Формирующиеся семена
Формирование семян высших растений начинается с момента оплодотворения и заканчивается образованием зрелых семян. Условно этот период делят на три фазы. Во время фазы I происходит интенсивное деление клеток и формирование структур семени. После окончания интенсивного клеточного деления начинается фаза II. На этой стадии развития резервные вещества интенсивно аккумулируются в семенах, что сопровождается увеличением сухой массы последних. После накопления сухой массы начинается фаза III, в течение которой достигается физиологическая зрелость семян. Наступление этой фазы определяет, по существу, окончание продукционного процесса у культурных растений.
Особенности распределения микроэлементов по органам зрелого семени во многом зависят от транспорта микроэлементов в семенах в ходе их формирования. Различают два основных транспортных потока элементов питания в семена: а) почва → корень → стебель → семена; б) вегетативные органы → семена. Первый путь тесно связан с транспортом элементов питания по ксилеме, который зависит от транспирации и корневого давления. Однако на стадии репродуктивного развития растений значительно снижается активность корней и соответственно поглощение питательных элементов из почвы. Поэтому при формировании семян возрастает роль ремобилизации минеральных веществ из других органов растений.
Под ремобилизацией понимают совокупность физиологических и биохимических процессов, направленных на вторичное использование минеральных элементов и запасных веществ формирующимися органами. Ремобилизация минеральных элементов включает следующие стадии: мобилизацию в индивидуальных клетках, ближний транспорт элементов по симпласту к флоэме, загрузку флоэмы и флозмный транспорт. На стадии формирования семян интенсивность ремобилизации зависит от специфической потребности семян в конкретном элементе, минерального статуса вегетативных частей, мобильности элементов при движении по флоэме. У хлебных злаков более 90% общего фосфора в зерновках может обеспечиваться ремобилизацией этого элемента из вегетативных органов. Для азота эта величина составляет SI-91% в зависимости от условий культивирования растений.
Высокой степенью ремобилизации характеризуются и некоторые микроэлементы. В плоды люпина поступает до 50% микроэлементов от их исходного количества в листьях. Обнаружена высокая мобильность железа и меди в растениях пшеницы. В ее наливающуюся зерновку попадало около 77% железа от его общего содержания в стебле, и 40-62% меди от ее общего содержания в растениях. В пшенице интенсивность ремобилизации железа и меди заметно выше, чем таковая цинка, и намного выше, чем марганца.
Интенсивность ремобилизации цинка из листьев определяется скоростью их старения. В листьях цинк локализован в протопластах мезофилла» в меньшей степени в протопластах эпидермиса; основное же количество этого микроэлемента приурочено к цитоплазме. В созревающую зерновку пшеницы поступает менее 20% запасенного в вегетативных органах железа, тогда как запасы цинка вегетативных органов используются на 70%. В развивающиеся стручки соевых бобов может поступать до 40% железа и до 50% цинка от общего содержания этих элементов в листе. Значительным может быть также отток из листьев в семена никеля и меди.
Скорость ремобилизации микроэлементов зависит также от минерального статуса растений. У пшеницы за весь период развития зерновки растения с высоким содержанием меди могут терять до 62% этого элемента, а с низким — до 40%. Различия объяснят тем, что в листьях при дефиците микроэлементов велика доля их прочно связанных форм.
В ремобилизации микроэлементов из стареющих листьев участвуют транспортеры семейства YSL. У дикого вида арабидопсиса зафиксирована экспрессия генов YSL1 и YSL2 в стареющих листьях, у мутантов pH и ysl3 — уменьшение интенсивности мобилизации из листьев металлов, включая железо.
Принято считать, что у высших растений обмен веществами между «дочерними» (зародышем и эндоспермом) и вегетативными органами по проводящим элементам (ксилеме или флоэме) невозможен. Обнаруженные в оболочках семян окончания сосудов не проникают в зародыш или эндосперм.
Сок флоэмы отличается от сока ксилемы большим содержанием ионов калия, сахарозы, аминокислот, органических кислот и амидов. Значения pH сока флоэмы: =0,8, превышают значения pH сока ксилемы: 5,5-6,0. Биохимический состав сока флоэмы предполагает существование специфичных форм для транспорта микроэлементов. Вероятные лиганды, связывающие микроэлементы во флоэме, — цитрат, аминокислоты и мугеневая кислота, никотианамин, глутатион, фитохелатины.
