Развитие сложно организованного взрослого растения из сравнительно просто устроенного зародыша, происходящее строго упорядоченно, представляет собой одну из самых интересных и захватывающих проблем биологии. В этой книге мы рассмотрим и попытаемся проанализировать те процессы, которые лежат в основе развития растений и регулируют его.
Развитие любого растения включает такие процессы, как рост и дифференцировка. Термин рост характеризует количественные изменения, происходящие во время развития, иными словами, рост можно определить как процесс необратимого изменения размеров клетки, органа или всего организма. Внешняя форма органа представляет собой в первую очередь результат дифференциального роста’ вдоль определенных осей. Однако в процессе развития появляются не только количественные различия в числе и расположении клеток, составляющих те или иные органы, но между клетками, тканями и органами возникают также качественные различия, для характеристики которых применяется термин дифференцировка. Дифференцировка на клеточном и тканевом уровнях хорошо известна и служит главным образом предметом изучения анатомии растений. Кроме того, мы можем говорить о дифферсн-дировкс тела растения на побег и корень, а переход от вегетативной к репродуктивной фазе можно рассматривать как еще один пример дифференцировки. Следовательно, мы будем пользоваться термином дифференцировка в очень широком смысле, обозначая им любую ситуацию, в которой меристема« тические клетки дают начало двум или более типам клеток, тканей или органов, качественно отличающихся друг от друга.
Гал — галактоза; Ара — арабиноза; Глю — глюкоза.Весьма вероятно, что полисахариды, входящие в состав первого слоя новой клеточной стенки (срединную пластинку), который содержит большое количество галактуроновой кислоты, синтезируются тельцами Гольджи. После образования срединной пластинки на каждой ее стороне происходит формирование микрофибрилл целлюлрзы. Так возникает первичная кле- точная стейка.
Б. Нормальное развитие. После деления ядра одно из дочерних ядер перемещается в тот конец клетки, где цитоплазма характеризуется наибольшей плотностью, и становится генеративным. Другое дочернее ядро становится вегетативным.
Растениям .присуща весьма характерная форма, и одна из особенностей этой формы —наличие типичной, хорошо развитой продольной оси, несущей латеральные органы, такие, как листья и цветки. Различия, возникающие вдоль этой оси, выражаются в том, что два ее конца не одинаковы — например, ось растения обычно дифференцируется на одном конце в побег, а па другом в корень. В связи с этим говорят, что ось проявляет полярность, которую молено определить как «некую стуацию, когда два противоположных конца или поверхности какой-либо живой системы различны». Полярность оси растения легче всего обнаруживается по морфологическим различиям, но также может выражаться и в некоторых физиологических свойствах, таких, как базштетальиый «полярный» транспорт ауксинов в стеблях и регенерация почек на верхнем, а корней на нижнем конце отрезка корня (рис. 1.15).
До сих пор речь шла главным образом о росте, а не о дпф-ференцировке. В настоящей главе мы рассмотрим развитие основных органов растения и пути, по которым идет его днф-ференцировка.В жизненном цикле семенных растений происходит и ряд других изменений, которые можно рассматривать как различные аспекты диффереицировкн. Наиболее важным из таких изменений является переход растения к репродуктивной фазе, включающий глубокие изменения в структуре апекса побега (с. 64). Позднее мы увидим, что у многих видов начало цветения регулируется внешними факторами, однако у многих других оно, по-видимому, в большей степени детерминируется постепенными изменениями, происходящими в процессе развития самого растения, чем внешними факторами. Часто такие постепенные физиологические изменения отражаются на морфологических характеристиках, таких как форма листовой пластинки, которая нередко меняется снизу ©верх по стеблю. Этих сторон развития мы коснемся позднее, но важно уяснить, что они представляют собой те или иные аспекты дифференциров-ки в пределах побега в целом.
Первый важный этап дифференцировки, происходящий на очень ранней стадии эмбриогенеза, связан с появлением кончиков побега и корня.Путем нескольких последовательных поперечных делений базальная клетка образует ряд клеток, из которых формируется суспензор. Последняя клетка суснснзора увеличивается в размерах и становится мешкообразной. Клетки суспензора, расположенные ближе к зародышу, подвергаются нескольким делениям и дают начало группе клеток, из которых наружные формируют будущий корневой чехлик и эпидерму корня, а внутренние— оставшуюся часть зародышевого корня. Полного развития зародыш достигает в результате повторяющихся делений в этих различных зонах.
Хотя настоящая книга в основном посвящена .цветковым растениям, полезно .вкратце остановиться на характере роста низших растений. У простых нитчатых водорослей, таких .как. Spirogyra, дет определенных локализованных зон роста, и каждая клетка обладает потенциальной способностью к делению-и росту. Однако многие водоросли обладают выраженной локализацией роста. Так, водоросль Chara имеет одну .хорошо заметную апикальную клетку, которая подвергается повторным-делениям, образуя большую дистальную клетку, продолжающую функционировать в качестве апикальной, и меньшую проксимальную дочернюю клетку, которая продолжает делиться, а образующиеся в результате этих делений клетки формируют зрелую ткань таллома.
В последовательности изменений апекса побега, наблюдающихся при развитии, латеральные почки обычно появляются несколько позднее, чем листовые примордии. Почки возникают в наружных слоях стеблевых тканей в результате делений, которые в самых наружных слоях могут быть преимущественно антиклинальными или же антиклинальными и периклиналь-ными в более глубоких слоях. .Как и при возникновении листьев, для разных видов характерны значительные вариации в отношении степени участия туники и корпуса в клеточных делениях, дающих начало латеральным почкам. В результате таких деле ний почка возникает в виде .бугорка, и вскоре в ней развивается апикальная структура, аналогичная апексу главного побега данного вида.
Развитие листа можно разделить на следующие стадии: 1) образование листового выступа; 2) образование оси листа; 3) образование пластинки. Последующее изложение основано на данных по развитию листа табака.
Как мы уже отмечали, дифференцировка листьев, почек и стеблей начинается с заложения на апексе побега примордиев. листа и почек.Если же детерминация уже произошла, то будущее развитие всего комплекса листовых тканей обеспечивается саморегуляцией; об этом свидетельствует тот факт, что изолированные листовые примордии, помещенные в культуральную среду, проходили все стадии нормального развития, хотя образовавшиеся в результате листья имели меньшие размеры.
Нет необходимости говорить о чрезвычайно широком разнообразии формы листьев у семенных растений. Форма зрелого листа определяется тремя факторами: 1) формой примордия; 2) числом, распределением и ориентацией клеточных делений; 3) количеством и распределением клеточных растяжений.
Во-первых, ясно, .что в процессе развития зародыша организованный апекс побега возникает de novo; это можно наблюдать в культуре свободных клеток, где развивающийся зародыш не подвержен влиянию каких-либо окружающих проводящих тканей (с. 242). Сходным образом из недифференцированных тканей могут спонтанно возникать почки. Например, если корни цикория (Cichorium) или одуванчика (Taraxacum) разрезать на кусочки» то при благоприятных условиях они могут регенерировать почки побегов прямо на поверхности срезов с верхней стороны (рис. 1.15). В каллусных культурах различных видов будут также развиваться адвентивные почки (с, 240). Такие наблюдения наводят па мысль, что апекс побега представляет .собой устойчивую конфигурацию клеток, которая «выкристаллизовывается» из массы недифференцированной ткани при благоприятных условиях. Иными словами, апекс побега является самоорганизующейся зоной.
Стимулирующий эффект почки на развитие проводящих тканей, по-видимому, обусловлен действием гормонов, особенно ауксинами и гиббереллинами, которые в ней синтезируются (с. 185—186). Имеются также данные, свидетельствующие о том, что гормоны играют важную роль в регенерации проводящей ткани (с. 186—187).
Рано или поздно одни или более вегетативных апексов растения перестает образовывать листья и почки и становится генеративным. Такой переход сопровождается серьезными изменениями в структуре апекса побега.
До сих пор основное внимание уделялось качественным и описательным аспектам роста. Однако не менее ©ажно изучать рост и в количественном отношении, для чего нам необходимы методы измерения роста.Как мы уже убедились, рост включает увеличение количества живой материи. Тем не менее не всегда легко измерить это увеличение, не нарушив при этом целостности организма. Кроме того, если мы будем просто учитывать материал протопласта (цитоплазму и ядро), то тем самым не включим такой материал, как клеточные стенки, которые являются неотъемлемой частью тела растения.
Прежде чем рассматривать кривые роста высших растений, полезно познакомиться с ростом одноклеточных организмов, таких, как бактерии или дрожжи, размножающихся делением или «почкованием», или же многоклеточных, таких, как ряска (Lenina), которая также размножается почкованием.
Это уравнение также можно представить в форме у—а- -Ьх. Иными словами, если мы на оси ординат отложим логарифмы веса в зависимости от /, то получим прямую линию (по крайней мере для начальной фазы роста, которую мы сейчас и рассматриваем), что действительно наблюдается в ряде случаев.
Здесь йю/Ь-сН представляет собой скорость увеличения сухого веса на единицу сухого веса листа и известна как чистая скорость ассимиляции (Ет), служащая мерой фотосинтетической активности минус потери, связанные с дыханием, т. е. Ет — мера чистой эффективности растения в образовании сухой массы.
Рост растений представляет собой сложный и динамичный, во строго контролируемый процесс. Это означает, что должна существовать интеграция и координация роста различных частей растения. В последующих главах мы найдем немало примеров таких корреляций роста. Совершенно ясно, что координированный рост различных частей растения должен осуществляться при участии какого-то регуляторного механизма. Кроме того, мы уже видели в предыдущих главах, что развитие таких органов, как листья или стебли, включает строго упорядоченную смену фаз клеточного деления и растяжения. Следовательно, происходит также координация роста во времени. В результате интенсивных исследований, длящихся уже многие годы, стало известно, что гормоны играют жизненно важную роль в регуляции не только роста растения как целого, но, по-видимому, и роста отдельных его органов. Теперь мы знаем, что существует по крайней мере три основных класса гормонов, стимулирующих рост, — ауксины, гиббереллины и ци-токинины. Кроме того, в растениях содержатся и другие типы гормонов, в частности «ингибиторы роста», такие, как абсци-зовая кислота (АБК), а также газообразный гормон этилен, который, вероятно, принимает участие во многих ростовых явлениях.
С тех пор как впервые было показано, что ИУК является ауксином, выяснилось, что это вещество очень широко распространено в растительном мире, и сейчас его считают основным ауксином высших растений.Для выяснения истинной природы эндогенного (т. е. синтезируемого в растениях) ауксина до сих пор проводятся интенсивные исследования с использованием современных химических, физических и биологических методов. Как мы уже говорили, первое выделение ауксина из растений было достигнуто благодаря способности гормона диффундировать из ткани растения в подходящую инертную среду, например агаровый гель. Этот метод используют и сейчас, и полученный таким способом ауксин называют диффундирующим. Обычно же ауксины экстрагируют из растительных тканей органическими растворителями, такими, как диэтиловый эфир или метанол. Ауксины в диффузатах и экстрактах даже из одной и той же ткани часто различаются как в количественном, так и в качественном отношениях.
Биосинтез ауксина. Когда выяснили, что ИУК представляет собой эндогенный ауксин, было высказано предположение...Помимо индольиых соединений, упомянутых в схеме синтеза ИУК, представленной на рис, 3.2, в растениях встречается ряд других индолов. Возможно, что какой-либо один или все эти индолы могут служить предшественниками ИУК, но пока мы не располагаем достаточно убедительными данными относительно путей биосинтеза ИУК in vivo.
Обработка гибберелловой кислотой интактных растений многих видов вызывала аномальное вытягивание стеблей и листьев, но самый удивительный эффект был получен при обработке гибберелловой кислотой так называемых «генетических карликов» у разных видов растений. Обработанные гиббе-релловой кислотой карликовые растения приобретали вид нормальных высоких растений, из которых когда-то путем мутаций возникли эти карлики (рис. 3.4) .
Гиббереллины представляют собой дитерпены, которые относятся к обширной группе природных соединений, распространенных в растениях и называемых терпеноидами. Биохимия терпеыоидов достаточно хорошо изучена, и поэтому основные черты биосинтеза гиббереллинов удалось выяснить сравнительно быстро.
