eng
Выпуск #2/2020
Ю. Н. Кульчин, Д. О. Гольцова, Е. П. Субботин
РЕГУЛИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ СВЕТА НА РАСТЕНИЯ
РЕГУЛИРУЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ СВЕТА НА РАСТЕНИЯ
Просмотры: 3621
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.2.192.210
В статье рассматриваются вопросы световой регуляции генетической системы растений и светового управления морфогенезом. Дано представление о механизмах трансляции светового сигнала в клетке. Показана взаимосвязь между фоторецепторными белками и эндогенными программами развития растений. Охарактеризована роль пигментных белков и фитогормонов в процессах регуляция онтогенеза растений.
Приведены экспериментальные результаты, демонстрирующие световое управление морфогенезом растений.
В статье рассматриваются вопросы световой регуляции генетической системы растений и светового управления морфогенезом. Дано представление о механизмах трансляции светового сигнала в клетке. Показана взаимосвязь между фоторецепторными белками и эндогенными программами развития растений. Охарактеризована роль пигментных белков и фитогормонов в процессах регуляция онтогенеза растений.
Приведены экспериментальные результаты, демонстрирующие световое управление морфогенезом растений.
Регулирующее действие света на растения
Ю. Н. Кульчин 1, 2, Д. О. Гольцова 1, Е. П. Субботин 1
Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток, Россия
Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия
В статье рассматриваются вопросы световой регуляции генетической системы растений и светового управления морфогенезом. Дано представление о механизмах трансляции светового сигнала в клетке. Показана взаимосвязь между фоторецепторными белками и эндогенными программами развития растений. Охарактеризована роль пигментных белков и фитогормонов в процессах регуляция онтогенеза растений. Приведены экспериментальные результаты, демонстрирующие световое управление морфогенезом растений.
Ключевые слова: свет, спектр излучения, световое управление, пигментные белки, фитогормоны, фоторцеция, онтогенез растений
Статья получена: 09.09.2019
Статья принята к публикации: 07.10.2019
ВВЕДЕНИЕ
Солнечный свет – важный адаптационный стимул, и многие живые организмы приспосабливают свой метаболизм к условиям изменяемой освещенности в окружающей среде, воспринимая световые сигналы и реагируя на них изменением своих физиологических функций [1]. При этом свет выступает многогранным фактором, характеризующимся качественными (диапазоном длин волн) и количественными (интенсивностью, интегральной суточной радиацией, фотопериодом) параметрами, а также направлением и поляризацией. Как правило, основная причина низкой продуктивности растущих в естественных условиях растений заключается в том, что громадное количество поступающей от Солнца энергии обесценивается как фактор фотосинтеза вследствие неблагоприятных сочетаний параметров освещения с другими условиями продуктивности: теплом, влажностью и условиями почвенного плодородия [2]. Учитывая, что свет контролирует функционирование систем эндогенной регуляции (генной, ферментативной, трофической, гормональной и т. п.), совокупное действие которых обеспечивает адекватную реакцию растений на условия освещения, можно, манипулируя характеристиками освещения, максимально раскрыть потенциал, определяемый генетическим планом растения. Тем самым, используя различные части спектра, можно задавать растению входные данные, или «инструкции», которые приведут к предсказуемым биохимическим событиям и ощутимым управляемым практическим результатам. В данном случае наблюдаемые эффекты управления морфогенезом растений, основанные на использовании различных спектров освещения, в некотором смысле родственны генной модификации, но при этом не изменяют самого генофонда растения [3].
Идея использования разных спектральных компонент света для управления развитием растений не нова. Но чтобы понять, почему этот подход возможен, необходимо знать, как формируются отклики растений в результате экспрессии разных генов под воздействием света. Эти исследования представляют огромный интерес, так как открывают возможность максимального раскрытия генетического потенциала культур растений без генетической модификации или увеличения использования химических веществ. Цель настоящей работы заключается в рассмотрении вопросов, связанных со световым управлением морфогенезом растений.
1.
ПИГМЕНТНЫЕ БЕЛКИ В ОНТОГЕНЕЗЕ РАСТЕНИЙ
Для того чтобы свет мог оказывать влияние на растительные организмы и, в частности, использоваться в процессе фотосинтеза, необходимо его поглощение фоточувствительными белками (антеннами) – пигментами [4], осуществляющими избирательное поглощение света. Пигменты играют важную и разнообразную роль в жизнедеятельности организмов, особенно в протекающих в них фотобиологических процессах.
Главный фотобиологический процесс – фотосинтез, в ходе которого энергия электромагнитного излучения превращается в химическую энергию органических соединений [5].
Набор, состав и соотношение пигментов специфичны для различных групп организмов [6]. Пигменты фотосинтеза у высших растений сконцентрированы в пластидах. Их можно разделить на четыре группы: хлорофиллы, каротиноиды, фикобилины и флавоноиды [7, 8].
Хлорофиллы играют важнейшую роль в процессе фотосинтеза [9].У всех высших растений содержатся хлорофиллы а и b. Хлорофилл а в растворе имеет максимум поглощения на длинах волн 440 и 700 нм, а хлорофилл b – на длинах волн 460 и 660 нм. Однако есть формы хлорофилла, поглощающие свет с длиной волны 642, 710 и даже 720 нм. Синтез хлорофилла – многоэтапный процесс, протекающий с участием различных ферментов, образование которых ускоряется на свету. При исследовании влияния света на образование хлорофилла в большинстве случаев проявилась положительная роль красного света. Большое значение имеет также интенсивность освещения. Существуют нижний и верхний пределы интенсивности освещенности растений, начиная с которых образование хлорофилла тормозится.
Наряду с зелеными пигментами в хлоропластах и хроматофорах содержатся пигменты, относящиеся к группе каротиноидов. Каротиноиды – это желтые и оранжевые пигменты. Они присутствуют у всех высших растений и у многих микроорганизмов [10]. Основными представителями каротиноидов у высших растений являются два пигмента – β-каротин (оранжевый) и ксантофилл (желтый). β-каротин имеет два максимума поглощения, соответствующие длинам волн 452 и 482 нм, а ксантофилл – на длинах волн 470 и 502 нм. Установлено, что каротиноиды, поглощая определенные участки солнечного спектра, передают энергию этих лучей на молекулы хлорофилла и тем самым способствуют использованию спектрального диапазона света, который хлорофиллом не поглощается. Имеются данные, что каротиноиды также выполняют защитную функцию, предохраняя различные органические вещества клеток растений, в первую очередь молекулы хлорофилла, от разрушения на свету в процессе фотоокисления. При формировании листьев каротиноиды образуются и накапливаются в пластидах и не требуют света при синтезе.
Фикобилины – красные и синие пигменты, присутствующие у цианобактерий и некоторых водорослей [11]. Они представлены следующими пигментами: фикоцианином, фикоэритрином и аллофикоцианином. Фикобилины поглощают лучи в зеленой и желтой частях спектра светового излучения. Это та часть спектра, которая находится между двумя основными линиями поглощения хлорофилла. Фикоэритрин поглощает лучи с длиной волны 495–565 нм, а фикоцианин – 550–615 нм. Считается, что фикобилины поглощают энергию света и, подобно каротиноидам, передают ее на молекулу хлорофилла, после чего она используется в процессе фотосинтеза.
Флавоноиды – крупнейший класс растительных пигментов, находящихся в виде гликозидов в соке растений. К ним относят антоцианы, антоцианидины, ауроны, дигидрохалконы, изофлавоны, катехины, лейкоантоцианидины, флавононолы, флавоны, флаваноны, флавонолы и халконы. В зависимости от PH среды флавоноиды имеют красную, желтую, синюю и фиолетовую окраску. Они принимают участие в фотосинтезе, образовании лигнина, вовлечены в регуляцию процессов прорастания семян, пролиферации и отмирания (путем апоптоза) клеток [12, 13].
Известно, что успешная закладка генеративных структур и вызревание плодов, семян и других хозяйственно ценных органов культурных растений во многом зависят от регуляции этих процессов, в которых задействовано множество генных комплексов. В настоящее время ясно, что размер и стабильность антенн фотосинтетического аппарата важны не только для фотосинтетической функции, но и для осуществления регуляторных сигналов, распространяющихся за пределы хлоропластов клеток растений [14].
В ходе онтогенеза клетки растений должны эффективно координировать активность двух геномов – ядерного и пластидного. Такая координация оказывается возможной благодаря существованию двух противоположно направленных процессов. С одной стороны, это ядерный контроль над экспрессией генома хлоропластов, с другой – это обратная регуляция, направленная от хлоропластов к ядру, несущая информацию о состоянии и функционировании этих органелл в данных конкретных условиях и обеспечивающая таким образом обратную связь между цитоплазмой и ядром. В данном случае при изменении спектрального состава или интенсивности освещения меняется стехиометрический состав белков светособирающих комплексов хлоропластов, а также интенсивность процессов биосинтеза хлорофиллов, каротиноидов, фикобилинов и флавоноидов. Практически все вовлеченные в осуществление этих процессов белки кодируются в ядре. В связи с этим информация об изменении спектрального состава или интенсивности освещения должна поступать в ядро от хлоропластов и приводить к изменению экспрессии соответствующих ядерных генов. Конкретные механизмы генерации и передачи пластидно-ядерных сигналов у растений изучены на сегодняшний день недостаточно. Считается, что такими сигналами являются активные формы кислорода, генерируемые при участии связанных с пластидами белков, которые посредством ряда каскадов с участием более стабильных форм соединений обеспечивают передачу информации через цитоплазму в ядро [15, 16].
