Функции каротиноидов в генеративной системе растений Сушко Станислав Петрович

Данный автореферат диссертации должен поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - 240 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Сушко Станислав Петрович. Функции каротиноидов в генеративной системе растений : ил РГБ ОД 61:85-3/1412

Содержание к диссертации

ИЩЕНИЕ 4

ГЛАВА I.

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КАРОТИНОВДОВ й ЙХ РОЯЬ

В ЖИЗНИ РАСТЕНИЙ 9

Строение, классификация, физические и химические свойства каротиноидов. Распространение их в природе 9
Биосинтез каротиноидов 12
Содержание каротиноидов в растении и

условия произрастания 15

1.4. функции каротиноидов в растении 17

Фотосинтез и каротиноиды .... 17
Оксигеназные свойства каротиноидов .... 25
Каротиноиды и фототропические

реакции ......... 26

1.4.4. Участие каротиноидов в процессах

роста и развития ............. 27

1.4.5. Участие каротиноидов в процессах
воспроизведения, растений.. 28

1.5. Физиология и биохимия опыления и
оплодотворения. 34

1.5Л, Строение гинецея и андроцея 34

Физиологические и биохимические особенности андроцея и гинецея ...... 38
Пластиды генеративных органов 42

ГЛАВА П.

ОБЪЕКТЫ, ПРИБОРЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 46

Объекты и приборы 46
Методика исследований 52

Определение пигментов 52
Определение жирных кислот 55
Математическая обработка ..... 56

ГЛАВА Ш.

ЛОКАЛИЗАЦИЯ И СОСТОЯНИЕ КАРОТИНОИДОВ В

АВДРОЦЕЕ И ГИНЕЦЕЕ 57

Локализация каротиноидов в пыльце 57
Содержание каротиноидов в андроцее и гинецее. . 72
Структурная организация и состояние каротиноидов в репродуктивных органах 73

ГЛАВА ІУ.

ДЕЙСТВИЕ СВЕТА НА АІСТИБНОСТЬ ГЕНЕРАТЙШОЙ СИСТЕІШ ....

Влияние различной освещенности на содержание и состояние каротиноидов в андроцее и гинецее яблони и на жизнеспособность мужских и женских органов цветка ..... 82
Влияние разнокачественного света на пыльцу

и ее каротиноидный комплекс ..... 93

Оптические свойства каротиноидов пыльцы ..... 105
О свободных радикалах пыльцы 115

ГЛАВА У.

УЧАСТИЕ КАРОТИНОВДОВ В ПРОЦЕССАХ 0ІШЕНИЯ И

ОПЛОДОТВОРЕНИЯ 125

Влияние каротиноидов на активность пыльцы .... 125
Превращение жирных кислот и каротиноидов

при оплодотворении 129

ОБСУЖДЕНИЕ 137

ВЫВОДЫ 151

ЛИТЕРАТУРА 152

- Ц. -

Введение к работе

Дальнейший подъем сельского хозяйства невозможен без активного участия биологической науки и новой техники. Создание и обновление сортов сельскохозяйственных культур* механизмов и технологий является непременным условием роста продуктивности наших полей, успешного выполнения решений ХХУІ съезда Коммунистической партии Советского Союза и майского /1982/ Пленума ЦК КПСС, Продовольственной программы СССР.

Биология сегодня - это мощная и быстро развиващаяся область науки. Большие достижения имеет молекулярная биология - одно из ярчайших направлений в учении о жизнедеятельности организмов -открытие биологического кода и механизма биосинтеза белка в рибосомах и биотехнология, базирущаяся на самых последних достижениях биологической науки, на генной и клеточной инженерии, биорегуляторов, иммобилизованных ферментов и др.

За последние десятилетия один из важнейших разделов в биологии - физиология растений, используя новейшие экспериментальные методы исследования, получила новые, более глубокие данные о важнейших функциях и процессах растительного организма: фотосинтеза, дыхания, водообмена, минерального питания, обмена веществ и энергии, росте и развитии. Реализация добытых знаний позволяет рационализировать приемы возделывания растений. Учение о росте и развитии растений стимулировало в Советском Союзе изучение фитогормонов и привело к использованию их для регулирования жизнедеятельности и продуктивности растений. Практическим завершением изучения фитогормонов явилась разработка приемов борьбы с полеганием хлебных злаков путем использования ретардантов, а также ис- пользование дефолиантов для регуляции плодоношения у хлопчатника, для повышения урожайности хлопка-сырца и ускорения сроков его уборки»

Большой вклад внесли физиологи растений в разработку режимов хранения плодов, корнеплодов, семян, обеспечивающие сохранность хранимого материала и его высоких товарных качеств.

Достижения в изучении биофизических, биохимических особенностей растительной клетки позволили широко использовать клеточные структуры для целей селекции и генетических преобразований растений, а также для размножения сельскохозяйственных растений.

Достигнуты определенные успехи в разработке теории фотосинтетической продуктивности растений и принципов оптимизации, положения которой уже используются в практике программирования урожаев и селекционной работе.

Физиологи растений принимают участие в разработке надежных, доступных и эффективных методов оценки селекционного материала, основанных на физиологических, морфологических, физиолого-биохимических и других показателях, тесно коррелирующих с продуктивностью и устойчивостью растений.

В то же время наблюдается явная недостаточность физиолого-биохимических исследований процессов воспроизводства у растений, хотя вопросы опыления и оплодотворения представляют не только большой теоретический, но и практический интерес»так как часто конечный результат - урожай зависит от процессов плодообразования. Важное значение преобретает также глубокая осведомленность в этих вопросах селекционеров.

Одним из главных этапов онтогенеза растений считают период репродуктивного развития, который разделяется на фазы спорангио-генеза, спорогенеза, гаметогенеза и оплодотворения. Репродуктив- - б - ный период в жизненном цикле покрытосеменных растений связан с глубокими изменениями в обмене веществ, физиологии, анатомии и морфологии. В осуществлении этого кардинального в жизни растения этапа важную роль играют биологически активные вещества. Гистохимические исследования показали, что при половой дифференциации тканей цветка формируются две комплементарные биохимические системы - мужская и женская, отличающиеся между собой по количественному и качественному содержанию запасных питательных веществ, витаминов, гормонов, активности ферментов и другим показателям.

На развитие генеративных органов оказывают влияние внешние условия. Еще Ч.Дарвин в работе "Действие перекрестного опыления и самоопыления" указывал на большую чувствительность половых элементов цветков к внешним условиям: "Едва ли в природе существует что-либо более удивительное, чем чувствительность половых элементов к внешним влияниям и чем тонкость их взаимного сродст-ва. Мы усматриваем это в том, что небольшие изменения в жизненных условиях являются благоприятными для плодовитости и мощности родителей, в то время как некоторые другие, притом небольшие изменения, делают их совершенно стерильными, без какого-либо заметного вреда для их здоровья.^х

В последнее время были выявлены особые белки, преимущественно гликопротеины - лектины. Предполагается, что они играют особую роль в процессах узнавания и взаимодействия клеток, обладающих способностью различать "свое" и "чужое".

Убедительно обоснованным примером межклеточного узнавания на молекулярном уровне является участие лектинов в связывании азотфиксирующих бактерий с корневой системой растений. ^кЧарльз Дарвин. Т.б, стр. 625.

Полагают, что лектины, секретирущие пестиком на поверхность рыльца, узнают нужный тип пыльцы для опыления, а также стимуляцию либо торможение роста пыльцевых трубок.

К настоящему времени опубликовано много работ, посвященных изучению влияния интенсивности света на развитие генеративных органов. Однако вопрос о причине отрицательного действия ослабленной освещенности на формирование мужского гаметофита не изучался в сопряженности с пигментной системой андроцея и гинецея при различных условиях освещения.

Знание оптимальных внешних условий, необходимых для нормального течения эмбриональных процессов, позволяет создать наиболее благоприятные условия для их протекания. В конечном итоге урожай сельскохозяйственных культур зависит от того, как протекает этот процесс.

