6.3.6. Движения устьиц: транспорт ионов и регуляция

Наиболее ярко роль К⁺ как регулятора осмотического потенциала и тургора проявляется в движениях замыкающих клеток устьица. У растений С₃-видов при условиях в пределах нормы процесс устьичных движений имеет циркадный ритм: днем устьица открыты, а ночью закрыты (или полузакрыты). Но в полдень, когда возникает дефицит воды в листе, устьица могут быть частично закрыты и днем. Устьичные движения связаны с ионными потоками К⁺, Сl и воды из апопласта в вакуоль при открывании, и в обратном направлении — из вакуоли в апопласт при закрывании (рис. 6.59).

Рис. 6.59. Потоки ионов, воды и сигналы, вызывающие открывание и закрывание за­мыкающих клеток устьица (ЗКУ):

АБК — абсцизовая кислота; ФГА — фосфоглицериновый альдегид; ФЕП — фосфоенолпируват; ЩУК — щавелевоуксусная кислота; ПМ — плазмалемма; [CO₂J — концентрация СО₂; ИУК —

индолилуксусная кислота

Все потоки из апопласта идут через плазмалемму, поскольку зрелые устьичные клетки не имеют плазмодесм. У некоторых видов растений в качестве котранспортируемого с К⁺-аниона, либо дополнительно к Сl , либо преимущественно, используется малат, син­тезируемый на свету и окисляемый при закрывании устьиц. При открывании устьичной щели поступающие в вакуоль ионы калия, концентрация которых достигает уровня 300 мМ, понижают водный потенциал, и из апопласта (час­тично из соседних клеток) в вакуоль по ∆ψ поступает вода. В понижении ψ участвуют также сахара. При закрывании устьиц потоки ионов и воды направлены из клетки в апопласт. При поверхностной оценке можно посчи­тать, что процесс открывания и закрывания утьиц различается только по направлению потоков. На самом деле и системы транспорта, и механизмы регу­ляции, и сигналы, запускающие эти два вида движений устьичных клеток, а также временные параметры совершенно разные. Общим у них является то, что как открывание, так и закрывание устьиц связаны с событиями, которые развиваются во времени и происходят на плазмалемме, в цитозоле, тонопласте и в вакуоли замыкающих клеток, затрагивая также апопласт и соседние клетки мезофилла.

6.3.6.1. Открывание устьиц

Существует иерархия стимулов, запускающих процессы устьичных движе­ний (открывание-закрывание). Она основана на значимости стимулов и степе­ни их воздействия. Главный стимул — ψ клеток листа, и при недостатке воды устьице закрывается или не открывается полностью. Расширение устьичной щели вызывают синий свет, низкая концентрация СО₂ в самой замыка­ющей клетке, индолилуксусная кислота (ИУК), действующая как внешний стимул, цитокинин (см. рис. 6.59). При естественном ходе событий утром синий свет приводит к открыванию устьиц. Устьичная щель увеличивается в ответ на единственный импульс синего света, который воспринимается зеаксантином (ЗеКс), входящим в состав пигментов светособирающего комплекса (рис. 6.60).

Рис. 6.60. Регуляция светом ионных каналов при открывании устьица: ССв — синий свет; * — сегмент тилакоида; ЗеКс — зеаксантин; ВиКс — виолаксантин; ПК — протеинкиназа (Ser/Tre-группы или фототропин); НАк — неактивная и Ак — активная формы Н⁺-АТФазы; ПФаза — пирофосфатаза; 14-3-3 — белок; — фосфатная группа; ПМ — плазма-лемма; ТП — тонопласт; ' — гиперполяризация ПМ; — активация; [К⁺] — концентрация К⁺; VDK -KaH — потенциалзависимый входной калиевый канал, идентифицированный у арабидопсис как КАТ1, а у картофеля — KST1; БВК⁺, МВ(Са²⁺, К⁺) и ВК⁺ — быстрые, медленные, вакуолярные калиевые каналы соответственно; А -кан — неспецифичный анионный вакуолярный канал

Виолаксантин (неактивная форма) и зеаксантин (активная форма) — основ­ные составляющие ксантинового цикла. Соотношение их концентраций зави­сит от рН в люмене тилакоида, величина которого модулируется работой ЭТЦ, потреблением АТФ и НАДФН, фиксацией СО₂. Начинающийся на свету про­цесс фотосинтеза, включающий световые и темновые реакции, имеет след­ствием снижение рН в тилакоиде и снижение концентрации СО₂ в строме. Низ­кий рН способствует сдвигу реакции в сторону образования рецептора синего света зеаксантина. Возможно, такая многоступенчатая связь и лежит в основе механизма открывания устьица под действием низкой концентрации СО₂.

Уровень ответа на синий свет зависит от концентрации ЗеКс и числа погло­щенных квантов синего света. Возбуждение ЗеКс является сигналом, который по неизвестному пока пути с участием вторичных мессенджеров передается в цитоплазму, где в результате активируется протеинкиназа «Сер-Тре»-типа. Активированная протеинкиназа фосфорилирует Н⁺-АТФазу плазмалеммы (см. рис. 6.14, I). К автоингибиторному участку С-конца неактивной Н⁺-АТФазы присоединяются фосфатная группа и 14-3-3 — белок. Н⁺-АТФаза становится активной и, выкачивая протоны, гиперполяризует плазмалемму. Поступление калия идет через селективный потенциалзависимый входной канал (VDK -кан), который активируется при гиперполяризации мембраны (см. рис. 6.60). Такой канал идентифицирован у арабидопсиса (КАП) и картофеля (KST1 — К Solarium tuberosum transporter). Оба канала высокоселективны, сходны по своей активности в замыкающих клетках и электрофизиологическим харак­теристикам и относятся к большому семейству

К⁺-каналов Shaker-типа (см. рис. 6.18).

Кроме механизма сопряжения работы Н⁺-АТФазы с активаций входного К⁺-канала через гиперполяризацию может действовать другой механизм регу­ляции, связанный с подкислением среды в апопласте за счет выкачивания Н⁺. В исследованиях на замыкающих клетках устьица (протопласты и снятый с листа эпидермис) показано, что снижение рН активирует входные

К⁺-каналы плазмалеммы. Подкисление цитозоля в ответ на действие ИУК также активи­рует поступление К⁺ в замыкающие клетки. Таким образом, сенсор входного К -канала (положительно заряженные гистидиновые остатки четвертого сег­мента белка канала — см. рис. 6.18) реагирует на изменение апопластного и цитозольного рН. Вход Сl может идти через хлорный канал (Сl -кан), но вероятнее осуществляется через механизм Н⁺/ Сl -симпорта (см. рис. 6.60).

Параллельно с поступлением в цитозоль ионы транспортируются в ваку­оль. На тонопласте имеются неспецифичный анионный канал, пропускающий Сl , малат и NO (см. рис. 6.15), и несколько катионных каналов, которые в большей или меньшей степени специфичны к иону К⁺. Они одновременно пропускают Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и др. ионы и могут работать в режиме как «in», так и «out». О регуляции транспорта ионов в вакуоль при открывании устьиц пока известно мало. Можно предполагать, что эти каналы осуществляют поступле­ние ионов из цитоплазмы в вакуоль в соответствии со своими электрофизио­логическими характеристиками, степенью специфичности и потенциалом на мембране и становятся объектом регуляции только при закрывании устьиц. Поступление воды, по крайней мере в вакуоль, происходит через аквапорины (см. гл. 5).