Диссертация (1144823), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Фермент,который кодирует этот разрушенный вставкой ген - PPH, оказался способным77отщеплять фитол от молекул феофитина (хлорофиллов, не содержащих магния),но не хлорофилла.В результате изъятия магния из порфиринового кольца ферментом магнийдехелатаза образуется феофорбид «а». К настоящему времени этот фермент невыделен, хотя накоплены данные об его активности и локализации [Suzuki et al.,2005]. Обнаружение феофитиназы позволило предположить, что деградация ХЛначинается с потери ионов магния, а образующийся при этом феофитин теряетфитол, превращаясь в феофорбид, под действием фермента PPH (рисунок 1.19).1.5.2. Образование неокрашенных катаболитовПотеря зеленой окраски листьев в процессе деградации ХЛ связана скислород-зависимым «раскрытием» порфириновогокольца ПХЛД и егопоследующей редукцией ферментами: феофорбид а оксигеназой (pheophorbide Aoxygenase – PAO) и редуктазой красных катаболитов хлорофилла (red chlorophyllcatabolite reductase – RCCR).
Мутанты, с нарушениями катаболизма ХЛ на этапахобразования неокрашенных форм, как правило, сохраняют зеленую окраску вусловиях, где растения дикого типа теряют хлорофилл, и называются sgr(staygreen - остающиеся зелеными). Фенотип такого мутанта риса Glutinousjaponica оказался обусловлен рецессивной мутацией в гене, соответственноназванном SGR [Cha et al., 2002]. Вскоре были найдены его ортологи: у овсяницылуговойFestucapratensis(Senescence-induced-deficiency),арабидопсиса˗˗(Nonyellowing), у томатов (Greenfresh) и перцев (Chlorophyll retainer) [Armstead etal., 2006; Ren et al., 2007; Barry et al., 2008].
Ген, затронутый мутацией sgr угороха, был идентифицирован как менделевский ген зеленой окраски семян[Armstead et al., 2007; Sato et al., 2007]. Для поиска гена SGR риса былаиспользована стратегия позиционного клонирования [Jiang et al.,2007] и показано,что белок SGR не является ферментом РАО, а регулирует катаболизм ХЛ,вызывая разрушение хлорофилл-связывающих белковых комплексов ПБЛК 2[Aubry et al., 2008].781.19А. Распад ХЛа начинается с 1.19Б.
После удаления Mg2+ из молекулыотщепления фитола хлорофиллазой. Из ХЛа образуется феофитин, от которогообразовавшегося хлорофиллида а магний- фермент феофитиназа отщепляет фитол сдехелатаза удаляет ионы Mg2+.образованием феофорбида.Рисунок 1.19. Две возможные схемы катаболизма ХЛ (А и Б). Полужирнымкурсивом даны ферменты (слева) и кодирующие их гены (справа). ККХ редуктаза –редуктаза красных катаболитов ХЛФеофорбид а оксидаза – Fe-зависимая монооксигеназа, наиболее активная впериод старения листьев, была обнаружена при изучении мутантов: acd1(accelerated cell death) арабидопсиса и lls1 (lethal leaf spot) кукурузы [Gray et al.,1997; Pružinská et al., 2003]. В условиях вызванного темнотой старения их листьясохраняли зеленую окраску, а на свету покрывались некротическими пятнами иззанакопленияфотохимически-активногофеофорбидаа.Исследованияфенотипически сходных мутантов acd2-2 и acd2-9 арабидопсиса, полученныхпутем химического и Т-ДНК-инсерционного мутагенеза в 90-е годы 20 века,показали, что они несут нарушения в гене RCCR, кодирующем редуктазу красных79катаболитов хлорофилла [Pruzinská et al., 2007].Обнаружение еще одного типа мутантов риса, сохраняющих зеленуюокраску при помещении в темноту: nyc1 и nol1-3, их картирование и поиск генов,затронутых мутациями, привели авторов к заключению, что гены: Nic1 (nonyellowcoloring) и Nol (Nyc1-like) кодируют локализованную в пластидахкороткоцепочечнуюХЛb-дегидрогеназу/редуктазуиХЛb-редуктазу,соответственно.
