Механизмы мобилизации микроэлементов в прорастающих семенах
Растущие осевые органы зародыша осуществляют основной контроль над мобилизацией запасных веществ семени. Отделение осевых органов от эндосперма замедляет или вовсе приостанавливает мобилизацию запасных веществ зерновки, включая микроэлементы (рис. 4.8).
Самый большой отток марганца из эндосперма отмечен у наиболее интенсивно растущих генотипов кукурузы. Между скоростью проростков и оттоком из эндосперма железа обнаруживалась прямолинейная корреляция средней силы (рис. 4.9).
Отток из эндосперма цинка существенно не коррелировал с массой проростков. Тесная связь между оттоком из эндосперма марганца и скоростью роста образце» (рис. 4.9, в) объясняется тем, что при прорастании зерновок на воде эндосперм — главный источник марганца для осевых органов. В снабжении осевых органов железом и особенно цинком кроме эндосперма участвует щиток. Поэтому отток из эндосперма железа зависел от роста зародыша в меньшей степени, чем отток марганца, а отток цинка вовсе не зависел от роста зародыша.
Эффективность использования осевыми органами проростка мобилизованных микроэлементов зависит от локализации этих веществ в прорастающей зерновке. На ранних этапах прорастания эффективнее используются микроэлементы, локализованные в зародыше. У злаков наибольшее количество минеральных элементов зародыша сосредоточено в его самой массивной части — щитке. Сухая масса щитка кукурузы достигает 90% всей массы зародыша. Щиток является специализированным органом зерновки злаков, который запасает питательные вещества, выполняет транспортную и ацидофицирующую функции, осуществляет связь между эндоспермом и зародышевой осью. По существу, щиток представляет собой единственную семядолю зерновок злаков, которая образуется в результате асимметричного деления клеток предзародыша. По этой причине вторая семядоля остается в зачаточном состоянии. В зрелой зерновке щиток дорсальной стороной прилегает к эндосперму, а вентральной охватывает зародыш.
Основную массу щитка составляют паренхимные клетки многоугольно-округлой формы. Цитоплазма клеток паренхимы содержит многочисленные липидные капли и белковые тела. Запасные вещества паренхимных клеток исчезают в первые три дня после начала прорастания зерновок. С осевыми органами щиток связан единой проводящей системой, что благоприятствует транслокации из него элементов питания.
На самых ранних этапах прорастания (до двух суток) щиток по своим потенциальным возможностям способен выполнять функцию основного источника растворимых форм некоторых микроэлементов (Fe, особенно Zn) для зародышевой оси. В первые сутки прорастания образование мобильных форм отдельных микроэлементов в щитке мало связано с трансформацией в нем нерастворимых соединений этих металлов, обусловленной работой фитаз и/или ацидофикацией фитатсодержащих компартментов. Основной отток этих микроэлементов происходит благодаря легкообменным формам, накопленным в период созревания зерновки на материнском растении (рис. 4.10).
В связи с этим резервирование в зародыше мобильных форм микроэлементов в период созревания зерновки может рассматриваться как путь формирования генеративных органов у злаков, направленный на быструю оптимизацию минерального питания растений на ранних этапах развития. Создание в зародыше фонда мобильных форм микроэлементов (особенно металлов) - сильных комплексообразователей, по-видимому, достигается за счет их интенсивного концентрирования в тканях. Высокие концентрации микроэлементов способствуют насыщению функциональных групп соединений растительной клетки, образующих комплексы с микроэлементами, и появлению их относительно подвижных форм.
Наиболее тесные связи выявлены между длиной корней проростков и концентрацией железа и цинка в зародышах или щитках кукурузы различных образцов (рис. 4.11). При этом между ростом корня и содержанием этих микроэлементов в пересчете на орган такая зависимость не проявлялась. По-видимому, интенсивность роста корней на гетеротрофной стадии питания проростка в основном зависит от стартовой концентрации микроэлементов в тканях зародыша, в частности щитка, масса которого составляет около 90% от массы зародыша кукурузы. Кроме того, рост корня коррелировал с концентрацией в щитке только тех микроэлементов (Zn и Fe), которые оттекали из этой части прорастающей зерновки и, следовательно, могли участвовать в регуляции роста. Отток цинка и железа из щитка в первые сутки прорастания возможен благодаря тому, что эти микроэлементы в легко обменной форме накоплены в период созревания зерновки на материнском растении.
