ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2012, том 59, № 5, с. 643-659
= ОБЗОРЫ
УДК 581.1:575.1
БИОСИНТЕЗ ФИТОГОРМОНОВ У ВОДОРОСЛЕЙ © 2012 г. А. А. Киселева, Е. Р. Тараховская, М. Ф. Шишова
Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург Поступила в редакцию 27.11.2011 г.
Рост и развитие водорослей, так же как и высших растений, находятся под контролем гормональной системы регуляции. Практически все известные фитогормоны идентифицированы в различных таксономических группах водорослей, и подтвержден спектр их физиологического действия. В то же время, представления о ферментах, участвующих в синтезе фитогормонов у водорослей, весьма ограничены. Еще более фрагментарны данные о генах, кодирующих эти ферменты. Современные данные о протеомах ряда водорослей позволяют выявить аминокислотные последовательности, имеющие гомологию с ферментами и их консервативными доменами, идентифицированными у высших растений.
Ключевые слова: водоросли — фитогормоны — ИУК — цитокинины — АБК — гиббереллины
ВВЕДЕНИЕ
Изучение метаболизма растительных гормонов привлекает внимание многих исследователей [1]. В настоящее время пути биосинтеза фитогормонов у высших растений достаточно хорошо изучены, и идет активное накопление данных о регуляции этих процессов на генном уровне. В то же время, особенности метаболизма гормонов у разных групп водорослей остаются во многом невыясненными. Сведения о регуляции биосинтеза фитогормонов у них пока фрагментарны и не систематизированы [2]. Причинами этого, очевидно, является большое разнообразие данной группы фотоавтотрофов, а также многочисленные методические трудности, возникающие при работе с этими объектами. В настоящее время у представителей различных групп водорослей обнаружены практически все известные растительные гормоны [3-5]. И хотя вопрос о наличии у этих организмов полноценной гормональной системы до сих пор окончательно не решен, роль фитогормонов в регуляции ключевых метаболических про-
Сокращения: CPS — копалилпирофосфатсинтаза; CYP79B2/CYP79B3 - цитохром P450 79B2/B3 (от cytochrome P450 79B2/B3); GGPP — геранилгераниолпирофос-фат; NCED — 9-цис-эпокси-каротинои,вдиоксигеназа (от 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase); NIT1 — нитрилаза (от nit-rilase 1); PDS — фитоендесатураза (от phytoene desaturase); PSY — фитоенсинтаза (от phytoene synthase); SDR — корот-коцепочечная дегидрогеназа/редуктаза (от short-chain dehydrogenase/reductase); TDC — триптофандекарбоксилаза (от tryptophane decarboxylase); ZEP — зеаксантинэпоксидаза (от zeaxanthin epoxidase).
Адрес для корреспонденции: Шишова Мария Федоровна. 199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9. Санкт-Петербургский государственный университет, биолого-почвенный факультет, кафедра физиологии и биохимии растений. Электронная почта: mshishova@mail.ru
цессов у водорослей уже не вызывает сомнений [6-11].
Цель данной работы заключалась в систематизации данных о биосинтезе фитогормонов у водорослей, а также в проведении сравнительного анализа аминокислотных последовательностей, имеющих гомологию с ферментами синтеза гормонов у высших растений. В работе были использованы базы данных МСВТ и Генбанка.
АУКСИНЫ
Ауксин является одним из важнейших регуляторов роста и развития растений. Под контролем этого гормона находятся такие процессы, как рост растяжением, формирование проводящих тканей, корнеобразование и многие другие [12]. Ауксин обнаружен в высших растениях, водорослях, микроорганизмах, грибах и даже некоторых животных [13, 14]. Концентрация фитогормона в тканях водорослей, как правило, несколько ниже, чем у высших растений [12]. Так, например, содержание индолил-3-уксусной кислоты (ИУК) в зиготах бурых водорослей Fucus vesiculosus и F. disticus составляет 2—9 нг/г сырой массы [8, 15], у прочих представителей бурых водорослей концентрация ИУК составляет в среднем 1—4 нг/г сырой массы, у красных водорослей - 5—10 нг/г сырой массы, и у зеленых водорослей - 11—12 нг/г сырой массы [16]. Однако у некоторых видов (например, у красной водоросли Polysiphonia urceolata) содержание гормона достигает 110 нг/г сырой массы, что существенно превышает характерные для покрытосеменных значения в 25-30 нг/г сырой массы [17].
Влияние ауксина на рост и развитие водорослей в целом соответствует спектру его физиологического действия у высших растений [5]. Он стимулирует образование ризоидов у ряда видов водорослей, подобно тому, как это происходит у мхов [8]. В клетках Chara globularis (Charophyta) при обработке ауксином происходят такие же изменения цитоскелета, как и у покрытосеменных растений [10]. В апикальных и интеркалярных зонах таллома красной водоросли Grateloupia di-chotoma фитогормон стимулирует деление и растяжение клеток и/или подавляет ветвление, что также напоминает процессы, характерные для покрытосеменных [18]. Действием ауксина определяется поляризация зигот фукусовых водорослей, что подтверждается нарушением нормального развития зигот в присутствии ингибиторов полярного транспорта ИУК [8, 15].