Особый интерес и широкую перспективу имеет развивающаяся на световой основе мутационная селекция. Путем облучения импульсным концентрированным солнечным светом /ИКСС/ и светом оптического квантового генератора /ОКГ/ вегетирующих растений, а также пыльцы и семян некоторых растений были впервые получены хозяйственно ценные скороспелые фотомутанты и доказана их стабильность в последующих поколениях. Расширяются работы по световой стимуляции пыльцы перед опылением с целью гибридизации.

Эффективность светового воздействия на пыльцу в значительной мере зависит от знания роли светопоглощающих компонентов пыльцы и в первую очередь каротиноидов, которые содержатся в пыльце всех насекомоопыляемых и многих ветроопыляемых растений. Изучение фоторецепторных свойств каротиноидов мужского гаметофита представляет большой интерес, так как знание закономерностей трансформации световой энергии необходимо для повышения продук- тивности растений и целенаправленной работы селекционеров.

Исследование физиолого-биохимической роли каротиноидов в генеративной системе растений /андроцее и гинецее/ важно для выявления эндогенных и экзогенных факторов, влияющих на процессы оплодотворения и плодообразования /на урожай/ растений.

Наши исследования были направлены на углубленное изучение функций каротиноидов в генеративной системе растений. В частности, исследовались локализация, фоторецепторные свойства, энергетическое состояние каротиноидов пыльцевого зерна и самой пыльцы, а также особенности метаболизма жирных кислот и каротиноидов при репродукции растений.

Г Л А В A I

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КАРОТИНОИДОВ И ИХ РОЛЬ В ЖИЗНИ РАСТЕНИЙ

Обзор литературы І.І. Строение, классификация, физические и химические свойства каротиноидов. Распространение их в природе.

Среди растительных веществ вторичного происхождения особое место занимают каротиноиды - наиболее распространенные пигменты в живом мире. Каротиноиды широко распространены у всех групп растений - прокариотов и эукариотов. Они обнаружены во всех зеленых тканях высших растений, у водорослей, грибов, а также в микроорганизмах, у насекомых и животных,

Каротиноиды - это желтые или красные пигменты алифатического, строения, состоящие из изопреновых групп /обычно восьми/, соединенных таким образом, что две ближайшие к центру молекулы ме-тильные группы находятся в положении 1:6, тогда как все другие метидьные группы находятся в положении 1:5, серии коньюгирован-ных. двойных связей изопреновых групп составляют хромофорную систему каротиноидов [35]. ..... В настоящее время известно около 450 каротиноидов, четвертая часть которых обнаружена в растениях [200].

Каротиноиды являются биологически-активными веществами. Благодаря наличию ненасыщенных сопряженных связей, способности поглощать свет.и подвергаться стереоизомеризации и взаимным превращениям, растворяться в жирах и связываться с белком, каротиноиды издавна привлекают внимание биологов, химиков и физиков.

По химическому строению каротиноидн делят на две группы: каротины /углеводороды/ и ксантофиллы /каротиноиды, содержащие кислород/ f168],

Молекулы каротиноидов могут быть ациклическими - состоять только из центрального звена и циклическими, которые кроме центрального звена, содержат циклические остатки на одном или обоих концах молекулы.

Б настоящее время существует следующая химическая классификация каротиноидов: а/ ациклические производные ликопина; б/ моноциклические производные Л и -каротина; в/ бициклические производные Л и J -каротина.

Производные каротина образуются из этих групп путем введения гидроксильных, карбоксильных и метоксильных групп, или же путем частичной гидрогенизации или окисления [36, 305].

К классу каротиноидов относятся также соединения, углеродный скелет которых содержит менее 40 атомов углерода в своем составе, а также высшие каротиноиды, углеродный скелет которых состоит из 45 или 50 атомов углерода. К числу "низших".каротиноидов относятся витамины А_г и AgA^g/» кроцетин /С₂(/» биоксин /С₂^/, азафрин /С^у/, актиноэкрин /0%%/ и другие. "Высшие" каротиноиды обнаружены в микроорганизмах и водорослях. К.ним относятся: моноол-2 изопентил, 3,4-дегидрородопсин /0^₅/, декапро-ноксантин /С₅₀/ и другие [31б].

Из бактерий и водорослей выделены каротиноиды, которые присоединяют к своей молекуле сахарные остатки и жирные кислоты, а также обнаружены пигменты, содержащие по концам молекулы 6-членные фенольные кольца Пбб].

Каротиноиды хорошо растворяются во многих органических - II - растворителях, за исключением кроцетйна, который растворяется в воде.

Спектр поглощения каротиноидов состоит обычно из трех полос в области 400-500 нм, за исключением некоторых цис-изомеров, у которых появляется дополнительный максимум поглощения в ультрафиолетовой области спектра 320-380 нм. Положение максимумов поглощения зависит от природы используемого растворителя [199, 313].

Спектры поглощения каротиноидов изменяются при различных структурных перестройках молекулы пигмента [199]. Спектры поглощения каротиноидов имеют близкое сходство со спектрами абсорбции флавопротеинов [47,53,217].

Кроме спектров поглощения, некоторые каротиноиды имеют характерные спектры люминесценции. Каротиноидные вещества с короткой цепочкой - витамин А или вещества с малым количеством сопряженных двойных связей фитофлюин - люминесцируют в области 470-490 нм Ґ206], а каротиноиды с большим количеством сопряженных двойных связей-люминесцируют с максимумом излучения в области 520-690 нм [54,101,311].

Другие исследователи отрицают способность каротиноидов к люминесценции [168].

Из химических свойств пигментов наиболее важными являются их взаимные превращения.

Перфталевая кислота окисляет J, -каротин и зеаксантин до эпокси-соєдинений [56]. Открытие этой реакции было очень важным для изучения взаимопревращения ксантофиллов. При действии минеральных кислот на эпоксидные группы каротиноидов наблюдается превращение их в фураноидные [24б]. Озон, хромовая кислота и др. окислители вызывают окислительное расщепление каротиноидов [ 56] Под действием фермента липоксигеназы каротиноиды также разрушаются [212,228]. Реакция превращения jS -каротина в витамин А также относится к реакциям, ведущим к укорочению углеродной цепи.

Под действием света, повышенной температуры, а также при добавлении к раствору каротиноидов иода или кислоты они подвергаются стереоизомеризации и часть молекул пигмента из транс-формы переходит в цис-форму, образуя при этом сложную равновесную смесь изомеров [315,329]. Каждая двойная цис-связь сдвигает положение максимумов поглощения и цис-изомеры удается отличить друг от друга экспериментально [247].

Ввиду высокой ненасыщенности молекул каротиноидов, они легко подвергаются окислению и восстановлению, а также обладают хорошими электронно-донорными и электронно-акцепторными свойствами [54].

1.2. Биосинтез каротиноидов

К.А.Тимирязев писал, что "каротиноиды и, в частности, ксантофилл - это то вещество, которое появляется ранее хлорофилла в этиолированных растениях и сохраняется дольше его в пожелтевших листьях" [163].

Успехи органической химии в синтезе J> -каротина, открытие и установление химического строения бесцветных O^q - предшественников каротиноидов - фитоина и фитофлюина, а также запросы практики и принадлежность каротиноидов к веществам, имеющим важное народнохозяйственное значение, способствовали развитию исследований в области биогенеза каротиноидов.

Б результате работ многих советских и зарубежных исследова- - ІЗ - телей был подробно изучен путь образования каротиноидов в растении.

По современным представлениям биосинтез каротиноидов слагается из нескольких этапов [ 220,221,222]: а/ образование Сс-предшественника; б/ биосинтез бесцветных C^Q-соединений; в/дегидрирование фитоина и образование С^-каротиноидов; г/ циклизация и образование Сзд-каротиноидов.

С помощью метода меченых атомов удалось детально проследить путь образования каротиноидов в растительной клетке и показать, что источниками образования пигмента могут быть жиры, углеводы, органические кислоты и аминокислоты [ 25,210,222,224,280].

Связь между перечисленными органическими веществами и биосинтезом каротиноидов осуществляется, по-видимому, через ацетил -КоА.

