6.3.2.4. Интеграция азотного метаболизма на уровне целого растения

С и N — два главных конструктивных элемента, обеспечивающих рост и развитие растений. Фиксация СО₂ за счет световой энергии происходит ис­ключительно в хлоропластах. Усвоение минерального азота — процесс «делокализованный». Весь поглощаемый аммоний и часть нитрата превращается в азот органических соединений в корнях, но энергией и органическими суб­стратами ассимиляцию N обеспечивает фотосинтез в виде притока Сахаров по флоэме. Азотный обмен на основе продуктов фотосинтеза составляет наиболее развитую сторону метаболизма корней: здесь синтезируются аминокислоты и амиды, уреиды, никотин, нуклеиновые кислоты, цитокинины и другие азот­содержащие органические соединения.

Нитрат ассимилируется как в корнях, так и в листьях. При усвоении в лис­тьях только первая реакция восстановления нитрата до нитрита локализована в цитозоле. Азот нитрита включается в состав аминокислот и амидов в строме хлоропластов и обеспечивается энергией за счет световых реакций фотосинте­за. Общая субклеточная компартментация азотного и углеродного метаболизма на уровне хлоропласта ставит в первую очередь вопрос о распределении энер­горесурсов между обменом С и N в хлоропласте.

После ассимиляции СО₂ восстановление и включение азота нитрита в со­став аминокислот — наиболее значимый энергопотребляемый процесс в хло­ропласте. Редукция 1 моль СО₂ до уровня восстановленности Сахаров требует приблизительно 4е или 8 квантов света (2 моль НАДФН и 3 моль АТФ) (рис. 6.47).

Рис. 6.47. Распределение восстановительных и энергетических эквивалентов фотосин­теза на ассимиляцию одного моля углекислоты и нитрата. Пояснения в тексте

Для превращения NO в NH с использованием восстановленного Фд в хлоропласте требуется 6е (12 квантов) и еще 2е (4 кванта) требуется для превращения Глу—NH₂ в Глу. Дополнительно к этому 1 моль АТФ нужен для синтеза Глу—NH₂. Если принять во внимание, что нитрат в цитозоле может быть восстановлен также за счет энергии фотосинтеза в виде челночного вы­носа и превращения триоз в цитозоле, общий расход будет больше на 2е , или 4 кванта. Таким образом, на усвоение нитрата в фотосинтезирующей клетке расходуется по меньшей мере 20 квантов. Кроме того, необходимо учесть за­траты энергии на реассимиляцию в хлоропласте аммония фотодыхания, при­ток которого на порядок превышает приток нитрита.

Хотя энергозатраты на ассимиляцию 1 моль нитрата в 2,5 больше, чем на ассимиляцию 1 моль СО₂, величина ассимиляции СО₂ в 5 — 20 раз выше, чем величина светозависимой ассимиляции нитрата, и можно думать, что актив­ность электронного транспорта в хлоропласте используется предпочтительно на ассимиляцию углерода. Однако в стационарных условиях пул Фд (2 мМ), как правило, восстановлен даже в темноте, и его достаточно, чтобы обеспе­чить электронами все взаимодействующие с ним ферментные системы (Фд-НАДФ-оксидоредуктазы, НиР, ГОГАТ, сульфитредуктазу и тиоредоксинредуктазу). Более того, нитрит, будучи акцептором электронов, участвует в под­держании редокс-статуса компонентов ЭТЦ, стимулируя нециклический элек­тронный транспорт. Кроме того, нитрит конкурирует за электроны с кислоро­дом и, вероятно, препятствует появлению токсических активных форм кисло­рода. Возможно также, что увеличение чувствительности к фотоингибированию у хлоропластов растений, испытывающих азотное голодание, обусловле­но отсутствием значительного стока электронов на восстановление NO .

Таким образом, процессы фотоассимиляции СО₂ и NO не конкурируют за восстановительные эквиваленты в хлоропластах. Отсутствие конкуренции между двумя этими базовыми процессами находится в полном соответствии с тем, что обычно наблюдается в естественной среде: снабжение азотом усиливает рост и, следовательно, общую фиксацию СО₂.

Взаимодействие и регуляция процессов ассимиляции углекислоты и азота в хлоропласте существует также на уровне притока субстратов (СО₂, NO , α-кетоглутаровая кислота) и удаления продуктов ассимиляции (глутаминовая кислота, ФГА). Одним из главных факторов регуляции образования нитрита в цитозоле выступает доступность восстановителя в виде НАДН (см. выше). Если источником восстановителя служат фотосинтетические реакции, то восстано­вительная сила поступает в цитозоль из хлоропласта за счет выноса ФГА или дигидроксиацетонфосфата и их окисления до ФГК с образованием НАДН и АТФ. У С₄-видов растений особое значение имеет челночный транспорт оксалат (ЩУК) — малат.

Транспорт нитрита из цитозоля в хлоропласт регулируется через светозависимые изменения рН, концентрации Mg²⁺ и образование АТФ в ФС1, а также через редукцию NO ; вероятно, это и есть то самое место, где контро­лируется процесс усвоения окисленного азота в хлоропласте.

Данных о сколь-либо существенном синтезе α -кетоглутаровой кислоты в хлоропласте нет. Транспорт α-кетоглутарата в хлоропласт происходит одно­временно с экспортом глутамата и с участием двух транслокаторов. Перенос α-кетоглутарата активируется в присутствии NH , NО и дикарбоновых кис­лот (малата, сукцината, фумарата). Большая часть метки ¹⁴С-α-кетоглутарата включается в глутаминовую кислоту, экспортируемую из хлоропласта. При этом только незначительное количество глутамина выходит из хлоропласта.

Таким образом, взаимодействие фотосинтеза и азотного обмена в хлоро­пласте может опосредованно регулироваться доступностью образующихся вне хлоропласта нитрита и

α-кетоглутарата, возникновение которых в цитозоле связано с реакциями дыхания.

Нитрат — регуляторная молекула. Нитрат проявляет свойства сигнальной молекулы для многих ферментов и процессов. Сигнальная функция нитрата проявляется в быстром (в течение 0,5 — 1 ч) увеличения уровня мРНК инду­цируемых генов при низких концентрациях нитрата порядка 10 — 250 мкМ даже в присутствии ингибиторов белка. Так у Arabidopsis идентифицировано более 40 генов, индуцируемых нитратом. В табл. 6.5 приведен далеко не полный перечень генов, индуцируемых нитратом.

Таблица 6.5. Некоторые гены, регулируемые нитратом (механизм передачи сигнала неизвестен)

Таким образом, на физиологическом уровне ион NO выступает индукто­ром путей ассимиляторного усвоения нитрата и перепрограммирует метабо­лизм С на создание восстановительного потенциала и углеродных субстратов для путей ассимиляции.

Нитрат также влияет на формирование и рост боковых корней. Локальные аппликации нитрата к корню при его дефиците индуцируют локальную про­лиферацию боковых корней. Данный эффект сохраняется у мутантных по HP растений, т.е. не связан с метаболизацией NO . С другой стороны, постоянно высокие концентрации NO в среде приводят к уменьшению частоты боковых корней. Наиболее вероятно, что это обусловлено неидентифицированным фак­тором, поступающим из надземных органов, где нитрат преимущественно на­капливается (рис. 6.48).

Рис. 6.48. Схема регуляции нитратом формирования боковых корней

Таким образом, NО -сигнал экзогенной или эндоген­ной природы «модулирует» рост и морфологию корня.

О путях восприятия и передачи NO -сигнала известно мало. Действие сиг­нальной молекулы обычно начинается со взаимодействия с рецептором. Такой белок-рецептор для нитрата не выявлен. Предполагается, что в передачу сигнала включены ионы Са²⁺, фосфатазы и киназы. Был идентифицирован также ген ANR1, гомологичный фактору транскрипции MADS-box. Этот ген быстро и специфично индуцируется ионом NO в корнях растений, голодавших по азоту. Если экспрессия этого гена заблокирована, то образование латеральных корней под действием нитрата не происходит.