Диссертация (1145773), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Показано, что в переносе ТМ через мембраны клеток участвуют белки,относящиеся к нескольким семействам, из которых наиболее изучены ZIP, ABC, OPT,NRAMP, CTR, HMA и CAX семейства (Титов и др., 2014). Кинетика активного поступленияионов ТМ в клетку подчиняется уравнению Михаэлиса-Ментен. Для Zn величина Km поразным данным варьирует у разных растений в диапазоне 1,5 – 50 мкМ (Broadley et al., 2007),для Cd величина Km ниже и согласно (Lux et al., 2011) варьирует в диапазоне 0,02-1,0 мкM.15Активный транспорт цинка в клетку осуществляется в основном при участиитранспортеров ZIP семейства (zinс-iron-regulated transporter) (Hassan, Aarts,2011; Tsonev,Lindon, 2012). Белки этого семейства малоизбирательны и могут транспортировать несколькодвухвалентных катионов металлов, включая Zn2+, Fe2+, Mn2+, а также Cd2+.
В геномеарабидопсиса обнаружено 15 ZIP транспортеров, при этом экспрессия генов AtZIP1, AtZIP2 иAtZIP5 приводит к увеличению содержания цинка в корнях арабидопсиса (Sinclair, Kramer,2012). Сообщается, что экспрессия других генов этого семейства (ZIP3/4/9) возрастает вусловиях дефицита цинка в среде, а также, что ZIP транспортеры различаются локализациейна внутриклеточных мембранах и в разных тканях корня (Титов и др., 2014). У злаковпоказана возможность поступления ионов цинка в комплексе с фитосидерофорами спомощью YS1 транспортера (Yellow-Stripe 1-Like), у мутантов с отсутствием гена YS1транспорт комплексов Zn был нарушен (von Wiren et al., 1996).
В транспорте Zn такжепоказано участие белков CDF семейства катион/протонных антипортеров, которые впервыебыли охарактеризованы у арабидопсиса и получили название как ZAT (Zinc Transporter ofArabidopsis thaliana), однако их функция связана в основном с исключением Zn из цитозоля ввакуоль и поддержанием цитозольного Zn гомеостаза (Hall and Williams, 2003). В выведенииZn из цитоплазмы, по-видимому, участвуют также белки MPT (Metal Tolerance Protein илиMetal Transport Protein) семейства (Sinclair, Kramer, 2012).Кадмий не является необходимым для растений минеральным элементом, поэтому вклетках нет специфических Cd-транспортеров. Ионы Cd2+ могут проникать в клетки корнякак через неселективные катионные каналы, конкурируя, в частности, с ионами Ca2+, так и сиспользованием транспортных систем других ионов (Рисунок 2), прежде всего, через ZIPтранспортеры (Korshunova et al., 1999; Lux et al., 2011).
Кроме того, Cd может поcтупать вклетки корня с участием YS1 транспортера в виде Сd-хелата (Curie et al., 2009). Наплазаматической мембране клеток эндодермы и экзодермы корня риса выявлен еще одинтранспортный белок - OsNramp5, который может участвовать в мембранном переносе ионовCd2+, а также цинка и марганца в клетки корней (Uraguchi, Fujiwara, 2013). Функции другихшести транспортеров из этого семейства пока до конца не установлены (Loix et al., 2017).Следует отметить, что на плазмалемме клеток корней, помимо транспортеров,обеспечивающих приток металлов в клетку, функционируют и механизмы, осуществляющиевыведение ионов ТМ из цитозоля в апопласт, в частности, белки ABC (ATP-binding cassette)семейства.
Так, у арабидопсиса AtPDR8 (plaiotropic drug resistance) транспортер из ABC16семейства был вовлечен в отток кадмия через плазматическую мембрану корневых волоскови клеток эпидермы (Kim et al., 2007). При этом трансгенные растения с повышенным уровнемэкспрессии соответствующего гена оказались более устойчивы к Cd и Pb по сравнению сдиким типом и не накапливали металлы в корнях и побегах.Рис.
2. Транспортеры, отвечающие за поступление Cd в симпласт, изоляцию Сd ввакуолях клеток корня и отток Cd в ризосферу и ксилему (Lux et al., 2011).Радиальный транспорт ионов ТМ по тканям корня до сосудов ксилемы можетосуществляться как по апопласту, так и по симпласту. Транспорт по апопластуосуществляется посредством диффузии через клеточные стенки и свободное пространствоклеток, он ограничен поясками Каспари и возможен в зоне меристемы, в начале зонырастяжения и зоны появления корневых волосков (Lux et al., 2011). Вклад апопласта впоступление ТМ в сосуды в целом невелик, но может возрастать с увеличениемконцентрации металла в среде.Предполагается, что по симпласту клеток корней цинк и кадмий передвигаются вформе ионов или в виде хелатов по плазмадесмам (Kramer, 2008; Verbruggen et al., 2009).
