БИОХИМИЯ, 2007, том 72, вып. 10, с. 1365 - 1370
УДК 581.1
ОКИСЛИТЕЛЬННЫЙ СТРЕСС КАК ОДИН ИЗ МЕХАНИЗМОВ ОБРАЗОВАНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК В КОРНЕ*
© 2007 г. В.Б. Иванов
Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН 127276 Москва, Ботаническая ул., 35; факс: (495) 970-8018, электронная почта: ivanov@ippras.ru
Поступила в редакцию 24.05.07
В статье обсуждается гипотеза, выдвинутая Л. Фельдманом и его учениками, согласно которой покоящееся состояние клеток покоящегося центра корня обусловлено активацией ИУК, которая сосредоточивается в этих клетках, активности аскорбатоксидазы. Окисление аскорбиновой кислоты приводит к уменьшению содержания восстановленного глутатиона и накоплению перекиси водорода и активных форм кислорода в клетках покоящегося центра. Избирательное ингибирование транспорта ИУК уменьшает выраженность этих изменений в клетках покоящегося центра. Интересно отметить, что в прилегающих к покоящемуся центру инициальных клетках чехлика высокая концентрация ИУК не приводит к развитию признаков окислительного стресса.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: окислительный стресс, стволовые клетки, покоящийся центр, меристема, корень, аскорбатоксидаза, индолилуксусная кислота.
В кончике корня находится небольшая группа клеток, которые в отличие от вышерасположенных клеток делятся значительно реже. Они получили название клеток покоящегося центра и по ряду признаков напоминают стволовые клетки животных. В настоящее время изучение стволовых клеток — одно из наиболее интенсивно развивающихся направлений в биологии. Для развития этих исследований большой интерес представляет изучение специфики стволовых клеток растений. В отличие от животных, в растениях стволовые, активно пролиферирую-щие и дифференцированные клетки многократно переходят из одного состояния в другое. Благодаря этому растения в отличие от большинства позвоночных растут и образуют новые органы в течение всей жизни и способны вегетативно размножаться. Способность растений к образованию новых органов в течение всей жизни и вегетативному размножению обусловлена, во-первых, сохранением в течение долгого времени меристем, в которых сохраняются мало диффференцированные, способные делиться клетки, и, во-вторых, способностью дифферен-
Принятые сокращения: ИУК — индолилуксусная кислота, АФК — активные формы кислорода.
* Английский вариант статьи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow).
цированных клеток растений снова переходить к делению и образовывать новые органы или даже все растение. Хотя в меристемах клетки потенциально могут делиться в течение длительного времени, большая часть клеток делится только несколько раз до выхода из меристем, а на их место приходят новые клетки, возникающие из апикальных клеток. Только самые апикальные клетки остаются в меристемах в течение долгого времени и в отличие от большинства клеток меристемы делятся крайне редко и находятся в покоящемся состоянии. В них резко замедлены скорости синтеза белков и РНК, снижена концентрация этих соединений и четко выражены признаки покоящихся клеток (низкая базофилия, мелкие ядрышки, типичная структура хроматина и другие). В корнях эти клетки были названы Ф. Клаусом «покоящимся центром» [1]. Клетки покоящегося центра четко выявляются на радиоавтографах корней, длительное время инкубированных в растворе Н3-тимидина, или на срезах, окрашенных основными или кислотными красителями. В отличие от выше расположенных клеток, в них продолжительность митотических циклов увеличена примерно в 6—10 раз, причем в основном за счет увеличения продолжительности Огфазы [2]. В апикальных меристемах побегов есть сходные клетки, получившие название «меристемы ожи-
дания». Они редко делятся во время вегетативного роста, но переходят к активным делениям при переходе к закладке генеративных органов.
В настоящей статье мы ограничимся рассмотрением работ, выполненных при изучении покоящегося центра корня. Они обобщены в ряде обзоров [3—8]. Покоящийся центр есть у корней всех растений, за исключением корней с коротким периодом роста, например, специализированных коротких корней в корневой системе одного из видов молочая [9] или корней тех видов кактусов, у которых корни растут в длину только несколько дней после прорастания [10]. Размеры покоящегося центра зависят от толщины корня [11, 12]. В толстых корнях конских бобов или кукурузы он состоит из нескольких сотен клеток (рис. 1), тогда как в тонких корнях, например арабидопсиса, он состоит только из четырех клеток.