Как упоминалось раньше, в семенах значительное количество микроэлементов запасается в фитине, мобилизация которого зависит от активности фитаз (в меньшей степени кислой фосфатазы) и от реакции среды в содержащих фитаты вакуолях. При этом белковые тела щитка и алейрона подвергаются автолизу и превращаются в пищеварительную вакуоль.
Распад фитина в алейроновых зернах обычно предшествует мобилизации в них белка. Гидролиз фитатов в семенах осуществляется с момента набухания, но в течение первых трех суток интенсивность прорастания невелика. В эндосперме семян клещевины за 64 ч с момента набухания распалось около 14% фитина, а за 112ч — 69%. Максимальная активность фитазы в зерновках кукурузы отмечена на пятые сутки после проклевывания.
Гидролиз фитатов начинается с отщепления катионов, что увеличивает растворимость фитина, необходимую для его ферментативного распада. Затем под действием фитазы происходит отщепление фосфатных групп от мио-инозитола. Для работы фитазы в зерновках кукурузы оптимально значение pH 4,8. Однако в ком парт ментах щитков кукурузы, содержавших фитаты, отмечено снижение значений pH до 4,0. Столь значительная внутриклеточная ацидификация способствует повышению мобильности фитата в прорастающих зерновках кукурузы. В результате фитаты могут транспортироваться осевые органы, где подвергаются воздействию фитаз. Это предположение согласуется с данными работы. Авторы зафиксировали высокую активность фитазы в побеге и корне кукурузы на пятый-восьмой день после проклевывания зерновок. Однако некоторые авторы предполагают, что фитин не может транспортироваться из прорастающих семян в зародышевую ось, соответственно гидролиз фитина происходит только в местах его первоначального отложения, т. е. в семенах.
У
Arabidopsis thaliana мобилизация в ходе прорастания семян источников железа, локализованных в глобоидах вакуолей, происходите участием белков сем. Nramp: AtNramрЗ и AtNramp4. Вопрос об универсальности этого процесса для всего царства растений остается открытым.
В растущих осевых органах возможен частичный ресинтез фитатов за счет продуктов гидролиза (катионов, фосфат-ионов, инозита, инозит-фосфата), поступающих из тканей семян. Отмечен случай синтеза фитина в семядолях бобов при инкубации их в среде с высокой концентрацией фосфат-ионов.
Уровень концентрации микроэлементов в зародыше важен для роста проростка на гетеротрофной стадии развития. Например, концентрация в зародышах кукурузы различных образцов железа и цинка коррелировала со скоростью роста корней. Позднее, по мере возрастания потребностей осевых органов в минеральных элементах и истощения запасов их растворимых форм в щитке, основное минеральное питание проростка осуществляется вследствие мобилизации резервов эндосперма, в которой главная роль принадлежит щитку и алейроновому слою. В зерновке злаков эндосперм анатомически разобщен с зародышем. Поэтому мобилизация запасных веществ в эндосперме напоминает внеклеточное «переваривание» веществ в желудке животных организмов.
В конце XIX в. было известно, что щиток, выполняя секреторную и всасывающую функции, участвует во внеклеточном переваривании крахмалистого эндосперма злаков. Мобилизация запасных веществ эндосперма осуществляется благодаря ацидофицирующей способности щитка. По данным С.М. Щипарева с коллегами, секреция протонов щитком начинается на ранних стадиях набухания зерновок. В результате после первых 14 ч прорастания зерновок кукурузы pH гомогенатов эндосперма снижается с 5,6 до 4,8. Согласно нашим данным, величина pH в тканях интактного эндосперма снизилась за семь суток прорастания зерновки кукурузы на 0,8 единицы, тогда как в изолированном от зародыша эндосперме эта величина оставалась стабильной на протяжении всего периода наблюдений (рис. 4.12).
Подкисление эндосперма происходит неравномерно. Волна подкисления начинается от зоны непосредственного контакта эндосперма со щитком. В этой же зоне происходит наиболее интенсивное растворение эндосперма. Подкисление клеточных стенок эндосмерма сопровождается извлечением кальция из клеточных стенок, что приводит к их разрыхлению и последующему гидролизу под действием глюканаз.
