Формы и функции бора в растениях
Принадлежит главней подгруппе третьей группы периодической системы. Атомный номер 5, атомная масса 10,811±5. Содержит на внешних подуровнях (s и р) три электрона. Металлические свойства у всех элементов этой группы выражены слабее, а у бора (В) преобладают неметаллические свойства. В соединениях проявляет степень окисленности +3.
К. Уорингтон одним из первых доказал необходимость бора для высших растений. Чуть позже необходимость бора для двудольных и однодольных растений была подтверждена А. Зоммером и С. Липманом.
В высших растениях бор может находиться в форме мономеров: B(OH))3, B(OH)4-, или комплексов с органическими структурами. Растения содержат как водорастворимые, так и не растворимые в воде формы бора. Например, усиленное питание бобов и кукурузы бором приводило к увеличению содержания фракции водорастворимого бора и не влияло на содержание фракции водонерастворимого бора. Водорастворимые формы бора, например борная кислота, в основном сосредоточены в апопласте растительных тканей. Однако такое распределение бора не исключает возможности его участия в метаболических реакциях симпласта и транспорте по флоэме.
Физиологические функции бора во многом непонятны. Этот элемент не относится ни к структурным компонентам, ни к активаторам ферментов. Вместе с тем бор принимает участие во многих физиологических и биохимических процессах: в регуляции роста, метаболизме фенолов, углеводов, ауксинов и нуклеиновых кислот, транспорте сахаров, дыхании, в процессах синтеза и лигнификации клеточных стенок. Кроме того, недостаток бора ведет к нарушению функций мембран.
Клеточные стенки. Физиологическую роль бора связывают с формированием клеточных стенок. Основное количество бора (более 90%) сосредоточено в апопласте (т. е. в клеточных стенках и межклеточном пространстве) высших растений. В клеточных стенках бор представлен в виде комплексных соединений. Борная кислота обладает хорошо выраженной способностью образовывать комплексы с диоловыми группами в цис-позиции (рис. 2.16).
Все представленные реакции обратимы. Направление реакции зависит от pH раствора и стереохимии диола.
К соединениям с цис-расположением гидроксильных групп относятся сахара, высокомолекулярные спирты, фенолы, аминокислоты и некоторые другие соединения, однако стабильность комплексов бора с этими соединениями незначительна. Из растительных клеточных стенок выделен состоящий из двух субъединиц В-полисахаридный комплекс, идентифицированный как В-рамногалактуронан II (dB-RG II). В этом комплексе бор связывается крест-накрест двумя или четырьмя остатками апиозы рамногалактуронана II (RGII) посредством В-диол-эфирных связей. Молекулярная масса комплекса составила 9,9 кД, содержание бора в комплексе было 0,23%, один моль комплекса B-RGII содержал 2,1 моля бора. В составе RGII идентифицированы 2-О-метилфукоза, 2-O-метилксилоза, апиоза, 2-кето-3-диоксисахара. За связывание бора ответственны апиозные остатки RGII. Хотя в мономере последнего содержатся две апиозные группы (участки цепи А и В), только апиоза участка А участвует в формировании стабильной связи с бором. В результате перекрещивания двух пектиновых цепей в области расположения RGII с двумя молекулами борной кислоты образуется молекулярная сеть.
