6.2.2. Поступление ионов из среды в клетку и корень

Перемещение ионов из среды в корень — комплексный и многоэтапный процесс, который обозначают такими терминами, как поступление, поглоще­ние, транспорт, вход, выход, а также приобретение, захват и добывание, когда описываются возможности корневых систем адаптироваться к условиям огра­ниченной доступности ионов в среде.

В связи с особенностями строения растительной клетки поступление ве­ществ из среды в корень связано с преодолением двух барьеров: клеточной стенки и плазмалеммы. Наличие клеточной стенки определяет существование двух структурных и функциональных континиумов — апопласта и симпласта, объединяющих все элементы растения. Апопласт включает клеточные стенки с их межмицеллярными и межфибриллярными просветами, межклетники, со­суды ксилемы, а в корне также слизи, покрывающие его поверхность. Сим-пласт состоит из протопластов клеток, соединенных плазмодесмами, его внеш­ней границей служат плазматические мембраны. В силу особенностей расти­тельной клетки он имеет и вторую внутриклеточную границу — тонопласт, отделяющий цитозоль от вакуоли. Транспорт минеральных веществ из среды в растение включает: поступление ионов в апопласт и симпласт, накопление в вакуолях, радиальный транспорт в корне и загрузку ксилемы, дальний транс­порт по ксилеме, циркуляцию и перераспределение минеральных элементов по органам и тканям.

6.2.2.1. Поступление ионов в апопласт

Апопласт корней выполняет многочисленные функции, и важнейшие из них — поглощение воды и минеральных веществ. Питательные вещества не просто проходят через этот компартмент на пути к плазмалемме, но благодаря физико-химическим свойствам этой структуры включаются в создание «внут­ренней физиологической среды» организма. Минеральные ионы попадают в апопласт корня из почвенного раствора путем диффузии либо в результате конвекционных потоков (массового тока), связанных с перемещением воды по градиенту водного потенциала.

Поступление в апопласт, а точнее в его часть, названную клеточным сво­бодным пространством (СП), структурно представляющим собой систему межмицеллярных и межфибриллярных пор и межклетников, исчисляется минута­ми. Проводимость клеточной стенки для воды по сравнению с плазмалеммой значительно выше. Коэффициент проницаемости Р свободного пространства для ионов также значительно выше (≈10^-5—10^-4 м • с^-1), чем у клеточной мемб­раны

(≈10^-10—10^-9 м• с^-1). Высокая проводимость обеспечивается тем, что поры в клеточной стенке имеют диаметр на порядок больше (3 — 4 нм), чем гидратированные ионы (диаметр К⁺ — 0,54 нм). Но пропитывание матрикса клеточ­ной стенки суберином или лигнином уменьшает проводимость для воды и ионов до величин, которые соответствуют или даже ниже проницаемости плаз­малеммы.

С позиций физической химии СП корня представлено двумя составля­ющими: «водным свободным пространством» (ВСП) и «доннановским свободным пространством» (ДСП) (рис. 6.9). Доннановское СП обусловлено на­личием фиксированного отрицательного заряда клеточной стенки, который взаимодействует с поступающими катионами и определяет возникновение доннановского потенциала. Количественная оценка СП, его составляющих, а также поступление в ВСП и ДСП могут быть получены в экспериментах с корнями, когда оценивается динамика поступления (входа) и выхода иона. Кривую поступления, например, ⁸⁶Rb⁺ (аналог К⁺) в корни растения можно разделить на две составляющие (рис. 6.9): /— быстрое начальное поглоще­ние, которое заканчивается в течение 10 мин, //— последующее стационар­ное поглощение, которое может продолжаться много часов. Быстрое погло­щение обратимо, малоизбирательно и практически не зависит от метаболиз­ма (не меняется под действием ингибиторов и в отсутствие О₂).

Рис. 6.9. Поглощение К⁺ (использован его аналог ⁸⁶Rb⁺) и его выход из свободного пространства корней кукурузы (Sutcliffe, Baker, 1974, цит. по Baker, Hall, 1988):

ВСП — водное свободное пространство; ДСП — доннановское свободное пространство; /, // —

см. в тексте

Если расте­ние переместить на воду, то большая доля от поглощенного в начальную фазу ⁸⁶Rb⁺ будет быстро вымыта из корней. Эта часть составляет «водную об­менную фракцию», а поступление иона в корни, равное его выходу, — по­ступление в ВСП. Из корней, перенесенных затем на раствор КС1, будет выхо­дить ⁸⁶Rb⁺, который относится к ионной обменной фракции. В этом случае поступающий К⁺ замещает ⁸⁶Rb⁺, адсорбированный клеточной стенкой, и равная вышедшему ⁸⁶Rb⁺ доля К⁺ соответствует поступлению в ДСП клеточной стен­ки. Считается, что оставшаяся в корне фракция — ионы, поступившие в симпласт.

Оценив количество К⁺ (⁸⁶Rb⁺), вымытого из корней в воду, и допустив, что концентрация иона во внешнем растворе и в растворе клеточной стенки рав­ны, можно рассчитать объем СП корня. При таком способе расчета не учиты­вается количество иона, которое находится в адсорбированном состоянии, поэтому полученные величины объема СП завышены. В связи с этим процент­ные величины объема стали рассматривать как оценку размеров «кажущегося СП» (КСП). Его относительная величина составляет 5 — 7 % (не более 10 %) от общего объема тканей корня. В настоящее время такого рода оценка СП ис­пользуется редко, и современные исследователи предпочитают для характери­стики ВСП и ДСП использовать единицы количества (рис. 6.9) либо концентрации иона, а не единицы объема. Считается, что в среднем отношение ВСП: ДСП составляет 4:1.

