1.7. Роль гормонов в устойчивости

В основе механизма стрессовых реакций у животных организмов лежит прежде всего гормональная регуляция, поскольку при воздействии неблагоприятных факторов среды в крови повышается содержание кортикостероидов и адреналина, которые индуцируют вполне определенные цепи биохимических реакций.

Механизм регуляторной деятельности фитогормонов до настоящего времени не совсем ясен. Предполагают, что подобно гормонам животных они действуют как медиаторы, стимулируя или подавляя определенные метаболические процессы.

Исследования последних лет показали, что фитогормоны играют большую роль в ответе растений на стрессовые воздействия и в их адаптивных перестройках. В этой связи особое внимание уделяется абсцизовой кислоте (АБК), цитокининам и этилену [29; 36]. Для нормального роста растений необходимо не только присутствие стимуляторов и ингибиторов, но и их сбалансированное содержание. Так, в этиолированных растениях полностью отсутствуют ингибиторы, но есть ауксины и гиббереллины. Освещение этих растений активирует образование ингибиторов и приводит к координированному росту. Нарушения, вызванные недостаточным снабжением растений водой, нарушают сбалансированность фитогормонов. Степень этих нарушений зависит от эколого-физиологических особенностей вида. У мезофитов при действии водного стресса накапливается АБК и этилен и существенно уменьшается уровень гормонов-активаторов: ауксинов, цитокининов и гиббереллинов. Подобное соотношение регуляторов роста коррелирует с торможением роста. У мезофитов (пшеница, фасоль) при снижении водного потенциала концентрация АБК в клетке становится на порядок выше, чем при нормальном водообеспечении тканей. Повышение АБК в листьях достигается с высокой скоростью (0,15 мкг на г сырой массы в час). При увеличении водного стресса АБК увеличивается в среднем на 34%. Усиление синтеза абсцизовой кислоты происходит при определенном пороговом значении потенциала воды. Для многих растений синтез АБК начинается при уменьшении водного потенциала на 0,2 МПа.

В настоящее время обсуждается два предположения о пути увеличения содержания свободной эндогенной АБК в ответ на водный стресс: либо синтез фитогормона происходит de novo, либо АБК переходит из неактивного (связанного, "конъюгированного") в активное (свободное) состояние.

У мезофитных растений, обладающих значительной засухоустойчивостью (персик, закаленные растения абрикоса), на начальных этапах засухи незначительно изменяется уровень стимуляторов и меньше накапливается ингибиторов роста. У суккулентов (опунция) даже при длительной атмосферной или почвенной засухе сохраняется значительное количество веществ, активирующих рост, и наблюдается некоторое снижение количества ингибиторов роста.

Следовательно, сбалансированное соотношение фитогормонов и ингибиторов роста у мезофитов при водном дефиците сдвигается в сторону накопления ингибиторов (в частности АБК), которые и определяют прекращение ростовых процессов у растений в условиях засухи. У суккулентов соотношение между фитогормонами сдвигается в сторону незначительного увеличения содержания активаторов и снижения уровня ингибиторов. В связи с этим скорость роста у них не изменяется при водном дефиците либо очень быстро восстанавливается после водного стресса.

Способность устьичного аппарата предотвращать избыточную потерю влаги при засухе является одним из путей адаптации растений к водному стрессу. При потере влаги после засухи устьица долгое время остаются закрытыми. Их движение определяется изменением водного потенциала растений, почвы. Регуляция устьичных движений осуществляется фитогормонами (АБК, цитокинины) и моновалентными катионами, в частности калием. Как известно, АБК вызывает быстрое закрывание устьиц, что снижает транспирацию, защищая растения от лишней потери воды. Показано, что реакция закрывания устьиц у кукурузы, щавеля, сахарной свеклы наблюдается через 3 - 9 мин. после обработки экзогенной АБК (0,1 - 10 мкг). Некоторые исследователи считают, что биосинтез АБК в листе осуществляется преимущественно в клетках мезофилла, а в замыкающих клетках устьиц, ответственных за устьичные движения, фитогормон не синтезируется. Полагают, что при возникновении водного дефицита АБК перемещается из клеток мезофилла в эпидермальные замыкающие клетки устьиц, где она реализует свою физиологическую активность. В настоящее время установлено, что АБК может синтезироваться непосредственно в эпидермисе листьев фасоли, накопление ее в замыкающих клетках устьиц происходит независимо от мезофилла.

