авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |
-- [ Страница 1 ] --

1

2

Авторы монографии – Рощина

Виктория Владимировна, доктор

биологических наук, ведущий

научный сотрудник Федерального

Государственного Бюджетного Учреждения Науки Института биофизики клетки Российской Академии Наук, Рощина Валентина Дионисьевна, профессор, доктор биологических наук.

Основные исследования, опубликованные на русском и английском языках, посвящены растительным выделениям: составу, механизмам действия, включая хемосигнализацию в межклеточной Предыдущие печатные издания книги “Выделительная функция высших растений” коммуникации Электронная версия монографии-учебного пособия «Выделительная функция высших растений»

подготовлена под редакцией проф. А.Ю.Буданцева в Электронном издательстве «Аналитическая микроскопия» (рег. Свидетельство Эл № 77- 6072 Министерства РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовой информации от 4 февраля 2002 г.) Администратор Сервера http://cam.psn.ru : А.Б.Петров © Электронное издательство “Аналитическая микроскопия” Рецензенты:

Попов В.И., главный научный сотрудник Учреждения Российской Академии Наук Института биофизики клетки РАН, доктор биологических наук, профессор Пущинского госуниверситета, Новицкий Ю.И., ведущий научный сотрудник Учреждения Российской Академии Наук Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, доктор биологических наук, Новицкая Г.В., старший научный сотрудник Учреждения Российской Академии Наук Института физиологии растений им. К.А. Тимирязевa РАН, кандидат биологических наук Аннотация Выделительная активность растений является проявлением фундаментальных свойства всех живых организмов в виду необходимости иметь возможность обмена веществами и энергией с окружающей средой. Электронная монография представляет собой обобщение данных мировой литературы об экскреторной деятельности высших растений и иллюстрацию многих аспектов проблемы собственными экспериментальными данными авторов. Издание представляет интерес для исследователей и преподавателей Вузов биологических специальностей. Оно может использоваться в качестве учебного материала в соответствующих курсах биофизики, физиологии, биохимии и экологии растений, а также фармакологии. Книга является также основой спецкурса ”Выделительная функция растений”. В ней рассматриваются клеточные аспекты секреции, внутритканевой и внешней секреции, газоэкскреции и экскреции веществ в экстремальных условиях, а также биологические эффекты растительных экзометаболитов. Секреторная функция рассматривается на клеточном, тканевом и организменном уровнях. Описаны выделительные структуры, химическая природа, биохимические пути синтеза растительных экскретов в норме и стрессовом состоянии, определена их роль в общей системе регуляции растений. Рассмотрено значение фитоэкскретов как фитонцидов, аллелохимикатов, природных пестицидов и регуляторов роста.



ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие к электронному изданию Введение Глава 1. Клеточные аспекты выделительной деятельности растений 1.2. Компартментация продуктов обмена и механизмы их секреции 1.2.1. Основные продукты секретов и их компартментация в клетке 1.2.2. Экзоцитоз 1.2.3. Внешняя и внутренняя секреция 1.3. Секреция в свободное пространство клетки 1.4. Секреция в вакуоль. 1.5. Идиобласты 1.6. Секретирующие микроспоры Заключение Глава 2. Внутритканевая секреция 2.1. Воздухоносная система растений. 2.2. Внутренние газы 2.2.1. Углекислый газ 2.2.2. Этилен 2.2.3. Другие летучие соединения 2.2.4. Транспорт внутренних газов 2.3. Внутритканевые секреторные структуры 2.3.1. Секреция смол. 2.3.2. Млечный сок и млечники 2.3.3. Секреция камеди и эфирных масел. Заключение Глава 3. Внешняя секреция 3.1. Выделение растворов при гуттации 3.2. Солевые железки и секреция неорганических солей. 3.3. Секреция нектара 3.4. Выделение углеводов 3.5. Секреция протеинов 3.6. Выделение эфирных масел 3.7. Секреция смол 3.8. Секреция фенолов 3.9. Секреция алкалоидов 3.10. Секреция аминов стрекательными волосками Заключение Глава 4. Газоэкскреция 4.1. Пути выделения газов 4.2. Летучие выделения как сложные комплексы веществ 4.3. Компоненты газообразных экскретов. 4.3.1. Короткоцепочные углеводороды 4.3.2. Изопрен и терпеноиды 4.3.3.Альдегиды и кетоны 4.3.4. Низкомолекулярные спирты 4.3.5. Летучие амины 4.3.6. Окись углерода 4.3.7. Окислы азота и аммиак 4.3.8. Водород и сероводород 4.3.9. Озон 4.4.Значение газоэкскреции Заключение Глава 5. Вымывание. 5.1. Клеточная стенка как фаза вымывания 5.2. Выщелачивание солей 5.3.Вымывание органических соединений 5.4. Зависимость вымывания от внешних факторов, фазы развития и анатомического строения растений 5.5.Физиологическое значение вымывания Заключение Глава 6. Выделение веществ при экстремальных воздействиях 6.1. Повреждение мембран при стрессах 6.2. Стрессовые метаболиты 6.2.1. Этилен 6.2.2. Этан и другие простейшие углеводороды 6.2.3. Терпеноиды 6.2.4. Спирты 6.2.5. Альдегиды 6.2.6. Цианистый водород. 6.2.7. Фенолы 6.2.8. Азотсодержащие соединения 6.2.9. Производные липидов и жирных кислот 6.2.10.Фитоалексины Заключение Глава 7. Биологические эффекты растительных выделений 7.1. Ростовые явления. Деструкция клеток. 7.1.1. Деление и элонгация клеток. 7.1.2. Прорастание пыльцы 7.1.3. Деструктивные изменения клеток 7.2. Клеточные мембраны как мишени действия растительных экскретов 7.3. Белковые компоненты мембран в хемосигнализации 7.4. Энергетические реакции 7.5. Метаболические процессы 7.6. Проблемы и перспективы использования растительных экскретов 7.6.1. Устойчивость растений к патогенам 7.6.2. Химические взаимодействия растение - насекомое, растение - растение 7.6.3. Использование в медицине Заключение Общее заключение Литература.





Предисловие к электронному изданию Выделительной функции растений были посвящены первая монография на русском языке, вышедшая в 1989 году в издательстве “Наука”, и второе ее расширенное издание 1993 года на английском языке, опубликованное в издательстве “Springer-Verlag”. Оба издания цитируются исследователями различных лабораторий в России и зарубежом и используются в лекционной практике преподавателей ВУЗОВ. Прошло время, стали классическими сделанные в двадцатом веке работы пионеров исследований экскреторной системы растений – Б.П. Токина, Г.Молиша, А.Фрей-Висслинга, Г. Грюммера, Э.Райса, А.Д. Гродзинского, В.П. Иванова, М.В. Колесниченко и др. Появилась необходимость подготовить новое издание, включающее последние достижения в изучении выделительной функции, и сделать общедоступными знания в этой области науки.

Рассматривая развитие исследований по проблеме выделительной функции высших растений за последние годы, следует отметить ряд достижений. Прежде всего, благодаря развитию микроскопической техники (люминесцентной и конфокальной микроскопии и др.) расширились и углубились знания о структуре и функциях выделительных органов и отдельных специализированных секреторных клеток. Состав секреторных клеток растений как источников биологически активных веществ подробно изучается биохимиками и химиками на изолированных секреторных органах. В первое десятилетие двадцать первого века достижения генной инженерии были впервые применены для анализа генов, кодирующих образование компонентов секретов и формирование секреторных клеток.

Умножились и знания о химической природе экскретируемых веществ, известных как вторичные соединения, и их месте в основных метаболических путях, хотя они еще специально не рассмотриваются как экзометаболиты и не уделено внимания их физиологической роли. Однако фармакологи стали уделять большее внимание структуре и содержимому секреторных клеток лекарственных растений.

Появились новые сведения о взаимодействии экзометаболитов, экскретируемых секреторными клетками, как хемосигнальных веществ с воспринимающими клетками других организмов. Возникли и развиваются представления о хемосигнализации и регуляции с помощью таких соединений, как нейротрансмиттеры, терпены и др. Эти представления широко внедряются в области аллелопатии (химического взаимовлияния организмов в биоценозе) и медицины. Явление аллелопатии впервые описано для растений, но в настоящее время стало общебиологической проблемой для всех живых организмов – от микроорганизмов до растений и животных. Широко распространены в медицине представления о необходимости для человека и животных использования в лечебных целях фитонцидов и лекарственных соединений, выделяемых секреторными клетками растений. Комплексы таблеток из смесей трав с фитонцидными свойствами выпускаются в Японии и для ветеринарии.

Все эти достижения, так или иначе, формируют необходимость рассмотреть выделительную функцию растений как самостоятельные разделы физиологии, биофизики и биохимии растений, что отражено в третьем печатном издании нашей монографии года в Академическом Издательстве Lambert. Параллельно для учебных и познавательных целей широкой аудитории нам представлялось необходимым опубликовать данный материал с цветными иллюстрациями в электронном виде в качестве учебного пособия.

ВВЕДЕНИЕ Выделительная деятельность растения является проявлением основного свойства жинвых организмов - постоянного обмена веществ и энергии с окружающей средой. Взяв за основу классификации метаболические процессы, Фрей-Висслинг [Frey-Wyssling, 1935] разделил продукты выделительной деятельности организмов на рекреты, секреты и экскреты. Рекретами названы вещества, которые после поглощения из внешней среды, не подвергаются изменениям в процессе клеточного метаболизма (вода, соли). Секреты являются продуктами ассимиляции, и для их образования и выделения требуется затрата энергии клеточного метаболизма. Экскреты - конечные продукты обмена веществ, неиспользуемые больше в метаболизме. В соответствии с этими названиями именуются и процессы выделения, что можно проиллюстрировать схемой:

Однако применительно к растениям классификация не является совершенной и, как справедливо замечает Тьюки [Тukey, 1970], многие авторы испытывают затруднения при ее использовании. Так, например, соединения, обычно относящиеся к экскретам (эфирные масла, оксалаты, смолы), как доказано с помощью меченых атомов, могут вовлекаться в клеточный метаболизм и, следовательно, не удовлетворяют основной характеристике этой группы. Затруднительно отнести к какой-нибудь группе газообразные соединения, которые накапливаются во внутренней воздухе растения и при определенных условиях выделяются с водяным паром [Новицкая, 1966;

Рощина, 1971, 1973а], а также многие другие соединения, о путях образования которых и их функциях пока ничего или очень мало известно. Поскольку практически трудно определить, к какой группе следует отнести то или иное вещество, многие ботаники все выделяемые растениями вещества называют обобщенно или секретами, или экскретами [Эсау, 1969].