2. ФОТОМОРФОГЕНЕЗ РАСТЕНИЙ
Рост и развитие растений контролируются генетическими детерминантами, продуктами их экспрессии и сигналами внешней среды. Физиологические эффекты световых сигналов в растениях весьма дифференцированы: свет является уникальным источником энергии, обеспечивающим фотосинтез, но он также оказывает мощное стимулирующее влияние на морфогенез растений [1]. Фоторецепция – важнейшая функция, необходимая растениям для приспособления к условиям освещения и другим параметрам среды, ибо свет служит для них синхронизатором суточных и сезонных биоритмов, а также источником специфической сигнальной информации [17]. Морфогенез растений, который управляется параметрами освещения, называется фотоморфогенезом [18].
На сегодняшний день общепринятыми считаются несколько механизмов регуляторного влияния света на растения, действие которых может носить как изолированный, так и совместный характер [16]:
влияние света на функциональную активность клеточных мембран, осуществляемое через изменение электрических характеристик мембран клеток и тканей, облучаемых светом органов растений, что вызывает определенные физиологические эффекты: новообразование фитогормонов и активацию некоторых генов.
Вследствие эволюционной адаптации к изменяющимся и экстремальным условиям освещенности растения имеют усложненную специализированную фоторецепторную сеть. У растений с наиболее развитой системой рецепции света, ответственной за реализацию разнообразных фотоответов, функционирует несколько типов регуляторных фоторецепторных белков (фоторецепторов), спектральная чувствительность которых позволяет использовать для управления морфогенезом практически все области оптического спектра. К ним относятся фитохромы – сенсоры красного (R) и дальнего красного (FR) света (область функционирования 600–750 нм), криптохромы и фототропины – рецепторы ближнего ультрафиолетового (UV-A) и синего (В) света (область функционирования 320–500 нм), а также белок UVR8 – рецептор фотонов дальней ультрафиолетовой области спектра (UV-B) (область функционирования 290–320 нм) [19].
Экспрессия светорегулируемых генов у растений контролируется различными классами фоторецепторов [20,21], которые трансформируют световые сигналы в биохимические сигнальные каскады, вызывающие физиологические клеточные ответы. Сенсорами фотонов у фоторецепторных белков служат молекулы хромофоров, фотопревращение которых инициирует структурные изменения в фотосенсорном домене с последующей трансдукцией сигнала к эффекторным доменам фоторецепторов или взаимодействующим белкам, вызывая модуляцию их активности.
Таким образом, основой фотоморфогенеза растений является детектирование специальными фоточувствительными образованиями – фоторецепторными белками (фоторецепторами) – наличия или отсутствия световой энергии заданной интенсивности в заданном диапазоне длин волн. Предполагается, что световые сигналы, принятые фоторецепторами, должны быть преобразованы и далее должны передаваться через фоторегуляторные системы, вызывая экспрессию генов, что в конечном итоге приводит к физиологическому ответу. Доказано, что растительные гормоны через систему фоторецепции также вовлечены в реакцию на свет. В результате при обнаружении заданных изменений параметров света фоторецептор запускает цепочку биохимических процессов, активирующих в конечном итоге требуемую реакцию организма растения (рис. 1).
Взаимосвязь между фоторецепторными белками и эндогенными программами развития растений заключается в их влиянии на рост и развитие клеток, которое проявляется в регуляции движения хлоропластов, изменении проницаемости мембран, синтезе ферментов и фитогормонов. При этом предполагается, что поглощенный квант (или несколько квантов) света переводит фоторецепторный белок в активную форму. В дальнейшем генерируется некий сигнал, поступающий в ядро клетки к ДНК, который дерепрессирует потенциально активный ген, приводя его в активное состояние, в результате чего происходит переключение в матричном синтезе информационной РНК (иРНК) и белков.
Гены фитохромов находятся в ядерной ДНК. Поэтому экспрессия генов осуществляется в ядре, а синтез белков фитохромов – в цитоплазматических рибосомах. Фитохромобилин (хромофор фитохрома) синтезируется в пластидах, а уже потом поступает в цитоплазму. В цитоплазме происходит автокаталитическое ковалентное присоединение хромофора к белку фитохрома. В результате образуется функционально активная молекула фитохрома [22].
Таким образом, между сигнальными системами и геномом растений существует двусторонняя связь: с одной стороны, белки сигнальных систем закодированы в геноме, с другой – сигнальные системы управляют геномом, экспрессируя или подавляя активность других генов. Поэтому исследования, связанные с изучением сигнальных систем растений, интенсивно развиваются [3].
3.
ФИТОГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ОНТОГЕНЕЗА РАСТЕНИЙ
Синтезируемые в клетках растений фитогормоны – низкомолекулярные органические вещества, вырабатываемые растениями и имеющие регуляторные функции. Фитогормоны вызывают различные физиологические и морфологические изменения в чувствительных к их действию частях растений. Вещества, традиционно считающиеся фитогормонами, – ауксины, гиббереллины, цитокинины, этилен, брассиностероиды и абсцизовая кислота. Часто к ним добавляют жасмоновую, салициловую кислоты и некоторые фенольные соединения [23,24].
В отличие от животных растения не имеют специальных органов, синтезирующих гормоны. Вместе с тем отмечается бóльшая насыщенность гормонами некоторых их органов по сравнению с другими. Например, ауксинами обогащены верхушечные меристемы стебля и апикальная часть корня [25]: абсцизины обычно действуют в точке синтеза, распространяясь лишь на небольшое расстояние, а этилен транспортируется только в виде предшественника [26].
Фитогормоны обладают широким спектром действия и осуществляют координацию между отдельными клетками и тканями растений. Они регулируют многие процессы жизнедеятельности растений: прорастание семян, рост, дифференциацию тканей и органов, цветение и созревание плодов. Образуясь в одном органе (или его части) растения, фитогормоны обычно транспортируются в другой орган (или его часть). Экзогенные фитогормоны проникают в растения достаточно равномерно, а эндогенные локализуются в отдельных депо клеток. Поэтому гормональная «подкормка» растений извне не заменяет естественный синтез фитогормонов и способна помочь растениям только в определенных условиях, в связи с чем необходимо развитие управляемого процесса синтеза фитогормонов.
Фитогормональное регуляторное воздействие на рост и развитие растений достигается двумя путями: изменением дозы фитогормона и взаимодействием фитогормонов. В зависимости от концентрации фитогормона его действие на один и тот же процесс может изменяться от стимуляции до ингибирования. Кроме того, изменение его концентрации может привести и к изменению характера действия фитогормона и физиологического ответа [27].
Согласно современным представлениям регуляторное воздействие фитогормонов обусловлено тем, что они регулируют экспрессию генов в растении [28], при этом действуют на разных уровнях. Фитогормоны взаимодействуют в растительной клетке с белками-рецепторами и образуют своеобразный гормон-рецепторный комплекс, который далее проникает в ядро и вступает в контакт с хроматином. Рецепторы располагаются как на мембранах, так и в цитозоле. Поэтому один и тот же гормон может связываться с разными рецепторами, тем самым вызывая различные ответные физиологические реакции. Именно это является одной из причин многоуровневости действия фитогормонов. На первом уровне прямое взаимодействие фитогормона с ДНК изменяет структурное состояние хроматина и тем самым влияет на его матричную активность. Второй возможный уровень воздействия фитогормонов связан с реализацией наследственной информации посредством их влияния на специфические ферменты РНК полимеразы, способные узнавать определенные гены и синтезировать гигантские молекулы – предшественники информационной РНК (пре-иРНК). При этом фитогормоны могут регулировать время жизни мРНК, а также процесс ее поступления в цитоплазму. Фитогормональная регуляция экспрессии генов возможна и на уровне трансляции – синтеза белка в рибосомах.
Таким образом, фитогормоны не только регулируют рост и развитие клетки, но и являются надклеточными механизмами регуляции. Способы регуляции могут быть разными: одни фитогормоны могут понизить экспрессию целевого гена, другие, наоборот, могут его активировать. Поэтому между фитогормонами возникают конкурентные отношения. Образование и накопление одного гормона вместо другого приводит к изменению характера ростовых процессов. Кроме того, один гормон может стимулировать или ингибировать синтез другого гормона.
Наряду с дифференциальным действием на активность генома большое значение имеет влияние фитогормонов на регуляцию проницаемости клеточных мембран. В результате связи фитогормона с рецептором мембраны изменяется мембранный потенциал, что приводит к активации функциональной системы клетки, вследствие чего происходит активация / инактивация соответствующих генов [26, 29, 30].
Гормональная система на каждом этапе развития растения характеризуется определенным статусом: состоянием фитогормональной системы в онтогенезе растения, уровнем концентрации и соотношением между фитогормонами в процессах их образования, передвижения, использования и инактивации в ответ на внешние воздействия [31]. Гормональный статус может быть изменен воздействием экзогенных факторов (различных технологических приемов, изменяющих условия роста). Исходя из этого, можно предположить, что свет является одним из значимых факторов изменения гормонального статуса растений, а следовательно, и регуляции их онтогенеза.