Образованию С^-предшественника предшествует образование J -окси-,/ -метилглутарил КоА ГОМГ-КоА] [134]. ОМГ-КоА восстанавливается в мевалоновую кислоту, которая превращается в изопенте-нилпирофосфат путем декарбоксилирования [134,219]. Изопентенил-пирофосфат является основным повторяющимся звеном для биосинтеза полиизопреноидов [219]. Посредством изомеризации он превращается в диметилаллилпирофосфат [181] Молекула изопентенпирофосфата соединяясь с молекулой диметилаллилпирофосфата образует геранил-пирофосфат. К геранилпирофосфату присоединяется последовательно еще две молекулы изопентилпирофосфата и образуется геранилгеранил-пирофосфат [220].

В опытах с геранилгеранилпирофосфатом, меченым по углероду, было показано включение радиоактивной метки в фитоин, фитофпюин, J, -каротин, нейроспорин и ликоцин [257].

Две молекулы геранилгеранилпирофосфата, соединяясь между собой "голова к голове", образуют фитоин. Это соединение было обнаружено в пластидах томатов, моркови и др. растений [182,220].

Имеются данные, полученные с помощью С геранилгеранилпирофосфата, о том, что в качестве промежуточного продукта в биогенезе каротиноидов принимает участие, вместо фитоина, ликоперсин [303].

Однако другими исследователями не подтверждается участие ликоперсина в качестве промежуточного продукта в биосинтезе каротиноидов. Предполагается, что в биосинтезе каротиноидов принимают участие и другие бесцветные предшественники [166].

Было высказано предположение, что природные каротиноиды образуются путем ступенчатого образования двойных связей в исходном C^Q-изопреноиде. Это предположение было развито в работах многих исследователей [195,279,306]. -2Н -2Н -2Н

Фитоин —»— фитофлюин »- каротин *- нейроспорин -2Н —— ликопин

Конечный этап биосинтеза каротиноидов заканчивается их циклизацией и образованием Л- и Ji -иононовых колец.

По данным Т.Гудвина Г221] образование иононовых колец происходит от общего ациклического предшественника. Механизм циклизации Л и ^ -иононовых колец различен.

Ксантофиллы образуются путем введения кислородсодержащих групп в молекулу каротина. Включение кислорода в молекулу каротина происходит, возможно, при участии оксигеназ, которые используют в качестве окисляющего агента молекулярный кислород [196].

Экспериментами с использованием изотопа кислорода 0 было показано, что при биосинтезе ксантофиллов источником кислорода гидроксильных групп является молекулярный кислород, а источником кислорода эпоксидных групп является вода [155,156,325].

Каротиноиды совместно с фитолом, каучуком, гуттой, стероидами, убихинонами, пластохинонами, витаминами Е и К относятся к группе изопреноидов [185].

Разнообразие относящихся к изопреноидам соединений объясняется высокой реакционной способностью изопрена, его тенденцией к конденсации, циклизации, внутримолекулярным.', перестройкам;, различного рода окислениям и присоединению различных групп.

Терпеноидный путь биосинтеза веществ, по-видимому, имеет значение для клеток любого типа. Терпеноиды синтезируются в цитоплазме и в пластидах. Б пластидах образуются каротиноиды, боковые цепи хлорофиллов и пластохинонов, абсцизовая кислота, эфирные масла, сквален и стерины, а в цитоплазме стерины, пентацикличес-кие тритерпеновды и боковые цепи убихинонов Г 5,139].

Сложными связями между соединениями терпеноидной природы и их биосинтезом обусловлена полифункциональная роль каротинои-дов в растении.

1.3. Содержание каротиноидов в растении и условия произрастания

Содержание и биосинтез каротиноидов в растении зависит от наследственных особенностей растения, его физиологического состояния и условий внешней среды, в которых оно произрастает.

Признак большего содержания каротиноидов закрепляется по наследству и передается в потомстве [41,139].

В течении вегетационного периода"содержание каротиноидов в растении изменяется. В листьях и почках многих растений содержание каротина возрастает к периоду цветения и снижается к концу вегетации [6,37,81,86,95].

Биосинтез каротиноидов происходит как в темноте, так и на свету [86]. При облучении растений красным и синим светом слабой интенсивности больше накапливается пигментов при действии красного света. При интенсивном облучении растений больше каротиноидов накапливается при действии синего света Г18]. Растения, выросшие в условиях повышенной ультрафиолетовой радиации, содержат и больше каротиноидов [ 141]. Разграничить световой и температурный фактор*трудно. Однако, имеются данные, показывающие регулирующее действие температуры на биосинтез каротиноидов в плодах томатов [35,270].

Содержание каротиноидов в листьях таких растений как овес, конские бобы, пшеница, руцбекия зависит от длины дня [172].

Выяснению роли элементов минерального питания в образовании каротиноидов, и в первую очередь каротина, посвящено много работ. Установлено, что при увеличении дозы азотных удобрений содержание каротиноидов в растениях увеличивается, а снижение дозы удобрений или полное исключение азота угнетает накопление желтых пигментов [38,68,90,322]. Повышенные дозы азотных удобрений снижают биологическую активность каротиноидов; в растении при этом увеличивается число стереоизомеров и количество неокрашенных предшественников [322]. Довольно противоречивые данные о влиянии фосфорного питания на биосинтез каротиноидов. По мнению Т.Гудвина [35] колебания в содержании фосфора не влияют на содержание каротиноидов. В исследованиях других авторов наблюдается взаимосвязь между содержанием фосфора и содержанием каротиноидов[90,91, 179]. При фосфорном голодании и избытке фосфора наблюдается тен- денция к снижению количества каротиноидов в растении.

Для образования каротиноидов необходим, вероятно, оптимальный уровень калийного питания. Содержание каротиноидов в растении повышается при выращивании его на среде с меньшим содержанием калия [90]. И недостаток и избыток угнетает накопление каротиноидов. На содержание каротиноидов влияет и обеспеченность растений микроэлементами Г35,12б].

Физиологически активные вещества по разному влияют на биосинтез желтых пигментов^ Известно, что кинетин ингибирует, 2,4-Д несколько стимулирует синтез каротиноидов, а гибберелловая кислота не изменяет их содержания в каллусной ткани моркови [177,231].

1.4. 3$гнкции каротиноидов в растении функции каротиноидов подробно изложены в монографии О.Изле-ра /Isler , 1971/, В книге Т.Гудвина /Goodwin , 1980/ и ряде обзоров [198,218,232,253,284,294,295,328].

1.4,1 Фотосинтез и каротиноиды

Три функции каротиноидов в настоящее время являются общепризнанными: светособирающая, фотозащитная и структурная /стабилизация мембран/.

Наиболее изучена светособирающая функция каротиноидов, служащих для сбора энергии к реакционному центру. Она исследуется уже около 100 лет, начиная с работ Энгельмана /цит. по Krinsky, 1978/. Эта функция успешно изучалась на водорослях [218,253] и на фотосинтетических бактериях [198]. Эти объекты особенно удобны для изучения: не зеленые водоросли /красные и бурые/ не содержат хлорофилл S , перекрывающий обычно спектр поглощения каро- тиноидоб, а у бактерий бактериохлорофилл не поглощает в синей области. Метод возбуждения флюоресценции является наиболее эффективным для изучения этой функции. Используя этот метод Гудхир [218] на бурых и диатомовых водорослях показал, что интенсивность люминесценции при поглощении фукоксантином зеленого света была более эффективна, чем при поглощении красного света. Что касается сине-зеленых и красных водорослей, то по мнению автора, ксантофиллы не участвуют в передаче энергии, она осуществляется только с f -каротина.

Способность к передаче энергии на хлорофилл была показана в модельных опытах [296] не только от .jg -каротина, но и от ксантофиллов. При работе с мутантом ячменя, лишенным хлорофилла наблюдалась очень эффективная передача энергии от каротиноидов к хлорофиллу [97].