Изучая роль растительных выделений, были сделаны попытки разделить выделяемые продукты по их происхождению и способу действия. Наибольшей известностью пользуется классификация Б.П. Токина [Токин, 1957], которому принадлежит термин “фитонциды”, Г. Грюммера [Грюммер,1957], А.М. Гродзинского [Гродзинский, 1965]. Здесь мы их не рассматриваем, так как в научной литературе указанные системы обсуждались уже неоднократно.

После второго Всесоюзного симпозиума по проблеме летучих биологически активных соединений биогенного происхождения в 1971 г. для обозначения растительных выделений стал широко использоваться термин экзометаболиты, под которыми подразумевают органические соединения, выделяемые высшими и низшими растениями в окружающую среду в процессе нормальной жизнедеятельности [Рощина, 1974;

Тамбиев, 1984]. Продукты лизиса и повреждения клеток, которые также обладают хорошо выраженным физиологическим действием, предложено называть внеклеточными продуктами [Тамбиев, 1984]. Мы считаем нужным указать, что и эта терминология только до некоторой степени является удовлетворительной, поскольку трудно в природных условиях отличить экзометаболиты от внеклеточных продуктов. Как справедливо утверждает Б. П. Токин (1957, 1980а), в природе нет не раненных растений. Для веществ выделяющихся при экстремальных воздействиях, в настоящее время используется термин ”стрессовые метаболиты”. Таким образом, в литературе нет устоявшейся классификации растительных выделений, и все предложенные термины, по-видимому, могут использоваться на равных основаниях.

Выделительные системы рассматриваются на клеточном уровне в одиночных клетках и в специализированных многоклеточных структурах, как показано на схеме:

Глава 1. КЛЕТОЧНЫЕ АСПЕКТЫ ВЫДЕЛИТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ РАСТЕНИЙ 1.1. ЗНАЧЕНИЕ СЕКРЕТОРНОГО ПРОЦЕССА ДЛЯ КЛЕТКИ Основные физиологические функции клетки сосредоточены в цитоплазме с включенными в нее органеллами. Эта активная часть клетки отграничена от оболочки внешней цитоплазматической мембраной - плазмалеммой, а от вакуоли - внутренней мембраной, называемой тонопластом. Если в процессе метаболизма возникает избыток какого-либо соединения (который может привести к нарушениям нормально протекающих реакций), то избыточные метаболиты эвакуируются путем диффузии или активного механизма через плазмалемму или тонопласт. В первом случае секретируемое соединение попадает в свободное (лежащее вне объема, ограниченного плазмалеммой) пространство клетки, во втором – в вакуоль.

Таким образом, из сферы активного метаболизма выводятся вещества, которые могли бы нарушить клеточный гомеостаз. Внутриклеточная секреция - эволюционно обусловленный путь удаления избытка метаболитов. Она возникла, по-видимому, в связи с развитием наземного образа жизни, приведшего к появлению массивных форм растений, что ограничило способность клеток выделять продукты обмена в окружающую среду.

Появилась тенденция к сохранению побочных продуктов внутри самих клеток - в вакуолях или в свободном пространстве клетки [Schnepf, 1969].

Для понимания выделительной функции важно познакомиться с представлениями о природе секретов, их компартментации в клетке, механизмах выделения через мембраны, а также рассмотреть особенности секреторного процесса любой и специализированной секреторной клетки.

Основные физиологические функции клетки сосредоточены в цитоплазме с включенными в нее органеллами. Эта активная часть клетки отграничена от оболочки внешней цитоплазматической мембраной - плазмалеммой, а от вакуоли - внутренней мембраной, называемой тонопластом. Если в процессе метаболизма возникает избыток какого-либо соединения (который может привести к нарушениям нормально протекающих реакций), то избыточные метаболиты эвакуируются путем диффузии или активного механизма через плазмалемму или тонопласт. В первом случае секретируемое соединение попадает в свободное (лежащее вне объема, ограниченного плазмалеммой) пространство клетки, во втором – в вакуоль. Таким образом, из сферы активного метаболизма выводятся вещества, которые могли бы нарушить клеточный гомеостаз.

1.2. КОМПАРТМЕНТАЦИЯ ПРОДУКТОВ ОБМЕНА И МЕХАНИЗМЫ ИХ СЕКРЕЦИИ.

Выделяемые в секреторном процессе вещества разнообразны по своей химической природе. Это - прежде всего продукты первичного обмена - углеводы, белки, гормоны, необходимые для роста и развития. Кроме того, в цитоплазме и органеллах синтезируются продукты вторичного обмена, которые, как полагают [Haslam, 1985], возникают в результате ресбалансированного роста, приводящего к появлению избыточного количества интермедиатов, на накопление которых организм отвечает превращением их до вторичных соединений.

1.2.1. Основные продукты секретов и их компартментация в клетке.

Вторичные метаболиты представлены в растениях огромный количеством индивидуальных соединений [Seigler, Price, 1976;

Luckner, 1977;

1990;

Wink, 2010 a, b, Wink (Ed.) 2010], хотя они образуются на немногих путях обмена веществ (Рис. 1) и их биогенетическими предшественниками является небольшое число веществ - мевалонат, ацетил-КоА, коричная кислота и аминокислоты. Количество известных терпеноидов Рис. 1. Важнейшие классы вторичных метаболитов растений, их биогенетическое происхождение и приблизительное число известных химических структур. Адаптировано по [Hartmann, 1985].

приближается к 5 тысячам, алкалоидов насчитывается 7 тысяч, флавоноидов - около тысячи и т.д. [Хелдт, 2011]. С каждым годом цифры эти увеличиваются. Присутствие вторичных метаболитов, как например определенных сесквитерпеновых лактонов, служит таксономическим признаком в систематике растений [Seamon, 1982;

Hegnauer, 1990].

Таблица 1. Компартментация некоторых вторичных метаболитов Соединения Места Компартмент образования Алкалоиды Х (13);

Ц (12) В (1,8) ;

ЭР (1) СП (1) Алкоголи (спирты) Ц (7);

В (1) СП (1) Альдегиды Мк (7);

СП (1) Амины Х (13);

В (1) СП (1) Аминокислоты Х (13);

В (1) СП (1) непротеиногенные Водород Х (15);

СП (15) Гликозинолаты Х (13);

В (1) СП (1) Дитерпены Х (13);

В (1) СП (1) Изопрен Х (1,6);

СП (1) Камеди Д (1): АГ (1) СП (1) Кумарины ЭР (14);

В (14) В (1) СП (1) Метан СП (1) - Монотерпены Л (3,11);

М(11) ;

В (1);

СП (11) Х (13) Органические кислоты М (8) В (8) СП (1) Полиацетилены Х (13);

В (1) СП (1) Поликетиды Х (13);

В (1) СП (1) Пропан Х (9);

В (1) СП (1) Сесквитерпены Х (13);

В (1) СП (1) Слизи АГ (16) В (16);

АГ (1) СП (16) Смолы Д (1);

АГ (1) СП (1) Стерины Х (13);

В (1) СП (1) Таннины В (1);

В (1,8) ;

ЭР (1) СП (1) Терпеноиды Х (1);

Л (3) В (1,8);

Ц (1) СП (1) Тетратерпены Х (13);

В (1) СП (1) Тритерпены Х (13);

В (1) СП (1) Фенилпропаны простые Х (13);

В (1) СП (1) Флавоноиды Х (1,4,5) В (1,5) СП (1) Цианогенные гликозиды ЭР (1,10) В (1) СП (1) Этан Х (9) СП (1) Этилен Х (9);

М (2) СП (1) Эфиры СП (1) (-) - место синтеза не установлено, Х - хлоропласты, М - митохондрии, Л - лейкопласты, ЭР эндоплазматический ретикулум, СП – свободное пространвство клетки, В - вакуоль, Д диктиосомы, АГ – аппарат Гольджи сего везикулы, Ц - цитоплазма, ВM - внутренние мембраны, Мк - микросомы. В скобках даны ссылки на литературу: 1 -Luckner et al. (1980);

2 - Vinkler и Apelbaum (1985);

3 -Gleizes et al. ((1983);

4 –Запрометов и Колонкова (1967);

5 - Charriere-Ladreix (1977);

6 – Санадзе и др. (1972);

7 - Гринева (1975);

8 - Matile (1978);

9 - Bochler-Kohler et al. (1982);

10 - Solomonson (1981);

11 - Bernard-Dagan et al. (1982);

12 - Deus-Neumann (1984);

13 - Wink (1985);

14 - Matile (1987);

15 – Мальцев и др. (1986);

16 - Esau. (1965).

Поскольку вторичные соединения - биологически активные вещества и могут вызвать повреждение наиболее важной части клетки - цитоплазмы, должны существовать механизмы, обезвреживающие их. В растениях имеются два основных пути защиты от химически реактивных веществ. Один из них - компартментация в физически разделенных специфических органеллах. Другой путь состоит в химической модификации до относительно безвредных соединений также не исключает изолирование (что образующихся модифицированных веществ в определенных компартментах клетки). В качестве примеров в табл.1 указаны места синтеза и компартментации вторичных метаболитов. Продуктами внутриклеточной секреции в большинстве случаев являются соединения, образованные в процессе фотосинтеза, и основное место их синтеза мембраны хлоропластов, хотя некоторые из вторичных метаболитов образуются и в других органеллах: эндоплазматическом ретикулюме, аппарате Гольджи и его везикулах, микросомах, лейкопластах. Основным компартментом растворимых в воде соединений является вакуоль, а для газообразных и липофильных экскретов такую же функцию выполняет свободное пространство клетки.