Мобильность химического элемента во флоэме играет важную роль в его транспорте. Этот показатель зависит от генотипа и минерального статуса растений. Однако при передвижении по флоэме (опыты in vivo) наиболее высока мобильность хлора, сопоставимая с мобильностью макроэлементов: калия, магния, фосфора, серы, азота. Низкая мобильность отмечена для марганца, а из макроэлементов — для кальция. Железо, цинк, медь, бор и молибден отличает переменная (в зависимости от условий) мобильность во флоэме. Однако однозначно оценить мобильность химических элементов во флоэме достаточно сложно.
По данным J.F. Loneragan, подвижность меди по флоэме сильно меняется в зависимости от стадии развития растения. Марганец может передвигаться из листьев в созревающие семена, но не перемещается из старых листьев в молодые. Однако J. N. Peanon и Z. Renge не обнаружили притока марганца в зерновку из листьев даже в условиях явного дефицита марганца. В целом мобильность микроэлементов во флоэме может зависеть от стадии развития растения, складывающихся донорно-акцепторных отношений и химической природы элемента. На репродуктивной стадии развития растений ремобилизация микроэлементов и кальция обычно выше, чем в период вегетативного роста. Формирующиеся семена и плоды индуцируют старение листьев, в которых изменяется гормональный баланс, играющий важную роль в ремобилизации. Старение листьев могут также усиливать затенение и дефицит питательных веществ (азота), что соответственно повышает степень ремобилизации микроэлементов из этих органов. Отметим, что до сих пор не установлен вклад флоэмного транспорта микроэлементов в их аккумуляцию в зерновке по сравнению с транспортом по ксилеме.
К формирующейся зерновке пшеницы цинк поступает из вегетативных органов преимущественно по флоэме, в то время как марганец - по ксилеме. В колоске пшеницы цинк и марганец аккумулируются в колосковой чешуе, нижней цветочной и цветочной чешуях. Для макроэлементов такая аккумуляция не характерна. В созревающую зерновку цинк поступает из колосковой и цветочных чешуй. Оттока марганец из этих органов не обнаружено. До 75% от общего количества марганца, поступившего в ость колоса пшеницы, может аккумулироваться в колосковой и цветочных чешуях без последующей транслокации в зерновку. Этот факт объясняют низкой мобильностью марганца во флоэме и его неспособностью перемещаться из ксилемы во флоэму в области колосковой и цветочных чешуй.
Предполагают, что транспорт марганца в зерновку происходит в основном по ксилеме ости колоса. Из ости колоса марганец попадает в ксилему пери карпа и по апопласту достигает семенной кожуры и алейрона, где концентрируется. Экспериментально доказана возможность поступления марганца в область разрывов ксилемы в плодоножке, откуда этот элемент поглощается передаточными клетками и по симпласту попадает в проводящую систему зерновки.
Установлено ингибирующее действие меди на транспорт в зерновку цинка. Этот эффект возможен вследствие конкуренции между микроэлементами во флоэме, что может свидетельствовать о ее низкой емкости для микроэлементов. Аналогичного влияния меди, а также железа на транспорт в зерновку марганца не обнаружено.
После проведения экспериментов с изотопами 54Мn и 65Zn удалось выяснить, что скорость поступления этих микроэлементов в зерновку выше ка ранних стадиях генеративного развития пшеницы, чем на завершающих. Причем максимальное количество микроэлементов аккумулируется в наиболее интенсивно растущих в этот период тканях перикарпа (рис. 4.1). Это может быть обусловлено аттракцией микроэлементов перикарпом, масса которого на раннем этапе созревания зерновки превышает массу других ее частей. Кроме того, стенки завязи, из которых формируется пери карп, выполняют роль физиологического барьера, регулирующего транспорт веществ из тканей вегетативных в генеративные.
Аккумуляция марганца и цинка а зародыше происходит на более поздних этапах развития зерновки. На заключительном этапе созревания зерновки пшеницы происходит усиленная ретранслокация цинка и марганца в зародыш. При этом цинк из пери-карпа оттекает по флоэме проводящего пучка плодоножки. Подобный путь транспорта не характерен для марганца. Отток марганца из флоэмного пучка бороздки перикарпа происходит по апопласту через полость эндосперма, т. е. по системе симпласт-апопласт-симпласт.
Преимущественную аккумуляцию цинка в зародыше и алейроне пшеницы объясняют повышенной концентрацией в этих частях зерновки белков и фитина.