Многими исследователями, в частности Скугом и Стюардом в США, были проведены сходные работы при изучении факторов, необходимых для роста культуры каллуса (масса недифференцированных и очень быстро делящихся клеток, с. 235) из сердцевинной паренхимы табака и из корней моркови. Основным результатом этих работ, проведенных в 50-е годы, явилось осознание того факта, что в растениях содержатся цитокини-ны — гормоны, которые сначала считали особенно важными в процессах деления и диффереицировки клеток, а позднее признали их значительную роль также в регуляции разнообразных физиологических процессов, таких, как старение и апикальное доминирование.
Биосинтез цитокининов. Свободные цитокинины могут синтезироваться в растительных тканях одним или двумя из указанных ниже способов. Первый способ заключается в присоединении характерной для цитокинина боковой цепи к 6-му атому углерода аденина, рибозида аденииа или риботида аденина. Аденин, его пуклеозид и нуклеотид, безусловно, широко распространены в клетках растений. Боковая цепь почти всех природных цитокинииов содержит пять атомов углерода, из чего следует, что она образуется в процессе биосинтеза изопреноидов. Второй способ заключается в гидролизе тРНК, содержащих цитокинины (например, в некоторых тРНК имеется аденин, к 6-му атому углерода которого присоединен изопентенил).
Уже многие годы известно, что развивающиеся плоды выделяют этилен и что время максимального образования этилена в развивающихся плодах совпадает с временем климактерического подъема их дыхания (этим термином обозначают сильное увеличение интенсивности дыхания, наблюдающееся в период созревания многих плодов, перед снижением интенсивности дыхания, связанным со старением). Было обнаружено, что у плодов, подвергавшихся действию этилена, такой подъем дыхания наступает раньше и проявляется сильнее, и плоды быстрее созревают. Этилен так эффективно стимулирует дыхание, что климактерический подъем в его присутствии обнаруживается даже у таких плодов, как апельсины и лимоны, у которых обычно он не проявляется. Ускорение созревания плодов под воздействием этилена оказалось практически важным при разведении цитрусовых.
Инактивация этилена. До последнего времени считали, что ¡высшие растения не обладают специальным механизмом разрушения этилена. Это представлялось естественным, так как возможным способом регуляции концентрации эндогенного этилена считали диффузию этого газа из растительных тканей (см. с. 107). Другими словами, казалось, что эманация растениями этилена играет примерно такую же роль в регуляции концентрации этилена, как в случае других регуляторов роста процесс их разрушения.
Результаты проведенных в 50-х и начале 60-х годов исследований по опадению листьев и покою почек и семян (гл. 11 и 12) показали, что в растениях, возможно, существует гормональный ингибитор роста. Наконец, в 1965 г. было выяснено химическое строение такого ингибитора из плодов и листьев хлопчатника. В том же году из покоящихся почек явора (Асег рзеийорШо,-пиб) было выделено и идентифицировано это же самое вещество.
Локализация синтеза АБК в растениях еще не установлена достаточно точно, но некоторые косвенные данные указывают на то, что большая часть или, возможно, вся АБК образуется в закончивших рост зеленых листьях и плодах. Из листьев АБК передвигается в другие части растения, такие, как апексы побегов, подавляя там рост и, возможно, вызывая переход некоторого числа почек к покою (см. гл. 11). По некоторым экспериментальным данным, центрами синтеза АБК могут служить пластиды, в частности хлоропласты.
После установления в 1934 г. того факта, что 3-индолилук-сусиая кислота (ИУК) является природным фитогормоиом, исследователей заинтересовало, какие «особенности» строения ее молекулы обусловливают столь глубокое влияние этого гормона на процессы роста и развития. Казалось, что такое знание поможет понять механизм внутриклеточного действия ауксинов. Позднее, после открытия гиббереллинов, цнтокининов, этилена и абсцизовой кислоты, исследование этих гормонов шло теми же путями.
Используемые для решения этой проблемы методы в значительной степени были эмпирическими: многочисленные соединения испытывали в соответствующих биотестах, чтобы выявить те из этих соединений, которые обладали «ауксиновой активностью». Некоторые из этих соединений даже в очень низких концентрациях действительно оказывали такое же влияние, как Р1УК. С годами было обнаружено большое число таких соединений. Все они были синтезированы в лабораторных условиях, и поэтому их называли синтетическими ауксинами. В химическом отношении синтетические ауксины не составляют единого класса соединений, но, несмотря на разнообразие их строения, были предприняты серьезные попытки, продолжающиеся до сих пор, с целью точно установить, какими свойствами должна обладать молекула, чтобы проявлять ауксииовую активность. Исследователи надеялись, что, выяснив эти свойства, они поймут механизм действия ауксина в растительных клетках.
Как мы уже говорили в гл. 3, сейчас известно 58 химически охарактеризованных гиббереллинов. Все они были выделены из природных источников, из гриба аЬЬегеНа ¡щИшго1 или из различных видов высших растений. Структура первых 29 гиббереллинов (А1—А29) изображена по определенной системе на рис. 4.5.
Как мы уже знаем из гл. 3, все основные известные природные цитокинины являются производными аденина, к 6-му атому углерода которого присоединена боковая цепь из пяти атомов углерода. Систематическое изучение 6-замещенных пуринов показало, что если боковая цепь не содержит колец, то оптимальное число атомов углерода боковой цепи равно пяти. При увеличении или уменьшении длины алифатической боковой цепи физиологическая активность цитокинина снижается, но не обязательно утрачивается полностью. Так, например, удлинение боковой цепи даже до десяти атомов углерода (6-дециламннопу-рин) не приводит к полной потере активности. Боковая цепь цитокининов должна быть неполярной; кроме того, активность соединений увеличивается, если алифатическая боковая цепь содержит двойную связь.
Окись углерода С = 0 оказывает на растения такое же влияние, как этилен, однако в 2700 раз менее сильное. Двуокись углерода может действовать в растении как антагонист этилена. Причина этого, по-видимому, заключается в том, что молекула С02 структурно близка аллену и окиси углерода. Так, С02 в растении может конкурировать с этиленом за его рецептор. Поэтому физиологическая ответная реакция ткани на данную концентрацию этилена определяется наряду с другими факторами концентрацией С02 в ткани. Вместе с тем двуокись углерода не обладает какими-то свойствами, существенными для «этиленоподобного» действия.
Однако до сих пор пи одна из попыток точно идентифицировать рецептор фитогормона не увенчалась успехом. В большинстве случаев исследователи пытаются выделить белковые рецепторы, используя при этом различные подходы. Чаще, всего применяют меченные изотопами фитогормоны с высокой удельной активностью. Один из методов заключается во введении радиоактивного гормона в растительные ткани с их последующей гомогенизацией и фракционированием путем центрифугирования или гель-фильтрации в надежде обнаружить радиоактивность только в определенной клеточной фракции. При использовании другого подхода радиоактивный гормон вносят в различные выделенные клеточные фракции, такие, как ядра, изолированный хроматин, фракции мембран, и измеряют сродство этих фракций к фитогормону по степени его связывания с ними. Кроме того, были сделаны попытки определить локализацию .меченых гормонов в клетках радиоавтографическими методами. Не вполне понятно, почему до сих пор не удалось выделить белковый рецептор ни для одного из фитогормонов. Следует сказать, что имеется ряд данных, предполагающих существование белковых рецепторов для цитокининов и гиббереллинов в растительных клетках, но наличие таких рецепторов еще не было подтверждено.
Как мы видели в первой главе этой книги, рост растений в основном является следствием вакуолизации клеток, переходящих из меристемы в зону растяжения. Наиболее ярко это положение иллюстрирует рост растяжением стеблей, колеоптплей, черешков и корней. Поэтому регуляция роста растений фитогормонами в значительной степени определяется их влиянием на процессы клеточного растяжения. Вследствие этого, а также из-за удобства работы с такими удлиняющимися структурами, как колеоптили или стебли, большая часть исследований по механизму действия фитогормонов посвящена явлению роста растяжением.
При увеличении размеров клеток наблюдается не только растяжение клеточной стенки, но и ее утолщение за счет отложения нового материала (с. 17). Это утолщение клеточной стенки стимулируется ауксином и может происходить даже в условиях полного подавления роста клетки (например; при помещении тканей в гипертонический раствор маннита).
Нам хорошо известно, что ауксины, а, возможно, также и другие гормоны роста, такие, как гиббереллииы и этилен, могут изменять механические свойства стенок растительных клеток, однако до сих пор неизвестно, каким образом достигаются эти эффекты. Поскольку большая часть данных по связанным с ростом изменениям в клеточной стенке получена для ауксинов, в последующем изложении мы в основном и будем рассматривать рост, индуцированный этим гормоном.
Фитогормоны могут регулировать деление растительных клеток, и в этом разделе мы обсудим некоторые способы такой регуляции. Поскольку митоз обычно связан с репликацией ДИК, внимание исследователей было привлечено к. проблеме влияния фитогормонов на метаболизм ДНК. Однако регуляция клеточного деления может, несомненно, осуществляться и на других стадиях клеточного цикла, после репликации ДНК. Имеются данные, что по крайней мере иногда фитогормоны регулируют деление через их влияние на митоз, а не на синтез ДНК.
До сих пор мы говорили о механизме действия фитогормо-иов на развитие, основываясь главным образом на результатах, полученных на целых растениях или изолированных органах растений. В этих случаях экспериментатор имеет дело с интегрированными системами разных тканей, клетки каждой из которых, по-видимому, не одинаково реагируют на гормон, что осложняет анализ полученных результатов. В связи с этим становится очевидным теоретическое преимущество изучения влияния гормона на какую-либо одну ткань, состоящую из клеток, одинаково реагирующих на гормон. До сих пор лучшей системой такого типа является система, полученная из злаков. Это алейроновый слой ячменя. Следующий шаг в направлении упрощения системы для изучения механизма действия гормонов — переход к работе с бесклеточиыми системами (т. е. добавление гормона in vitro к различным компонентам клеток после их гомогенизации и фракционирования). Таковы некоторые работы по влиянию гормонов на транскрипцию и трансляцию, которые мы рассмотрим ниже, в разд. 4.6.2. Однако не следует забывать, что прямое изучение связывания гормонов с их предполагаемыми рецепторами (см. разд. 4.3) также служит примером исследования бесклеточной экспериментальной системы.
Алейроновым слоем называют периферический слой клеток, содержащих большое количество белка и расположенных вокруг эндосперма семян злаков. Эта ткань очень активна при прорастании и на ранних стадиях роста проростков, а затем быстро дегенерирует и отмирает. До прорастания алейроновый слой служит запасающей тканью, а при прорастании он является источником ряда гидролитических ферментов, секретируе-мых в эндосперм и участвующих в мобилизации его запасных веществ. Таким образом, алейроновый слой представляет собой однородную ткань, состоящую из одинаковых клеток, запрограммированных на выполнение небольшого числа функций на ранних этапах жизни растения. После набухания семян, вышедших из состояния покоя, клетки алейронового слоя выполняют свои функции при условии получения ими соответствующих гормональных сигналов. Основным гормоном, регулирующим метаболизм алейронового слоя у семян ячменя, является гиб-береллин, поступающий из прорастающего зародыша. Одиако он, очевидно, вступает в сложное взаимодействие с абсцизовой кислотой и, возможно, с этиленом. Подавляющее большинство экспериментов было проведено на алейроновом слое семян ячменя, но такая же ситуация типична и для семян других злаков. Исключение составляют -семена пшеницы, у которых в регуляции начала гидролиза принимают участие также ауксины и цитокинины.
Клетки, которые увеличиваются в размерах и вакуолизиру-ются, обычно перестают делиться. Такие клетки называют зрелыми, а процесс перехода из меристематического во взрослое состояние называют созреванием. Только в особых случаях, па-пример в ответ на поранение или при культивировании на питательной среде (см. гл. 6), зрелые клетки могут снова вернуться в меристематическое состояние.
Когда гормон действует на чувствительную к нему ткань, он вызывает какое-то изменение, которое в конечном счете приводит к измеримым физиологическим эффектам. Существуют два различных аспекта действия гормона; это, во-первых, первичное молекулярное взаимодействие, которое мы называем механизмом действия, и, во-вторых, последующие реакции, приводящие к физиологическому эффекту, которые можно назвать способом действия гормона. Очевидно, что каждый тип гормонов должен обладать своим собственным особым механизмом действия, но способ действия гормона меняется в зависимости от компетенции клетки, подвергнутой воздействию гормона (т. е. от препрограммирования развития), и от других факторов, в том числе от присутствия других гормонов.
