Содержание к диссертации
Введение
2. Обзор литературы 10
2.1. Особенности биологии Fucus vesiculosus 10
2.1.1. Систематика, строение таллома, распространение, жизненный цикл...10
2.1.2. Строение гаметангиев и гамет 13
2.1.3. Оплодотворение и развитие зигот фукусовых 15
2.1.3.1. Оплодотворение. Потенциал оплодотворения. Синтез клеточной стенки 15
2.1.3.2. Прикрепление к субстрату 16
2.1.3.3. Ионные потоки. Локализация рецепторов дигидропиридина. Синтез белков 18
2.1.3.4. Полярная секреция везикул аппарата Гольджи. Образование ризоида 19
2.1.3.5. Деление зиготы. Ризоидальная и талломическая клетки 20
2.1.4. Индукция полярности у зигот фукусовых 21
2.1.4.1. Роль оплодотворения в индукции полярности 23
2.1.4.2. Влияние факторов окружающей среды на поляризацию 23
2.1.4.3. Рецепция и трансдукция сигналов при поляризации зигот фукусовых 26
2.1.4.4. Возможные механизмы индукции и фиксации оси полярности 29
2.1.5. Состав, строение и функционирование фотосинтетического аппарата фукусовых 32
2.1.5.1. Особенности строения пластид 32
2.1.5.2. Пигментный состав клеток и строение светособирающих комплексов 33
2.1.5.3. Рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа 36
2.1.5.4. Эколого-физиологические характеристики фотосинтеза 39
2.1.5.5. Особенности фотосинтетического аппарата гамет, зигот и эмбрионов 41
2.2. Краткая характеристика Euglena gracilis и Dunaliella primolecta 42
2.2.1. Euglena gracilis 42
2.2.1.1. Общая характеристика 42
2.2.1.2. Характеристика фотосинтетического аппарата 44
2.2.2. Dunaliella primolecta 44
2.2.2.1. Общая характеристика 44
2.2.2.2. Характеристика фотосинтетического аппарата 45
2.3. Фитогормоны фукусовых и других водорослей 46
2.3.1. Ауксины 47
2.3.2. Цитокинины 48
2.3.3. Гиббереллины 50
2.3.4. Абсцизовая кислота, лунуларовая кислота 51
2.3.5. Жасмоновая кислота 52
2.3.6. Полиамины 53
2.3.7. Брассиностероиды 54
2.4. Влияние фитогормонов на фотосинтетические процессы водорослей и высших растений 54
2.4.1. Ауксины 55
2.4.2. Цитокинины 55
2.4.3. Гиббереллины 57
2.4.4. Абсцизовая кислота 58
2.4.5. Жасмоновая кислота 59
2.4.6. Брассиностероиды 59
2.4.7. Салициловая кислота 60
2.5. Влияние органических субстратов на фотосинтетические процессы водорослей и высших растений 60
2.6. Постановка цели и задач исследования 64
3. Материал и методики 67
3.1. Объекты исследования 67
3.2. Культивирование водорослей 67
3.2.1. Получение синхронной культуры зигот и эмбрионов F. vesiculosus ...61
3.2.2. Условия культивирования Е. gracilis и D. primolecta 68
3.3. Обработка водорослей физиологически активными веществами и органическими субстратами 68
3.4. Изучение динамики прорастания зигот F. vesiculosus 68
3.5. Изучение динамики роста эмбрионов F. vesiculosus 69
3.6. Изучение динамики роста культур Е. gracilis и D. primolecta 70
3.7. Изучение характеристик фотосинтетического аппарата водорослей...70
3.7.1. Содержание фотосинтетических пигментов 70
3.7.2. Содержание Рубиско 71
3.7.3. Интенсивность фотосинтеза и дыхания и активность ФС I и II 72
3.8. Определение содержания фитогормонов в яйцеклетках, зиготах и эмбрионах F. vesiculosus 73
3.8.1. Очистка проб и экстракция фитогормонов 73
3.8.2. Проведение биотеста 74
3.8.3. Проведение иммуноферментного анализа фитогормонов 75
3.9. Определение содержания белка в клетках водорослей 75
3.10. Статистическая обработка данных 76
4. Результаты 77
4.1. Динамика основных процессов эмбриогенеза F. vesiculosus 77
4.1.1. Поляризация и прорастание зигот 77
4.1.2. Рост эмбрионов 77
4.1.3. Содержание фотосинтетических пигментов 80
4.1.4. Содержание Рубиско 82
4.1.5. Интенсивность фотосинтетических процессов 83
4.1.6. Содержание фитогормонов 84
4.1.6.1. Содержание фитогормонов в тканях/7, vesiculosus 84
4.1.6.2. Содержание ИУК в среде, окружающей зиготы 84
4.1.6.3. Влияние ТИБК на содержание ИУК в зиготах и среде, окружающей зиготы 86
4.2. Влияние гормональных и трофических факторов на основные процессы эмбриогенеза К vesiculosus 87
4.2.1. Поляризация и прорастание зигот 87
4.2.2. Рост эмбрионов 90
4.2.3. Содержание фотосинтетических пигментов 91
4.2.4. Содержание Рубиско 93
4.2.5. Интенсивность фотосинтетических процессов 93
4.3. Влияние гормональных и трофических факторов на рост культур и ряд характеристик фотосинтетического аппарата Е. gracilis и D. primolecta 97
4.3.1. Рост культур водорослей
4.3.2. Содержание фотосинтетических пигментов 100
4.3.3. Содержание Рубиско 102
4.3.4. Интенсивность фотосинтетических процессов 105
5. Обсуждение 110
6. Выводы 135
Благодарность 137
Список использованной литературы 138
Приложение 161