Вопрос об участии ксантофиллов в передаче энергии.на хлорофилл в настоящее время окончательно не выяснен. Однако, на препаратах светособирающего комплекса, в котором ксантофиллы содержатся в высокой концентрации, а } -каротин в следовых количествах, показано, что спектр поглощения и спектр действия флюоресценции хлорофилла для этого комплекса почти совпадают. Причем, оба спектра имеют плечо при 485 нм, обусловленное присутствием ксантофиллов. Автор делает вывод, что ксантофиллы также как и J* -каротин, способны трансформировать энергию к хлорофиллу [295].

Механизм передачи энергии от каротиноидов к хлорофиллу еще окончательно не выяснен. Передача энергии по механизму индуктивного резонанса невозможна, т.к. каротиноиды зеленого листа не флюоресцируют. Поэтому возможна передача энергии как по экситон-ному механизму, так и через синглет-синглетное взаимодействие [9^1 .

Рассматривается возможность туннельного перехода энергии между каротиноидами и хлорофиллом [175]

Рассмотренная функция маловероятна для каротиноидов репродуктивных органов цветка. Данные в литературе на этот счет отсутствуют, однако, ввиду того, что в гинецее и на ранних этапах формирования андроцея в них имеются пластиды, содержащие хлорофилл, то возможность осуществления этой функции не исключена.

Впервые мысль о защитной функции каротиноидов высказал Д.Ивановский /Ивановский, 1912; цит. по Krinaky , 1978/. Добав- . ление каротина к раствору хлорофилла, растворенного в ацетоне и бензине, замедляет фотоокисление хлорофиллов, т.е. каротин выполняет роль своего рода светового экрана [183]. Это подтвердилось работами других исследователей [50]. Наибольший вклад в изучение данной проблемы внесли исследования, выполненные на мутантах [227]. Они обнаружили летальную чувствительность у мутантов бактерий, синтез каротиноидов которых был блокирован. Было высказано предположение о том, что фотозащитное действие каротиноидов связано с количеством конъюгированных двойных связей [ 302]. Это предположение нашло свое подтверждение в более поздних работах [196]. Лишь полиены с 9 и более конъюгированными двойными связями являются эффективными в защите хлорофилла от окисления, а соединения, имеющие 7 и менее конъюгированных связей, не эффективны [ 266].

Каротиноиды могут поглощать часть энергии возбужденного хлорофилла, препятствуя превращению кислорода до перекиси и защищая таким образом клетку от разрушения [191].

Действительно, наблюдается тушение долгоживущего триплетного состояния хлорофилла в растворе в присутствии каротина и ксантофиллов [69]. Сходные результаты были получены в работе А.Крас- новского и сотрудников /I960/. Было показано, что часть кароти-ноидов в тилакоидах хлоропаста переходит в триплетное состояние, которое разрушается путем безизлучательной дезактивации [32]. Именно благодаря этому свойству, каротиноиды способны защищать хлорофилл от фотоокисления Г 253].

Таким образом при выполнении защитной функции избыточная энергия от хлорофилла переходит на каротиноиды. При этом имеет место триплет-триплетное взаимодействие. Если при выполнении ранее рассмотренной функции каротиноиды выступают как доноры энергии, то при выполнении фотозащитной функции они являются акцепторами энергии. Причем, экспериментально установлено, что только при интенсивности света насыщающей фотосинтез, накапливается триплетный хлорофилл [319].

Б настоящее время рассматривается три механизма защитной функции каротиноидов [253]. Они включают: I/ непосредственное тушение триплетного состояния хлорофиллов; 2/ физическую инактивацию высокореактивного синглетного кислорода; 3/ использование каротиноидов как окисляемых субстратов, что спасает клетку от фотодеструкции /см.рис. I/.

Если молекула сенсибилизатора /хлорофилла/ в состоянии синглетного возбуждения не участвует в фотосинтезе, то их электроны переходят на более низкий энергетический уровень, который характеризуется более продолжительным временем жизни. Энергия триплетного состояния может быть потушена каротиноидами с образованием основного состояния сенсибилизатора и триплетного каротиноида. По второму механизму молекула сенсибилизатора может реагировать с кислородом в основном состоянии с образованием синглетного кислорода, который может химически реагировать с молекулами различных веществ с образованием окисленных продуктов - это, так назы- cJr 'С*- t^Car-O,

Рис. I. Механизм защитной роли каротиноидов /Krinsky, 1978/. ваемый, фотодинамический эффект. Каротиноиды могут быть тушителями синглетного кислорода, переводя его в основное состояние. По первому и второму механизму каротиноиды из триплетного состояния в основное переходят путем безизлучательной тепловой дезактивации. По третьему механизму синглетный кислород может химически реагировать с каротиноидами с образованием окисленных ка-ротиноидов; комплекс Саг-О_г в темноте энзиматически регенерируется.

Было подсчитано, что 90$ всего триплетного хлорофилла тупится по первому механизму и лишь 0,1$ синглетного кислорода может химически реагировать с каротиноидами [214]. Эта фотозащитная функция имеет большое экологическое значение. Из нефотосинтези-рующих бактерий каротиноиды действуют также, как защитные агенты [254].

Наименее изученной из известных функций каротиноидов является их структурная роль. Указания на структурное значение каротиноидов находим у Д.Чисмана с сотр. /cheesman et al. , 1967/, которые изучали эту функцию у беспозвоночных. По их мнению каро-' тиноиды стабилизируют молекулу белка. Возможно, стабилизация может возникать как результат ^-орбитального взаимодействия между полиеновыми молекулами на апопротеиновых единицах с каротиноидами, обеспечивающими димеризацию отдельных субъединиц [320].

Имеются данные, свидетельствующие о том, что каротиноиды являются обязательным компонентом, стабилизирующим структуру хлоропласта [211,272].

Возникает вопрос, для чего природа в качестве стабилизатора структуры мембран использует фоторецепторные молекулы. Ответ на этот вопрос дают работы по исследованию электрохронизма [290], эффекта изменяющегося электрического поля в тилакоидах. Возникает оно в результате фотопроводимости каротиноидов. С электрохро-низмом связана ориентация каротиноидов в тилакоидах [208]. Хотя способность каротиноидов к поглощению света может и не коррелировать с их биохимической функцией они определенно играют существенную роль в обеспечении структуры хлоропластной мембраны тила-коидов в изменяющемся электрическом поле.

В пластидах зеленых растений имеются каротиноиды способные к светоиндуцированным взаимопревращениям на свету, непосредственно участвующие в процессе фотосинтеза. Эти превращения известны под названием виолаксантинового или ксантофиллового цикла /см. рис. 2/. Впервые этот цикл был обнаружен Д.И.Сапожниковым с сотр. в 1957 году /Сапожников и др., 1957/ и в настоящее время исследуется. Исследования виолоксантинового цикла проводятся также за рубежом [232,294,328]. Это исследование свойств виолоксантинового цикла и его функций нашло отражение в ряде обзорных статей указанных авторов /Сапожников, 1965, 1967, 1973; Hager , 1975; Siefemann , 1977/. Виолаксантиновый цикл обнаружен как у низших, так и у высших растений, что свидетельствует о существенном значении выполняемой им функции. До сих пор," однако, нет единого мнения о функциональной роли этого цикла в фотосинтезе. Существующие гипотезы расходятся, главным образом,в вопросе о происхождении молекулы кислорода в молекуле виолаксантина. Эпоксидный кислород имеет своим источником как молекулярный кислород, так и кислород воды, а виолаксантиновый цикл рассматривается как звено в процессе выделения молекулярного кислорода [151, 284]. Другие авторы считают, что образование эпоксидного кислорода связано лишь с процессом поглощения молекулярного кислорода, а виолаксантиновый цикл рассматривается как электрон-буфер- ^A^J^y\^ySbS>YSj( \ зеаксантин

Рис. 2. Виолаксантиновый цикл /по Д.И.Саложникову/. нал система, включенная в общую регуляцию электронного транспорта [232,292,326]. Необходимость такой регуляции связана с поддержанием оптимального для фотосинтеза соотношения АТФ/НДЦФ-Н₂ [232]. Источником эпоксидного кислорода является синглетный кислород. Его включение в эпоксиксантофиллы защищает хлорофилл от фотосен-сибилизированного окисления [253].

