ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 1, с. 5-14
== ОБЗОР
УДК 581.1:582.9
РОЛЬ ТОНОПЛАСТА КЛЕТОК МЕЗОФИЛЛА В ОПРЕДЕЛЕНИИ РУСЛА ЗАГРУЗКИ ФЛОЭМЫ. К 30-ЛЕТИЮ ИССЛЕДОВАНИЙ ЗАГРУЗКИ ФЛОЭМЫ*
© 2007 г. Ю. В. Гамалей
Ботанический институт им. В. Л. Комарова Российской академии наук, Санкт-Петербург
Поступила в редакцию 10.05.2006 г.
В обзоре приведены данные световой, электронной и конфокальной микроскопии за 30-летний период и коррекция представлений о загрузке флоэмы ассимилятами. Показано, что русло их экспорта из мезофилла во флоэму определяется не в конце пути - в терминальной флоэме, а в его начале - в клетках мезофилла. Пластиды, фотосинтез и первичный пул ассимилятов локализованы в ва-куоме клеток мезофилла. Все препараты, наносимые на поверхность листа, через апопласт загружаются во флоэму, в том числе и у симпластных растений. Следовательно, фотоассимиляты не загружаются через апопласт не из-за отсутствия помп и переносчиков в клетках терминальной флоэмы, а из-за невозможности выхода из клеток мезофилла в апопласт. Из двух мембран, лежащих между вакуомом и апопластом, барьерным свойством обладает тонопласт. Невозможность его преодоления повышает гидростатическое давление в вакуоме до уровня, индуцирующего формирование плазмодесм между клетками. Потеря тонопластом барьерной для ассимилятов функции ведет к их выходу в апопласт, несовместимому с прокладкой вакуолярного русла загрузки. Первичная причина альтернативности двух механизмов загрузки флоэмы - вариации барьерных свойств тонопла-ста. Принципиальное отличие молодой группы апопластных двудольных (около 20000 видов), становление которой ассоциируется с экспансией лугово-степной растительности 5-7 млн. лет назад -кардинальное изменение барьерных свойств тонопласта. Оно могло возникнуть в связи с дифференциацией климата в конце миоцена, с развитием дефицита тепла и влаги на значительной территории в этот период. Следствием изменения компартментации ассимилятов стало появление и экспансия большой группы трав умеренного климата.
Экспорт ассимилятов - загрузка флоэмы - симпласт - плазмодесмы - апопласт - апопластный лабиринт - вакуом - тонопласт - эволюция экспорта
ВВЕДЕНИЕ
В 1974-1976 гг. были опубликованы фундаментальные труды, сформулировавшие проблему загрузки флоэмы ассимилятами в качестве наиболее актуальной на тот момент для понимания функционирования флоэмы в целом растении [1-5]. В последующие 30 лет это направление исследований флоэмы было ведущим. Оно интенсивно развивалось на модельных объектах, и после того, как выяснилось, что в ходе эволюции возникли две альтернативные линии специализации терминальной флоэмы [2], в центре внимания оказались сравнительные исследования на широком круге сосудистых растений [6-13]. В результате у двудольных были описаны группы сим-
Адрес для корреспонденции: Гамалей Юрий Владимирович. 197376 Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 2. Ботанический институт РАН. Факс: 007 (812) 552-19-44; электронная почта: gamalei@mail15.com
* Обзор публикуется в порядке дискуссии.
пластных и апопластных растений, кардинально различающиеся организацией терминальной флоэмы и механизмами ее загрузки [12, 14, 15]. Комплекс различий включает морфологические, анатомические, физиологические и биохимические признаки. Вероятно, методы молекулярной биологии обнаружат и более глубокие генетические различия между ними [16]. О том, что различия фундаментальны и могли играть важную роль в экологической эволюции сосудистых растений свидетельствует доминирование симпластных двудольных среди представителей влажной тропической растительности, а апопластных -среди лугово-степной растительности дефицитных по теплу и влаге областей умеренной зоны [14]. Набор жизненных форм симпластных двудольных - деревья, кустарники, лианы; апопластных - однолетние и многолетние травы. Промежуточную группу составили более древние, менее специализированные и часто редуцированные формы аркто-альпийской растительности, к которым примыкали древесные растения лесных и тундровых формаций бореальной зоны.
Структурно-функциональная диагностика симпластного и апопластного синдромов не вызывает трудностей. Она возможна по структуре терминальных пучков листа, по положению водо-запасающих тканей и устьиц в листе, по типу симметрии его тканей, по скорости потери отделенными листьями воды, по многим другим признакам [14]. Высокая степень их согласованности предполагает не только специализацию, но и причинно-следственные связи признаков. Тенденция объяснять тот или иной способ загрузки флоэмы и их комбинаторику как следствие определенной специализации клеток-спутников ситовидных элементов терминальной флоэмы уже получила распространение [16-20]. Этот признак надежен для диагностики синдрома и может быть использован для ответа на вопрос о механизмах загрузки флоэмы у конкретных видов растений, но не на вопрос о причинах различий. Тестирование по этому признаку является в значительной степени косвенным, поскольку функционирование терминального комплекса - окончание процесса. Спутники расположены в конце трассы загрузки флоэмы. Ключевой, альтернативно детерминирующий ту или иную схему компартментации сахаров процесс должен находиться в начале пути, в тесной ассоциации с фотосинтезом, фотосинтетическим метаболизмом, локализацией первичного пула ассимилятов, т.е. в клетках мезофилла. Их предполагаемой роли в определении русла оттока фотоассимилятов посвящена данная статья.
