Растяжение клеточных стенок в процессе роста и морфогенеза растений

В регуляции растяжения клеток, ряда формообразовательных и деструктивных процессов участвуют ферменты трансгликозилаза и эндоглюканаза, а также экспансины. Экспансиям - белки, которые были открыты в 1992 г. как медиаторы рН-зависимого растяжения первичных клеточных стенок. Экспансины делят на четыре семейства: экспансины А (ЕХРА, или а-экспансины), экспансины В (ЕХРВ, или р-экспансины), экспансиноподобные белки А (EXLA) и экспансиноподобные белки В (EXLB). Поскольку экспансины не обнаружены у водорослей, полагают, что они возникли в период колонизации растениями суши. В каждом растении эксиансины кодируются множеством генов. Полностью секвени- рованный геном A. thaliana содержит 36 генов экснансинов: 26 ЕХРА, 6 ЕХРВ, 3 EXLA и 1 EXLB. а геном риса - 58 генов экс- пансинов: 34 ЕХРА, 19 ЕХРВ, 4 EXLA и 1 EXLB.

Эксиансины - небольшие консервативные щелочные белки (pi 9,1-9,5 для ZmEXPB 1), полипептид которых состоит из 250- 270 аминокислотных остатков и может быть условно разделен на 3 участка (рис. 2, а).

N-концевой сигнальный домен (20-25 остатков аминокислот) пептида необходим для попадания белков в полость эндоплазматической сети и удаляется при поступлении белка в нее. Этот домен характерен для всех белков, поступающих в клеточную стенку посредством везикулярной секреции.

Следующий за сигнальным пептидом домен состоит из ПО- 135 аминокислотных остатков и включает серию консервативных остатков (восемь у ЕХРА, шесть у ЕХРВ), консервативный мотив Гис-Фен-Асп, а также небольшой участок, обогащенный остатками лизина и аргинина.

С-концевой домен 2 состоит из 90-120 остатков аминокислот, отличительной особенностью которого является наличие четырех консервативных остатков триптофана.

Зрелый белок с массой ~25-27 kDa состоит из двух доменов (рис. 2, 6): амино-терминальный домен 1 длиной из ~ 120 остатков аминокислот имеет сходство с каталитическим доменом грибных эндоглюканаз семейства 45 (ЕС45-иодобный домен) и карбокси- терминальный домен 2 длиной из ~98 остатков аминокислот, который функционирует как связывающий полисахариды домен. Эти два домена формируют длинную открытую плоскую поверхность с полярными участками, которые связывают полисахарид водородными связями, и четырьмя ароматическими остатками, которые могут связывать кольца сахаров ван-дер-ваальсовскими силами.

Так как у экснансинов не обнаружено ферментативной активности и их действие на растяжимость клеточных стенок обратимо, они предположительно разрывают водородные связи между полисахаридами стенок (рис. 3), растянутых тургорным давлением.

Аминокислотная последовательность полипептида (а) и кристаллическая модель строения Р-экспансина ЕХРВ1 Zea mays 1 (б) (модифицировано по Yennawar et al., 2006)

Рис. 2. Аминокислотная последовательность полипептида (а) и кристаллическая модель строения Р-экспансина ЕХРВ1 Zea mays 1 (б) (модифицировано по Yennawar et al., 2006)

Эксиансины А наиболее сильно действуют на обогащенные ксилоглюканами клеточные стенки I типа, характерные для двудольных растений, а ЕХРВ - на присущие злакам стенки II типа, содержащие много арабиноксиланов и (З-глюканов. Постепенное замедление роста в процессе дифференцировки клеток связано не столько с уменьшением активности экспансинов, сколько с утратой способности клеточных стенок на них реагировать.

Механизм действия экспансинов и ферментов в растяжении клеточной стенки

Рис. 3. Механизм действия экспансинов и ферментов в растяжении клеточной стенки

Эксиансины регулируют апикальный рост волосков семян хлопчатника и корневых волосков. Заложение листового примор- дия связано с локальной экспрессией генов экспансинов в апикальной меристеме побега. Они также нужны для размягчения стенок нерастущих клеток созревающих плодов, отделительного слоя, пестика (табл. 2). Высокий уровень экспрессии генов экспансинов имеют делящиеся клетки. Например, он наблюдался в апикальной меристеме побега томата, корня риса, при соматическом эмбриогенезе сосны.