Расхождение в теоретической трактовке данных по виолаксан-тиновому циклу могут быть связаны с различным экспериментальным подходом, используемых при изучении функций виолаксантинового цикла. С другой стороны, как структурная, так и метаболическая гетерогенность виолаксантина [202,203,204] предполагают возможность его полифункциональности [66,67,248,293].

Наличие виолаксантина отмечено в генеративных органах многих видов растений [225], это также отмечалось у ряда видов в нашей работе. Однако, до сих пор никем не исследована функция виолаксантина в пыльце. Неизвестно даже способен ли он в генеративных органах к светоиндуцированным превращениям. Безусловно этот вопрос представляет научный интерес для дальнейших исследований.

1.4.2. Оксигеназные свойства каротиноидов

Наличие одиннадцати ненасыщенных сопряженных двойных связей в молекуле каротиноидов благоприятстсвует легкой окисляемости пигментов кислородом воздуха [56], что послужило основанием для предположения об участии каротиноидов в окислительно-восстановительных реакциях [II].

В модельных опытах было показано, что каротиноиды в присутствии пероксидазы активируют кислород, который в активном состоянии переходит к пирогаллолу, вызывая его окисление [17]. Спо- собностью активировать молекулярный кислород обладает такие витамин А и ряд близких ему веществ [II]. Оксигеназные свойства каротиноидов являются функцией длины и количества коньюгирован-ных двойных связей углеродной цепи молекулы пигмента [17,23]. .

Водноколлоидные растворы каротина тормозят действие медьсодержащих ферментов - аскорбиноксидазы и полифенолоксидазы. Предполагается, что каротин в растении возмещая слабую активность аскорбиноксидазы и пероксидазы, поддерживает окислительно-восстановительные процессы на определенном уровне [7].

Наблюдается световая стимуляция дыхания в области 380-550 нм, совпадающая с областью поглощения света каротиноидами. Предполагается, что желтые пигменты могут участвовать в стимуляции дыхания светом [3]. В других работах не обнаруживается участие каротина в связывании кислорода при действии света [29].

1.4.3. Каротиноиды и фототропические реакции

Реакции растения на свет очень разнообразны. Многие растения могут двигаться но направлению к источнику света или ориентироваться определенным образом относительно этого источника. Фототропические реакции наблюдаются, как у хлорофиллоносных, так и бесхлорофильных растений. Фоторецепторами при фотокинетических реакциях могут быть каротиноиды, флавины и фикобилины [230,309].

По мнению Т.Гудвина [35] основной функцией каротиноидов у грибов и бактерий является участие их в фотокинетических реакциях. Энергия, поглощаемая пигментами, играет основную роль в фототаксисе.

Спектр действия фототропизма имеет два максимума: один в ультрафиолетовой области, а другой, состоящий из трех полос, в видимой области [309]. В области 400-500 нм этот спектр совпада- ет со спектром поглощения каротина и рибофлавина. Однако рибофлавин имеет только одну полосу поглощения, а каротиноиды - три. В области ультрафиолета рибофлавин имеет максимум поглощения сходный со спектром действия фототропизма.

Мутанты с пониженным содержанием каротина, а также растения обработанные ингибиторами биосинтеза каротиноидов, имеют аномальную фототропическую реакцию, хотя саму способность к фототропизму сохраняют [309].

1.4.4. Участие каротиноидов в процессах роста и развития

При прорастании семян, корне- и клубнеплодов,в проростках и прорастающих частях растений происходит биосинтез каротиноидов и передвижение их из запасающих органов в меристематические ткани [35].

В растущих зеленых тканях содержание каротиноидов наряду с хлорофиллами постепенно увеличивается и достигает максимума в период наиболее интенсивного роста [81]. В растении содержание пигментов увеличивается с возрастанием яруса расположения листьев. А в листе содержание желтых пигментов больше в более молодых частях [86]. К концу вегетации концентрация каротина выравнивается во всем листе [95] .

Предполагается, что каротин является одним из экзогенных факторов, стимулирующих рост. Желтый пигмент, при внесении его в среду, оказывает положительное влияние на рост изолированных тканей и корнеобразование [62,82].

Изменение содержания каротиноидов в онтогенезе вероятно связано с участием каротиноидов в процессах развития. При переходе растений к репродуктивной фазе наблюдается увеличение содер- жания каротиноидов в листьях, а в момент бутонизации и цветения содержание пигментов максимальное. После цветения содержание каротиноидов понижается [37,81]. При прохождении стадий яровизации наблюдается увеличение содержания каротина, а содержание лютеи-на и виолаксантина увеличивается с возрастом растения и не зависит от прохождения стадий развития [95].

По мнению М.Х.Чайлахяна /Чайлахян, 1950/ каротиноиды можно рассматривать как фоторецепторы, которые при повышенном содержании их в листьях вызывают сенсибилизированную фотоинактивацию ауксинов, что и вызывает переход растений от вегетативного роста к репродукции.

1.4.5. Участие каротиноидов в процессах воспроизведения растений

Еще в 1892 году Бертраном и Пуаро впервые отмечено наличие каротиноидов в пыльце растений /цит. по Т.Гудвину, 1954/. Позже каротиноиды были обнаружены также в пестиках, нектарниках, лож-ноязычковых цветках и в других генеративных тканях растений [35,86,87,90].

В зеленых органах цветка каротиноиды находятся в хлоропластах. Состав каротиноидных пигментов у них такой же, как у хлоро-пластов листа [225].

В лепестках растений каротиноиды находятся в хромопластах, а также и в хлоропластах [263]. В лепестках многих видов растений находятся каротиноиды, типичные для хлоропластов листьев, но иногда встречаются и специфические пигменты: газаяксантин, хризантемоксантин и др. [35,201,233,263,275]. Каротиноиды лепестков обычно находятся в этерифицированном состоянии [317,318].

Пыльца насекомоопыляемых растений, составляющих 80$ всех произрастающих в мире растений, содержит значительные количества каротиноидов. В пыльце ветроопыляемых растений содержание желтых пигментов незначительно [35,264] .

Кроме каротиноидов в пыльце могут находиться и другие пигменты: антоцианы, флавоны, флавонолы и др. [28,110,287,314,317, 318].

По мнению С.ИЛебедева [86] в пыльце насекомоопыляемых растений связь между пигментами и жирами носит характер Ван-дер-Ваальсовских сил. При обработке такой пыльцы арахисовым маслом каротиноиды легко извлекаются, а пыльца обесцвечивается. В пыльце ветроопыляемых растений каротиноиды; по-видимому, адсорбируются протеидами и извлекаются только этиловым спиртом или бензином.

Почти все количество пигментов, ответственных за желтую или оранжевую окраску пыльников, растворено в липидных каплях, т.е. находится вне пластид [44].

Вязкие масла с растворимыми в них каротиноидами входят в состав трифины. Возможно, что и клейкое пигментированное вещество - полленкит и, так называемый, пыльцевой клей, которые часто наблюдаются на поверхности пыльцы энтомофильных растений, представляют собой смесь липидов с растворимыми каротиноидами [187, 238,239,240,241].

Трифйн и'полленкит во многом сходны между собой. Хотя детальные исследования химического состава трифины отсутствуют, однако некоторые исследователи предполагают, что она образуется в пыльце как насекомо-, так и ветроопыляемых растений ІІ65].

Качественный состав каротиноидов пыльцы более разнообразен по сравнению с каротиноидами хлоропластов. В пыльце обнаружены:

Каротиноиды пыльцевого зерна в основном этерифицированны жирными кислотами [189,223,274].

В женских генеративных органах цветка каротиноиды находятся в пластидах, а также встречаются и во внепластидном состоянии. Желтые пигменты гинецея представлены небольшой группой: Jb -каротином, лютеином, виолаксантином и некоторыми др. [58, 60,123].

В настоящее время накопились факты, свидетельствующие о связи каротиноидов с репродуктивным процессом у растений. К ним относятся прежде всего данные о наибольшем содержании желтых пигментов в андроцее и количественные изменения в генеративных органах в период репродукции как низших, так и высших растений.

В процессе роста и развития органов спороношения грибов и папоротников в них увеличивается содержание каротиноидов. У покрытосеменных растений, относящихся к разным порядкам, также наблюдается накопление /-каротина и других каротиноидов в пыльниках [149,265].

