^^^^^^^^^^^^^^^ ЛЕКЦИИ ^^^^^^^^^^^^^^
В ЖУРНАЛЕ
581.1
КАК ЦИТОКИНИНЫ ДЕЙСТВУЮТ НА КЛЕТКУ*
© 2009 г. Г. А. Романов
Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 30.06.2008 г.
Лекция дает современные представления о механизмах рецепции цитокинина трансдукции его сигнала на гены первичного и вторичного ответов, а также показывает связь быстрых молекулярных, индуцированных цитокинином процессов с вызываемыми ими физиологическими эффектами. Обсуждаются характеристики цитокининовой регуляторной системы, ее место и роль для роста и развития растительного организма.
Ключевые слова: цитокинин - рецептор - трансдукция сигнала - гены первичного ответа - регуляция экспрессии генов - дальнедистанционная коммуникация
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2009, том 56, № 2, с. 295-319
УДК
ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ цитокининов
Цитокинины (названные вначале кининами**) были обнаружены в лаборатории Ф. Скуга (США) уже более полвека назад [1]; однако только сейчас, в XXI веке, начали открываться основные закономерности их молекулярного действия. Первый искусственно полученный цитокинин (кинетин) проявил свою биологическую активность вначале в стерильной культуре тканей растений как вещество, стимулирующее деление клеток и рост каллусов. С учетом того, что предположение о существовании подобных регуляторов в растениях было выдвинуто Г. Хаберланд-том (Германия) еще в начале ХХ в. [2, с. 125], цитокинины были быстро причислены к основным гормонам растений. Как мы сейчас понимаем, это было сделано несколько преждевременно, так как в то время не были строго доказаны ни присутствие кинетин-подобных соединений в растении, ни их эндогенный биосинтез.
Первый природный цитокинин зеатин из зародышей кукурузы был выделен и описан Let:ham с соавт. (Австралия) [4, 5] лишь спустя почти десятилетие после получения Скугом с соавт. [1] синтетического ци-
* По материалам Чайлахяновского чтения 2006 г.
** Правильнее было бы переименовать "кинины" не в "ци-то-", а в "фитокинины", обозначая тем самым как их функцию, так и принадлежность к царству растений (предложено Köhler и Conrad в 1966 г. [3]).
Сокращения: ФлЭ - фосфолипаза Д; 2KC - двухкомпонентная система; DZ - дигидрозеатин; iP - изопентениладенин; Z - зеатин; ARR - белки-регуляторы ответа (арабидопсиса); GUS -глюкуронидаза.
Адрес для корреспонденции: Романов Георгий Александрович. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 007 (495) 977-80-18; электронная почта: gar@ippras.ru
токинина кинетина, а биосинтез цитокининов в растениях был доказан японскими исследователями лишь в 2001 г. [6, 7], т.е. уже в XXI в.
структура цитокининов
Структура главных природных цитокининов показана на рис. 1. Цитокинины представляют собой относительно простые производные аденина или аденозина, модифицированные по атому азота в 6-м положении шестичленного гетероцикла. У большинства цитокининов в этом положении к аденину присоединена короткая алифатическая цепь остатка изопентенила. Если эта цепь остается немодифицированной, цитокинины относят к группе изопентенильных (цитокинины 1Р-типа). Однако в растениях существуют ферменты, гид-роксилирующие алифатическую цепь по концевому атому углерода [8]. Именно цитокинины с гидроксилированной алифатической цепью получили название зеатинов (цитокинины 7-типа). Возможны два основных типа стереоизомеров зеатинов: транс- и цис-зеатин. В молекуле транс-зеатина гидроксил боковой цепи направлен в сторону от аденинового гетероцикла; транс-зеатин считается наиболее распространенным и активным цитокинином в растениях. У цис-зеатина концевой гидроксил, наоборот, сближен с адени-новым ядром, причем возможно образование водородной связи между водородом ОН-группы и атомом азота в 1-м положении аденинового гетероцикла (рис. 1) [9]. Среди других природных цитокининов широко известны такие, как дигидрозеатин (Б7), у которого восстановлена двойная связь боковой цепи, бАп, а также тополин, обнаруженный первоначально в растениях тополя ароматический цитокинин, у которого вместо алифатической цепи присутствует остаток 3-гидроксибензила [10].
HN
-О
N
O HN
N
Шп
iP
N
tZ
OH
N
OH
cZ
N
BA
/~Л
O
A
TD
N II
N
Рис. 1. Структуры типичных цитокининов. Kin - кинетин; BA - БАП; iP - изопентениладенин; cZ - ^ис-зеатин; tZ - транс-зеатин; TD - тидиазурон.
Цитокинины и их аналоги могут быть получены путем относительно несложного химического синтеза; поэтому известно множество разнообразных синтетических цитокининов с различной степенью активности. На практике чаще всего применяют сравнительно легко синтезируемые и устойчивые цитокинины, такие как кинетин, БАП и/или изопентениладенин.
