Абсцизовая кислота - гормон стресса

Для того чтобы выжить в условиях изменяющейся окружающей среды и постоянных неблагоприятных воздействий, зеленое растение должно обладать способностью в нужный момент останавливать или начинать свойственные ему разнообразные физиологические процессы. Почки должны быть способны не только к росту при наступлении благоприятной погоды весной, но и к снижению активности и подготовке к суровым условиям приближающейся холодной зимы или длительного засушливого периода. Чтобы растение могло пережить такие периоды, подготовка к ним должна быть проведена заблаговременно, поскольку иногда адаптация связана с образованием новых веществ (воск), новых тканей (перидерма) или новых органов (чешуи почки). Поэтому у растения должна существовать система, чувствующая и предвидящая наступление неблагоприятного периода.

Рассмотрим, как листопадное дерево северной умеренной зоны реагирует на приближение зимы. Обследование покоящегося зимнего побега показывает, что нежная верхушечная точка роста защищена от внешнего мира несколькими способами (рис. 10.9). Обычно она окружена пучком хлопковидного изолирующего материала, состоящего из волосистых органов, представляющих собой видоизмененные листовые зачатки почки. В узлах вместо обычных развертывающихся листьев имеются, маленькие утолщенные почечные чешуи, между которыми совсем нет междоузлий. Поэтому почечные чешуи, подобно черепицам, частично перекрывают друг друга и тесно прижимаются одна к другой, образуя плотно прилегающий защитный чехлик вокруг каждой обособленной точки роста. Кроме того, чешуи покрыты похожим на лак материалом, который надежно защищает почку от влаги и обеспечивает ее дополнительную изоляцию от окружающей среды.

Рис. 10.9. Зимние почки конского каштана (Aescus hippocastanum) с защитными приспособлениями для перенесения зимних условий. А. Вид снаружи - липкие внешние чешуйки. Б. Продольный разрез - перекрывающие друг друга почечные чешуйки окружают плотно упакованные молодые листочки, покрытые в центре пуховым покровом. В. Два молодых пальчатых листочка были расправлены, чтобы показать толстый защитный пуховый покров

Все листья ниже верхушечной почки опадают, и образовавшиеся на месте их первоначального прикрепления к стеблю листовые рубцы покрываются пробковым слоем, эффективно закупоривающим разорванные сосудистые пучки и клетки вокруг них. Наконец, камбий в стволе переходит в состояние покоя, а паренхимные клетки ксилемы и флоэмы создают очень высокие концентрации осмотически активных веществ и претерпевают другие химические изменения, что позволяет им переносить воздействия низких температур. Метаболические процессы, хотя и продолжаются, идут с очень низкой скоростью. Растение находится в состоянии покоя.

Покой бывает двух типов. Многие деревья умеренной зоны растут лишь в течение нескольких недель после начала ростаг а затем вступают в период, называемый летним покоем. В этот период не наблюдается дальнейшего роста, хотя условия для этого благоприятны и фотосинтез протекает интенсивно. При этом отмечается высокая метаболическая активность, благодаря которой в апикальных почках образуются листья и цветки, распускающиеся на следующий год. Причины возникновения летнего покоя не известны, но возможно, что оно обусловлено действием ингибиторов роста. Летний покой можно прервать внесением высоких доз удобрений, хорошей влагообеспеченностью или дефолиацией, вызванной поражением растения насекомыми. Сокращение длины дня в конце лета приводит к тому, что многие деревья вступают в период глубокого покоя, который можно прервать только после воздействия на них низкими температурами в течение зимы. Изменение фотопериода каким-то образом улавливается листьями, что вызывает образование в них ингибирующих рост веществ и одновременное снижение синтеза активирующих рост гормонов, т. е. метаболизм дерева переключается на уровень, соответствующий состоянию зимнего покоя.

С наступлением весны растение сталкивается с другими тактическими задачами. В самом деле, если ингибиторы выключили синтетический аппарат клеток в точке роста, то каким обраразом он включается вновь? Этого можно достичь либо постепенным разрушением ингибитора (механизм, представляющий своего рода химические песочные часы, в которых скорость убывания ингибитора хорошо регулируется продолжительностью периода зимних морозов), либо образованием вещества, действующего как метаболический конкурент ингибитора и благодаря абсолютному количественному перевесу преодолевающего влияние последнего. Растение, по-видимому, использует оба этих способа.