- Пигментный состав клеток и строение светособирающих комплексов
- Влияние органических субстратов на фотосинтетические процессы водорослей и высших растений
- Получение синхронной культуры зигот и эмбрионов F. vesiculosus
- Влияние гормональных и трофических факторов на рост культур и ряд характеристик фотосинтетического аппарата Е. gracilis и D. primolecta
Введение к работе
В ряду физиологических функций растений фотосинтез занимает особое место. Этот процесс является практически единственным источником энергии и вещества, необходимых для жизнедеятельности растительного организма; поэтому всестороннее изучение становления фотосинтетического аппарата в онтогенезе является одним из важнейших направлений физиологии растений. В настоящее время фотосинтез обеспечивает трофические потребности всей биосферы Земли, а результаты фотосинтеза прошедших эпох, материализованные в полезных ископаемых (каменный уголь, торф, сланцы, нефть и газ), лежат в основе большой части промышленной деятельности человека.
Фотосинтез регулируется как внешними условиями, так и внутренними системами интеграции и контроля растительного организма. Формирование ассимиляционного аппарата и эффективность фотосинтеза высших наземных растений зависит, в основном, от влияния таких факторов окружающей среды, как световой и температурный режимы, концентрации СОг и ( и их соотношение. К эндогенным факторам регуляции фотосинтеза можно отнести видовые характеристики фотосинтетического аппарата, запрограммированные в ядерном и хлоропластном геномах, и внутриклеточные системы регуляции процесса фотосинтеза: систему метаболической регуляции, использующую органические продукты фотосинтеза (сахара, спирты, органические кислоты и т. д.) и гормональную систему растений (Полевой, 1982; Мокроносов, Гавриленко, 1992).
В настоящее время эти факторы исследованы далеко не в равной степени. Особенно много нерешенных проблем в сфере исследования внутриклеточных систем регуляции фотосинтетического аппарата растений - гормональной и метаболической. Представители разных таксономических групп водорослей являются удобными объектами для изучения этих вопросов вследствие большого разнообразия состава, строения и функционирования их фотосинтетического аппарата и не столь четкого, как у высших растений,
разделения факторов, регулирующих фотосинтез, на внутренние и внешние. Наземные зеленые растения, за немногими исключениями, являются преимущественно автотрофными организмами - усваиваемые ими органические соединения отсутствуют в воздушной среде, в минимальном количестве присутствуют в почве и, таким образом, для растений практически недоступны. То же можно сказать и о фитогормонах, лишь немногие из которых летучи и могут присутствовать в окружающем растение воздухе. Подавляющее большинство водорослей находится в ином положении. В окружающей их среде в достаточном количестве содержатся и органические субстраты, которые могут быть включены в метаболизм с помощью соответствующих ферментных систем, и фитогормоны (Раймонт, 1983; Горбенко, 1990; Mazur et al., 2001 и др.). В данной работе проводится сравнительное изучение роли фитогормонов и метаболических факторов в формировании ассимиляционного аппарата представителей разных систематических групп водорослей. Особое внимание уделено морскому макрофиту Fucus vesiculosus L. (Phaeophyta), исследования которого на кафедре Физиологии и биохимии растений СПбГУ были
инициированы проф. В. В. Полевым]. Первые этапы морфогенеза и, связанного с ним развития фотосинтетического аппарата F. vesiculosus, могут быть прослежены на синхронной культуре зигот и эмбрионов. По мере созревания гаметы этих водорослей высвобождаются из гаметангиев, и процессы оплодотворения и прорастания зигот происходят в воде. Таким образом, на всех стадиях развития зиготы фукусовых, в отличие от зигот высших растений, не связаны с материнскими тканями и легко доступны для исследований. Формирование ассимиляционного аппарата F. vesiculosus очень мало исследовано, поэтому первым этапом нашей работы является изучение динамики основных процессов эмбриогенеза этой водоросли, с целью получить представление о морфологических и функциональных особенностях зигот и эмбрионов. Известно, что фитогормоны играют важную роль в процессах раннего эмбриогенеза фукуса, в частности, поляризация зиготы и ризоидообразование регулируются индолил-3-уксусная кислотой (ИУК) (Тоггеу,
Galun, 1970; Basu et al., 2002). В связи с этим, помимо изучения влияния фитогормонов на становление фотосинтетических систем F. vesiculosus, мы также исследовали роль этих веществ в регуляции морфогенеза этой водоросли.