ЛОКАЛИЗАЦИЯ ХЛОРОПЛАСТОВ,
ФОТОСИНТЕЗА, ПЕРВИЧНОГО ПУЛА ФОТОАССИМИЛЯТОВ
Вследствие развития методов конфокальной микроскопии после длительного периода электронно-микроскопических наблюдений фиксированных препаратов появилась возможность возврата к наблюдениям прижизненной структуры клеток. В результате опубликованы десятки работ, описывающих подвижную сетевую структуру общей мембранной упаковки хлоропластов [21-27]. Эта сеть не очень удачно названа "стро-мулами" [21]. Первоначально складывалось впечатление, что непрерывны сами хлоропласты: связующие их трубки имеют двойную оболочку и заполнены стромой [22]. Позже выяснилось, что мембранные трубки объединяют не только пластиды, но и митохондрии в общую сеть. Ни стро-мы, ни матрикса в них нет, мембрана одинарная [26, 27]. Назвать эту информацию абсолютно новой нельзя. Скорее это ренессанс наблюдений прижизненной (нефиксированной) структуры растительных клеток. Общая мембранная упаковка пластид уже была описана более 100 лет назад в ходе прижизненных наблюдений методами световой микроскопии [28, 29]. В электронно-
микроскопический период эти данные были забыты. Теперь они снова вызывают интерес, в современных обзорах приводятся рисунки и схемы из публикаций тех лет [22, 24].
Наблюдения подвижности органелл с помощью конфокальной микроскопии и компьютерной видеотехники показали, что и пластиды и митохондрии с довольно высокой скоростью (1-2 мкм/с) перемещаются внутри сети стромул. После того, как выяснилось, что сеть стромул подвижна и проникает из клетки в клетку через плазмодесмы [24, 30], стало ясно, что открыта не новая структура, а хорошо известная по электронно-микроскопическим наблюдениям эндоплазматическая сеть [31, 32]. Хлоропласты и митохондрии находятся внутри нее [26, 31], их подвижность вторична относительно цитоскелет-зависимой подвижности эндоплазматической сети [33, 34].
Гипотеза эндосимбиотического происхождения органелл эукариотической клетки [35, 36], теперь признанная в качестве теории [37, 38], предполагала, что поглощенные цитозолем бактерии находятся в мембранной капсуле - фагосо-ме, которая развивается в процессе ее наполнения фотосинтатами и водой в зону симбиотиче-ского контакта - симбиосому. Далее она эволюционирует как эндоплазматический (ваку-олярный) аппарат растений [14, 31, 32]. Его содержимое - водная среда, аналогичная той, в которой обитали предшественники хлоропластов -цианобактерии, но значительно более гомеоста-тированная.
Фотосинтез, согласно принятой теперь точке зрения, - уникальное свойство не столько растений, сколько цианобактерий [39]. Способность к автотрофному питанию растения приобрели, включив цианобактерии в себя и сформировав на их основе свой пищеварительный (вакуолярный) тракт. Поглощенные 3.5 млрд. лет назад бактерии в процессе эндосимбиогенеза стали причиной развития эндоплазматической сети, вакуома, а затем и их более поздних производных, проводящих элементов флоэмы и ксилемы, выполняющих в растении транспортную, распределительную и регуляторную функции [14, 32].
Вступив в симбиоз, цианобактерии прошли большой эволюционный путь внутри растений и приобрели в связи с этим определенную специфику. Но по многим признакам хлоропласты растений сохранили сходство с цианобактериями. Так же, как цианобактерии, они используют растворенный в воде бикарбонат в качестве источника углекислоты, имеют сходную стехиометрию ци-тохромов (показана возможность их пересадки) и организацию реакционного центра ФС II. Некоторую редукцию претерпел геном хлоропластов в связи с переносом части генов в геном ядра, но и в его структуре и функционировании много
сходств с геномом цианобактерий. Сходны процессы их репродукции. Экспериментальная инициация синтеза РНК у цианобактерий показывает, что они имели систему рецепции цитокинино-вого сигнала еще до становления симбиотических отношений. Серьезных различий ни по регуляции экспрессии генома, ни по организации фотосистем, ни по источнику углекислоты, ни по продуктам фотосинтеза цианобактерии и хлоропласты растений не имеют [39].
Все это возможно в условиях сохранения внутри растений водной среды. Компартмент первичного накопления фотосинтатов - эндоплазмати-ческая сеть - возникает одновременно с фотосинтезом и развивается в межклеточный вакуолярный континуум, протянутый через все тело растения [14, 31, 32]. Обитание хлоропла-стов в вакуоме, а не цитозоле, подтверждено исследованиями его регенерации в клетках in vitro. Восстановление вакуолей невозможно после удаления из клетки хлоропластов или в темноте [40-42]. Конфокальная микроскопия подтвердила межклеточную экспансию сети строму
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.