Прежде чем выделиться из цитоплазмы, секретируемые вещества преодолевают цитоплазматические мембраны - плазмалемму, если вещество выделяется в свободное пространство клетки, или тонопласт при транспорте в вакуоль. В белковых участках мембран имеются гидрофильные поры, в результате чего они проницаемы для воды и водорастворимых компонентов небольшого молекулярного веса, локализованных в цитоплазме. Сахара, аминокислоты, соли могут выделяться в соответствии с градиентом концентрации или электрохимического потенциала. Эти же вещества могут транспортироваться и против градиентов концентрации и потенциалов. В этом случае события происходят при участии АТР, который приводит в действие разные механизмы:

ионные насосы, системы с участием переносчиков и процессы переноса неполярных соединений. Поскольку эти процессы требуют затраты энергии, они находятся в прямой зависимости от метаболизма. Однако чаще всего выделение осуществляется особой формой транспорта - экзоцитозом, который также относится к активным формам выделения [Thiel and Battey, 1998].

1.2.2. Экзоцитоз.

В растениях путем экзоцитоза выделяются частицы и макромолекулы, которым трудно преодолеть барьер, создаваемый плазмалеммой или тонопластом [Kurosami, 1961;

Васильев, 1977;

Fahn,1979;

Лютге, Хигинботам, 1984;

Thiel and Battey, 1998;

Battey et al., 1999]. К их числу относятся полисахариды, пектины, слизи, белки и другие соединения.

Эти высокополимерные вещества синтезируются или подвергаются сборке из соответствующих предшественников в аппарате Гольджи, который в растительных клетках состоит из отдельных диктиосом. Каждая диктиосома представляет собой стопку из 5- цистерн. От их краев отделяются секреторные пузырьки (Рис.2a). Движения пузырьков осуществляют сократительные системы клетки после получения соответствующего стимула В составе пузырьков те или иные соединения [Shropshire, 1979].

транспортируются к плазмалемме или тонопласту, где сливаются с мембранами, а секретируемые продукты попадают в свободное пространство или вакуоль. В обычных с гладкой поверхностью везикулах транспортируются крупные молекулы полимеров, Наряду с гладкими пузырьками на диктиосомах формируются пузырьки с шероховатой поверхностью, так называемые окаймленные пузырьки. Их распространение в растительных клетках, по-видимому, носит всеобщий характер [Coleman et а1., 1988]. В окаймленных пузырьках перемещаются в основном специфические крупные молекулы (лиганды), гормоны и медиаторы. От обычных везикул окаймленные пузырьки отличаются наличием чехла из фибриллярного белка клатрина (180000 дальтон), соединенного с меньшим по размеру полипептидом (~ 35000 дальтон). Полагают, что клатриновая оболочка способствует сохранению одетых везикул и их содержимого от лизиса. G-белки и Рис.2. Секреция в растительной клетке. А - электронно-микроскопическая фотография диктиосом клетки пыльцевой трубки табака Nicotiana tabacum x 55000 [Kristen et al. 1988]. Диктиосома состоит из пяти цистерн и образует большие секреторные везикулы, Б – Схема экзоцитоза секрета отдельного секреторного пузырька – проникновение через плазматическую мембрану.

ГТФ принимают участие в транспорте таких везикул [Pearse, Robinson, 1990;

Burgoyne, 1992]. Есть специальные адапторы (элементы клатриновых оболочек и везикул, содержащие белки-адаптины), которые способствуют прикреплению клатрина к мембране [Robinson, 1992].

Проникновение через плазмалемму осуществляется с помощью регулируемого и нерегулируемого (стационарного или константного = constitutive) способов [Burgess and Kelly, 1987;

De Camilli, 1993]. Стационарный экзоцитоз наблюдается, когда секреторные пузырьки, происходящие из аппарата Гольджи или эндосом, встраиваются в плазматическую мембрану (везикулы становятся частью плазмалеммы) и при этом выделяют наружу свое содержимое без первоначального стимула. Для регулируемого типа экзоцитоза характерно аккумулирование секреторных везикул под плазмалеммой и проникновение через мембрану только после стимула. Регулируемый экзоцитоз происходит под влиянием определенного стимула (повышение концентрации ионов кальция в клетке, ГТФ, АТФ, разнообразных белков) [Thiel and Battey, 1998]. Даже изменение концентрации СO2 в воздухе может регулировать экзоцитоз [Schwartz, Al Стационарный или конституционный экзоцитоз чаще используется Awqati, 1985].

клетками для белковой секреции или включения вновь синтезированных белков в плазмалемму [Chrispeels, 1991]. К этому же типу экзоцитоза относится и перемещение компонентов плазмалеммы как некоторые рецепторы) везикулярными (таких переносчиками от эндосом к клеточной поверхности. Регулируемый экзоцитоз более характерен для секреторных гранул, происходящих из аппарата Гольджи [Karimova et al., 1993;

Thorin et al., 1995]. Возможно, что в механизме экзоцитоза на плазматической мембране принимают участие белки аннексины (кальций и фосфолипид-связывающие белки) и имеет место гликолипидное “заякоривание” белков [Cross, 1990;

Creutz, 1992;

Clark, Roux, 1995].

На Рис.2Б приведена схема движения секреторного пузырька к плазматической мембране. Предполагается, что в движении секреторных везикул принимают участие АТФ зависимые актомиозиноподобные белки, требующие Са2+ для своего сокращения и гидролиза АТФ [Pan et al., 2005]. Действительно ингибитор актиновых филаментов животных цитохалазин блокирует транспорт секреторных пузырьков в растениях [Steer, 1988]. Есть сведения [Kreis, 1990], что в транслокации элементов аппарата Гольджи и секреторных везикул принимают участие и микротрубочки. Определенную роль в транспорте секреторных везикул играют гуанозинтрифосфат (ГТФ) и ГТФ-связывающие белки, поскольку установлено, что движение этих везикул от аппарата Гольджи к другим органеллам в плазмалемме ингибируется негидролизуемыми аналогами ГТФ [Tooze et al., 1990]. Особенно важна роль кальция в секреции белков [ Li et al., 2008]. Например, показано [Steеr, 1988], что повышение концентрации Са2+ усиливает секрецию амилазы в алейроновых зернах клеток семян ячменя Hordeum spp. и пероксидазы суспензионной культурой клеток шпината Spinacia spp.

Секреция белков происходит с помощью секреторных везикул [Pan et al., 2005] и может происходить тремя путями [Akasawa, Hara-Nishimura, 1985]: 1. движение из клетки – экстраклеточная секреция (например, амилазы из проростков риса Oryza и полифенолоксидазы из клеток клена Acer;

2. движение внутри клетки и (или) из клетки (например, секреция в вакуоль кислой фосфатазы или пероксидазы из клеток клена Acer):

3. внутриклеточное передвижение и запасание секрета в виде глобул белковых тел (например, в семядолях тыквы Cucurbita spp.). Во всех трех случаях синтезированные в грубом эндоплазматическом ретикулюме белки [Sugano,1991] попадают в аппарат Гольджи и затем в составе пузырьков транспортируются к плазмалемме или тонопласту. Там мембрана пузырьков сливается с плазмалеммой или тонопластом, а секретируемые белки поступают в свободное пространство клетки или в вакуоль. Иногда белок транспортируется непосредственно от места синтеза до плазматической мембраны, обходя аппарат Гольджи. Этот путь транспорта наблюдается у рыльца пестика Crocus и пищеварительных желез Dionea muscipula [Robins, Juniper, 1980]. При различных иммунных реакциях растения наблюдается также необычный путь (default pathway) секреции [Kwon et al., 2008].

Для изучения транспорта белков и секреции их в клетке используют специальные блокаторы, например брефельдин А (brefeldin A), который препятствует транспорту белков из эндоплазматической сети в аппарат Гольджи и обратному трафику белка из аппарата Гольджи в эндоплазматический ретикулум [Satiat-Jeunemaitre et al., 1996;

Nebenfuhr et al., 2002]. При этом белки накапливаются внутри эндоплазматическиого ретикулума. Полагают, что мишенью действия брефельдина А является участок ГТФ обмена (содержащий ГТФ-азу), который включен в транспорт везикул с белком к наружной мембране.

Другой путь исследования клеточных механизмов секреции – использование маркерных белков из медуз, встраиваемых генетически и флуоресцирующих зеленым или желтым светом при возбуждении ультрафиолетовой радиацией в области 360-380 нм [Eckardt, 2000;

Hanton, Brandizzi, 2006.;

cм. также ссылки в монографии Roshchina, 2008].

Кроме того, используют специальные флуоресцентные красители и метки, например на белки или липиды [Battey et al., 1999]. Автофлуоресценция и окраска антоцианов также предлагаются в качестве естественных маркеров изучения транспорта веществ в клетке и из нее [Gomez et al., 2011].

1.2.3. Внешняя и внутренняя секреция Различают внешнюю (экстраклеточную) и внутреннюю секрецию. Внутренняя секреция осуществляется в свободное пространство клетки (пространство между плазмалеммой и клеточной оболочкой) или в вакуоль (через тонопласт).

При экстраклеточной секреции в зависимости от специализации возможны три вида секреции: мерокриновая, апокриновая и голокриновая [Esau, 1965;

Эсау, 1969;

Эзау, 1980;

Romberger et al., 1993;

Evert and Esau, 2006] как показано на схеме:

В процессе мерокриновой секреции секретируемое вещество выделяется из клеток, которые остаются живыми. Этот тип секреции включает в себя две разновидности – экриновую и гранулокриновую. При экриновой секреции выделяющееся вещество состоит из мелких молекул, способных проникать через мембраны (как описано выше, путем пассивного или активного транспорта). Гранулокриновая секреция имеет место, если вещество не растворимо в воде или вообще трудно проникает через мембрану. В этом случае секреция осуществляется путем экзоцитоза [Creutz, 1992]. Фан [Fahn, 1989] описывает тип мерокриновой секреции и при выделении запасных или ненужных клетке веществ в вакуоль.

Апокриновая (греч. apokrino отделять) секреция происходит с повреждением клетки.

Выделение наружу выработанного секрета сопровождается выбросом части цитоплазмы, но отделяется только безъядерная часть клетки. Примером такой секреции является отрыв головок у солевых волосков некоторых галофитов. Остается неясным, происходит ли при таком типе секреции регенерация клетки или клетка отмирает.