Количественные параметры ВСП и ДСП позволяют более точно и пра­вильно оценить функции клеточной стенки и в целом апопласта. Присут­ствие фиксированных отрицательно заряженных групп в клеточной стенке влияет на поступление ионов в апо-пласт и их накопление. Благодаря за­ряженным группам стенка обладает катионно-обменной способностью (КОС). При этом 70 — 90% КОС связано с карбоксильными группами галактоу-роновых кислот пектина, а вклад дру-

гих полисахаридов матрикса и белков

составляет 10 — 30 %. Аминогруппы белков определяют способность обмена с анионами; безусловно, она более слабая, чем возможность обмена с катио­нами.

Рис. 6.10. Эффективность нейтрализации от­рицательного заряда клеточной стенки (КС) моно- и поливалентными катиона­ми (по Haynes, 1980)

Модель поступления ионов в апопласт корня учитывает существование двой­ного электрического слоя (рис. 6.10) и описывает клеточную стенку как систе­му отрицательно заряженных пор, на поверхности которых адсорбируются подвижные катионы и образуется двойной заряженный слой. Распределение поступающих ионов внутри порового пространства зависит от плотности их электрического заряда, размера поры, а также от знака, и величины заряда иона. Поливалентные катионы экранируют отрицательный заряд КС более эф­фективно, чем моновалентные, и насыщение СП двух- и поливалентными катионами способствует сохранению большого свободного просвета в поре для перемещения других ионов.

При диффузии ионов в системе с фиксированным зарядом, подобной КС, возникает градиент электрического потенциала (рис. 6.11). Когда ионы диссо­циированной соли «К⁺А^-» перемещаются в водной фазе системы, где имеется фиксированный заряд (X ), катион К будет перемещаться в направлении за­ряда X , нейтрализуя его и оставляя сопутствующий анион A . Катион К бу­дет диффундировать так, чтобы сбалансировать заряд А однако в своем дви­жении он будет ограничен А . В результате происходит разделение зарядов и возникает градиент электрического потенциала E_D. Его величина при равновес­ном распределении может быть рассчитана по уравнению Доннана (рис. 6.11).

Рис. 6.11. Возникновение доннановского потенциала (E_D) в системе клеточная стен­ка—раствор:

X — фиксированный отрицательный заряд клеточной стенки; K и K — одновалентные ка­тионы; А и А — одновалентные анионы диссоциированной соли. Стрелки указывают на пере­мещение ионов; большая стрелка отражает возникновение градиента электрического потенциала.

Е_D= , где R — газовая постоянная; Т— абсолютная температура;

F — число Фарадея; z — заряд иона; и — концентрации ионов А и К⁺ в

клеточной стенке (in) и в растворе (out)

При доннановском равновесии фаза, содержащая недиффундирующий заряд (в данном случае КС), имеет более высокую концентрацию ионов, чем вне­шняя фаза (раствор), и будет обладать более высоким осмотическим давлени­ем (или более низким водным потенциалом ψ ) что важно для поступления воды в апопласт корня.

Модель двойного слоя — большое упрощение комплексной системы СП. В кор­невом волоске ион от поверхности корня до следующей клетки коры проходит через КС по системе пор диаметром 3 — 3,5 нм путь длиной в 100 000 нм. Сопро­тивление диффузии в этом пути для одновалентных катионов в 100—1000 раз, а для одновалентных анионов в 10 раз больше по сравнению с сопротивлением в слое раствора такой же толщины. Поскольку клеточная стенка заряжена от­рицательно, перемещение катионов в ней может быть уподоблено движению по хроматографической колонке за счет их ассоциации-диссоциации на об­менных местах. Но обычно КОС клеточных стенок корня полностью реализова­на, и большинство отрицательно заряженных мест занято Са²⁺. Тогда по анало­гии с колонкой поступление новых ионов с одной стороны стенки (из среды) должно приводить к их высвобождению с другой. Однако подобная модель также является упрощением, так как «удаление» ионов из клеточной стенки со стороны, граничащей с протопластом, определяется их транспортом через плазмалемму. Внешняя сторона этой мембраны — не только граница симпласта, но и зона отделения от апопласта. И плазмалемма вносит «метаболиче­скую» компоненту в пассивное, в целом, поступление ионов в КС и их пере­мещение в ней.

Итак, поступление ионов в СП корня и их перемещение в нем происхо­дит с конвекционным потоком вместе с водой, а также с помощью диффу­зии. При наличии фиксированного заряда ионы концентрируются преиму­щественно в растворе апопласта коры корня (или только КС эпидермиса при низкой концентрации в среде) по сравнению с раствором. Эти процессы происходят по тем же физико-химическим законам, как и в капиллярах почвы вблизи отрицательно заряженных глинистых минералов или органических ве­ществ. Однако апопласт — это внутренняя «физиологическая среда», подвер­гающаяся изменениям, связанным с обменом веществ, не только в период формирования клеточных стенок, но и в зрелых тканях (особенно при ме­ханических, химических, биологических воздействиях). Как модифицирует­ся этот компартмент в разных физиологических ситуациях и в какой мере по­ступление, перемещение и накопление ионов в апопласте корня определяют интенсивность и характер поглощения ионов интактным растением, пока неясно.