ГЕТЕРОФІЛІЯ У РОСЛИН - О.М. НЕДУХА - 2011

РОЗДІЛ ПЕРШИЙ. МОРФОЛОГІЧНА ТА СТРУКТУРНО-ФУНКЦІОНАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕГЕТАТИВНИХ ОРГАНІВ ГЕТЕРОФІЛЬНИХ РОСЛИН

1.7. ЕПІДЕРМІС ЛИСТКІВ ГЕТЕРОФІЛЬНИХ РОСЛИН

1.7.4. Водний транспорт і роль аквапоринів

Згідно із сучасними уявленнями на органному й тканинному рівні вода надходить у рослину двома шляхами: по апопласту і симпласту. Тоді як на субклітинному рівні вода транспортується по водним каналам (аква- поринам) цитоплазматичної мембрани й тонопласту. Перш ніж описати структуру та функцію аквапоринів, зупинимося на загальних питаннях водного балансу рослин. У клітини надземних органів вода надходить із кореневої системи. У русі водного потоку від грунту (крізь органи рослини) до атмосфери беруть участь кілька градієнтів: гідростатичний тиск у грунті, водний потенціал і концентрація водяної пари між листком і повітрям. Водний потенціал складається з градієнту водного потенціалу поперек кореня та градієнта тиску вздовж ксилеми рослини (Медведев, 2004).

Від поверхні кореня до судин ксилеми рух води може відбуватися, як по клітинних оболонках (апопластний потік) і через цитоплазму по плазмодесмах (симпластний потік) завдяки градієнтові водного потенціалу. Ці транспортні системи взаємодіють між собою (Гамалей. 1997; Великанов и др., 2005; Великанов, Белова, 2005). У клітини екзодерми кореня вода потрапляє через кореневі волоски. Радіальний потік води та іонів проходить через клітини перициклу. У судини ксилеми вода та розчинені в ній мінеральні речовини потрапляють з паренхімних клітин центрального циліндру завдяки наявності в клітинах судин осмотичного потенціалу. Осмотично активними речовинами в судинах ксилеми можуть бути мінеральні речовини та деякі метаболіти, що виділяються в клітини центрального циліндру. По судинам ксилеми вода поступає в клітини мезофілу за наявності градієнту гідростатичного тиску, який виникає в процесі розвантаження асимілятів, які транспортуються по флоемі (Медведев, 2004).

Необхідно відмітити, що вода потрапляє до клітин продихів з мезофілу за градієнтом водного потенціалу, який містить, що найменше чотири типи градієнтів: осмотичного потенціалу, гідростатичного тиску, гравітаційного потенціалу та концентрації водяного пару. Оскільки концентрація водяного пару в середині листка вища, ніж у атмосфері, то вода по градієнту концентрації водяного пару виходить крізь продихи в атмосферу (Медведев, 2004).

Поглинання води цитоплазмою та вакуолею в клітинах відбувається завдяки водним каналам - спеціалізованим мембранним білкам (МІР - major instrinsic proteins). Ці білки мають назву аквапорини, їхня молекулярна маса варіює від 27 до 30 кДа (Chrispeels et al., 1999). Аквапорини є тетрамерними поліпептидами, які складаються із шести трансмембранних а-спіральних доменів та двох невеликих доменів, що утворюють транпортуючий канал для молекул води. Згідно з моделлю, яку запропонував М. Кріспеілс, білки цієї родини характеризуються наявністю певної послідовності амінокислот: аспарагін - пролін - аланін. Такий пептидний фрагмент двічі трапляється в одному каналі, утворюючи подвійну петлю-пору, через яку проходить вода. Не всі білки цієї родини є аквапоринами, деякі з них, наприклад, С)'рРм-білок, транспортує гліцерин, інші - сечовину. Більшість білків даної родини мають низьку енергію активації для водного транспорту, приблизно 10-16 кДж моль для відкритих каналів. Якщо ж водні канали перебувають у закритому стані (при зміні температури), енергія їхньої активації збільшується, досягаючи від 40 до 69 кДж моль. Швидкість перебігу води через такий канал становить 10⁶молекул за 1 с (Hartel, Steude, 1997; Chrispeels et al., 1999). Згідно з ранньою глобоїдною моделлю, яку запропонував Дж. Джанг, у каналі пори петлі В- та Е- укладені всередині мембрани, а ИРА-ділянки, перекриваючись, утворюють вузький канал (Jung et al., 1996). Припускають, що діаметр пори (каналу) коливається від 0,3 до 0,4 нм, тимчасом як діаметр молекули води становить 0,28 нм (Chrispeels et al., 1999). Саме такий малий розмір каналу обмежує проникнення незаряджених молекул більшого розміру (Murata et al., 2000). Дослідники вважають, що закриття чи відкриття каналу відбувається внаслідок конформаційної зміни транспортуючого білка (Steude, Henzler, 1995).