Для сравнения мы использовали одноклеточные микроводоросли Euglena gracilis (Euglenophyta) и Dunaliella primolecta (Chlorophyta). Эти водоросли достаточно хорошо изучены с точки зрения характеристик ассимиляционного аппарата, легко культивируются в лабораторных условиях, и для них характерно отсутствие клеточной стенки, что значительно облегчает биохимические исследования этих организмов (Buetow, 1968; Oren, 2005).
Бурые, зеленые и эвгленовые водоросли существенно отличаются по составу и функционированию ассимиляционных систем, что предоставляет широкие возможности для сравнительного анализа. Зеленые водоросли по характеристикам фотосинтетического аппарата наиболее близки к высшим растениям. Это облегчает сравнение данных, полученных на этих объектах с результатами исследований высших растений.
Пигментный состав клеток и строение светособирающих комплексов
В течение первых 3-4 часов после оплодотворения зигота не воспринимает никаких внешних поляризующих воздействий. Очевидно, это связано с тем, что в этот период она еще не прикреплена к субстрату. Выход гамет и оплодотворение в естественных условиях, как правило, осуществляется в периоды затишья, когда скорость движения воды не превышает 0,2 м/с (Serrao et al., 1996). Однако, и в таких условиях зиготы сдвигаются с места и переворачиваются течением, и, следовательно, пока зигота не прикрепится к субстрату и не зафиксирует таким образом свое положение в пространстве, формирование оси полярности в соответствии с каким-либо односторонне действующим фактором среды невозможно. Сразу же после того, как зигота начинает выделять первичный адгезив (см. выше) и приклеивается к поверхности, она получает способность воспринимать и реагировать на многочисленные внешние факторы, как в естественных, так и в экспериментальных условиях.
Поляризующие факторы можно разделить на три группы. 1) Химические воздействия, такие как градиенты концентрации кальциевого ионофора (Robinson, Cone, 1980), ИУК, динитрофенола, ионов калия, протонов (Jaffe, 1968; Torrey, Galun, 1970; Quatrano, 1974, 1978). В этих случаях ризоидальный выступ формируется в направлении более высокой концентрации вещества. 2) Физические факторы. Это градиенты освещенности (ризоид образуется на менее освещенной стороне зиготы), температуры (ризоид образуется с «теплой» стороны). Если поместить зиготу в электрическое поле, ризоид растет в сторону анода. При центрифугировании зигот ризоид растет центробежно, т. е. в направлении вектора силы тяжести. Движение воды оказывает разное воздействие в зависимости от скорости течения: при быстром протоке ризоид образуется вверх по течению, при более медленном течении - вниз (Jaffe, 1968; Torrey, Galun, 1970). 3) Эффекты положения. Зиготы по-разному ориентируют ось поляризации в зависимости от их положения в пространстве. Если на расстоянии, сравнимом по величине с диаметром зиготы находится какая-либо поверхность или предмет (песчинка, стеклянная игла, кусочек таллома водоросли и т. п.), то ризоид растет в направлении этой поверхности. Очевидно, в качестве такой поверхности может выступать и субстрат, к которому крепится зигота. Это явление называют эффектом грунта. Как особый случай принято выделять ситуацию, когда рядом располагается несколько синхронно развивающихся зигот. Ризоиды в этом случае, как правило, образуются по направлению к центру группы (т. н. групповой эффект). При небольшом увеличении рН среды иногда наблюдается отрицательный групповой эффект (ризоиды соседних зигот растут в разные стороны) (Jaffe, Neuscheler, 1969).