Пространственная координация развития растений зависит от передвижения веществ между клетками и тканями. Различают 1) ближний транспорт меоюду соседними и близко расположенными клетками и 2) дальний транспорт, связанный с взаимодействиями на сравнительно больших расстояниях. Примером ближних взаимодействий являются реакции узнавания пыльцы рыльцем (с. 489), по значение ближнего транспорта во взаимодействиях между соматическими клетками пока неясно. Вместе с тем имеются многочисленные данные, свидетельствующие о том, что ростовые вещества растений (фитогормоны) играют важную роль в межклеточных взаимодействиях.
Совершенно ясно, что транспорт и распределение ростовых Веществ в растении должны играть решающую роль в осуществлении пространственной координации роста и развития. Поэтому так много внимания было уделено выяснению 1) мест биосинтеза гормонов, 2) способа их передвижения и распределения и 3) влияния различных факторов внешней среды, таких, как освещение или гравитация, на содержание и распределение гормонов в растении. Поэтому мы сначала рассмотрим некоторые, из этих проблем, а затем перейдем к другим аспектам гормональной регуляции и координации развития. Последние главы будут посвящены возможной роли фитогормонов во временной координации ростового ответа на такие факторы внешней среды, как длина светового дня и температура.
ИУК передвигалась базнпетальио со скоростью 6,8 мм/ч.Гравитационная сила, очевидно, каким-то образом влияет на базипетальное передвижение ауксинов, поскольку некоторые исследователи обнаружили, что если расположить в норме прямостоячий орган в горизонтальном или перевернутом положениях, то скорость базипетального транспорта ауксина снизится. Это явление, быть может, частично обусловливает геотро-пическую реакцию растительных органов, хотя для проверки такого предположения требуется еще много дополнительной работы.
Как и в случае тканей стебля, имеющиеся экспериментальные данные позволяют предполагать, что ауксин в корнях движется прежде всего по тканям проводящих пучков, в частности по камбию и новообразованной флоэме.
Ситуация, подобная той, которая возникает при соединении серии маленьких электрических батареек для получения более высокого элсктрического напряжения.Пользуясь этой формулой, можно подсчитать, что у отрезков колеоптилей Zea mays наблюдаемая суммарная полярность передвижения ауксина может возникнуть, если базипетальная полярность каждой из клеток продольного ряда будет равна 1-— 10% (т. е. каждая клетка должна выделять в базальном направлении всего в 1,01—1,1 раза больше ауксина, чем в апикальном). Так же могут быть сделаны расчеты по данным для гипокотилей подсолнечника, представленным на рис. 5.4. Отрез« ки длиной 10 мм состояли из 80 клеток коры, и коэффициент полярности был равен 149.
Передвижение гиббереллинов изучено гораздо хуже, чем передвижение ауксинов. Тем не менее получены достаточно убедительные данные, показавшие неполярную природу передвижения гиббереллинов. Исключение составляют, быть может, только черешки листьев. Так, по многочисленным наблюдениям, гиб-бёреллииы, нанесенные на какую-нибудь часть растения, вызывают ответную реакцию всех других частей побега или корня, что является косвенным свидетельством неполяриости передвижения этого гормона. Более прямые данные в пользу свободного передвижения гиббереллинов во всех направлениях внутри растения были получены с использованием радиоактивных гиббереллинов (рис. 5.5).
Хотя можно думать, что этилен как низкомолекулярное соединение может свободно передвигаться по тканям растений путем обычной физической диффузии, на самом деле это не так. Например, в конских бобах «сопротивление» продольному передвижению этилена вверх и вниз по растению так велико, что он выделяется в латеральных направлениях и различные части растения оказываются изолированными друг от друга в отношении передвижения этого газа. Точно так же если обработать этиленом лист, то только небольшое количество газа попадает в конце концов в стебель, а остальной этилен выделяется через черешок. Таким образом, этилен не передвигается из одной части растения в другую в сколько-нибудь заметных количествах.
Рассмотрим теперь роль фитогормонов в регуляции некоторых сторон развития побега.
Удивительно, что хотя влияние гормонов на рост растений растяжением исследовалось, быть может, наиболее интенсивно, до сих пор трудно нарисовать достаточно четкую картину общего механизма, с помощью которого осуществляется нормальная регуляция растяжения стебля. Несомненно, что фитогормоны всех пяти известных категорий могут влиять на рост стебля. Основная проблема заключается в том, чтобы понять, как они взаимодействуют, поскольку влияния различных гормонов в значительной степени перекрываются, дублируют или усиливают друг друга, а порой являются прямо противоположными. Кроме того, мы до сих пор не только ие знаем точного места синтеза некоторых типов фитогормонов (в частности, ци-токииинов и абсцизовой кислоты), но и имеем весьма поверхностное представление о факторах, определяющих передвижение всех гормонов, за исключением ауксина. Поэтому при современном состоянии знаний мы вынуждены отдельно рассматривать данные по влиянию на рост стебля каждого класса гормонов, а уже затем на основании накопленной для всех гормонов информации попытаемся очень кратко сформулировать наши общие представления о регуляции роста стебля растяжением.
Было обнаружено, что в наиболее быстро растягивающихся тканях междоузлий способный к диффузии ауксин содержится в самой - высокой концентрации (рис. 5.6, Л); это соответствует представлению о необходимости ауксина для роста междоузлий растяжением.
Каждая точка отражает одну митотическую фигуру на продольном срезе толщиной 60 мкм. Числа на расстоянии 1 и 4 мм ниже апекса обозначают поперечные диаметры сердцевины на этих уровнях в микрометрах. Ретарданты сильно снижали митотическую активность, но усиливали рост в толщину. ГК увеличивала митотическую активность в основном на расстоянии 6 мм от апекса и ниже, но подавляла рост в толщину. Таким образом, ретарданты и ГК являются антагонистами по своему действию.
После того как были открыты гиббереллииы и физиологи растений поняли, что они являются природными гормонами высших растений (см. гл. 3), начались исследования по взаимодействию гиббереллинов и ауксинов при регуляции растяжения стеблей и колеоптнлей.
Ингибирующее действие этилена на растяжение стебля в-темноте сильнее, чем на свету. Причины этого неясны, но на высвобождение этилена, по-виднмому, косвенно влияет красный и дальний красный свет при участии механизма,“опосредованного фитохромом. Таким образом, условия освещения, очевидно, небезразличны для оказываемого этиленом воздействия, так как ответная реакция на данную концентрацию экзогенного этилена будет неодинаковой в зависимости от преобладающей в ткани концентрации эндогенного этилена.
В первом разделе этой книги мы говорили о том, что апикальная меристема побега постоянно дает начало новым тканям продольной оси побега и таким латеральным органам, как листья и боковые побеги. Способность к увеличению диаметра продольной оси также сохраняется в течение всей жизни растения, что, несомненно, важно для механической прочности особенно тех растений, которые живут сравнительно долго и достигают значительной высоты.
Сравнительно больше известно о факторах, регулирующих .активность камбия древесных растений средней полосы. Этим растениям свойственны сезонные изменения в активности клеточного деления сосудистого камбия как в побеге, так и в корне, и характер дифференцировки производных камбия различается в зависимости от времени года. Зимой камбий таких деревьев не активен, а весной снова начинается клеточное деление и новообразованные клетки дифференцируются в ксилему и флоэму.
После заложения листа в апексе побега начинаются процессы его роста и развития, включающие клеточное деление, рост, растяжением и диффёренцировку (см. гл. 2). Естественно думать, что эти процессы находятся под контролем фитогормонов, одним из которых, очевидно, является ауксин. Однако нельзя сказать, что действие ауксина связано со всеми аспектами роста листа. Было обнаружено, что ауксины в зависимости от их концентрации могут стимулировать или ингибировать рост центральной и боковых жилок, но мало влияют на ткани мезофилла между жилками. В настоящее время гормональная регуляция роста листа изучена мало. Известно только, что ауксин, по-видимому, необходим для роста жилок.
О внутреннем механизме регуляции развития корней мы знаем гораздо меньше, чем о регуляции роста стеблей и колеопти-лей. Просто по аналогии с ситуацией, наблюдаемой в колсоптп-лях и стеблях, полагают, что ауксины и гиббереллины синтезируются в апикальной части корня, а затем передвигаются бази-петально в зону растяжения, удаленную от кончика на несколько миллиметров,- где они регулируют рост и дифференцировку. Однако в общем нет твердых экспериментальных оснований считать, что рост стеблей и корней регулируют одинаковые гормональные системы.
Удаление апикальной почки стебля или верхушки колеопти-ля приводит к сильному подавлению или полному прекращению растяжения лежащих ниже участков. Удаление же копчика корня, напротив, не препятствует растяжению новообразованных клеток корня. В действительности иногда обнаруживали, что удаление кончика корня приводило к временному ускорению растяжения молодых клеток корня. На первый взгляд кажется, что кончик корня только подавляет рост клеток в зоне растяжения, но на самом деле это не совсем так.
Утолщение более старых участков корня почти полностью определяется активностью сосудистого камбия корня. Как и в стебле, .во вторично утолщающихся зонах корней двудольных имеется пучковый и межпучковый камбий. Как и в стебле, из камбия в корне возникают ткани флоэмы и ксилемы. Большая часть данных, касающихся участия фитогормонов в регуляции активности сосудистого камбия в корнях, получено на изолированных корнях, растущих в стерильной культуре (см. гл. 6). У изолированных корней Таких растений, как горох (Pisum sativum) или редис (Raphanus sativus), развиваются только первичные проводящие ткани, даже если в культуральную питательную среду добавить ауксин. Однако если ауксин вводить через базальную поверхность среза изолированного корня, то по мере акропетального передвижения экзогенного ауксина к кончику корня наблюдается вторичное утолщение корня. Одновременное добавление цитокинина в значительной степени увеличивает стимулирующее влияние акропетально передвигающегося ауксина на изолированные корни.
Для появления зачатков корней необходим ауксин. Такие данные в основном были получены при изучении образования адвентивных (придаточных) корней у черенков побегов (см. гл. 2) и при наблюдении за регенерацией у культивируемых в стерильных условиях каллусных клеток (гл. 6).
Может быть, в связи с экономическим значением плодов физиология их роста, развития и созревания изучалась очень интенсивно. В большинстве учебников ботаники приводится очень жесткая и сложная классификация плодов, основанная па их морфологии, но Дж. П. Нитч указал, что плод — это скорее физиологическое, нежели морфологическое образование. Для физиолога, и в данном случае неспециалиста, плод — это просто структура, возникающая путем развития тканей, окружающих семязачатки.
Рост неоплодотвореиных завязей (I) прекращается вскоре после зацветания, тогда как рост опыленных завязей (II) носит типичный сигмоидный характер. Уменьшение диаметра неоплодотвореиных завязей происходит в результате их «сморщивания».
Хотя опыление может стимулировать начальное набухание плода, у большинства видов дальнейшее развитие плода, очевидно, зависит от присутствия развивающихся семян и, следовательно, может происходить только при успешном оплодотворении. Так, для многих плодов, таких, как виноград, черная смородина, томаты, яблоки и груши, существует строгая корреляция между конечным размером плода и числом полностью развитых семян в нем. Нитч в изящных хирургических опытах на землянике показал, что рост цветоложа зависит от развития семянок (рис. 5.23).
Процессы роста различных частей растения, протекающие одновременно, не независимы друг от друга, а тесно связаны между собой. Так, когда благодаря активности апикальной меристемы длина стебля увеличивается, увеличивается также и прочность стебля, поскольку в результате камбиальной активности более старые части стебля становятся толще и жестче, что позволяет всему побегу стоять прямо. Далее по мере увеличения размеров побега увеличивается потребность в воде и минеральных питательных веществах, и эта потребность обеспечивается благодаря хорошей сбалансированности между ростом побега и ростом корня. Когда увеличивается масса побега, увеличивается корневая система, так что она становится способной обеспечить дополнительные потребности побега в минеральных питательных веществах. В какой-то мере эти ростовые корреляции, как их называют, можно объяснить исходя из потребностей в питательных веществах, или трофическими факторами, и конкуренцией растущих частей растения за эти вещества. Так, рост побега и рост корня связаны друг с другом, и это, быть может, отчасти определяется их взаимозависимостью в отношении снабжения друг друга питательными веществами. Побег снабжает корень органическими веществами, которые тот не может сам синтезировать, и в свою очередь получает от корня воду и минеральные соли, к которым побег не имеет прямого доступа. Точно так же вегетативный рост сильно подавляется во время плодоношения, по-видимому, главным образом из-за того, что питательные вещества поступают в развивающиеся семена и плоды (см. гл. 12).