4.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ СВЕТОВОГО УПРАВЛЕНИЯ МОРФОГЕНЕЗОМ РАСТЕНИЙ
Множество ранее выполненных исследований с использованием монохроматоров и специальных спектральных фильтров позволило детально изучить влияние качественного состава света на развитие растений [32]. Однако эти исследования до сих пор не дали однозначного ответа на вопрос: каким образом свет управляет геномом растений и как комбинацией спектральных компонент излучения и их интенсивности создать оптимальный режим освещения, чтобы максимально раскрыть генетический потенциал растений? По-видимому, в значительной мере это было обусловлено отсутствием широкополосных источников излучения с управляемым спектральным составом. Одним из способов получения широкополосного светового излучения является совместное использование в одном осветительном приборе различных полупроводниковых светодиодов. Современные светодиоды перекрывают чрезвычайно широкий диапазон спектров излучения – от ультрафиолетового до инфракрасного [33]. Таким образом, комбинируя набор разных светодиодов, можно создать мультиспектральные управляемые источники света, позволяющие получить свет любой интенсивности и с практически любым спектральным составом. На рис. 2 приведены спектральные характеристики управляемого многоэлементного матричного светодиодного источника света, описанного в работах [34, 35]. Данный источник света позволяет по заданной программе изменять интенсивность, спектральный состав и длительность светового потока.
В работе [36] изучено влияние спектрального состава и интенсивности широкополосного светового излучения на рост и развитие растений с использованием многоэлементного матричного светодиодного источника света, спектр излучения которого варьировался в диапазоне длин волн 440–660 нм и мог излучаться как в моно- и полихроматическом режимах, так и в близком по спектральному составу к спектру излучения Солнца (рис. 2). Эксперименты проводили на растениях – регенерантах картофеля Solanum tuberosum L., оздоровленных методом апикальной меристемы и культивируемых в условиях in vitro. Для контроля использовали растения, выращенные под люминесцентными лампами (LFW). Результаты экспериментов, иллюстрирующие динамику развития растений при воздействии разных спектров излучения, представлены на рис. 3 [37].
Опыты показали, что растения, выросшие на синем свету (B, RB), приземисты, а на красном (R, DR) – вытянуты. Листья первых имеют нормальные размеры, вторых – недоразвиты и неправильной формы. Данные проявления онтогенеза обусловлены тем, что красные лучи спектра стимулируют фазу растяжения клеток, а сине-фиолетовые – фазу дифференциации. Растения, выросшие под желтым и зеленым излучением (Y, G), демонстрируют вытянутость и слабое развитие листвы, т. е. монохроматический желтый и зеленый свет способствует быстрому росту в длину (при этом формируются хрупкие и тонкие растения), но это не приводит к накоплению достаточной биомассы. В целом для растений, культивируемых при монохроматическом свете (кроме синего и глубокого синего), отмечена максимальная высота стебля, в 1,5 раза превышающая аналогичный показатель у контрольной группы растений, выращиваемых под люминесцентной лампой. Наибольшее увеличение длины стебля у данных групп растений происходит за счет вытягивания междоузлий. Полученные результаты, по-видимому, связаны со спектральной зависимостью монохроматического светового стимулирования гормонов роста растений: ауксинов и цитокининов.
Переход к полихроматическому и широкополосному излучению (CW, W, WW, FS и SS) демонстрирует явное отличие от монохроматического освещения, которое проявляется в более интенсивном развитии листвы и корневой системы растений. В то же время высота растений, культивируемых при полихроматическом свете, в 0,6 раза меньше, чем в контроле (люминесцентная лампа – LFW)). Наибольшая длина и ширина листьев наблюдаются у растений, выращиваемых при глубоком синем (RB) и холодном белом свете (CW). Максимальная масса надземной части растений отмечена у экземпляров, выращенных при полихроматическом свете (CW и W). Это свидетельствует об эффективности полихроматического светового излучения, имеющего парные спектральные максимумы на длинах волн 446,8 и 546,9 нм (CW), 446,8 и 550,2 нм (W), что стимулирует процесс образования хлорофиллов и кратоиноидов и влияет на увеличение массы растений.
Очень часто универсальность и эффективность не совпадают. Исследования на ценозах показали, что у растений разных видов наблюдаются различные требования к оптимальному сочетанию спектральных и энергетических характеристик светового режима [38]. Как отмечалось выше, основную роль в регуляции морфогенетических процессов у растений выполняют фоторецепторы: фитохромы, криптохромы и фототропин, управляющие фитогормонами клеток растений, синтез и воздействие на которые активированных светом фоторецепторных белков либо не исследованы вообще, либо изучены недостаточно. В частности, известно, что красный и синий свет изменяет содержание отдельных групп фитогормонов, что может проявиться в специфичности действия спектра излучения на морфогенез растений.
Были проведены эксперименты по выращиванию in vitro микроклональных растений картофеля Solanum tuberosum L. при освещении двухкомпонентным излучением с длинами волн 460 и 660 нм, которые попадают в максимум поглощения хлорофилла b, а также при освещении широкополосным светодиодным излучением (SS) в диапазоне длин волн от 440 до 660 нм. В последнем случае SS спектр излучения позволяет не только возбудить хлорофилл а и b, но и активировать практически все фоторецепторные белки растений. На рис. 4 приведены фотографии динамики развития микроклональных растений в сравнении с контрольным освещением люминесцентной лампой белого света. Результаты экспериментов показали, что использование SS источника излучения позволяет добиться увеличения биомассы растений на 30% в сравнении с двухволновым облучением и увеличения биомассы на 17% по отношению к контрольному освещению. Таким образом, для обеспечения максимальной продуктивности растений целесообразно использование широкополосного светового излучения.
Существующие источники искусственного света, за редким исключением, не могут воспроизводить солнечный спектр в диапазоне фотосинтетически активной радиации или генерируют похожий спектр, но с пиковыми выбросами на ряде отдельных частот (рис. 1), что не позволяет добиться их максимальной эффективности. Поэтому SS-многокомпонентный матричный LED источник излучения представляет значительный интерес для повышения урожайности сельскохозяйственных культур. В то же время наряду с подбором спектрального состава излучения необходимо обращать внимание и на энергетическую компоненту излучения. Исследования, выполненные in vitrо с растениями – регенерантами картофеля S. tuberosum сортов «Рождественский» и «Снегирь», а также Стевии медовой (Stevia rebaudiana), показали наличие оптимальной интенсивности широполосного освещения растений, при которых достигается их максимальный отклик [39, 40].
На рис. 5 приведены фотографии, иллюстрирующие эффективность процесса развития Стевии медовой при разном уровне интенсивности ее освещения широкополосным источником излучения спектра SS.
Воспринимая световые сигналы, фоторецепторы инициируют внутриклеточные сигнальные пути и тем самым регулируют развитие растений на протяжении всего жизненного цикла. Сигналом для запуска морфогенеза растений служит изменение соотношения фитогормонов цитокининов и ауксинов, которые являются регуляторами не только роста, но и дифференцировки клеточных структур. Взаимодействие гормонов растений может наблюдаться в формах синергизма и антагонизма. Синергическое действие связано с взаимным усилением действия гормонов на какой-либо процесс. Так, в частности, регенерация побегов из каллуса активизируется под действием цитокининов в присутствии ауксинов. Как правило, существует несколько путей, по которым может пойти развитие каллусной клетки. Поскольку основную роль в регуляции морфогенетических процессов светом выполняют фоторецепторы, то в каллусной структуре под воздействием света происходит синтез фитогормонов, который активируется различным спектром излучения через фоторецепторные белки.
В культуре каллусных тканей под морфогенезом понимают возникновение организованных структур из неорганизованной массы клеток. В работе [34] исследовалось влияние спектра облучения на развитие дифференцированных зон в каллусной массе клеточной культуры риса сорта «Долинный». На рис. 6 приведены фотографии, иллюстрирующие понедельную динамику развития каллусной культуры в in vitro.
Было установлено, что для каждого спектра излучения существует оптимальная интенсивность излучения, при которой наблюдается максимальная скорость развития каллусной культуры. В таблице 1 приведены результаты наблюдений временного процесса развития каллусной клеточной культуры риса сорта «Долинный» под воздействием различных спектров излучения, которые позволяют проследить динамику влияния регулируемого различным спектром излучения фоторецепторного отклика на взаимодействия гормонов ауксинов и цитокининов. Известно, что ауксины действуют на рост клеток двухфазно в зависимости от концентрации: при низких дозах ускоряют, а при более высоких тормозят процессы роста. В стерильных тканевых культурах увеличение содержания цитокининов вызывает дифференцировку клеток в зависимости от концентрации гормона.
В частности, под действием фитогормона цитокинина в растениях синтезируется хлорофилл. Как видно, присутствие значительной части синего света с небольшим содержанием красного в полихроматическом излучении LFW и CW (спектральный состав излучения показан на рис. 2) приводит к росту зеленой (хлорофилльной) массы, что, по-видимому, обусловлено повышением концентрации цитокининов по отношению к ауксинам. Уменьшение или отсутствие доли синего света в спектре излучения тормозит образование хлорофилльной массы, тогда как повышение доли красной компоненты ведет к образованию коричневой (корневой) клеточной структуры и росту массы каллуса, что, видимо, обусловлено повышением концентрации ауксинов.