Как правило, RGII не идентифицируется в растениях без бора и наоборот. Согласно расчетам от 40 до 80% бора клеточных стенок связано в комплекс dB-KG II, остальные 20-60% апопластных форм бора либо не идентифицированы, либо их функции не известны. В составе нативного комплекса dB-RG II растений многих видов обнаружены такие двухвалентные катионы, как Ca2+, Sr2+, Ba2+, Pb2+. Извлечение этих катионов хелатором (ЦГДТА) приводит к экстракции бора и разрушению комплекса. Возможно, двухвалентные катионы участвуют в стабилизации комплекса (объединении двух субъединиц) путем формирования координационных связей. Указанным образом могут взаимодействовать двухвалентные катионы с ионным радиусом больше 1,1 A. Однако в клетках таких ионов (исключение Ca2+) немного, их не следует относить к необходимым для растений. Поэтому определяющая роль в стабилизации В-полисахаридных комплексов принадлежит кальцию, который в клеточных стенках практически весь находится в зоне локализации RG II. Перекрестное связывание полисахаридов осуществляется по Са2+-мостикам, фенольным связям, галактуроновым эфирным концам, борат-диэфирным связям. Однако селективность пектиновой кислоты к Ca2+ меньше, чем к Sr2+. Тем не менее относительно низкое сродство к Ca2+ может быть компенсировано его высокой концентрацией. Так, содержание Sr2+ в растениях примерно на три порядка ниже, чем Ca2+. Существенно выше распространенность кальция и в почвах. Поэтому в настоящее время Ca2+ рассматривают в качестве нативного компонента комплекса dB-RG II, усиливающего связь бора с цепями пектина. B условиях засоления замещение кальция ка натрий приводило к уменьшению связывания бора в aпопласте клеток корней
Vicia faba.В отсутствие бора или кальция не происходит стабильного перекрестного связывания нектиновых цепей. В результате разрушается молекулярная пектиновая сеть и дезинтегрируются клеточные стенки. Следует отметить, что в основном бор участвует в формировании ультраструктуры клеточкой стенки. В корнях томата, листьях подсолнечника, а также в культуре клеток моркови синтез материала клеточных стенок не снижался в условиях В-дефицита. По-видимому, функция бора, а также Ca2+ в клеточных стенках связана с удержанием полисахаридов посредством связывания в области RG II. Модификация бором химических и физических свойств клеточной стенки может влиять на включение в ее состав различных предшественников. При недостатке бора в клеточных стенках клубеньков бобов зафиксировано снижение концентрации некоторых белков (богатых производными пролина), что объясняют нарушениями секреции в клеточную стенку этих белков или ослаблением их удерживания клеточной стенкой.
Концентрация RG II в клеточных стенках возрастала в ходе эволюции сосудистых растений. Консервативность структуры молекулы RG II и появление генов, ответственных за ее синтез, на ранних этапах эволюции вертикального роста растений позволяют рассматривать RG II как фундаментальную молекулу клеточной стенки.
Борат-эфирные связи в клеточных стенках относительно слабые (слабее кальциевых), поэтому легко разрываются и вновь образуются при растяжении клеток. При значениях pH, оптимальных для роста растяжением, до 30% боратных эфиров могут превращаться в циклические диэфиры, что сопровождается морфологическими изменениями в клеточной стенке без нарушений композиции составляющих ее полимеров. По существу, бор — важный морфогенетический агент, определяющий развитие специфических форм клеточных стенок высших растений. Согласно современным представлениям сеть пектина в клеточкой стенке формируется отдельно от целлюлозы и гемицеллюлозы. В клеточных стенках протопластов моркови пектиновые полисахариды секретируются раньше, чем микрофибриллы целлюлозы. Вероятно, полимеры пектина ориентируются в направлении удлинения клетки. Образуемые в ходе развития растения полисахаридные цепи обволакивают микрофибриллы и таким образом связывают сеть пектина с целлюлозными микрофибриллами. При формировании сети из пектиновых полисахаридов образование В-диэфирных связей в области RG II рассматривают как способ, имеющий преимущества перед Ca-мостиками. Сайты RG II специфичны для борной кислоты, значит, клетки могут контролировать количество узлов в полисахаридных цепях, регулируя частоту вставок RGII в пектин. Мутанты
Ambidopsis thaliana murl и табака
nolac-H18 с нарушенным составом RG II характеризовались ненормальным ростом, что свидетельствует о необходимости dB-RG II для растяжения первичной клеточной стенки и формирования вторичной.