У листках виявлено два класи аквапоринів: одні вбудовані в цитоплазматичну мембрану (PIPs - plasma membrane intrinsic proteins), інші - у тонопласт (TIPs - tonoplast intrinsicproteins), і відрізняються між собою розмірами N- чи С-кінців молекул білка, які направлені в цитоплазму (Rivers et al., 1997; Weig et al., 1997; Johanson et al., 2001). За водного стресу може відбуватись модифікація білку аквапорину, а саме процеси закриття/відкриття каналу відбуваються шляхом фосфорилю- вання серинових залишків (Chrispeels et al., 1999). У фосфорилюванні аквапоринів беруть участь Ca²⁺-залежні протеінкінази (Maurel, 1997). Сигналом для фосфорилювання може бути зміна водного потенціалу. У такому разі активність водних каналів дуже швидко зменшується за дії стресу: від кількох годин до кількох діб. Це встановлено на листках рису, коли водний потенціал за 1 год. знижувався на 0,1 МПа (Lu, Neumann, 1999). Останнім часом з'явились повідомлення про іншу можливу регуляцію функціонування аквапоринів за змін впливу водного стресу. Показано, що водний стрес може змінювати експресію генів білків МІР- і ТІР-родин (Yamaguchi-Shinozaki et al., 1992; Liu, et al., 2000; Блюма, 2006). Так, експресія гену аквапорину тонопласту Oryza sativa (Liu, et al., 2000) і Helianthus annuus (Sarda et al., 1999) підвищувалась, тоді як у Craterostigma plantagineum Hochst. (Mariaux et al., 1998) i Mesembryanthemum crystallinum L. (Kirch et al., 2000) - знижувалася за умов зміни водного режиму.

Аквапорини тонопласту зменшують осмотичну водну приникність, коли осмотичний градієнт стає меншим 2-6 %, що було показано на рослинах Allium cepa L., Brassica napus L., Petunia hybrida Juss. та Beta vulgaris L. Проходження води крізь аквапорини тонопласту відбувається в 10-50 разів швидше порівняно з аквапоринами цитоплазматичної мембрани; вони потребують також менше енергії для своєї активації при транспортуванні води (Chrispeels et al., 1999).

На плазмалемі клітин Chara fragilis Desv in Loisel i Tradescantia sp. показано, що тригером відкриття або закриття аквапоринів може бути низький водний потенціал або ж зміна тургору клітини (Steude, Henzler, 1995). У клітинах коренів аквапорини активуються за високої засоленості грунту та низького вмісту кисню (Azaizeh, Steude 1991; Birner, Steude, 1993). У таких умовах, як вважають дослідники, відбувається закриття плазмодесм, тоді як аквапорини активно працюють (Zhang, Tyerman, 1991). За даними E. Стеуде й T. Хензлера (Steude, Henzler, 1995) аквапори- ни в клітинах коренів працюють навіть тоді, коли апопластний водний транспорт заблокований клітинами пояска Каспарі.

Вперше визначено рівень експресії генів аквапоринів в пірчасто- розсічених листках гетерофільної рослини Sium latifolium, особини якої зростали у воді і на суходолі (Блюма, 2010). Автор встановив підвищений рівень експресії генів РІР2- аквапоринів в листках суходільних рослин у фазі вегетації, бутонізації-цвітіння та цвітіння-плодоношення у порівнянні з листками таких же форм у рослин, які зростали у воді. Одержані дані дали підставу досліднику вважати, що аквапорини підгрупи РІР2 у листків однієї форми (пірчасторозсіченої) беруть участь в адаптації рослини до змін водного режиму.