При голокриновой секреции (греч. holos весь + krino отделять) клетка полностью деградирует. В этом случае отмечается полный выброс содержимого клетки вместе с выработанным секреторным продуктом в окружающую среду. Этот тип выделения наблюдается при секреции слизи клетками корневого чехлика. В качестве другого примера голокринной секреции могут служить многие лизигенные секреторные ходы и протоки, куда после лизиса клеточной стенки выделяются секреты из разрушенных клеток внутри тканей Ambrosia trifida [Lersten and Curtis, 1988].

Далее будут рассмотрены секреция любых клеток в свободное пространство клетки и в вакуоль, секреция специализированных клеток – идиобластов в тканях и одиночных растительных микроспор.

1.3. СЕКРЕЦИЯ В СВОБОДНОЕ ПРОСТРАНСТВО КЛЕТКИ Свободным пространством клетки обычно считают часть клетки вне объема, ограниченного плазмалеммой [Курсанов, 1976]. Однако оболочка и плазмалемма являются единым комплексом и с трудом отделяются друг от друга [Саляев, 1985]., Поэтому выведение веществ через плазмалемму есть по сути дела секреция в свободное пространство - между клеточной стенкой и плазмалеммой. Некоторое расстояние между клеточной стенкой и плазмалеммой пространство) реально (периплазматическое появляется только в результате секреторной деятельности клетки, когда за плазмалемму изливается содержимое пузырьков Гольджи, и в этих случаях действительно плазмалемму от оболочки отделяет иногда значительное пространство, занятое секретом [Саляев,1985].

Секреция в свободное пространство является первый этапом выведения секрета из любой клетки. Этот процесс особенно заметен у специализированных секреторных клеток.

Выделение секрета связано и с образованием оболочки, что наглядно демонстрируется в процессе деления меристематических клеток. Основными компонентами клеточной оболочки являются аморфный матрикс с высоким содержанием воды и опорная - фибриллярняя система, состоящая из целлюлозы. Элементы матрикса гемицеллюлозы (главным образом уреиды) и пектиновые вещества - синтезируются аппаратом Гольджи, а затем выделяются через плазмалемму путём экзоцнтоза [Frey Wyssling 1973;

Фрей-Висслинг, 1976;

Lttge and Higinbotham, 1979;

Лютге, Хигинботам, 1984]. Опорная фибриллярная система состоит из целлюлозы (-1,4-полиглюкозана), галактана (-1,3-полиглюкозан), которые синтезируются снаружи от плазмалеммы в образовавшемся матриксе оболочки. Синтез этих элементов осуществляется комплексом ферментов, локализованных в плазмалемме [Фрей-Висслинг, 1976].

Показано [Griffing et al., 1986], что полисахариды синтезируются при помощи двух основных ферментов - глюкансинтазы 1 (КФ 24.1.12) и глюкансинтазы 2. (КФ 24.1.34) Оба фермента найдены в одетых мембранами пузырьках. Первый из ферментов исходно локализован в аппарате Гольджи, а второй - в протоплазматической мембране и митохондриях. Предполагается, что мембранные пузыри отделяются от цистерн аппарата Гольджи и, захватив фермент, доставляют его к клеточной стенке, где он принимает участие в синтезе -1-4-связанного глюкана.

Многие ферменты, синтезированные в цитоплазме, могут выделяться в свободное пространство клетки, преодолевая мембранный барьер. В клеточной стенке локализован ряд ферментов, с действием которых связаны процессы лигнификации, дифференциации и растяжения клеточных стенок. В ней обнаружены целлюлазы, -1,3-глюканаза, целлобиаза и ряд других гидролаз, малатдегидрогеназа, кислые изоформы пероксидазы и другие ферменты. Таким образом, клеточная стенка может рассматриваться как “депо ферментов” [Саляев, 1985, Schlo еt а1., 1987}.

К числу продуктов, выделяемых через плазмалемму, относятся продукты распада, например аммиак и углеводороды: этан, этилен, пропан, которые являются продуктами перекисного окисления мембран хлоропластов [Bchler-Kohler et а1., 1982]. Вообще большинство летучих веществ выделяется через плазмалемму в свободное пространство клетки. Примером секреции специализированными клетками в свободное пространство может служить процесс выделения монотерпенов. Синтез этих веществ осуществляется в больших лейкопластах амебоидной структуры, которые имеют только несколько внутренних мембран и их строма лишена рибосом [Вегпагd-Dagan еt аl., 1982]. Вокруг лейкопластов имеется обертка из эндоплазматического ретикулума, связанная с мембранами лейкопластов, что позволяет терпеноидам переходить из мест их синтеза – пластидной наружной оболочки - к месту их аккумуляции - свободному пространству клетки. Подробнее о синтезе и секреции терпеноидов (см. раздел 3.6).

Фенолы также секретируются в свободное пространство клетки. Так у брюквы Brassica napus фенольные соединения появляются на ранней стадии эмбриогенеза (через 36 часов после прорастания) или в цитоплазме (в малых вакуолях) или к наружи от плазмалеммы В последнем случае секреторные фенольные соединения являются барьером, препятствующим инфекции [Zobel, 1989].

1.4. СЕКРЕЦИЯ В ВАКУОЛЬ В полностью развитых растительных клетках имеется крупная центральная вакуоль, которая может занимать до 90% объема зрелой клетки [Нобел, 1973]. Вакуоль является местом накопления водорастворимых соединений, которые попадают в нее из цитоплазмы.

Мембрана дает избирательной проницаемостью, и в вакуоли концентрируются вещества только определенного типа. С физиологической точки зрения вещества, заполняющие вакуоль, принадлежат к двум разным категориям. С одной стороны - это вещества, ценные для растения, - сахара, аминокислоты, органические кислоты и др., которые сохраняются и могут вновь включаться в процесс обмена веществ. В вакуоли содержится около различных видов белков. Среди них много гидролаз: кислая протеиназа, кислая фосфатаза, маннозидаза, галактозидаза [Кеnуоn, В1аск, 1986]. Оксидоредуктазы представлены основными изоформами пероксидаз [Schlo еt аl., 1987]. Как все белки, ферменты синтезируются в цитоплазме на рибосомах и затем транспортируются через тонопласт в вакуоль.

С другой стороны, в вакуолярном соке содержатся и вторичные продукты обмена флавононды, алкалоиды и др., накопление которых обусловлено ограниченной способностью клетки выделять их наружу. Таким образом, центральная вакуоль клетки является своеобразной секреторной системой, в которую выводятся из сферы активных превращений вещества различной химической природы. Состав веществ, секретируемых цитоплазмой в вакуоль, сильно изменяется в зависимости от видовых особенностей растений, фазы развития и местонахождения клеток (корень, лист и другие органы).

Вакуоль выполняет ряд функций (осморегуляция, поддержание тургора, запасание ассимилятов и секреция). Секреторная функция становится преобладающей в зрелой клетке, когда в вакуоли накапливаются нереализованные продукты обмена [Мatilе, 1987].

Суммарная концентрация веществ, как и отдельных соединений, клеточном соке выше, чем в цитоплазме, и движение молекул, как правило, направлено против градиента концентрации. Транспорт секретируемых веществ через тонопласт осуществляется с помощью активных механизмов - экзоцитоза и пиноцитоза [Fineran, 1971], однако в отдельных случаях допускается возможность пассивного процесса [Бузук, Ловкова, 1986].

Механизм транспорта вторичных веществ через тонопласт изучен довольно слабо, за исключением фенолов и алкалоидов.

Фенольные соединения, по-видимому, могут синтезироваться и в вакуоли и в хлоропластах, В вакуоли обнаружены халконсинтаза, халконизомераза, флавоноид гликозид трансфераза, а в хлоропластах.- фенилаланинаммоний-лиаза, цинномат 2 гидроксилаза и гидроксилциннамил~ КоА: хиннат гидроксициннамил трансфераза и халконсинтаза [Hrazdina, Wagner, 1985].

В поcледние годы исследования хлоропластов и вакуолей как мест синтеза и аккумуляции фенолов получили дальнейшее развитие. На культуре ткани чайного растения показано, что при непрерывном освещении в каллюсной ткани возникали хлоропласты, формирование которых сопровождалось значительным увеличением суммы растворимых фенольных соединений и появлением в их составе, помимо катехинов и проантоцианидинов, флавонов. Последние были представлены двумя агликонами (кемпферолом и кверцетином) и пятью их гликозидами. На изолированных хлоропластах тополя Populus nigra показано, что флавоноиды накапливаются в тилакоидных и протоплазматической мембранах хлоропластов [Charriere-Ladreix, 1977].

Накопление их в вакуоли - это уже вторичное явление, возникающее как результат транспорта этих веществ из хлоропластов. В переносе фенолов в вакуоль, вероятно, участвует и эндоплазматический ретикулюм, внутри которого могут передвигаться фенольные соединения [Charriere-Ladreix, 1977]. Проникновение в вакуоль через тонопласт в этом случае происходит в везикулах по типу экзоцитоза. Возможно, что движение веществ через вакуолярную мембрану может идти и по типу пиноцитоза. Наличие такого поглощения у центральных вакуолей паренхимных клеток было показано Файнерэном [Fineran, 1971]. Согласно предложенной им схеме, частица или молекула адсорбируется на тонопласте, что индуцирует образование в мембране впячивания, в результате которого образуется пузырек, попадающий в вакуоль. После исчезновения мембраны пузырька вещество оказывается в клеточном соке.

Как показывают исследования [Charriere-Ladreix, 1977], отток фенольных соединений из хлоропластов идет в виде агликонов. При попадании в вакуоль происходит их гликозидирование за счет присоединения сахарного остатка, с помощью которого ослабляется токсичность фенольных соединений. Кроме того, переход агликона в гликозид повышает растворимость фенольных соединений в воде и одновременно снижает их растворимость в липидах биомембран, затрудняя обратный выход фенольных соединений из вакуоли через тонопласт.

