ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 6, с. 885-891
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ^^^^^^^^^^^^ СТАТЬИ
УДК 581.1
СТИМУЛИРУЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ АДРЕНАЛИНА И НОРАДРЕНАЛИНА НА ВОДОНАГНЕТАЮЩУЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
КОРНЯ И УЧАСТИЕ G-БЕЛКОВ
© 2007 г. В. Н. Жолкевич, М. С. Попова, Н. В. Жуковская
Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 12.04.2007 г.
Для выяснения участия G-белков в трансдукции сигналов при стимулирующем воздействии нейро-трансмиттеров адреналина и норадреналина на корневую экссудацию, а в более общем плане - участия G-белков в регуляции транспорта воды в корне и создании корневого давления были испытаны ингибитор ГТФ-связывающей активности G-белков гуанозинтиодифосфат и стимулятор этой активности гуанозинтиотрифосфат. Эксперименты проводили с отделенными корнями 5-7-дневных проростков кукурузы (Zea mays L.) и полученными из них путем удаления центрального цилиндра "рукавичек". Последние представляют собой удобную модельную систему для изучения природы корневого давления благодаря сильно ограниченной возможности функционировать подобно осмометру на самом начальном этапе экссудации. Адреналин и норадреналин усиливали интенсивность экссудации, повышали ее температурный коэффициент (Qi0), корневое давление и его метаболическую составляющую у "рукавичек" в значительно большей степени, чем у "целых" корней (т.е. отделенных корней с неудаленным центральным цилиндром). В контрольном варианте (инкубация в воде) гуанозинтиодифосфат тормозил экссудацию у "целых" корней в среднем на 30%, у "рукавичек" - более, чем на 50%, одновременно снижая Q10 интенсивности экссудации у "целых" корней с 3.0 до 1.7, а у "рукавичек" с 4.0 до 1.3. Гуанозинтиотрифосфат оказывал диаметрально противоположное действие - он стимулировал экссудацию "целых" корней в среднем на 30%, "рукавичек" -на 60%; величина Q10 при этом увеличивалась у "целых" корней с 3.0 до 3.6, у "рукавичек" - с 4.0 до 5.8. Эти данные могут свидетельствовать об участии G-белков в регуляции транспорта воды и создании корневого давления в норме (т.е. без каких-либо воздействий). Гуанозинтиодифосфат полностью снимал стимуляцию экссудации как адреналином, так и норадреналином, делая ее уровень существенно ниже контрольного, особенно у "рукавичек". Гуанозинтиотрифосфат усиливал стимулирующее влияние обоих нейротрансмиттеров, главным образом, у "рукавичек", а у "целых" корней его эффект оказался сравнительно слабым, особенно в опытах с норадреналином. Принципиально важно, что "рукавички" реагировали на воздействие как нейротрансмиттеров, так и регуляторов активности G-белков явно сильнее, чем "целые" корни. Полученные данные делают вероятным участие G-белков, во-первых, при передаче индуцируемых адреналином и норадреналином сигналов, стимулирующих водонагнетающую деятельность корня и, во-вторых, в регуляции транспорта воды и создании корневого давления в норме. Судя по результатам опытов с "рукавичками", это участие в значительной степени может быть связано с функционированием паренхим-ных клеток коры корня и формированием метаболической составляющей корневого давления.
Ключевые слова: Zea mays - корень - "рукавички" - экссудация - трансдукция сигнала - G-белки -нейротрансмиттеры - гуанозинтиодифосфат - гуанозинтиотрифосфат.
ВВЕДЕНИЕ
В недавно опубликованной работе [1] было охарактеризовано стимулирующее воздействие нейротрансмиттеров на водонагнетающую деятельность корня. Подобное воздействие, отмеченное в ряде предыдущих публикаций [2-8], проявляется в усилении выделения экссудата отделенной корневой системой и связано с повышением корневого
Адрес для корреспонденции: Жолкевич Владимир Николаевич. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 007 (495) 977-80-18; электронная почта: Zhvn@ippras.ru
давления за счет увеличения его метаболической составляющей на фоне увеличения температурного коэффициента Q10 интенсивности экссудации, уменьшения как осмотического давления экссудата, так и гидравлической проводимости корня. При этом оказалось, что стимулирующий эффект всех испытанных нейротрансмиттеров (ацетилхо-лина, адреналина, норадреналина, серотонина) полностью нивелируется в присутствии дезинтеграторов микрофиламентов и микротрубочек, а также разобщителей окисления с фосфорилирова-нием. Влияние названных агентов не ограничивается лишь снятием стимулирующего эффекта
— 6 >5 —2 —1
Схема получения "рукавички" из отделенного корня кукурузы.
а - апикальная часть корня; б - удаленный центральный цилиндр, в - "рукавичка". 1 - ризодерма, 2 - кора, 3 - эндодерма, 4 - центральный цилиндр, 5 - остатки клеток разорванной эндодермы, 6 - образовавшаяся после удаления центрального цилиндра продолговатая пустая полость.