Изсимпласта в ксилему тяжелые металлы, включая Zn и Cd, загружаются при участии белковпереносчиков семейства P1B-ATPase (подсемейство HMA, Heavy metal ATPase), преждевсего, HMA2 и HMA4, и возможно также в хелатированной форме при участии YSL белков17(Mills et al., 2005; Wong and Cobbett, 2008; Verbruggen et al., 2009). Подавление экспрессиигенов HMA2 и HMA4 у A.thaliana почти полностью блокировало перенос кадмия из корней впобег (Wong, Cobett, 2008). Дальнейший транспорт ионов ТМ по ксилеме, как полагает рядисследователей, осуществляется в основном в комплексе с органическими кислотами(цитратом и малатом) или аминокислотами (аспарагин, глутамин, гистидин) (Clemens et al.,2002).
Лиганды Сd2+ в ксилеме мало изучены. По данным, полученным методомабсорбционной спектроскопии (Х-ray absorption spectroscopy), это лиганды, содержащие азоти кислород (Clemens, 2006).В литературе имеются данные и об участии HMA2 помп в загрузке ТМ во флоэму(Khan et al., 2014), в том числе, цинка и кадмия из ксилемы во флоэму. В настоящее времяустановлена возможность транспорта ТМ не только по ксилеме, но и по сосудам флоэмы, чтопоказано с помощью радиографических методов, в частности, для Cd и Zn (Титов и др.,2014).
Это важно для обеспечения плодов микроэлементами, но может иметь негативныйэффект при высоких концентрациях ТМ в среде. В то же время, ТМ могут перемещаться пофлоэме не только в репродуктивные органы, но и из листа в корень (Page, Feller, 2005).Доказано, что транспорт ТМ по флоэме может осуществлятьсяв комплексе сникотинамином, GSH или фитохелатинами (Van Belleghem et al., 2007). Так, цинк, скореевсего, связывается с никотинамином и в транспорте этого комплекса предположительноучаствуют YSL белки (Curie et al., 2009; Verbruggen et al., 2009), что обеспечивает, вчастности, ремобилизацию цинка из стареющих листьев.
Во флоэме обнаружены комплексыCd2+ и Zn2+ с фитохелатинами (Haydon, Cobbett, 2007).1.2.3.Молекулярныемеханизмыдетоксикациитяжелыхметалловиустойчивость растенийОсновные механизмы устойчивости живого организма могут формироваться двумяразными путями: уходом от воздействия и перестройкой метаболизма для успешноговыживания в условиях действия стрессора (Чиркова, 2002). В растениях к числу основныхмеханизмов, обеспечивающих устойчивость растений к воздействию металлов, относятпредотвращение их поступления в клетки, иммобилизацию в клеточной стенке и активноевыведение их клеток, а также хелатирование в цитозоли и компартментацию в вакуоляхклеток (Sanita di Toppi, Gabrielli, 1999; Clemens, 2006; Серегин, Кожевникова, 2008).181.2.3.1.
Экстраклеточное исключение металловДля предотвращения поступления избыточного количества металла возможно егоисключение путем комплексирования с хелаторами и/или осаждения в питательной среде ина поверхности корней за счет способности растений выделять в окружающую средуразличные металл-хелатирующие вещества (органические кислоты, сахара, аминокислоты,пептиды, фенолы и т.п). Отмечено, что кадмий может откладываться в виде нерастворимыхсульфатов, включаться в кристаллы оксалата кальция в железистых волосках табака (Choi etal., 2001), водяном гиацинте (Mazen, Maghraby, 1997), молодых листьях джута, вакуоляхклеток обкладки сосудистых пучков, палисадной и губчатой паренхимы (Мазен, 2004).Наряду с этим имеются сообщения о возможном активном выведение ионов тяжелыхметаллов из клетки.
Исследования этого протектороного механизма связаны, в первуюочередь, с достижениями генетики и молекулярной биологии. Так, при изучении АТФаз Ртипа у Arabidopsis было выделено подсемейство P1B-АТФаз, включающее 8 белков(AtHMA1-AtHMA8) с различиями в структуре, функциях и регуляции, в отношении которыхустановлена способность переносить различные металлы (Mills et al., 2005). Предполагается,что эти насосы играют роль в формировании толерантного и/или гипераккумуляционногофенотипа у некоторых видов растений (Thlaspi caerulescens, Arabidopsis haleri). При этомесли для HMA2 и HMA4 помп показано их участие в обеспечении дальнего транспортаметаллов в растении, то AtHMA1 и AtHMA2 локализованы в плазматической мембране иэкспортируют ТМ из цитоплазмы растительных клеток, а НМА3 у Arabidopsis thalianaлокализована в тонопласте и выносит Cd из вакуоли.
(Williams, Mills, 2005).1.2.3.2. Хелатирование ионов тяжелых металлов в цитоплазмеПрактически все ионы металлов, поступившие в клетки растений, присутствуют в нихне как гидратированные ионы, а в виде хелатов с органическими лигандами высокого илинизкого молекулярного веса (Rauser, 1999; Clemens, 2001; Haydon, Cobbett, 2007).Хелатирование ионов ТМ является одним из механизмов снижения их токсического действияна растения. Основными лигандами полагают аминокислоты, непротеиновые тиолы(глутатион и фитохелатины), металлотионеины и органические кислоты. Среди аминокислотважную роль отводят гистидину и никотиамину, комплексы которых с ионами металловобнаружены в цитоплазме (Haydon, Cobbett, 2007).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
