Физиолого-биохимическое действие брассиностероидов

Растяжение клетки и ее деление, приводящее к росту ткани, требует синтеза нуклеиновых кислот (НК) и белков. Гормоны роста, такие как ауксины, гиббереллины и цитокинины регулируют метаболизм НК в растении. Mandava с сотр. пытались определить, влияют ли брассиностероиды на НК и синтез белков. Действительно, ингибиторы синтеза РНК и белка снимают стимуляцию индуцированного БС роста отрезков эпикотилей маша [7]. Известны данные об активации ДНК - и РНК- полимераз, а также синтеза ДНК и РНК в растениях фасоли под влиянием обработки БС, причем возрастание активности РНК- полимеразы I способствует увеличению объема белоксинтезирующего аппарата и усилению синтеза белка. Обработка брассинолидом гипокотилей и эпикотилей сои (Glycine max), а также проростков арабидопсиса (Arabidopsis thaliana) вызывает активацию транскрипции более 50 генов и усиление синтеза полипептидов. Инкубирование отрезков листьев пшеницы на гомобрассинолиде (10-6 М, 10-8 М) приводит не только к активации тотального синтеза белка, но и увеличению спектра синтезируемых белков. Обнаружено существенное влияние БС на аминокислотный состав и биологическую ценность белка семян люпина. Показано увеличение общего содержания белка, а также содержания незаменимых аминокислот (до 5%), в том числе за счет треонина, лейцина, изолейцина и фенилаланина. Очевидно, что при этом улучшается питательная ценность белка. Весьма важным является также увеличение содержания глютаминовой кислоты и пролина, играющих важную роль в реакции растений на стрессовые факторы [8].

К числу вызываемых БС физиологических ответов растений относятся стимуляция фотосинтетической активности клеток, повышение уровня растворимых белков и углеводов, модуляция активности ферментативной системы растений. Так, показано возрастание активности растворимой инвертазы в изолированных семядолях риса (Oryza Sativa)и клеточно-стеночной инвертазы в суспензионной культуре клеток томата(Licopersicum esculentum), карбоксилазы в листьях пшеницы и семядолях растущих в темноте проростков арабидопсиса, нитратредуктазы и глютаминсинтетазы, АТФ-азы и других ферментов при воздействии БС на разнообразные растительные объекты.

Имеются убедительные доводы в пользу участия БС в дифференциации сосудов ксилемы: в наномолярных концентрациях БС увеличивают формирование элементов трахеид обработанных ауксином и цитокинином отрезков топинамбура до десяти раз, причем экстрагирование БС из камбиальной части сосны подтверждает роль эндогенных БС в ксилемной дифференцировке.

Интересным подходом в выяснении роли эндогенных БС в развитии и дифференцировке растений является использование в опытах ингибитора синтеза БС, брассиназола. Растущие в темноте проростки арабидопсиса после обработки брассиназолом приобретали морфологические особенности растений, растущих на свету, а именно: короткий гипокотиль, широкие семядоли и истинные листья. Необработанные растения не развивали листовых примордий, более того, в семядолях опытных растений наблюдалось формирование мембран тилакоидов - первого этапа дифференцировки пластид, а также повышение уровня рибулозо-1,5-бисфосфат карбоксилазы. Эти результаты указывают на новую предполагаемую функцию эндогенных БС в регуляции роста, развития и дифференцировки растений[9].

Стимулирующее действие БР на рост в длину зависит от спектрального состава света [11]. Рост в длину второго междоузлия фасоли резко (в 6 раз) подавлялся, если растения выращивали при освещении люминесцентными лампами (контроль — выращивание на свету ламп накаливания). Стимулирующее действие БР на рост этого междоузлия обнаруживалось только при использовании люминесцентных ламп, а в остальных случаях БР даже тормозил рост. Другие реакции на БР (утолщение, искривление и расщепление обработанного междоузлия) осуществлялись при любом освещении.

