7.2.1.4. Взаимодействие сигналов

Несмотря на большое многообразие первичных сигналов, при ответе клет­ка часто активизирует одни и те же механизмы, которые можно назвать неспе­цифическим ответом. Так, при действии ауксинов, гиббереллинов, абсцизовой кислоты, красного света и даже при оказании механического давления на клетку уже через 1 мин можно зарегистрировать гидролиз фосфатидилинозитолди-фосфата со всей цепочкой последующих событий. Активизируются и другие системы вторичных мессенджеров. Один и тот же компонент может входить в несколько каскадов усиления сигнала. Так, многие системы вторичных мес­сенджеров включает Са²⁺. Часто происходит изменение редокс-статуса клетки и увеличивается концентрация активных форм кислорода.

Протеинкиназы и факторы транскрипции изменяют активность в ответ на несколько воздействий. Оказывается, что участники одного каскада вторичных мессенджеров вовлечены и в другие реакции ответа. Тогда говорят о «перегово­рах» путей передачи сигнала (от англ. signaling path cross-talk). При повреждении узловых точек в перекрестной регуляции нарушается физиологический ответ на несколько стимулов одновременно. Так, мутант nph 4 (non-phototropic hypocotyl) не чувствителен ни к свету, ни к силе тяжести. Очевидно, белковый продукт гена NPH 4 участвует в «переговорах» между каскадами мессенджеров фото- и гравитропизма (см. подразд. 7.2.2.4). Если бы на каждом этапе передачи сигнала происходило только усиление, ответ слишком быстро охватил бы все молеку­лы в клетке. Этого не происходит благодаря «переговорам»: если один сигнал «противоречит» другим, в результате «переговоров» число его мессенджеров уменьшается. Востребованный сигнал в результате «переговоров» усиливает­ся. Таким образом, одна из функций «переговоров» между сигнальными путя­ми — модуляция сигнала.

Специфический ответ клетки предполагает, что 1) разные клетки в одном организме отвечают на стимул не одинаково; 2) одна и та же клетка отвечает на разные стимулы по-разному. Это достигается за счет того, что в ядре экспрессируется разный набор мРНК, в клетке вырабатываются новые белки, что позволяет развить адекватную реакцию на стимул. Восприятие сигнала зависит от состояния, в котором находилась клетка перед его получением, — от набо­ра рецепторов, экспрессированных в данный момент, наличия вторичных мес­сенджеров, результатов «переговоров» между сигналами и т.д.

В организме растения существует позиционная информация, т. е. клетки «уме­ют оценивать» свое положение. Это позволяет им интегрироваться в единый организм и давать адекватный ответ на внешние и внутренние стимулы. Про­граммированная гибель клеток — это ответ растения как единого целого, иду­щий вопреки «интересам» отдельных клеток. Запрограммированная гибель ха­рактерна для элементов ксилемы, пробковой ткани, при реакции сверхчув­ствительности (ответ на внедрение патогена).

7.2.2. Ауксины — гормоны апекса побега

7.2.2.1. История открытия ауксинов

В 1880 г. Ч. и Ф.Дарвины решали проблему воспринимающего свет органа. Растения изгибаются к боковому источнику света, причем изгиб происходит в субапикальной зоне (ниже апекса побега). Исследователи защищали от света субапикальную область — зону изгиба — светонепроницаемой тканью (рис. 7.4) и наблюдали при этом, что растения все-таки изгибались. Когда незакрытую верхушку (стеблевой апекс) проростка накрыли черным колпачком, изгиб в сторону света не происходил, хотя зона изгиба была хорошо освещена. По-видимому, направление света воспринималось апексом стебля, откуда сигнал передавался в нижележащую зону изгиба. Ч. и Ф.Дарвины предположили, что апекс стебля вырабатывает вещество, транспортирующееся вниз и вызываю­щее неравномерный рост, и это гипотетическое вещество они назвали аукси­ном (от греч. аихо — расту).

