ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2012, том 59, № 4, с. 591-600
= ОБЗОРЫ
УДК 581.1
ПЕРЕХОД ОТ ГОРМОНАЛЬНОЙ К НЕГОРМОНАЛЬНОЙ РЕГУЛЯЦИИ НА ПРИМЕРЕ ВЫХОДА СЕМЯН ИЗ ПОКОЯ И ЗАПУСКА ПРОРАСТАНИЯ
© 2012 г. Н. В. Обручева
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений
им. К.А. Тимирязева РАН, Москва Поступила в редакцию 29.07.2011 г.
Принято считать, что выход семян из покоя заканчивается прорастанием и что этот процесс регулируется фитогормонами. Наибольшее внимание было уделено гиббереллинам (ГК), поскольку обработка ими — наиболее часто употребляемый способ выведения семян из покоя. В обзоре охарактеризована гормональная регуляция состояния покоя и выхода из покоя семян на примере араби-допсиса, семена которого находятся в состоянии неглубокого физиологического покоя. Выход из покоя осуществляется под действием низкой температуры и/или освещения красным светом и представляет собой две группы процессов. Одна — снижение уровня АБК и прекращение передачи сигнала от АБК, другая — синтез гиббереллинов и активация сигнальной системы ГК. Выход из покоя завершается ГК-индуцируемым синтезом белков и ферментов, необходимых для начала прорастания. Перешедшие в состояние вынужденного покоя семена способны реализовать программу на прорастание без участия фитогормонов, в результате повышения оводненности. Пусковая роль воды заключается в последовательном запуске основных метаболических систем при достижении во время набухания пороговых для них уровней оводненности и в подготовке прорастания. Таким образом, выход семян из состояния покоя регулируется фитогормонами, а последующая инициация растяжения клеток в осевых органах семян есть результат водной регуляции.
Ключевые слова:ЛгаЫйорш ШаНапа — семена — покой — выход из покоя — вынужденный покой — подготовка прорастания — прорастание — АБК — гиббереллины — гормональная регуляция — водная регуляция
ВВЕДЕНИЕ
Согласно общепринятым представлениям, выход семян из покоя и переход к прорастанию представляют собой единый процесс, поскольку о выходе семян из покоя судят по конечному результату — по количеству проросших семян и темпу прорастания [1—5]. Такой подход подразумевает функционирование одной общей системы контроля при превращении покоящегося семени в проросшее. Как правило, считается, что регуля-торную функцию выполняют фитогормоны, причем основную роль отводят гиббереллинам (ГК), так как хорошо известно, что именно обработка ГК покоящихся семян приводит к их прорастанию. Например, при обработке 202 видов покоящихся семян гибберелловой кислотой (ГК3) успешно был выведен из состояния покоя 181 вид, а слабый эффект ГК3 был отмечен для 10 видов [6]. Вместе с тем, хорошо известно, что семена, находящиеся в вынужденном покое, не реагируют на обработку ГК даже при использовании природных гиббереллинов [7, 8].
Сокращение: ПЭГ — полиэтиленгликоль. Адрес для корреспонденции: Обручева Наталья Владимировна. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН им. К.А. Тимирязева. Электронная почта: obroucheva@ippras.ru
ПОКОЙ СЕМЯН
Покоящимися называют семена, которые не прорастают при помещении их в благоприятные для прорастания условия температуры, оводнен-ности и доступа кислорода. Семена отличаются по глубине покоя и по способам выведения из него, на основании чего построена система классификации типов покоя, разработанная Николаевой [9] и недавно несколько видоизмененная Baskin и Baskin [10, 11]. В данном обзоре будет рассмотрен покой семян арабидопсиса, поскольку после расшифровки его генома исследователям удалось наиболее полно изучить процессы, происходящие в семенах. Большинство экотипов семян арабидопсиса обладает неглубоким физиологическим покоем, типичным для семян многих растений [10]. Семена в неглубоком физиологическом покое характеризуются хорошо развитым зародышем и требуют холодной (или тепловой) стратификации для выведения из покоя.
Для таких семян характерно высокое содержание АБК и низкое содержание ГК [2, 4, 12]. На рис. 1 схематически представлена регуляция покоя у семян арабидопсиса. АБК синтезируется при вхождении в покой, а также может дополнительно синтезироваться во время покоя [12]. В покоящихся семенах присутствует вся система передачи сигнала от рецепторов АБК на АБК-ре-
Мало ГК Много АБК
Компоненты,-
сигнальном системы АБК и экспрессия АБК-регулируемых генов
DELLA репрессоры< сигнальной системы ГК
f Рецепторы PYR/PYL, ^ протеинфосфатазы PP2C, серин/треонин киназы SnRK2, фосфорилируемые факторы транскрипции (ABI3, ABI4, ABI5), .экспрессия АБК-регулируемых генов
V___у
Стабилизируемые АБК ^J
Рис. 1. Схема состояния покоя в семенах арабидопсиса.