В растительной клетке связывают бор в основном пектиновые полисахариды, причем, В-содержащие клеточные полисахариды могут растворяться при гидролизе клеточных стенок под действием пектиназ. Это подтверждено на различных объектах (культура клеток сикиморы, побеги гороха и бамбука, главный корень свеклы). Комплекс B-RG II обнаружен в составе пыльцевой трубки, для роста которой давно доказана необходимость бора. Методом имуноцитохимического анализа обнаружено высокое содержание В-полисахаридных комплексов в клубеньках корней бобовых. Исключение составили тыквенные растения некоторых видов и гречиха, у которых только половина бора, связанного в клеточной стенке, находится в составе B-RG II комплекса. Вероятно, бор слабо взаимодействует с другими полисахаридами, кроме RG II, чувствительного к действию пектиназы. Повышенная способность клеточных стенок гречихи связывать бор может быть объяснена значительным содержанием в них апиозы. Отметим, что апиозы относятся к универсальным компонентам клеточных стенок сосудистых растений. В клеточных стенках апиоза входит в состав апиогалактурона, который представлен апиозилдисахаридом, присоединенным к главной цепи полигалактуроновой кислоты. Очевидно, сильная потребность в боре двудольных (по сравнению с однодольными) объясняется высоким содержанием в клеточных стенках пектинов и полигалактуронов, имеющих цис-конфигурацию гидроксильных групп. В злаках (пшеница), например, содержание боратных комплексов в клеточных стенках корней составляет 3-5 мкг/г сухой массы, в то время как у двудольных (подсолнечник) — более 30 мкг/г сухой массы.
Боратные комплексы заряжены отрицательно, что оказывает влияние на формирование связей клеточной стенки с ионами, например с Ca2+. Тесное взаимодействие между бором и кальцием имеет большое значение для роста растительных клеток и транспорта кальция в побег. Типы связей кальция в апопласте определяют его ионообменные свойства. Изменение ионообменных свойств апопласта влияет на интенсивность мембранного и дальнего транспорта Ca2+, что отражается на параметрах роста клетки. Возможно, ряд физиологических эффектов, вызываемых бором, связан с регуляцией пула ионизированного кальция в апопласте.
Сходные с бором свойства проявляет германий, образуя комплексы с соединениями, имеющими соседствующие ОН-группы в цис-положении. При внесении германия в условиях дефицита бора у растений восстанавливается целостность клеточных стенок и замедляется проявление симптомов недостатка бора.
Функционирование мембран. По-видимому, бор играет определяющую роль а поддержании структурной целостности не только клеточных стенок, но и мембран. Участие бора в функционировании мембран объясняют тем, что в мембранах имеются специфические молекулярные акцепторы, способные формировать комплексы с борной кислотой или боратами, например, дериваты сахаров: манноза, апиоза, галактоза, и другие гидроксилированные лиганды: серии, треонин. Способны связывать бор мембранные белки и другие мембранные структуры. Среди последних отмечают поверхностные белки, прикрепляющиеся к мембране с помощью гликозилфосфатидилинозитола. Эти белки обычно содержат три остатка маннозы и фосфатидилинозитол, способные довольно прочно связывать бор. Модификация молекулы якоря бором может изменять ее доступность фосфолипазе и способствовать высвобождению якоря из мембраны. Следовательно, обеспеченность растений бором может влиять на соотношение между свободными и связанными формами поверхностных белков мембран, заякоренных гликозилфосфатидилинозитолом. Указанные белки являются компонентами так называемых «мембранных мостов» — микродоменов мембран со специфическими функциями. Изменения в концентрации бора и конформации мембранных белков могут приводить к появлению каскада механических сигналов, проникающих в цитоплазму.
В условиях недостатка бора изменяется состав мембран и активность транспортных процессов. Бор необходим для образования и поддержания мембранного потенциала. Например, дефицит бора изменял мембранный потенциал и уменьшал активность Н+-АТФазы. В результате изменялись градиент протонов на плазмалемме и активность Fe-редуктазы. Обработка корней В-дефицитного подсолнечника бором сопровождалась небольшой, но достоверной гиперполяризацией мембран. Бор также влиял на активность в присутствии ИУК Н+-АТФаз в плазматических мембранах. При недостатке бора активность Н+-помпы в клетках корней растений подавлена, но быстро восстанавливается при возобновлении питания бором. Некоторые из этих изменений проявлялись через несколько минут после изменения В-статуса растений, что возможно вследствие прямого взаимодействия бора с мембранами.
