Как действует фитохром?

Поскольку фитохрома в растительных клетках очень немного и малые количества энергии, поглощенные этим пигментом, могут вызывать большие физиологические сдвиги, очевидно, что первичное поглощение фотонов должно быть связано с клеточной реакцией каким-то механизмом усиления. Такой механизм мог бы включать управление функцией генов, активностью ферментов, свойствами мембран или содержанием таких веществ, как гормоны, которые сами эффективны в ничтожных количествах. Все эти процессы, видимо, имеют место в определенных ситуациях, но, судя по новейшим данным, "основным" процессом, который может приводить ко всем остальным, возможно, является регуляция функций мембран.

Рис. 11.17. Отрезанные кончики корней ячменя, выращенного в темноте, погружают в специальный раствор в стеклянном стакане, внутренняя поверхность которого обработана так, что она несет отрицательный заряд. Когда стакан вращают, а затем наклоняют, кончики корней при воздействии только 'безопасным' зеленым светом опускаются на дно, а при воздействии красным светом прилипают к боковой поверхности. Дальний красный свет изменяет эффект красного света на противоположный. (По данным Tanada. 1968. Proc. Natl. Acad. Sci., 59, 376-380.)

Онтогенетические реакции, такие как инициация цветения, прорастание семян и деэтиоляция, несомненно, связаны с радикальными сдвигами в химизме, структуре и функции растительных клеток. Эти сдвиги в свою очередь зависят от изменения активности многих ферментов, а также от синтеза новых ферментов. Так как ферменты представляют собой белки и их синтез определяется процессами трансляции и транскрипции, состояние фитохрома должно влиять или на какой-то один из этих процессов, или на оба. Мы не знаем, как фитохром осуществляет это влияние. Он мог бы связываться с ядерным хроматином, оказывая таким образом прямое воздействие на синтез РНК и белка; его влияние могло бы быть и более тонким, возможно, связанным с изменениями в компартментации ионов внутри клетки и как следствие - в синтезе белка. Однако контроль белкового синтеза - не единственный способ действия фитохрома, так как многие регулируемые фитохромом процессы не зависят от синтеза белка и осуществляются слишком быстро.

Рис. 11.18. Листья Mimosa pudica через 30 мин после перенесения в темноту вслед за обработкой белым светом высокой интенсивности с последующим 2-минутным воздействием красного и дальнего красного света. Листья остаются раскрытыми, если последним было облучение дальним красным светом (вверху)у и складываются, если последним был красный свет (внизу). (Fondeville et al. 1906. Planta, 69, 357-364.)

Как известно, растительные гормоны быстро перемещаются по растению и эффективны в очень малых количествах. Последствия превращений фитохрома можно было бы связать с синтезом или разрушением гормонов или же с их высвобождением или связыванием. По-видимому, любой из этих процессов мог бы происходить достаточно быстро, чтобы это позволило объяснить даже почти мгновенное действие фитохрома. Синтез или расщепление гормона могли бы быть результатом прямого ферментативного действия Ф_дк или влияния Ф_дк на активность синтетических или гидролитических ферментов, существующих до облучения в виде "проферментов". Связывание или высвобождение гормонов в местах их функционирования или хранения могло бы происходить в результате модификации таких мест фитохромом Ф_дк.

Содержание четырех различных гормонов (гиббереллинов, цитокининов, этилена и ауксина) в тканях растений, выращенных в темноте, быстро изменяется после короткого облучения красным светом, тогда как уровень пятого (абсцизовой кислоты) изменяется при длительном влиянии красного света. Поскольку влияние красного света на гиббереллины, цитокинины и этилен можно снять дальним красным светом, фоторецептором для этих эффектов, несомненно, служит фитохром. Ф_дк повышает уровень гиббереллинов и цитокининов и снижает содержание ауксина и этилена. Изменения в содержании гиббереллинов наиболее детально изучены на этиопластах (пластиды из тканей, выращенных в темноте), выделенных из листьев ячменя. Краткое воздействие красным светом после выделения вызывает быстрый выход гиббереллина из пластиды и более медленное повышение уровня гормона, связанное, видимо, с его синтезом. Быстрые эффекты, вероятно, обусловлены изменением проницаемости мембраны этиопласта. У ячменя красный свет или гиббереллин вызывает раскручивание листьев.

Многочисленные другие быстрые эффекты превращения фитохрома тоже скорее всего связаны с изменениями в структуре и функции мембран. К этим эффектам относятся изменения в "притяжении" кончиков корней ячменя или маша к отрицательно заряженной поверхности (рис. 11.17), изменения в трансмембранном электрическом потенциале клеток и в "сонных движениях" листьев некоторых растений (рис. 11.18), которые в свою очередь зависят от изменений в передвижении ионов. Так как все эти процессы быстро реагируют на короткое облучение красным и дальним красным светом, они, несомненно, могут быть результатом изменений свойств мембран.

Рис. 11.19. Изменения в электрическом сопротивлении искусственной мембраны из окисленного холестерола при добавлении 6 мкг фитохрома в омывающий раствор и освещении красным и дальним красным светом. Обратите внимание, что красный свет снижает сопротивление, а дальний красный - повышает. (Roux, Yguerabide, 1973. Proc. Natl. Acad. Sci. 70, 702-764.)

Гипотеза о том, что фитохром действует на уровне мембран, подкрепляется также прямой демонстрацией включения фитохрома и его функционирования в искусственных липидных мембранах (см. гл. 2). Облучение таких мембран красным и дальним красным светом вызывает большие изменения в их. электрическом сопротивлении (рис 11.19). Это говорит в пользу того, что конформационные изменения хромофора фитохрома могут одновременно изменять и структуру мембраны. Другие, более медленные и отдаленные эффекты фитохрома, такие как активация генов и онтогенетические изменения, вероятно, могут быть следствием этого инициирующего события; но возможно, что фитохром сразу действует не в одном направлении. Как мы увидим в следующей главе, не все контролируемые фитохромом реакции локализованы в пределах одной клетки; в некоторых случаях облучение одной части растения влияет на развитие органов, находящихся на некотором расстоянии. Определенные реакции такого типа, контролируемые фитохромом, происходят в этиолированных тканях, но самые яркие примеры касаются фотопериодичеокой индукции цветения, клубнеобразования и покоя (см. гл. 12). Любая гипотеза о механизме действия фитохрома должна объяснять не только локальные, но и пространственно отдаленные реакции.