Очевидно, что в естественных условиях со многими перечисленными выше факторами зиготам сталкиваться не приходится. Скорее всего, решающую роль для поляризации играют такие факторы как гравитация, эффект грунта и особенно - свет. Именно однонаправленный свет (синий или ультрафиолетовый) в подавляющем большинстве случаев используется исследователями в экспериментах по изучению поляризации зигот. Большое значение имеет также оптимальное время воздействия поляризующего фактора. В ходе развития зигот степень их чувствительности к различным внешним воздействиям существенно изменяется. При этом градиент освещенности является фактором, восприимчивость к которому сохраняется у зигот наиболее долго (Рис. 7).
В особую группу внешних факторов, способных оказывать влияние на индукцию полярности у зигот фукоидов, следует выделить некоторые химические агенты, обработка которыми развивающихся зигот блокирует поляризацию и задерживает или полностью подавляет образование ризоида. J. G. Тоггеу и Е. Galun (1970) впервые получили такой эффект, помещая только что оплодотворенные яйцеклетки в 0,6-0,7 М раствор сахарозы. При выращивании в такой среде зиготы начинают прорастать не раньше, чем через 48 ч ПО, т. е. с задержкой на 30-35 ч. Однако, сахароза не оказывает влияния на способность клеток к делению, вследствие чего примерно через 48 ч ПО появляются сферические неполярные эмбрионы. Такие эмбрионы при прорастании формируют несколько ризоидов, каждый из которых происходит из отдельной клетки (Тоггеу, Galun, 1970). Авторы также обратили внимание на тот факт, что все образующиеся ризоиды ориентированы строго в направлении, заданном внешним поляризующим фактором (одностороннее освещение). Это может быть объяснено двумя различными причинами: либо все клетки эмбриона «помнят» направление света, воспринятое зиготой в период, когда она была чувствительна к поляризующим факторам, либо они не потеряли способность воспринимать эти сигналы. Вторая гипотеза представляется более вероятной. Действие сахарозы на прорастание зигот, по-видимому, не специфично. Подобный эффект оказывает любой физиологически инертный гипертонический раствор (например, маннит или концентрированная морская вода). Другим веществом, вызывающим задержку поляризации и ризоидообразования является трийодбензойная кислота (ТИБК). В отличие от сахарозы, ТИБК действует в очень низкой концентрации (10" -10 М), что позволяет высказать предположение о специфичности этого эффекта (Тоггеу, Galun, 1970).
Влияние органических субстратов на фотосинтетические процессы водорослей и высших растений
Эколого-физиологические характеристики фотосинтеза Фукусовые, как и почти все морские макрофитные водоросли, по-видимому, являются растениями светового типа, в нормальных условиях осуществляющим фотосинтез по Сз-пути (McLachlan, 1974; Israel, Hophy, 2002). В течение суток интенсивность фотосинтеза изменяется по одновершинной кривой с максимумом в 11-12 ч, что соответствует максимуму фотосинтетически активной радиации. Максимальная интенсивность дыхания отмечается в ночное время (McLachlan, 1974; Возжинская, 1986). Все многолетние морские водоросли активно фотосинтезируют круглый год. Таким образом, фотосинтез осуществляется в широком диапазоне освещения и температур (Collen, Davison, 2001). Насыщающая интенсивность освещения для роста этих водорослей при 15 С составляет 3000 MKW/CM («400 мкМ фотонов/м ), но и 12000 MKW/CM2 еще не вызывает фотоингибирования (McLachlan, 1974; Coelho et al., 2001). Фукусовые способны фотосинтезировать в широком диапазоне температур (от -20 до +30 С), хотя при низких температурах используется лишь очень малая часть поглощенного света, поскольку реакции фиксации углекислоты подавляются гораздо сильнее, чем фотохимические процессы (Collen, Davison, 2001; Raven et al., 2002). В таких условиях большую роль играют системы защиты от избыточной инсоляции (Coelho et al., 2001). Оптимальная температура для развития эмбрионов фукуса и роста взрослых растений составляет 12-15 С, при 20 С в развитии водорослей уже наблюдаются аномалии (McLachlan, 1974).