К моменту цветения плодовых почек древесных и травянистых растений количество каротина в них значительно увеличивается [180]. В пестиках и пыльниках каротиноиды можно обнаружить на самых начальных этапах формирования генеративных органов [119] у Lilium regale и Lilium Henryi в период мейоза количество каротиноидов значительно снижается, а с момента образования одноядерной пыльцы происходит их накопление. Предполага-ется, что ритм динамики каротиноидов связан с переходом от ди^ плоидной фазы к гаплоидной [150]..

Для других растений показано, что период, предшествующий редукционному делению, совпадает с высоким содержанием в пыльни- - ЗІ - ках желтых пигментов. В момент редукционного деления и образования тетрад наблюдается снижение содержания каротиноидов в пыльниках [148,150]. У растений с нарушенным микроспорогенезом одновременно с остановкой в развитии пыльцы на стадии тетрад наблюдается прекращение накопления пигментов в пыльниках. В стерильной пыльце содержание каротиноидов в три раза меньше чем у фертиль-ной [71,72,148]. При искусственном образовании форм растений с пыльцой более стерильной, чем исходная форма, содержание каротиноидов в пыльниках таких растений снижается [149].

Локальное затенение соцветий в период их формирования приводит к нарушению биосинтеза каротиноидов в пыльниках и к заметному снижению фертильности пыльцы. Затенение генеративных органов представляет собой специфическую реакцию андроцея на недостаток лучистой энергии [73]. Однако в этих работах не рассматривается состояние каротиноидов в пластидах генеративных органов в зависимости от различной их освещенности.

Предполагается, что каротиноиды выполняют структурную роль в биогенезе пластид и обеспечивают приемственность пластидного аппарата на генеративной стадии развития растений [58,60].

Указывается на большое значение каротиноидов в формировании спорополленина, из которого образуется экзина. Биосинтез каротиноидов предшествует образованию спорополленина, содержащегося в экзине [135,188,189].

Каротиноиды пыльцевого зерна имеют тапетальное происхождение и образуются после деградации пластид тапетума [451.

Благодаря работам С.И.Лебедева [83,86,87] раскрыта роль пигментов в первичных актах обмена веществ между пыльцой и пестиком при опылении. Капельки жира с каротиноидами, содержащимися на поверхности пыльцы, при попадании ее на рыльце сползают с пыльце- вых зерен и проникают в ткани рыльца и столбика. Этот акт является одним из первых в обмене веществ между пыльцой и пестиком при опылении и оплодотворении.

На примере хлопчатника было показано, что пигменты пыльцы, попадающие на рыльце, оказывают глубокое влияние на интенсивность окислительных и восстановительных процессов в пестике, в связи с чем изменяется локализация и содержание в тканях других веществ. При этом наблюдается увеличение дыхательной активности сосочков рыльца, которые покрываются слизью. Под влиянием липо-каротиноидного комплекса пыльцы в пестиках активируется обмен веществ Г 63].

При опылении тыквы пыльцой, обесцвеченной с помощью арахисового масла, завязывания плодов не наблюдалось [86]. Я.С.Моди-левский при опылении растений пыльцой, лишенной каротиноидов, наблюдал снижение оплодотворения в четыре раза [112].

Использование световой энергии, поглощаемой желтыми пигментами пыльцевого зерна, идет по нефотосинтетическому пути. Синий свет, который адсорбируется преимущественно каротиноидами пыльцы, ингибирует ее прорастание и не происходит даже акт набухания пыльцевого зерна 188].

Жизнеспособность пыльцы хлопчатника под влиянием краткосрочного облучения ее ИКСС /импульсный концентрированный солнечный свет/ снижается. В зависимости от генетических особенностей сорта, наблюдаются значительные колебания в сохранении жизнеспособности пыльцы [102]

Отсутствие света - одно из условий продления жизнеспособности пыльцы при ее хранении 130].

Однако в этих работах не рассматривается фоторецепторная роль каротиноидов пыльцы и пути использования поглощаемой ими энергии.

Цингер Н.Б. и В.А.Подцубной-Арнольди была показана важная роль каротиноидов в физиологических процессах, происходящих в семяпочке при двойном оплодотворении. Они наблюдали скопление больших количеств каротиноидов, находящихся в липидных каплях, в зародышевом мешке в момент слияния ядер [169].

Процессы оплодотворения у томатов и картофеля протекают эффективнее при большей концентрации каротиноидов в семяпочках [120].

Снижение эффективности оплодотворения в верхних ярусах цветков огурцов связывают с пониженным содержанием в них каротиноидов [33]. Перед обильным урожаем содержание зимой каротина в плодовых почках сливы и кольчатых почках яблони было значительно больше, чем в год после обильных урожаев UOl:

По мнению Б.Девиса [200] функции каротиноидов, связанные с процессом воспроизводства у растений ввиду большого разнообразия пигментов в цветках и плодах - трудно экспериментально доказать. Выяснение роли каротиноидов в генеративных органах растений представляет собой очень важную задачу. Исследование функций каротиноидов генеративных органов связано с преодолением различных методических трудностей. В связи с особой динамикой морфогенеза функциональное состояние генеративных органов при их развитии изменяется на протяжении непродолжительного времени. Изменения функционального состояния генеративных органов сопровождаются значительными перестройками пластидного аппарата, в состав которого входят каротиноиды.

Ввиду малых размеров генеративных органов растений /пыльцы, пыльников и семяпочек/ получение значительного количества исследуемого материала также представляет собой трудную задачу.

Трудности, связанные с изучением функций каротиноидов в генеративных органах растений, по нашему мнению, заключаются еще и в том, что невозможно на протяжении длительного времени искусственно задержать их биосинтез,

В то же время имеются определенные успехи в изучении соматических функций каротиноидов у животных. Было показано, что при исключении из пищи животных спиртовой или альдегидной формы витамина А животные по отцовской и по материнской линии теряют способность к воспроизводству [197] .

Предполагается, что в осуществлении регуляторних функций витамина А в животном организме при репродукции участвует контроль транскрипции РНК [107]. Однако механизм действия витамина А при воспроизводстве у животных в настоящее время окончательно не расшифрован.

Современные представления о роли каротиноидов в генеративной системе растений основываются на широком их распространении, участии в микроспорогенезе и макроспорогенезе и их физико-химических свойствах в процессах опыления и оплодотворения.

1.5. Физиология и биохимия опыления и оплодотворения, участие каротиноидов в этом процессе І.5.І. Строение женского и мужского гаметофита

Процессы опыления и оплодотворения представляют не только большой теоретический интерес, но играют также важную роль в практике сельского хозяйства. С эмбриогенезом и плодообразовани-ем связано формирование урожая многих сельскохозяйственных культур. Поэтому в последние годы изучению этого явления уделяют боль шое внимание физиологи, биохимики, селекционеры и специалисты сельского хозяйства. Почти все сельскохозяйственные и многие ди- корастущие растения относятся к цветковым растениям, которые составляют самый большой отдел растительного мира. Он насчитывает по данным АЛ.Тахтаджяна, не менее 240 000 видов [162], Покрытосеменные растения отличаются от других растений прежде всего наличием цветка, двойного оплодотворения, а также семени, защищенного околоплодником.

На определенном этапе жизненного цикла растения происходит переход от вегетативной фазы к генеративной, сопровождающийся глубокими изменениями в обмене веществ, анатомии и морфологии. При этом образуются цветки и, в дальнейшем, плоды.

