Реакции на дефицит микроэлементов в семенах растений
На ранних стадиях развития проросток злаков поглощает железо не только из почвы, но и из зерновки. В зерновке основные запасы железа сосредоточены в эндосперме — анатомически обособленной от зародыша части, из которой мобилизация железа (по существу, экстрацеллюлярного) осуществляется с участием щитка зародыша. В прорастающей зерновке щиток выполняет функцию, аналогичную функции корня (поглотительную), поэтому мы предположили, что и у щитка знаков Fе-дефицит может индуцировать какую-то ответную реакцию, направленную на усиление мобилизации железа из эндосперма.
Проверка гипотезы осуществлена в опытах с выращиваемыми к условиях гидропоники проростками кукурузы
(Zеa mays L.), ячменя
(Hordeum vulgare L.), озимой пшеницы
(Triticum aestivum L.), озимой ржи
(Secale secale L.) — типичными представителями злаков, реакции корней которых на Fe-дефицит хорошо изучены и классифицированы как стратегия II. Скорость ацидофикации среды щитками, отделенными от эндосперма, но с растущими осевыми органами, исследовали с помощью агаровой тест-системы, содержавшей бромкрезоловый пурпурный. Этот кислотно-основной индикатор меняет цвете красного (pH 5,2-6,8) до желтого (pH < 45). По окончании инкубации измеряли площадь желтого пятна, образуемого вокруг щитков в результате выделения ими кислых продуктов. В предварительных экспериментах была установлена сильная (r = 0,99) линейная связь между концентрацией в агарозой среде кислоты и площадью желтого пятна вокруг щитков. Кроме того, проводили прямые измерения значений pH инкубационного раствора (раствор KCl, 0,05 моль/л) с помощью рН-метра. Скорость восстановления щитками Fe3+ до Fe2+ оценивали но изменению при 540 нм оптической плотности комплекса Fe2+ с о-фенантролином.
У кукурузы недостаток железа в корневой зоне индуцировал увеличение (на 18-28%) выделения щитками кислых продуктов (рис. 6.5), что приводило к дополнительному снижению pH инкубационного раствора. Эта индивидуальная реакция щитка была специфична: дефицит марганца (рис. 6.5, Б), цинка (рис. 6.5. В), а также кальция и бора не вызывал подобного ответа. Аналогичные реакции выявлены у других злаков: ячменя, озимой пшеницы и озимой ржи. Более того, индуцированное Fе-стрессом выделение кислот щитками характеризовалось внутривидовой спецификой. Наибольшее подкисление среды отмечено для щитков образца кукурузы (К-7882), характеризовавшегося наименьшей Fe-эффективностью.
Усиление ацидофицирующей функции щитка в условиях Fе-дефицита сопровождалось увеличением скорости оттока из эндосперма железа — максимально на 26% (рис. 6.6). Очевидно, выделение кислых продуктов щитком — биологический феномен, важный для транслокации железа в растущие осевые органы злаков.
Описанная ответная реакция щитка на Fe-дефицит не сопровождалась какими-либо изменениями в его Fe3+-редуктазной способности, причем, восстановление щитком Fe3+ до Fe2+ происходило экстрацеллюлярно, т. е. не было приурочено к его плазматической мембране, как это наблюдается у корней двудольных растений. Очевидно, для щитков злаков характерен один из специфических ответов на Fе-стресс — увеличение скорости выделения кислых продуктов, что присуще корням двудольных растений (стратегия I). Другая известная специфическая реакция двудольных на Fe-дефицит — увеличение Fe3+-редуктазной способности корней у щитков злаков (кукурузы) не проявлялась вовсе.
Существует мнение, что у корней двудольных Fe3+-редукция вряд ли может быть критическим фактором, контролирующим устойчивость растений этой группы к недостатку железа, так как она осуществляется на плазматической мембране и не может способствовать растворению соединений железа в питательной среде. По нашим данным, несмотря на экстрацеллюлярную локализацию Fe3+-редуктаза в щитке, как и в корне двудольных растений, играет минорную роль в механизме адаптации кукурузы к Fe-дефициту. Возможно, это обусловлено изначально высокой скоростью Fe3+-редукции в щитке, о чем свидетельствуют результаты ее определения у проростков, нормально снабжавшихся железом (+ Fe-ЭДТА). Согласно расчетам даже при самой низкой Fe3+-peдуктазной активности (1,7 мкг Fе2+/щиток*ч), наблюдавшейся в наших экспериментах, весь запас железа в эндосперме зерновок кукурузы изученных образцов (около 13 мкг) мог быть восстановлен менее чем за 8 ч. Реальное исчерпание этого запаса в эндосперме происходило через 8-10 дней после замачивания зерновок кукурузы. Очевидно, в условиях Fe-дефицита проростку кукурузы не целесообразно регулировать интенсивность процесса (Fe3+-редукции), скорость которого не лимитирует мобилизацию железа из эндосперма.
Пока не ясно, функционирует ли в зерновке злаков механизм стратегии II (выделение щитком фитосидерофоров). Однако показано, что элиминирование подкисления среды щитком с помощью кислотно-основного буфера полностью подавляло транспорт железа в растущие осевые органы кукурузы из имитировавшей эндосперм агаровой среды. Поэтому в настоящее время нет оснований предполагать, что возможное выделение щитком фитосидерофоров представляет собой специфический механизм, способный в достаточной степени обеспечить потребности растущего проростка злаков в железе.
Таким образом, у щитков злаков проявляется нехарактерный для злаков специфический ответ на Fe-дефицит: индуцированное (Ре-дефицитом) усиление выделения кислых продуктов (Н+). Эта адаптивная реакция приурочена к дорсальной стороне щитка, и сопровождается увеличением скорости оттока железа из эндосперма.