F. vesiculosus в основном растет на средней литорали и, следовательно, проводит значительную (иногда - большую) часть своей жизни в воздушной среде. Эти водоросли способны фотосинтезировать как в воде, так и на воздухе, и интенсивность фотосинтеза у растений, находящихся на осушке, почти не изменяется (Kawamitsu, Boyer, 1999; Israel, Hophy, 2002). Фукус может выдерживать длительную осушку, даже высыхание, и фотосинтез при этом подавляется гораздо меньше, чем у потерявшего тургор высшего растения (Kawamitsu et al., 2000). Механизм этого явления в настоящее время недостаточно исследован. Известно, что фукусовые способны запасать СОг внутри клеток как в неорганической ( 2,5%), так и в органической форме. Даже в воздухе, лишенном СОг, водоросли осуществляют фотосинтез еще в течение 1-2 ч за счет внутреннего запаса углекислоты. Помимо этого, у F. vesiculosus обнаружены еще некоторые процессы, напоминающие С4-фотосинтез высших растений, в частности фиксировалась значительная активность ФЕП-карбоксикиназы. Возможно, малат и аспартат могут накапливаться в качестве внутриклеточного органического запаса ССЬ, который используется в условиях низкой концентрации углекислоты или повышенного содержания кислорода (Kawamitsu, Boyer, 1999). Фукусовые не обладают высокой чувствительностью к повышенному содержанию ( и имеют относительно низкое значение углекислотного компенсационного пункта. Как правило, такие параметры характерны для растений, использующих СОг-концентрирующий механизм (Moroney, Somanchi, 1999; Thorns, 2001). Вероятно, увеличение концентрации углекислого газа в зоне действия Рубиско осуществляется на базе использования НСОз", содержание которого в морской воде значительно превышает содержание СО2, и работы карбоангидразы (Israel, Hophy, 2002).
Исследования, посвященные биохимическим особенностям фиксации углерода и дыхания бурых макрофитов, крайне немногочисленны. Основным стабильным продуктом фотосинтеза и субстратом дыхания у фукусовых является маннит, а также, в меньших количествах, аланин, аспарагиновая, глутаминовая и яблочная кислоты (Bidwell, 1967; McLachlan, 1978; Kremer, 1981). Сложные полисахариды, вероятно, образуются на свету не прямо из маннита, а из общих предшественников или из небольшого изолированного пула маннита, отделенного от главных клеточных ресурсов. В темноте сложные полисахариды формируются из запасного маннита (Bidwell, 1967).
Гаметы фукусовых водорослей содержат хлоропласты и фотосинтезируют, хотя и не так активно, как эмбрионы или взрослые растения. Возможно, именно способность осуществлять фотосинтез позволяет яйцеклеткам несколько дней жить самостоятельно. «Старые» яйцеклетки (24 ч и более после выхода из оогониев) фотосинтезируют несколько слабее. Антерозоиды фотосинтезируют менее интенсивно, чем яйцеклетки. Зиготы и эмбрионы фотосинтетически полностью компетентны. После оплодотворения фотосинтетический метаболизм яйцеклеток изменяется: сначала количество фиксируемого СОг несколько падает, а затем скорость фотосинтеза начинает возрастать (McLachlan, 1978). Содержание пигментов в гаметах и динамика фотосинтетических параметров в эмбриогенезе фукусовых в настоящее время практически не исследованы.
Гаметы фукусовых, по-видимому, несколько отличаются от взрослых растений по спектру стабильных продуктов фотосинтеза. Так, яйцеклетки и особенно антерозоиды Fucus serratus продуцируют относительно больше аминокислот (аспарагиновая кислота, аланин), чем эмбрионы и взрослые растения (McLachlan, 1978).
Молодые эмбрионы многих морских макрофитов (до 10-15 суток ПО) очень чувствительны к повышенной инсоляции, особенно к ультрафиолетовым лучам (Coelho etal., 2000, 2001). Вероятно, это связано с тем, что в природных условиях эмбрионы растут в трещинах скал, между камнями и под прикрытием талломов взрослых растений, то есть в условиях частичного затенения. Свет интенсивностью в 300 мкМ фотонов/м с, не оказывающий отрицательного эффекта на более взрослые растения, вызывает резкое торможение фотосинтетических процессов у эмбрионов Fucus spiralis. При таком освещении в клетках эмбрионов образуется большое количество активных форм кислорода, таких как суперксидныи и гидроксильныи радикалы, в клетках увеличивается содержание зеаксантина, что свидетельствует об активизации виолаксантинового цикла (Coelho et al., 2001).