гулируемые гены, что обеспечивает чувствительность клеток к АБК. Внутриклеточные рецепторы АБК, относящиеся к PYR/PYL типу, "запирают" молекулы АБК, проникшие внутрь рецептора [13]. В результате этой конформацион-ной перестройки рецептор приобретает способность связывать ABI1-комплекс, содержащий протеинфосфатазу типа РР2С и серин/треонин протеинкиназу SnRK2 [14]. Такое связывание приводит к тому, что PP2C ингибируется, а SnRK2 активируется. Уже известно, что в формировании и покое семян принимают участие три АБК-активируемые SnRK2 протеинкиназы [15]. Эти протеинкиназы фосфорилируют факторы транскрипции [16], а именно ABI3, ABI4 и ABI5, которые специфически связываются с небольшими участками ДНК (так называемыми АВRЕ-эле-ментами последовательности PyACGTGG/TC) в промоторах АБК-индуцируемых генов. Состояние покоя обеспечивается транскрипцией именно тех генов, в промоторах которых широко представлены АВRЕ-последовательности [4, 12].
В противоположность активируемой системе передачи сигнала от АБК, передача сигнала от ГК в покоящихся семенах заблокирована с помощью так называемых DELLA репрессоров. Геном арабидопсиса содержит 5 генов, кодирующих DEL-LA белки, из которых RGL2 наиболее активен в подавлении прорастания семян [17].
Предполагается, что АБК каким-то образом взаимодействует с DELLA репрессорами [4].
Таким образом, покой семян определяется не только преобладанием содержания АБК над содержанием ГК, как считалось ранее, но и активной индукцией экспрессии АБК-зависимых генов, а также подавлением сигнальной системы гиббереллинов.
ВЫХОД СЕМЯН ИЗ ПОКОЯ
Регуляция выхода семян из состояния покоя заключается в ослаблении влияния АБК и усилении влияния ГК. Схематически этот процесс представлен на рис. 2.
В первую очередь, регуляция выхода из покоя направлена на снижение содержания АБК — процесс, наблюдаемый во всех выходящих из покоя семенах. Ключевым ферментом деградации АБК является 8'-гидроксилаза АБК, представляющая собой цитохром Р450-монооксигеназу [12]. Продукты реакции — биологически неактивные фа-зеевая и дигидрофазеевая кислоты — легко конъ-югируют с глюкозой, образуя глюкозные эфиры. Тем самым достигается инактивация АБК.
В случае покоящихся семян арабидопсиса освещение красным светом вызывает через фито-хром В экспрессию гена СУР707А2, кодирующего синтез 8'-гидроксилазы АБК, что приводит в конечном счете к деградации АБК [18, 19]. Транскрипты этого гена в начале набухания локализованы в кончике корешка и в эндосперме возле микропиле [12]. В дальнейшем экспрессия этого гена ослабевает [20]. Следует добавить, что при набухании семян АБК частично вымывается, что также способствует снижению ее уровня.
Наряду с этим, в выходящих из покоя семенах происходит ослабление системы, передающей сигнал от АБК к АБК-индуцируемым генам [3]. Компоненты этой системы — факторы транскрипции АВ13 и АВ15 — подвергаются деградации с помощью убиквитин-протеасомной системы [4, 21], и экспрессия гена, кодирующего синтез АВ13, постепенно прекращается [22]. В целом, транскрипция АБК-зависимых генов постепенно прекращается.
Внешние факторы
Экспрессия генов
Мишень
Достигнутый эффект
Завершение выхода из покоя
Красный—_ 8'-гидроксилаза АБК
Низкая^^
Синтез ■ ГК
Рис. 2. Схема выхода из покоя в семенах арабидопсиса.
Штриховкой обозначено действие ГК, приводящее к выходу семян из покоя.
Для выхода семян из покоя необходим биосинтез ГК. В случае арабидопсиса внешними факторами, вызывающими выход семян из покоя, являются освещение красным светом и низкая температура (4° С), которые индуцируют образование эндогенных ГК. Действие низкой температуры приводит к биосинтезу биологически активных гиббереллинов, главным образом ГК4, и в 10 раз более слабому накоплению ГК1 [23]. Низкая температура индуцирует экспрессию гена ЛЮЛ3ох1, кодирующего ГК-3-оксидазы, участвующие в превращении ГК в ГК4 и ГК20 в ГК1. Транскрипты этого гена были обнаружены в корешке и гипокотиле зародыша.
Действие красного света опосредовано участием пяти фитохромов, из которых самым важным является фитохром В. Фитохром А накапливается в темноте и функционирует при слабой интенсивности освещения в широком диапазоне длин волн. Остальные фитохромы функционируют при других световых режимах, отличающихся по длине волны и освещенности [24], их действие взаимодополняется при естественном освещении. Поэтому обычно для выведения из покоя набухающие семена арабидопсиса экспонируют при белом свете и низкой температуре.
После 4-часового освещения красным светом в центральном цилиндре зародышевой оси начинается экспрессия гена, ответственного за синтез фермента копалил-дифосфатсинтазы (новое название еп?-кауренсинтазы), которая катализирует реакцию циклизации в самом начале пути биосинтеза гиббереллинов [25]. Одновременно в ко-
ре и эндодерме корешка экспрессируются два гена, кодирующих ГК-3-оксидазы [21]. Фитохром В участвует в экспрессии гена ЛЮЛ3ох2, тогда как экспрессия гена ЛЮЛ3ох1 опосредована через действие фитохрома А [26]. Действие красного света можно заменить обработкой ГК. Транскрипция генов, кодирующих копалил-дифос-фатсинтазу, ГК20-оксидазу и ГК3-оксидазу, происходит в набухающих семенах в течение 8 ч, а затем замедляется, однако транскрипция гена ЛЮЛ3ох1 продолжается [25]. Тем самым удовлетворяются потребности семян в образовании биологически активных ГК.
Гиббереллины можно считать движущей силой п
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.