В средах с изолированными щитками увеличивается концентрация органических кислое глюконовой, лимонной, уксусной, пролионовой, масляной и фосфорной кислоты. Эти соединения способствуют растворению резервных форм микро- и макроэлементов в эндосперме. По нашим данным, в присутствии кислотно-основного буфера (pH 6,0) транспорт микроэлементов через щиток к растущим осевым органам кукурузы уменьшается: цинк, или вовсе прекращается: железо (рис. 4.13). Железо я форме комплекса (Fe-цитрат) поглощается щитком кукурузы на 20% интенсивнее, чем в минеральной форме (рис. 4.14).
Секреция Н+ щитками — активный процесс, требующий затрат энергии. Подавляют секрецию протонов анаэробиоз и дыхательные яды (малонат, фторид натрия, динитрофенол), стимулируют катионы К+ и Ca2+. Конкретные механизмы ацидофицирующей деятельности щитка изучены к настоящему времени недостаточно. Вероятно, в этом процессе участвуют Н+-АТФазы и окислительно-восстановительные цепи в плазмалемме эпителиальных клеток щитка. Ингибиторы транспортных АТФаз плазмалеммы (ортованадат, ДЭС, ДЦКД) подавляют выделение протонов щитками кукурузы на 20-40%. С помощью гистохимического метода установлено, что изолированные щитки кукурузы восстанавливают феррицианид, который служит индикатором редокс-цепей, причем наибольшая феррицианидредуктазная активность отмечается на поверхности щитка, обращенной к эндосперму. Восстановление феррицианида сопровождается усилением подкисления щитками внешней среды, что свидетельствует о выполнении редокс-цепью функций Н+-помпы. Выделение кислот щитками стимулируют фитогормоны: ИУК и особенно кинетии в сочетании с ИУК. Фитогормоны также положительно действуют на секрецию щитками белков и поглощение сахаров и аминокислот. Подкисление эндосперма может также происходить и за счет углекислого газа, выделяемого щитками. Для щитков характерна высокая интенсивность дыхания, их дыхательный коэффициент больше единицы (1,5-1,8). Наибольшая активность декарбоксилирующих ферментов отмечена в дорсальной части щитка, прилегающей к эндосперму. Возможна также пузырьковая секреция кислот щитком в везикулах аппарата Гольджи.
Множественность механизмов подкисления эндосперма щитком повышает надежность мобилизации запасных веществ в период прорастания зерновки. Блокирование отдельных механизмов ацидофикации эндосперма ванадатом (Н'-АТФаз) или пиразолом (алкогольдегидрогеназы) не вызывало существенных изменений в интенсивности транспорта железа через щиток в растущие осевые органы кукурузы (рис. 4.15).
Ацидофикация эндосперма опережает активную секрецию в него α-амилазы и других гидролаз. Функциональное значение такого опережения состоит в оптимизации реакции среды для работы кислых гидролаз. Кроме того, подавляется активность белковых ингибиторов амилазы и усиливается работа систем эпителиальных клеток, ответственных за транспорт продуктов гидролиза эндосперма.
Щиток злаков (кукурузы) способен восстанавливать трехвалентное железо с помощью своих выделений. Экскреция щитком редуцирующих веществ — физиологический процесс, блокируемый при низких температурах. Скорость восстановления железа мало зависит от реакции среды, по крайней мере, в диапазоне pH 3,5-6,5. Микроэлементы (Cu2+, Zn2+, Mn2+) не могут подавлять редуктазную активность щитка, как это происходит в корнях двудольных растений.
В алейроновом слое эндосперма резервы (в том числе минеральные) и ферменты для их утилизации сосредоточены в вакуолях. Клетки алейронового слоя секретируют различные гидролитические ферменты. Это β-глюхаказа и ксилоназа, которые разлагают клеточные стенки эндосперма, кроме того, α-амилазы, другие гликозидазы, протеазы, пептидазы, кислые фосфатазы, ДНКазы, РНКазы. последовательно разрушающие содержимое клеток эндосперма. Деградация эндосперма начинается вблизи зародыша, а затем распространяется по всей зерновке, что коррелирует с большей активностью α-амилазы в призародышевой части эндосперма.