Получение синхронной культуры зигот и эмбрионов F. vesiculosus
Данные по влиянию экзогенного ауксина на рост и развитие водорослей очень противоречивы. Ауксин стимулирует образование ризоидов у зеленой водоросли Bryopsis plumosa и усиливает рост культур некоторых микроводорослей и цианобактерии (Арендарчук, 1974; Provasoli, Carlucci, 1974). В то же время рост таких одноклеточных водорослей, как Е. gracilis и Chlorella spp., практически не стимулируется ауксином. Известно, что гербициды ауксинового ряда (флуроксипир, этилбенозолин) оказывают минимальное воздействие на рост культуры хлореллы (Jianyi Ma et al., 2002). Это может быть связано с отсутствием у водорослей этилена, поскольку в основе механизма действия некоторых ауксин-зависимых реакций (включая действие ауксиновых гербицидов) лежит усиление биосинтеза этилена (Полевой, 1982). Обработка как природными, так и синтетическими ауксинами стимулирует рост тканей в культуре и развитие каллуса у красных макрофитов (Yokoya, Handro, 1996; Garcia-Jimenez et al., 1998; Yokoya et al, 1999). Однако, стимулирующий эффект на рост зеленой водоросли Codium fragile оказывает только ИУК, но не ее синтетические аналоги (Hanisak, 1979). При этом, как и у высших растений, положительный эффект оказывает воздействие гормона в низкой концентрации (до 1 мг/л). Высокие концентрации ауксина (10 мг/л) сильно угнетают рост тканей в культуре.
Содержание эндогенного ауксина в тканях водорослей варьирует в зависимости от сезона и стадии развития организма. Максимальная концентрация наблюдается летом в вегетативных тканях (Гормональний..., 2003). Вероятно, ауксины контролируют ветвление талломов красных и бурых макрофитов по принципу апикального доминирования (Moss, 1974; Yokoya, Handro, 1996). Воздействие ИУК или нафтилуксусной кислотой вызывает уменьшение числа образующихся ветвей у F. vesiculosus, а удаление апикальной клетки или обработка апекса ингибитором транспорта ауксина (ТИБК) производит противоположный эффект (Moss, 1974). Существует также предположение (Moss, 1967, цит. по: Dring, 1974), что ауксин играет важную роль в формировании у фукуса репродуктивных структур. В частности, обработка нафтилуксусной кислотой вызывает замедление выхода гамет. Экзогенная ИУК стимулирует поляризацию и прорастание зигот фукусовых (Davidson, 1950; Torrey, Galun, 1970; Basu et al., 2002). 2.3.2. Цитокинины
Цитокининовая активность многократно фиксировалась в экстрактах из морского фитопланктона (Provasoli, Carlucci, 1974). В экстрактах, полученных из талломов фукусовых водорослей, обнаружены значительные количества цитокининов. Эти цитокинины были определены как зеатин, зеатинрибозид, изопентениладенин (ИПА) и изопентениладенозин (Stirk, Van Staden, 1997a, b). Обладающая цитокининовой активностью тРНК и широкий спектр цитокининов, таких как ИПА, 2-метилтиоизопентениладенин и 2 метилтиоизопентениладенозин, содержится в хлоропластах Е. gracilis (Swaminathan, Bock, 1977, цит. по: Benkova et al., 1999). У цианобактерии Arthronema africanum обнаружен ИПА, у харовых и зеленых микро- и макроводорослей фиксировались ИПА, изопентениладенозин, зеатин, зеатин-рибозид и ароматические цитокинины — конъюгаты тополина (Farooqi et al., 1990; Stirk et al., 2002, 2003; Ordog et al, 2004). Основными цитоктганами зеленых микроводорослей (p. Protococcus, Chlorella и Scenedesmus) являются свободные ИПА, зеатин (преобладает cis-изомер) и рибозидные и риботидные конъюгаты (Ordog et al., 2004). Большое разнообразие конъюгированных форм цитокининов, по-видимому, не так характерно для водорослей, как для высших растений. У некоторых микроводорослей и бурых макрофитов (Sargassum helerophyllum, Macrocystis pyrifera) обнаруживались следовые количества О-глюкозидов (Stirk et al., 2003). Такие формы цитокининов, как дигидрозеатин и N-глюкозиды у водорослей не обнаружены. Возможно, что функции N-глюкозидов (неактивная форма цитокининов) при регулировании уровня цитокининов в клетках отчасти выполняет преобладающий у водорослей cis-зеатин, который значительно менее активен, чем trans-изомер. У разных групп водорослей найдены также ароматические цитокинины (бензиламинопурины и тополины). Микроводоросли и макрофиты существенно различаются по относительному содержанию этой разновидности гормонов: доля ароматических цитокининов у них составляет соответственно 28% и 1% (Stirk et al., 2003; Ordog et al., 2004). Таким образом, в настоящее время у исследованных водорослей найдены как изопреноидные, так и ароматические цитокинины и ряд их конъюгатов, что свидетельствует о наличии у них сложной системы метаболизма этих гормонов и контроля их активности.