Таким образом, выявленный процесс регуляторного действия спектра излучения на ключевые этапы дифференцировки клеток каллуса, зависящие от соотношения гормонов ауксинов и цитокининов, образующихся под воздействием фоторецепторной системы в клеточной массе каллусов, дает основание говорить о необходимости дальнейшего развития фундаментальных исследований регуляторного действия света, которые должны послужить прогрессу в создании новых механизмов эндогенной регуляции развития растений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В отличие от животных растения изначально должны реагировать на свет, чтобы жить. Для этого у них существует созданная природой фоторецепторная система. Поэтому свет для растений не только источник энергии, но и важный фактор окружающей среды, который контролирует различные пути передачи сигналов. Свет является одним из основных регуляторов развития растений и их метаболизма. Экспрессия генов у растений регулируется светом на многих уровнях. Уровень генного продукта может контролироваться путем регуляции уровня транскрипции его гена или путем регуляции трансляции его мРНК в белок [41].
На сегодня взаимосвязь между фоторецепторной системой растений и эндогенными программами их развития по-прежнему остается малоизученной. Хотя активация светом генетического аппарата биосинтеза белков уже не вызывает сомнений, следует подчеркнуть, что, по-видимому, подобный эффект представляет собой не начальный, а один из заключительных этапов действия фоторецепторных белков, а материальная природа сигнала, распространяющегося от фоторецептора к ядру клетки, остается невыясненной. Положение усложняется еще и тем, что оклики различных фоторецепторных белков в ряде случаев дублируются или имеют сходное действие.
Ответить на все эти вопросы необходимо, если человечество ставит своей задачей овладеть процессом фотоморфогенеза растений в целях повышения эффективности производства сельскохозяйственных культур и наиболее полного раскрытия их генетического потенциала.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, номер соглашения: 05.604.21.0229.
ЛИТЕРАТУРА
Головацкая И. Ф. Морфогенез растений и его регуляция. Часть 1: Фоторегуляция морфогенеза растений. // Изд-во: НИУ Томский ГУ, 2016 г – 172 с.
Протасова Н. Н. Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений // Физиология растений. 1987. Т. 34. № 4. С. 812–822.
Гречкин А. Н., Тарчевский И. А. Сигнальные системы клеток и геном. // Биоорганическая химия. 2000.-т.26. № 10, с. 779–781.
Беленький Е. Ф., Рискин И. В. Химия и технология пигментов. Изд. 4-е, пер. и доп. – Л.: 1974.-656 с.
Холл Д., Рао К. Фотосинтез: Пер. с англ. // М.: Мир, 1983. – 134 c.
Бриттон Г. Биохимия природных пигментов. // М.: Мир, 1986. – 422 с.
Воскресенская Н. П. Фотосинтез и спектральный состав света. // М.: Наука, 1965. – 309 c.
Холл Д., Рао К. Фотосинтез. // М.: Мир, 1983. – 134 с.
Blankenship R. E. Molecular Mechanisms of Photosynthesis. // Blackwell Science, Oxford-Paris, 2002. – 321 p.
Ладыгин Г., Ширшикова Г. Н. Современные представления о функциональной роли каротиноидов в хлоропластах эукариот. // Журнал общей биологии. 2006, т. 67, № 3, c. 163–189.
Конев С. В. Фотобиология. // Изд-во: Мн.: БГУ. 1979. – 385c.
Макаренко О. А., Левицкий А. П. Физиологические функции флавоноидов в растениях. // Физиология и биохимия культурных растений. 2013, т. 45, № 2, c. 100–112.
Червяковский В. П., Курченко В. А., Костюк Е. М. Роль флавоноидов в биологических реакциях с преносом электронов. // Труды Белорусского государственного университета. Минск. 2009. т. 4, часть 1. – 19-с.
Тюреева Е. В., Дмитриева В. А., Войцеховская О. В. Хлорофилл b как источник сигналов, регулирующих развитие и продуктивность растений. // Сельскохозяйственная биология. 2017, т. 52, в. 5, с. 843–855.
Baier M., Dietz K. J. Chloroplasts as source and target of cellular redox regulation: A discussion on chloroplast redox signals in the context of plant physiology. // Journal of Experimental Botany. 2005. v. 56, No. 416, p. 1449–1462.
Folta K. M., Childers K. S. Light as a Growth Regulator: Controlling Plant Biology with Narrow-bandwidth Solid-state Lighting Systems. // Hortscience.2008, v. 43, № 7, p.1957–1964.
Фрайкин Г. Я. Белковые сенсоры света: фотовозбужденные состояния, сигнальные свойства и применение в оптогенетике. // М.: OOO «АР-Консалт», 2018 г. – 87 с.
Синнот Э. Морфогенез растений / М: Изд-во иностр. лит., 1963. – 601 с.
Jigang Li, Gang Li,Haiyang W., Deng X. W. Arabidopsis Book. // 2011, 9: e0148. doi: 10.1199/tab.0148/
Costa G. V., Fankhauser C. Sensing the light environment in plants: photoreceptors and early signaling steps. // Current Opinion in Neurobiology. 2015., 34: p. 46–53.
Briggs W. R., Olney M. A. Photoreceptors in Plant Photomorphogenesis to Date. Five Phytochromes, Two Cryptochromes, One Phototropin, and One Superchrome, 2003 <http://www.plantphysiol.org/content/125/1/85.fu>.
Кулаева О. Н. Как свет регулирует жизнь растений // Соросовский образовательный журнал. 2001, т. 7, № 4, с. 6–12.
Дерфлинг К. Гормоны растений. Системный подход. // М.: Мир, 1985. – 304 c.
Цыганкова В. А., Галкина Л. А., Мусатенко Л. И., Сытник К. М. Генетический и эпигенетический контроль роста и развития растений. Гены биосинтеза ауксинов и ауксин-регулируемые гены, контролирующие деление и растяжение клеток растений. // Биополимеры и клетка. 2005. т. 21. № 2, c. 107–133.
Гэлстон А., Девис П., Сэттер Р. Жизнь зеленого растения // М.: Мир, 1983. – 552 c.
Полевой В. В. Фитогормоны // Л.: Изд-во ЛГУ, 1982. – 248 с.
Полевой В. В. Внутриклеточные и межклеточные системы регуляции у растений. // Соросовский образовательный журнал. 1997, № 9, с. 6–11.
Кулаева О. Н., Кузнецов В. В. Новейшие достижения и перспективы изучения механизма действия фитогормонов и их участия в сигнальных системах целого растения. // Вестник РФФИ. 2004, № 36, с. 12–36.
Муромцев Г. С., Агнистикова В. Н. Гиббереллины. М., 1984. – 208 c.
Роньжина Е. С. Цитокинины в регуляции донорно-акцепторных связей у растений. // Калининград: изд-во КГТУ, 2005. – 266 c.
Шевелуха B. C. Периодичность роста сельскохозяйственных растений и пути ее регулирования. // М.: Колос. 1980.-455с.
Тихомиров А. А., Шарупич В. П., Лисовский Г. М. Светокультура растений: биофизические и биотехнологические основы. // Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. – 213 c.
Светодиоды и их применение для освещения / под редакцией Ю. Б. Айзенберга. // М: Знак. 2011. – 280 с.
Kulchin Yu. N., Zmeeva V. N., Subbotin E. P., Kostyanko A. A. The Effect of Multispectral Light Emitting Diodes (LEDs) on the Activation of Morphogenic Processes in Cell Culture of Rice Oryza Sativa l // Defect and Diffusion Forum. Trans Tech Publications, Switzerland. 2018, v. 386, p. 236–243.
Gafitskaya I. V., Nakonechnaya O. V., Grishchenko O. V., Bulgakov V. P., Zhuravlev Yu. N., Subbotin E. P., Kulchin Yu. N. Growth of Solanum tuberosum plantlets in vitro under LED light sources. // Proc. SPIE11024, Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics. 2017, 110240E (4 January 2019); doi: 10.1117 / 12.2314903.
Kulchin Yu. N., Nakonechnaya O. V., Gafitskaya I. V., Grinchenko O. V., Epifanova T. Yu., Orlovskaya I. Yu., Zhuravlev Yu. N., Subbotin E. P. Plant Morphogenesis under Different Light Intensity // Defect and Diffusion Forum. Trans Tech Publications, Switzerland 2018., v. 386, p. 201–206.
Гафицкая И. В., Наконечная О. В., Журавлев Ю. Н., Субботин Е. П., Кульчин Ю. Н. Перспективы использования светодиодного излучения при культивировании in vitro растений-регенерантов картофеляю. // Сборник материалов III научно-практической конференции с международным участием «Перспктивы фотобиотехнологии для улучшения квчества жизни на Севере». Якутск, Республика Саха (Якутия), Россияю. 2018 ., с 35–37.
Жилинский Ю. М., Кумин В. Д. Электрическое освещение и облучение. // М.: Колос. 1982. – 268 c.
Субботин Е. П.,. Гафицкая И. В, Наконечная О. В., Журавлев Ю. Н., Кульчин Ю. Н. Влияние искусственного солнечного света на рост и развитие растений-регенерантов Solanum tuberosum. // Turczaninowia. 2018., т. 21 (2), с. 32–39.