Цветок представляет собой довольно сложную систему органов с многочисленными функциями /микро- и макроспорогенез, опыление и оплодотворение, формирование зародыша и образование плода/, от осуществления которых зависит эффект плодообразования и плодоношения. Главными органами цветка, участвующими в опылении и оплодотворении, являются андроцей и гинецей, а второстепенными -чашечка и венчик. По своей морфологической природе тычинка является микроспорофитом - органом, несущим спорангии, в котором развиваются споры. Каждая тычинка состоит из двух частей: тычиночной нити и пыльника. Пыльник имеет две половинки, отделенные друг от друга связником. Каждая половинка имеет два пыльцевых гнезда /микроспорангия/. Структура тычиночной нити примитивна, а пыльник построен значительно сложнее. Поверхность его покрыта эпидермисом, на котором часто находится восковой налет* К эпидермису примыкает фиброзный слой, в клетках которого образуются различные утолщения, способствующие раскрытию пыльника. Если в пыльнике фиброзные утолщения не выражены, то слой клеток, примыкающих к эпидермису, называют эндотецием. К материнским клеткам непосредственно примыкает питательный слой или тапетум [108,129,

173].

Пестик состоит из завязи, столбика и рыльца., В завязи находится одна или несколько семяпочек. Семяпочка крепится к плаценте семяножкой и состоит из покровов нуцеллуса, интегументов и микропиле. В нуцеллусе формируется зародышевый мешок.

Зрелое пыльцевое зерно - это мужской гаметофит покрытосеменных. Морфологические признаки пыльцевых зерен: размеры, форма, пыльцевые поры, наличие на поверхности шипов, ребер, борозд служат также признаками и семейств, и видов, и родов. Клетки мужского гаметофита различаются по величине и по физиологическим показателям. Более крупная клетка пыльцевого зерна называется вегетативной, а меньшая - генеративной клеткой. Снаружи мужской гаметофит покрыт оболочкой /спородермой/, имеющей довольно сложное строение. Она состоит из двух главных слоев - экзины и инти-ны. Экзина - это внешний слой оболочки пыльцевого зерна. Она представляет собой утолщенную, часто слоистую оболочку и состоит, по данным некоторых исследователей, из двух или нескольких хорошо заметных слоев эктэкзины, эндэкзины и др. [19,184,209, 229,236,243,258,298]. Различают несколько типов эктэкзины -столбиковую, гранулярную и гомогенную. Экзина пыльцы насекомоопы-ляемых растений имеет различные выросты в виде шипиков, бугорков или ямок. Эти образования имеют важное значение для переноса пыльцы насекомыми и животными. Поверхность пыльцевых зерен ветро-опыляемых растений обычно гладкая [76]. Пыльца покрытосеменных растений имеет чаще столбиковую эктэкзину, состоящую,-в основном, из радиальных структурных элементов. Внутренняя часть экзины называется эндэкзиной. Она может быть пластинчастой, зернистой или гомогенной. В экзине обычно имеются утонченные места или сквозные отверстия, служащие для выхода пыльцевой трубки. Такие места или отверстия называют апертурой. Экзина пыльцы многих растений пронизана многочисленными канальцами и полостями. Хотя наличие полостей в столбиковой части.эктэкзины отмечается многими исследователями спородерми пыльцы, однако их функции в пыльцевом зерне окончательно не выяснены.

В химическом отношении экзина состоит, в основном, из спо-рополленина(Сд0Н.^оОдд)высокомолекулярного соединения, обладающего исключительной стойкостью против кислот и щелочей [109,189, 256,282]. Благодаря большой устойчивости спорополленина, пыльца прекрасно сохраняется в почве на протяжении длительного времени.

На поверхности экзины пыльцы обнаружен' осьмиофильный слой, который обеспечивает липкость пыльцевых зерен, их окраску и запах. Он не всегда выглядит одинаково. Иногда он представлен небольшими кусочками, чаще обволакивает пыльцевое зерно, образуя наплывы и заполняет пространства между стерженьками [15]. Этот слой был описан впервые Л.А.Куприяновой /1956/ под названием "слой Афзелиус". Считают, что трифина состоит из остатков первичной экзины, тапетальных веществ, масел, воска, содержит каротино-иды и, возможно, вещества, определяющие несовместимость. По мнению некоторых исследователей трифина является конечным продуктом дезинтеграции тапетума [235,278].

Внутренняя оболочка пыльцы - интина представляет собой тонкое образование, состоящее из нескольких слоев, легко разрушающихся под действием кислот и сильно преломляющее свет. Она состоит из двух слоев: тонкой непрерывной мембраны и наружного слоя. Против отверстий в экзине наружный слой интины образует утолщения, называемые онкусами, которые до прорастания пыльцы закрывают доступ извне. Структура интины характеризуется легкой зернистостью, волокнистостью и пластинчатостью [16].

Интина состоит из целлюлозы, пропитанной пектиновыми веществами [2SI]. Она легко разрушается химическими реагентами и в ископаемом состоянии не обнаружена. В интине обнаружены ферменты и другие белки [251]. При прорастании пыльцы и действии на нее слабых растворов кислот интина растягивается.

1.5.2. Физиологические и биохимические особенности андроцея и гинецея

Процесс оплодотворения'это, прежде всего, взаимодействие клеток андроцея и гинецея.

Исследованиями Е.А.Бритикова и других авторов было показано, что между пыльцой и пестиками обнаруживаются различия по величине рН клеточного сока, изоэлектрической точке белков, окислительно-восстановительному потенциалу /ОВП/, соотношению отдель ных метаболических превращений [21,32,121]. Содержимое пыльцы и пыльцевых трубок имеет слабощелочную реакцию, а сосочки рылец - кислую. Эти различия у некоторых растений составляют 1,5-2,0 единиц рН. Изоэлектрические точки /ИЭТ/ белков протоплазмы пыльцевых клеток у ржи, пшеницы и др. злаковых.расположены в менее кислой области рН: ИЭТ их примерно равна 4, в то время как ИЭТ белков рылец - 2,4-2,8.

В мужских и женских генеративных органах содержатся вещества высокой физиологической активности [129,276,310]. Однако содержание их в пестиках и в пыльце различно. Пыльца отличается большим содержанием ферментов, гормонов, витаминов, аминокислот и др. [142,285].

По данным многочисленных биохимических исследований пыльца цветковых растений богата запасными питательными веществами, а также органическими кислотами, солями и др. веществами ["125,129, 194,283,301].

Основными запасными питательными веществами пыльцы являются углеводы, жиры и белки [121,125,142]. Так, содержание углеводов в пыльце риса составляет 62,7$ общего запаса питательных веществ. Из них на долю крахмала приходится 9,7$ [129].

Кроме крахмала в пыльце присутствуют и другие углеводы: сахароза, фруктоза, глюкоза и мальтоза [104,330]. В пыльце некоторых растений крахмал содержится на всех стадиях ее развития. Появление крахмала в пыльце является признаком завершения синтетических процессов, связанных с ростом и развитием микроспор [НО].

Результаты гистохимических реакций указывают на то, что метаболические процессы протекают более интенсивно в семяпочках и тычинках, чем в других элементах цветка, выполняющих в репродуктивном процессе второстепенную роль [129].

Жир содержится в пыльце всех исследуемых растений [239,240]. В обзоре В.А.Поддубной-Арнольди [129] показано, что наиболее богата жиром пыльца и пыльцевые трубки Papilionaceae, Asteraceae, Orchidaceae. Помимо жиров в пыльце большинства растений обязательным компонентов трефины являются каротиноиды.

Недоразвитая пыльца некоторых растений содержит крахмал, а липиды в такой пыльце, как правило, отсутствуют. По-видимому, процессы деградации пыльцы в большей степени отражаются на системах, синтезирующих жиры, чем на системах синтеза крахмала.

В пыльце в значительном количестве содержатся витамины: тиамин, рибофлавин, пиридоксин, фолиевая кислота, аскорбиновая кислота^, пантотеновая кислота, биотин, токоферол, холин, инозин и др. [276,310].

Фитогормоны в генеративных органах представлены гибберелли-Н9мкі,ауксинами[48,49,5І,80,І04,І20,І74,І86,2І6,'262].

Установлено, что в андроцее и гинецее растений содержится большое количество ферментов в том числе такие, как амилаза, ину-лаза, мальтаза, инвертаза, каталаза, пероксвдаза, протеиназа, ли-поксигеназа, рибонуклеаза, цитохромоксилаза, сукцинатдегидрогена-за и другие 151,104,112,121,190,265]. Очень высокой активностью в пыльце практически всех растений обладают гидролитические ферменты и прежде всего амилаза, инвертаза, протеаза, пектиназа. Очень часто в проросшем пыльцевом зерне можно обнаружить ферменты, отсутствующие в непроросшей пыльце.