Кроме фенолов, в пластидах (хлоропластах и лейкопластах) синтезируются алкалоиды, терпены, некоторые углеводороды, многие из которых также могут накапливаться в вакуоли. Накоплению алкалоидов в вакуолях посвящен ряд специальных работ [Мntz, 1984;

Deus-Neumann, Zenk, 1984;

1986;

Бузук, Ловкова, 1986]. Синтез алкалоидов происходит в цитоплазме [Deus-Neumann, Zenk, 1984], а в особых случаях в пластидах или отдельных везикулах [Wink, 1985;

Hartmann, 1985]. Первоначально представления о накоплении алкалоидов в вакуолях основывалось на том факте, что вакуолярный сок имеет кислую реакцию. Согласно этой модели, алкалоиды могут свободно проникать через тонопласт путем диффузии в липофильных слоях. В кислой среде вакуоли алкалоиды протонируются и, следовательно, ловятся как катионы, для которых тонопласт слабо проницаем или вовсе непроницаем [Маtilе,1984]. Кроме того, в иммобилизации алкалоидов могут принимать участие фенольные и другие компоненты клеточного сока, которые образуют с алкалоидами сложные комплексы. Этот механизм, названный механизмом ионной ловушки, подтверждается классическимя наблюдениями с нейтральным красным красителем, механизм поглощения которого, как полагают, аналогичен поглощению алкалоидов [Маtilе, 1984].

Возможноcть попадания алкалоидов в вакуоль через тонопласт путем простой диффузии была подтверждена [Hauser,Wink, 1990] на вакуолях, выделенных из латекса.

Поглощение алкалоидов (9,10-дигидроэргокриптин, винбластин, стрихнин, никотин, колхицин, люпанин и 13-гидроксилюпанин) соответствовало кинетике простой диффузии.

Накопление алкалоидов происходило против градиента концентрации, но АТФ не влияла на поглощение алкалоидов Авторы полагают, что алкалоиды улавливаются посредством хелидоновой кислоты, которая образует комплексы с алкалоидами и предотвращает, таким образом, их диффузию из везикул. Попутно отметим, что концентрация хелидоновой кислоты намного выше в вакуолях (661 мМ), чем в латексе (58 мМ). Таким образом, подтверждается возможность накопления алкалоидов в вакуолях с помощью пассивного механизма.

Сомнения в широком распространении этого явления возникли после опытов с изолированными из культуры тканей вакуолями [Deus-Neumann, Zenk, 198б]. Оказалось, что выделенные вакуоли накапливает только те алкалоиды, которые специфичны для данного растения. Вакуоли, полученные из растений, не синтезирующих данные алкалоиды, были неспособны их накапливать. В этом отношении показательны опыты [Mende, Wink, 1987], в которых изучалось поглощение алкалоидов люпинина (1 оксиметилхинолизидин) и атропина протопластами и изолированными вакуолями из клеток культуры тканей люпина Lupinus polyphyllus, шпината Spinacia oleracea, подмаренника Gallium, белладонны Аtrора belladonna. Люпинин поглощался только вакуолями люпина, а атропин - только аналогичными органеллами белладонны. Вакуоли же других исследованных растений не поглощали ни люпинин, ни атропин. На основе этих данных возникли представления о существовании в тонопласте высокоспецифических для данного вида растения переносчиков алкалоидов, которые функционируют за счет энергии метаболизма.

Имеются сведения [Matern,1987] в пользу того, что для транспорта вторичных метаболитов в вакуоль и фиксирования их там большое значение имеют стеричеокие параметры молекулы. Бузук Г.Н. и Ловкова М.Я. [1986] использовали в опытах алкалоиды различной структуры и показали, что скорость их проникновения в вакуоль значительно отличается и связана с их стериоизомерией. Преимущество стереоизомерной модели в том, что она объясняет проникновение в вакуоль как основных, так и кислых и нейтральных веществ, а также их избирательное накопление. Доказательством справедливости такой модели могло бы быть выделение из тонопласта конформационно и конфигурационно специфических переносчиков.

C помощью специфических блокаторов показано, что транспорт алкалоидов через тонопласт осуществляется не только с помощью пассивного, но и активного механизмов [Бузук, Ловкова, 1986]. При добавлении Mg+2 и АТФ транспорт алкалоидов через тонопласт изолированных вакуолей активировался почти в 30 раз, но он блокировался ингибитором Н+-АТФазы ДКЦД (дициклогексил-карбодиимидом) [Mende, Wink, 1987].

Скорость поглощения алкалоидов вакуолями довольно высока и составляет 0,03 мг алкалоида на I мг вакуолярного белка [Deus-Neumann, Zenk, 1986], что может быть обусловлено как активным, так и пассивным механизмом их транспорта через тонопласт.

Среди секретируемых алкалоидов встречаются физиологически активные, а порой и просто токсические вещества. Остается неясным, почему клетки или органеллы устойчивы к их присутствию. Полагают [Roos, Luckner, 1986], что в этом явлении существенная роль принадлежит асимметрической архитектуре мембран, благодаря которой наружная и внутренняя стороны не одинаково чувствительны к специфическим продуктам обмена. Это было продемонстрировано в опытах с вакуолями латекса чистотела Chelidonium, в которых наблюдали связывание изохинолиновых алкалоидов - сангвинарина и хелеритрина. Оба соединения вызывали лизис изолированных вакуолей, если добавленное их количество превышало аккумулирующую способность этих органелл. Вакуолярная мембрана была более устойчивой, если алкалоиды накапливались только в вакуоли, но повреждалась, если те же вещества аккумулировались снаружи от нее. Проникновение через тонопласт других соединений вторичного обмена изучено плохо.

Для суждения о физиологической роли накапливаемых в вакуоли вторичныых соединений существенно, что они накапливаются нерегулярно и только в определенных видах растений, и они могут выделяться из клеток только после их разрушения. Имеет также место и агрегация секреторных везикул [Blackbourn and Battey, 1993].

Хотя большинство вторичных продуктов запасается в нецитоплазматических компартментах живых-клеток, липофильные вещества могут образовывать капли липидов внутри цитоплазмы. В них могут аккумулироваться каротиноиды, смолы и эфирные масла.

В таких каплях могут быть растворены и другие липофильные вещества, например алкалоиды [Roos, Luckner, 1986]. Подобные капли часто есть и в вакуолях.

1.5. ИДИОБЛАСТЫ Секреторная функция свойственна, как уже указывалось, любой растительной клетке.

Однако в растениях имеются и специализированные клетки (идиобласты), в которых секреторная функция становится основной. Клеточные стенки идиобластов, часто лигнифицируются, и такие клетки напоминают склереиды. Идиобласты рассеяны среди других тканей вегетативных и репродуктивных органов растения и могут значительно отличаться по форме, структуре или содержимому от остальных клеток той же самой ткани [Foster, 1956;

Эсау, 1969]. В специализированных секреторных клетках накапливаются минеральные соли, эфирные масла, смолы, таннины и другие соединения. По внешнему виду и расположению в тканях идиобласты могут быть пигментированными (содержат фенолы или алкалоиды), склереидными (тонкостенные клетки неправильной формы среди каменных клеток плодов груши Pyrus spp, например), кристалл-содержащими (в стрекательных волосках крапивы Urtica dioica или среди клеток родов Philodendron и Идиобласты можно условно разделить и по Dieffenbachia) [Witztum, 1974.].

преобладающему содержанию в них минеральных солей (в основном, соли кальция и кремния, хотя одновременно отмечено присутствие и других веществ, как будет описано далее) или преимущественно органических соединений.

Кристаллические идиобласты. Отложения минеральных солей состоят главным образом из оксалата кальция, карбоната калия и окислов кремния. Наиболее распространены отложения оксалата кальция, который встречается в растениях из многих семейств, и круг растений, в которых такие кристаллы обнаружены, все расширяется [Franceschi and Horner, 1980;

Krisai and Mrazek, 1986;

Franceschi and Nakata, 2005]. Характерные кальций содержащие идиобласты часто встречаются в листьях Citrus sinensis [Scott et al., 1948;

Storey and. Leigh 2004], Amorphophallus (Агасеае)[ Prychid et al., 2008], Agave атeriсапа [Espelie et al., 1982], Beta vulgaris var. cicla [Simpson et al., 2009], Dieffenbachia seguine (Araceae)[ Cote, 2009], в черешках Colocasia esculenta [Masanobu et al. 2003], Impatiens scabrida и I. balfourii [Elias and Gelband, 1977].

Кристаллы кальция могут быть одиночными (ромбоэдры или октаэдры) или иметь сложную структуру, образуя сростки (друзы - звездчатые образования, сфериты, рафиты и др.). В ряде случаев включения оксалата кальция могут быть в форме мелких пирамидальных кристаллов “кристаллического песка” [Соdy et аl., 1985]. Форма кристаллов, но мнению ряда исследователей [Соdy et аl., 1985], отражает свойства среды, в которой растет кристалл, т.е. клеточной вакуоли, поэтому кристаллы являются индикаторами внутриклеточных микроусловий. Полагают также, что форма кристалла является таксономическим признаком [Эсау, 1969].

Клетки, накапливающие оксалат кальция, уже на ранних этапах своего развития отличаются по ультраструктуре от смежных паренхимных клеток богатством цитоплазмы и высоким содержанием клеточных органелл. Кристаллы образуются в особых, окруженных мембраной камерах, которые находятся в вакуолях [Schtz et al., 1970 a,b].

Транспорт оксалата через тонопласт и мембрану камеры осуществляется, по-видимому, с помощью пузырьков, происходящих из элементов эдоплазматического ретикулюма и диктиосом. Экспериментально это было показано для ослинника Oenothera. Возможен и активный транспорт ионов Са2+ при участии ионных насосов, локализованных в мембранах [Васильев, 1977]. После завершения формирования кристаллов вокруг кристаллоносной вакуоли откладывается полисахаридная оболочка, которая может лигнифицироваться или суберинезироваться, причем эта оболочка связывается со стенкой клетки короткой ножкой.

При суберинизации идиобласт отмирает и представляет собой уже мертвую структуру. В остальных случаях протопласт остается живым, хотя количество цитоплазмы и органелл резко сокращается. Предполагается, что в фотосинтезирующих организмах для синтеза оксалата кальция используется гликолиевая кислота, которая образуется в процессе фотосинтеза [Frank, Jensen, 1970;

Frank, 1972].

