6.3.6.2. Закрывание устьиц

Закрывание устьиц индуцируется понижением ψ , возрастанием концен­трации АБК, увеличением концентрации СО₂ в клетке и деполяризацией плазмалеммы (см. рис. 6.59). Механизм закрывания устьица разработан главным об­разом при изучении его ответа на АБК. Совокупность «участников» и последова­тельность событий, которые включены в процесс закрывания устьиц, являются сложным комплексом, состоящим из двух систем: той, которая обеспечивает собственно выход из клеток К⁺, Сl и Н₂О, и той, которая регулирует этот выход. При закрывании устьица основная роль в передаче сигнала и регуляции активности К - и

Cl -каналов принадлежит Са²⁺, однако протон также вклю­чен в регуляцию ионных, потоков как независимый вторичный мессенджер. Управ­ление через обе сигнальные системы, где мессенджерами служат Са²⁺ и Н⁺, ско­ординировано между собой и с регуляцией каналов посредством фосфорилирования-дефосфорилирования. События на плазмалемме, тонопласте и в цитоп­лазме могут следовать друг за другом (рис. 6.61, 1— 8) или совпадать по време­ни, но общая продолжительность закрывания устьица составляет около 30 мин.

Рис. 6.61. Модель закрывания устьица в ответ на абсцизовую кислоту (АБК). Предполагаемая последовательность событий: 1 — рецепция АБК на вне- и/или внутриклеточ­ном рецепторе; 2 — поступление Са²⁺ из апопласта и увеличение [Са²⁺]_цит; 3 — активация Са²⁺-каналов эндогенных мембран, дополнительное увеличение [Са²⁺] и кодирование сигнала; 4а — открывание Са²⁺-зависимого Сl -канала ПМ; 46 — ингибирование ПМН⁺-АТФазы; 4в — увели­чение рН цитозоля; 4г — активация вакуолярной Н⁺-АТФазы; 5 — инактивация VDK -канала ПМ; 6 — деполяризация ПМ и открывание К -канала; 7 — открывание вакуолярных ВК⁺- и БВК⁺-каналов; 8 — открывание Сl -канала ТП.

ПМ — плазмалемма; ТП — тонопласт; ЭР — эндоплазматический ретикулум; MB Са²⁺, К⁺ — медленный вакуолярный неспецифичный канал; ВК⁺, БВК⁺ — вакуолярный и быстрый вакуолярный калиевые каналы; ИФ₃ — инозитол-1,4,5-трифосфат; ® — рецептор АБК; (-----) — гиперполяризация; (+ + +) — деполяризация

АБК (вне- или внутриклеточная — не установлено) связывается с неидентифицированным рецептором плазмалеммы и/или внутренних мембран (I) и индуцирует увеличение концентрации Са²⁺ в цитозоле, открывая механочувствительный Са²⁺-канал, который активируется при гиперполяризации плазмалеммы ПМ (2). Связывание АБК приводит также к активации G-белков и образованию инозитол-1,4,5-трифосфата (ИФ₃), который активирует ИФ₃Са²⁺-каналы тонопласта и мембран эндоплазматического ретикулума (3). Но, веро­ятно, более значительная часть кальция вакуоли поступает через канал, регу­лируемый цАДФРиб, который также активируется АБК (3). Это вызывает до­полнительное увеличение концентрации Са²⁺ в цитозоле (возможно возраста­ние до 1 мкМ) и появление осцилляции (см. рис. 6.55, 4). Возможен выход Са²⁺ через медленный вакуолярный канал (МВСа²⁺, К⁺-канал), открывающийся при деполяризации тонопласта ТП и активируемый Са²⁺-КаМ (3) (см. подразд. 4.3.2). Этот неспецифичный канал пропускает также калий.

Высокая концентрация Са²⁺ в цитоплазме активирует открывание Са²⁺-зависимых медленных хлорных каналов плазмалеммы (Clout-канал) (4а), кото­рые регулируются через фосфорилирование-дефосфорилирование, и ингибирует Н⁺-АТФазы плазмалеммы (46). Параллельно, но независимо увеличивает­ся рН цитозоля (4в) (от величины покоя рН 7,3 до рН 7,5 — 7,7), чему способ­ствует активация вакуолярной Н⁺-АТФазы (4г). Еще одно следствие увеличе­ния [Са²⁺]_цит и возрастания рН цитозоля — инактивация входного калиевого канала плазмалеммы (VDK -кан) (5). Это не оказывает существенного влия­ния на закрывание устьица, но, видимо, ускоряет процесс. Подщелачивание цитоплазмы и активация Cl -канала плазмалеммы деполяризуют мембрану, результатом чего является активация К -канала ПМ (6), причем выход К⁺ поддерживается в течение продолжительного времени.

Основная часть К⁺ и Сl , которые «покидают» замыкающие клетки, — это ионы вакуолярного компартмента, которые транспортируются через цитоплазму к выходным каналам плазмалеммы. Очевидно, основной поток К⁺, индуциру­емый АБК, осуществляется через Са²⁺-активируемый потенциалзависимый вакуолярный К⁺-канал тонопласта ВК⁺ (7). Быстрый К⁺-канал БВК⁺ вносит меньший вклад в выход калия из вакуоли (7). Выход хлора через анионный канал тонопласта (Cl -кан) (8) регулируется Са²⁺-зависимой протеинкиназой. Высвобождение К⁺ и Сl из вакуоли, а затем выход из замыкающей клетки изменяет ∆ψ в системе протопласт—апопласт и приводит к потере воды, падению тургорного давления в замыкающих клетках и закрыванию устьица.

Другие стимулы, такие, как СО₂ и окислительный стресс, также быстро индуцируют увеличение концентрации Са²⁺ в цитозоле замыкающих клеток и, видимо, механизм, обеспечивающий закрывание отдельного устьица, будет похожим.

До недавнего времени считали, что все устьица одного листа ведут себя одинаково в одних условиях: все открываются утром или закрываются при водном дефиците. Но оказалось, что в интактном листе устьица часто демонст­рируют поразительную пространственную и временную гетерогенность состо­яния открытости—закрытости. Это явление, названное «пятнистостью устьичной проводимости», заключается в том, что небольшие «пятна» (участки по­верхности листа) устьиц реагируют на стимул не так, как устьица на соседнем участке. Во времени те устьица, которые были закрыты, открываются и наобо­рот, но предсказать их поведение невозможно. Такое кооперативное поведение пока не нашло удовлетворительного объяснения. Возможно, в его основе ле­жит механизм гидролитических взаимодействий, связанный с распределением в эпидермальных клетках воды, поступающей в лист по сосудам.