Известно, что важную роль в корреляции роста различных частей растения играют фитогормоны. Вполне вероятно, что все ростовые корреляции так или иначе зависят от характера распределения гормонов в растении. Мы уже приводили несколько случаев, когда корреляции -в росте опосредованы фитогормонами: например, при стимуляции активности камбия ауксином и гиббереллинами, синтезируемыми в почках побегов древесных растений, или стимуляции роста плода гормонами, образующимися в развивающихся семенах. Теперь мы остановимся на роли гормонов в апикальном доминировании.
Прекрасным примером важности взаимодействия гормонов при регуляции роста побега служит развитие столонов у картофеля. Столоны — это боковые побеги, которые обычно растут из базальных узлов стебля под поверхностью почвы. Они отличаются от прямостоячих облиственных боковых побегов надземной части тем, что 1) несут только рудиментарные листья; 2) характеризуются вытянутыми междоузлиями; 3) с трудом зеленеют (даже на свету) и 4) растут горизонтально. Апикальное доминирование очевидно, играет важную роль при развитии столонов, так как если декапитировать надземный побег и удалить с него все боковые побеги, то столоны начинают расти вверх и образуют нормальные прямостоячие облиственные побеги.
Было обнаружено, что воздействие различного рода стрессовых ситуаций, таких, как засуха, затопление корней или высокая засоленность почвы, приводит к быстрым и значительным изменениям в содержании эндогенных гормонов в растениях. Примерно за последние 10—15 лет удалось выяснить, что« фитогормоны вовлечены в регуляцию водного потенциала клеток и проницаемости клеточных мембран и, следовательно, регулируют содержание воды в тканях и фотосинтез. Такое открытие было довольно неожиданным, но если мы узнаем, каким образом фитогормоны регулируют содержание воды в растениях, то это найдет очень широкое применение в сельском хозяйстве и садоводстве, поскольку недостаток воды для культурных растений, по-видимому, служит основным ограничением в мировом производстве пищи.
Работы по изучению содержания эндогенных гормонов в связи с водным стрессом касаются главным образом АВК, цито-кининов и этилена, так как было обнаружено, что именно эти вещества участвуют в регуляции водного баланса у растений.
Характерной ранней ответной реакцией на затопление корневой системы у большинства растений являются: временное завядаиие листьев, снижение скорости растяжения междоузлий, чрезмерное утолщение стебля, явно зпинастический (направленный вниз) рост черешков, быстрое, преждевременное старение и опадение листьев. Все это говорит о сильных нарушениях в нормальном гормональном балансе растения.
Так, обработка листьев цитокининами вызывает открывание устьиц и ускоряет транспирацию, в результате чего тургор растений понижается.Явления, вызванные затоплением, могут быть по крайней мере частично сняты обработкой соединениями, противодействующими этилену (например, двуокисью углерода) или цитокининами (которые уменьшают или предотвращают преждевременное старение листьев). Такое действие экзогенных соединений опять-таки можно предсказать на основании опытов по изменению эндогенных гормонов при затоплении корневой системы.
Продукция сельского хозяйства и садоводства на единицу »обработанной земли очень сильно возросла в последние полвека. Это было достигнуто в результате введения новых улучшенных сортов растений, применения удобрений, пестицидов, фунгицидов и механизации, а также, и в очень сильной степени, в результате интенсивного использования различных химикатов, :влияющих на развитие растений, но не являющихся питательными веществами..
В предшествующих и последующих главах этой книги рассматриваются различные аспекты морфогенеза и ,ряд экспериментальных подходов, используемых в этой области. Ни один из аспектов ботанического исследования не может дать единой картины дифференцировки, а при изучении дифференцировки необходимо стремиться к объединению информации, получаемой с помощью морфологических, физиологических, биохимических и биофизических методов. Задача эта нелегка, так как в целом растении происходит сложное взаимодействие между различными процессами, лежащими в основе роста и дифференцировки. Следовательно, желательно упростить систему, с тем чтобы молено было легче идентифицировать и изучать регуляторные процессы. Степень упрощения может быть различной. Можно изолировать зародыши и другие части растений, чтобы при изучении их поведения избежать определенных усложняющих ситуацию корреляционных влияний. В общем изолированные зародыши и части растений необходимо выращивать тщательно соблюдая условия культивирования, чтобы сохранить их живыми и избежать заражения микроорганизмами. Это достигается с помощью методов стерильной культуры. Такие методы часто облегчают сохранение изолированных зародышей, органов и тканей в течение длительного периода. Однако для первых исследователей культивирование изолированных тканей, органов и зародышей растений представляло значительные трудности, которые только со временем были преодолены.
Оказалось, что в стерильной культуре можно выращивать несколько типов органов растений, в том числе корни, стеблевые апексы, листья, части цветков и плоды. Потребности в питательных веществах при таком культивировании органов различаются в зависимости от вида растения и типа органов, по, конечно, имеются некоторые общие черты. Интактпые высшие растения автотрофны, т. е. они могут синтезировать все необходимые для их жизни органические вещества из двуокиси углерода, кислорода и минеральных элементов. Однако в стерильной культуре в большинстве случаев фотосинтез не идет. Поэтому необходимо вносить в среду источник углерода, обычно предоставляемый в форме сахаров, таких, как сахароза или глюкоза. Кроме того, в стерильную культуру нужно добавлять такие лее минеральные питательные вещества, которых требует .интактное растение: макроэлементы (азот, фосфор, калий и кальций) и микроэлементы (М£, Ре, Мп, 1п и т. п.).
Ранее (с. 40) мы рассматривали нормальное развитие зародышей, происходящее в эмбриональных мешках. В последние годы для экспериментального изучения эмбриогенеза растений очень часто используют стерильную культуру изолированных молодых зародышей.
По-видимому, всякая живая растительная ткань, состоящая из содержащих ядра клеток, при ее изоляции и помещении в подходящую культуральную среду может образовывать делящийся, недифференцированный каллус. Однако получить каллус первый раз из нового растительного материала часто довольно трудно, так как потребности в питательных веществах у тканей, взятых от различных видов растений или даже из разных частей одного растения, очень различны. В общем оказалось легче культивировать исходно незеленые, паренхимные ткани, такие, как паренхима флоэмы или сердцевины. Получать зеленые, фотосинтезирующие каллусы из содержащих хлоропласта клеток листьев научились гораздо позже.
Хотя еще не все проблемы, связанные с составлением сред для выращивания колоний клеток различных растений, решены, мы уже можем обрисовать общую картину. Удивительно то, что требования к среде для суспензионной культуры клеток п для развития молодых зародышей очень близки (с. 234-—235). В интактном растении эти потребности удовлетворяют окружающие ткани, в частности в случае зародышей — эндосперм.
Растения обладают замечательной способностью к регенерации целого организма из изолированных кусочков побегов, корней, листьев или даже из такой относительно неорганизованной ткани, как каллус. Позже мы обсудим некоторые более общие аспекты регенерации, а сейчас рассмотрим опыты по регенерации, проведенные на каллусах и суспензионных культурах.
Регуляция образования корней или стеблевых почек в культуре каллуса путем изменения соотношения ауксина и цитоки-иина была продемонстрирована па тканях различного происхождения, хотя известно и много неудачных попыток регенерировать почки или корни в культуре тканей, полученных из ряда видов растений. На взаимодействие гормонов при регуляции дифференцпровки почек или корней могут влиять различные факторы, такие, как содержание сахаров и фосфатов, источник азота и другие компоненты среды, например пурины. Однако несомненно, что ауксин и цитокинин могут регулировать не только заложение центров организованной меристемы в каллусе, но также и тип образующейся меристемы. Тем не менее на инициацию верхушечных меристем в культуре каллуса влияют и другие стимулы. Например, инициация боковых корней в сегментах стебля гороха подавляется красным светом. Следовательно, при образовании верхушечных меристем корней может действовать механизм с участием фитохрома (гл. 8).
В последние несколько лет методику, разработанную ранее-для выращивания адвептнвных зародышей из соматических клеток, начали использовать для получения зародышей н даже целых растений из пыльцевых зерен. Пыльцевые зерна образуются в природе в сравнительно больших количествах, и они легкодоступны для экспериментаторов. Каждое зерно состоит всего из нескольких клеток (пяти у голосеменных и трех у покрытосеменных) и обладает уникальным геномом, возникающим при мейозе в процессе микроспорогепеза. У диплоидных растений каждый геи в пыльцевых зернах представлен только одной копией, и поэтому при образовании адвентивного зародыша из пыльцевого зерна возникает гаплоидное растение, каждый геи которого экспрессировап в фенотипе. Это очень важно в практике селекции растений, так как экспериментально полученные мутанты могут быть оценены на гаплоидах и быстрее н проще. Кроме того, незащищенные адвентивные зародыши и культуре пыльцы или пыльников, а также возникающие из них растеньица представляют собой удобный и однородный материал для мутагенных обработок, таких, как облучение рентгеновскими лучами.
Потенциальные возможности использования стерильной культуры выделенных протопластов в исследовательской работе очень велики. Например, проникновение вирусов в растительную клетку или поглощение клетками макромолекул гораздо проще изучать в отсутствие клеточной стенки. Однако наиболее перспективным является успешное слияние протопластов различного происхождения с образованием новых видов растений путем соматической гибридизации. Выведение новых растений всегда было ограничено необходимостью эффективного полового оплодотворения. Невозможность получения жизнеспособных межвидовых и межродовых гибридов может быть обусловлена рядом нарушений нормального полового процесса: в частности, неспособностью пыльцевой трубки проникнуть в зародышевый мешок, разрушением эндосперма и т. п. Этих сложностей можно избежать, если вместо полового размножения использовать прямое слияние вегетативных клеток. Уже было произведено успешное слияние выделенных растительных протопластов (рис. 6.4) и разработаны соответствующие методы, позволившие из нескольких слившихся протопластов получать целое новое рас-тение либо путем образования адвентивных зародышей, либо путем образования стеблевых почек и корней на возникшем из протопластов каллусе.
Одним из наиболее ярких примеров регенерации, хотя обычно осуществляемой не в стерильной культуре, является широко применяемое в садоводстве вегетативное размножение растений стеблевыми или корневыми черенками, па которых развиваются придаточные корни и/или почки. У стеблевых черенков в результате деления клеток камбия в их основании часто образуется каллус, и в таком каллусе закладываются корни. Однако адвентивные корни могут образовываться и в нормальных тканях стебля — обычно в перицикле, но у некоторых видов в камбиальной зоне. У корневых черенков как корпи, так и почки обычно возникают из каллуса, образующегося из паренхимы в более молодой флозме.
Важно отдавать себе отчет в том, что во время регенерации мы наблюдаем процессы, характерные для нормального развития. Когда нормальный ход развития нарушается поранением или каким-либо другим образом, происходят события, направленные на компенсацию повреждения и восстановление нормы. Таким образом, можно себе представить, что нормальное растение находится в состоянии равновесия, а при нарушении этого равновесия включаются регуляторные механизмы, восстанавливающие его. Способность к регенерации корневой и стеблевой меристем хорошо иллюстрирует это явление. Мы уже видели, что если рассечь апекс побега Лиртия двумя вертикальными разрезами под прямым углом друг к другу, то каждый из сегментов исходного апекса способен регенерировать в ■нормальный апекс (с. 59). Подобные опыты были успешно проведены и на апексах корней. Другим примером может служить регенерация проводящей ткани (с. 186) и образование феллогена при повреждении или порезе поверхности стебля.
В предыдущих разделах этой книги рассмотрены главным образом внутренние процессы, составляющие и регулирующие рост и дифференцировку у растений. Однако наземные растения подвержены влиянию самых разнообразных внешних факторов, таких, как свет, температура, водный стресс, гравитация и т. д., которые в той или иной степени отражаются на их росте и развитии. Некоторые из них могут оказывать вредное влияние, представляющее опасность для растения; как, например, отрицательные температуры или засуха. Животные также вынуждены существовать в этих условиях, но они способны избегать стрессов, мигрируя в области с более подходящими условиями или впадая в зимнюю спячку. Будучи неподвижными, наземные растения имеют значительно меньшие возможности для избежания действия стрессов, и, следовательно, чтобы выжить, они должны быть устойчивыми к неблагоприятным факторам внешней среды.