Предполагается, что путь биосинтеза цитокининов у водорослей отличается от классического пути, характерного для высших растений (через мевалоновую кислоту) (Chen, 1997). Вероятно, большая часть цитокининов у водорослей образуется в результате деградации тРНК и по изопентенил-дифосфатному пути (из пирувата и глицеральцегид-дифосфата) (Stirk et al., 2003). Существуют данные (Provasoli, Carlucci, 1974), что бурые водоросли (в т. ч. фукусовые) выделяют цитокинин в окружающую среду. Этот гормон был идентифицирован как 6-(3-метил-2-бутениламино) пурин.
Данные по действию на рост и развитие макрофитных водорослей экзогенного цитокинина, в основном, получены на представителях отдела Rhodophyta. Показано, что кинетин способствует усилению роста водорослей, стимулируя деления клеток (Provasoli, Carlucci, 1974). Цитокинины (как одни, так и вместе с ауксинами) ускоряют рост тканей красных водорослей в культуре и, в ряде случаев, способствует образованию каллуса (Yokoya et al, 1999). В культуре тканей Grateloupia doryphora цитокинины ингибируют морфогенетические процессы (Garcia-Jimenez et al., 1998). Экзогенная обработка цитокининами зеленых микроводорослей вызывает усиление делений клеток, накопление белка и фотосинтетических пигментов, стимулирует дыхание. У цианобактерии Arthronema africanum обнаружены суточные колебания содержания эндогенных цитокининов. Возможно, подобные процессы происходят и у зеленых микроводорослей (Ordog et al., 2004). Вероятно, эти колебания отражают изменения физиологического состояния клеток в культуре на разных стадиях жизненного цикла. 2.3.3. Гиббереллины
Свидетельств о наличии в бурых водорослях веществ с гиббереллиновой активностью очень немного, и почти все они основаны на данных биотестов. В хроматографированных экстрактах из F. vesiculosus и F. spiralis таким образом обнаружены предположительно ГКз (гибберелловая кислота), ГКі и ГКб (Radley, 1961). Вещества с гиббереллиновой активностью были выделены из зеленой водоросли Caulerpa paspaloides, однако точно идентифицировать их не удалось (Jacobs, 1993).
Влияние гормональных и трофических факторов на рост культур и ряд характеристик фотосинтетического аппарата Е. gracilis и D. primolecta
Абсцизовая кислота синтезируется (и содержится в максимальном количестве) в хлоропластах и влияет на многие связанные с ними процессы (Makeev, Kusnetsov, 1996; Seo, Koshiba, 2002). Содержание эндогенного гормона изменяется в зависимости от физиологического состояния тканей и органов. В стареющих листьях концентрация АБК существенно возрастает (Shu-Qing et al., 2004). Экзогенная АБК оказывает ингибирующий эффект на деятельность фотосинтетического аппарата высших растений. АБК ингибирует деэтиоляцию семядолей, обработка гормоном срезанных листьев существенно усиливает процессы старения: ускоряется снижение содержания хлорофиллов, интенсивности фотосинтеза и активности фотосистем (Prasad et al., 1988; Kusnetsov et al., 1998). В интактных листьях АБК также вызывает снижение фотосинтетического поглощения СС 2 (Popova, 1989). Возможно, это происходит вследствие уменьшения парциального давления углекислоты в клетках. Помимо этого, АБК может снижать интенсивность фотосинтетических процессов за счет своего действия на устьичный аппарат. Этот гормон стимулирует закрытие устьиц, следствием чего является снижение газообмена в фотосинтезирующих тканях. Биохимический механизм действия АБК пока не достаточно исследован. Есть предположения, что этот гормон вызывает разрушение структуры хлоропластов и влияет на синтез и активность ряда белков углеродного и азотного обмена. Известно, что карбоксилазная активность Рубиско в листьях, обработанных экзогенной АБК, снижается. Поскольку при этом не изменяются концентрации субстрата (рибулозо-1,5-бисфосфата) и природного ингибитора (2 -карбоксиарабинитол-1-фосфата) этого фермента, скорее всего, происходит торможение синтеза Рубиско. Содержание этого фермента в расчете на растворимый белок снижается на 20-60% в зависимости от используемой концентрации АБК (10-6-10"4 М) (Popova, 1989). В основном страдает синтез большой субъединицы (кодируемой в геноме ХП), поскольку АБК принимает участие в регуляции экспрессии гена rbcL (Кузнецов и др., 1987). Соотношение малая/большая субъединицы в листьях, обработанных АБК, увеличивается в 2 раза. Есть данные о том, что АБК также снижает уровень экспрессии ряда локализованных в ядре генов, продукты которых принимают участие в фотосинтетических процессах, в частности протохлорофиллид-оксидоредуктазы (Kusnetsov et al., 1998). По некоторым данным, оксигеназная активность Рубиско и фотодыхание могут немного стимулироваться АБК (Popova, 1989).