Рис. 7.4. Опыт Ч. и Ф. Дарвинов:

А — отрицательный контроль (темнота): нет изгиба; Б — положительный контроль (свет справа): есть изгиб; В — опыт (свет справа, закрыта зона изгиба): есть изгиб; Г — опыт (свет справа,

закрыт апекс): нет изгиба

Гипотеза Ч. и Ф. Дарвинов — не единственное объяснение. Сигнал мог пере­даваться в виде электрических импульсов и приводить к тому же эффекту. Ауксиновая гипотеза нуждалась в экспериментальной проверке. Через 50 лет наш соотечественник Н. Г. Холодный и немец Ф. В. Вент независимо друг от друга провели эксперименты для изучения природы этого сигнала. Вещество, пере­дающее сигнал из апекса в зону изгиба, должно растворяться в воде. Значит, при помещении побеговых апексов в воду в раствор перейдут и гипотетиче­ские ауксины. Затем нужно создать несимметричное распределение «ауксина»: верхушку с собственными ауксинами удалить, а на срез несимметрично нане­сти водный экстракт апексов. По техническим причинам опыт видоизменили: апексы располагали на агаровом геле, а растение декапитировали и сбоку на­кладывали на срез кубик агара с экстрактом. В таких условиях растения изгиба­лись в сторону, противоположную наложенному агаровому блоку. Контролем служил агаровый блок, не пропитанный экстрактом побеговых апексов, — изгиба не было (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Опыт Ф. В. Вента:

А — начало опыта: ауксин из апексов колеоптилей диффундирует в агар (затемненные участки);

Б — продолжение опыта: наложенный сбоку кубик агара с ауксином вызывает изгиб; В —

контроль: агар без ауксина не вызывает изгиба

Н. Г. Холодный и Ф. В. Вент доказали, что ростовое вещество существует и вызывает растяжение клеток. Можно предположить, что при одностороннем освещении ауксин перетекает на затененную сторону и вызывает изгиб к свету. Не имея препарата выделенного ауксина, исследователи изучили его основ­ные свойства. Если зону изгиба вырезать и блок с экстрактом ауксина накла­дывать на базальную сторону, изгиба не будет. Отсюда следовало, что ауксин движется по растению полярно — от апекса побега к его основанию, а затем — к апексу корня. Была измерена скорость транспорта ауксинов: на участок заданной длины помещали сверху агар с ауксином, а снизу — агаровый блок без ауксина. Верхний агаровый блок служил донором ауксинов, а нижний — коллектором. Нижний блок через равные промежутки времени заменяли но­вым. Полученную серию нижних блоков анализировали на проростках на на­личие ауксинов. Таким способом удалось определить, что скорость транспорта ауксинов составляет от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в час.

Немецкий химик Ф. Кёгль в 1939 г. выделил из мочи вегетарианцев индолилуксусную кислоту (ИУК). Для определения ее малых количеств Кёгль испробо­вал ИУК в разных живых системах. Выяснилось, что ИУК усиливает рост про­ростков с отрезанной верхушкой подобно ауксину. При асимметричном нало­жении агарового блока с ИУК наблюдается характерный изгиб в субапикаль­ной зоне.

Вскоре ИУК была выделена из верхушек побегов, тем самым было показа­но, что ИУК является одним из естественных акусинов. Известен ряд веществ, обладающих ауксиновой активностью (фенилуксусная кислота, индолилпировиноградная кислота), но их активность ниже, чем ИУК, и они менее рас­пространены.

Кроме того, удалось синтезировать вещества, вызывающие такой же физи­ологический эффект, как и природные ауксины. Поскольку такие вещества не встречаются в растениях, их называют синтетическими аналогами ауксинов. К ним относятся 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-Д), α – нафтилуксусная кислота (НУК) и др. Синтетические аналоги эффективно связываются с рецепторами ауксина, но слабо взаимодействуют с системами транспорта и окислительной деградации.