У разных растений кристаллы оксалата кальция могут различаться по локализации и времени образования. Например, у фасоли Phaseolus vulgaris кальций откладывается в адаксиальной части обкладки сосудистых пучков, а у канавалии мечевидной Canavalia ensiformis - в эпидермисе [Zindler-Frank et al., 1988]. Кристаллоносные клетки у фасоли морфологически не отличаются от других клеток обкладки, а у канавалии представлены высоко-специализированными идиобластами.

Скорость отложений оксалата кальция зависит от вида и фазы развития растения, как показано [Sanchez-Alonso, Lachica,1988] в экспериментах с листьями сливы иволистной Prunus salicina L. и черешни P. avium L. При развитии листа (например, Gleditsia triacanthos) кристаллoносные идиобласты появляются сначала вблизи жилки - начала транспортной системы растения, а затем, по мере взросления листа кристаллы оксалата кальция накапливаются и в других тканях растения [Borchert, 1984]. Общее количество оксалата кальция (в мг на I г сухой массы) составляет в листьях Telfaira hooker (сем.

Cucurbitaceae) в пластинке – 19,2 ;

черешке - 18,8, стебле и усиках - 7,0-7,4 [Okoli, McEuen, 1986].

С использованием меченых С14- предшественников щавелевой кислоты в клетках листа ряски малой Lemna minor показано участие гликолата и глиоксалата в метаболизме оксалата кальция и формировании его кристаллов [Franceaschi, 1987]. Кристаллы оксалата кальция образуются всего за I час экспозиции и только в очень молодых тканях с еще низкой фотохимической активностью. Метаболическим предшественником оксалата является L-аскорбиновая кислота, поскольку L-аскорбат и оксалат синтезируются внутри кристаллов изолированных развивающихся идиобластов клетки (Kostman et al., 2001).

Установлен примерный путь биосинтеза оксалата: D-манноза - L-галактоза аскорбиновая кислота- щавелевая кислота (оксалат). Оксалат происходит из 1 и углеродов аскорбата и синтезируется непосредственно в идиобластах.

Образование оксалата кальция как стабильной, нетоксичной, недиффундирующей формы хранения рассматривается как приспособительный механизм для поддержания низкого уровня кальция в цитоплазме [Franceaschi, 1987]. Присутствие кристаллов оксалата можно также рассматривать как защитное приспособление от поедания травоядными животными [Witztum, 1974].

Состав изолированных идиобластов с кристаллами оксалата кальция из листьев агавы Agave americana изучен Эспелье с сотрудниками [Espelie et al. 1982]. В этих кристаллах были найдены -гидрокси кислоты (32%) и дикарбоновые кислоты (35%), а также C18: дикарбоновые кислоты с доминантным мономером (25%). При окислении нитробензолом в идиобластах обнаружили сиреневый альдегид и ванилин в отношении 0.46:1.

Присутствовали также воска с содержанием свободных жирных кислот до 34%. Клеточные стенки идиобластов были опробковевшими.

Роль кристаллов оксалата кальция в идиобластах полностью не выяснена, но полагают [Cote, 2009], что они участвуют в механическом поддержании структур растений, балансе у них минеральных веществ, депонировании отходовклеток и защите от поедания хищниками. Например, у растения Dieffenbachia seguine (Araceae) кристаллы кальция оксалата в виде рафидов, друз и призм найдены во всех органах, кроме плодов. Причем очень характерными образованиями являются идиобласты бифорины (biforines), клетки, способные образовывать рафиды во всех органах, особенно часто в листьях, покрывале соцветия и пыльниках. Различные органы содержат разные формы идиобластов с кристаллами, которые обычно локализуются среди пыльцевых зерен или под жилками листьев, а также в участках разветвления корней. Гидролитическая активность ферментов характерна для зон проводящих пучков, где находятся скопления везикул-кристаллов оксалата кальция (Семенова, Романова, 2011).

Наиболее известными образованиями карбоната кальция являются цистолиты, которые представляют собой выросты клеточной оболочки, пропитанные этим веществом [Taylor et al., 1993]. Цистолиты или каменные клетки, содержащие цистолиты, обычно образуются базальными или эпидермальными клетками (как у Ficus) или волосками эпидермального происхождения (как у Humulus или Cannabis]. Кальцинированные тела высших растений более детально исследованы в листьях растений семейств Moraceae, Urticaceae, Cucurbitaceae с использованием метода рентгеновской микрорадиографии [Okazaki et al.,1986]. Цистолиты являются обычными на листьях и стеблях крапивы.

Содержание СаСО3, рассчитанное по объему и числу цистолитов составлет 0,4 мг/см2. В форме цистолитоподобных структур карбонат кальция накапливается в клетках, расположенных в основании микроволосков (рис.3) и как инкрустация внутри средней жилки зрелых листьев [Okoli, McEuen, 1986].

Рис.3. Цистолитоподобные структуры в волосках и эпидермальных клетках Telfairia occidentalis (Cucurbitaceae) [Okoli, McEuen, 1986]. А – вид с поверхности, б- вид сбоку.

Онтогенез литоцитов хорошо описан у Ficus elastica [Buvat, 1989]. Так на Рис. 4.

молодая эпидермальная клетка – будущий литоцит – отличается утолщением клеточной стенки, которая растет внутрь клетки, образуя нсжку. Ножка окружена цитоплазмой, которая формирует ее. После образования ножки, цитоплазма начинает выделять пектоциллюлезные компоненты к ее концу, обращенному внутрь цитоплазмы. На эту пектоцеллюлазную основу затем откладывается кальций или кремний. Часто образуется аморфный карбонат кальция с включением кремния. Имеются сведения, что в образовании цистолитов и литоцитов определенную роль играют микротрубочки. Об этом свидетельствуют опыты, в которых разрушение микротрубочек у Pilea cadierei ингибитором микротрубочек колхицином приводит к порокам в образовании цистолитов[Galatis et al., 1989]. Да и само образование литоцита резко деформируется после обработки колхицином.

Окись кремния откладывается в оболочке и полости клеток. При выращивании растений Phalaris canariensis на питательном раствор, содержащем 50 мг/л SiO2, отложения кремния накапливались в эпидермисе и внешнем кортикальном слое клеток корня, в эпидермисе стебля и в волосках шипов листовой пластинки [Hodson, 1986].

Обнаружены отличия идиобластов, содержащих кремний в эпидермисе нижней цветковой чешуи у Сз-растений (Avena, Triticum и др.) и С4-растений (Sorghum и др.). У растений С4 видов идиобластов было больше, чем у Сз-видов, и они отличались по форме клеток. Сз виды имели кремний-cодержащие клетки округлой, эллиптической и серповидной Рис. 4. Цистолиты листьев растений рода Ficus. А. Литоцит с цистолитом верхнего эпидермиса листа Ficus elastica. Рисунок Hiltz, 1951, фрагмент из книги [Buvat, 1989].

1 – цистолит, 2 – ножка, 3 – большая вакуоль, 4 – цитоплазматические тяжи, 5 – цитоплазма. Б. Сканирующая электронная микроскопия цистолита изолированного из листа Ficus retusa. Адаптировано из [Taylor et al., 1993].

формы, С4-виды гантелевидной или крестообразной - [Takeoka et al., 1979].

Физиологический смысл этого явления непонятен. Своеобразным типом кремний содержащих клеток являются так называемые парные клетки у злаков. Они представляют собой две смежные клетки, одна из которых имеет опробковевшую оболочку, а другая окремневшую. Клетка, содержащая в оболочке кремний, рано отмирает, и полость ее заполняется кремнием. Напротив, клетка, стенки которой подвергаются опробковению, богата цитоплазмой и имеет сильно развитый трубчатый агранулярный эндоплазматический ретикулюм, что является характерной чертой активно секретирующих клеток. Полагают [Мирославов, 1974], что SiO2, накапливается в секреторной клетке, которая затем с помощью активного механизма выделяет кремний в соседнюю клетку.

Экологическое значение этого процесса состоит, вероятно, в защите от поедания травоядными животными.

Идиобласты, заполненные органическими соединениями. Идиобласты могут быть заполнены разнообразными органическими веществами. Такие клетки включают слизи или масла, обогащены фенолами (таннинами, антоцианами, флавоноидами), алкалоидами, белками, терпеноидами и др.

Обычными типами секреторных клеток являются идиобласты, накапливающие производные фенолов (танинами, антоцианами, флавоноидами). Слизью, содержащей фенолы, заполнены идиобласты листьев Aloe [Beil and Rauwald, 1993] и идиобласты проростков Raphanus sativus [Nozzolillo and Ishikure, 1988]. Таннины (дубильные вещества) представляют сложные смеси эфиров глюкозы и дигалловой кислоты и заполняют таннин содержащие клетки, например, в моторных органах Mimosa pudica [Buvat, 1989]. Таннины прежде всего появляются в маленьких вакуолях, как это показано для Oenothera [Wiermann,1981]. Затем вакуоли увеличиваются и заполняют всю клетку. В синтезе таннинов могут принимать участие эндоплазматический ретикулюм, тельца Гольджи и пластиды [Wiermann,1981]. Это подтверждено опытами [Zobel, 1986], в которых изучалось распределение фенольных веществ в апексах боковых побегов Sambucus racemosa.

Предшественники фенольных веществ были найдены снаружи от эндоплазматической сети, а часть ферментов синтеза фенолов располагалась на мембранах этих органелл [Zobel, 1986]. Антоцианы, соединения флавоноидной природы, также найдены в слизевых идиобластах проростков редиса Raphanus sativus [Nozzolillo and Ishikura, 1988]. Они могут у этого объекта концентрироваться в вакуоли в виде сферических тел [Yasuda and Shinoda, 1985]. В идиобластах присутствуют и другие фенольные пигменты. Так бесцветные флаваны в рассеянных в листьях идиобластах у Spirodela oligorhiza и Wolffia punctata (Lemnaceae) под влиянием ультрафиолетового света превращаются в красно-бурые пигменты, так называемые флобафено-подобные (phlobaphene-like) cоединения [Witztum, 1974].


В масляных идиобластах обычно присутствуют различные терпены в смеси c другими соединениями, чаще всего с углеводородами, спиртами, кетонами и комплексом веществ в виде смол. (Иногда такие клетки существуют рядом со слизевыми секреторными структурами [Baas and Gregory, 1985]). Особенно широко распространены идиобласты, содержащие эфирные масла. Они найдены у представителей более чем 20 семейств:

Magnoliaceae, Annonaceee, Canellaceae, Hernandiaceae, Illinaceae, Lauraceae, Myristicaceae, Piperaceae, Araceae, Aristolochiaceae, Saururaceae, Labiatae, Onagraceae, Rutaceae, Simaroubaceae, Valerinaceae и др. [West, 1969]. Масляные идиобласты встречаются в верхушках стебля и листьях Annona muricata [Bakker and Gerittsen, 1990] и листьях Croton tiglium и С.glandulosus [Муравьева, Гаммерман,1974], причем у последних видов масла включают алкалоиды. Масляные идиобласты отличаются от несекретирующих клеток крупным ядром, сильно развитым агранулярным эндоплвзматичеоким ретикулюмом, который, как полагают [Васильев, 1977;

Денисова, 1989], принимает участие в биосинтезе терпенов. В терпеноидных клетках много митохондрий, снабжающих энергией процессы синтеза и выделения секрета в вакуоль. Для таких клеток также характерно развитие пластидного аппарата, состоящего из многочисленных лейкопластов [Васильев, 1977]. В специализированных секреторных клетках терпеноиды сначала накапливаются в протоплазме в небольшом количестве, а затем поступают в вакуоль. Клеточные стенки идиобластов рано опробковевают и содержащейся в клетке секрет изолируется целлюлозной или субериновой оболочкой от соседних клеток. В зрелых органах большинства растений идиобласты уже лишены живого содержимого, а целлюлезная оболочка, пропитанная суберином, продолжается в виде выроста внутрь секреторной клетки и образует ножку, за которую содержащая масло вакуоль (масляный сак) прикреплена к оболочке [Postek, Tucker, 1985]. Иногда у масляных клеток (например, Magnolia grandiflora) такой ножки нет, субериновый слой развивается позже и продолжается внутрь масляной клетки [Postek, Tucker, 1985]. У многих растений масляные идиобласты хорошо изучены. К таким видам относится копытень европейский Asarum europaeum (семейство Aristolochiaceae), у которого вместилища эфирного масла крупной изодиаметрической формы располагаются среди паренхимной ткани. Капля эфирного масла находится в них в тонкослойном мешочке, связанным с ножкой стерженьком, пропитанным кутином. Количество масляных клеток в эпидермисе составляет на I мм2 в лепестках в среднем 97, листовой пластинке 19, черешках и корневищ 44 [Суслова, Шарыгина, 1968]. По данным этих же авторов наибольшее количество эфирного масла продуцируют корневища и корни копытня Аsarum, достигая 2,13- 3,69 % от абсолютно сухой массы. В листовых пластинках этого растения накапливается всего 0,1 % от абсолютно сухой массы. По данным Озаровски [Ozarowski, 1956] эфирное масло копытня, кроме терпеноидов, содержит азарон 30-50 %, азариловый альдегид 3-3 %, метилэвгенол 15-20 %, смолы 10-12 %, диазарон, сесквитерпеновый спирт, - пинен в общем до 1-2 % абсолютно сухой массы. В модельных опытах in vitro накопление масла у подсолнечника Helianthus регулируется микросомами [Stobart et al., 1986]. Кроме летучих терпенов, у представителей семейства Verbenaceae, таких как Lantana camara, в идиобластах листьев идентифицированы нелетучие соединения терпеноидной природы, которые накапливаются в онтогенезе этих секреторных клеток [Moura et al., 2005]. Секреторные клетки такого типа происходят из основных меристематических клеток, которые дифференцируются в идиобласты на стадии листьев третьего яруса, но начинают активно секретировать на стадии листьев четвертого яруса. Следует отметить, что в латексе растений рода Euphorbia отмечен синтез тритерпенов [Groeneveld et al., 1987].

Для некоторых групп растений характерно накопление в идиобластах алкалоидов.

Например, у Ruta graveolens в корнях и суспензионной культуре обнаружены однотипные идиобласты, содержащие акридоновые алкалоиды [Eilert et al., 1986]. Отличительной чертой этих идиобластов является наличие в центре клетки скопления мелких вакуолей, которые имеют характерную для акридоновых алкалоидов оранжевую флюоресценцию при возбуждении ультрафиолетовым светом [Кузовкина и др., 1975;

Eilert et al., 1986;

Roshchina, 2008] и окрашиваются пермангонатом. Такие идиобласты флуоресцируют в желто-оранжевой области спектра. В работе, выполненной Неманом и Муллером [Neumann, Muller, 1972] на растениях Sanguinaria canadensis, показано, что при избытке в клетках алкалоида сангвинарина и бензофенантридиновых алкалоидов они запасаются в идиобластах. Идиобласты клеточной культуры Peganum harmala, содержащей в питательной среде 2,4-дихлорфеноксиуксусную кислоту, синтезировали и накапливали карболиновые алкалоиды и серотонин, известный нейротрансмиттер животных [Khafagi, 2007]. Алкалоиды также содержали идиобласты корней, каллюс и семена [Khafaqi, 2007].

Элептической формы идиобласты имели большую центральную вакуоль, где и концентрировались эти соединения. Индольные алкалоиды в губчатой паренхиме листа Catharanthus roseus флуоресцируют в желтой области спектра под ультрафиолетовым светом люминесцентного микроскопа, и их легко различить среди красной эмиссии хлорофилл-содержащих клеток [Mersey and Cutler, 1986;

St-Pierre et al., 1999] Следует также отметить, что идиобласты являются местом накопения стероидных гликозидов, которые широко распространены в растениях. В листьях Diosсorea deltoidea присутствуют водорастворимые фуростаноловые гликозиды. Они локализованы в идиобластах, расположенных с обеих сторон листа [Гуриелидзе и др., 1988]. На срезах, обработанных реактивом Эрлиха, они выглядят в виде окрашенных в малиновый цвет клеток (Рис.5).

Идиобласты могут быть заполнены и слизью. Химический состав слизи у разных растений различен (см. раздел 3.4). У некоторых из них, например, у слизевых идиобластов корней Actinidia, этот секрет обогащен белками [Wang et al., 1994]. В растениях, относящихся к семействам Cactaceae, Сrassulaceae, Orchidaceae, в секреторных клетках накапливаются полисахариды в виде слизи, которая чаще всего секретируется в пространство между оболочкой и плазмалеммой, постепенно оттесняя протопласт к центру клетки. При этом уменьшается объем как цитоплазмы, так и вакуоли. В конце концов, полость клетки может целиком заполниться слизью, и клетка отмрет. Возможно, что секреция слизи происходит и в вакуоль [Васильев, 1977]. Тогда разбухшая вакуоль отодвигает протоплазму к оболочке. По данным О.В. Яковлевой [I988], исследовавшей ультраструктуру слизевых клеток эпидермиса 85 видов растений из 15 семейств, можно выделить три типа клеток по локализации секрета в полости клетки (вакуоль или свободное пространство), в межклетниках, или одновременно в обеих полостях - в полости клетки и межклеточниках. Автор предполагает, что выделение секрета за пределы клетки в межклеточники происходит через контакт тонопласта с плазмалеммой, что характерно и Рис.5. Продольный срез эпидермиса листа Dioscorea deltoidea (увеличение в 140 раз).

Идиобласты с олигофуростанозидами выглядят как темные клетки [Гуриелидзе и др., 1988] для солевых клеток (см. раздел 3.2.). Содержание слизи подвержено сезонным колебаниям;

наибольшее количество отмечено зимой, снижено весной и достигает максимума летом [Distelbarth, Kull, 1985].

Секретирующие слизь клетки разных растений, пока сохраняются живыми, имеют сходную структуру, характерную для всех секреторных клеток Они богаты цитоплазмой, имеют сильно развитый аппарат Гольджи, многочисленные митохондрии с хорошо развитыми кристами [Васильев, 1977]. Кристаллы слизи часто обнаруживаются в идиобластах корней различных видов актинидий Actinidia hemsleyana, A. eriantha, A.rufa, A.chinensis [Wang et al., 1994]. Показано, что кристаллы (рафиды) слизи образуются первоначально в маленьких вакуолях, которые потом диффундируют в центральную вакуоль, где слизь далее аккумулируется вокруг таких рафидных тяжей. Идиобласты со слизью образуются преимущественно в паренхимных тканях разных органов, а также в эпидермисе стеблей, листьев. Слизевые клетки почти всегда присутствуют в генеративных органах - лепестках, цветоложе, тычиночной трубке, столбике.

Кроме специализированных слизевых клеток, в эпидермисе листа двудольных растений есть и такие, которые по форме и размерам отличаются от других клеток покровной ткани, но секретируют слизь. Так, если листья туи Thuja occidentalis накапливают слизь в идиобластах, то у тисса Taxus facсata - в вакуолях мезофильных клеток [Distelbarth, Kull, 1985] Рис.6. Сесквитерпеновые лактоны в масляных идиобластах растений сем. Magnoliaceae. 1 – костунолид-1, 10 эпоксид (магнолид), 2. – сантамарин. 3- михенолид. 4.- михелиолид. [Caniato, Cappelletti, 1984].

Идиобласты, содержащие полиизопрен гутту (см. раздел 2.3.2), часто встречаются в коре стебля Euсommia ulmoides [Tian et al.,1990]. Эти структуры образуются из меристематических клеток коры, на той стадии, когда прокамбий дифференцируется в первичные ситовидные элементы протоксилемы. Частицы гутты синтезируются и аккумулируются в цитоплазме, где одновременно с этим деградируют органеллы [Tian et al.,1990].

Из других видов секреторных клеток известны идиобласты, содержащие сесквитерпеновые лактоны [Caniato, Cappelletti, 1984], которые особенно распространены в растениях из семейства Magnoliaceae (Рис.6). Идиобласты с латексом внутри найдены в листьях и семенах родов Duidaea, Quelchia [Metcalfe, 1967]. В идиобластах встречаются и весьма редкие соединения. Так в идиобластах мужских и женских (пестичных) шишек представителей семейства Zamiaceae (распространенных в тропических влажных лесах и во влажных субтропических областях Америки) найден нейротоксин 2-амино-З (метиламино) - пропеновая кислота [Vovides, 1991]. Полагают, что этот токсин может принимать участие во взаимоотношениях растений с насекомыми.

Идиобласты и связанные с ними секреторные вместилища растений из семейства Myrsinaceae, в частности корнях и ксилеме стеблей Myrsine laetevirens (Mez) Arechav, включают гидроксибензохинон и его производные (рапанон-главный компонент) [Otegui et al., 1998]. Причем вместе с этими соединениями в составе секреторных структур присутствуют липиды. Гидроксибензохиноны в виде оранжевых кристаллов откладываются на поверхности плодов и семян. Синтез соединений, как предполагается, происходит в пластидах, эндоплазматическом ретикулюме и вакуолях 1.6. СЕКРЕТИРУЮЩИЕ МИКРОСПОРЫ Растительные микроспоры представляют собой одиночные клетки, покрытые многослойной защитной оболочкой, поверхностная часть которой называется экзиной, а внутренняя – интиной [Stanley and Linskens, 1974;

Поддубная-Арнольди, 1976;

Сергиевская, 2002]. Это - одноклеточные системы, участвующие в процессах размножения и активно секретирующие метаболиты в окружающую среду. C точки зрения механизмов клеточного выделения веществ, описанных в разделах 1.3 и 1.4, в микроспорах происходят те же этапы секреции в свободное пространство и в вакуоль. В пыльце разных видов подробно изучен экзоцитоз (см. далее).

Микроспоры способны к быстрому делению и росту при культивировании на искусственных средах. Такие клетки весьма чувствительны к выделениям других клеток и могут служить биосенсорами на определенные компоненты секретов, которые участвуют в узнавании и рецепции [Рощина, 2006;

Roshchina, 2005b;

2007a;

2008]. Структуры таких клеток удобны для прижизненного анализа с помощью новейшей аппаратуры (лазерной сканирующей микроскопии, микрофлуориметрии, микроспектрофотометрии и др.) и используются в клеточной биологии.

Ниже будут рассмотрены в качестве одиночных секретирующих клеток вегетативные и генеративные (пыльца) микроспоры.

Вегетативные микроспоры. Вегетативные микроспоры споровых растений (папортников, хвощей и др.) представляют собой клетки с двойным набором Рис. 7. Вегетативные микроспоры хвоща полевого Equisetum arvense [Рощина, 2006;

и неопубликованные данные]. А.– рисунок споры, Б - ее автофлуоресценция под люминесцентным микроскопом. Бар = 20 мкм. В. светло-зеленая флуоресценция секрета вокруг темной споры после обработки глиоксилатом. Возбуждение эмиссии 360-380 нм.

хромосом в ядре. Они служат для размножения и способны к автотрофному питанию при прорастании, поскольку содержат хлоропласты, где осуществляется фотосинтез. Споры хвоща полевого имеют элатеры - гибкие структуры, служащие для прикрепления спорык субстрату- почве (Рис.7). Они легко прорастают на искусственных питательных средах или просто в воде. Одноклеточная спора, сбросив жесткую оболочку-панцирь, делится пополам, и одна из клеток дает начало многоклеточному таллому, а другая ризоиду, с помощью которого этот таллом прикрепляется к почве. Для вегетативной микроспоры Equisetum arvense характерно изменение цвета флуоресценции при возбуждении ультрафиолетовым светом люминесцентного микроскопа с голубой (у непроросшей споры) на красную (у развивающейся споры) [Рощина и др., 2002;

Roshchina et al., 2004].

Увеличение красной эмиссии почти в два раза по сравнению с непроросшей спорой происходит за счет усиления синтеза хлорофилла и азуленов после смачивания сухих микроспор водой. Наблюдение прорастания микроспор хвоща проводят, отмечая деление клеток и появление ризоида просто под обычным микроскопом или по флуоресценции под люминесцентным микроскопом [Roshchina, 2007b;

2008]. Вегетативные микроспоры хвоща полевого Equisetum arvense, смогут быть наиболее удобной моделью для разных клеточных исследований [Рощина, 2006].

В вегетативных микроспорах хвощей и папортников обнаруживаются физиологически активные соединения, стимулирующие или ингибирующие рост и развитие – такие как стерилпиронгликозиды [Veit et al., 1995] и азулены [Roshchina, 2008], а также разнообразные ферменты гидролазы (эстеразы, холинэстераза) [Roshchina, 2004, Буданцев, Рощина, 2004;

2005;

Budantsev, Roshchina, 2007;

Roshchina, 2009].

Холинэстеразы выделяются из клеток. Показано, что микроспоры хвоща выделяют катехоламины при смачивании (реакция с глиоксалатом на рис.7 В.) [Рощина и др., 2011].

В целом, состав выделений вегетативных микроспор пока еще слабо изучен.

Генеративные микроспоры (пыльца). Пыльцевые зерна являются генеративными микроспорами или мужским гаметофитом семенных растений. Женским многоклеточным гаметофитом является пестик, обладающий рецепторами к выделениям пыльцы. При смачивании водой или секретом пестика пыльца выделяет секрет наружу (капли секрета на Рис.8). Узнавание своей, а не чужеродной пыльцы, происходит на поверхности рыльца пестика, тоже выделяющего секрет, который может стимулировать прорастание пыльцевого зерна. В отличие от вегетативных микроспор споровых растений пыльца содержит только одинарный набор хромосом в ядре, и при прорастании, когда появляется амебо-подобный вырост - пыльцевая трубка, образует мужские гаметы – спермии.

Спермии движутся к концу пыльцевой трубки. Если пыльца проросла на рыльце пестика (женском гаметофите), пыльцевая трубка проникает в семязачаток к яйцеклетке, и один из спермиев сливается с яйцеклеткой [Webb, Williams, 1988]. В результате образуется зигота, содержащая уже двойной набор хромосом, из которой развивается зародыш семени.

Рис. 8. Флуоресцирующаям пыльца (генеративные микроспоры) семенных растений под лазер-сканирующим конфокальным микроскопом [Roshchina et al., 2011]. Лазер 405 нм Сухая (а) и секретирующая после смачивания водой (б) пыльца лилии гибридной Lilium spp. Бар = 100 мкм. Сухая (в) и секретирующая после смачивания водой (г) пыльца цикория обыкновенного Cichorium intybus L. Бар = 10 мкм. В секретирующих образцах видны капли секрета.

Секреция в пыльце семенных растений, как в и соматических клетках, может происходить в свободное пространство зрелой микроспоры или в вакуоли при созревании пыльцевого зерна в пыльнике (большая вакуоль созревающего пыльцевого зерна после первого митоза разделяется на маленькие вакуоли [Yamamoto et al., 2003]). Компоненты секреторных путей обнаружены и подробно исследованы у пыльцы ряда растения, в частности у лилии [Ibrahim et al., 2002] и арабидопсиса [Yamamoto et al., 2003]. Пыльца секретирует белки и липофильные соединения наружу через свободное пространство клетки между протоплазматической мембраной и сложной клеточной оболочкой уже в первые минуты после смачивания [Stanley and Linskens, 1974]. Прорастающая пыльца и особенно апикальная часть пыльцевой трубки осуществляют экскрецию путем экзоцитоза [Camacho and Malho, 2003;

Parton et al.,2001;

2003;

McKenna et al., 2009].

В секретах пыльцы есть вещества, участвующие в узнавании пестиком пыльцы, а также вещества, участвующие во взаимодействии пыльцы разных видов. Cреди них ацетилхолин и гистамин, к которым в пестиках существуют рецепторы, аналогичные соответственно холинорецепторам и гистаминовым рецепторам животных [Roshchina, 2001a]. Холинэстеразная активность (фермент холинэстераза катализирует гидролиз ацетилхолина) найдена в вегетативных микроспорах хвоща полевого и в пыльце более чем 25 видов растений [Roshchina et al., 1994;

Roshchina, 2001a,b;

Roshchina, 2004, Буданцев, Рощина, 2004, 2005;

Roshchina, 2007a;

Budantsev, Roshchina, 2007]. Скорость гидролиза ацетилхолина этими объектами сравнима с той, что наблюдается в клетках животных. В хеморецепции принимают участие и собственно пыльцевые зерна, которые могут распознавать чужеродную пыльцу по ее секрету. В этом случае рассматривается химическое взаимодействие пыльцы разных видов на рыльце пестика. Такое взаимодействие называют пыльцевой аллелопатией [Murphy, 2007]. Кроме соединений, участвующих в хеморецепции, в составе пыльцевых секретов есть и соединения, стимулирующие или ингибирующие прорастание пыльцы. Это - белки, такие как лектины, гидролазы, пероксидаза и др. [Поддубная-Арнольди, 1976;

Stanley and Linskens, 1974;

Ковалева, 1994;

Ковалева и др., 1999] или флавоноиды [Stanley and Linskens, 1974;

Murphy, 1992]. Среди биологически активных компонентов пыльцы, действующих и на животные организмы (в частности на привлечение насекомых), известны половые гормоны тестостерон и его производные [Saden-Krehula et al., 1971]. Особую роль играют выделения пыльцы как аллергены, что весьма существенно для здоровья человека [Puc. 2003].

Аллергенами могут быть как белковые соединения, так и биогенный амин гистамин, найденные в пыльцевых зернах [Stanley and Linskens, 1974].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные физиологические функции клетки сосредоточены в цитоплазме с включенными в нее органеллами. Эта активная часть клетки отграничена от оболочки внешней цитоплазматической мембраной - плазмалеммой, а от вакуоли - внутренней мембраной тонопластом. Если в процессе метаболизма возникает избыток какого-либо соединения (который может привести к нарушениям нормально протекающих реакций), то избыточные метаболиты эвакуируются путем экзоцитоза.

Внутриклеточная секреция - эволюционно обусловленный путь удаления избытка метаболитов, не являющихся необходимыми в данный момент для функционирования цитоплазмы. Продуктами внутриклеточной секреции в большинстве случаев являются соединения, образованные в процессе фотосинтеза, и основное место их образования мембраны хлоропластов, хотя некоторые из них синтезируются и в других органеллах:



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |
 

Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.