Характерным свойством живых организмов является способность воспринимать и реагировать па изменение условий окружающей среды. Внешний фактор представляет собой стимул, а возникающее в результате его действия изменение в растении называется ответной реакцией. У растений наблюдается множество реакций на условия окружающей среды, но определенные внешние стимулы вызывают движения различного типа.
Тропическое движение органа растения в ответ на внешний химический раздражитель называется хемотропизмом. Примером хемотропизма может служить рост пыльцевой трубки в столбике по направлению к семязачатку; такой направленный рост пыльцевой трубки обусловлен наличием в семязачатке и стенках завязи определенных химических веществ, точная природа которых неизвестна.
Обычно стебли и другие надземные органы проявляют положительный фототропизм (т. е. изгибаются по направлению к источнику света), тогда как корни и другие подземные органы характеризуются отрицательным фототропизмом (изгибаются в противоположную от источника света сторону). Тем не менее существует множество исключений из этого правила; например, некоторые усики и стебли проявляют отрицательный фототропизм, а многие корни в молодом возрасте не фототропны пли даже положительно фототропны и лишь позднее становятся отрицательно фототропными. Несомненно одно — фототропизм играет важную роль в детерминации направления развития органа в естественных условиях. Фототропные реакции по определению могут происходить только в тех частях растения, которые сохранили способность к росту, особенно к удлинению. Следовательно, фототропизм наблюдается у молодых растущих стеблей, листьев и корней высших растений, у спораигиеиосцев некоторых грибов, спорофоров мхов и хлоронем папоротников.. Однако основная масса исследований по фототропизму была проведена на этиолированных колеоптилях проростков злаков (в основном овса, пшеницы, кукурузы и ячменя), а также на спорангиеносцах грибов. Эти органы наиболее удобны для исследования и обладают высокой чувствительностью к направленному освещению. Хотя эти работы дали много ценной информации о фототропизме, полученные данные нельзя прямо перенести на другие органы, такие, как зеленые облиственные побеги, растущие в условиях естественного дневного света.
Тем не менее зависимость доза—эффект в фототропизме намного сложнее, чем кажется с первого взгляда. Так, в экспериментах на этиолированных колеоптилях было установлено, что с увеличением количества раздражения изгиб по направлению к источнику света увеличивается, но до определенной пороговой величины (приблизительно ОД Дж м 2 световой энергии), превышение которой ведет к снижению ответной реакции до некоторого начального значения, а иногда «положительная реакция» может даже перейти в «отрицательную» (т. е. изгиб <в сторону, противоположную источнику света). При дальнейшем увеличении количества раздражения реакция может снова стать положительной (рис. 7.4). Как было установлено, закон количества раздражения Бансена—Роско справедлив только для первой положительной и первой отрицательной реакций.
Таким образом, иногда высказывались предположения о том, что у колеоптилей овса, у которых синий свет вначале подавляет рост, освещение односторонним синим светом должно привести к ростовой асимметрии, обусловливающей положительный изгиб (т. е. изгиб по направлению к источнику света). Однако-было трудно понять, что должно произойти после первых 20 мин, когда временное торможение роста сменяется временным увеличением скорости роста, но не исключено, что временная зависимость в условиях одностороннего освещения другая. Итак, участие светоростовой реакции в цепи процессов, ведущих к фо тотропическому изгибу колеоптилей или других органов высших растений, не было убедительно продемонстрировано. Позднее при обсуждении физиологических аспектов фототропизма у зеленых растений в отличие от фототропизма у этиолированных колеоптилей, являвшихся предметом многочисленных исследований по фототропизму за истекшее столетие, мы вернемся к рассмотрению прямого эффекта света на растяжение клеток.
Большинство экспериментальных исследований по фототропизму проводили на этиолированных органах, в основном на колеоптилях, поэтому не совсем ясно, насколько правомерно использовать полученные данные и созданные на их основе концепции в отношении поведения зеленых облиственных растений. Несомненно одно, что зеленые двудольные и однодольные растения, а также этиолированные колсоптили проявляют реакцию фототропического изгиба в ответ на одностороннее освещение (рис. 7.11).
В основных изученных типах органов побега (колеоптилях, гипокотилях и междоузлиях) отрицательный гравитропический изгиб обычно возникает в результате замедления или полного прекращения роста растяжением всей верхней стороны и ускорения роста — нижней. У зрелых злаков междоузлия при вертикальном положении стебля не удлиняются вообще, но при горизонтальном расположении побега нижняя сторона начинает удлиняться, изгибаясь кверху, а клетки верхней стороны сдавливаются. Общие закономерности роста при гравитропизме корней более разнообразны и сложны и будут рассмотрены позднее (с. 293).
Общий характер растяжения гравитропически индуцированных корней, по-видимому, варьирует в зависимости от вида и экспериментальных условий. Кроме того, в отличие от гравитропизма побегов, где определенный тип дифференциального роста устанавливается после восприятия гравитационного раздражения и этот же тип роста сохраняется в период ответной реакции, при гравитропизме корней типы дифференциального роста со временем изменяются. Например, вначале может наблюдаться замедление роста нижней стороны и ускорение роста верхней, но позднее скорость удлинения верхней стороны может снизиться до уровня даже более низкого, чем до помещения корня в горизонтальное положение. Было обнаружено, что у ряда видов изменение ориентации из вертикальной в горизонтальную вызывает снижение общей скорости роста растяжением. Вплоть до недавнего времени общие представления о механизме передачи раздражения при гравитропизме корней основывались на механизме, предложенном Холодным и Вентом в 20-х годах для фототропизма и гравитропизма колеоптилей. Иными словами, -считалось, что ауксин, синтезирующийся или высвобождающийся в апексе корня, подлежал латеральному перемещению книжной стороне органа. Поскольку удлинение корня подавляется .значительно меньшими концентрациями ауксина, чем удлинение колеоптиля или стебля (гл. 5), представлялось, что концентрация ауксина на нижней стороне горизонтально помещенного корня увеличивается до супраоптималы-юй и, следовательно, подавляет рост чувствительных к ауксину тканей корня. Согласно этой теории, верхняя сторона горизонтально помещенного ортогравитропического корня должна содержать близкий к оптимальному уровень ауксина и поэтому расти быстрее, чем ингибируемая нижняя сторона, вследствие чего образуется положительный изгиб корня. Однако существующие разногласия по вопросу о возможной роли ауксина в росте корней растяжением и вопросу о том, синтезируется ли вообще ауксин в кончиках корней (гл. 5), означают, что гравитропизм корней нельзя объяснить действием ауксина. Тем не менее вопрос остается открытым, поскольку существуют экспериментальные данные, показывающие, что латеральное перемещение ауксина вниз может происходить у гравитропически индуцированных корней.
В предыдущей главе мы рассмотрели реакции растений на действие направленных световых и гравитационных раздражителей. Однако помимо фототропизма растения проявляют и другие типы ответных реакций на световые сигналы. В последующей главе мы рассмотрим влияние на растения сезонных изменений продолжительности дня (фотопериодизм). В этом типе реакций растения, по-видимому, проявляют способность к измерению времени, что дает им возможность обнаруживать сезонные изменения продолжительности дня и ночи. Кроме фототропизма и фотопериодизма существуют реакции, в которых раздражитель не является ни направленным, ни периодическим. Такие реакции объединены под общим термином фотоморфогенез, который был определен как «стратегия адаптации развития растений, растущих на свету». Как мы увидим далее, фотоморфогенез включает ряд разнообразных явлений, которые регулируются специфическими фоторецепторами, образующими систему фитохрома.
Значительный вклад в наше понимание фотоморфогенеза внесли X. Бортвик и С. Хендрикс (министерство сельского хозяйства США), в течение многих лет исследовавшие реакции прорастания семян светочувствительных сортов салата.
К/ДК-эффекты столь характерны для фнтохрома, что если эти эффекты наблюдаются в любой данной биологической реакции, то можно считать, что последняя включает фитохром. Именно эти разнообразные аспекты роста и развития, находящиеся под контролем фитохрома, называются фотоморфогенезом.
ДК-светом и определяют разницу АЛ дк между поглощением при этих двух длинах волн.Разница между двумя измерениями (рис. 8.6) будет отражать общее количество содержащегося фитохрома, т. е.В этиолированных тканях содержится много фитохрома, причем наибольшие концентрации обнаружены в меристематпческих тканях, в том числе в кончиках побегов и корней, а также в камбиальных тканях. Содержание фитохрома в зеленых тканях недостаточно для спсктрофотомстричсско-го измерения, однако в экстрактах из листьев ряда видов были обнаружены его .небольшие количества.
Примечание: AK=x—Xi (после красного), Адк. =y—i/i (после дальнего красного). Сплошная линия —красный, прерывистая —дальний красный.ФХ—фитохром; ПО — пероксидаза; КАФ — кроличья антисыворотка к фитохрому; БАС — баранья антисыворотка к иммуноглобулину кролика; КАП — кроличьи антитела к пероксидазе.
Многие управляемые фитохромом реакции, по-видимому, включают действия генов, которые до этого не экспрессировались. Например, развитие эпидермальных волосков и образование антоцпаиа у гппокотплеи горчицы находятся под контролем фнтохрома и, видимо, должны включать экспрессию генов, которые пе функционировали у выращиваемых в темноте проростков. Кроме того, экспрессия генов предполагает синтез ферментов и их активность. Регулирование фитохромом этих двух процессов также было продемонстрировано. Эти наблюдения показывают, что действие фитохрома проявляется либо посредством управления синтезом ферментов на транскрипционном или трансляционном уровне, либо посредством управления активацией уже. существующих ферментов. Однако любая попытка сформулировать общую теорию с учетом всех разнообразных регулируемых фитохромом реакции должна принимать во внимание различные эффекты, которые включают быстрые изменения проницаемости мембран.
В естественных условиях растения, конечно же, не подвергаются воздействию монохроматического К- или ДК- Света; нормальный дневной свет обеспечивает «фотостационарное-состояние», при котором большая часть общего фитохрома будет находиться в Рдк-форме. Из данных, приведенных выше, становится ясно, что ВЭР фитохрома обеспечивают нормальное развитие зеленых побегов в естественных условиях.
При большой плотности, будь то в естественных условиях или при искус- ствеиной посадке, растс-ния обычно затеняют друг друга, меняя тем са- §. о 2 мым условия освещения 1 для тех из них, которые находятся в тени. Поскольку дневной свет содержит К и ДК приблизительно в одинаковой пропорции, а хлорофилл сильнее поглощает в красной области, свет, прошедший через листовой полог, будет содержать гораздо больше ДК (рис. 8.13).
Поскольку наши знания по физиологии цветения в значительной мере относятся к видам, чувствительным к внешним условиям, мы сначала рассмотрим эту группу, а затем вкратце познакомимся с данными, касающимися регуляции цветения у группы «нечувствительных» растений.
Различия между условиями для вегетации и цветения чисто качественные. Однако при изучении физиологии цветения важно иметь точную меру реакции цветения на различные воздействия. Для этой цели 1 использовались разнообразные показатели цветения, такие, как: I) процент цветущих растений в группе, подвергавшейся тому или иному воздействию; 2) общее число цветков или общее число цветоносных побегов; 3) время появления первых цветков (чем короче время, тем сильнее реакция); 4) число листьев, сформированных до начала цветения; 5) оценка стадии развития цветков по «баллам». Этот последний метод используется в тех случаях, когда сформированные цветки остаются микроскопическими и не полностью развитыми. Определенное число баллов по произвольной шкале приписывают разным стадиям развития (рис. 9.1), а затем определяют общий балл для данной партии растений.
Длина дня оказывает большое влияние на рост и опадение листьев многих древесных растений, но этот вопрос будет рассмотрен ниже.Многие растения чрезвычайно чувствительны к изменениям длины дня даже на 15—20 мин. Так, на время цветения некоторых из них, .например определенных сортов риса Orijza saliva„ могут оказывать существенное влияние даже незначительные сезонные изменения продолжительности дня, которые наблюдаются в тропиках. Столь же высокой чувствительностью обладает дурнишник (Xanthium striunarium), который цветет только при длине дня 153Д ч или менее. Ясно, что для восприятия изменений длины дня такие растения должны обладать очень чувствительным механизмом.