Недостаток бора может влиять на связанные с мембранами процессы прямо и косвенно. Прямое действие связано с участием бора в поддержании структуры мембран вследствие образования комплексов с цис-диоловыми группами гликопротеинов или отрицательно заряженными группами фосфолипидов. Следовательно, бор может влиять на гидратацию и лабильность липидного двойного слоя мембран. Функционирование мембран зависит также от аккумуляции в клетках активных радикалов кислорода, накапливающихся в листьях и корнях растений в условиях недостатка бора. При недостатке бора проницаемость мембран повышается, что регистрируют по усиленному выходу из клетки электролитов: калия, кальция, сахаров, аминокислот и фенолов, появлению нарушений в перибактероидных мембранах клубеньков, уменьшению содержания связанного с мембранами Ca2+.
Дефицит бора приводит к нарушениям у растений процессов фотосинтеза. Причина этого явления не известна. Возможно, бор негативно влияет на функционирование мембран хлоропластов, в частности на транспорт электронов в тилакоидах. В опытах с изолированными хлоропластами шпината, однако, обнаруживались лишь слабые эффекты, вызываемые недостатком бора.
Замена бора германием способствует, как и в случае с клеточной стенкой, восстановлению избирательности и нормализации функций плазматической мембраны. Однако в мембранных фракциях значительного количества бора не обнаружено. Например, в микросомной фракции культуры клеток табака содержится не более 0,5% клеточного бора.
Рост и развитие репродуктивных органов. Участие бора в синтезе и функционировании клеточных стенок и плазматических мембран отражается на росте пыльцевой трубки, который в условиях В-дефицита сильно подавлен. Причем бор необходим в большей степени для роста пыльцевой трубки, чем для прорастания пыльцы. При недостатке бора отмечено появление разрывов пыльцевых трубок и утолщение их кончиков. Этим объясняется более тесная зависимость от условий снабжения растений бором урожая семян по сравнению с урожаем вегетативных органов. Возможно, бор вовлечен в контроль над секреторной активностью в пыльцевой трубке: мобилизацией материала клеточной стенки из эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи или включением этого материала в состав растягивающейся пыльцевой трубки.
Симптомы недостатка бора в репродуктивных органах могут проявляться даже тогда, когда вегетативные органы растения еще не испытывают недостатка в этом микроэлементе. Эти данные свидетельствуют о том, что транспорт к репродуктивным органам — ключевой этап, лимитирующий рост и развитие растений. Затруднения в транспорте бора на репродуктивной стадии развития, вероятно, связаны с анатомическим строением растений: отсутствием непосредственного контакта пыльцы с сосудами, заканчивающимися в тапетуме. Отмечена также низкая эффективность транспорта бора к цветкам, предположительно, пo анатомическим причинам (отсутствие прямого контакта с сосудами ксилемы), а также вследствие слабого пассивного транспорта бора по ксилеме, обусловленного низкой у цветков скоростью транспирации. В целом архитектоника положения цветочных органов на растении лимитирует скорость транспирации воды и, как следствие, их снабжение бором. Вот почему некорневые подкормки бором могут быть очень эффективным приемом повышения урожая семян культурных растений.
Метаболизм фенолов. В целом нарушения структуры и функционирования клеточных стенок и плазматических мембран рассматривают как основной эффект В-дефицита, который обусловливает каскад вторичных изменений в метаболизме и росте высших растений. Эти нарушения тесно связаны с фенольным обменом (рис. 2.17).