Оба фермента взаимодействуют in vivo и, по-видимому,обеспечивают конверсию ХЛb в 7-гидроксиметил-ХЛа [Kusaba et al., 2009].Исследования процессов деградации ХЛ, начавшиеся в конце 20 столетия,активизировались в последнее десятилетие в связи с появлением новыхмолекулярно-генетических методов и подходов. За это время была установленагенетическая детерминация большинства ферментов путей их катаболизма. Вближайшембудущемпредстоитвыяснениемеханизмоврегуляцииэтихферментов в разные периоды жизненного цикла растений и их роли в адаптациирастений к экстремальным внешним условиям (световым, температурным) изащите от патогенов.
Фундаментальные исследования в этой области имеют иочевидныеприкладныеаспекты-ониоткрываютвозможностипутемгенетических манипуляций замедлять или ускорять созревание плодов исохранять зеленой окраску листьев во время длительного хранения растений.1.6. Эволюционные аспекты метаболизма хлорофилловЭволюция генов, контролирующих ферменты метаболизма хлорофиллов,по-видимому, шла по пути приспособления к изменяющимся условиям внешнейсреды и решения «внутренних проблем», главной из которых стала защита отфотодинамического действия свободных порфиринов. В соответствии с теориейБеркнера и Маршалла [Berkner and Marshall, 1965], не утратившей своейактуальности по сей день, формы существования биоты и ее эволюцияопределяются состоянием атмосферы (рисунок 1.20).80По данным палеонтологии зарождение жизни (рисунок 1.20, точка 1)произошло около 4,0 млрд.
лет назад в археозое, и первыми обитателями Землибылианаэробныегетеротрофы,которыесуществоваливусловияхбескислородной восстановительной атмосферы под слоем воды 10-50 м,защищавшемпротоорганизмыотгубительногодействияжесткогоультрафиолетового излучения [Иорданский, 2001]. Около 3,4-3,2 млрд. лет назаднекоторые из них приобрели способность к фотосинтезу (рисунок 1.20, точка 2).Для утилизации световой энергии древние фототрофы использовали родопсин(сохранившийся у современных галофитов) и более эффективные тетрапирролыбактериохлорофиллы ˗˗ при хлорофильном фотосинтезе на один поглощенныйквант через мембрану переносится не один ион Н+, как при родопсиновомфотосинтезе, а два [Скулачев, 1997]. Для фототрофных бактерий характеренаноксигенный фотосинтез ˗˗ простой биохимический процесс, осуществляемыйпри помощи одной фотосистемы I. Донором электрона при таком фотосинтезеобычно служит сероводород, а продуктами выделения - сера или сульфат.Филогенетический анализ магниевой ветви биосинтеза тетрапирролов позволилустановить, что наиболее древние фототрофы – это пурпурные бактерии [XiongandBauer,2002].«Изобретателями»оксигенногофотосинтезасталицианобактерии, которые 2,6 млрд.
лет назад научились использовать в качестведоноров электронов воду (рисунок 1.20, точка 3). Фотохимическое разложениеводы в процессеих жизнедеятельности сопровождалось выделением кислорода[Battistuzzi, 2004], и наиболее эффективным средством нейтрализации токсичногомолекулярногокислородасталокислородноедыхание.Интересно,чтоцентральный блок системы аэробного дыхания – цепь переноса электроновсформировалась у цианобактерий (и у ряда других, в т.ч. пурпурных бактерий) наоснове электронно-транспортной цепи фотосинтеза.
Сначала, по-видимому,осуществлялось простое "сжигание" органики с единственной целью обезвредитькислород. Лишь в дальнейшем была открыта возможность синтезировать АТФ вэтом процессе. С увеличением концентрации абиогенного кислорода в атмосфере81до так называемой «точки Пастера», когда его содержание достигло 1% отсовременногоуровня,у биотыпоявиласьвозможностьиспользовать вэнергетических целях аэробную диссимиляцию (дыхание), которое в 14 разэффективнее анаэробного брожения.В истории Земли известны два периода резкого повышения концентрацииО2 в атмосфере.