Изучению световых и темповых реакций короткодневных видов посвящено значительно ‘большее число работ, и паши знания об этом типе растений намного обширнее, чем о ДДР.Во-первых, важно установить, какая часть растения «определяет» длину дня. Ясно, что при переходе от вегетативного к генеративному состоянию реакция происходит в апексе побега, но из этого не следует, что восприятие длины дня происходит именно в этой части растения. Действительно, советским исследователем М. X. Чайлахяиом было показано, что реакции КДР, таких, как хризантемы, определяются условиями длины дня, которым подвергаются листья, а апексы побегов в данном случае являются, по-видимому, относительно нечувствительными. Воздействуя независимо на листья и апикальные зоны побега условиями длинного или короткого дня (рис. 9.3), он обнаружил, что цветение наступало только в том случае, если зрелые листья находились в условиях КД- Следовательно, именно листья воспринимают длину дня, хотя ответная реакция происходит в апексе побега. М. X. Чайлахян понял, что какой-то «сигнал» должен поступать из листьев, вызывая реакцию апексов. Возможную природу этого «сигнала» мы рассмотрим в .следующей главе.
Хотя -при коротком прерывании темноты ДК снимает ингибирующее действие К, при более длительных периодах (например, 60 мин) ДК действует аналогично К-свету, т. е. ингибирует цветение, особенно после непродолжительных фотопериодов. Этот эффект, по-видимому, свидетельствует о том, что низкие уровни Р дк, обусловленные ДК-светом, за короткий период не оказывают влияния, но они могут стать эффективными, если поддерживаются более длительное время.
Как и у КДР, влияние длинного темнового периода на ДДР снимается коротким прерыванием темноты и, следовательно, способствует цветению растений этого типа.У КДР процесс, нуждающийся в Рдк;, протекает в начале фотопериода, после чего следует период, когда Рдк, ингибирует цветение. Реакции ДДР принципиально схожи, но имеют временные различия.
Еще более поразительный эксперимент был проведен на различных видах, в том числе на Xanthium и Perilla. С раетений-доиоров, находившихся на КД, удаляли по одному листу и прививали лист на растения, содержащиеся в условиях длинного дня. В положенное время растения-рецепторы зацветали, свидетельствуя о том, что стимул может передаваться из единственного листа.
Как мы видели, для зацветания короткодневных растений они не обязательно должны постоянно находиться в условиях короткого дня. После определенного числа благоприятных фото-периодических циклов КД-растеиия зацветут, даже если их перенести в условия длинного дня. Так, например, ХапШит в конечном итоге зацветает в ответ и на один КД-Цикл, даже если после него следует значительное число ДД-циклов. Следовательно, некоторые виды проявляют выраженную фотопериоди-ческую «устойчивость», иными словами, растения становятся «индуцированными» после получения КД.
В этом последнем эксперименте мы, по-видимому, сталкиваемся с положением, в котором перемещающийся ингибитор противодействует влиянию стимула цветения в апексе .побега. Другая ситуация наблюдается, когда происходит ингибирование образования стимула в листе, подвергнутом попеременному действию индуктивных и неиндуктивных фотопериодов. Так, когда КД -растение каланхоэ подвергается попеременному действию-двух КД- и одного ДД-циклов, цветение полностью ингибируется, а анализ этого факта показывает, что влияние промежуточного Д Д-цикл а не просто «нейтрально», а безусловно ингибирует цветение. Из этого примера следует, что мы, по-видимому, имеем дело с ингибирующим эффектом ДД в пределах самого листа, а не с экспортом ингибитора цветения в апекс побега.
Мы видели, что зацветание 1<ДР происходит, когда они находятся в таких условиях длины дня, при которых длина ночи превышает критический темповой период, и что некоторые растения могут воспринимать колебания продолжительности темнового периода, не превышающие 15 мин. Так, для ХапИиит при 25 °С характерен критический темновой период, составляющий 874 ч. Разница в продолжительности всего лишь в 15 мни определяет, зацветет ли сахарный тростник или нет. Совершенно очевидно, что эти виды обладают довольно точным механизмом измерения времени. В отношении природы этого механизма было сделано несколько предположений.
Итак, если проросток фасоли подвергнуть действию определенного периода дневного света, а затем держать в непрерывной темноте в течение нескольких дней, то он будет продолжать типичные суточные движения, поднимаясь и опускаясь с 24-часовым циклом, хотя сам он уже не подвергается действию естественного чередования света и темноты. Следовательно, растение фасоли проявляет устойчивый эндогенный ритм, выраженный в движении листьев. Если графически изобразить изменение положения листа в зависимости от времени, то мы получим синусоидальную кривую. По мере удлинения темпового периода амплитуда движений постепенно уменьшается до нуля. После этого растение вновь необходимо подвергнуть действию света для восстановления ритма.
Итак, можно выделить определенное число частных процессов, приводящих к образованию стимула цветения у КДР, и теперь мы можем подвести итог состоянию наших знаний в отношении последовательности и взаимодействия этих процессов.
Конечно, длина дня не является единственным внешним фактором, изменяющимся в течение года. Ясно, что и температура также характеризуется четко выраженными сезонными изменениями, особенно в умеренных областях, хотя в отношении этого фактора наблюдаются значительные колебания, как ежедневные, так и ежегодные. Мы знаем, что сезонные изменения температуры, так же как и изменения длины дня, оказывают существенное влияние на цветение многих видов растений.
Многие растения, нуждающиеся в охлаждении, сходны с длиннодневными растениями в том, что в вегетативной стадии имеют розеточный габитус и проявляют характерное удлинение цветоносного побега во время цветения.
Взаимодействие между яровизацией и фотопериодическои реакцией было изучено на многих видах. Белена (Hgoscijamus niger) существует в однолетней и двулетней формах, аналогично яровой и озимой формам ржи. Однолетняя форма не требует яровизации, но является длиннодневным растением, которое цветет летом. Двулетняя форма для перехода к цветению требует яровизации с последующим воздействием длинного дня.
В данной схеме реакции II и III конкурируют за общий промежуточный продукт Б. Допустим, что реакция III имеет более высокий температурный коэффициент, чем реакции I и II (рис. 10.2,5). Это означает, что высокая температура благоприятствует реакции III и больше Б будет участвовать в этой реакции, поэтому будет образовываться мало В. Однако, когда температура заметно снизится, больше снизится и скорость реакции III, чем реакции II (поскольку, по определению, реакция III более чувствительна к изменению температуры). Следовательно, понижение температуры благоприятствует реакции II,. в результате чего будет накапливаться конечный продукт В, т. е. В будет накапливаться при низких, а не при высоких температурах. Таким образом, процесс суммарного образования В имеет, по-видимому, «отрицательный температурный коэффициент», хотя каждая из трех включенных реакций имеет положительный температурный коэффициент. Прямых данных, подтверждающих эту гипотезу, нет, но ценность ее заключается в -том, что она показывает, как общий процесс может протекать-быстрее при более низкой температуре без нарушения естественных законов химических реакций.
Хотя яровизации было посвящено очень много исследований, наши представления о природе связанных с ней физиологических и биохимических процессов все еще весьма фрагментарны. До сих пор не ясно, связана ли яровизация с образованием особого (способного к перемещению) гормона цветения, хотя имеющиеся данные позволяют предположить это по крайней мере для некоторых видов. Мы видели, что весьма убедительные данные, касающиеся синтеза гормона цветения в фото-.периодических реакциях, были получены в экспериментах с прививками; в какой-то степени сходные результаты были получены :на определенных видах, для цветения которых необходима яровизация.
Ряд экспериментальных результатов описанного типа согласуется с гипотезой, что в условиях соответствующей длины дня в листьях возникает особый гормон цветения, который способен к передаче путем прививки. Прививочные эксперименты с видами, нуждающимися в охлаждении, также доказали способность стимула цветения к перемещению.
Ряд видов, обычно нуждающихся в яровизации для перехода к цветению, может быть индуцирован к цветению обработкой экзогенным ГА3 (табл. 10.1, рис. 10.5). Следовательно, у этих видов ГАз, по-видимому, заменяет обработку холодом.
Мы видели, что у ХапШит и РНагЬШэ первые изменения выражаются в делении клеток между центральной зоной и колончатой меристемой. Однако у 8тар1з и Anagallis активность в первую очередь обнаруживается в периферической, а затем уже в центральной зоне. Изменения, связанные с возникновением цветка, включают увеличение числа митозов и яо,ер, синтезирующих ДНК; кроме того, увеличивается также диаметр ядрышек, особенно в центральной зоне; часто происходит также выпячивание меристемы и увеличение ее размеров, сопровождающееся вакуолизацией и удлинением центральных клеток колончатой меристемы. Вскоре наступает стадия, когда «мантия», состоящая из мелких, густо окрашенных и активно делящихся клеток, покрывает центральную сердцевину, состоящую из более вакуолизированных клеток (рис. 2.19).
У большого числа видов цветение наступает как реакция па-длину дня или охлаждение, поэтому открытие фотопериодизма и яровизации стало настоящим прогрессом в нашем понимании физиологии цветения. Однако следует помнить, что у многих видов, быть может даже у стольких же, цветение почти не зависит от длины дня или зимнего охлаждения (табл. 10.2). У этой группы растений, которая уже отмечалась ранее (с. 320), цветение почти не чувствительно к воздействию внешних условий, и, хотя продолжительность вегетативной фазы у них может колебаться в зависимости от факторов окружающей среды, влияние последних не является определяющим. Однако такие виды, которые мы будем называть «нейтральными», резко не. отличаются от растений, характеризующихся «количественной» реакцией на длину дня и названных «факультативными» ДДР или КДР (с. 323).
Например, у яблони заложение цветков чувствительно к минеральному питанию, но не чувствительно к фотопериоду. Нам не нужно постулировать, что синтез гормона цветения зависит от низкого уровня азота, — вполне возможно, что «гормон цветения» уже содержится в яблоневых побегах, но при избыточном азотном питании увеличивается количество эндогенных гиббереллипов, которые, как известно, тормозят цветение этого растения. Вместе с тем у Xanthium синтез гормона цветения, по-видимому, блокируется условиями длинного дня. У растений, нуждающихся в яровизации, при отсутствии охлаждения могут блокироваться совсем другие этапы процесса цветения. Таким образом, у растений с различными типами реакции при благоприятных условиях процессы цветения могут блокироваться разными путями и на различных этапах. Аналогично этому у одного и того же растения, как мы видели, цветение может быть блокировано на различных этапах его жизненного цикла. На стадии проростков цветение ие наступает, поскольку растение находится в ювенильной фазе и еще ие способно реагировать на благоприятные условия окружающей среды. Но даже когда оно достигает готовности к цветению, последнее может предотвращаться неблагоприятными условиями окружающей среды.
До сих нор мы рассматривали физиологические аспекты цветения травянистых растений. Цветению древесных растений присущ ряд характерных особенностей, которые мы вкратце разберем.Яровизация, по-видимому, не играет важной роли в образовании цветков у древесных растений, за исключением, пожалуй, маслины (Olea еигораеа), у которой цветки закладываются после воздействия низких температур в зимний период.
Различия между ювенильной и взрослой стадиями определяются не только по способности к цветению, а также и rio различным вегетативным особенностям. Так, у определенных видов, таких, как плющ обыкновенный (Hederá helix), шелковица (Morus), акация, эвкалипт и можжевельник, форма листа в ювенильном и взрослом состояниях крайне различна. У ювенильных деревьев дуба и бука проявляется выраженная тенденция к сохранению отмерших листьев на побегах в течение зимы, тогда .как во взрослом состоянии растения нормально сбрасывают листья. У некоторых видов для ювенильной и взрослой стадии характерен различный филлотаксис, например у плюща. Другая морфологическая особенность, изменяющаяся в онтогенезе, — это развитие колючек. В ювенильной стадии деревья лимона обычно более «колючие», чем во взрослой.