Помимо цитокининов - производных аденина, цитокининовая активность была обнаружена у синтетических производных фенилмочевины [11]. Некоторые из производных фенилмочевины, такие, как К-фенил-К-(1,2,3-тидиазол-5-ил)мочевина (тидиазурон) или ^фенил-№-(2-хлоро-4-пиридил)мо-чевина (4РИ-30), проявляли высокую физиологическую активность, сходную с таковой наиболее активных природных цитокининов [12, 13].
РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЦИТОКИНИНОВ
Цитокинины распространены в биосфере повсеместно в буквальном смысле слова. Они обнаруживаются практически во всех живых организмах, в том числе в организме человека, а также в воде и почве. Биосинтез цитокининов происходит в высших растениях, мхах, водорослях, ряде бактерий грибов и даже некоторых насекомых-паразитах растений. Из этих объектов цитокинины попадают в почву и различные водные резервуары. У животных также обнаруживаются небольшие количества цитокининов, хотя эти соединения вряд ли имеют там гормональные функции. Дело в том, что отдельные изоформы тРНК содержат изопентенилированные по N6 остатки
аденина по соседству с антикодоном [14]. Эти модифицированные основания обычно представляют собой цмс-зеатин или изопентениладенин, а также их метилтиопроизводные. При распаде тРНК цитокинины высвобождаются и в принципе могли бы влиять на метаболизм компетентных клеток. Однако у растений тРНК, по-видимому, не является основным и существенным источником цитокининов [15]. У цитокинин-продуцирую-щих бактерий также обнаружены ферменты прямого, не через тРНК, биосинтеза цитокининов. В отличие от свободных 1Р-цитокининов, которые гидроксилируются в растениях с образованием еще более активного транс-зеатина, 1Р в составе тРНК гидроксилируется, напротив, с образованием малоактивного цмс-зеатина [14].
Содержание цитокининов во внутренних жидкостях (соках) растений обычно невелико, на уровне наномолей или десятка наномолей. Ксилемный сок содержит больше цитокининов 7-типа (обычно в форме рибозидов) и тем отличается от флоэмного сока, содержащего больше 1Р-цитокининов [16].
ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ЦИТОКИНИНОВ
Цитокинины обладают многообразным физиологическим действием на растения [17-19], причем характер действия этих гормонов сильно зависит от их концентрации. Одним из важнейших эффектов цитокининов, благодаря которому эти фитогормоны и были обнаружены, является стимуляция деления клеток. Многие эффекты цитокининов на организменном уровне, напри-
S
мер, формирование сосудистых тканей в корнях, обусловлены именно их способностью стимулировать деление определенной группы клеток-предшественников.
Рост растений вдоль продольной оси, обусловленный функционированием апикальных меристем побега и корня, находится под контролем цитокининов совместно с ауксинами [2, 20, 21]. При этом цитокинины в физиологических концентрациях стимулируют апикальную меристему и рост побега, но подавляют меристему и рост корня [22, 23]. Помимо деления, цитокинины способствуют также растяжению клеток, особенно в листьях и семядолях. Наряду с ауксинами, цитокинины в значительной степени формируют фенотип растения, стимулируя рост боковых побегов, но подавляя рост боковых корней. Вместе с ауксинами и гиббереллинами цитокинины формируют донорно-акцепторные отношения в растении, усиливая аттрагируюшую способность отдельных органов или их частей. В культуре растительных каллусов или тканей цитокинины вызывают формирование побегов. Цитокинины способствуют фотосинтезу, активируя формирование хлоропластов, часто даже в темноте. У многих растений цитокинины задерживают старение листьев, как отделенных, так и на интакт-ных растениях. У растений, способных к симбиозу с азотфиксируюшими бактериями, цитокинины и системы их рецепции необходимы для запуска процесса образования симбиотических клубеньков [24, 25]. Также у целого ряда растений цитокинины стимулируют прорастание семян и образование пигментов. У мхов типа Funaria обработка протонемы цитокининами индуцирует формирование почек, из которых образуется облиственный спорофит [26]. В высоких концентрациях цитокинины, наоборот, проявляют рост-ин-гибируюшее и даже апоптическое действие [27, 28]; они могут подавлять рост корней, культур клеток и даже вызывать опадение листьев.
Установленные эффекты цитокининов послужили основой для создания ряда биотестов на эти фитогормоны [29].
Физиологическое действие цитокининов на клеточном уровне суммировано ниже.
• Стимуляция клеточного деления.
• Активация притока метаболитов (аттрагиру-юший эффект).
• Дифференциация пластид.
• Увеличение размера клеток.
• Биосинтез пигментов.
• Задержка старения (в низких концентрациях).
• Индукция апоптоза (в высоких концентрациях).
• Формирование побегов в культуре каллусов.
ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ ЦИТОКИНИНОВ
Производством и/или продажей цитокининов занимаются многие крупные фирмы. Среди них такие известные международные корпорации, как "Sigma", "Dushefa", "Fluka", "Calbiochem" и др. В Чешской Республике фирма "OlChemim" специализируется на производстве различных форм сверхчистых цитокининов. Цитокинины являются важнейшими гормональными компонентами культуральных сред для растений. Их широко применяют в работах с культурами тканей и клеток растений, при микроразмножении полезных растений, при получении трансгенных растений. Цитокинины и их аналоги используют для формирования крон саженцев, смещ
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.