Открытие абсцизовой кислоты

Опыты, проведенные разными исследователями, показали, что выдерживание листьев на коротком дне приводит к образованию зимующих почек. Стало ясно, что в этот процесс вовлечен какой-то гормональный сигнал. Путем последовательной очистки экстрактов из березы (Betula) и их анализа с помощью биотестов на состояние покоя П. Ф. Уэринг и его сотрудники (Aberystwith, Wales) обнаружили несколько индуцирующих покой соединений. Вещество, производящее наибольший эффект в этом отношении, называется теперь абсцизовой кислотой (АБК; рис. 10.10). Такое название было дано ему потому, что примерно в то же время Ф. Т. Аддикотт и его сотрудники в Калифорнии установили, что с этим веществом связано опадение (abscission) коробочек хлопчатника. В общем АБК, по-видимому, играет незначительную роль в опадении листьев, так что это название не совсем подходит для данного вещества.

Рис. 10.10. Структурная формула абсцизовой кислоты

В течение ряда лет роль АВК в стимулировании покоя деревьев была предметом полемики. Внесение АБК задерживает распускание почек, если покой был прерван низкими температурами (рис. 10.11). Однако если определять содержание АБК в деревьях на протяжении целого сезона или при различных условиях роста, то высокие уровни АБК не всегда коррелируют с покоем и наоборот. Например, было установлено, что у яблони содержание АБК в активно растущих верхушках побегов выше, чем в покоящихся. В то же время у сливы и у винограда, как показали анализы, максимальное содержание АБК совпадает с максимальной глубиной зимнего покоя. Эти, казалось бы, противоречивые результаты, вероятно, можно объяснить с помощью концепции гормонального баланса, т. е. путем определения количества ингибирующей АБК по отношению к стимулирующим рост гормонам - гиббереллинам и цитокининам. Так, у клена (Acer) наибольшее количество АБК содержится в молодых побегах, тогда как уровень гибереллина ниже всего на коротком дне. АБК, присутствующая в побегах, вероятно, индуцирует покой в условиях короткого, а не длинного дня, когда высокие уровни гиббереллина могут преодолеть эффекты, вызванные АБК.

Рис. 10.11. Обработка абсцизовой кислотой замедлила пробуждение почек у черенков ясеня белого. Слева направо: контроль, 0,4 ч. на млн., 2,0 ч. на млн., 10,0 ч на млн. абсцизовой кислоты. Снимок сделан через 22 дня после обработки. (Little, Eidt. 1968. Nature, 220, 498-499.)

Мы не знаем, каким образом осуществляется генетический контроль летнего покоя. У одних деревьев разворачиваются только те листья, которые находятся в ранее сформировавшихся почках, после чего закладываются новые почки; у других же деревьев образование листьев прекращается лишь в середине лета. Условия среды, как, например, водный стресс, безусловно способствуют летнему покою, о возможностях же гормонального контроля нам известно очень мало. У ивы (Salix) содержание АБК резко возрастает в июле, непосредственно перед прекращением роста. Однако у других видов никакой четкой закономерности в этом отношении отмечено не было. Зимний покой обычно прерывается, если в течение нескольких недель температуры несколько превышают температуру замерзания воды. Предполагается, что этот период связан с разрушением АБК. Но когда измеряют общее содержание АБК, часто не находят никакой разницы между контрольными и опытными растениями. Действие холодного периода можно объяснить скорее тем, что в ходе его возрастающие количества АБК постепенно превращаются в глюкозид абсцизовой кислоты. Это может быть способом изолирования или инактивации АБК. При прерывании покоя содержание различных веществ, активирующих этот процесс, также возрастает. Они, по-видимому, нейтрализуют действие присутствующей в растении АБК (рис. 10.12). Поэтому данное состояние почки можно рассматривать как результат достигнутого равновесия между активирующими гормонами и АБК. Последняя обычно функционирует лишь тогда, когда содержание активирующих гормонов, таких, как гиббереллин, снижается под воздействием короткого дня.

Рис. 10.12. В ксилемном соке ивы обнаруживается высокое содержание АБК зимой, когда побеги находятся в состоянии покоя, а также летом в период прекращения роста. Нарушение покоя весной связано с уменьшением концентрации АБК и увеличением концентрации цитокинина в ксилемном соке. Периоды распускания цветочных и листовых почек (указаны стрелками) совпадают с двумя пиками содержания цитокинина. (Alvim. 1976. Plant Physiology, 57, 474-476.)