У многих морозоустойчивых видов общее морфологическое состояние зимой, в сущности, не отличается от такового летом; правда, скорость роста растения снижается или рост вовсб приостанавливается в зимнее время, но точки роста побегов остаются в потенциально активном состоянии и могут расти во время теплых периодов, что характерно для многих двулетних растений. У таких видов все растение, включая апикальные меристемы, относительно морозоустойчиво. Естественно, что у других видов могут наблюдаться значительные различия между летним и зимним состояниями; так, у древесных растений апексы побегов прекращают активный рост, покрываются чешуями, образуя зимние покоящиеся почки. Растение находится в состоянии покоя. Многие древесные растения в покое значительно более морозоустойчивы, чем в состоянии активного роста.
Однако часто неблагоприятные условия не являются непосредственной причиной покоя. Так, многие древесные растения формируют зимующие почки летом и осенью, когда температура п условия освещения еще благоприятны и до начала зимы еще далеко. У таких древесных растении причины покоя, по-видимому, заключаются в самих тканях почек, и мы, следовательно, говорим о внутреннем, пли спонтанном, покое. Этот тип покоя характерен также для многих семян. Так, если свежесо-браипые зерна ячменя посеять в теплых влажных условиях, то большой процент пх не прорастет. Однако если несколько месяцев хранить ячмень в сухом виде, а затем, посеять при тех же, что и в предыдущем случае условиях, то семена быстро прорастут. Следовательно, пспрорастапне свсжссобранных зерен ячменя связано не с внешними, неблагоприятными для роста условиями, а зависит от каких-то причин внутри самого семени.
Только что заложившаяся почка может быть индуцирована к росту различными обработками, включая дефолиацию, как искусственную, так и происшедшую в результате нападения насекомых. Следовательно, на данной стадии сами по себе терминальные почки не обладают внутренним покоем, но их рост, по-видимому, ингибируется зрелыми листьями побега. Латеральные почки также могут ингибироваться листьями или главной апикальной зоной активно растущих побегов, и, таким образом, их рост в большей степени сдерживается коррелятивным ингибированием, а не внутренним покоем. Эта стадия развития почки называется летним покоем или предпокоем. Позднее у многих видов почки входят в состояние, называемое глубоким покоем, зимним покоем, или перерывом. После вхождения почек в это состояние они уже не способны к росту при дефолиации побегов, т. е. находятся теперь в состоянии внутреннего покоя, и их рост сдерживается не просто внешними условиями или ингибиторным влиянием в пределах самого растения, как это было в случае предпокоя.
Одним из важнейших факторов, влияющих и регулирующих индукцию покоя у древесных растений, является длина дня. У большинства видов, изученных в этом отношении, длинные дни ускоряют вегетативный рост, а короткие дни вызывают прекращение роста растяжением и образование зимующих почек у сеянцев древесных растений (рис. 11.2). Однако ряд обычных культивируемых плодовых деревьев (груша, яблоня, слива) и некоторые другие виды, в том числе представители семейства маслинных, по-видимому, относительно нечувствительны к изменениям длины дня.
Нужно отметить, что, хотя охлаждение необходимо для снятия покоя почек у многих растений, для последующего роста почкам необходимо тепло. Часто к январю необходимый период охлаждения будет достаточным, но почки не трогаются в рост, поскольку температуры еще слишком низкие, т. е. они остаются в фазе послеоокоя. Таким образом, время распускания почек весной обычно определяется наступлением теплых дней.
Хотя для прерывания покоя у некоторых культивируемых сортов картофеля требуется .охлаждение, это, по-видимому, не распространяется на все сорта.
Существует большое число воздействий, особенно с применением химических веществ, которыми можно прервать состояние покоя. Один из простейших способов прерывания покоя древесных растений заключается в погружении побегов в теплую воду (30—35 °С) на 9—12 ч; такой прием используется цветоводами, когда нужно «заставить» цветковые почки у сирени или форзиции распуститься ранее положенного срока. Обработка парами эфира также эффективна в преодолении покоя почек сирени и корневищ ландыша. Таким путем цветы можно получить в начале зимы, что часто используется цветоводами. Среди других веществ, являющихся весьма эффективными для прерывания покоя, можно отметить тиомочевину и эти-ленхлоргидрин, с помощью которых можно преодолеть покой почек у большого числа древесных растений, а также у клубней картофеля и корневищ ревеня.
Далее мы увидим, что покой семян имеет много общего с покоем почек и других органов, однако наличие семейных оболочек является особенностью, не встречающейся у почек; мы рассмотрим несколько типов семейного покоя, которые, по-видимому, не соответствуют ни одной из форм покоя почек.
Семена многих видов не прорастают, если их посеять сразу же после сбора урожая, хотя зародыши в таких семенах полностью развиты. Однако если их хранить в сухом виде при обычной комнатной температуре, то они постепенно выходят из состояния покоя и становятся способными к прорастанию при подходящих условиях (рис. 11.3). Этот эффект называется послеуборочным дозреванием при сухом хранении и обнаружен у некоторых зерновых, таких, как ячмень, пшеница, овес и рис. Продолжительность периода покоя может колебаться от нескольких недель до нескольких месяцев. Другие виды, обладающие таким типом покоя, включают многие злаковые, горчицу черную (Brassica nigra), различные виды ослинника (Oenothera) и культивируемые сорта салата.
У многих видов свежесобранные семена являются светочувствительными, по в период хранения постепенно «теряют» эту особенность и в конечном итоге дают почти 100%-ную всхожесть в полной темноте, например семена светочувствительных сортов салата. По-видимому, изменения, происходящие во время послеуборочного дозревания при сухом хранении, каким-то образом устраняют необходимость освещения.
Садоводы давно знают, что семена многих видов, посеянные в теплых условиях, не прорастают, а долгое время лежат в почве, находясь в состоянии покоя; однако если они посеяны в открытый грунт осенью и подверглись действию зимних условий, то они прорастут следующей весной.
Ингибирование прорастания не обязательно связано с наличием оболочек. У семян, для которых характерен покой зародыша, даже изолированный зародыш так и останется покоящимся. Следовательно, здесь мы должны искать какую-то другую причину покоя. В этом случае покой семян, чувствительных к свету и охлаждению, имеет ряд общих черт с покоем почек и других органов. Вкратце эти черты могут быть описаны следующим образом.
Окончательная причина утраты жизнеспособности семян полностью еще не выяснена, но известно, что в проростках старых семян наблюдаются различные цитологические аномалии, такие, как разрывы хромосом, нарушение митотического веретена и т. д. Кроме того, как рибосомная, так и информационная РНК в сухих семенах, по-видимому, разрушаются с возрастом семени, хотя фракции этих РНК, выделенные из старых семян, все еще будут, поддерживать синтез белка in vitro (т. е. в бесклеточных системах). Однако в старых, потерявших жизнеспособность (интактных) семенах синтез РНК значительно снижен, и синтез белка происходит на очень низком уровне.
Хорошо известно, что для прорастания семян необходимы подходящие условия аэрации, но мы очень мало знаем о потребностях семян в кислороде. Ясно, однако, что потребность нн-тактного семени в кислороде зависит не только от метаболических потребностей зародыша, по также и от проницаемости семенной кожуры или других семенных оболочек. Как мы уже видели, у семян многих видов семенная оболочка играет важную роль в поддержании состояния покоя. Если содержащегося в воздухе кислорода вполне достаточно для нормального роста растений, то его явно недостаточно для прорастания семян многих видов, что, несомненно, обусловлено чисто физическим препятствием, которое создают семенные оболочки па пути про-11 и кн о в е н и я кислорода.
У не обладающих покоем семян активные метаболические процессы, очевидно, начинаются вскоре после их попадания в благоприятные для прорастания условия. Возникает вопрос, что является первой стадией общего сложного процесса, известного как прорастание? Обычно основным критерием мы, конечно, считаем появление корешка, т. е. для большинства практических целей начало роста служит первым признаком прорастания. Представляется вероятным, что начальное удлинение корешка в большей степени связано с растяжением клеток, чем с их делением, однако при росте корешка деление клеток начинается очень рано. Возможно, что началу роста корешка предшествует ряд подготовительных процессов, но о природе этих процессов известно очень мало.
Отмиранию органа или целого растения всегда предшествует процесс старения, который можно рассматривать как конечную фазу развития, ведущую к разрушению клеток и гибели. Для удобства мы будем различать старение органа и старение целого растения. У большинства растений каждый лист имеет ограниченную продолжительность жизни, так что по мере роста побега в высоту более старые листья в его основании начинают стареть и постепенно отмирают (рис. 12.1). Подобный характер старения рассматривается как постепенное старение, которое следует отличать от одновременного, или синхронного, старения листьев у листопадных деревьев умеренной зоны, что хорошо заметно осенью. Старение плодов можно наблюдать в течение их созревания как у сочных, так и у иесочных плодов. Созревание сочных плодов — сложный процесс, который в конечном итоге заканчивается старением и загниванием тканей.
Если мы правы и старение у монокарпических растений действительно «генетически запрограммировано», то можно считать, что этот процесс возник в результате естественного отбора и что он дает некоторые биологические преимущества виду. Каковы же эти преимущества? Почему, например, преимуществом однолетних видов должно считаться старение всего побега в процессе развития и созревания плода, почему листья и другие части этого побега не могут оставаться зелеными, как это происходит при созревании плодов у многих поликарпических растений? Ответ на этот вопрос, возможно, связан с тем фактом, что в процессе созревания однолетних растений происходит значительное расщепление белков до аминокислот, которые транспортируются из листьев к развивающимся семенам и используются там для образования запасных материалов. Например, у растений овса большая часть азота стареющих листьев перемещается в плоды и накапливается в них. Таким образом, перемещение и повторное использование питательных веществ из стареющих органов выгодно для растения. Аналогичный экспорт запасных веществ происходит при одновременном старении листьев у деревьев осенью, только в этом случае все экспортируемые вещества откладываются в стволе. Существует, однако, и другое преимущество опадения листьев у листопадных деревьев, оно, вероятно, связано с уменьшением интенсивности транспирации, что весьма важно для выживания в таких климатических условиях, когда почва зимой промерзает (с. 386). В то же время при разложении листового материала в лесной подстилке в почву высвобождаются минеральные вещества, которые вновь становятся доступными для растения.
Современные знания физиологии и биохимии старения осио-эаны главным образом на изучении листьев (как связанных с растением и подвергающихся постепенному старению, так и отделенных от растения листьев и листовых дисков) и эфемерных цветков, таких, например, как у Ipomoea tricolor, венчик которого открывается и стареет в течение всего лишь 24- ч (рис,. 12.10). .
Первый хорошо заметный признак старения — пожелтение листа — обусловлен разрушением хлорофилла, в связи с чем другие пигменты листа, в особенности ксантофиллы и кароти-ноиды, становятся видимыми. Изучение ультраструктуры стареющих листьев показало, что происходит постепенная деградация мембранной структуры гран хлоропластов, сопровождающаяся появлением плотных шариков липидного материала (возможно, образующихся из разрушенных мембран), в которых растворены каротнноиды. Другие ранние изменения включают дегенерацию эндоплазматического ретикулума и постепенное исчезновение рибосом. Митохондрии сохраняют свою-структуру на ранних стадиях старения, но позднее они также подвергаются дегенерации. В клетках полностью состарившихся листьев фасоли плазмалемма все еще остается интактпон, но тонопласт исчезает и структура цитоплазмы и ядра совершенно утрачивается. Оставшиеся хлоропласта представлены пузырьками, содержащими капельки жира.
До сих пор мы рассматривали естественное старение листьев, связанных с материнским растением, но давно известно, что когда зеленый лист отделен от растения, он быстро разрушается и проявляет признаки прогрессирующего старения.
Быстрое завядаиие цветков общеизвестно и обычно является следствием старения венчика. В последние годы изучение биохимических и физиологических основ старения проводится в основном на некоторых короткоживущих, или эфемерных, цветках, например на цветках Ipomoea tricolor (рис. 12.10). Было обнаружено, что старение этих цветков, как и старение листьев, сопровождается быстрым снижением уровня белка, РНК и ДНК (рис. 12.11). Воздействие на только что распустившиеся цветки этиленом в течение 90 мин приводит к увяданию лепестков и другим изменениям, связанным со старением. В то же время было обнаружено, что по мере естественного увядания и повышения уровня РНКазы образование эндогенного этилена возрастает.
