6.2.3.2. Движущие силы радиального транспорта ионов и загрузка ксилемы

Конечный пункт радиальной симпластной транслокации — сосуды ксиле­мы, составляющие важную часть апопласта стели. В ксилему ионы поступают из клеток ксилемной паренхимы, и существует специальный термин — «за­грузка ксилемы». Движущая сила транскорневого транспорта ионов — гради­ент их электрохимического потенциала (ДД) между границами симпласта: на входе в него (плазмалемма клеток ризодермы) и при выходе (плазмалемма клеток ксилемной паренхимы) (рис. 6.24).

В соответствии с принципами термондинамики для активного передвиже­ния ионов через корень в ксилему достаточно, чтобы активный мембранный транспорт имел место только в одном из пунктов — либо на входе, либо на выходе из симпласта.

Измерения электрических потенциалов и концентраций ионов в клетках тканей корня (кукурузы, подсолнечника (Heliantus) и др. растений) демонст­рируют, что из среды в симпласт анионы и калий поступают активно против электрохимического градиента, что обеспечивается работой протонной пом­пы на плазмалемме клеток ризодермы (рис. 6.24, Б). Ионы Са²⁺ и Mg²⁺ посту­пают в симпласт пассивно. Эти результаты соответствуют оценке, сделанной с использованием уравнения Нернста (см. табл. 6.1). В то же время выход из сим­пласта для всех исследованных ионов происходит пассивно (рис. 6.24, Б). Ре­зультаты этих экспериментов, ставших классическими, легли в основу кон­цепции пассивного радиального перемещения и пассивного выхода в ксилему катионов и анионов.

Гипотеза об активном выходе ионов из клеток стелярной паренхимы в со­суды ксилемы по типу секреции (A. Lauchli et al., 1971, 1978) была обоснована результатами оценки мест накопления поглощаемых ионов в клетках разных тканей корня. Концентрация ионов в клетках ксилемной паренхимы оказалась выше, чем в коровых клетках корня. Косвенным свидетельством работы насоса в плазмалемме стелярных клеток служат данные по их ультраструктуре. Клет­ки, окружающие ксилему, имеют относительно большой объем цитоплазмы, многочисленные митохондрии и везикулы, разветвленную сеть эндоплазматического ретикулума, что указывает на высокую метаболическую активность и способность обеспечить выкачивание протонов. Работа помпы на выходе из клеток стелярной паренхимы подтверждается и тем, что рН пасоки, имеющей кислую реакцию, активно регулируется. Через сегмент корня лука (АШит сера) прокачивали растворы фосфатного буфера рН 8,0 разной концентрации. Про­пущенный через ксилему раствор собирали и измеряли его рН. Оказалось, что

Рис. 6.24. Перемещение ионов по симпласту (А) и механизм загрузки ксилемы (Б):

А — Кат⁺ — катионы; Ан — анионы; Пд — плазмодесма; ПМ — плазмалемма клеток коры и стели. Каналы ксилемной паренхимы корня ячменя: K — селективный выходной калиевый канал; Кат — неселективиый выходной катионный канал; К — селективный входной калие­вый канал; БАн — быстроактивируемый выходной анионный канал; МАн — медленноактивируемый выходной анионный канал; Ан — входной анионный канал (по Wegner, Raschke, 1994; Kohler, Raschke, 2000); В — профиль электрохимических потенциалов некоторых ионов вдоль радиуса корня подсолнечника (по Dunlop, Bowling, 1971; Bowling, 1973)

в протекающий по ксилеме буфер выделяются протоны, подкисляющие его до рН 6,5 — 7,5. При этом чем больше концентрация буфера, тем больше скорость выделения протонов, что свидетельствует об их активном выкачивании из клеток паренхимы с участием «стелярной помпы».

Убедительным доказательством существования двух насосов и, как теперь выясняется, систем транспорта с различающимися характеристиками на внеш­ней и внутренней границах симпласта стали данные о дифференцированном действии фитогормонов и ингибиторов на поступление и транслокацию ионов. Гормоны абсцизовая кислота и цитокинин (бензиладенин) не оказывали или оказывали очень малое воздействие на поступление ионов в корень, но ингибировали транслокацию. Циклогексимид (ингибитор синтеза белка) также не влиял на поглощение, но на

90 % ингибировал транслокацию. Такое же изби­рательное действие оказывал аналог фенилаланина — парафторадениналанин: поступление ионов в корень не угнеталось, но на 50 — 90 % снижался их транс­порт в ксилему. Ингибитор синтеза РНК (6-метилпурин) также действует на транслокацию избирательно.