Таблица 2

Сравнительная характеристика а- и Р-экспансинов (Шарова, 2007)

Характеристика

а-экспансины

(5-экспансины

Отличительные

особенности

структуры

Не гликозилированы; имеют восемь консервативных остатков CYC в домене 1

Гликозилированы; имеют шесть консервативных остатков CYC' в домене 1

Содержание в клеточных стенках

Низкое; в гипокотилях томата 0,02% сухой массы стенки

высокое (4% суммарного белка) в пыльце злаков; низкое в других органах

Связь с компонентами клеточных стенок

Извлекаются 1 М NaCl; связываются с целлюлозно- гемицеллюлозными композитами, целлюлозой, ксилоглюканами

Извлекаются из пыльцы слабосолевым буфером, из вегетативных тканей - с помощью ДДС; связываются с ксиланами

Стимуляция растяжения стенок

Гипокотили огурца, колеоптили овса, междоузлия риса, созревающие плоды; направлена на стенки 1 типа; рНор14-5; происходит длительное растяжение стенок без обрыва; экспансины зрелых плодов томата вызывают обрыв стенок

Пыльца кукурузы; направлена на стенки 11 типа; рН0|1, 5-6; происходит обрыв стенок после их растяжения на 10%

Ферментативная

активность

Не действуют на автолиз стенок; не имеют глюканазной, пекти- назной, трансгликозилазной активности

ZmEXPBl пыльцы кукурузы; не имеет гидролаз- ной активности

Стимуляция гидролиза полимеров гидролазами стенок

Сверхэкспрессия LeEXPA 1 увеличивает деполимеризацию пектинов и гликанов в плодах томата; CsEXPAl из огурца стимулирует гидролиз целлюлозы целлюлазами

-

Количество генов

У A. thaliana 26, у риса 34

У A. lluiliana 6, у риса 19

Экспрессия генов в процессе роста и развития

Эмбриогенез,

прорастание

Формирующиеся и прорастающие семена томата и риса

Соматические зародыши сосны, делящиеся суспензионные клетки сои

Рост междоузлий, колеоптилей

Зона роста гипокотилей томата, огурца, междоузлий риса и пшеницы; сверхэкспрессия OsEXPA4 увеличивает длину колеоптилей и мезокотилей риса

Зона роста междоузлий риса и пшеницы

Характеристика

а-экспансины

Р-экспансины

Рост корней

Зона роста корней риса, кукурузы, сои; сверхэкспрессия СтЕХРА 1 увеличивает рост корней табака

Зона роста корней кукурузы

Рост листьев и плодов

Развивающиеся листья А. /ИаИапа, овсяницы, осины

Развивающиеся листья овсяницы

На экспоненциальной стадии роста суспензионной культуры сои быстро делящиеся клетки отличались высоким содержанием экс- нансина Снп1, а на стационарной стадии, когда деления прекращались, происходил его протеолитический распад.

Пыльцевая трубка в процессе роста раздвигает и разрушает клетки пестика, а также всасывает органические вещества из его тканей. Пыльца злаков при набухании выделяет р-экспансины, которые имеют высокую активность но отношению к стенкам пестиков. Эта активность существенно отличается от классической активности а-экспансинов гинокотилей огурца тем, что она меньше зависит от pH, направлена на стенки II тина и быстро приводит к обрыву стенки (табл. 2).

Созревание и размягчение плодов сопряжены с дезинтеграцией клеточных стенок, приводящей к увеличению их эластичности. Изменения в основном затрагивают качественный состав пектинов и гемицеллюлоз и осуществляются под действием различных гидро- лаз. При созревании плодов томата накапливается мРНК а-экс- пансина ЬеЕХРА 1.

Б.Р. Кулуев с соавторами (2013) получили трансгенные растения табака, сверхэкспрессирующие ген №ЕХРА5, кодирующего а-экснансин Мсойапа IаЪасит. Трансгенные растения характеризовались увеличением размеров листьев и стеблей, при этом величина цветков оставалась практически неизменной. Увеличение размеров органов было обусловлено стимулированием только клеточного растяжения, при этом число клеточных делений даже уменьшалось. Полученные данные свидетельствуют о тесном взаимодействии регуляции клеточного растяжения и клеточного деления, которые вместе являются основными механизмами контроля величины органов растений.

о

Г Вопросы на повторение

  • 1. Какие процессы поддерживают рост и морфогенез растений?
  • 2. Назовите регуляторы переходов между фазами клеточного деления.
  • 3. Назовите особенности строения регуляторов клеточного цикла на примере СУСЕ).
  • 4. Какие функции выполняют циклины?
  • 5. Какие функции выполняют экспансины?
  • 6. Приведите классификацию экснансинов.
  • 7. Назовите особенности строения экснансинов, связанные с его транспортом и функциональной активностью.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >