8.5.3. Акклимация растений к аноксии.

В природных условиях аноксии (затоплению растений водой) часто предшествует гипоксия. Если проростки резистентных к O₂-дефициту растений, например риса или кукурузы, подвергнуть гипоксической предобработке, то это приведет к индукции процессов, направленных на повышение их устойчивости к создаваемым затем условиям аноксии. Гипоксическая предобработка стимулирует при последующей аноксии ростовые процессы и приводит к значительному снижению процента погибших растений.

Акклимация к аноксии достигается во многом за счет активирования гликолиза и соряженного с гликолизом синтеза АТФ. Гипоксические условия приводят к индукции гликолитических ферментов: гексокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы, глюкозофосфат-изомеразы, глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназы, фруктозо-1.6-дифосфат-альдолазы, енолазы и др.; ферментов, приводящих к образованию этанола - пируватдекарбоксилазы и алкогольдегидрогеназы, а также ферментов, расщепляющих крахмал, в частности, -амилазы. Гипоксическая предобработка способствует мобилизации субстратных резервов и транспорту субстратов из надземных органов в аноксические корни. Считается также, что у резистентных к кислородному дефициту растений предварительные гипоксические условия приводят к стимуляции экспорта МК из цитозоля, что повышает способность клеток к устранению ацидоза. Низкая эффективность экспорта МК из клеток у чувствительных к O₂-дефициту растений сохраняется при гипоксической предобработке, что не способствует устранению ацидоза во время последующей аноксии. Внутриклеточный ацидоз у растений можно рассматривать как главный повреждающий фактор O₂-недостаточности.

8.5.4. Изменения в экспрессии генов при переходе от аэробного метаболизма к гликолизу.

Вопрос о последовательности событий, приводящих к запуску ответной реакции растения на O₂-дефицит, и о природе рецептора сигнала до настоящего времени остается нерешенным. Анаэробные условия вызывают быстрое снижение уровня АТФ, увеличение содержания NADH и закисление цитозоля в клетках растений. Любой из этих факторов может принимать участие в процессах сигнальной трансдукции. Как будет показано ниже, в пути передачи сигналов, отвечающих за образование аэренхимы при O₂-дефиците, вовлечен гормон этилен. Возможно, что этилен, а также АБК принимают участие и в запуске других процессов, индуцируемых O₂-дефицитом.

Показано, что вторичным мессенджером в путях сигнальной трансдукции, активируемых аноксией, является Ca²⁺. Содержание Ca²⁺ в протопластах кукурузы при анаэробных условиях возрастало. Повышенные концентрации Ca²⁺ были необходимы для инициации транскрипции гена алкогольдегидрогеназы Adh1.

При аноксии в корнях проростков кукурузы происходят существенные изменения в экспрессии генов и метаболизме. Эти изменения обнаруживаются уже через несколько часов после создания анаэробных условий. Общий синтез белков подавляется на 70%. Гипоксия приводит к аналогичному эффекту, однако, в этом случае он выражен в значительно меньшей степени.

Изменения в синтезе белка при аноксии связаны с регуляцией экспрессии генов на транскрипционном и посттранскрипционном уровнях. Большая часть генов, активных в присутствии O₂, при аноксии репрессируется. В то же время, некоторый набор генов, не экспрессирующихся до создания анаэробных условий, в условиях аноксии активируется. Экспрессия этих генов чрезвычайно важна для выживания растений в бескислородных условиях. Подавляющая их часть относится к генам ферментов, которые осуществляют обсуждавшиеся в предыдущем разделе процессы деградации крахмала, гликолиза и ферментации этанола. Некоторые из этих ферментов представлены в клетках несколькими изоформами. К таким ферментам относятся, в частности, АДГ и глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа. Часть изоформ этих ферментов образуется в клетках в аэробных условиях, т.е. характеризуется конститутивным синтезом и участвует в нормальном метаболизме. Другая часть изоформ индуцируется в ответ на O₂-дефицит. Гены, кодирующие две группы изоформ, различаются по нуклеотидным последовательностям промоторов. Гены, экспрессирующиеся в ответ на O₂-дефицит, называются анаэробными генами, а их продукты анаэробными белками. Некоторые анаэробные гены клонированы, в частности, гены алкогольдегидрогеназы Adh из кукурузы и Arobidopsis и гены пируватдекарбоксилазы Pdc из Arobidopsis. Были охарактеризованы гены Adh. Их промоторные области содержат специфические цис-элементы, которые необходимы для экспрессии в условиях кислородного дефицита. (Рис.8.31.). Известны две такие специфические последовательности: ARE (anaerobic response element) и так называемый G-бокс. Идентифицированы два транскрипционных фактора, взаимодействующих с G-боксом гена Adh1 из Arobidopsis: GBP (G-box-binding protein) и GF14 (G-factor). Для индукции транскрипции Adh1 GF14 должен сформировать комплекс с GBP, чтобы последний мог вступить в непосредственное взаимодействие с нуклеотидной последовательностью G-бокса.

Как отмечалось выше, биосинтез многих белков нормального метаболизма в бескислородных условиях ингибируется. Хотя гены этих белков при переходе к анаэробному метаболизму продолжают транскрибироваться с той же интенсивностью, которая наблюдается в аэробных условиях, трансляция их мРНК в значительной степени подавляется. Напротив, эффективность трансляции мРНК анаэробных генов, в частности Adh1 при аноксии резко возрастает. Таким образом, регуляция экспрессии генов на уровне трансляции играет важную роль не только в подавлении синтеза белков нормального метаболизма, но и в индукции анаэробных белков.