Итак, оценка транскорневых химических потенциалов свидетельствует, что загрузка ксилемы ионами происходит пассивно (рис. 6.24, Б), но при этом на выходе из симпласта работает

Н⁺-помпа. Кроме того, системы, транспортиру­ющие ионы из симпласта в ксилему, находятся под строгим метаболическим контролем и более чувствительны к разного рода воздействиям.

Важным является вопрос о том, какие транспортеры обеспечивают загруз­ку ксилемы. Результаты исследования на корнях ячменя (Hordeus vulgaris) сви­детельствуют, что выход ионов в ксилему происходит пассивно через ионные каналы. В плазмалемме клеток стелярной паренхимы методом пэтч-кламп вы­явлено три типа катионных и три типа анионных каналов (рис. 6.24, А), кото­рые различаются по селективности, проводимости и характеру потенциал-за­висимости. Выходной селективный К -канал стелярной паренхимы KORC (К⁺ outward rectifying conductance) — основной путь поступления К⁺ из сим­пласта в ксилему. KORC проницаем для Na⁺ почти так же, как для К⁺, но мало проницаем для других моновалентных катионов (Cs⁺, Li⁺) и может функцио­нировать как фильтр, ограничивающий поступление токсичных металлов в надземные органы. Селективный выходной К⁺-канал shaker-типа (см. рис. 6.18) SKOR (stelar K⁺ outward.rectifier) был идентифицирован на молекулярном уров­не в клетках корня Arabidopsis thaliana. Установлено, что функциональные ха­рактеристики SKOR и KORC-каналов очень сходны.

Роль неселективного выходного катионного канала Кат (рис. 6.24, А) (NORC — nonselective outward rectifying cation conductance), видимо, сводится к регуляции мембранного потенциала (предотвращает сдвиг в положительную область). Участие NORC в загрузке ксилемы катионами, очевидно, незначи­тельно.

Селективный входной К -канал KIRC (K⁺ selective inward-rectifying conduc­tance) обеспечивает поступление К⁺ из ксилемы снова в окружающие ее клет­ки. Канал К малопроницаем для Na⁺, но проявляет значительную проницае­мость для Cs⁺. Гиперполяризация мембраны вследствие выкачивания протонов Н⁺ -АТФазой клеток стелярной паренхимы активирует К канал и увеличива­ет пассивное поступление К⁺ из ксилемы в клетки паренхимы в местах, распо­ложенных выше места загрузки, обеспечивая циркуляцию К⁺ и его распределение по органам (см. далее рис. 6.29). Возможно, подобным образом могут ресорбироваться и токсичные ионы (во всяком случае, Cs⁺), что предотвраща­ет их поступление в побеги.

Загрузка ионами солей ксилемы — процесс электронейтральный, поэтому проницаемость плазмалеммы для анионов должна быть сопоставимой с про­ницаемостью для катионов. Анионные каналы, обнаруженные в клетках стелярной паренхимы корней ячменя, различаются по своим свойствам и обеспе­чивают как выход анионов из симпласта, так и их поступление из ксилемы обратно (рис. 6.24, А). Быстрый анионный выходной канал БАн или XQUAC (xylem quickly activating anion conductance), имеет характеристики, типичные для анионных каналов плазмалеммы клеток разных тканей у разных видов ра­стений. Канал проницаем для Сl и NO , активируется при гиперполяризации плазмалеммы и низкой концентрации Са²⁺ в цитозоле. Медленный анионный канал (рис. 6.24, А) МАн , или XSLAC (xylem slowly activating anion conduc­tance), проявляет меньшую проницаемость, и, видимо, число таких каналов в мембране меньше, чем XQUAC.

Входной анионный канал Ан , или XIRAC (xylem inwardly rectifying anion chanal), также относится к медленным анионным каналам (время открытости ~ 1 с). Он активируется при гиперполяризации и, возможно, работает в сопря­жении с Н⁺-помпой, обеспечивающей регуляцию рН в ксилемном соке. Таким образом, электронейтральный выход К⁺, NO и Сl происходит пассивно, и основные потоки идут через каналы K (KORC) и БАн (XQUAC) (рис. 6.24).

Итак, радиальная транслокация ионов связана с функционированием двух Н⁺-помп и двух различающихся совокупностей переносчиков и каналов, обес­печивающих транспорт ионов через плазмалемму из среды в симпласт и из симпласта в ксилему. Ансамбли транспортных белков контролируются разны­ми механизмами. Ограниченность данных, о системах транспорта и регуляции транспортных процессов на уровне органа пока не позволяет разработать обос­нованную в деталях модель, включающую «поглощение — радиальный транс­порт — загрузка ксилемы». Сведения о том, что отдельные ионы могут транс­портироваться разными путями (см. рис. 6.21, 22, 23), усложняют задачу разра­ботки единой схемы поглощения и транспорта веществ через корень.