Первая «кислородная катастрофа» (точка Постера), произошлапримерно2,4-2,2млрд.летназадблагодаряоксигенномуфотосинтезуцианобактерий. К этому времени абиогенный кислород сформировал озоновыйслой, защищающий Землю от солнечного ультрафиолета, что позволилообитателям планеты расширить пространство своего обитания – подняться вверхние слои океана. В этот период возникают гены, кодирующие ферменты,активные только в присутствии кислорода: HemF, HemG, AcsF (рисунок 1.20,выделены зеленым цветом).
Второй «кислородный взрыв», случившийся около800-542 млн. лет назад, по-видимому, вызвал «позднекембрийский взрывформообразования» [Berkner and Marshall, 1965; Frei, 2009].Эукариоты появились на планете 1,5 - 1.2 млрд. лет назад (рисунок 1.20,точка 4) в результате вторичного эндосимбиоза с цианобактериями. Наиболеевероятными предками пластид считают азотфиксирующие цианобактерии: Nostocsp. PCC7120 и Anabaena variabilis [Deusch et al., 2008]. Преобразованиехлорофилл-содержащих бактерий в хлоропласты сопровождалось переносомбольшинства генов, контролирующих реакции фотосинтеза и биосинтезтетрапирролов в ядро [Bock and Timmis, 2008].
При этом произошла утрата двух«аэробных» ферментов цианобактерий – bchE и COR, кодируемых генами: bchE иbchX,Y,Z, соответственно (рисунок 1.20, выделены розовым цветом). Кприобретениям этого времени можно отнести появление «аэробных» ферментовбиосинтеза ХЛb – дополнительного светособирающего пигмента.82Рисунок 1.20. Эволюция генов ферментов метаболизма хлорофилловСледующий важный этап эволюции растений, по-видимому, связанный совторым «кислородным взрывом», – это возникновение многоклеточности.
Еедатируют появлением харовых водорослей (Charophyta) 450-410 млн. лет назад.Примерно в это же время произошел выход растений на сушу (ок. 420 млн. летназад), что потребовало изменений в организации форм взаимодействия растенияс окружающей средой (рисунок 1.20, точка 5). Концентрация углерода ватмосфере того периода (ок.
3000 ppm) значительно превышала его сегодняшнийуровень (ок. 400 ppm), что стимулировало развитие механизмов фиксацииуглерода [Beerling and Berner, 2005]. Этот период также связывают с появлениеммеханизма сбрасывания таллома, установленного для примитивного дереваArchaeopteris, существовавшего уже 359-349 млн. лет назад [Raven, 1986].Концентрация углерода оставалась высокой вплоть до позднего девона (40-50млн. лет назад), а затем резко снизилась, что привело к замене микрофилиимакрофилией (появлениию крупных листовых пластин). Покрытосеменныепоявились в юрском периоде (150 млн. лет назад), и уже 120 млн. лет назад83заняли лидирующее положение в глобальной флоре (рисунок 1.20, точка 6).
Иххлоропластные геномы утратили гены chlL,B,N, кодирующие тПОР (темновуюПХЛД-оксидоредуктазу), – последнего в ряду ферментов, ведущих своепроисхождение от анаэробных нитрогеназ цианобактерий, но приобрелиспособность к старению – деградации хлорофиллов и преобразованиюхлоропластов в этиопласт, называемых в этих случаях герантопластом. Полагают,что эволюция генов катаболизма ХЛ началась с появлением эукариот–кодируемые ими ферменты были необходимы для обеспечения перехода от фоток гетеротрофным условиям жизни [Thomas et al., 2009].Увеличениесодержаниякислородаватмосферевынуждалофотосинтезирующие организмы искатьзащитные механизмы метаболической исигнальной регуляции, позволяющие предотвратить накопление в их клеткахсвободных фотореактивных молекул порфиринов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