Несмотря на то, что структура ИУК, самого распространенного природного ауксина, была установлена еще в 1930 г., метаболизм этого гормона исследуют до сих пор [19]. Некоторые детали биосинтеза ИУК окончательно не выяснены даже у высших растений. Их идентификация усложняется наличием в растительных клетках нескольких путей биосинтеза ауксина, предпочтительное использование которых может отражать различные этапы развития организма или являться ответом на воздействие факторов окружающей среды [20, 21]. Обычно выделяют два основных пути биосинтеза ИУК — триптофан-зависимый (рис. 1) и триптофан-независимый (рис. 2) [19]. Известны четыре соединения, образующиеся из триптофана, дальнейшие превращения которых могут приводить к образованию ИУК [22]. Ключевой реакцией индолил-3-пируватного пути является превращение триптофана в индолил-3-пируват под действием триптофан-амино-трансферазы. В дальнейшем происходит де-карбоксилирование индолил-3-пирувата до ин-долил-3-ацетальдегида, при окислении которого образуется ИУК. Эти реакции катализируются, соответственно, индолил-3-пируватдекарбокси-лазой и индолил-3-ацетальдегидоксидазой [23]. Третий путь включает в себя образование индо-лил-3-ацетальдоксима под действием моноокси-геназы P450 (CYP79B2/CYP79B3 от cytochrome P450 79B2/B3). Индолил-3-ацетальдоксим может быть предшественником нескольких соединений, которые в итоге трансформируются в ИУК. К числу таковых можно отнести индолил-3-аце-тальдегид, из которого в дальнейшем образуется ауксин в результате неизвестной ферментативной реакции [24], и индолил-3-ацетонитрил, который превращается в ИУК под действием нитрилаз (NIT от nitrilase). И, наконец, индол-3-алкилтио-гидроксимат может образовываться из индолил-3-ацетальдоксима. Последняя реакция является ключевой "глюкозинолатной петли" и катализи-
руется ферментом CYP83B1 (SUR2) [25]. Разновидностью этого пути является формирование индолил-3-ацетальдоксима из N-гидрокситрип-тамина, который синтезируется из триптамина при действии монооксигеназы YUCCA (у риса и арабидопсиса) [26], либо FLOOZY (у петунии) [27]. Триптамин образуется в процессе декарбок-силирования триптофана триптофандекарбокси-лазой.
Соединениями, дающими начало триптофан-независимому пути биосинтеза ауксина, могут быть индол или индолил-3-глицерофосфат — ин-термедиаты пути синтеза триптофана [28]. Из этих соединений образуются индолил-3-ацето-нитрил или индолил-3-ацетальдегид. Ферменты, катализирующие эти превращения, пока не изучены [25, 29].
В настоящее время активно исследуются гены, кодирующие ферменты различных этапов биосинтеза ауксина [30]. Анализ этих данных показывает, что основными ферментами биосинтеза ауксина, мутации по генам которых вызывают существенные нарушения развития растительного организма, являются флавин-зависимые монооксигеназы, триптофан-аминотрансфераза, различные цитохромы P450, триптофандекарбокси-лаза, C-S-лиазы (SUR1) и NIT [23, 24]. Именно эти ферменты были использованы нами для дальнейшего анализа (табл. 1).
YUCCA. Для Arabidopsis thaliana показано наличие нескольких ферментов, выполняющих данную функцию. При поочередном использовании в качестве матрицы представленных в табл. 1 белковых последовательностей арабидопсиса с помощью BlastP были выявлены аминокислотные последовательности водорослей, отличающиеся только параметром E value (т.е. степенью достоверности выравнивания). Они относятся (табл. 1) к семейству флавин-содержащих моно-оксигеназ, как и фермент YUCCA. Отметим, что E value имеет низкое значение, что доказывает гомологию этих последовательностей и указывает на возможное участие данных белков в выполнении той же функции, что и у арабидопсиса. Кроме того, представленные в базе данных NCBI характеристики данных аминокислотных последовательностей, также свидетельствуют о том, что функции, выполняемые данными ферментами, аналогичны.
FLOOZY. В связи с тем, что данный белок отсутствует в арабидопсисе, но выполняет ту же ферментативную функцию у Petunia х hybrida, для поиска в BlastP в качестве матрицы была использована аминокислотная последовательность, принадлежащая Petunia х hybrida. Но поскольку оба эти фермента, как YUCCA, так и FLOOZY, принадлежат одному семейству флавин-содержа-щих монооксигеназ, и их аминокислотные после-
триптофан-амино-, трансфераза
.OH O
, , о
N H
индолил-3-пировиноградная кислота
индол-3-пируват-декарбоксилаза
OH O
триптофан
цитохромы Р450 (CYP79B2/CYP79B3)
триптофан-декарбоксилаза (TDC)
1
nh2
триптамин
N.
OH
индолил-3-ацетальдоксим
H
O
индолил-3-ацетальдегид
монооксигеназа (YUCCA/FLOOZY)
о
он
-NH NH2
N-гидрокситриптамин
C-S-лиаза (SUR1)
глюкозинолаты
мирозиназа
N
индолил-3-ацетонитрил
индол-3-ацетальдегид-ч< оксидаза
N H
о
он
нитрилаза (NIT)
индолил-3-уксусная кислота Рис. 1. Триптофан-зависимый путь синтеза индолилуксусной кислоты.
довательности имеют значительную степень сходства (E value = 4e-170), то неудивительно, что спектр ферментов водорослей, обнаруженных в результате поиска BlastP относительно каждой из последовательностей, практи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.