Гормоны, прерывающие покой, очевидно, синтезируются, а АБК разрушается непосредственно в тканях самой почки. Таким образом, если воздействию холодом подвергнуть лишь некоторые почки на дереве, то они при перенесении в тепло начинают расти, тогда как остальные, не выдержанные на холоде, почки продолжают оставаться в состоянии покоя. Это ясно показывает, что прерывание покоя в отличие от его начала не контролируется гормонами, перемещающимися по растению.

Покой и прорастание семян

Покой семян, как и зимний покой почек листопадных деревьев, явно имеет значение для выживания растения. Действительно, если бы семена прорастали сразу после их созревания осенью, то нежный проросток мог бы попасть под первые морозы. Наличие в семени достаточного количества ингибитора, такого, как АБК, гарантирует отсутствие в нем метаболической активности в течение зимнего сезона. Прорастанию многих семян препятствуют ингибиторы, обнаруженные или в оболочке семян, или в оставшихся органах цветка, или в тканях плода, окружающего семя. Часто прорастание можно индуцировать путем тщательного высолаживания семян в проточной воде. Хотя очевидно, что растение может использовать много различных видов ингибиторов для достижения покоя, АБК, видимо, является одним из наиболее важных. Например, у ясеня (Fraxinus americana) АБК присутствует во всех тканях, но самые высокие концентрации обнаружены в семени и околоплоднике покоящихся плодов.

В природе покой семян обычно прерывается при ливневых дождях, на свету или под действием низкой температуры. У пустынных растений покой, индуцированный ингибиторами, прерывается, когда семена попадают под ливневый дождь. В световом контроле прорастания обычно участвует фитохромная система (см. гл. 11). Для семян, у которых покой прерывается под воздействием холода, необходимы низкие температуры (2-5°С) в течение 4-6 недель (см. гл. 12). Поскольку при охлаждении семена постепенно выходят из состояния покоя, содержание в них АБК падает, тогда как содержание активирующих рост гормонов, таких, как гиббереллины, возрастает либо в течение всего холодного периода, либо сразу же после его окончания.

Вслед за прерыванием покоя семена могут прорастать. При благоприятных условиях весной - теплой погоде и достаточном обеспечении водой и кислородом - скорость метаболизма повышается. Если добавить воду к сухим семенам, вышедшим из состояния покоя, то часто уже через 15 мин в зародыше начинается синтез белка. Может также происходить синтез мРНК, кодирующей некоторые из этих белков. Но в ряде случаев, например в семенах хлопчатника, синтез белка предшествует синтезу новой мРНК. Это может быть обусловлено тем, что присутствующая в покоящихся семенах мРНК, образовавшаяся во время развития семени в предыдущий вегетационный период, сохраняется в зародыше в течение длительного времени, когда в семенах содержится очень мало воды. Такая мРНК готова к трансляции сразу же после гидратации семян. Эти долгоживущие мРНК обычно кодируют ферменты, такие, как протеаза и изоцитратаза в тканях хлопчатника, участвующие в расщеплении запасов питательных веществ. У хлопчатника мРНК, синтез которой приходится на отрезок времени, составляющий первые 60% периода развития зародыша, непосредственно транслируется с образованием белка, необходимого для развития зародыша. На протяжении остальных 40% периода развития зародыша значительная часть синтезированной мРНК откладывается в запас и не транслируется до прорастания.

Нам осталось выяснить, каким образом метаболизм РНК в зародыше хлопчатника изменяется по мере его развития и что препятствует немедленной трансляции долгоживущих РНК после их образования. Один ключ к разгадке дают опыты, в которых показано, что промывание семян устраняет ингибирование трансляции покоящейся мРНК, тогда как добавление к семенам промывной воды или АБК вновь приводит к блокированию трансляции. Несозревшие семена хлопчатника содержат АБК которая, видимо, препятствует трансляции мРНК с образованием ферментов, необходимых при прорастании. АБК появляется в завязи хлопчатника лишь после того, как завязь достигает 60% ее конечной величины (рис. 10.13), что совпадает с разрывом сосудов, связывающих завязь с остальными частями растения. До этого другое вещество, поступающее из растения, возможно гормон, например цитокинин, поддерживает клеточное деление в завязи и активирует транскрипцию той части ДНК, на которой образуется мРНК для ферментов прорастания. После разрыва сосудов поступление этого вещества прекращается. В результате начинается образование АБК, синтез ДНК и клеточное деление прекращаются, а мРНК для ферментов прорастания транскрибируется, но не транслируется. Когда семена хлопчатника созревают, АБК больше не образуется и ее уровень в конце концов снижается благодаря неоднократному высолаживанию семян под дождем, а также, возможно, и вследствие ее ферментативного расщепления. Поэтому присутствующая в семени мРНК оказывается готовой к трансляции, как только зрелое семя поглотит воду из почвы, что можно рассматривать как первый этап прорастания.