Биологическая активность БС

Биологическое действие брассинового комплекса, выделенного из пыльцы, БР и брассиностероидов изучалось на разных растениях. Было показано, что обработка брассиностероидами оказывает резкое стимулирующее влияние на увеличение длины, утолщение и расщепление второго междоузлия проростков фасоли, усиливая как деление, так и растяжение клеток. Опыты с мутантами подтверждают преимущественное влияние брассиностероидов на рост растяжением. При этом обработка молодых проростков фасоли продолжает сказываться на протяжении всей жизни растения, приводит к увеличению размеров всех органов и урожая семян на 30—40%. Сходный эффект наблюдался при обработке БР семян ячменя перед посевом: увеличение размеров листьев и стебля, усиление кущения и возрастание скорости достижения конечного размера органов. Интересно отметить, что БР на медленно растущие особи популяции действовал сильнее, чем на быстро растущие, благодаря чему варьирование размеров растении в популяции уменьшалось. Нанесение брассиновой фракции из пыльцы рапса на самое молодое междоузлие сеянцев древесных пород Betula papirifera, Ulmus pumila, Malus hupehensis стимулировало рост обработанного и ближайших к нему междоузлий. Через 4—7 дней длина междоузлий становилась в 2 раза большей, чем в контроле. Эти и ряд других данных послужили основанием для возможного использования брассиностероидов в сельском хозяйстве.

Большое внимание в ряде работ уделено сопоставлению действия брассиностероидов и известных фитогормонов — ауксина, гиббереллина и цитокинина (приложение, табл. 1). В одной из таких работ в качестве объекта были использованы отрезки этиолированных проростков фасоли с неразогнутой верхушкой. Разгибание верхушки происходит при последующем росте в темноте и еще быстрее на свету. Ауксин индолилуксусная кислота (ИУК) характерным образом тормозит это распрямление, что авторы рассматривают как биотест на ауксиновую активность. БР оказывал подобное же действие, между ним и ИУК обнаруживался отчетливо выраженный синергизм. Эффективность действия БР уменьшалась в присутствии антиауксина (n-хлорфеноксиизомасляная кислота) и усиливалась под влиянием 2,3,5-трийодбензойной кислоты, уменьшающей отток эндогенного ауксина из верхушки. Все это позволило предположить, что действие БР каким-то образом связано с ауксином.

БР проявлял активность и в других биотестах на ауксины, связанных со стимуляцией удлинения отрезков мезокотилей кукурузы Zea Mais, эпикотилей азуки (Phaseolus aureux Roxb) и гороха (Pisum sativum L.), набухания эксплантантов из клубней топинамбура. Изгибание первого междоузлия фасоли при одностороннем нанесении ауксина резко усиливалось при обработке БР, без ауксина БР не действовал. Синергизм в действии БР и ауксина обнаружен также в биотесте на изгибание листовой пластинки риса, причем действие БР угнеталось антиауксином.

В то же время в ряде других реакций на ауксины БР либо не проявлял активности, либо действовал противоположно ауксину. Так, БР в отличие от ауксинов не подавлял пробуждения пазушных почек у декапитированных проростков гороха, не вызывал торможения роста корней кресс-салата и подавлял образование корней на черенках маша. Следует отметить, что другие стероиды, в частности кортизол, напротив, резко увеличивали закладку придаточных корней на гипокотилях маша. В отличие от ауксинов БР стимулировал удлинение отрезков корней кукурузы, причем эта стимуляция сопровождалась усилением выделения протонов, а взаимодействие с ИУК на этом объекте было антагонистическим.

Ряд симптомов действия БР на растения сходно с реакциями на этилен. К ним относится набухание и искривление междоузлий фасоли, эпинастия листьев у побегов маша и др. Было обнаружено, что при обработке растений БР продукция этилена в них резко усиливается, причем в этой реакции обнаруживается сильный синергизм с ИУК. Так, если в контроле продукция этилена составляла 0,41 нл/ч, а в присутствии 3 мкМ БР и 10 мкМ ИУК соответственно 10,5 и 17 нл/ч, то при воздействии смеси БР и ИУК — 43,6 нл/ч. При этом для проявления синергизма необходимо было присутствие кальция в среде инкубации. Установлено, что действие БР на синтез этилена, так же как и действие ИУК, локализовано на этапе превращения 5-аденозилметионина в 1-ами-но-циклопропан-1-карбоновую кислоту. Таким образом, влияние БР на синтез этилена также можно рассматривать как свидетельство существования тесной взаимосвязи БР и ауксина в действии на растения. Природа этой взаимосвязи остается пока неясной. В одной из работ оценивалось влияние БР на метаболизм, поглощение и транспорт экзогенной ИУК в междоузлиях фасоли. Статистически значимых изменений не было обнаружено, и поэтому авторы предположили, что БР каким-то образом увеличивает активность действия ауксина, но не его содержание. Однако было установлено, что синергизм проявляется только в случае предобработки растений БР (а затем ИУК). По мнению Mandava, эти наблюдения подтверждают, что БР увеличивает чувствительность тканей к ауксину, приводя к синергестическому взаимодействию с эндогенными ауксинами, но сами не имеют ауксиноподобных функций. Хотя имеются противоречащие наблюдения, подобные вышеупомянутому антагонистическому действию БР и ИУК, Mandava заключает, что в большинстве тестов действие БР служит посредником эндогенному ауксину.