В условиях недостатка бора накопление фенолов сопровождается увеличением активности полифенолоксидазы. Повышенное содержание фенолов и соответствующих энзимов в клеточной стенке обусловливают увеличение реактивности промежуточных продуктов: хинонов и активированных фенолов, способствующих продуцированию супероксидных радикалов. Последние играют важную роль в пероксидном окислении липидов и нарушении целостности мембран.
У тех растений, которые в ответ на В-дефицит аккумулируют фенолы, такие как кофейная кислота, обычно регистрируют высокий уровень ИУК. Накопление ИУК может быть обусловлено ингибирующим действием кофейной кислоты на активность ИУК-оксидазы. Кроме того, бор может влиять на формирование полярных потоков не только кальция, но и ауксина. У сегментов гипокотилей и колеоптилей базипетальный транспорт ИУК ингибируется в условиях дефицита бора.
Метаболизм углеводов и азота. Возможно, бор играет роль в транспорте углеводов и белковом метаболизме. Однако участие бора в этих процессах, по-видимому, вторично. Основной транспортной формой углеводов во флоэме является сахароза, которая не образует устойчивых боратных комплексов, кроме того, бор не включен в механизм загрузки сахарозы во флоэму. Сообщения о том, что борные удобрения повышают содержание углеводов в корнях и выделение этих соединений корнями, трудно интерпретировать в пользу прямого влияния бора на транслокацию сахаров. Нет убедительных доказательств и в пользу прямого участия бора в азотном метаболизме: восстановлении нитратов, накоплении аминокислот и белков. Изменения этих показателей под влиянием бора носят вторичный характер.
Фиксация азота. Установлено влияние бора на формирование симбиоза между бобовыми растениями и бактериями рода
Rhizobium. В клубеньках бор необходим для поддержания структуры клеточных стенок. Показано, что бор необходим для ранней сигнализации между симбионтом и растением, в частности, для активации nod-геноa экссудатами корней растений и начала образования клубеньков. В экспериментах с
Medicago truncatula дефицит бора влиял на экспрессию 60% изученных генов, вовлеченных в различные процессы, связанные с клеточным циклом, формированием клеточной стенки, образованием рибозы. Некоторые из не связанных с клеточной стенкой эффектов, вызванных дефицитом бора, нивелировались после добавления кальция.
Сбором могут взаимодействовать многие молекулы,способные выполнять в растениях сигнальные функции (нуклеиновые кислоты, нуклеотиды, аденилаты, гуанилаты, оксиленные никотинамиды), так как конфигурация их компонента — рибозы — оптимальна для взаимодействия с боратными эфирами. Однако роль этих взаимодействий в метаболизме растений изучена слабо.
В клубеньках гороха число инфицированных клеток растения при недостатке бора было значительно ниже, чем при нормальном снабжении этим элементом, вследствие образования растительными клетками ненормально увеличенной инфекционной нити, которая зачастую рвалась. При таких условиях связывание гликопротеиновым матриксом растений бактериальных клеток
Rhizobium может прерывать взаимодействие между бактериальной клеткой и растительной мембраной. В результате подавляется процесс эндоцитоза как необходимого этапа внедрения симбионтов в клетки растения-хозяина. Особенно чувствительны к недостатку бора молодые клубеньки сои.
В период после проникновения бактерий
Rhizobium в клетки растения-хозяина бор способен стимулировать образование симбиосом: участвует в распознавании выделяемых растением специфических для клубеньков гликопротеинов (богатых цис-диоловыми группами), служащих сигналом для дифференциации бактероидов в форму, способную фиксировать атмосферный азот. При недостатке бора снижаются интенсивность образования клубеньков и их Ni-фиксирующая способность.
Реакции растений на условия стресса. С борным питанием растений связана их устойчивость к действию холода и засолению. Например, индуцированная низкими температурами повышенная проницаемость мембран корневых клеток может быть обусловлена нарушениями в поглощении бора растениями чувствительных к холоду видов и сортов. Возможно, положительная роль бора в устойчивости растений к стрессу связана с его участием в функционировании антиоксидантных систем.