Как мы видели, у монокарпических видов, таких, как пшеница (Triticum), соя (Glycine max) и фасоль (Phaseolus vulgaris), старение всего растения обычно связано с развитием плодов. Так, у фасоли пожелтение листьев происходит сразу же, как только бобы и семена достигнут присущего им размера. Полностью развитые плоды желтеют и, в конечном итоге созрев, теряют воду. В то же время листья и стебли все более стареют и в положенное время отмирают. Старение растения и развитие плодов не только тесно связано во времени, но между этими двумя процессами, по-видимому, существует причинная взаимосвязь. На это указывает тот факт, что удаление цветков и молодых плодов у фасоли значительно задерживает старение остального организма. Кроме того, тот же эффект наблюдается, если вместо плодов из бобов удаляются только семена. Таким образом, присутствие развивающихся семян, по-видимому, регулирует старение растения, что наводит на мысль о поступлении из развивающихся семян какого-то «сигнала», который регулирует старение в других частях растения.
Синхронное старение листьев, наблюдаемое у листопадных .древесных растений осенью, столь впечатляюще, что с ним свя-.зано само название этого сезона года «fall» (падать, падение) по крайней мере в Америке. Этот тип старения листьев отличается от постепенного старения в двух отношениях. Во-первых, •он в большей степени регулируется факторами внешней среды, чем «внутренними» факторами, такими, как конкуренция между молодыми и старыми листьями. Во-вторых, он, по-видимому, обусловлен действием различных гормональных факторов.
Сбрасывание вегетативных и репродуктивных органов и тканей— естественный процесс, характерный для всех растений. Растения утрачивают своп части либо в результате отмирания и завядания последних, как, например, у большинства однодольных и таких растений, как картофель с подземными органами, переживающими неблагоприятный период года, либо путем образования отделительного слоя. Орган или ткань, находящиеся ниже отделительного слоя, опадают и а землю под. влиянием собственного веса или в силу действия внешних сил, например ветра.
Общей чертой опадения является то, что, прежде чем произойдет процесс сбрасывания, орган, который должен быть сброшен, подлежит старению. Старение органа, такого, как лист, обычно начинается с дистальных частей и распространяется на проксимальные. Последними стареют клетки, примыкающие к зоне опадения, и па этой стадии точка отделения хорошо заметна в виде желто-зеленого узелка. Этот узелок, следовательно, представляет собой внутреннюю границу между двумя физиологически различными тканями, и именно образование этой внутренней границы в зоне отделения служит сигналом к началу процесса опадения.
Вместе с тем у некоторых видов колебания скорости опада плодов не коррелируют с уровнями ауксина, и в данном случае опад плодов определяется другими факторами. В самом деле не вызывает сомнения тот факт, что этилен принимает участие в регуляции опадения плодов, равно как и листьев, поскольку зто вещество способствует старению и опадению плодов.
Итак, мы рассмотрели развитие растения с нескольких довольно различных точек зрения. В двух первых главах это был взгляд на развитие с позиций аиатома-экспериментатора и ,морфолога. Затем мы проанализировали влияние фитогормонов и обсудили их роль в различных явлениях роста и развития. И наконец, мы рассмотрели физиологию цветения, старения и покоя, включая влияние внешних, таких, как длина дня, и внутренних, таких, как гормоны, факторов. В дайной главе мы перейдем к молекулярным и более общим аспектам развития.
До сих пор мы уделяли мало внимания генетическим аспектам развития, а между тем всякий организм по определению является продуктом взаимодействия между его генетическими потенциальными возможностями и внешней средой. Поэтому в конечном счете развитие следует описывать, исходя из активности генов.
Геном прокариотического организма, такого, как бактерия Escherichia coli, состоит из одной хромосомы, представляющей собой двойную спираль ДНК, имеющую кольцевое строение и свободно лежащую в цитоплазме. При клеточном делении две образовавшиеся в результате репликации двухцепочечные молекулы ДНК без митоза распределяются между двумя дочерними клетками.
Вместе с тем данные генетических исследований на растениях и животных, а также на хромосомах слюнных желез Drosophila, где каждый диск, вероятно, соответствует одному гену, показывают, что число функциональных генов, кодирующих белки, не превышает нескольких тысяч. Представляется также удивительным, что очень близкие виды растений сильно различаются по содержанию ДНК. Так, клетки Vicia faba содержат в 7 раз больше ДНК, чем близкородственный вид V. sativa, хотя не ясно, зачем первому виду необходимо большее число генов.
Как мы уже видели (с. 453), в большинстве клеток основным местом образования рибосом является ядрышко, н гены, кодирующие рибосомную РНК (рРНК), находятся в ядрышковом организаторе.Матричная РНК (мРНК) также образуется в результате транскрипции ДНК в ядрышке. Однако исходно синтезируемые в ядре молекулы РНК гораздо крупнее, чем мРНК, которая выходит из ядра в цитоплазму. Следовательно, представляется вероятным, что как и в случае предшественника рибосомной РНК, исходный крупный транскрипт для его превращения в мРНК должен подвергнуться процессингу. Размер исходных крупных транскриптов (т. е. число содержащихся в них нуклеотидов) сильно варьирует, поэтому их называют гетерогенной ядер ной РНК (гяРНК).
Метод рекомбинации ДНК применим также для изучения молекул РНК. С помощью фермента обратной транскриптазы, использующего мРНК в качестве матрицы, можно синтезировать одноцепочечную ДНК-копию (кДНК), а затем с помощью ДНК-полимеразы Е. coli синтезировать вторую, комплементарную ей цепь ДНК и образовать двухцепочечную ДНК. Эту ДНК можно встраивать в плазмиды и клонировать, как это рассмотрено выше (с. 454). Таким способом удалось определить нуклеотидную последовательность ряда специфических мРНК эукариот. Использование подобных ДИК, комплементарных специфическим мРНК, позволило идентифицировать и впоследствии выделить индивидуальные гены из генома.
Митохондрии и хлоропласты не возникают de novo, а образуются из предшествующих органелл. Они передаются от одного клеточного поколения к другому, распределяясь во время митоза между дочерними клетками.
Некоторые ферменты бактерий содержатся в них всегда, и их называют конститутивными. Другие ферменты, напротив, синтезируются только в ответ на появление во внешней среде соответствующего субстрата. Например, если бактерия Escherichia coli растет на среде без галактозида (т. е. вещества, содержащего сахар галактозу, соединенный с молекулой иной природы), то в ней образуются только следовые количества фермента ß-галактозидазы, но при добавлении галактозида скорость синтеза этого фермента сразу же очень сильно увеличивается. Такие ферменты называют индуцибелъными. Удаление субстрата приводит к почти немедленному прекращению синтеза фермента.
Хотелось бы думать, что способ регуляции экспрессии генов, установленный для бактерий, применим также и к эукариотам. Однако имеется очень мало данных в пользу существования опероиа у эукариот, у которых гены, влияющие на близкие фенотипические признаки, совсем не обязательно расположены рядом и могут быть локализованы даже в нескольких различных, хромосомах.
Большинство гипотез регуляции экспрессии генов у эукариот основывается на модели оперона Жакоба и Моио, разработанной для регуляции экспрессии генов у бактерий. Общепризнано, что дифференциальная активность генов у эукариот определяется избирательной транскрипцией определенных участков генома, так что в любой данной ткани одни гены активны, а другие нет. Возможно, это происходит вследствие избирательного маскирования и демаскирования различных областей генома, о которых мы говорили в предыдущем разделе. Однако недавно Бриттен и Дэвидсон предложили совсем другую модель регуляции активности генов, которая не требует избирательной активации или подавления структурных генов в различных тканях.
Мы уже обсудили некоторые возможные пути регуляции экспрессии генов, которая может осуществляться путем маскирования и демаскирования ДНК (т. е. через изменение доступности матрицы) или путем регуляции процессинга ядерной РНК при образовании мРНК. Однако регуляция может происходить также на уровне трансляции и даже на более поздних (пост-трансляционных) стадиях.
В исследованиях, проведенных на содержащих ядро и безъядерных фрагментах клетки Асе1аЬи1апа, были получены цепные данные, касающиеся природы взаимодействия ядра и цитоплазмы во время развития растения; эти данные позволили понять, каким образом события, происходящие в цитоплазме, зависят от факторов (возможно, мРНК), поступающих из ядра. Однако цитоплазма, по некоторым данным, также может влиять иа поведение ядра. Так, обычно перед формированием гамет происходит деление ядра с образованием большого числа дочерних ядер, но, если шапочку отрезать, ядро не делится до тех пор, пока не образуется новая шапочка. Механизм цитоплазматической регуляции деления ядра неизвестен.
Из предыдущего изложения очевидно, что мы достигли значительных успехов в понимании экспрессии генов у эукариот. Будем надеяться, что такие же успехи будут сопутствовать нам и в дальнейших исследованиях, так что в обозримом будущем мы постигнем природу механизма, регулирующего экспрессию1 генов. Это несомненно приблизит нас к пониманию как общих, так и частных аспектов развития, но сейчас сложно приложить наши неполные знания к решению центральной проблемы развития, а именно, каким образом происходит экспрессия соответствующих генов в соответствующее время и в соответствующих клетках. Следовательно, пока к общим аспектам развития можно применить только «феноменологический» подход, и хотя такой подход не вполне удовлетворителен, правда, пока и неиз-бежен, все же он полезен, так как расширяет границы нашего понимания процессов развития.
Процессы, происходящие во время дифференцировки клеток, в конце концов завершаются, и клетка достигает стационарного состояния зрелости, в котором непрерывно поддерживается ее метаболизм (конечно, за исключением таких клеток, как мертвые клетки ксилемы). Видимыми признаками дифференцированного состояния являются различия в строении клеточных стенок и некоторых цитоплазматических органелл, таких, как пластиды. Если вспомнить, что ряд тканей специфически приспособлен к выполнению определенных функций (фотосинтез, -секреция или запасание веществ), то становится очевидным, что дифференцировка должна также затрагивать некоторые стороны метаболизма. Такая дифференцировка почти наверняка должна быть связана с различиями в синтезе ферментов, что в свою очередь свидетельствует о сохранении между клетками различий в активности генов даже в зрелом состоянии.
Последовательные стадии развития можно рассматривать как процесс, при котором в различные критические точки времени и пространства происходит переключение на альтернативные пути дальнейшего развития. Это переключение может наблюдаться на клеточном уровне, например, когда две дочерние клетки, возникающие в результате неэквивалентного деления, дифференцируются по-разному; она может также происходить при дифференцировке органов или даже апекса побега как целого, например при переходе от вегетативной фазы развития к цветению. Далее мы уже видели, что если орган, такой, как зачаток листа, прошел определенную стадию развития, то он необратимо «детерминируется» как лист (в отличие от почки) п обычно не может превратиться ни в одну другую структуру (с. 53—54).
Мы уже видели, что, прежде чем в зародыше установится полярность (т. е. определится побеговый и корневой концы), происходит неэквивалентное деление зиготы. Таким образом, основное разделение тела растения на корень и побег закладывается на самых ранних стадиях развития. Коль скоро меристемы побега и корня образовались, они остаются очень стабильными структурами, и крайне редко меристему побега можно превратить в корневую меристему и наоборот. Более того, стабильность корневых меристем — это внутренне присущее свойство самих корней, поскольку изолированные корни томатов и других видов молено многие годы сохранять в стерильной культуре без появления каких-либо почек; правда, они нуждаются в добавке тиамина и других витаминов, обычно поступающих из побегов интактного растения.
Хотя концепция гистогенов до сих пор применима для меристемы корня, она вряд ли годится для апексов побегов высших растений по следующим причинам. Во-первых, проводящая ткань листовых следов образуется из клеток коры, и эти следы, очевидно, пересекают все границы потенциальных гистогепов, которые могли бы существовать в апикальной зоне побега. Во вторых, мы видели (с. 58), что апекс стебля представляет .собой самоорганизующуюся структуру, обладающую свойством саморегуляции и регенерации. Если это так, то очевидно, что характер дифференцировки клеток в апексе стебля определяется свойствами этой структуры как целого. А если примять, что дифференцировка обусловлена неэквивалентным делением и установлением рядов детерминированных клеток, то следует признать, что организация и свойства апикальной зоны определяются внутренними свойствами составляющих ее клеток.
До сих пор мы обсуждали главным образом влияние на дифференцировку внутриклеточных факторов. Теперь мы рассмотрим другую ситуацию, а именно те случаи, когда характер дифференцировки зависит от внеклеточных факторов, например от влияния гормонов. По определению гормонами называются ростовые вещества, которые покидают синтезирующие их клет-, ки и влияют на другие клетки.