Лекция 7-8 Новые группы фитогормонов.

1. История открытия и химическая природа брассиностероидов

2. Физиологическое действие БС

3. Жасмоновая кислота и ее физиологическое действие

4. Салициловая кислота и ее физиологическое действие

5. Новейшие достижения в области изучения групп фитогормонов

1. История открытия и химическая природа БС. Долгое время считалось, что процессы роста и развития растений контролируются 5 группами фитогормонов. Однако многочисленные данные, накопленные к середине 60-х – началу 740-х гг, свидетельствовали о наличии в растениях веществ неустановленной химической природы, обладающих регуляторным действием. Предпринятые в то время попытки выделить и идентифицировать эти вещества оказались неудачными из-за крайне низкого содержания их в растениях. Так японскими учеными из экстракта свежих листьев Distylium racemosum были выделены и частично охарактеризованы активные компоненты, которые по ростстимулирующему действию превосходили ИУК. Этот компонент был назван дистиллиевым фактором.

Однако, низкая концентрация вещества в исследуемом материале (ниже 10-6 %) и недостаточное их количество, полученное в процессе очистки (менее 1 мг), не позволили провести идентификацию.

В 1970 г Мишель с сотр. Из пыльцы рапса и ольхи методом тонкослойной хроматографии экстракта была выделена маслообразная фракция. При нанесении ее на растение в количестве 10 мг она эффективно стимулировала рост фасоли. Но действие этой фракции отличалось от действия гиббереллина.

Тщательный хроматографический и спектральный анализ фракции показали, что она включает несколько компонентов. Авторы предположили, что обнаруженные вещества неустановленной химической природы составляют новую группу фитогормонов, которые назвали брассинами (от названия одного из источников). Позднее было показано, что вещества с подобной активностью содержатся также в других растениях.

Выделить один из гормонов в чистом виде удалось только в 1979 г: из 40 кг пыльцы рапса, собранной пчелами, было выделено 4 мг кристаллического вещества, названного брассинолидом. Вслед за открытием брассинолида из различных растительных источников был выделен ряд других представителей брассиностероидов, отличающихся друг от друга структурой и уровнем биологической активности

К настоящему времени известно более 60 БС: из каштана настоящего был выделен кастастерон, из рогоза – тифастерол, из чая – теастерон, из катарантуса – катастерон. Для большинства брассиностероидов характерен тот же набор заместителей в стероидном скелете и боковой цепи, что и для брассинолида. С химической точки брассиностероиды родственны гормонам линьки насекомых – экдистероидам. Т.обр., БС – единственные гормоны стероидной природы. Низкое содержание брассиностероидов в растениях обуславливает исключительную роль химического синтеза как основного источника этих фитогормонов для всестороннего изучения и практического использования. Первым брассиностероидом, полученным синтетическим путем, стал эпибрассинолид, абсолютно идентичный природному растительному гормону.

Процессы биосинтеза и транспорта брассиностероидов слабо изучены. Известно, что малые концентрации этих фитогормонов содержат ткани цветка, листья и молодые стебли растений. Максимальная концентрация брассиностероидов отмечена в пыльце, из которой они и были впервые выделены.

2. Физиологическое действие БС. Физиологическое действие БС близко к действию других гормонов. 1) Подобно ауксину, БС стимулируют растяжение клеток; 2) подобно гиббереллину – усиливают ростовые процессы целого растения; 3) подобно цитокинину – стимулируют рост изолированных семядолей огурца; 4) ускоряют созревание плодов, что придает им сходство с этиленом. Т.обр., БС обладают способностью контролировать действие ауксинов, гиббереллинов, АБК и этилена.

5) Специфическое действие БС – регуляция роста семяпочки. Ничтожно малое количество БС, попадая с пыльцой в семяпочку, стимулирует ее развитие и образование семян.

6) БС стимулируют устойчивость растений к стрессам и грибным заболеваниям. Причина такого действия скорее всего связано с повышением образования стрессовых белков, а также фитоалексиенов и других компонентов системы фитоиммунитета.

3. Жасмоновая кислота и ее физиологическое действие. Сообщения о жасмоновой кислоте (ЖК) как о фитогормоне появились недавно. К жасмонатам относят жасминовую кислоту и ее эфиры, н-р, метилжасмонат. Жасмонаты синтезируются из линоленовой кислоты, и представляют собой циклопентаноны. Поэтому они являются аналогами протагалндинов – гормонов млекопитающих, которые также синтезируются из жирных кислот.

Содержание жасмонатов в тканях растений отличаются на разных этапах развития, и являются ответом на стимулы внешней среды. Высокие уровни жасмонатов обнаружены в цветках и тканях перикарпа, а также в хлоропластах на свету. Уровни жасмонатов быстро возрастают в ответ на механические помехи, н-р , при закручивании усиков и при возникновении повреждения, при изменении тургорного давления в ходе водного дефицита, при взаимодействии корневых волосков с частицами почвы.

