Фоторегуляция содержания циклического гуанозинмонофос фата в растениях

Поскольку цГМФ играет важную медиаторную роль в зрительной рецепции у животных, то было естественным предположить аналогичную роль цГМФ в фоторецепции у высших растений. Сначала обнаружили, что дибутирил-цГМФ (но не дибутирил-цАМФ) вызывает изменения в составе терпеноидных пластид этиолированного Spinacea, имитируя эффект фитохрома [689]. Аналогично, освещение Lemna ДКС приводило к увеличению содержания цГМФ, а дибутирил-цГМФ стимулировал цветение растения [690].

Эти данные противоречат результатам, полученным с использованием лишайников. Например, в Cladonia verticillaris фитохром-индуцируемое накопление фенолов заметно возрастает под воздействием КС или экзогенного цГМФ, причем КС увеличивал синтез цАМФ [783]. Эти наблюдения привели к предположению, что фитохромом активируется аденилатциклаза, а увеличение внутриклеточной концентрации цАМФ сопровождается каскадом процессов, аналогичных процессам, протекающим под влиянием родопсина в зрительных клетках, и цАМФ, а не цГМФ, открывает ионные каналы путем активации протеинкиназы [784]. Достаточно убедительное доказательство участия цГМФ в реализации действия фитохрома было получено при использовании техники микроинъекций в фитохром-дефицитных мутантах томатов [65, 66]. Было показано, что цГМФ (30-80 мкМ) вызывал аналогичную фитохрому А активацию гена CHS и синтез антоцианов, а вместе с ионами Са2+ контролирует развитие хлоропластов и экспрессию гена ферредоксин-никотинамидаденин-динуклеотидфосфат-оксидоредуктазы (см. рис. 1.2).

Однако при внутриклеточной концентрации цГМФ ниже 25 мкМ данные эффекты не наблюдались, а концентрации цГМФ, превышающие 80 мкМ, уже являлись токсичными для клетки. Недостатком выше описанного исследования также явился низкий процентный состав клеток (11% и меньше), проявляющих описанные ответы.

Еще одним геном, экспрессия которого регулируется светом, является ген, кодирующий ASI [785]. Этот ген экспрессируется в темноте и репрессируется на свету. Процесс репрессии гена ASI контролируется с участием кальций/цГМФ-зависимого каскада, что свидетельствует о том, что один и тот же сигнальный каскад может приводить к активации одних и подавлению других эффектов фитохрома. В промоторе гена ASI был идентифицирован цис-элемент - мишень для консервативного фитохром-генерируемого репрессора, регулируемого и ионами Са2+ и цГМФ [69]. Однако неизвестно, какова природа последующих промежуточных стадий, приводящих к экспрессии генов.

Установлено, что мембрано-проникающий дибутирильный аналог цГМФ (ДБ-цГМФ) вызывает рост [Са2+]цит в протопластах трансгенного табака (рис. 5.21) [57], а также обнаружена взаимозаменяемость действия цГМФ, цАМФ и КС на фитохром-зависимое накопление ионов Са2+ протопластами овса (рис. 5.22, 5.23) [56].

Было также показано, что в бобах освещение в течение одного часа белым светом после двенадцатичасового темнового периода вызывало четырехкратный рост содержания цГМФ [689].

Влияние ДБ-цГМФ

Рис. 5.21. Влияние ДБ-цГМФ (А), ДБ-цАМФ (Б) на Са2+-зависимую хемилюминесценцию экворина в протопластах, выделенных из листьев трансгенного табака N. plumbaginifolia в Са2+-содер-жащей среде; интегральное увеличение концентрации Са2+ в цитоплазме клетки (В) [56]

Было исследовано влияние КС и ДКС на метаболизм цГМФ в растительной ткани. При облучении этиолированных проростков овса было обнаружено влияние КС/ДКС на содержание цГМФ [58,786] и его метаболизм, что подтверждает участие цГМФ в прямой цепи трансдукции (рис. 5.24).