Наконечная О. В., Гафицкая И. В., Бурковская Е. В., Хроленко Ю. А., Грищенко О. В., Журавлев Ю. Н., Субботин Е. П., Кульчин Ю. Н. Влияние интенсивности света на морфогенез Stevia rebaudiana в условиях in vitro. // Физиология растений. 2019, т. 66, № 4, с. 304–312.
Richard J. Mural Fundamentals of Light-Regulated Gene Expression // Plants Genetic Engineering. / Ed. Biswas B. B., Harris. J. R. Springer Nature Switzerland AG. 2019., p. 191–211.
Ю. Н. Кульчин 1, 2, Д. О. Гольцова 1, Е. П. Субботин 1
Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток, Россия
Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия
В статье рассматриваются вопросы световой регуляции генетической системы растений и светового управления морфогенезом. Дано представление о механизмах трансляции светового сигнала в клетке. Показана взаимосвязь между фоторецепторными белками и эндогенными программами развития растений. Охарактеризована роль пигментных белков и фитогормонов в процессах регуляция онтогенеза растений. Приведены экспериментальные результаты, демонстрирующие световое управление морфогенезом растений.
Ключевые слова: свет, спектр излучения, световое управление, пигментные белки, фитогормоны, фоторцеция, онтогенез растений
Статья получена: 09.09.2019
Статья принята к публикации: 07.10.2019
ВВЕДЕНИЕ
Солнечный свет – важный адаптационный стимул, и многие живые организмы приспосабливают свой метаболизм к условиям изменяемой освещенности в окружающей среде, воспринимая световые сигналы и реагируя на них изменением своих физиологических функций [1]. При этом свет выступает многогранным фактором, характеризующимся качественными (диапазоном длин волн) и количественными (интенсивностью, интегральной суточной радиацией, фотопериодом) параметрами, а также направлением и поляризацией. Как правило, основная причина низкой продуктивности растущих в естественных условиях растений заключается в том, что громадное количество поступающей от Солнца энергии обесценивается как фактор фотосинтеза вследствие неблагоприятных сочетаний параметров освещения с другими условиями продуктивности: теплом, влажностью и условиями почвенного плодородия [2]. Учитывая, что свет контролирует функционирование систем эндогенной регуляции (генной, ферментативной, трофической, гормональной и т. п.), совокупное действие которых обеспечивает адекватную реакцию растений на условия освещения, можно, манипулируя характеристиками освещения, максимально раскрыть потенциал, определяемый генетическим планом растения. Тем самым, используя различные части спектра, можно задавать растению входные данные, или «инструкции», которые приведут к предсказуемым биохимическим событиям и ощутимым управляемым практическим результатам. В данном случае наблюдаемые эффекты управления морфогенезом растений, основанные на использовании различных спектров освещения, в некотором смысле родственны генной модификации, но при этом не изменяют самого генофонда растения [3].
Идея использования разных спектральных компонент света для управления развитием растений не нова. Но чтобы понять, почему этот подход возможен, необходимо знать, как формируются отклики растений в результате экспрессии разных генов под воздействием света. Эти исследования представляют огромный интерес, так как открывают возможность максимального раскрытия генетического потенциала культур растений без генетической модификации или увеличения использования химических веществ. Цель настоящей работы заключается в рассмотрении вопросов, связанных со световым управлением морфогенезом растений.
1.
ПИГМЕНТНЫЕ БЕЛКИ В ОНТОГЕНЕЗЕ РАСТЕНИЙ
Для того чтобы свет мог оказывать влияние на растительные организмы и, в частности, использоваться в процессе фотосинтеза, необходимо его поглощение фоточувствительными белками (антеннами) – пигментами [4], осуществляющими избирательное поглощение света. Пигменты играют важную и разнообразную роль в жизнедеятельности организмов, особенно в протекающих в них фотобиологических процессах.
Главный фотобиологический процесс – фотосинтез, в ходе которого энергия электромагнитного излучения превращается в химическую энергию органических соединений [5].
Набор, состав и соотношение пигментов специфичны для различных групп организмов [6]. Пигменты фотосинтеза у высших растений сконцентрированы в пластидах. Их можно разделить на четыре группы: хлорофиллы, каротиноиды, фикобилины и флавоноиды [7, 8].
Хлорофиллы играют важнейшую роль в процессе фотосинтеза [9].У всех высших растений содержатся хлорофиллы а и b. Хлорофилл а в растворе имеет максимум поглощения на длинах волн 440 и 700 нм, а хлорофилл b – на длинах волн 460 и 660 нм. Однако есть формы хлорофилла, поглощающие свет с длиной волны 642, 710 и даже 720 нм. Синтез хлорофилла – многоэтапный процесс, протекающий с участием различных ферментов, образование которых ускоряется на свету. При исследовании влияния света на образование хлорофилла в большинстве случаев проявилась положительная роль красного света. Большое значение имеет также интенсивность освещения. Существуют нижний и верхний пределы интенсивности освещенности растений, начиная с которых образование хлорофилла тормозится.
Наряду с зелеными пигментами в хлоропластах и хроматофорах содержатся пигменты, относящиеся к группе каротиноидов. Каротиноиды – это желтые и оранжевые пигменты. Они присутствуют у всех высших растений и у многих микроорганизмов [10]. Основными представителями каротиноидов у высших растений являются два пигмента – β-каротин (оранжевый) и ксантофилл (желтый). β-каротин имеет два максимума поглощения, соответствующие длинам волн 452 и 482 нм, а ксантофилл – на длинах волн 470 и 502 нм. Установлено, что каротиноиды, поглощая определенные участки солнечного спектра, передают энергию этих лучей на молекулы хлорофилла и тем самым способствуют использованию спектрального диапазона света, который хлорофиллом не поглощается. Имеются данные, что каротиноиды также выполняют защитную функцию, предохраняя различные органические вещества клеток растений, в первую очередь молекулы хлорофилла, от разрушения на свету в процессе фотоокисления. При формировании листьев каротиноиды образуются и накапливаются в пластидах и не требуют света при синтезе.
Фикобилины – красные и синие пигменты, присутствующие у цианобактерий и некоторых водорослей [11]. Они представлены следующими пигментами: фикоцианином, фикоэритрином и аллофикоцианином. Фикобилины поглощают лучи в зеленой и желтой частях спектра светового излучения. Это та часть спектра, которая находится между двумя основными линиями поглощения хлорофилла. Фикоэритрин поглощает лучи с длиной волны 495–565 нм, а фикоцианин – 550–615 нм. Считается, что фикобилины поглощают энергию света и, подобно каротиноидам, передают ее на молекулу хлорофилла, после чего она используется в процессе фотосинтеза.
Флавоноиды – крупнейший класс растительных пигментов, находящихся в виде гликозидов в соке растений. К ним относят антоцианы, антоцианидины, ауроны, дигидрохалконы, изофлавоны, катехины, лейкоантоцианидины, флавононолы, флавоны, флаваноны, флавонолы и халконы. В зависимости от PH среды флавоноиды имеют красную, желтую, синюю и фиолетовую окраску. Они принимают участие в фотосинтезе, образовании лигнина, вовлечены в регуляцию процессов прорастания семян, пролиферации и отмирания (путем апоптоза) клеток [12, 13].
Известно, что успешная закладка генеративных структур и вызревание плодов, семян и других хозяйственно ценных органов культурных растений во многом зависят от регуляции этих процессов, в которых задействовано множество генных комплексов. В настоящее время ясно, что размер и стабильность антенн фотосинтетического аппарата важны не только для фотосинтетической функции, но и для осуществления регуляторных сигналов, распространяющихся за пределы хлоропластов клеток растений [14].
В ходе онтогенеза клетки растений должны эффективно координировать активность двух геномов – ядерного и пластидного. Такая координация оказывается возможной благодаря существованию двух противоположно направленных процессов. С одной стороны, это ядерный контроль над экспрессией генома хлоропластов, с другой – это обратная регуляция, направленная от хлоропластов к ядру, несущая информацию о состоянии и функционировании этих органелл в данных конкретных условиях и обеспечивающая таким образом обратную связь между цитоплазмой и ядром. В данном случае при изменении спектрального состава или интенсивности освещения меняется стехиометрический состав белков светособирающих комплексов хлоропластов, а также интенсивность процессов биосинтеза хлорофиллов, каротиноидов, фикобилинов и флавоноидов. Практически все вовлеченные в осуществление этих процессов белки кодируются в ядре. В связи с этим информация об изменении спектрального состава или интенсивности освещения должна поступать в ядро от хлоропластов и приводить к изменению экспрессии соответствующих ядерных генов. Конкретные механизмы генерации и передачи пластидно-ядерных сигналов у растений изучены на сегодняшний день недостаточно. Считается, что такими сигналами являются активные формы кислорода, генерируемые при участии связанных с пластидами белков, которые посредством ряда каскадов с участием более стабильных форм соединений обеспечивают передачу информации через цитоплазму в ядро [15, 16].
2. ФОТОМОРФОГЕНЕЗ РАСТЕНИЙ
Рост и развитие растений контролируются генетическими детерминантами, продуктами их экспрессии и сигналами внешней среды. Физиологические эффекты световых сигналов в растениях весьма дифференцированы: свет является уникальным источником энергии, обеспечивающим фотосинтез, но он также оказывает мощное стимулирующее влияние на морфогенез растений [1]. Фоторецепция – важнейшая функция, необходимая растениям для приспособления к условиям освещения и другим параметрам среды, ибо свет служит для них синхронизатором суточных и сезонных биоритмов, а также источником специфической сигнальной информации [17]. Морфогенез растений, который управляется параметрами освещения, называется фотоморфогенезом [18].
На сегодняшний день общепринятыми считаются несколько механизмов регуляторного влияния света на растения, действие которых может носить как изолированный, так и совместный характер [16]:
- непосредственное действие светового излучения на генетический аппарат растений через возбуждение фоторецепторов, которое способствует синтезу необходимых белков;
- эндогенная регуляция, проявляющаяся через возбуждение светом фоторецепторов активности фитогормонов, которые являются одними из ближайших к фотохромным белкам звеньев регуляторной системы в клетках растений;
влияние света на функциональную активность клеточных мембран, осуществляемое через изменение электрических характеристик мембран клеток и тканей, облучаемых светом органов растений, что вызывает определенные физиологические эффекты: новообразование фитогормонов и активацию некоторых генов.
Вследствие эволюционной адаптации к изменяющимся и экстремальным условиям освещенности растения имеют усложненную специализированную фоторецепторную сеть. У растений с наиболее развитой системой рецепции света, ответственной за реализацию разнообразных фотоответов, функционирует несколько типов регуляторных фоторецепторных белков (фоторецепторов), спектральная чувствительность которых позволяет использовать для управления морфогенезом практически все области оптического спектра. К ним относятся фитохромы – сенсоры красного (R) и дальнего красного (FR) света (область функционирования 600–750 нм), криптохромы и фототропины – рецепторы ближнего ультрафиолетового (UV-A) и синего (В) света (область функционирования 320–500 нм), а также белок UVR8 – рецептор фотонов дальней ультрафиолетовой области спектра (UV-B) (область функционирования 290–320 нм) [19].
Экспрессия светорегулируемых генов у растений контролируется различными классами фоторецепторов [20,21], которые трансформируют световые сигналы в биохимические сигнальные каскады, вызывающие физиологические клеточные ответы. Сенсорами фотонов у фоторецепторных белков служат молекулы хромофоров, фотопревращение которых инициирует структурные изменения в фотосенсорном домене с последующей трансдукцией сигнала к эффекторным доменам фоторецепторов или взаимодействующим белкам, вызывая модуляцию их активности.
Таким образом, основой фотоморфогенеза растений является детектирование специальными фоточувствительными образованиями – фоторецепторными белками (фоторецепторами) – наличия или отсутствия световой энергии заданной интенсивности в заданном диапазоне длин волн. Предполагается, что световые сигналы, принятые фоторецепторами, должны быть преобразованы и далее должны передаваться через фоторегуляторные системы, вызывая экспрессию генов, что в конечном итоге приводит к физиологическому ответу. Доказано, что растительные гормоны через систему фоторецепции также вовлечены в реакцию на свет. В результате при обнаружении заданных изменений параметров света фоторецептор запускает цепочку биохимических процессов, активирующих в конечном итоге требуемую реакцию организма растения (рис. 1).
Взаимосвязь между фоторецепторными белками и эндогенными программами развития растений заключается в их влиянии на рост и развитие клеток, которое проявляется в регуляции движения хлоропластов, изменении проницаемости мембран, синтезе ферментов и фитогормонов. При этом предполагается, что поглощенный квант (или несколько квантов) света переводит фоторецепторный белок в активную форму. В дальнейшем генерируется некий сигнал, поступающий в ядро клетки к ДНК, который дерепрессирует потенциально активный ген, приводя его в активное состояние, в результате чего происходит переключение в матричном синтезе информационной РНК (иРНК) и белков.
Гены фитохромов находятся в ядерной ДНК. Поэтому экспрессия генов осуществляется в ядре, а синтез белков фитохромов – в цитоплазматических рибосомах. Фитохромобилин (хромофор фитохрома) синтезируется в пластидах, а уже потом поступает в цитоплазму. В цитоплазме происходит автокаталитическое ковалентное присоединение хромофора к белку фитохрома. В результате образуется функционально активная молекула фитохрома [22].
Таким образом, между сигнальными системами и геномом растений существует двусторонняя связь: с одной стороны, белки сигнальных систем закодированы в геноме, с другой – сигнальные системы управляют геномом, экспрессируя или подавляя активность других генов. Поэтому исследования, связанные с изучением сигнальных систем растений, интенсивно развиваются [3].
3.
ФИТОГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ОНТОГЕНЕЗА РАСТЕНИЙ
Синтезируемые в клетках растений фитогормоны – низкомолекулярные органические вещества, вырабатываемые растениями и имеющие регуляторные функции. Фитогормоны вызывают различные физиологические и морфологические изменения в чувствительных к их действию частях растений. Вещества, традиционно считающиеся фитогормонами, – ауксины, гиббереллины, цитокинины, этилен, брассиностероиды и абсцизовая кислота. Часто к ним добавляют жасмоновую, салициловую кислоты и некоторые фенольные соединения [23,24].
В отличие от животных растения не имеют специальных органов, синтезирующих гормоны. Вместе с тем отмечается бóльшая насыщенность гормонами некоторых их органов по сравнению с другими. Например, ауксинами обогащены верхушечные меристемы стебля и апикальная часть корня [25]: абсцизины обычно действуют в точке синтеза, распространяясь лишь на небольшое расстояние, а этилен транспортируется только в виде предшественника [26].
Фитогормоны обладают широким спектром действия и осуществляют координацию между отдельными клетками и тканями растений. Они регулируют многие процессы жизнедеятельности растений: прорастание семян, рост, дифференциацию тканей и органов, цветение и созревание плодов. Образуясь в одном органе (или его части) растения, фитогормоны обычно транспортируются в другой орган (или его часть). Экзогенные фитогормоны проникают в растения достаточно равномерно, а эндогенные локализуются в отдельных депо клеток. Поэтому гормональная «подкормка» растений извне не заменяет естественный синтез фитогормонов и способна помочь растениям только в определенных условиях, в связи с чем необходимо развитие управляемого процесса синтеза фитогормонов.
Фитогормональное регуляторное воздействие на рост и развитие растений достигается двумя путями: изменением дозы фитогормона и взаимодействием фитогормонов. В зависимости от концентрации фитогормона его действие на один и тот же процесс может изменяться от стимуляции до ингибирования. Кроме того, изменение его концентрации может привести и к изменению характера действия фитогормона и физиологического ответа [27].
Согласно современным представлениям регуляторное воздействие фитогормонов обусловлено тем, что они регулируют экспрессию генов в растении [28], при этом действуют на разных уровнях. Фитогормоны взаимодействуют в растительной клетке с белками-рецепторами и образуют своеобразный гормон-рецепторный комплекс, который далее проникает в ядро и вступает в контакт с хроматином. Рецепторы располагаются как на мембранах, так и в цитозоле. Поэтому один и тот же гормон может связываться с разными рецепторами, тем самым вызывая различные ответные физиологические реакции. Именно это является одной из причин многоуровневости действия фитогормонов. На первом уровне прямое взаимодействие фитогормона с ДНК изменяет структурное состояние хроматина и тем самым влияет на его матричную активность. Второй возможный уровень воздействия фитогормонов связан с реализацией наследственной информации посредством их влияния на специфические ферменты РНК полимеразы, способные узнавать определенные гены и синтезировать гигантские молекулы – предшественники информационной РНК (пре-иРНК). При этом фитогормоны могут регулировать время жизни мРНК, а также процесс ее поступления в цитоплазму. Фитогормональная регуляция экспрессии генов возможна и на уровне трансляции – синтеза белка в рибосомах.
Таким образом, фитогормоны не только регулируют рост и развитие клетки, но и являются надклеточными механизмами регуляции. Способы регуляции могут быть разными: одни фитогормоны могут понизить экспрессию целевого гена, другие, наоборот, могут его активировать. Поэтому между фитогормонами возникают конкурентные отношения. Образование и накопление одного гормона вместо другого приводит к изменению характера ростовых процессов. Кроме того, один гормон может стимулировать или ингибировать синтез другого гормона.
Наряду с дифференциальным действием на активность генома большое значение имеет влияние фитогормонов на регуляцию проницаемости клеточных мембран. В результате связи фитогормона с рецептором мембраны изменяется мембранный потенциал, что приводит к активации функциональной системы клетки, вследствие чего происходит активация / инактивация соответствующих генов [26, 29, 30].
Гормональная система на каждом этапе развития растения характеризуется определенным статусом: состоянием фитогормональной системы в онтогенезе растения, уровнем концентрации и соотношением между фитогормонами в процессах их образования, передвижения, использования и инактивации в ответ на внешние воздействия [31]. Гормональный статус может быть изменен воздействием экзогенных факторов (различных технологических приемов, изменяющих условия роста). Исходя из этого, можно предположить, что свет является одним из значимых факторов изменения гормонального статуса растений, а следовательно, и регуляции их онтогенеза.
