Поглощение железа растениями

У высших растений обнаружено две стратегии поглощения железа корнями: стратегия I и II. Группа растений стратегии I объединяет все двудольные и однодольные растения, не относящиеся к семейству злаков (Gramineae). Соответственно к группе растений стратегии II принадлежат только растения семейства злаков.
Стратегия I. Поглощение железа растениями этой группы осуществляется с помощью следующих реакций: 1) выделения протонов; 2) восстановления Fe3+ до Fe2+ с участием Fe3+-хелатредуктазы; 3) транспорта Fe2+ через плазмалемму с помощью переносчика (рис 3.3). Все компоненты этой стратегии активируются в условиях недостатка железа.
Ацидофикация среды происходит в результате активации на плазмалемме Н+-АТФазы P-типа и направлена на увеличение в среде растворимости соединений Fe3+. Снижение значений pH на каждую единицу увеличивает растворимость Fe3+ в тысячу раз. В растениях Arabidopsis идентифицированы гены семейства AHA, вовлеченные, по-видимому, в этот процесс. В растениях огурца обнаружена, по крайней мере, одна Н'-АТФаза CsHAl, экспрессия генов которой индуцируется недостатком железа. Предполагают, однако, что некоторое количество протонов может выделяться корнями по причинам, напрямую не связанным с Н'-АТФазной активностью. Более подробная информация о АТФазах этого типа представлена раньше.
Восстанавливая Fe3+ до Fe2+, фермент Fe3+-хелатредуктаза создает необходимые предпосылки для транспорта железа через мембрану в форме Fe2+. В растениях гороха и Arabidopsis thaliana идентифицированы гены: FRO1 и FRO2 соответственно, кодирующие синтез Fe3+-хелатредуктазы. Мутанты A. thaliana с инактивированными генами fro2 характеризовались подавленной активностью фермента, признаками хлороза и слабым ростом при низкой концентрации железа в среде. Фермент Fe3+-хелатредуктаза представляет собой интегральный мембранный белок, который относится к семейству белков, участвующих в транспорте электронов от локализованной в цитоплазме НАДФН к ФАД и затем через железо гема к акцепторам электронов, расположенных на других участках плазма леммы. Экспрессия генов FRO усиливается в ответ на недостаток железа.
Показано, что белок AtIRT (Iron Regulated Transporter) — первый из семейства ZIP-белков, обнаруженный в растениях Ambidopsis, может функционировать как белок, участвующий в поглощении Fe2+. Этот белок рассматривается как главный в корнях растений транспортер железа, обладающий высоким сродством к этому микроэлементу. Экспрессия генов AtIRTt сопровождается накоплением в растениях кадмия и цинка, что свидетельствует об участии этого белка в мембранном транспорте не только железа, но и других металлов.
В ответ на дефицит железа у растений отмечена экспрессия генов, принадлежащих семействам IRT1 и FRO. Дефицит железа вызывал активацию синтеза не только белка AtIRT1, но и AtIRT2 — другого ZIP-белка. Однако появление белка AtIRT2 не сопровождалось исчезновением белка AtIRT1. Очевидно, эти белки выполняют разные функции в растениях Arabidopsis.
У томатов обнаружены гены LeIRT1 и LeIRT2, экспрессия которых в условиях Fе-дефицита возрастала наряду с экспрессией генов, ответственных за транспорт фосфора и калия. По-видимому, регуляция транспортных генов может происходить одновременно для нескольких питательных элементов.
По данным некоторых авторов, экспрессия генов IRT1 и FRО2 в условиях недостатка железа зависит от активности регуляторного гена FRU (FER-Iike regulator of iron uptake), кодирующего образование основного транскрипционного фактора bHLH-типа (basic helix-loop-helix). Этот фактор еще называют FITI (Fe-deficiency induced transcription factor I).
В целом открытке транспортеров IRT1 повлекло за собой обнаружение целого семейства транспортеров металлов, принадлежащих к семейству ZIP. Название дано с учетом названий трех первых изолированных белков (ZRT1, ZRT2, IRT1), ответственных за транспорт цинка и железа. Все ZIP-белки являются трансмембранными, содержат в своем составе от 309 до 476 аминокислот.
В растениях A. thaliana обнаружены гены Nramp. Они сходны с соответствующими генами млекопитающих животных и ответственны за синтез транспортеров, характеризующихся высоким сродством к железу. Физиологическая роль этих генов в растениях непонятна. Однако в условиях дефицита железа происходит усиление активности Nramp. Возможно, они наряду с генами IRT участвуют в поддержании гомеостаза железа в растениях. В табл. 3.2 представлена клеточная локализация основных белков, участвующих в поглощении железа растениями наиболее хорошо изученного вида Arabidopsis thaliana.
Определенную роль в поглощении железа бобовыми растениями выполняют бактероиды. Железо в форме Fe(III)-хелатов транспортируется через перибактероидную мембрану и аккумулируется в перибактероидком пространстве, где связывается в комплексы бактериальными сидерофорами. В транспорте железа задействована НАДН-зависимая Fe(III)-хелатредуктаза, ее активность зафиксирована в перибактероидной мембране. Железо через перибактероидную мембрану может также транспортироваться в форме Fe(II) с помощью транспортера GmDMT1, принадлежащего семейству переносчиков металлов Nramp.