При развитии боковых корней покоящийся центр формируется после выхода корня из материнского. Число клеток боковых корней, которые образуются на главном корне, во много раз превышает число клеток, входящих в состав покоящегося центра. Кроме того, в растениях клетки растут симпластно и перемещения клеток не происходят. Поэтому формирование покоящегося центра при развитии бокового корня происходит за счет перехода в покоящееся состояние наиболее апикально расположенных клеток развивающегося зачатка бокового корня, примыкающих непосредственно к чехлику. В ходе морфогенеза растения такие переходы активно пролиферирующих клеток в покоящееся состояние происходят многократно. Они наблюдаются также при регенерации корня после декапитации. Если отрезать кончик корня, не превышающий критический размер, определяемый толщиной корня, то корень способен сформировать новые чехлик и покоящийся центр, причем один корень можно декапитиро-вать многократно [13, 14]. При регенерации новый покоящийся центр возникает из активно пролиферирующих клеток.
Функциональное значение клеток покоящегося центра многообразно. Во-первых, образование покоящегося центра, клетки которого делятся в 6—10 раз реже остальных клеток меристемы, приводит к резкому снижению максимального числа митозов за весь период роста. Так, например, чтобы корень кукурузы достиг длины 2—2,5 метра в меристеме должно пройти 100—120 митозов. Однако, так как первые клетки делятся очень редко, но их потомство со временем замещает остальные клетки меристемы, то они делятся 15—17 раз [3]. Очевидно, что хромосомные аберрации, возникающие в основной
части меристемы, распространяются на небольшое число клеток, тогда как аберрации, возникающие в первых клетках, окажутся со временем у всех клеток. Так как первые клетки имеют в 6—10 раз более длительные митотические циклы, причем в основном за счет увеличения периода О!, они значительно более устойчивы и тем самым корень уменьшает вероятность распространения хромосомных аберраций. Высокая устойчивость клеток покоящегося центра к неблагоприятным воздействиям позволяет корню восстанавливать рост после повреждений. После облучения в дозах, не достаточных для полного подавления делений, митозы в основной части останавливаются, а деления клеток покоящегося центра активизируются. Это приводит к восстановлению роста, после того как клетки, образовавшиеся из клеток покоящегося центра, переходят к растяжению [15]. Аналогичное явление наблюдается после выдерживания корней теплолюбивых растений при низких положительных температурах. В этом случае в клетках меристемы наблюдается слипание хромосом и их пролиферация нарушается, а клетки покоящегося центра начинают быстро делиться после переноса растений в нормальные условия [16, 17]. Во-вторых, покоящийся центр обеспечива-
Рис. 1. Схема строения кончика кукурузы. ПМ — проксимальная меристема, ПЦ — покоящийся центр
ет запас относительно мало дифференцированных клеток, способных в определенных случаях относительно легко изменять направление диф-ференцировки. Это облегчает образование нового чехлика после удаления или повреждения чехлика, который играет важную роль в росте корня, обеспечивая его защиту, участвует в геотропической реакции и, возможно, в других тро-пизмах. После удаления или повреждения чех-лика клетки покоящегося центра очень быстро начинают делиться, что приводит к образованию нового. Хотя чехлик может образоваться и из других клеток, его образование из покоящегося центра — более простой и быстрый процесс. В-третьих, по мнению ряда исследователей [18—20], покоящийся центр подавляет диффе-ренцировку окружающих его клеток и поддерживает их в стволовом пролиферирующемся состоянии. После выжигания одной из клеток покоящегося центра лазером в корнях араби-допсиса примыкающая к ней клетка коллумел-лы чехлика перестает делиться и откладывает крахмал. Стимуляция перехода клетки к образованию крахмала, что является одним из признаков перехода к дифференцировке, не связана непосредственно с прекращением делений [18]. Кроме того, у мутантов, дефектных по генам, необходимых для образования покоящегося центра, рост корня вскоре после прорастания останавливается, и клетки не могут делиться длительное время [20, 21].
По своим признакам клетки покоящегося центра напоминают стволовые клетки животных, и ряд авторов рассматривает их как стволовые клетки растений. В клетках покоящегося центра нет тканевых маркеров, которые выявляются в выше расположенных клетках, они способны к пролиферации, поддерживаются в течение всего периода роста корня, их производные могут образовать все клетки в корне и после повреждений из них происходит восстановление меристемы [3, 5, 8]. Однако, по мнению других исследователей [18—20], покоящийся центр является организующим центром корня, а стволовые клетки расположены вокруг него, так как клетки покоящегося центра делятся крайне редко и, по мнению ряда исследователей, влияют на поведение прилегающих к ним клеток. Сопоставление этих точек зрения можно найти в работе [7].
Механизмы формирования и поддержания покоящегося центра еще не выяснены. Прежде всего, следует отметить, что поддержание покоящегося центра в корне является активным процессом. После перенесения изолированных корней, выращиваемых в стерильной культуре, в среду без сахарозы, клетки покоящегося центра после внесения сахарозы начинают делиться
[22]. Мы также наблюдали (неопубликованные данные) деление клеток покоящегося центра после отрезания корней проростков кукурузы и переноса их во влажную среду на смоченную водой фильтроваль
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.