4.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ СВЕТОВОГО УПРАВЛЕНИЯ МОРФОГЕНЕЗОМ РАСТЕНИЙ
Множество ранее выполненных исследований с использованием монохроматоров и специальных спектральных фильтров позволило детально изучить влияние качественного состава света на развитие растений [32]. Однако эти исследования до сих пор не дали однозначного ответа на вопрос: каким образом свет управляет геномом растений и как комбинацией спектральных компонент излучения и их интенсивности создать оптимальный режим освещения, чтобы максимально раскрыть генетический потенциал растений? По-видимому, в значительной мере это было обусловлено отсутствием широкополосных источников излучения с управляемым спектральным составом. Одним из способов получения широкополосного светового излучения является совместное использование в одном осветительном приборе различных полупроводниковых светодиодов. Современные светодиоды перекрывают чрезвычайно широкий диапазон спектров излучения – от ультрафиолетового до инфракрасного [33]. Таким образом, комбинируя набор разных светодиодов, можно создать мультиспектральные управляемые источники света, позволяющие получить свет любой интенсивности и с практически любым спектральным составом. На рис. 2 приведены спектральные характеристики управляемого многоэлементного матричного светодиодного источника света, описанного в работах [34, 35]. Данный источник света позволяет по заданной программе изменять интенсивность, спектральный состав и длительность светового потока.
В работе [36] изучено влияние спектрального состава и интенсивности широкополосного светового излучения на рост и развитие растений с использованием многоэлементного матричного светодиодного источника света, спектр излучения которого варьировался в диапазоне длин волн 440–660 нм и мог излучаться как в моно- и полихроматическом режимах, так и в близком по спектральному составу к спектру излучения Солнца (рис. 2). Эксперименты проводили на растениях – регенерантах картофеля Solanum tuberosum L., оздоровленных методом апикальной меристемы и культивируемых в условиях in vitro. Для контроля использовали растения, выращенные под люминесцентными лампами (LFW). Результаты экспериментов, иллюстрирующие динамику развития растений при воздействии разных спектров излучения, представлены на рис. 3 [37].
Опыты показали, что растения, выросшие на синем свету (B, RB), приземисты, а на красном (R, DR) – вытянуты. Листья первых имеют нормальные размеры, вторых – недоразвиты и неправильной формы. Данные проявления онтогенеза обусловлены тем, что красные лучи спектра стимулируют фазу растяжения клеток, а сине-фиолетовые – фазу дифференциации. Растения, выросшие под желтым и зеленым излучением (Y, G), демонстрируют вытянутость и слабое развитие листвы, т. е. монохроматический желтый и зеленый свет способствует быстрому росту в длину (при этом формируются хрупкие и тонкие растения), но это не приводит к накоплению достаточной биомассы. В целом для растений, культивируемых при монохроматическом свете (кроме синего и глубокого синего), отмечена максимальная высота стебля, в 1,5 раза превышающая аналогичный показатель у контрольной группы растений, выращиваемых под люминесцентной лампой. Наибольшее увеличение длины стебля у данных групп растений происходит за счет вытягивания междоузлий. Полученные результаты, по-видимому, связаны со спектральной зависимостью монохроматического светового стимулирования гормонов роста растений: ауксинов и цитокининов.
Переход к полихроматическому и широкополосному излучению (CW, W, WW, FS и SS) демонстрирует явное отличие от монохроматического освещения, которое проявляется в более интенсивном развитии листвы и корневой системы растений. В то же время высота растений, культивируемых при полихроматическом свете, в 0,6 раза меньше, чем в контроле (люминесцентная лампа – LFW)). Наибольшая длина и ширина листьев наблюдаются у растений, выращиваемых при глубоком синем (RB) и холодном белом свете (CW). Максимальная масса надземной части растений отмечена у экземпляров, выращенных при полихроматическом свете (CW и W). Это свидетельствует об эффективности полихроматического светового излучения, имеющего парные спектральные максимумы на длинах волн 446,8 и 546,9 нм (CW), 446,8 и 550,2 нм (W), что стимулирует процесс образования хлорофиллов и кратоиноидов и влияет на увеличение массы растений.
Очень часто универсальность и эффективность не совпадают. Исследования на ценозах показали, что у растений разных видов наблюдаются различные требования к оптимальному сочетанию спектральных и энергетических характеристик светового режима [38]. Как отмечалось выше, основную роль в регуляции морфогенетических процессов у растений выполняют фоторецепторы: фитохромы, криптохромы и фототропин, управляющие фитогормонами клеток растений, синтез и воздействие на которые активированных светом фоторецепторных белков либо не исследованы вообще, либо изучены недостаточно. В частности, известно, что красный и синий свет изменяет содержание отдельных групп фитогормонов, что может проявиться в специфичности действия спектра излучения на морфогенез растений.
Были проведены эксперименты по выращиванию in vitro микроклональных растений картофеля Solanum tuberosum L. при освещении двухкомпонентным излучением с длинами волн 460 и 660 нм, которые попадают в максимум поглощения хлорофилла b, а также при освещении широкополосным светодиодным излучением (SS) в диапазоне длин волн от 440 до 660 нм. В последнем случае SS спектр излучения позволяет не только возбудить хлорофилл а и b, но и активировать практически все фоторецепторные белки растений. На рис. 4 приведены фотографии динамики развития микроклональных растений в сравнении с контрольным освещением люминесцентной лампой белого света. Результаты экспериментов показали, что использование SS источника излучения позволяет добиться увеличения биомассы растений на 30% в сравнении с двухволновым облучением и увеличения биомассы на 17% по отношению к контрольному освещению. Таким образом, для обеспечения максимальной продуктивности растений целесообразно использование широкополосного светового излучения.
Существующие источники искусственного света, за редким исключением, не могут воспроизводить солнечный спектр в диапазоне фотосинтетически активной радиации или генерируют похожий спектр, но с пиковыми выбросами на ряде отдельных частот (рис. 1), что не позволяет добиться их максимальной эффективности. Поэтому SS-многокомпонентный матричный LED источник излучения представляет значительный интерес для повышения урожайности сельскохозяйственных культур. В то же время наряду с подбором спектрального состава излучения необходимо обращать внимание и на энергетическую компоненту излучения. Исследования, выполненные in vitrо с растениями – регенерантами картофеля S. tuberosum сортов «Рождественский» и «Снегирь», а также Стевии медовой (Stevia rebaudiana), показали наличие оптимальной интенсивности широполосного освещения растений, при которых достигается их максимальный отклик [39, 40].
На рис. 5 приведены фотографии, иллюстрирующие эффективность процесса развития Стевии медовой при разном уровне интенсивности ее освещения широкополосным источником излучения спектра SS.
Воспринимая световые сигналы, фоторецепторы инициируют внутриклеточные сигнальные пути и тем самым регулируют развитие растений на протяжении всего жизненного цикла. Сигналом для запуска морфогенеза растений служит изменение соотношения фитогормонов цитокининов и ауксинов, которые являются регуляторами не только роста, но и дифференцировки клеточных структур. Взаимодействие гормонов растений может наблюдаться в формах синергизма и антагонизма. Синергическое действие связано с взаимным усилением действия гормонов на какой-либо процесс. Так, в частности, регенерация побегов из каллуса активизируется под действием цитокининов в присутствии ауксинов. Как правило, существует несколько путей, по которым может пойти развитие каллусной клетки. Поскольку основную роль в регуляции морфогенетических процессов светом выполняют фоторецепторы, то в каллусной структуре под воздействием света происходит синтез фитогормонов, который активируется различным спектром излучения через фоторецепторные белки.
В культуре каллусных тканей под морфогенезом понимают возникновение организованных структур из неорганизованной массы клеток. В работе [34] исследовалось влияние спектра облучения на развитие дифференцированных зон в каллусной массе клеточной культуры риса сорта «Долинный». На рис. 6 приведены фотографии, иллюстрирующие понедельную динамику развития каллусной культуры в in vitro.
Было установлено, что для каждого спектра излучения существует оптимальная интенсивность излучения, при которой наблюдается максимальная скорость развития каллусной культуры. В таблице 1 приведены результаты наблюдений временного процесса развития каллусной клеточной культуры риса сорта «Долинный» под воздействием различных спектров излучения, которые позволяют проследить динамику влияния регулируемого различным спектром излучения фоторецепторного отклика на взаимодействия гормонов ауксинов и цитокининов. Известно, что ауксины действуют на рост клеток двухфазно в зависимости от концентрации: при низких дозах ускоряют, а при более высоких тормозят процессы роста. В стерильных тканевых культурах увеличение содержания цитокининов вызывает дифференцировку клеток в зависимости от концентрации гормона.
В частности, под действием фитогормона цитокинина в растениях синтезируется хлорофилл. Как видно, присутствие значительной части синего света с небольшим содержанием красного в полихроматическом излучении LFW и CW (спектральный состав излучения показан на рис. 2) приводит к росту зеленой (хлорофилльной) массы, что, по-видимому, обусловлено повышением концентрации цитокининов по отношению к ауксинам. Уменьшение или отсутствие доли синего света в спектре излучения тормозит образование хлорофилльной массы, тогда как повышение доли красной компоненты ведет к образованию коричневой (корневой) клеточной структуры и росту массы каллуса, что, видимо, обусловлено повышением концентрации ауксинов.
Таким образом, выявленный процесс регуляторного действия спектра излучения на ключевые этапы дифференцировки клеток каллуса, зависящие от соотношения гормонов ауксинов и цитокининов, образующихся под воздействием фоторецепторной системы в клеточной массе каллусов, дает основание говорить о необходимости дальнейшего развития фундаментальных исследований регуляторного действия света, которые должны послужить прогрессу в создании новых механизмов эндогенной регуляции развития растений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В отличие от животных растения изначально должны реагировать на свет, чтобы жить. Для этого у них существует созданная природой фоторецепторная система. Поэтому свет для растений не только источник энергии, но и важный фактор окружающей среды, который контролирует различные пути передачи сигналов. Свет является одним из основных регуляторов развития растений и их метаболизма. Экспрессия генов у растений регулируется светом на многих уровнях. Уровень генного продукта может контролироваться путем регуляции уровня транскрипции его гена или путем регуляции трансляции его мРНК в белок [41].
На сегодня взаимосвязь между фоторецепторной системой растений и эндогенными программами их развития по-прежнему остается малоизученной. Хотя активация светом генетического аппарата биосинтеза белков уже не вызывает сомнений, следует подчеркнуть, что, по-видимому, подобный эффект представляет собой не начальный, а один из заключительных этапов действия фоторецепторных белков, а материальная природа сигнала, распространяющегося от фоторецептора к ядру клетки, остается невыясненной. Положение усложняется еще и тем, что оклики различных фоторецепторных белков в ряде случаев дублируются или имеют сходное действие.
Ответить на все эти вопросы необходимо, если человечество ставит своей задачей овладеть процессом фотоморфогенеза растений в целях повышения эффективности производства сельскохозяйственных культур и наиболее полного раскрытия их генетического потенциала.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, номер соглашения: 05.604.21.0229.
ЛИТЕРАТУРА
Головацкая И. Ф. Морфогенез растений и его регуляция. Часть 1: Фоторегуляция морфогенеза растений. // Изд-во: НИУ Томский ГУ, 2016 г – 172 с.
Протасова Н. Н. Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений // Физиология растений. 1987. Т. 34. № 4. С. 812–822.
Гречкин А. Н., Тарчевский И. А. Сигнальные системы клеток и геном. // Биоорганическая химия. 2000.-т.26. № 10, с. 779–781.
Беленький Е. Ф., Рискин И. В. Химия и технология пигментов. Изд. 4-е, пер. и доп. – Л.: 1974.-656 с.
Холл Д., Рао К. Фотосинтез: Пер. с англ. // М.: Мир, 1983. – 134 c.
Бриттон Г. Биохимия природных пигментов. // М.: Мир, 1986. – 422 с.
Воскресенская Н. П. Фотосинтез и спектральный состав света. // М.: Наука, 1965. – 309 c.
Холл Д., Рао К. Фотосинтез. // М.: Мир, 1983. – 134 с.
Blankenship R. E. Molecular Mechanisms of Photosynthesis. // Blackwell Science, Oxford-Paris, 2002. – 321 p.
Ладыгин Г., Ширшикова Г. Н. Современные представления о функциональной роли каротиноидов в хлоропластах эукариот. // Журнал общей биологии. 2006, т. 67, № 3, c. 163–189.
Конев С. В. Фотобиология. // Изд-во: Мн.: БГУ. 1979. – 385c.
Макаренко О. А., Левицкий А. П. Физиологические функции флавоноидов в растениях. // Физиология и биохимия культурных растений. 2013, т. 45, № 2, c. 100–112.
Червяковский В. П., Курченко В. А., Костюк Е. М. Роль флавоноидов в биологических реакциях с преносом электронов. // Труды Белорусского государственного университета. Минск. 2009. т. 4, часть 1. – 19-с.
Тюреева Е. В., Дмитриева В. А., Войцеховская О. В. Хлорофилл b как источник сигналов, регулирующих развитие и продуктивность растений. // Сельскохозяйственная биология. 2017, т. 52, в. 5, с. 843–855.
Baier M., Dietz K. J. Chloroplasts as source and target of cellular redox regulation: A discussion on chloroplast redox signals in the context of plant physiology. // Journal of Experimental Botany. 2005. v. 56, No. 416, p. 1449–1462.
Folta K. M., Childers K. S. Light as a Growth Regulator: Controlling Plant Biology with Narrow-bandwidth Solid-state Lighting Systems. // Hortscience.2008, v. 43, № 7, p.1957–1964.
Фрайкин Г. Я. Белковые сенсоры света: фотовозбужденные состояния, сигнальные свойства и применение в оптогенетике. // М.: OOO «АР-Консалт», 2018 г. – 87 с.
Синнот Э. Морфогенез растений / М: Изд-во иностр. лит., 1963. – 601 с.
Jigang Li, Gang Li,Haiyang W., Deng X. W. Arabidopsis Book. // 2011, 9: e0148. doi: 10.1199/tab.0148/
Costa G. V., Fankhauser C. Sensing the light environment in plants: photoreceptors and early signaling steps. // Current Opinion in Neurobiology. 2015., 34: p. 46–53.
Briggs W. R., Olney M. A. Photoreceptors in Plant Photomorphogenesis to Date. Five Phytochromes, Two Cryptochromes, One Phototropin, and One Superchrome, 2003 <http://www.plantphysiol.org/content/125/1/85.fu>.
Кулаева О. Н. Как свет регулирует жизнь растений // Соросовский образовательный журнал. 2001, т. 7, № 4, с. 6–12.
Дерфлинг К. Гормоны растений. Системный подход. // М.: Мир, 1985. – 304 c.
Цыганкова В. А., Галкина Л. А., Мусатенко Л. И., Сытник К. М. Генетический и эпигенетический контроль роста и развития растений. Гены биосинтеза ауксинов и ауксин-регулируемые гены, контролирующие деление и растяжение клеток растений. // Биополимеры и клетка. 2005. т. 21. № 2, c. 107–133.
Гэлстон А., Девис П., Сэттер Р. Жизнь зеленого растения // М.: Мир, 1983. – 552 c.
Полевой В. В. Фитогормоны // Л.: Изд-во ЛГУ, 1982. – 248 с.
Полевой В. В. Внутриклеточные и межклеточные системы регуляции у растений. // Соросовский образовательный журнал. 1997, № 9, с. 6–11.
Кулаева О. Н., Кузнецов В. В. Новейшие достижения и перспективы изучения механизма действия фитогормонов и их участия в сигнальных системах целого растения. // Вестник РФФИ. 2004, № 36, с. 12–36.
Муромцев Г. С., Агнистикова В. Н. Гиббереллины. М., 1984. – 208 c.
Роньжина Е. С. Цитокинины в регуляции донорно-акцепторных связей у растений. // Калининград: изд-во КГТУ, 2005. – 266 c.
Шевелуха B. C. Периодичность роста сельскохозяйственных растений и пути ее регулирования. // М.: Колос. 1980.-455с.
Тихомиров А. А., Шарупич В. П., Лисовский Г. М. Светокультура растений: биофизические и биотехнологические основы. // Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. – 213 c.
Светодиоды и их применение для освещения / под редакцией Ю. Б. Айзенберга. // М: Знак. 2011. – 280 с.
Kulchin Yu. N., Zmeeva V. N., Subbotin E. P., Kostyanko A. A. The Effect of Multispectral Light Emitting Diodes (LEDs) on the Activation of Morphogenic Processes in Cell Culture of Rice Oryza Sativa l // Defect and Diffusion Forum. Trans Tech Publications, Switzerland. 2018, v. 386, p. 236–243.
Gafitskaya I. V., Nakonechnaya O. V., Grishchenko O. V., Bulgakov V. P., Zhuravlev Yu. N., Subbotin E. P., Kulchin Yu. N. Growth of Solanum tuberosum plantlets in vitro under LED light sources. // Proc. SPIE11024, Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics. 2017, 110240E (4 January 2019); doi: 10.1117 / 12.2314903.
Kulchin Yu. N., Nakonechnaya O. V., Gafitskaya I. V., Grinchenko O. V., Epifanova T. Yu., Orlovskaya I. Yu., Zhuravlev Yu. N., Subbotin E. P. Plant Morphogenesis under Different Light Intensity // Defect and Diffusion Forum. Trans Tech Publications, Switzerland 2018., v. 386, p. 201–206.
Гафицкая И. В., Наконечная О. В., Журавлев Ю. Н., Субботин Е. П., Кульчин Ю. Н. Перспективы использования светодиодного излучения при культивировании in vitro растений-регенерантов картофеляю. // Сборник материалов III научно-практической конференции с международным участием «Перспктивы фотобиотехнологии для улучшения квчества жизни на Севере». Якутск, Республика Саха (Якутия), Россияю. 2018 ., с 35–37.
Жилинский Ю. М., Кумин В. Д. Электрическое освещение и облучение. // М.: Колос. 1982. – 268 c.
Субботин Е. П.,. Гафицкая И. В, Наконечная О. В., Журавлев Ю. Н., Кульчин Ю. Н. Влияние искусственного солнечного света на рост и развитие растений-регенерантов Solanum tuberosum. // Turczaninowia. 2018., т. 21 (2), с. 32–39.
Наконечная О. В., Гафицкая И. В., Бурковская Е. В., Хроленко Ю. А., Грищенко О. В., Журавлев Ю. Н., Субботин Е. П., Кульчин Ю. Н. Влияние интенсивности света на морфогенез Stevia rebaudiana в условиях in vitro. // Физиология растений. 2019, т. 66, № 4, с. 304–312.
Richard J. Mural Fundamentals of Light-Regulated Gene Expression // Plants Genetic Engineering. / Ed. Biswas B. B., Harris. J. R. Springer Nature Switzerland AG. 2019., p. 191–211.
Отзывы читателей
