ФІЗІОЛОГІЯ ТА БІОХІМІЯ РОСЛИН

Опорний конспект лекцій

11. РІСТ І РОЗВИТОК РОСЛИН

Механізми морфогенезу

З’ясування принципів, що лежать в основі утворення специфічної форми кожного організму, - найважча і недостатньо досліджена проблема біології. Для її вирішення необхідно зрозуміти, яким чином клітини і тканини впливають одні на одних у процесі онтогенезу.

У рослинному організмі постійно взаємодіють між собою міжклітинні та внутрішньоклітинні механізми регуляції.

Для процесів ембріогенезу та регенерації дуже важлива послідовна індукція певних генетичних програм і морфофізюлогічна орієнтація в просторі. Запуск генетичних програм здійснюється специфічними хімічними і фізико-хімічними факторами, а орієнтація в просторі створюється поляризацією, в основі якої лежать мембранні процеси. Клітини постійно отримують сигнали із зовнішнього і внутрішнього середовищ (тестують своє розташування й оточення). У відповідності з цим коректується їх функціональна активність, зчитування генетичної інформації й вектори поляризації. Таке коректування отримало назву «ефекту оточення», або «ефекту розташування».

Запуск генетичних програм

Серед рослин є прекрасні об’єкти для вивчення генетичних аспектів формоутворення, зокрема, морська одноклітинна водорость ацетабулярія (порядок сифонові). Її клітини складаються з ризоїдної основи з ядром, стебла та спороутворювальної шапки. Досліди на цій водорості показали, що у клітинному ядрі утворюються специфічні для кожного виду довгоживучі морфогенетичні інформаційні РНК, які надходять до стебельця і «керують» морфогенезом шапки через синтез специфічних білків. Таким чином, стебельце й основа окремо один від одного можуть визначати форму шапки, що є видовою ознакою.

У багатьох рослин механізми внутрішньоклітинної генної регуляції аналогічні. В залежності від того, яка сукупність (поєднання) генів у даній клітині активна (експресує), відбувається розвиток (диференціація) цієї клітини в тому чи іншому напрямку. Від напрямку диференціації клітини надалі буде залежати вид її функціональної активності. Таким чином, комбінація активних генів визначає напрямок диференціювання і особливості функціонування кожної окремої клітини.

Однак запуск чи виключення (відкривання чи закривання) генетичних програм у кожній клітині організму залежить і від надходження сигналів з інших клітин, тканин та органів, а також від умов навколишнього середовища. Механізми реалізації цих процесів складні і різноманітні.

При вивченні фізіолого-біохімічних основ морфогенезу у вищих рослин використовують метод культури тканин. Даний метод дозволяє вивчити дію трофічних і гормональних факторів на процеси морфогенезу. Це є можливим у результаті тотипотентності рослинних клітин.

Розглянемо дію фітогормонів на процеси диференціації калуса із серцевини стебла тютюну, який росте на повному поживному середовищі з добавками різних концентрацій ІОК та кінетину (таблиця).

Таблиця

Дослідження показали, що переважання ауксину (3) необхідне для запуску генетичної програми коренеутворення, а високий вміст цитокініну (4) при наявності ІОК індукує активність генів, що відповідають за програму пагоноутворення. Інше специфічне поєднання фітогормонів, трофічних факторів та фізико-хімічних умов індукують інші генетичні програми. Це відбувається лише тоді, коли клітини компетентні (чутливі) до дії сигналів (ефекторів).

Індукція поляризації у рослин

Важливою умовою формоутворення в процесі розвитку організму є поляризація біологічних структур.

Під поляризацією розуміють специфічну орієнтацію процесів і структур у просторі, що призводить до появи морфофізіологічних градієнтів.

При цьому фізіолого-біохімічні та анатомо-морфологічні відмінності змінюються у певному напрямі, внаслідок чого протилежні частини рослинного організму відрізняються. Полярність визначає розміщення осей, які зумовлюють форму клітин, органів і цілого організму. В результаті чого формується характерна для рослин біполярна структура (утворюється головна вісь: пагін-корінь).