Роль жасмонатов в системе фитогормональной регуляции не вполне ясна, однако известно, сто это вещество обладает мощным ингибиторным действием: 1) ЖК и метилжасмонат ингибируют прорастание неспящих семян и вызывают прорастание спящих семян; 2) высокие уровни ЖК стимулируют накопление запасных белков и тем самым, оказывают влияние на формирование клубней; 3) экзогенное использование ЖК может вызывать хлороз и ингибировать гены, продукты которых участвуют в фотосинтезе.

4) Большое количество ЖК накапливается в цветках и плодах, однако значение этого факта не известно. Однако, накопление ЖК может быть связано с созреванием плодов и накоплением каратиноидов.

5)Наиболее важной функцией ЖК является ее участие в ответных реакциях при повреждении растений насекомыми и патогенами. Поврежденные ткани отличаются очень высокой концентрацией этого фитогормона, что резко повышает устойчивость растений к вредщителям. Повышение содержание жасмоната активирует экспрессию целого каскада генов, которые кодируют:

- белки, формирующие механические барьеры в клеточной стенке на пути инфекции;

- ферменты, участвующие в синтезе фитоалексинов;

- ингибиторы протеаз, обеспечивающие защиту растений от повреждений насекомыми;

- белки, обладающие фунгицидной активностью – тиони, осмотин и др.

Как и в случае ауксинов, система рецепции ЖК действует через убиквитин. Соединение жасмоната с остатком изолейцина приводит к деградации ДЖАЗ-белка, меченного убиквитином и освобождению др. факторов транскрипции.

4. Салициловая кислота и ее физиологическое действие. Первое сообщение о гормональном действии салициловой кислоты появилось в 1988 г., когда был установлен эффект повышения температуры пробивающего снег крокуса. Было выявлено, что этот процесс контролируется салициловой кислотой. Салициловая кислота синтезируется из бензойной кислоты. Эта реакция католизируется 2-гидроксилазой бензойной кислоты, которая использует кислород для гидроксилирования бензойной кислоты.

СК может образовывать метиловый эфир и (или) связываться с глюкозой под действием глюкозилтранферазы. Метилсалицилат является летучим соединением и легко превращается в тканях-мишениях в СК.

Физиологическое значение СК: 1) блокирует биосинтез этилена на уровне NO; 2) индуцирует зацветание короткодневного растения, находящегося в условиях короткого дня; 3) СК активирует экспрессию генов (SAR-генов). Продуктами некоторых SAR-генов являются PR-белки, которые образуются в реакциях сверхчувствительности.

4) Салициловой кислоте принадлежит ключевая роль в формировании приобретенного иммунитета. Длительность приобретенного иммунитета – от нескольких недель до нескольких месяцев. Когда растение подвергается инфекции в одном месте, часто происходит формирование устойчивости к последующему нападению во всех тканях и органах организма. Это явление названо системной приобретенной устойчивостью или системным приобретенным иммунитетом.

Внешне формирование приобретенного иммунитета выглядит как реакция сверхчувствительности, только скорость ее гораздо выше. Основным условием для приобретения системного иммунитета является возникновение некроза. Приобретенный иммунитет выражается в повышении содержания таких защитных соединений, как фитоалексины, лигнин, хитиназа и др. гидролитических ферментов. Важным свойством системного иммунитета является его быстрота. При повторных заражениях некрозы появляются гораздо быстрее, чем при первичном. Еще одна особенность приобретенного иммунитета (в отличие от сверхчувствительной реакции) заключается в его неспецифичности, то есть у растений формируется устойчивость к повторному повреждению всеми группами патогенов и фитофагов. Т.е.процесс иммунизации растительных тканей неспецифичен в отношении патогенна.

Заражение растений патогенном индуцирует накопление СК как в инфицированных, так и в неинфицированных тканях. Обработка салициловой кислотой и ее аналогами активирует PR-гены и устойчивость растений без инокуляции патогенами. НЕ накапливающие салицилат мутантные растения не способны к приобретенному иммунитету.

5. Пептидные гормоны растений. В настоящее время выделены и охарактеризованы короткие пептиды, которые играют важную сигнальную роль у растений. Они синтезируются в клетках в виде более крупных белков-предшественников, а затем в результате протеолитических реакций происходит созревание коротких пептидов. Они выходят из клетки в апопласт и оказывают физиологическое действие на другие клетки.

