7.2.8. Другие гормональные вещества растений

7.2.8.1. Брассиностероиды

Еще в 1930 — 1940 гг. была высказана догадка о том, что у растений есть стероидные регуляторы роста (по аналогии с животными). В многочисленных биотестах растения подвергали обработке тестостероном или эстрогеном, ко­торые оказывали физиологическое действие. Так, эстрогены вызывали деле­ние клеток в зародышах гороха, а тестостерон изменял пол у шпината (с женского на мужской) и стимулировал дифференцировку архегониев на за­ростках хвоща. Однако животные гормоны приходилось использовать в слиш­ком высоких концентрациях (до 0,1 %), и вряд ли их действие было специ­фичным.

Рис. 7.22. Биосинтез брассиностероидов:

1 — ранние этапы биосинтеза, общие с другими терпеноидами; 2 — образование стероидов; 3 — путь раннего 6С-окисления; 4 — путь позднего 6С-окисления, оба пути протекают параллельно с участием одних и тех же ферментов; звездочкой отмечено 6С-положение в молекуле; 5 — схождение путей раннего и позднего 6С-окисления на кастастероне; 6 — образование брассинолида — активной формы брассиностероидов; 7 — гликозилирование делает брассиностероиды более гирофильными и снижает их физиологическую активность

Попытки выделить фитогромоны стероидной природы не прекращались. В 1979 г. М.Д.Гроув с соавт. обнаружили, что масляный экстракт из пыльцы рапса стимулировал рост проростков в длину. Из 10 кг пыльцы удалось выде­лить всего 4 мг действующего вещества! Это оказалось стероидное соединение. Вещество было названо брассинолидом (от лат. Brassica napus — рапс), а все похожие на него вещества с физиологической активностью называют брассиностероидами. Вскоре из настоящего каштана (Castanea sativa) был выделен кастастерон, из рогоза (Typha) — тифастерол, из чая (Thea) — теастерон, из катарантуса (Catharanthus) — катастерон и т.д. В настоящее время известно более 60 брассиностероидов.

Биосинтез брассиностероидов включает общие для других терпеновых со­единений стадии: изопентенилпирофосфат, геранилпирофосфат, фарнезилпирофосфат, сквален. Первым специфическим продуктом, из которого синте­зируются остальные брассиностероиды, является 24-метиленхолестерол, пре­вращающийся в кампестерин и кампестанол (рис. 7.22). От кампестанола рас­ходятся две параллельные ветви биосинтеза, часто одновременно сосуществую­щие в растениях: с ранним и с поздним окислением в С-6-положении. В итоге обе ветви биосинтеза заканчиваются брассинолидом — физиологически ак­тивным брассиностероидом.

Ферменты биосинтеза брассиностероидов были выделены и охарактеризо­ваны благодаря мутациям, приводящим к карликовости, которая восстанав­ливается брассинолидом. Так, у арабидопсис мутации dwf 1 (от dwarf — кар­лик) и dwf 6 нарушают ранние этапы биосинтеза (до разделения на «раннее» и «позднее» окисление) и наиболее сильно проявляются фенотипически — му­танты достигают не более 1/30 высоты растений дикого типа. Мутация dwf 4 затрагивает более поздние этапы (после развилки в метаболизме), поэтому проявление карликовости мягче.

Брассиностероиды — гидрофобные молекулы, но зарегистрировано обра­зование гидрофильных гликозидов, сульфатов и ацилпроизводных брассинос­тероидов. Только гидрофильные формы могут быть транспортными. Хотя фер­менты биосинтеза брассиностероидов обнаружены почти во всех тканях расте­ния, концентрация этих гормонов более высока в молодых тканях: этиолиро­ванных проростках, меристемах, флоральных примордиях, развивающейся пыльце. По-видимому, неравномерное распределение брассиностероидов вы­звано процессами дальнего и ближнего транспорта.

Реакции на брассиностероиды отсутствуют у мутанта bri I (brassinosteroid insensitive). Анализ аминокислотной последовательности белка BRI 1 показал ее гомологию с трансмембранными рецепторными киназами (у белка BRI 1 есть лигандный, трансмембранный и протеинкиназный домены). Однако до сих пор не показано, что брассиностероиды непосредственно связываются с BRI 1, т.е. проблема рецептора брассиностероидов не решена окончательно.

Брассиностероиды (как и ауксины) действуют на проростки, усиливая рас­тяжение. Однако если для ауксинов характерно быстрое растяжение с актива­цией Н⁺-помпы через 10 мин и максимумом растяжения через 30 — 45 мин, то для брассиностероидов типична более замедленная реакция, которая начина­ется через 30 мин после воздействия и продолжается 1,5 —2 ч. Если добавлять брассиностероиды вместе с ауксинами, то они вызывают гораздо больший эффект, чем при разделенном применении.

На молекулярном уровне эффект растяжения по-видимому обусловлен ак­тивацией генов ксилоглюканэндотрансгликозилаз (КсЭТ) — это ген ТСН 4 ара-бидопсис, ген BRU 1 сои и др. Активация таких генов обнаружена в разных растительных объектах. Белки КсЭТ после биосинтеза направляются в апопласт и при взаимодействии с ксилоглюканами размягчают матрикс клеточ­ной стенки. Таким образом, ауксины запускают процесс растяжения, а брас­синостероиды важны для его длительного поддержания. Брассиностероиды вза­имодействуют и с гиббереллинами, усиливая растяжение клеток.

При недостаточном синтезе брассиностероидов наблюдается частичная и полная мужская стерильность. У мутантов по генам биосинтеза брассиностеро­идов тычиночные нити не достигают длины, достаточной для самоопыления. Даже если пыльцевые зерна попадают на рыльца, рост пыльцевой трубки су­щественно замедлен. Проростки мутантов в темноте не удерживают апикаль­ную петельку в согнутом состоянии, семядоли преждевременно раскрываются и начинается биосинтез хлорофилла. Все эти реакции не характерны для расте­ний, выращенных без света. Поэтому обсуждают участие брассиностероидов при передаче световых сигналов и «перекрестный разговор» путей фоторецепции и брассиностероидов (см. подразд. 7.3.2.3).

Брассиностероиды регулируют процессы клеточной дифференцировки. У му­тантов bri 1 нарушено формирование столбчатого мезофилла и уменьшено ко­личество проводящих элементов ксилемы. Как и в случае растяжения, акусины запускают процесс дифференцировки, а брассиностероиды поддерживают его. В дифференцировке ксилемных элементов можно выделить три стадии: 1) пер­вичная экспрессия генов, приводящая к накоплению фенилаланинаммикали-азы (ФАЛ) и гидроскилазы коричной кислоты (ГКК); 2) остановка экспрессии этих генов и переориентация актиновых филаментов; 3) вторичный запуск синтеза ФАЛ и ГКК с сильной лигнификацией и программированной гибе­лью клеток. Переход от стадии 2 к стадии 3 контролируют брассиностероиды.

Действие брассиностероидов и ауксинов на корневую систему противопо­ложно: ауксины стимулируют ризогенез, а брассиностероиды ингибируют об­разование корней.

В больших дозах брассиностероиды сдерживают рост и повышают устойчи­вость к неблагоприятным внешним факторам: перегреву, заморозкам, засухе, инфекции. Препарат «Эпин» (сельскохозяйственный эпибрассинолид) помо­гает вырастить более крепкие и здоровые растения.