Полярність - це фізіологічна нерівноцінність протилежних полюсів (верзівка/основа) певної клітини, органа або цілої рослини.

У фізіологічному плані полярність виявляється, зокрема, у процесах регенерації. Так, у стеблових та кореневих живців, незалежно від їх розміщення в просторі, пагони розвиваються з морфологічно апікального, а корені - з базального кінців. Це пояснюється тим, що ІОК, переміщуючись полярно, скупчується в морфологічно нижньому кінці живця, індукуючи запуск генетичної програми коренеутворення.

Властивість полярності мають і окремі клітини. В ізольованих клітин зел. нитчастої водорості Cladophora ризоїди утворюються з морфологічно нижнього кінця клітини, а талом - із верхнього.

Часто індукторами поляризації біологічних об’єктів є різні фактори навколишнього середовища. Наприклад, у спор хвощів та папоротей полярність виникає лише в умовах одностороннього освітлення. При поділі з освітленої сторони формується заросток, а із затіненої - ризоїд.

Механізм поляризації детально вивчений у яйцеклітини бурої морської водорості Fukus. До запліднення яйцеклітина фукусу не має оболонки, а ядро знаходиться в центрі. Після запліднення клітина опускається на дно, покривається оболонкою і на її нижній поверхні починає формуватися ризоїдний виступ. Перший поділ відбувається перпендикулярно до утвореної осі. Верхня клітина дає початок більшій частині талому, нижня - невеликій частині талому і ризоїду. В темноті ризоїди ростуть у різних напрямках, а при освітленні - із затіненої сторони. Дія слабкого електричного поля також викликає поляризацію яйцеклітин, причому виступ ризоїда з’являється з боку анода. Локальна дія ауксину чи односторонній вхід Са²⁺ індукують утворення ризоїду на місці подразнення. Ці зовнішні впливи зумовлюють виникнення локальних електричних токів, тобто - поляризацію.

Кальцій індукує секреторну активність яйцеклітини і локальне виділення полісахаридів клітинної стінки, що сприяє появі ризоїдного виступу. Навіть у ядрі утворюються пальцеподібні вирости оболонки в сторону майбутнього ризоїда, і в цій же ділянці цитоплазми концентруються мітохондрії й рибосоми.

Ауксин - ... (дати пояснення самостійно).

При дії електричного поля на яйцеклітину в її плазмалемі відбувається електрофоретичне переміщення ліпопротеїнових компонентів із позитивним чи негативним зарядом. Ці компоненти (іонні канали, насоси, ферменти) закріплюються на полюсах клітин із допомогою мікрофіламентів і мікротрубочок цитоскелету, що незворотно фіксує виникаючу первинну поляризацію і визначає головну вісь тіла рослини.

При подальшому поділі яйцеклітини (площина поділу перпендикулярна осі поляризації) ядра дочірніх клітин потрапляють у зовсім різні умови, які виникли в поляризованій цитоплазмі. У результаті в ядрах запускається неідентична генетична інформація і, таким чином, відбувається диференціація клітин.

Отже полярність рослин визначається полярністю заплідненої яйцеклітини, з якої розвивається новий організм. Під час клітинного поділу дочірні клітини сприймають полярність материнської. Це явище і забезпечує специфічну орієнтацію процесів і структур у просторі, що зумовлюють специфічну диференціацію клітин, яка зреалізовується в утворенні полярного зародка. У зародку вищих рослин формуються два зародкові органи - пагін із зародковою брунькою та корінь. Провідна функція у створенні процесів полярності належить фітогормонам.

Напрямок поляризації клітин постійно змінюється в процесі ембріогенезу, при утворенні примордіїв в апексі, у процесі закладки тканин листка, зачатків коренів у трициклі тощо.

При цьому кожна поляризована меристематична клітина може ділитися на дві нерівні (диференційний поділ) або на дві рівні (відтворювальний поділ) дочірні клітини. У другому випадку тканина росте за рахунок збільшення кількості однорідних клітин.