Способность БР резко стимулировать рост в длину не только отрезков, но и интактных растений наводит на мысль о сходстве в действии между БР и гиббереллинами. Можно даже предположить, что ряд случаев обнаружения гиббереллиноподобной активности (особенно в нейтральной фракции экстрактов) обусловлены брассиностероидами. БР стимулировал рост в длину проростков фасоли и маша, причем в последнем случае рост под влиянием 10-7 М БР происходил в 10 раз быстрее, чем в контроле, а под влиянием 10-4 М ГК лишь в 3,7 раза быстрее. Действие БР в отличие от ГК сопровождалось эпинастией листьев. При совместном применении взаимодействие БР и ГК было аддитивным. Причем ингибитор роста антигиббереллинового типа действия (анцимидол) не влиял на рост проростков маша в присутствии БР. БР, так же как и ГК, полностью снимал угнетение роста этиолированных гипокотилей фасоли, вызванное светом. При этом рост, индуцированный БР, был нечувствителен к анцимидолу, но несколько уменьшался под влиянием 2,3,5-трийодбензойной и n-хлорфеноксиизомасляной кислоты. Активность БР проявлялась и в других ростовых биотестах на гиббереллины — таких, как стимуляция роста карликового гороха и гипокотилей огурца. Как и ГК, БР подавлял образование бетацианина в семядолях амарантуса и образование придаточных корней на гипокотилях маша, огурца и эпикотилях гороха. В то же время БР не задерживал старение листьев щавеля (характерная реакция на гиббереллины), а даже ускорял его.

Некоторые элементы сходства имеются в действии БР и цитокининов. Так, БР, подобно кинетину, стимулировал рост изолированных семядолей огурца (хотя и значительно слабее), но в других биотестах на цитокинины (амарантусный тест, задержка старения листьев дурнишника) БР не обладал активностью.

В процессе онтогенеза проростков пшеницы, а также при увеличении возраста листа пшеницы у них последовательно возникали периоды повышенной отзывчивости на цитокинины, гиббереллины и ауксины. Было установлено, что место БР в этой последовательности находится между гиббереллинами и ауксинами.

В заключение отметим, что БР и другие брассиностероиды оказались уникальными регуляторами роста, активными в ряде биотестов, характерных для ауксинов, гиббереллинов и цитокининов. В других же биотестах, характерных для того или иного фитогормона, брассиностероиды были неактивными или даже действовали противоположным образом.

Гормоны и минеральное питание

Гомеостаз растительного организма поддерживается различными системами регуляции, в том числе гормональной и трофической. Показано, что гормональный баланс зависит от уровня и формы минерального питания. В свою очередь, есть сведения о действии экзогенных гормонов на поглощение ионов. Потому особенный интерес представляет изучение взаимодействия фитогормонов с элементами минерального питания.

Брассиностероиды и в этой области являются наименее изученной группой, поэтому рассмотрение этой темы возможно провести по общим аспектам и исследованиям с другими фитогормонами с дальнейшим осмыслением материала.

Среди суждений о взаимодействии минерального питания и гормональной системы существует несколько противоположных точек зрения, которые, однако же, находят подтверждение в экспериментах.

Так, в работах Треваса утверждается, что скорость роста и развития растений непосредственно определяется концентрацией поглощенных минеральных веществ. Особое внимание уделяется азоту, который, по мнению автора, выступает в качестве регулятора активности ряда ферментов, а также в целом синтеза белка и нуклеиновых кислот. Гормонам же отводится функция маховика, сглаживающего пространственные и временные флуктуации в поступлении элементов минерального питания.

Однако представлению об определяющей роли концентрации азота в регуляции ростовых процессов противоречат данные о том, что у подорожника активация роста предшествовала изменению концентрации элементов питания в ткани растений. Кроме того, давно и неоднократно показано влияние минерального питания на содержание эндогенных гормонов, причем наибольшее внимание уделялось именно азоту. Установлено, что не только макро -, но и микроэлементы способны влиять на уровень гормонов в растении.