По-видимому, имеет значение также соотношение содержания АБК и гормонов-стимуляторов и их возможные взаимодействия (Schmulling et al., 1997). Например, у некоторых растений баланс концентраций АБК и цитокининов определяет «переключение» фотосинтеза с Сз на Сопуть и обратно (Schmitt, Piepenbrock, 1992).
Жасмоновая кислота является одним из «стрессовых» гормонов растений и во многих случаях оказывает рост-ингибирующие эффекты (Creelman, Mullet, 1997; Jung, 2004). Этот гормон ускоряет процессы старения органов. В листьях арабидопсиса под действием метилового эфира жасмоновой кислоты (Ю М) значительно снижается интенсивность фотосинтетических процессов: падает уровень транспорта электронов, квантовый выход фотосинтеза. Содержание хлорофиллов (особенно хлорофилла «а») и каротиноидов (кроме антераксантина и зеаксантина, участвующих в защитных реакциях) уменьшается на 60-80% (Parthier, 1990; Jung, 2004). Кроме того, обработка экзогенной жасмоновой кислотой приводит к снижению уровня экспрессии генов, кодирующих элементы фотосинтетических систем (в частности, гена rbcS) и усилению деградации Рубиско (Parthier, 1990).
Данные по влиянию брассиностероидов на фотосинтетические процессы неоднозначны. Вероятно, эти гормоны играют ведущую роль в отрицательной регуляции развития хлоропластов (Nakano et al., 2001). Мутантные растения с нарушением биосинтеза брассиностероидов (det, Arabidopsis deetiolated) или их рецепции {bri, brassinosteroid insensitive) имеют интенсивно зеленые листья с повышенным содержанием хлорофилла (Li, Chory, 1999; Nakano et al., 2001). В то же время, экзогенные брассиностероиды увеличивают интенсивность фотосинтеза, количество пигментов и Сахаров у зеленой водоросли Chlorella vulgaris (Bajguz, Czerpak, 1998; Bajguz, 2000). 2.4.7. Салициловая кислота
Экзогенная обработка салициловой кислотой в относительно низкой концентрации (10"5 М) тормозит распад Рубиско, усиливает работу кислород-выделяющих центров и интенсивность фотосинтеза, увеличивает содержание пигментов (Pancheva, Popova, 1998; Chandra, Bhatt, 1998; Fariduddin et al., 2003). При использовании гормона в более высоких концентрациях наблюдался отрицательный эффект (Fariduddin et al., 2003).
Метаболизируемые органические субстраты, такие как сахара, спирты, жирные кислоты, органические кислоты являются не только структурными компонентами клетки и источниками энергии. Эти вещества регулируют экспрессию генов, обеспечивающих важнейшие физиолого-биохимические процессы метаболизма растений: дыхание, синтез и распад запасных питательных веществ, регуляцию клеточного цикла, старение, ассимиляцию азота и, в первую очередь, фотосинтез (Jang et al., 1997; Halford, Paul, 2003). Влияние трофических агентов на фотосинтетические процессы в настоящее время изучается большей частью на высших растениях. Исключениями являются только немногочисленные модельные объекты, такие как p. Chlamidomonas и Euglena. В подавляющем большинстве случаев экзогенные добавки органических субстратов в той или иной степени вызывают подавление деятельности фотосинтетических систем. В клетках Euglena sp. формирование хлоропластов на свету специфически подавляется экзогенным этанолом (Мопгоу, Schwartzbach, 1984).
Похожие диссертации на Влияние гормональных и метаболических факторов на фотосинтетический аппарат Fucus vesiculosus L. в сравнении с представителями других таксономических групп водорослей