нейротрансмиттеров. Экссудация при этом тормозится в такой же степени, в какой ее ингибируют присутствующие в инкубационной среде только одни блокаторы элементов цитоскелета или разобщители окисления и фосфорилирования, а никаких нейротрансмиттеров вовсе нет [4, 5, 7]. Этот факт имеет особо важное значение. Он может свидетель-
ствовать о нацеленности воздействия нейротрансмиттеров при стимулировании ими экссудации именно на энергозависимые контрактильные системы. Правомерность такого предположения подкрепляется отсутствием какой-либо аддитивности стимулирующих эффектов различных нейротрансмиттеров при их совместном применении в любых сочетаниях [5]. Аддитивности нет вследствие идентичности мишени, на которую нацелено действие всех испытанных нейротрансмиттеров при стимуляции ими экссудации. Такой мишенью являются элементы цитоскелета.
Естественно возникает вопрос о путях транс-дукции индуцируемых нейротрансмиттерами сигналов, связанных со стимуляцией экссудации. Приведенные в работе [1] данные делают вероятным участие в подобной трансдукции двух звеньев сигнальных систем - протеинкиназ и проте-инфосфатаз. Эти данные делают также вероятным участие протеинкиназ и протеинфосфатаз в регуляции транспорта воды и создании корневого давления не только в опытах с нейротрансмиттерами, но и в норме. В связи с этим встает вопрос об участии в этих процессах G-белков, являющихся посредниками при передаче сигналов от рецепторов клеточной мембраны к последующим звеньям многих сигнальных систем, в том числе к протеинкиназам и протеинфосфатазам [9].
Цель настоящей работы заключалась в выяснении участия G-белков в трансдукции индуцируемых адреналином и норадреналином сигналов, стимулирующих водонагнетающую деятельность корня, а также участия этих белков в регуляции транспорта воды и создании корневого давления в норме.
МЕТОДИКА
Объектом исследований были отделенные корни этиолированных проростков кукурузы (Zea mays L., гибрид Пионер). Растения выращивали при температуре 23°С в течение 5-7 дней, после чего отбирали проростки с прямым зародышевым корнем длиной 12-15 см. Лезвием безопасной бритвы в капле воды одним движением отсекали апикальную часть корня длиной 5 см, с которой в дальнейшем и вели работу.
Помимо упомянутых фрагментов корней опыты проводили также с полученными из них "рукавичками". Для получения "рукавички" корень изгибали на расстоянии 7-8 см от апекса так, чтобы кора разрывалась, а затем осторожно извлекали центральный цилиндр, обращая особое внимание на то, чтобы не повредить апикальную часть корня. При удалении центрального цилиндра разрыв происходил по клеткам эндодермы. Таким образом, "рукавичка" состоит из ризодермы, клеток коры, остатков клеток разорванной эндодермы и
образовавшейся на месте удаленного центрального цилиндра продолговатой пустой полости (рисунок); стало быть, она не имеет ни ксилемы, ни, тем более, ксилемного сока. Если извлеченный центральный цилиндр оказывался короче "рукавички" как минимум на 0.5 см, то такие "рукавички" для опыта не использовали. Затем "рукавичку" обрезали под каплей воды лезвием безопасной бритвы так, чтобы ее длина, считая от апекса, составляла 5 см, т.е. равнялась бы по длине той части корня с неудаленным цилиндром, которую тоже использовали в работе. В дальнейшем эта часть корня будет условно называться "целым" корнем - в отличие от"рукавички".
Таким образом, в опытах сравнивали поведение "целых" корней и "рукавичек". Если "рукавичку" фиксировать вертикально в воде так, чтобы ее верхняя часть выступала над водной поверхностью, то в ее внутреннюю полость поступает жидкость и через некоторое время "рукавичка" начинает выделять экссудат подобно "целому" корню с неудаленным центральным цилиндром. При этом скорость экссудации "рукавичек" значительно превышает таковую "целых" корней. Экссудация начинается, несмотря на отсутствие во внутренней полости "рукавички" какого-либо раствора, подобного ксилемному соку (который, согласно классической осмотической концепции экссудации, и насасывает воду из наружной среды [3, 7]), т.е. при условиях, сильно ограничивающих возможность функционирования "рукавички" в качестве осмометра. Следовательно, экссудация начинается за счет одной метаболической составляющей, к которой постепенно, по мере заполнения внутренней полости "рукавички" экссудатом, подключается и осмотическая составляющая корневого давления.
Таким образом, "рукавички" представляют собой удобную модельную систему для изучения природы движущей силы экссудации [3, 7]. Преимущество "рукавичек" заключается еще и в неприменимости к ним гипотезы "асимметричной двойной мембраны", отрицающей существование метаболической составляющей корневого давления, а также гипотезы об апопластных каналах центрального цилиндра, с функционированием которых некоторые авторы пытаются связать чуть ли ни весь механизм корневого давления [10-14].
Интенсивность экссудации (7М,) измеряли методом, описанным в работе [15], в ультратермостате ^10 (Германия) при 30°С в течение 1 ч, снимая показания через каждые 20 мин. Для выравнивания температуры "целые" корни или "рукавички" предварительно выдерживали в ультратермостате в течение 10 мин. Поскольку при работе с "рукавичками" нас интересовал самый начальный период их экссудации, когда осмотическая составляющая корневог
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.