научная статья по теме УЧАСТИЕ АПОПЛАСТА В РЕГУЛЯЦИИ ТРАНСПОРТА АССИМИЛЯТОВ, ФОТОСИНТЕЗА И ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТЕНИЯ Биология

Текст научной статьи на тему «УЧАСТИЕ АПОПЛАСТА В РЕГУЛЯЦИИ ТРАНСПОРТА АССИМИЛЯТОВ, ФОТОСИНТЕЗА И ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТЕНИЯ»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 3, с. 466-478

== ОБЗОР

УДК 581.132

УЧАСТИЕ АПОПЛАСТА В РЕГУЛЯЦИИ ТРАНСПОРТА АССИМИЛЯТОВ, ФОТОСИНТЕЗА И ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТЕНИЯ

© 2004 г. В. И. Чиков, Г. Г. Бакирова

Казанский институт биохимии и биофизики Казанского научного центра Российской академии наук, Казань

Поступила в редакцию 21.08.2001 г.

Предложена концепция, согласно которой ассимиляты циркулируют по растению, двигаясь в нисходящем направлении по флоэмным сосудам, а оказавшись в апопластном пространстве стебля, вовлекаются в восходящий транспирационный поток воды. Попадая в апопласт завершивших рост листьев, они повторно реэкспортируются по флоэме. Таким образом, в апопластном пространстве растения формируется выровненный по концентрации обобществленный фонд ассимилятов. В соответствии с этой концепцией механизм "запроса" на ассимиляты представлен как реакция фотосинтетического аппарата на изменение их концентрации в апопласте по мере потребления акцептирующими органами. Соотношение меченых фотоассимилятов в апопласте и внутри клеток мезофилла различается. В апопласте больше меченого углерода содержится в сахарозе, меньше - в аминокислотах и гексозах. При усиленном нитратном питании возрастает включение 14С в аминокислоты и уменьшается отношение меченых сахароза/гексозы. Известный эффект относительного торможения оттока ассимилятов из листа в условиях усиленного азотного питания объяснен не переключением первичных продуктов фотосинтеза, обычно используемых для биосинтеза сахарозы, на обеспечение активированных ростовых процессов в листе, а интенсификацией гидролиза ранее образовавшейся сахарозы в апопласте в результате повышения активности инвертазы, так как соотношение сахароза/гексозы в значительно большей степени уменьшается в апопласте, чем в сим-пласте. Последнее предположение подтверждено данными искусственного изменения кислотности среды апопластной жидкости путем помещения растений в атмосферу паров NH3 или HCl, которое вызывало разнонаправленные изменения относительного содержания меченых ассимилятов в апопласте и интенсивности фотосинтеза.

Фотосинтез - транспорт ассимилятов - симпласт - апопласт - азотное питание - продуктивность

Данные о динамике перемещения меченых ассимилятов из клеток мезофилла листьев сахарной свеклы в черешки [1] и флоэмные пучки [2], а также опыты с вымыванием веществ из листовых высечек позволили в свое время Курсанову [3] сделать заключение о том, что свободное пространство листа (многокомпонентная зона, включающая в себя клеточные стенки, пространство между плазмалеммой и клеточной стенкой, а также межклетники с воздушными полостями) является для большинства видов растений промежуточным звеном при движении ассимилятов из клеток мезофилла во флоэму. Поскольку в свободном пространстве листа основные метаболические процессы протекают в жидкости, пропитывающей клеточные стенки, позднее стали го-

Адрес для корреспонденции: Чиков Владимир Иванович. 420503 Казань, ул. Лобачевского, 2/31. Казанский институт биохимии и биофизики КНЦ РАН. Факс: (8432) 38-75-77; электронная почта: chikov@mail.knc.ru

ворить только об этой части свободного пространства и за этим компартментом закрепилось название апопласта. В данной статье мы будем подразумевать под апопластом всю жидкую среду за пределами симпласта, включая и внешнюю поверхность плазмалемы клеток, так как эта мембрана асимметрична и многие ферменты иммобилизованы на ее внешней поверхности [4, 5], определяя при этом состояние среды апопластной жидкости [6].

Исследования водообмена растений [7, 8] свидетельствовали о значительности этого пространства (несколько процентов от объема листа), и поэтому апопласт был включен Мокроносовым [9] в общую схему эндогенной регуляции фотосинтеза целого растения в качестве промежуточной демпфирующей емкости временного депонирования ассимилятов между донорами и акцепторами.

Все увеличивающееся за последние десять лет число публикаций свидетельствует о существова-

Верхушка стебля

Верхняя часть стебля

Донорная часть стебля

Нижняя часть стебля

<5

Корни

5 3 4

СО

N2

Схема использования камеры давления для извлечения меченых ассимилятов из апопласта.

1 - экспериментальный лист (побег); 2 - корпус камеры давления; 3 - навинчивающаяся крышка; 4 - резиновое уплотнение; 5 - резиновая коническая пробка; 6 - манометр; 7 - спускной кран.

нии целой самостоятельной области исследований - биохимии апопласта. Важность подобных исследований неоднократно подчеркивали в своих работах Курсанов и Саляев. Не претендуя на полное рассмотрение всей имеющейся литературы, авторы предлагают свое видение данной проблемы, так как в течение более 20 лет, имея собственный оригинальный метод извлечения содержимого апопласта, занимаются ее изучением [10, 11]. Предлагаемая в настоящем исследовании концепция относится к растениям, имеющим апопласт-ный тип загрузки флоэмы [12].

МЕТОДЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ АССИМИЛЯТОВ ИЗ АПОПЛАСТА ЛИСТА

Хотя литературных данных для заключения о важности апопласта листа в регуляции фотосинтеза и донорно-акцепторных отношений было достаточно уже давно [13, 14], тем не менее долгое время не было прямых опытов, которые бы строго характеризовали этот компартмент как промежуточный в дальнем экспорте ассимилятов. Для этого были необходимы кинетические эксперименты с меченым углеродом и достаточно быстрым и полным извлечением содержимого апопласта из листа. Такая возможность появилась, когда было предложено [11] использовать для этой цели камеру давления, применявшуюся ранее [15] в измерениях водного потенциала целого листа. Для определения водного потенциала с помощью

камеры давления на помещенный в нее лист (рисунок) оказывают постепенно возрастающее давление азота до того момента, как снаружи, на поверхности срезанного черешка, появится ксилемная жидкость, двигающаяся в обратном транспира-ции направлении. Это хорошо заметно на свежем срезе черешка, находящегося вне камеры. Зарегистрированное в этот момент давление будет интегрально эквивалентным водному потенциалу данного листа.

Если в камеру давления поместить инфильтрированный водой лист и оказать на него давление, равное его водному потенциалу, то снаружи из черешка будет вытекать межклеточное содержимое. По окончании процедуры (обычно через 1015 мин) извлеченный из камеры лист визуально терял все признаки инфильтрированное™, а его водный потенциал восстанавливался до исходного значения.

Процедура извлечения из апопласта листа (побега) меченых продуктов фотосинтеза заключалась в следующем [11, 16]. Неотделенный от растения лист с помощью фотосинтетической камеры-прищепки экспонировали на свету в атмосфере 14С02. Затем через определенный промежуток времени лист или часть побега срезали и, быстро инфильтрировав его водой, помещали в камеру давления, при этом черешок листа или нижний конец побега оставался снаружи камеры (рисунок).

Нагнетая внутрь камеры газообразный азот, на лист оказывали внешнее давление, которое заставляло внеклеточную жидкость вместе с содержащимися в ней мечеными продуктами фотосинтеза выходить через черешок наружу. Давление азота внутри камеры поддерживалось на уровне, соответствующем величине водного потенциала экспериментального листа (обычно для ускорения процесса на 0.5 атм больше), который предварительно измеряли с помощью камеры давления на таких же листьях.

В жидкости, собранной из черешка листа с помощью фильтровальной бумаги, можно было оценивать как общее содержание 14С, так и его распределение среди меченых продуктов фотосинтеза. Измерив радиоактивность тканей листа, оставшихся после извлечения апопластного содержимого, можно было оценивать долю меченых продуктов фотосинтеза, содержащихся в апопласте от общего количества образовавшихся в листе 14С-ассимилятов (в том числе и находящихся в проводящей системе).

Предварительная инфильтрация листа водой, способствующая сильному разбавлению внеклеточного содержимого, позволяла более полно извлекать находящиеся в апопласте продукты фотосинтеза. Кроме того, сильное разбавление растворенных в апопласте веществ препятствовало их возврату внутрь клеток мезофилла.

Следует отметить, что предварительная инфильтрация с той же целью позднее стала использоваться многими исследователями [5, 17, 18], использовавшими для извлечения содержимого апопласта центрифугирование. Сочетание инфильтрации объекта и центрифугирования позволило получать апопластную жидкость в больших количествах, что давало возможность выделять апопластное содержимое практически из любых тканей и органов [19-24]. Другие методы исследования апопластного пространства будут рассмотрены ниже при обсуждении конкретных данных.

ДВИЖЕНИЕ МЕЧЕНЫХ АССИМИЛЯТОВ ЧЕРЕЗ АПОПЛАСТ ЛИСТА

Использование камеры давления позволило установить, что меченые ассимиляты очень быстро выходят в апопласт. В течение 5 мин после ассимиляции 14С02 они уже насыщают пул внеклеточных меченых ассимилятов листа [25], а затем содержание 14С в апопласте снижается. Такие изменения радиоактивности в апопласте характеризуют его как промежуточный компартмент между мезофиллом и проводящей системой. После кратковременного (3-5 мин) возрастания содержания метки в апопласте прекращается, но, по крайней мере в течение 20 мин опыта, не достига-

ет нулевого значения. Связано это прежде всего с тем, что в листе-доноре 14С-ассимилятов наличие низкомолекулярных меченых веществ, в том числе и транспортных, сохраняется весьма долго, так как фонд этих веществ, как было показано нами [26], постоянно пополняется путем гидролиза в донорном листе ранее образовавшихся 14С-поли-мерных веществ.

Доля меченых ассимилятов, находящихся в апопласте, оказалась весьма чувствительной к условиям протекания фотосинтеза. Внезапное увеличение количества образующихся фотоассими-лятов (в результате повышения освещенности или концентрации С02) вызывало их накопление в апопласте [10]. В то же время у растений, выращенных при низкой освещенности в апопласте обнаруживалось относительно меньшее количество меченых ассимилятов, что свидетельствовало о торможении в этих услови

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.

Показать целиком