Цинк и марганец, поступившие непосредственно в зерновку, в основном перемещаются по флоэме проводящей системы бороздки и накапливаются в тканях ее эндокарпа. В зоне бороздки располагается основная проводящая система плода злаков, состоящая из одного или нескольких пучков. При разрушении флоэмы бороздки над зародышем (введением внутрь проводящего пучка горячей иглы) резко снижается поступление марганца и цинка в эндокарп, а также марганца в зародыш (рис. 4.2).
В дорсальные ткани перикарпа транспорт марганца и цинка может осуществляться по протофлоэме стенок завязи. Туда поступает менее 5% цинка и 15% марганца, транспортируемых в зерновку. В дорсальной области перикарпа располагаются три пучка протофлоэмы. Два из них локализованы на боковой стенке завязи и тянутся по всей длине зерновки. Третий пучок находится напротив складки на дорсальной стороне стенки завязи и простирается лишь на часть завязи. Эти пучки существуют до времени полусозревания зерновки или дольше, а затем постепенно отмирают с базипетального конца. В это время уменьшается поступление в перикарп цинка и особенно марганца. Возможно, марганец и цинк транспортируются в дорсальную часть перикарпа и через алейроновый слой зерновки: он выделяет соединения, попадающие через эндокарп в экзокарп. Для подтверждения этого предположения необходимы дополнительные исследования.
Основной приток цинка в зародыш созревающей зерновки пшеницы осуществляется по флоэме пучка, начинающегося в плодоножке. Разрушение флоэмы бороздки в зоне выше зародыша практически не влияет на поступление микроэлемента в этот орган в ходе его развития (рис. 4.2). В то же время транспорт в зародыш марганца может проходит пo флоэме как пучка плодоножки, так и бороздки. Поэтому разрушение последней существенно снижает поступление марганца в зародыш.
У кукурузы, проса и сорго разгрузка флоэмы локализована в плодоножке, т. е. у основания развивающейся зерновки. Затем транспорт веществ осуществляется по симпласту халазы, представляющей собой материнскую ткань. Запасающие ткани семян не связаны с тканями материнского растения симпластом. Поэтому переход соединений из симпласта в апопласт семян обычно происходит в зоне зародыша. Подобные факты обнаружены а зерновках риса, ячменя и пшеницы, кукурузы и в семенах бобовых.
Перемещаясь по апопласту, органические и минеральные соединения достигают специализированных передаточных клеток, локализованных в эндосперме. Форма этих клеток увеличивает площадь поглощения растворов эндоспермом. Затем ассимиляты снова переходят в симпласт и транспортируются к местам запасания. Подобный путь транспорта характерен для фотоассимилятов, а также минеральных форм азота и фосфора.
У риса, в отличие от пшеницы, не отмечается разрывов в ксилеме в зоне основания зерновки, соответственно транспорт микроэлементов к созревающим зерновкам риса может осуществляться с транспирационным током по ксилеме. В эндосперм риса минеральные вещества поступают по апопласту в направлении от эпидермиса нуцеллуса через клетки алейронового слоя. Накопление цинка в зерновках коричневого риса мало менялось с увеличением концентрации цинка в среде.
Интенсивное поступление микроэлементов в зерновку совпадает с их сильным оттоком из вегетативных органов. Сахароза преимущественно транспортируется по проводящей системе бороздки к эндосперму, где распределяется в радиальном направлении и запасается в виде крахмала. Микроэлементы, как уже упоминалось, поступают в эндосперм в значительно меньшем количестве.
На заключительных этапах созревания марганец и цинк могут перераспределяться внутри зерновки (пшеница) с током воды. Ретранслокация из перикарпа отмечена для марганца. Аккумуляция цинка в зародыше и эндосперме происходит за счет оттока этого металла из верхней и нижней цветковых чешуй. Возможно, марганец не перемещается из вегетативных тканей вторичного колоска и накапливается в зерновке в результате транспорта из запасных фондов в плодоножке и ости. По мере созревания зерновки клетки перикарпа разрушаются и большинство его ассимилятов попадает в эндосперм. Несмотря на возможность ремобилизации микроэлементов из перикарпа на завершающей стадии развития, в зрелых зерновках этот орган продолжает сохранять довольно много микроэлементов. Поэтому использование технологий приготовления муки, в которых перикарпий изымается (лущение), приводит к сильному обеднению микроэлементного состава муки.
На примере арабидопсиса показано, что у двудольных растений этого вида накопление в семенах железа и никотианамина связано с белком AtYSL1. Мутанты ysll с нарушенными функциями этого белка концентрировали в семенах значительно меньше железа и никотианамина по сравнению с диким видом даже в условиях избыточного содержания в среде железа.