Открывание и закрывание устьиц связано не только с процессами транспорта катионов, в частности K⁺, но и анионов, в частности хлора, через плазмалемму и тонопласт замыкающих клеток и метаболизма органических кислот в них, прежде всего малата. Повышенный уровень АБК подавляет активность H⁺-насосов на плазмалемме замыкающих клеток, в результате чего снижается внутриклеточный уровень осмотически активных веществ (K⁺ Cl^-, малата) и ингибируется синтез а-амилазы, что приводит к подавлению гидролиза крахмала. Все это обеспечивает падение тургорного давления в замыкающих клетках, закрывание устьиц и снижение транспирации.

Кроме того, возросший уровень АБК уменьшает сопротивление клеток корней поглощению воды за счет увеличения проницаемости их мембран. При возобновлении водного снабжения из корней с током пасоки поступают цитокинины, которые вызывают открывание устьиц, нормализуя при этом фотосинтетическую деятельность листа.

Следовательно, существует двойная стратегия растений, направленная на поддержание водного баланса. При повышении уровня АБК, с одной стороны, происходит снижение транспирации, с другой - увеличение проницаемости корневых клеток для воды. Таким образом обеспечивается поглощение воды корнем и затрудняется отдача воды листьями, что в конечном счете приводит к улучшению водного баланса в стрессовых условиях.

При действии на растения низких и высоких закаливающих температур вначале происходит значительное повышение содержания АБК. Абсцизовая кислота, подобно другим фитогормонам, обладает полифункциональностью, и ее влияние на термоадаптивные процессы может проявляться через различные механизмы. АБК, модифицируя состав липидных компонентов митохондриальных мембран, способствует улучшению энергообеспеченности клеток озимой пшеницы в условиях низких отрицательных температур. Кроме того, известно, что высокий уровень АБК в клетках обеспечивает снижение их обезвоживания, вызываемого действием на растения экстремальных температур. В последнее время появляются данные, свидетельствующие о том, что абсцизовая кислота способна индуцировать синтез стрессовых белков.

Таким образом, АБК, по-видимому, повышает уровень неспецифической устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды.

При неблагоприятных условиях внешней среды (засухе, затоплении и др.) резко и быстро уменьшается поступление цитокининов с пасокой в надземные органы. У побегов растений в стрессовых ситуациях замедляется скорость роста, быстро стареют листья. В частности, при 30-минутной экспозиции растений табака в токе теплого воздуха, приводящей к слабому завяданию листьев, уровень цитокининов в пасоке снижается на 39%, а в листьях - на 59% но сравнению с растениями, находящимися в нормальных физиологических условиях.

Устойчивость растительных клеток к различным неблагоприятным факторам (повышенные и пониженные температуры, недостаток воды, повышенные концентрации солей, грибная и вирусная инфекция) возрастает под действием цитокининов [36]. Впервые защитное действие цитокининов было показано в 1960 г. в лаборатории К. Мотеса на срезанных листьях махорки, подвергнутых кратковременному нагреву. В дальнейшем И. И. Туманов с сотрудниками и Н. Л. Сатарова с сотрудниками обнаружили, что обработка целых растений цитокинином повышает их устойчивость к низким температурам и засухе. При опрыскивании растений кукурузы и бобов раствором кинетика повышалась их засухоустойчивость, стабилизировалось содержание белка в листьях и активность белоксинтезирующего аппарата. Обработка раствором 6-бензиладенина (10 мг/л) значительно улучшает рост декоративных растений в условиях загрязнения окружающей среды промышленными токсикантами.

Механизм защитного действия цитокининов до настоящего времени не выяснен. Можно полагать, что он проявляется через влияние данного фитогормона на функциональное состояние мембран и на генетический аппарат растительных клеток, в частности на ДНК-зависимый синтез РНК, которые служат матрицей для синтеза различных защитных белков. Цитокинины задерживают деградацию структурных элементов хлоропластов и митохондрий в стрессовых условиях, а также защищают от разрушения белки, нуклеиновые кислоты и липиды. Кроме того, цитокинины, стимулируя деление клеток, задерживают их старение. Все эти процессы повышают адаптационный потенциал растительных организмов и их устойчивость [27].

Синтез этилена находится под контролем множества внутренних и внешних факторов. Стресс определяет деятельность ферментных систем, контролирующих образование этилена. Фермент, ответственный за трансформацию 1-аминоциклопропан-1-карбоновой кислоты (АЦК) в этилен, не образуется в анаэробных условиях. В частности, при затоплении зоны обитания корней у них подавляется синтез этилена на этапе АЦК -" этилен, так как этот этап кислородозависим. АЦК поступает в побеги, где превращается в этилен. Последний, в свою очередь, вызывает эпинастию листьев, снижающую их транспирацию в результате изменения угла наклона, вызывает развитие аэренхимы в стебле и, таким образом, увеличивает снабжение корней кислородом, стимулирует образование адвентивных корней, которые берут на себя функцию снабжения листьев цитокининами. Все это обеспечивает выживание растений в условиях анаэробиоза в зоне корневой системы. Этилен участвует также во взаимодействии растений и патогена. В инфицированном растении усиливается синтез этилена, являющегося индуктором антибиотических веществ - фитоалексинов. Кроме того, под влиянием этилена увеличивается содержание богатых оксипролином белков в клеточных стенках растений и повышается их устойчивость к заболеванию.