Рис. 10.13. Изменения в аппарате синтеза гормонов и белков в период развития, созревания и прорастания зародышей хлопчатника

Абсцизовая кислота и потеря воды

В начале этой главы мы назвали АБК "гормоном стресса", что хорошо характеризует ее всестороннюю роль в растении. Обычно она образуется в ответ на стрессовую ситуацию или неблагоприятные условия и в свою очередь изменяет растение, приспосабливая его к этим условиям. Самый яркий пример такой реакции - быстрый синтез АБК в ответ на водный стресс, т. е. недостаток воды (рис. 10.14). Когда растению недостает воды, содержание АБК в листьях сразу же возрастает. Образовавшаяся АБК действует затем на замыкающие клетки, "выкачивая" из них воду для того, чтобы устьица могли быстро закрыться. Это происходит значительно быстрее, чем в том случае, если бы устьица закрывались вследствие общего обезвоживания растения (рис. 10.15). Как мы видели в гл. 6, движение устьиц обусловлено перемещением ионов K⁺ в замыкающие клетки и обратно. Роль АБК в этом процессе заключается в том, что она вынуждает ионы K⁺ покинуть замыкающие клетки, в результате чего устьица закрываются. В листе с закрытыми устьицами потери воды уменьшаются, и поэтому растение лучше переносит засушливый период. Другие стрессовые воздействия, которым подвергается лист, например низкая температура, тоже могут приводить к синтезу АБК и закрытию устьиц. Если вода вновь начинает поступать в растение в достаточном количестве, то устьица открываются не сразу, так как необходимо некоторое время для снижения содержания АБК. Когда это происходит, калий опять транспортируется в замыкающие клетки и устьица открываются.

Рис. 10.14. Изменения в водном потенциале и концентрации АБК в клетках листьев Ambrosia trifida по мере того, как растение, помещенное в сухую атмосферу, теряет воду. Обратите внимание на то, что содержание АБК не увеличивается до тех пор, пока не превзойден пороговый уровень водного потенциала листа. (Неопубликованные данные, T. Zabadal, Cornell University.)

Есть много других примеров участия АБК в изменении роста растений, однако (в них не прослеживается какой-либо общей закономерности. Исключение составляет один процесс, который часто происходит в ответ на неблагоприятные условия. Например, растения одного сорта фасоли зацветают нормально на коротком дне, но сбрасывают свои развившиеся почки в условиях длинного дня. Это можно связать с увеличением содержания АБК в растениях при выращивании их на длинном дне. Неблагоприятное влияние длинного дня, быть может, обусловлено тем, что он способствует образованию отделительного слоя под почкой.

Как действует абсцизовая кислота

Одна из главных ролей АБК в растении состоит, очевидно, в том, что она контролирует закрывание устьиц. Это быстрая реакция, тогда как индукция покоя под действием АБК представляет собой более медленное общее изменение метаболизма. Как и ауксин, АБК действует с помощью нескольких основных механизмов. При закрывании устьиц она влияет на перемещение калия из замыкающих клеток. При индуцировании покоя она, по-видимому, блокирует синтез РНК и белков. В этом последнем случае АБК должна проявлять избирательное действие, так как если бы полностью прекратилось клеточное деление и синтез белка, то не могли бы образоваться даже покоящиеся почки. Обработка растений АБК, имитирующая повышение уровня эндогенной АБК, тоже вызывает быстрое подавление роста стеблей или колеоптилей. Какова роль эндогенной АБК в ограничении роста, еще не выяснено. Наконец, возникает вопрос, участвует ли АБК в процессе старения и смерти однолетних трав, о чем говорилось ранее. Ее содержание часто повышается в стареющих листьях, но попытки установить корреляцию между уровнем АБК и смертью целого растения до сих пор были безуспешными. Очевидно, нам нужно еще многое узнать о гормональном контроле этого этапа жизненного цикла зеленого растения.