Стратегия II. Группа стратегии II представлена только растениями семейства злаков. Корни этих растений выделяют особые низкомолекулярные хелатирующие вещества — фитосидерофоры, образующие комплексы с Fe3+. У злаков обнаружена высокоэффективная по отношению к комплексам фитосидерофоров с Fe3+ поглотительная система — транспортный белок (рис. 3.4). Фитосидерофоры представляют собой производные никотинаминов, относящиеся к семейству мугенезой кислоты:

Название «мугеневая кислота» происходит от японского названия пшеницы: ko-mugi, и ячменя: oo-mug. Фитосидерофоры характеризуются высоким сродством к Fe3+ и эффективно связывают в ризосфере этот микроэлемент в комплекс

Оба процесса — выделение фитосидерофоров и транспорт железа через плазмалемму — усиливаются в условиях недостатка железа. Впервые фитосидерофоры обнаружены у овса и риса.
Биосинтез мугеневой кислоты начинается с метионина, трансформация которого в никотианамин осуществляется с участием никотианаминсинтазы (рис. 3.4). В растительных клетках никотианамин — универсальный хелатор, способный связывать в комплекс как железо, так и другие микроэлементы. Активность никотианаминсинтаэы строго регулируется степенью доступности железа растениям стратегии II.

Механизм секреции мугеневой кислоты корнями растений пока неизвестен. Предполагают, однако, что в этот процесс вовлечен везикулярный транспорт. Основной ген YS1 (Yellow Stripe 1), ответственный за продуцирование фитосидерофоров и транспортирующего их белка, подробно изучен на примере трав различных видов.
Индуцированное недостатком железа выделение фитосидерофоров корнями подчинено довольно четкому суточному ритму. Оно начинается примерно через два часа после начала освещения и продолжается в течение четырех-шести часов. Такое интенсивное выделение в течение дня фитосидерофоров снижает вероятность их деградации микроорганизмами ризосферы и повышает эффективность мобилизации железа в почве. Механизмы регуляции суточной ритмики выделения корнями фитосидерофоров полностью не ясны. В течение суток не отмечено изменений активности ферментов биосинтеза фитосидерофоров: никотианаминсинтетазы и никотианаминтрансферазы. Суточная динамика выделения фитосидерофоров коррелируете появлением и исчезновением в клетках кончиков корней везикул и, вероятно, не связана с динамикой фотоассимилятов.
Фитосидерофорный комплекс железа, образованный в ризосфере, поглощается специфической поглотительной системой, локализованной в мембране эпидермальных клеток корня. Мутант кукурузы с нарушенной поглотительной системой характеризовался появлением у листьев типичных признаков хлороза. Транспортная система, кодируемая геном YS1, представлена интегральным транспортным белком из семейства олигопептидов с 12 трансмембранными доменами. Этот белок способен стимулировать поглощение дрожжами железа в форме комплекса с диокисмугеневой кислотой. Экспрессия генов YS1 возможна не только в корнях, но и побегах растений. Это обстоятельство свидетельствует в пользу участия белков YS1 в дальнем транспорте железа. Однако выделенный из ячменя белок HvYS1 синтезировался только в корнях. Видимо, он специфически задействован только в поглощении железа.
Растения стратегии II, как и стратегии I, могут поглощать железо и в форме двухвалентного катиона. Например, растения риса способны наряду с фитосидерофорными комплексами транспортировать железо в форме Fe2+ с помощью белка OsIRT. Экспрессия генов OsIRT1 риса, как и генов ITR1 Arabidopsis, в корнях в условиях Fе-дефиците возрастает. В то же время в корнях риса не выявлено экспрессии генов FRO, ответственных за хелатредуктазную активность. Возможно, в анаэробных условиях, характерных для мест обитания риса, количество образуемых восстановленных форм железа достаточное, чтобы не активировать Fe3+-редуктазную активность.
Поглощение растениями железа, как и других микроэлементов, начинается в апопласте эпидермальных клеток корня. Сначала железо диффундирует через свободное пространство апопласта к плазмалемме. Однако в мембранном транспорте непосредственно участвует только часть находящегося в апопласте железа. В аэробных условиях много железа окисляется и осаждается в форме гидроксидов или нерастворимых солей (фосфатов), формируя так называемый апопластный пул, где концентрируется до 95% железа, содержащегося в корне. При недостатке железа в среде апопластный пул может быть частично израсходован, по крайней мере в условиях гидропоники.