Апопласт и симпласт

Минеральные вещества в виде ионов вместе с водой поглощаются растением из почвы через корневые волоски и другие эпидермальные клетки, расположенные вблизи кончика корня. Во время миграции по растению поглощенные ионы могут диффундировать через апопласт или симпласт (рис. 7.14). В состав апопласта входят влажные стенки всех клеток растения и межклеточное пространство. Стенки смежных клеток находятся в физическом контакте, и, за исключением нескольких специализированных участков, таких, как пояски Каспари, все они образуют непрерывную зону, через которую вода и ионы могут диффундировать свободно, не встречая на своем пути барьеров проницаемости. В связи с этим такие клеточные стенки называют иногда свободным пространством, хотя их отрицательный заряд может оказывать влияние на относительное движение ионов.

Рис. 7.14. Схематическое изображение, показывающее апопласт и симпласт на поперечном срезе корня. Более темные зоны (клеточные стенки, межклетники и неживые клетки ксилемы) составляют апопласт, тогда как светлые зоны, состоящие из цитоплазмы, плазмодесм и транспортных клеток флоэмы, образуют симпласт. Вакуоль не является составной частью ни той, ни другой системы. Пояски Каспари нарушают непрерывность апопласта. Поэтому все ионы, поглощенные корневыми волосками, должны пересечь плазмалемму на участках (а, б, в), находящихся слева от пояска Каспари, в результате чего они проникают в симпласт. После пересечения пояска Каспари ионы вновь должны пройти через плазмалемму, чтобы проникнуть в ксилемный элемент и транспортироваться вверх к побегу. (U. Luttge, в книге Membrane Transport in Plants; U. Zimmerman, J. Dainty, eds., Berlin, Springer-Verlag, 1974, с изменениями.)

Плазмалемма, окружающая каждый протопласт, отделяет апопласт от симпласта. Последний включает: а) связанную с мембраной цитоплазму вакуолизированных клеток; б) мостики, соединяющие большинство клеток высшего растения друг с другом, и в) транспортные клетки флоэмы. Вспомните, что цитоплазматические мостики, называемые плазмодесмами, пронизывают клеточные стенки (см. рис. 2.33), давая тем самым возможность молекулам мигрировать от одного протопласта к другому, не пересекая плазмалеммы и не диффундируя через клеточные стенки.

У нас нет достаточно обширной и точной информации об относительном использовании симпластного и апопластного путей передвижения отдельных молекул или ионов. Наши выводы опираются главным образом на косвенные данные, т. е. основаны на индуктивном мышлении. Стенки многих клеток, участвующих в интенсивном обмене метаболитами, содержат многочисленные плазмодесмы, например стенки между мезофиллом и клетками обкладки сосудистых пучков у некоторых C₄-растений (см. гл. 4). Предполагается, что движение ионов и метаболитов в таких зонах происходит по плазмодесмам.

У водного растения Vallisneria как ⁸⁶Rb⁺ (аналог K+), так и ³⁶Cl^- транспортируются по симпласту. После нанесения этих радиоактивных изотопов на один конец отрезанной части листа, плавающего на воде, они были обнаружены на другом ее конце без потери метки в окружающем растворе. Поскольку у Vallisneria отсутствует кутикула и непрерывные клеточные стенки соприкасаются с окружающим раствором, сделано заключение, что движение ионов у этого плавающего на воде растения происходит исключительно по симпласту.

Относительно симпластного транспорта у наземных растений имеется меньше сведений. Одним из путей получения такой информации было бы определение ультраструктурными методами, какие молекулы локализованы в плазмодесмах. Подобные опыты на зараженных вирусами растениях показывают, что вирусные частицы передвигаются по плазмодесмам. У большинства растительных вирусов диаметр частиц колеблется от 20 до 80 нм. Внешний диаметр плазмодесмы находится в этих пределах (см. рис. 2.33). Поэтому мелкие вирусные частицы могут проходить по открытой плазмодесме, не изменяя ее структуры. Однако более крупные частицы, по-видимому, изменяют размеры и форму плазмодесм, расположенных между клетками растения-хозяина.

Решение вопроса о том, движутся ли растворенные молекулы по плазмодесмам, связано с чрезвычайно большими техническими трудностями. Фиксаторы, используемые для подготовки растительных тканей с целью изучения их с помощью электронного микроскопа, непригодны в данном случае, так как они могут растворять и перемещать многие ионы. Чтобы обойти эту трудность, можно обработать ткань реактивом, осаждающим некоторые ионы до фиксации. Например, нитрат серебра (AgNO₃) можно использовать для фиксации местоположения хлорид-иона, поскольку Ag⁺, взаимодействуя с Cl^- в ткани, образует нерастворимую соль AgCl, обладающую высокой электронной плотностью. Этим методом ионы Cl^- удалось обнаружить в плазмодесмах Limonium (рис. 7.15). Другие разработанные недавно методы включают быстрое замораживание растительной ткани при очень низкой температуре с целью иммобилизации ионов, которые затем можно обнаружить и локализовать с помощью электронного микроскопа. В этом приборе ткань подвергается бомбардировке пучком электронов с высокой энергией. Когда активированные таким образом элементы вновь возвращаются на свой исходный энергетический уровень, они испускают рентгеновские лучи. Частота этих лучей характерна для каждого элемента. Поэтому количественный анализ испускаемых рентгеновских лучей позволяет обнаружить любой элемент. Подобные методы уже использовались для наблюдений за передвижением калия и хлора в замыкающие клетки и из них при открывании и закрывании устьиц (см. рис. 6.14), а также в моторные клетки двигающихся листьев и из них (см. рис. 12.8). Применение этих методов на ультраструктурном уровне дало бы количественную информацию о передвижении ионов по апопласту и сим пласту.

Рис. 7.15. Выявление хлорида в клетках солевой железки галофита Limonium vulgare с помощью его осаждения. Черные точки представляют молекулы AgCl. Обратите внимание на высокую концентрацию AgCt в разветвленных плазмодесмах, соединяющих клетку ситовидной трубки с клеткой-спутницей. (H. Ziegler, in: Membrane Transport in Plants; U. Zimmerman, J. Dainty, eds., Berlin, Springer-Verlag, 1974.)

Мы мало знаем о силах, управляющих движением ионов по плазмодесмам. Некоторые физиологи растений полагают, что плазмодесмы представляют собой открытые поры, через которые ионы быстро диффундируют, причем скорость и направление нетто-движения определяются исключительно размерами пор и разностью концентрации тех или иных ионов внутри и снаружи клеток. Сейчас невозможно проверить, правильна ли эта интерпретация. У некоторых растений плазмодесма имеет два отдельных канала (см. рис. 2.33): внутреннюю часть центральной деомотрубочки и цитоплазму, лежащую между десмо-трубочкой и мембраной, отграничивающей плазмодесму. Не известно, диффундируют ли растворы по обоим этим каналам и какова роль каждого канала.

До недавнего времени лишь немногие физиологи растений признавали важность симпластного транспорта. Объясняется это главным образом тем, что до появления электронного микроскопа плазмодесмы было трудно увидеть. Сейчас исследователи во многих лабораториях уделяют большое внимание таким аспектам, как ультраструктура и электрические свойства плазмодесм, а также локализации в них ионов. Мы вправе ожидать, что в ближайшем будущем наше понимание симпластного транспорта станет значительно более глубоким.