На формування фізіологічної полярності клітин впливають: полярні потоки іонів кальцію, градієнт біоелектричних потенціалів, базипетальний потік ауксину, особливості функціонування цитоскелету. Первинну інформацію щодо вектора поляризації формують іони кальцію. Індукція морфогенезу залежить від величини іонних градієнтів Са²⁺, які створюють електричну вісь полярності та впливають на розподіл у тканинах фітогормонів. У результаті цього в клітині формуються градієнти Са-зв’язуючих та Са-залежних білків, які з участю відповідних елементів цитоскелета завершують структурну поляризацію клітини.

Поляризація клітин у багатоклітинному організмі зумовлюється різноманітними чинниками: фізико-хімічними градієнтами (осмотичний тиск, рН, концентрація кисню, СО₂), гормональними, електричними і трофічними градієнтами, контактами із сусідніми клітинами (контактна поляризація), механічним тиском і натягом. Особливе значення для цілісності рослини мають ті градієнти, які створюються домінуючими центрами пагона та кореня - їх верхівками. Коливальний характер цих градієнтів - важлива умова часової цілісності рослинного організму.

Ефект розташування

На виникнення полярності значно впливає взаємодія клітин та їх розміщення. Виникнення полярності під впливом певної групи оточуючих клітин ідентифікують як ефект поля, ефект місцезнаходження чи розташування. Клітинне оточення може впливати на формування полярності завдяки нерівномірному хімічному, механічному або електричному впливу.

Наприклад, клітина меристеми полярна вже завдяки своєму місцерозташуванню. Кожна клітина меристеми має верх і низ. Якщо надалі її поділ відбувається перпендикулярно до осі полярності, то дочірні клітини будуть різні за своїми фізіологічними та структурними особливостями, за факторами спадковості, що є в цитоплазмі, за наявністю фітогормонів, які регулюють активність геному тощо. І це незважаючи на те, що відбувся однаковий розподіл геному ядерного спадкового матеріалу (ДНК) між дочірніми клітинами.

Таким чином, на кожну клітину багатоклітинного організму впливають фізичні, хімічні, фізіологічні градієнти та сусідні клітини. В результаті у клітинах реалізуються власне ті потенції (можливості), які відповідають оточуючим умовам. Ця теорія отримала назву «ефекту розташування» чи «ефекту поля».

Дж. Боннер (1965) для пояснення механізмів керування диференціацією в багатоклітинному організмі запропонував принцип морфогенетичних тестів. Для того, щоб адекватно відповісти на зміну умов і сигнали, які надходять із оточуючого середовища (властивість подразливості), кожна клітина постійно тестує своє місцезнаходження. Результатом тестування буде запуск тих чи інших генетичних програм. Так, певна меристематична клітина ділиться впоперек на дві дочірні. Кожна з них «визначає» чи є вона верхівковою. Для апікальної клітини результатом буде продовження поділу, а друга, субапікальна, тестує величину групи оточуючих її клітин. Коли група незначна, запускається підпрограма поділу, яка функціонує до досягнення визначеної програмою кількості клітин на цій ділянці апекса.

При утворенні необхідної кількості клітин кожна з них тестує своє розташування відносно поверхні клітинної популяції. Коли аналіз показує, що якісь клітини знаходяться на поверхні груп, запускається програма їх диференціювання в клітини епідермісу. Інші клітини, що знаходяться не на поверхні, проводять тест на розташування всередині групи; в результаті чого в розміщених у самій глибині клітин індукується підпрограма диференціювання в паренхімні клітини серцевини, у розміщених по сусідству - в клітини ксилеми, а у тих, які знаходяться не так глибоко, - підпрограма утворення флоеми.

Клітини, які займають проміжне положення, стають камбіальними і діляться за замкненим циклом, формуючи елементи ксилеми і флоеми.

Дана гіпотеза отримала експериментальні підтвердження.