Контроль прорастания семян
Созревание семян связано с накоплением питательных веществ в зародыше и эндосперме. При прорастании происходит лизис запасных макромолекул эндосперма различными гидролитическими ферментами. Основную функцию в гидролизе крахмала в эндосперме выполняют α- и β-амилазы: β-амилазы гидролизуют крахмал до олигосахаридов, которые затем превращаются в мальтозу с помощью α-амилаз.
Гены α-амилаз были первыми генами, для которых установлен прямой контроль экспрессии с помощью гиббереллин-зависимого транскрипционного фактора GAMYB. Таким образом, гиббереллины, выделяемые зародышем, вызывают запуск экспрессии генов α-амилаз в алейроновом слое, что приводит к лизису крахмальных гранул эндосперма и обеспечивает молодой проросток питательными веществами.
Обработка растений гиббереллинами стимулирует пролиферацию клеток междоузлий и их рост растяжением. Гиббереллин-зависимое повышение частоты митозов наиболее хорошо заметно в субапикальных районах побега при переходе к цветению у розеточных растений длинного дня, а также в интеркалярных меристемах риса, растущего в глубокой воде. При этом в апикальной меристеме побега гиббереллины выполняют строго противоположную функцию — ингибируют пролиферацию и стимулируют дифференцировку клеток, благодаря чему для нормального развития растения важно поддерживание конститутивно низкой концентрации гиббереллинов в ПАМ. Таким образом, гиббереллины могут выполнять противоположные функции в контроле развития разных меристем.
Регуляция зацветания
Согласно многочисленными исследованиям существуют четыре основных пути регуляции зацветания: путь длинного дня, отвечающий за переход к цветению при увеличении продолжительности светового периода; автономный путь, который контролирует зацветание как при длинном, так и при коротком дне; путь вернализации, запускающий цветение после кратковременного периода низких температур; и гиббереллин-зависимый путь, который наиболее важен для перехода к цветению в условиях короткого дня.
Все эти пути могут взаимодействовать между собой — например, у арабидопсис, который может цвести как при длинном, так и при коротком дне. В связи с ослаблением гиббереллин-зависимого пути контроля зацветания, гиббереллин-дефицитные ga-мутанты арабидопсис совсем не цветут при коротком дне, а также демонстрируют задержку цветения в условиях длинного дня.
В основе гиббереллин-зависимого контроля зацветания лежит позитивная регуляция экспрессии генов, играющих ключевую роль в интеграции процессов цветения: индуктора экспрессии гомеозисных генов цветка — гена LEAFY (LFY), основного инициатора цветения — гена FLOWERING LOCUS T (FT) и его мишени — гена SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS 1 (SOC1).
В промоторе гена LFY обнаружена GAMYB-связывающая последовательность, с которой напрямую взаимодействует транскрипционный фактор GAMYB33. Мутации по GAMYB-связывающей последовательности делают невозможным повышение уровня экспрессии LFY в условиях короткого дня. В то же время трансформация гиббереллин-дефицитных ga-мутантов геном LFY под конститутивным промотором запускает их цветение при коротком дне.
У растений длинного дня роль гиббереллинов в контроле зацветания менее понятна. У этих растений увеличение продолжительности светового периода стимулирует рост стебля в длину (особенно хорошо это заметно у розеточных растений) с последующей индукцией цветения. Причиной этого, по-видимому, является фитохром-зависимое повышение уровня экспрессии генов GA20ox, которое приводит к увеличению концентрации свободных гиббереллинов в побегах. На арабидопсис было показано, что повышение концентрации гиббереллинов в листьях приводит к усилению экспрессии гена FT, кодирующего белок-флориген, который синтезируется в листьях и в дальнейшем перемещается в ПАМ. К сожалению, молекулярные механизмы влияния гиббереллинов на экспрессию FT в настоящее время не выяснены.
1. Фитохром-зависимое повышение концентрации GA20ox в листьях вызывает повышение концентрации гиббереллинов, которое, в свою очередь, вызывает повышение концентрации белка FT. Этот процесс может также регулироваться фотопериодом, через ТФ СО. Белок FT перемещается из листьев в ПАМ.
2. Повышение уровня гиббереллинов в ПАМ вызывает усиление экспрессии гена SOC, который негативно регулируется DELLA-белками GAI и RGA. Этот процесс негативно регулируется ТФ KNOX, которые стимулируют экспрессию генов GA2ox в Rib-зоне ПАМ.
3. Экспрессия гена LFY напрямую позитивно регулируется гиббереллин-зависимым ТФ GAMYB33. DELLA-белки GAI и RGA негативно регулируют этот процесс через miPHK 156.
4. Белки SOC1 и AGAMOUS-LIKE 24 (AGL24) формируют гетеродимер и позитивно регулируют экспрессию гена LFY; ТФ LFY позитивно регулирует экспрессию генов SOC1 и AGL24.
Итак, функции гиббереллинов связаны со стимуляцией вегетативного развития растений (прорастание, рост стебля в длину) и генеративного развития (перехода к цветению). Гиббереллины действуют в одном направлении с ауксинами и стимулируют биосинтез и передачу сигнала друг друга; кроме того, системы их рецепции передачи сигнала организованы по одному плану (рецептора взаимодействуют с компонентами убиквитин-лигазных комплексов Е3 и индуцируют протеолиз транскрипционных репрессоров). Цитокинины и АБК, напротив, являются антагонистами гиббереллинов.
Цитокинины
Цитокинины класс гормонов растений 6-аминопуринового ряда, стимулирующих деление клеток (цитокинез). С этой способностью цитокининов связаны их основные функции в развитии растений - например, поддержание апикальной меристемы побега. Кроме того, к физиологическим функциям цитокининов относятся стимуляция транспорта питательных веществ в клетку, ингибирование апикальной меристемы корня, замедление старения листьев[1]. Молекулярная масса (~ 5-20 кДа).
Цитокинины вовлечены в рост растительных клеток и другие физиологические процессы. Эффект цитокининов впервые был открыт на кокосовом молоке в 1948 году Фольком Скугом.[2]
Кроме природных цитокининов — производных 6-аминопурина, представленных кинетином, зеатином и 6-бензиламинопурином, известны и синтетические приозводные фенилмочевины, стимулирующие цитокинеза у растений — N,N'-дифенилмочевина и тидиазурон (N-фенил-N'-(1,2,3-тиадиазол-5-ил)мочевина). Цитокинины синтезируется в основном в корнях, а также в стеблях илистьях. Камбий и другие активно делящиеся ткани растений также являются местом синтеза цитокининов.[3] Не показано, что цитокинины типа фенилмочевины естественно встречаются в тканях растений.[4] Цитокинины участвуют в местной передаче сигнала, а также в передаче сигнала на расстоянии, причем последний механизм также используется для транспорта пуринов инуклеозидов.[5]
История открытия
Открытие цитокининов связано с рядом экспериментов (Ф. Скуг), направленных на получение растительной культуры клеток. Сердцевинную паренхиму стеблей табака помещали на искусственные среды, содержащие минеральные вещества, сахар, витамины, аминокислоты, ИУК.
Биосинтез
Предшественниками биосинтеза цитокининов в растениях являются свободные АТФ и АДФ, а также тРНК. Первая стадия биосинтеза цитокининов - синтез изопентил-нуклеотидов из АТФ или АДФ и диметилаллилпирофосфата - катализируется ферментом изопентенилтрасферазой (IPT). Кроме IPT, у растений выявлены ферменты тРНК-IPT, использующие в качестве субстрата тРНК - они используются для синтеза цис-зеатина. В дальнейшем изопентенил-нуклеотиды могут превращаться в зеатин-нуклеотиды с помощью фитохром P450-монооксигеназ. Наконец, последней стадией является получение активных цитокининов из цитокининовых нуклеотидов путём дефосфорилирования и дерибозилирования - это реакция катализируется ферментом 5'монофосфат-фосфорибогидролазой, который кодируется геном LOG.[1]
Фермент аденозинфосфатизопентилтрансфераза катализирует первую реакцию в биосинтезе изопреновых цитокининов, фермент использует АТР, ADP или AMP как субстрат и диметилаллилдифосфат илигидроксиметилбутенилдифосфат как донор пренильной группы.[9] Данная реакция является лимитирующей в биосинтезе цитокининов, субстраты—доноры пренильных групп образуются в пентилэритрол-фосфатном биохимическом пути.[9]
У растений и бактерий цитокинины также могут образовываться из продуктов распада тРНК.[9][10] Транспортные РНК, с антикодоном, начинающимся с уридина и имеющие пренилированные аденозины рядом с антикодоном, освобождают при деградации аденозины как цитокинины.[9] Пренилирование таких аденинов осуществляется тРНК-изопентилтрансферазой[10]
Показано также, что ауксины регулируют биосинтез цитокининов.[11]
По последним данным, разные этапы биосинтеза цитокининов осуществляются в разных тканях растения. Основным местом синтеза цитокининовых нуклеотидов является кончик корня, небольшое их количество синтезируется также в апексе побега, цветках и плодах. По ксилеме цитокининовые нуклеотиды доставляются в апекс побега, который является основным местом синтеза активных свободных цитокининов[1].
Катаболизм и инактивация цитокининов
Основные ферменты катаболизма цитокининов - цитокинин-оксидазы, которые локализованы в вакуолях и эндоплазматическом ретикуллуме (ЭР) и осуществляет расщепление цитокининов с образованием аденина. Субстратами цитокинин-оксидаз являются свободные цитокинины и их рибозиды. Помимо расщепления цитокинин-оксидазами возможна обратимая или необратимая инактивация цитокининов путём образования конъюгатов[1].
Транспорт цитокининов
Основной транспортной формой цитокининов является зеатин-рибозид (ксилемный транспорт). Кроме того, существует транспорт цитокининов по флоэме, благодаря которому свободные цитокинины и их конъюгаты могут перемещаться по растению в обоих направлениях.
Транспорт цитокининов между клетками растения осуществляют две группы белков:
· пуринпермиазы (PUP), которые транспортируют в клетку свободные цитокинины, а также аденин.
· равновесные транспортеры нуклеозидов (ENT), которые осуществляют транспорт в клетку цитокинин-рибозидов[1].