В настоящее время обсуждаются возможные механизмы защитного действия нового класса фитогормонов - брассиностеройдов. Эти природные фитогормоны стероидного тина привлекают внимание исследователей в связи с их способностью повышать продуктивность и устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды. Впервые брассиностероиды были выделены в 1970 г. Митчеллом (Mitchell) из пыльцы рапса и ольхи. В настоящее время из покрытосеменных (одно- и двудольных), голосеменных и водорослей выделено 17 различных по структуре брассиностеройдов. Этот список не является полным, т. к. происходит открытие новых гормонов этого класса. Брассиностероиды присутствуют в листьях, стеблях, семенах, галлах, талломе водорослей. Пыльца многих растений отличается высоким содержанием данных фитогормонов. В 1979 г. Грови с сотрудниками (Groveetal) была расшифрована структурная форма представителя этой группы фитогормонов - брассинолида. Его структура подчеркивает близость стероидных гормонов растений и животных.

Эта группа фитогормонов обладает способностью регулировать физиологические процессы, связанные с ростом растений и формированием урожая. В последние годы появились сведения о перспективности использования брассинолидов и других представителей брассиностероидов для повышения устойчивости растений к низким, высоким температурам и дефициту влаги в почве и воздухе [28].

В настоящее время получен синтетический препарат - картолин, который может заменять цитокинины. Данный препарат обладает специфическим спектром физиологической активности, в котором многие свойства цитокининов редуцированы, но одновременно усилено его защитное действие. Картолин эффективно повышает устойчивость растений к морозу и засухе. Он стимулирует биосинтетические процессы в клетке, в частности накопление нативных криопротекторов - сахаров, водорастворимых белков, и вызывает переход воды из свободной в связанную форму. Эти изменения способствуют повышению относительной устойчивости растений к действию низкой температуры и водному дефициту. Другие синтетические регуляторы роста (хлорхолинхлорид, алар, этрел) оказывают влияние на морозостойкость древесных растений, регулируя продолжительность покоя. Например, у белой акации (неморозостойкое растение) хлорхолинхлорид удлиняет период покоя и способствует повышению ее морозостойкости.

Таким образом, процессы формирования устойчивости активно вегетирующих растений являются гормонозависимыми и уровень фитогормонов в тканях является одним из регуляторных механизмов в перестройке метаболических процессов в стрессовых условиях.

В общем виде ответные реакции на действие экстремальных факторов можно представить в следующем виде: стрессор→стресс→запуск всей цепи восприятия, преобразования и передачи сигналов внешней среды→включение стрессорных реакций→реализация процессов специализированной адаптации.

К стрессорным реакциям относятся:

1. Изменение мембранного потенциала.

2. Фазовые переходы в структуре внутриклеточных мембран и изменение их функций.

3. Изменение ионного состава клетки.

4. Снижение эффективности энергетического метаболизма и как следствие - сдвиг внутриклеточного pH в кислую сторону.

5. Увеличение структурированности и вязкости цитоплазмы.

6. Развитие свободнорадикальных реакций.

7. Возрастание активности гидролитических процессов.

Специализированная адаптация обеспечивает жизнедеятельность растительных организмов на фоне действия экстремальных факторов за счет изменения экспрессии генома и новообразования отсутствующих ранее макромолекул (стрессовых белков и др.); повышения уровня протекторных соединений (углеводов, пролина, ди- и полиаминов, бетаинов, супероксиддисмутаз и др.); изменения гормонального баланса (соотношения ингибиторов и активаторов роста) и характера ростовых процессов (торможения роста, процесса замены поврежденных или утраченных органов путем регенерации и роста пазушных почек, образования аэренхимы, рост адвентивных корней и др.); мобилизации резервных возможностей организма, изменения уровня и направленности физиологических и метаболических процессов; повышения способности клеток не допускать или ликвидировать различные повреждения; обеспечения донорно-акцепторных отношений и коррелятивных связей между клетками, тканями и органами в системе целого организма.

В заключение следует отметить, что в процессе эволюции сформировалось огромное разнообразие защитно-приспособительных реакций и адаптивных механизмов, обеспечивающих в конечном счете повсеместное распространение растительных организмов.