Облучение синим светом также приводило к росту содержа

ния цГМФ [58], что свидетельствует о том, что в основе фоторегуляции активности ГЦ проростков овса лежит ее взаимодействие не только с фитохромной, но и с криптохромной системой.

Влияние циклических мононуклеотидов на накопление Саэтиолированными протопластами овса A. sativa [56]

Рис. 5.22. Влияние циклических мононуклеотидов на накопление Са2+ этиолированными протопластами овса A. sativa [56]

Влияние К/ДК света, ДБ-цАМФ и ДБ-цГМФ (10’ М) на накопление Са этиолированными протопластами овса A. saliva [56]

Рис. 5.23. Влияние К/ДК света, ДБ-цАМФ и ДБ-цГМФ (10’5 М) на накопление Са2+ этиолированными протопластами овса A. saliva [56]:

Т - этиолированные проростки; К - облученные красным светом (660 нм);

К/ДК - облученные последовательно красным и дальним красным светом (730 нм)

Содержание цГМФ в экстрактах ткани пятидневных этиолированных проростков A

Рис. 5.24. Содержание цГМФ в экстрактах ткани пятидневных этиолированных проростков A. sativa (1) и влияние на него КС-облучения (20 Вт/м2, 5 мин) (2), ДКС-облучения (20 Вт/м2, 5 мин) (3), КС/ДКС-облучеиия (4) и синего света (0,05 Вт/м2,5 мин) (5) [58]

Влияние КС-облучения

Рис. 5.25. Влияние КС-облучения (20 Вт/м2, 10 мин) (2), ДКС-облучения (20 Вт/м2, 10 мин) (3), КС/ДКС-облучения (4) и синего света (0,05 Вт/м2, 5 мин) (5) на активность ГЦ в гомогенате ткани пятидневных этиолированных проростков овса A. sativa (1) [11]

Было показано, что фотоконтроль содержания цГМФ в проростках овса связан с фотомодуляцией активности ГЦ (рис. 5.25).

Обнаружено, что ионы Са2+ ингибировали и активность ГЦ и увеличение ГЦ активности под действием КС [11], что соответствует теории негативной регуляции между Са2+- и цГМФ-зависимыми сигнальными цепями фитохромной трансдукции.

Оказалось, что фотоконтроль содержания цГМФ в клетках проростков овса связан также с фотомодуляцией активности ФДЭ [9] (рис. 5.26). Однако, по сравнению с ГЦ, активность ФДЭ является значительно менее чувствительной к действию света. В то время как ГЦ активируется красным и синим светом в несколько раз, активность ФДЭ увеличивается только на 14-16%, и равновесие между синтезом и распадом цГМФ на фоне света сдвинуто в сторону синтеза: при облучении этиолированных проростков овса наблюдается значительное увеличение содержания цГМФ.

Таким образом, фотомодуляция активности ФДЭ является, вероятно, вторичной по отношению к модуляции светом активности ГЦ. Возможно, процесс активации ФДЭ светом и, следовательно, гидролиз цГМФ, являются отдельной ветвью регулятор-

1.5 _

Влияние КС-облучения

Рис. 5.26. Влияние КС-облучения (20 Вт/м2, 20 мин) (2), ДКС-облучения (20 Вт/м2, 20 мин) (3), КС/ДКС-облучения (4) и синего света (0,05 Вт/м2, 20 мин) (5) на активность ФДЭ цГМФ в гомогенате ткани пятидневных этиолированных (7) проростков овса A. sativa [9]

ной цепи, запускаемой фоторецептором, и служит как механизм обратной регуляции, снижающий концентрацию сигнальной молекулы до предстимуляционного уровня.

Свето-зависимый синтез цГМФ был обнаружен в проростках Р. nil [705], причем белый свет стимулировал рост содержания цГМФ, а затемнение ингибировало активность ГЦ.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >