Главная > Разное > Фотобиология
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Глава VIII. ФОТОТРОПИЗМ

По биологическому смыслу фототропизм близок к фототаксису. Фототропизм — индуцированное светом движение части фиксированного биологического объекта. Различают положительный (движение к источнику света) и отрицательный (от источника) фототропизм.

Фототропизм наблюдается у самых разнообразных представителей растительного мира: высших и низших растений, в том числе грибов и закрепленных на грунте водорослей, а также у свободно неперемещающихся

низших зооорганизмов (Bryozoa). Считается, что фототропизм проявляется только у растущих организмов, т. е. реализуется через различия в скоростях деления или увеличения размеров клеток на освещенной и затемненной сторонах растения. Действительно, были зарегистрированы различия в концентрациях гормона роста растений на затемненной и освещенной сторонах проростков овса. В некоторых работах изгибы рассматриваются как результат асимметрических перераспределений тургора в листовой подушечке вследствие игры осмотических потенциалов или изменения вязкости клеточной цитоплазмы.

Фототропные реакции у высших растений, как правило, характеризуются сложной зависимостью от интенсивности видимого света. Рассмотрим, например, фототропную реакцию колеоптиля овса. Выращенные в темноте проростки овса при освещении слабым «боковым» светом изгибаются по направлению к источнику. Угол изгиба пропорционален дозе от 1 до при облучении светом с длиной волны в области главного максимума спектра действия (436 нм). По-видимому, биологическая реакция полностью определяется концентрацией одного и того же фотопродукта, образующегося по одноквантовому механизму, что следует из взаимозаменяемости для положительного фототропизма.

При более высоких дозах угол изгиба не увеличивается, а, наоборот, уменьшается, переходя через нуль в область отрицательных значений (отрицательный фототропизм). Начиная с дальнейшее увеличение дозы. вызывает второй положительный фототропизм (рис. 33). При этом правило Бунзена — Роско уже не выполняется. Для объяснения «волнообразности» дозных зависимостей логично допустить существование нескольких дискретных пространственно разделенных фоторецепторных систем. Так, фоторецепторная система, ответственная за первый фототропный изгиб, расположена, по-видимому, в кончике колеоптиля, что подтверждается опытами по его затемнению или удалению. Облучение таких колеоптилей, например, дозами света порядка не вызывает никаких изгибов, и только дальнейшее увеличение дозы сопровождается

проявлением второй положительной фототропной реакции.

У низших растений (грибов и мхов) фототропно активными органами являются спорангиофоры, которые обнаруживают реакцию двух типов.

Рис. 33. Зависимость степени фототропиого изгиба проростков овса от дозы монохроматического света (Thimann К., Curry G., 1960): 1 - 436 нм; 2 - 365 нм; 3 - второй положительный нзгиб

Рис. 34. Спектр действия первой положительной фототропной реакции проростков овса (Thimann К., Curry G., 1960)

Так, кратковременное (несколько секунд) освещение спорангиофор Phycomyces низкоинтенсивным светом приводит только к легкому и обратимому изгибу, а относительно продолжительное освещение (3—4 мин) вызывает положительный изгиб, который, увеличиваясь с ростом интенсивности света, может достигать 90°. Свойственный растениям отрицательный ответ у грибов и мхов при высоких интенсивностях света не наблюдается. У последних возникает так называемая фототропная индифферентность — насыщение фоточувствительной системы. Отрицательный изгиб можно вызвать только облучением ультрафиолетовым светом нм. Например, отрицательный фототропный ответ отмечается для конидиофор Aspergillus giganteus. У грибов Pilobolus kleitiii описана и такая особенность фототропной реакции: в ответ на боковое освещение на кончике спорангиофора образуется выпуклость, которая растет в направлении света. В противоположность высшим растениям у грибов за фототропную реакцию ответственна только одна фоторецепторная система. Этот вывод вытекает из характера кривой, отображающей зависимость эффекта от дозы.

Основную информацию о природе хромофоров, ответственных за поглощение биологически активного света, дают спектры действия фототропизмов. Спектр действия первой положительной фототропной реакции проростков овса, изображенный на рис. 34, был измерен Тиманном и Кэри. Фототропные ответы при облучении монохроматическим светом различных длин волн измерялись в области линейной зависимости степени изгиба от интенсивности света.

Рис. 35. Спектр действия положительного фототропизма спорангиофор Ph.ycom.yces (Curry G., Gruen Н., 1959)

Рис. 36. Спектр действия положительного фототропизма Tolypothrix (Thimann К., 1967)

Каждая точка на кривой отражает величину изгиба в градусах, приходящуюся на один квант падающего света. В длинноволновой части спектра действия обнаруживаются два максимума (при 445 и 473 нм) и плечо при а коротковолновая часть представляет собой широкую бесструктурную полосу с максимумом при Подобный спектр действия был получен также Шропширом и Уисровым, Эсомонингом и Гэлстоном. Во всех случаях отмечалась одна и та же характерная кривая.

Как и у проростков овса, максимальная фототропная чувствительность у грибов проявляется к синему свету. В спектре действия фототропизма спорангиофор Phycomyces (рис. 35) имеются три отчетливых максимума (при 445, 470 и 370 нм) и плечо около 430 нм.

Таблица 8. Характеристики спектров действия фототропизма и спектров поглощения гексановых экстрактов проростков овса

В спектре действия сине-зеленой водоросли Tolypothrix (рис. 36) главный максимум расположен при 450, а побочный — при 470—480 нм. Для всех описанных биологических объектов свет с длиной волны 510 — 520 нм к фототропизмам не приводит.

Рассмотренные спектры действия позволяют сделать вывод о том, что в многообразных фототропных ответах за поглощение биологически активного света ответствен скорее всего только один тип молекул. Действительно, как правило, в спектрах действия представлены две активные зоны — в синей и ультрафиолетовой областях положения основных максимумов у различных объектов совпадают или очень близки.

В литературе рассматриваются две группы основных претендентов на роль хромофоров: каротиноиды и флавины. В первую очередь отмечается большое сходство спектров действия фототропизмов и спектров поглощения каротиноидов. Так, спектры поглощения гексановых экстрактов верхушек колеоптилей овса, содержащих каротиноиды, почти в точности совпадают со спектрами действия фототропного ответа (табл. 8). В тоже время гексановые экстракты каротиноидов вообще не поглощают при Исключение составляет цыс-форма -моно-р-каротина, обнаруживающая в гексане максимум при Но именно эта форма в растительных клетках не представлена. Поэтому отсутствие поглощения при у естественных представителей каротиноидов

является серьезным аргументом против участия этих пигментов в фототропизмах.

Что касается производных рибофлавина, то они имеют в водных растворах две широкие полосы поглощения — при Однако длинноволновая полоса поглощения рибофлавина в противоположность полосе в спектре действия фототропизма проростков овса не структурирована и соотношения интенсивностей максимумов в спектоах действия и поглощения не совпадают. По данным Хэрбури, характерная для спектров действия структурированность появляется в спектрах поглощения рибофлавина, если его перевести в неполярный растворитель (бензол) или в кристаллическое состояние. Однако сам по себе этот факт не является достаточно веским аргументом в пользу фоторецепторной активности флавиновых пигментов.

Таким образом, простое сопоставление спектров действия фототропизмов со спектрами поглощения каротиноидов и флавинов не позволяет сделать окончательный вывод о том, какие из этих веществ выступают в роли хромофоров.

Поэтому неудивительно, что некоторые исследователи стали говорить о независимом, параллельном участии обоих пигментов в фототропизме или о физически кооперированном их действии через миграцию энергии от рибофлавина к каротиноидам. Однако первое предположение исключается одинаковым наклоном дозных кривых фототропизма для (см. рис. 33), т. е. равенством квантовых выходов процесса при возбуждении светом этих длин волн. Второе предположение теоретически не исключено, но экспериментально не доказано.

Наиболее прямые данные, позволяющие дифференцировать участие этих пигментов в фототропизме, получены в опытах на бескаротиноидных мутантах проростков ячменя, спорангиофорах фикомицетов и нейроспоре. Оказалось, что их способность к фототропизму существенно не нарушена. Не изменяется фототропная активность и у проростков овса, выращенных в присутствии ингибиторов синтеза каротиноидов. Так, ЭДТА и гибереллиновая кислота снижают содержание каротиноидов в проростках на 75%, не влияя на фототропизм

Таким образом, хотя вопрос о природе хромофоров еще далек от окончательного разрешения, можно думать, что флавиновые пигменты как хромофоры наиболее предпочтительны. Чрезвычайно важным в связи с этим является обнаружение с помощью электронной микроскопии в клетках проростков овса и спорангиофорах Phycomyces кристаллических телец, спектр поглощения которых близок к спектру поглощения кристаллического рибофлавина.

Следует отметить, что флавины — не единственные предполагаемые хромофоры у представителей растительного мира. В спектре действия фототропизма мха Physcomitrium обнаруживается только одна эффективная область (600— которая связывается с фитохромом. При этом для фототропной реакции характерны основные взаимоотношения между красным (660 нм) и дальним красным (730 нм) светом, свойственные фитохромной системе. В тех немногих опытах, когда исследователям удавалось отодвинуть спектральную границу действующего света в коротковолновую сторону, была зарегистрирована эффективность света и в области белкового поглощения.

В случаях, когда биологически активный свет поглощается флавиновыми пигментами, фотохимическая реакция фототропизма осуществляется скорее всего с участием их триплетных уровней, поскольку именно через триплетное состояние протекают in vitro сенсибилизированные флавином реакции. Участие «триплетов» in vivo предполагают и Ценк и Мейер на основании опытов по влиянию на фототропную реакцию.

Не касаясь природы электронно-возбужденных состояний, все же можно полагать, что фотохимическая реакция, приводящая к биологическому эффекту, протекает по одноквантовому механизму. Это следует из то-го, что для первой положительной фототропной реакции овса выполняется правило Бунзена-Роско.

Природа первичной фотохимической реакции фототропизма в клетке не известна. Ценк предполагает, например, что флавины как универсальная редокс-система клеток фотовосстанавливаются, окисляя некий интермедиат, существенный для проведения дальнейших реакций по схеме

В роли такого интермедиата могут выступать универсальные гормоны роста растений — ауксины. Предполагается, что возбужденные состояния флавинов сенсибилизируют деструкцию ауксинов, превращая их в -метилоксииндол. Этот вывод основывается на опытах с добавлением к проросткам овса меченого по углероду ауксина (индолилуксусной кислоты) с последующей экстракцией и хроматографическим разделением внутриклеточных веществ после воздействия синим светом, вызывающим фототропную реакцию. Из всех обнаруженных продуктов только -метилоксииндол ингибировал рост растений. Подобная реакция происходит и при освещении смеси рибофлавин — ауксин: отмечается поглощение кислорода и выделение углекислого газа за счет сенсибилизированного пигментом окислительного декарбоксилирования индолилуксусной кислоты:

Известно, что при фототропной реакции проростков овса наблюдается асимметрическое распределение ауксина между их освещенной и затемненной сторонами (концентрационный градиент гормона роста). При этом на освещенной стороне содержание ауксина всегда меньше в случае положительных и больше в случае отрицательных фототропизмов (табл. 9).

Таблица 9. Распределение ауксина на освещенной и затемненной сторонах проростков овса

Приведенные данные позволяют заключить, что дозная кривая величины и знака фототропных реакций качественно отражает дозную кривую градиента ауксина в растении.

Что же является причиной возникновения ауксинового градиента? Как уже отмечалось, ауксиновый градиент может возникать вследствие убыли гормона в ходе его фотодеструкции (фотосенсибилизированное рибофлавином окисление ауксина с квантовым выходом

0,71). Однако в реальных условиях в растении эта реакция вряд ли биологически значима, поскольку для эффективной (на 50%) фотодеструкции индолилуксусной кислоты в пробирке требуются в тысячу раз большие дозы света, чем для первой фототропной реакции у проростков овса. Простые расчеты показывают, что для создания минимально заметного градиента ауксина и порогового изгиба проростка один квант света должен разрушить не менее ста молекул ауксина, т. е. квантовый выход фотореакции в клетках должен быть выше 100.

Кроме сенсибилизированной флавинами деструкции ауксина, причинами возникновения бокового концентрационного градиента гормона роста могут быть подавление светом биосинтеза ауксина через инактивацию энзимов или кофакторов в биосинтетической цепи и

нарушение транспорта ауксина из-за изменений проницаемости клеточных мембран. Первое предположение маловероятно, поскольку свет не оказывает заметного влияния на способность растительных тканей к превращению предшественников ауксина в гормон.

Экспериментально более обосновано второе предположение. В опытах с погружением расщепленных у основания верхушек колеоптилей овса в агаровый акцептор Бриггсу удалось показать, что из затемненной половины проростка в агар диффундируют большие количества ауксина, чем из освещенной. Можно было бы думать, что базипетальный транспорт ауксина (от верхушки к основанию проростка) на освещенной стороне каким-то образом подавлен. Однако, по данным того же Бриггса, концентрация ауксина в клетках затемненной стороны кончика колеоптиля была выше, чем в контроле — клетках неосвещавшегося проростка. Этот факт со всей очевидностью указывает на латеральное перемещение ауксина с освещенной половины проростка на затемненную.

Чтобы исключить возможное возникновение бокового градиента ауксина при изменении скорости вертикального транспорта гормона, Бриггс провел следующий изящный эксперимент. Проростки овса продольно расщеплялись, и между двумя его половинками вставлялось тонкое покровное стекло, которое служило искусственной механической преградой на пути транспорта ауксина. В этих условиях освещение становилось неэффективным — боковой градиент ауксина не выявлялся.

Аналогичные результаты получены Пиккардом и Тимма ном, которые, использовав экзогенную индолилуксусную кислоту, меченую по углероду, показали возникновение бокового градиента метки при освещении колеоптилей кукурузы и овса.

Итак, свет реализует свое тропное действие через создание бокового градиента ауксинов, который обусловлен скорее всего изменением проницаемости клеточных мембран. Очень показательны в связи с этим опыты Хагера и Шмидта. Им удалось установить, что образующийся из ауксина стабильный продукт 3-метил-оксииндол имитирует фототропный эффект. При его

образовании поступление меченой индолилуксусной кислоты в растительную ткань остается неизменным, но выход метки из ткани резко тормозится. Наряду с этим общий метаболизм клетки в присутствии -метилокси-индола существенно не нарушается: уровень клеточного дыхания остается прежним.

Можно думать поэтому, что -метилоксииндол через избирательную модификацию структуры цитоплазматических мембран оказывает влияние на транспорт ауксинов. Действительно, известно, что -метилоксииндол активно комплексируется с белками (по-видимому, мембран), блокируя их сульфгидрильные группы.

Способность парафинового масла, взаимодействующего с поверхностью клеток, инвертировать первую положительную и отрицательную фототропные реакции проростков овса также косвенно указывает на участие мембран в механизмах усиления. Кроме того, известно, что индолилуксусная кислота активно комплексируется с липидами (лецитином), входящими в состав биологических мембран.

Изложенное позволяет представить следующую наиболее вероятную схему событий, приводящих к конечному фототропному эффекту проростков овса или кукурузы: свет-электронно-возбужденные состояния флавинов - сенсибилизированное окислительное декарбо-ксилирование индолилуксусной кислоты с образованием 3-метилоксииндола взаимодействие 3-метилоксииндола с белками мембран с модификацией их структуры - нарушение транспорта ауксинов с появлением их бокового концентрационного градиента-асимметричный рост клеток на освещенной и затемненной сторонах проростка изгиб проростка.

Отсюда понятно, почему один квант света «перемещает» более 100 молекул ауксина. Это происходит благодаря тому, что цепь событий, начинающаяся с поглощения кванта света и оканчивающаяся собственно биологическим эффектом — фототропным изгибом, включает в себя усилительную стадию, в основе которой лежат, по-видимому, перестройки на уровне мембран.

Как уже отмечалось, у высших и низших растений свет, приводящий к тропизму, поглощается одними и

теми же молекулярными акцепторами. Однако первичные фотохимические реакции и последующие усилительные механизмы фикомицетов вряд ли можно связывать с участием ауксинов. Так, содержание индо-лилуксусной кислоты в спорангиофорах Phycomyces достаточно высоко, но боковая ее аппликация (очень эффективная у высших растений) к заметному изгибу не приводит. Какова природа веществ, вовлекаемых в темновые усилительные процессы, приводящие к фо-тотропной реакции фикомицетов, до сих пор еще не ясно.

Одной из разновидностей фототропных реакций являются поляротропизмы, обнаруженные у прорастающих спор мхов и папоротников. У этих растений естественный неполяризованный свет не приводит к анизотропному росту филаментов и ризоидов спор. При облучении же линейно-поляризованным светом проростки спор ориентируются в ходе роста под прямым углом к плоскости поляризации света, т. е. к направлению электрического вектора световой волны. Естественным объяснением поляротропизмов может быть упорядоченная пространственная ориентация фоторецептивных пигментов. У Botrytis cinerea осцилляторы поглощения пигментов расположены перпендикулярно, а у Osmunda cintiamomea - параллельно поверхности клетки.

Для проростков спор Fusaria hydrometrica обнаружена еще более сложная картина. Выявлены три фоторецепторные системы: 1) для низких интенсивностей света с хаотически расположенными хромофорами; 2) для средних интенсивностей с параллельной ориентацией хромофоров к поверхности клетки; 3) для высоких интенсивностей с такой же ориентацией хромофоров, как и у системы 2.

Изучение спектров действия поляротропизмов сильно затруднено из-за нелинейного характера кривых доза — эффект (сигмовидные, двугорбые и другой формы кривые в зависимости от температуры, времени и интенсивности освещения и т. д.). Тем не менее приближенная оценка спектров действия показывает, что в качестве хромофора в этих реакциях могут выступать флавины.

Рекомендуемая литература

(см. скан)

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление