансгенные осины (Рори1из ггети1а), в геном которых был встроен ген фитохрома А под сильным промотором. Это привело к снижению эффекта «избегания тени» (растениям «казалось», что они постоянно получают ДК- свет высокой интенсивности). Ученые предложили высаживать осину более плотно, чтобы получить больше древесины с той же площади. При посадке в грунт осины с измененной активностью фитохрома А не могут адаптироваться к суточным колебаниям температуры, страдают от ночных заморозков.
Таким образом, фитохромная система важна для восприятия растениями чередования дня и ночи, «Сверяя» фитохромные сигналы с «внутренними часами», растения «определяют длительность дня и ночи (иногда с точностью до 1О минут!). Т.З.З. ФОТОРЕЦЕПЦИЯ В СИНЕЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА: КРИПТОХРОМ И ФОТОТРОПИН 7.3.3.1. История изучения фоторецепции в синей обпасти спектра В 1881 г. Ч. Дарвин в опытах с фототропизмом у канареечной травы (Рла1апз) показал, что экран из раствора бихромата калия, не пропускающий синий свет, полностью снимает эффект фототропизма.
В 1883 г. немецкий физиолог растений Ю. Сакс провел опьпы с применением цветных стекол и различных растворов, чтобы более полно оценить спектральные характеристики света, вызывающего реакцию фототропизма. В итоге стало понятным, что растение «чувствует» синий свет (красный не вызывал фототропизма). В дальнейшем эта часть спектра была сужена до 400 — 500 нм. Было показано, что от синего света зависят и другие физиологические ответы: синтез каротиноидов, антоцианов, устьичные движения. Вызванный синим светом ответ невозможно было обратить квантами света с другой длиной волны.
Значит, у растений есть еше один фоторецептор, отвечающий за восприятие синей части спектра. Методы, которые применяли для изучения фитохрома, оказались почти неприемлемыми для нового рецептора„выделить и охарактеризовать его не улавалось вплоть до конца ХХ в. Гипотетический фоторецептор был назван крилтохромом (от греч. сгургох — скрытый). Наложение физиологического спектра действия при фототропизме на спектры поглощения пигментов давало расплывчатые результаты: на роль криптохромов претендовали флавины, птерины и производные каротиноилов. Более того„в синей части спектра есть максимумы поглощения и у фитохромобили- 487 на, и у хлорофиллов. По объективным причинам изучение восприятия синего света оказалось сложной проблемой.
В 1993 г. проблему криптохрома смогли решить А.Р. Кашмор и М.Ахмад. Они отобрали среди мутантных растений арабилопсис те, которые давали удлиненный гипокотиль как в темноте, так и на свету. Оказалось, что часть мутантов не реагирует на синий свет (гипокотиль длинный), а на красном свету гипокотили этих мутантов короткие. Очевидно, что фитохромная система работает нормально, а мутанты имеют нарушения в криптохромной системе.
Удалось выделить мутации как по биосинтезу хромофора, так и по белковой части криптохрома„клонировать эти гены и получить их полную последовательность. 7.3.3.2. Криптохром — рецептор синего света, покапизованный в ядре и цитоппазме У АгаЬЫоругл криптохромная система представлена двумя белковыми комплексами: СВХ 1 и СКУ 2. У папоротника Айапуит сарг(!ия-иенегй обнаружено 5 генов, кодирующих различные криптохомы. Судя по последовательности нуклеотидов, белки криптохромов родственны ДНК-фотолиазам.
Эти ферменты позволяют репарировать сшивки, возникающие в ДНК вследствие облучения ультрафиолетом. ДНК-фотолиаза несет две хромофорные группы: флавии и птерин (или деазафлавин). Восстановление ДНК фотолиазами возможно только в присутствии света. Криптохромы обладают консервативным участком с двумя карманами для хромофорных группировок и дополнительным участком на С-конце. По-видимому, именно С-концевой домен приводит к изменениям свойств фотолиазы и превращению в фоторецептор (рис.