Гистохимические и биохимические исследования свидетельствуют о наличии в пыльце около 20 аминокислот, в том числе всех незаменимых t3,22,52,78,112,215,250,273,2881. Общее содержание аминокислот в пыльце в шесть раз больше, чем в столбиках и рыльцах [22].

Пыльца, в сравнении с другими тканями растений, имеет высокое содержание свободного пролина /до 1,5$ на сырую массу/. Существуют значительные колебания по содержанию пролина в пыльце растений, относящихся к одному семейству, и среди семейств, относящихся к разным порядкам. Не обнаруживается корреляции в содержании свободного пролива в пыльце с такими особенностями растений, как однодомность или двудомность, энтомофильность и анемофилию сть и т.д. [223.

Кроме органических веществ в пыльце цветковых растений отмечается наличие неорганических веществ, таких как фосфор, железо, медь, калий, кальций, хлор, иод, бор, алюминий и др. [20,130,167, 170,3043.

Уровень обмена веществ /в частности, интенсивность дыхания/ в зрелой пыльце сравнительно невысок, значительно ниже, чем в рыльцах и столбиках, несмотря на большое количество содержащихся в пыльце физиологически активных веществ [20,21]. Механизм поддержания низкого уровня обмена веществ в пыльце в настоящее время остается недостаточно изученным.

Ингибирование обмена веществ в пыльце следует, по-видимому, рассматривать как приспособление, предотвращающее непроизвольную трату питательных веществ пыльцы до попадания ее на рыльце.

Иная картина в рыльцах; здесь активное взаимодействие веществ обеспечивает высокий уровень дыхания и обмена веществ. Методами гистохимии установлено, что семяпочки пшеницы имеют физиологическое превосходство над окружающими их тканями пестика, а внутри семяпочки зародышевый мешок имеет метаболическое превосходство над нуцеллусом и интегументами [20].

Растущие, пыльцевые трубки и ткани пестика обладают физиологической полярностью по Pjj, rHg, по активности.ряда окислительных и гидролитических ферментов, содержанию Сахаров, аминокислот, минерального фосфора, витаминов. Градиенты полярности в растущих пыльцевых трубках и в проводниковых тканях пестика диаметрально противоположны [113].

В процессе половой дифференциации андроцея и гинецея формируются две комплементарные, взаимно дополняющие друг друга системы, каждая из которых, взятая по отдельности, носит черты "недостаточности", половинчатости. При соединении этих двух систем в процессе опыления освобождаются потенциальные возможности богатого ферментного комплекса пыльцы и создаются возможности для протекания реакций углеводного, белкового и жирового обмена, реакций окисления и восстановления [21].

1.5.3. Пластиды генеративных органов

Пластидный аппарат элементов цветка представлен всеми типами пластид: хлоропластами, хромопластами и лейкопластами.

Б зеленых чашелистиках содержатся, в основном, хлоропласты. Иногда кроме хлоропластов в чашелистиках можно обнаружить ярко окрашенные хромопласты [271].

В лепестках чаще встречаются хромопласты, каротиноиды которых придают лепесткам окраску разнообразнейших тонов от бледно-желтого до красноватого или оранжевого [259,271]. Хромопласты лепестков в большинстве случаев расположены в клетках эпидермиса. В хромопластах околоцветника желтого тюльпана и др. растений можно обнаружить хорошо выраженную гранулярную структуру с гомогенными глобулами [278]. В лепестках, которые долго сохраняются в цветке, строма хромопласта разрушается, при этом происходит постепенная дегенерация системы ламелл и наблюдается накопление ли-пидных гранул, содержащих каротиноиды [278].

При пожелтении зеленого венчика нарцисса /narcissus pseudo-narcissus / происходит превращение хлоропластов в хромопласты и накопление каротиноидов [271].

В клетках эпидермиса пыльников можно обнаружить хромопласты и лейкопласты, хлоропласты здесь отсутствуют, а амилопласты встречаются очень редко [207].

В хромопластах эпидермального слоя пыльников кукурузы граны отсутствуют, но здесь можно обнаружить тилакоиды стромы, крупные пузырьки, осьмиофильные глобулы и проламелярные тела. Клетки суб-эпидермального слоя пыльников содержат дифференцированные хлоропласты [173,207]. Хлоропласты фиброзного слоя пыльников кукурузы содержат 1-7, а иногда и более проламелярных тел и незначитель- ное количество тилакоидов [233].

В фиброзном слое пыльников Hordeum Vulgaris обнаружены хлоропласти гранального типа, что по мнению авторов свидетельствует об их важной физиологической роли в развитии пыльников [60].

В период созревания пыльцы в хлоропластах пыльников наблюдаются процессы деструкции: нарушается деятельность ламелярных структур, а тилакоиды стромы образуют между собой многочисленные сферические образования, появляются осьмиофильные глобулы и вокруг них возникают сферические образования [136,207,233].

Хромопласты стенок пыльников довольно большие, имеют развитую мембранную структуру. В хромопластах, лишенных гран, присутствуют разнообразные по диаметру и электронной плотности осьмиофильные глобулы, в которых, по мнению некоторых исследователей, накапливаются вещества липоидной природы, а также и кароти-ноиды [173].

В клетках выстилающего слоя пыльников содержится большое количество лейкопластов и меньше хромопластов. Пластиды других типов под влиянием деструктивных процессов тапетума дегенерируют [277].

Тапетальные двуядерные клетки пыльников кукурузы содержат амилопласты, хлоропласты, хромопласты и лейкопласты. При разрушении тапетального слоя пыльников наблюдается подавление жизнедеятельности в пластидах и их деструкция, которая наступает для разных типов пластид по-разному. Общая закономерность при деструкции всех типов пластид заключается в появлении большого числа осьмиофильных глобул, образовании: многослойной оболочки и электронно-прозрачных участков [4,72].

В мужском гаметофите, содержащем генеративную и вегетатив- - itf - ную клетки, имеются амилопласты, лейкопласты и хромопласты Г59 , 128,190,207,226,255]. У некоторых представителей амариллисовых и касатиковых /нарцисс, крокус/ в генеративной клетке обнаружены хлоропласти ИЗО], По мнению некоторых исследователей,в генеративных клетках очень мало пластид или они отсутствуют совсем, а основная масса их сосредоточена в вегетативной клетке [205,249]. Другие указывают на присутствие пластид в цитоплазме генеративной клетки [591.

По современным представлениям в гинецее имеются хлороплас-ты, хромопласты и лейкопласты, а также пропластиды разнообразной формы [136,207,233]. Наличие хлоропластов в зародышах растений свойственно хлороэмбриофитам [42,43].

В начальный период формирования зародышевого мешка пластиды покровов семяпочки и стенок завязи имеют слаборазвитую ультраструктуру. В дальнейшем пластиды наружных покровов семяпочки не развиваются, а пластиды внутреннего покрова семяпочки развиваются и характеризуются более высоким уровнем развития ультраструктуры.

По мнению В.А.Поддубной-Арнольди, высокий функциональный уровень ткани коррелирует с хорошо развитой ультраструктурой пластид [128].

Пигментный комплекс зеленого зародыша некоторых растений аналогичен таковому хлоропластов зеленого листа [43].

Основную массу пластид клеток макроспор и зародышевого мешка составляют пропластиды, хлоропласта со слаборазвитой ультраструктурой и с увеличенной площадью поверхности мембран, а также лейкопласты, амилопласты и хромопласты 159,60,129,173,289]. В хромопластах содержится большое количество пластоглобул. Их появление связывают с избытком липидов в хлоропластах и других пластидах при наступлении в них деструктивных процессов [1363.

Существует точка зрения, что хлоропласти гинецея могут выполнять фотосинтетические функции, а также с другими пластидами осуществляют биосинтез для тканей эргастических важных веществ [43].

Функции каротиноидов в генеративной системе растений Сушко Станислав Петрович

Похожие диссертации на Функции каротиноидов в генеративной системе растений