Поскольку для работы гидролаз оптимален узкий (кислый) интервал pH, активность этих ферментов регулируется в основном реакцией среды. Низкий уровень pH не только активирует работу вакуолярных гидролаз, но и создает электрохимический Н+-градиент в тонопласте, способствующий вторичному транспорту резервов вакуоли в цитозоль. При этом аминокислоты, образующиеся вследствие гидролиза запасных белков вакуолей алейрона, используются для синтеза гидролаз de novo. Неорганические ионы, появляющиеся при разрушении вакуолярного фитина алейрона, поступают в эндосперм.
Гидролитическую активность алейронового слоя жестко контролирует рост зародыша. Посредниками в этом процессе служат фитогормоны, в основном гиббереллииы и абсцизовая кислота, известные как антагонисты. Гиббереллины, секретируемые зародышем, усиливают, а АБK подавляет синтез и активность гидролаз алейроновым слоем. Регуляция фитогормонами гидролитической активности алейрона тесно связана с регуляцией концентрации ионов кальция и pH в цитозоле, а также с экспрессией гена α-амилазы алейронового слоя. Индуцируемые гиббереллинами высокая концентрация ионов кальция в цитозоле и низкое значение pH благоприятны для секреции и активации гидролаз. Напротив, АБК вызывает понижение концентрации ионов кальция в цитозоле и повышает значение pH в клетке.
После завершения секреторных функций клетки алейрона отмирают. Их гибель рассматривается как запрограммированная (аполтоз). сопровождается сжатием ядра, конденсацией хроматина, повреждением ДНК. Процесс апоптоза эволюционно консервативен и играет существенную роль в эмбриогенезе и развитии. У растений аполтоз наблюдается под действием стресса и грибной инфекции. При прорастании зерновки наиболее интенсивная фрагментация ДНК происходит в частях алейрона вблизи зародыша. В запуске апоптоза могут участвовать гиббереллины, выделяемые зародышем. Апоптоз клеток алейрона, вероятнее всего, обусловлен (по аналогии с клетками млекопитающих) интенсивной секрецией в нем гидролаз, особенно протеаз, под влиянием гиббереллинов зародыша. Осмотический стресс, возникающий в зерновке при накоплении в ней продуктов деградации крахмала, не рассматривается в качестве возможного триггера апоптоза. Возможно, АБК предотвращает вступление алейрона при неблагоприятных условиях а состояние апоптоза через регулирование активности и синтеза гидролаз, например в результате изменения концентрации кальция и/или pH в клетке.
Питательные элементы, сосредоточенные в семенных покровах, не используются проростком. Однако М. Moussavi-Nik с соавторами обнаружил поступление калия в осевые органы из семенной кожуры. Эти исследователи не отрицают возможности оттока из семенных оболочек в побег и корень части кальция, магния, цинка, меди и бора. Разрушение семенной кожуры под действием почвенных микроорганизмов может благоприятствовать мобилизации из нее минеральных элементов. Однако этот процесс продолжительный и к моменту его окончания основным источником элементов для проростка становится почва, а не резервы семенных оболочек.
Эффективность перераспределения минеральных элементов между органами прорастающего семени и проростка варьирует в зависимости от вида растений и природы элемента. Из семядолей в осевые органы развивающегося люпина может поступать до 90% фосфора, калия и серы, до 60-90% магния, железа, цинка, марганца, но только 25-30% кальция. Пастбищные травы и бобовые используют семенные резервы фосфора, железа и серы более эффективно, чем азота и калия. Весьма эффективно утилизируются микроэлементы в прорастающих зерновках кукурузы (табл. 4.7). У пшеницы, напротив, больше половины запасов цинка, меди и бора сосредоточено в семенных оболочках зерновки, т. е. в малодоступных формах.
Интенсивность мобилизации питательных элементов из семян зависит от биологических особенностей растений и условий роста. В темноте а осевые органы проростка тыквы поступало до 65% калия и 30% кальция от содержания этих элементов в семядолях. На свету отток калия и кальция замедлялся, что было, вероятно, обусловлено необходимостью этих элементов для фотосинтезирующих семядолей. Удаление побега тормозит мобилизацию калия в семядолях, но не влияет на накопление калия в корне. Это может свидетельствовать об отсутствии конкуренции за элементы питания между осевыми органами на начальном этапе развития проростка.