Один из первых коротких пептидов с сигнальной функцией был выделен из томатов. Он отвечал за системный ответ на механическое повреждение и проникновение патогенов в растение: индуцировал синтез ингибиторов протеиназ и фитоалексинов. В результате иммунный ответ наблюдается не только в месте повреждения, но и все растение в целом становится устойчивым к инфекциям (системная устойчивость). Отвечающий за системную устойчивость короткий пептид, содержащий 18 аминокислот, был назван системином.

Контроль за синтезом системина осуществляет жасмоновая кислота. Системин сначала синтезируется в виде предшественникадлиной в 200 аминокислотных остатков. У томатов был также обнаружен рецептор, связывающийся с системином – белок размером 160 кДа. Системин оказался специфичным для томата и картофеля, но не вызывал системного ответа у табака. В дальнейшем из табака был выделен системин, не похожий на томатный.

Из суспензионной культутры аспарагуса был выделен еще более короткий пептид (всего 4-5 аминокислот), в состав которого входил сульфатированный тирозин. Добавление этого пептида вызывало увеличение скорости деления клеток in vitro, повышало митотический индекс. Этот пептид был назван фитосульфаксином. Он обнаруживается в местах активного деления клеток, способствуя органогенезу (образование листьев, боковых корней). По-видимому, фитосульфаксин достаточно универсальный короткий пептид – он вызывал деление клеток не только у аспарагуса, но и у риса и других неродственных растений.

Другие обнаруженные короткие пептиды регулируют достаточно специфичные функции в растениях. Так, пептид Clavata3, содержащий 78 аминокислот, синтезируется в верхних слоях центральной зоны меристемы. Он необходим для регуляции размера апикальной меристемы побега у арабидопсиса. Этот пептид связывается с белком-рецептором Clavata1, причем рецептор сосредоточен в покоящемся центре меристемы.

Короткий пептид Clavata3 служит сигналом о количестве делящихся клеток в центральной зоне меристемы: высокая концентрация «говорит» покоящемуся центру о том, что делящихся клеток много, а низкая, что их мало. Покоящийся центр посылает обратно наверх сигнальные молекул, стимулирующие (ингибирующие) клеточные деления.

Интенсивное взаимодействие короткого пептида Clavata3 с Clavata1 означает, что число делящихся клеток чрезмерно велико. Тогда из покоящегося центра в центральную зону меристемы направляется сигнал, уменьшающий число делящихся клеток. Вместе с этим падает концентрация короткого пептида Clavata3, а это в свою очередь приводит к тому, что покоящийся центр стимулирует деление клеток в центральной зоне. При мутации в гене рецептора (Clavata1), так и в гене короткого пептида (Clavata3), меристема становится очень крупной (число клеток может оказаться в 1000 раз больше, чем у дикого типа). Это приводит к фисциации стебель становится плоским, расположение листьев нарушается.

Короткий пептид SCR из 53-57 аминокислот выделяется прорастающим пыльцевым зерном у капусты. Для каждой линии капусты характерен свой особый вариант SCR-пептида. Рецепторы к SCR-пептиду находятся в тканях рыльца, и при узнавании развитие пыльцевой трубки останавливается. Таким образом капуста избегает самоопыления.

6. Олигосахариды. В настоящее время имеются многочисленные экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что некоторые олигосахариды обладают регуляторным действие на растение. Эти олигосахариды образуются при частичном гидролизе клеточных стенок растений, грибов и насекомых. Их действие проявляется в повышении устойчивости растений к вредным организмам за счет активации системы фитоиммунитета. Отмечено, что увеличение уровня олигосахаридов способствует усилению образованию этилена в растениях. Однако, до последнего времени остается открытым вопрос о том, оказывают ли олигосахариды действие непосредственно активируя собственную систему ответа, или же индуцируемые ими эффекты связаны с увеличением биосинтеза этилена.

7. Ингибитор цветения BEND. В конце 80-ых гг. 20 в. большой интерес ученых всего мира вызвало открытие ингибитора зацветания – BEND. Он представляет собой линейную молекулу липида с 18 углердными атомами и несколькими ненасыщенными связями. Это вещество синтезируется у длиннодневных и короткодневных растений в условиях неиндукционного фотопериода и быстро метаболизируется при переносе растений в индуктивные условия. Имеющиеся экспериментальные данные позволяют утверждать, что BEND способен играть значительную роль в переходе растений к формированию репродуктивных органов.

8. Фузикокцины – стероидное вещество, ранее известное лишь как продуцент жизнедеятельности грибов. В настоящее время известно, что оно синтезируется у высших растений, регулирует ростовые процессы и является фитогормоном. Важнейшие эффекты фузикокцина:

1) стимуляция растяжения клеток; 2) усиление транспирации, 3) открывание устьиц в темноте; 4) выведение семян из состояние покоя, ускорение их прорастания.