7.31). СООН Рис. 7.31. Структура криптохрома: 1 — получение кванта синего света птериновым ядром; 2 — передача возбуждения на ядро флавина; 3 — ответ в форме релокс-реакции; 4 — функциональные домены белковой части криптохрома Криптохром не может непосредственно восстанавливать ДНК, но первичные акты захвата света у него такие же, как у фотолиазы, Птерин (метенилтетрагилрофолат) функционирует как светособираюший хромофор. При попадании «синего кванта» света возбуждение передается в «реакционный центр» криптохрома — на молекулу ФАД.
Наличие двух хромофоров объясняет тот факт, что физиологический спектр действия криптохрома совпадает как со спектром флавинов, так и со спектром птеринов. ФАД в составе криптохрома ! находится в стабильной семихинонной форме (он частично восстановлен и легко отдает электроны). Семихинон ФАД поглощает не только в синей, но и в зеленой части спектра. Таким образом, физиологический ответ вызывает не только синий, но и интенсивный зеленый свет.
Получив квант света, электрон флавинового ядра возбуждается, т.е. переходит на более высокую орбиталь, и редокс-потенциал резко изменяется. Возбужденный флавии — сильный восстановитель. В настоящий момент существует три гипотезы работы криптохрома. 1. Происходит самовосстановление молекулы криптохрома с изменением ее конформации, что активизирует вторичные мессенджеры. 2.
В систему передачи сигнала вовлечен промежуточный редокс-партнер. 3. Партнеру передается не электрон, а возбуждение квантом синего света, и этот квант приводит в действие еще одну хромофорную молекулу. Если эффективного взаимодействия не состоялось, возбужденное флавиновое ядро теряет энергию (флуоресцирует).
На свету криптохром 1 (СКУ 1) связывается с фитохромом А, и криптохром фосфорилируется. Очевидно, без фосфорного остатка криптохром не активен. Фитохром А, получив из окружающей среды сигнал о том, что «свет в принципе есть», активизирует систему синего света. Криптохром ш ийо взаимодействует с некоторыми фосфатазами, изменяя их активность. Возможно, каскад фосфорилирования/дефосфорилирования — один из механизмов передачи сигнала.
Криптохром локализован в ядрах, что неудивительно: он очень похож на ДНК-фотолиазы, которые, по определению, имеют внутриядерную локализацию. Предполагают светозависимый транспорт криптохрома через ядерную мембрану. Вторичные мессенджеры криптохромной системы также располагаются в ядре и участвуют в регуляции экспрессии генов. Криптохром 2 пока еше недостаточно изучен. Белковая часть молекулы на Х-концевом участке похожа на криптохром 1 (соответствует доменам, связывающим хромофоры), отличаются только С-концевые участки. Белок СКУ 2 связывает ФАД.
При мугациях сгу 2 повреждаются ответы на синий свет низкой интенсивности, а если нарушена работа криптохрома 1, то растения не реагируют на высокую интенсивность синего света. Как и в системе фитохромов, у криптохромов есть разделение по функциям: криптохром 1 дает «приблизительный» сигнал (есть много света в синей и соседней зеленой областях), а криптохром 2 сигнализирует более точно (низкая интенсивность синего). Благодаря спектральным свойствам лополнительного пигмента — птерина, криптохромы поглощают кванты не только синей области, но и из ближнего ультрафиолета (!)У-А), поэтому криптохромы рассматривают как возможные УФ-фоторецепторы.
Одним из механизмов, защищающих организм от жесткого излучения, является биосинтез антоцианов и каротиноидов. Неудивительно, что их синтез контролируется криптохромами. От криптохромного сигнала зависит экспрессия генов халконсинтазы, халконизомеразы, дигидрофлавонолредук- 489 тазы и других ферментов биосинтеза антоцианов. Заметим, что для биосинтеза ангоцианов необходимы как фитохромная, так и криптохромная системы. Криптохромная система участвует в «настройке» внутренних часов в растении и получении фотопериодического стимула, однако она не является главной. Интересно, что у животных (мыши, дрозофилы) также обнаружены криптохромы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
