2. Физиология устьичных движений

Степень раскрытия устьиц зависит от

• интенсивности света,

• оводненности тканей листа,

• концентрации СО₂ в межклетниках,

• температуры воздуха и других факторов.

В зависимости от фак­тора, запускающего двигательный механизм (свет или начинаю­щийся водный дефицит в тканях листа), различают фото- и гидроактивное движение устьиц. Существует также гидропассивное движение, вызванное изменением оводненности клеток эпидер­миса и не затрагивающее метаболизм замыкающих клеток. Например, глубокий водный дефицит может вызвать подвядание листа, эпидермальные клетки при этом, уменьшаясь в размерах, растягивают замыкающие клетки, и устьица открываются. Или, наоборот, сразу после дождя эпидермальные клетки настолько разбухают от воды, что сдавливают замыкающие клетки, и устьи­ца закрываются. Целесообразная реакция растений на изменение условий достигается активными механизмами регулирования ширины устьичных щелей.

Замыкающие клетки имеют сложную вакуолярную систему, крупное ядро и большое количество высокоструктурированных митохондрий. Хлоропласты обычно содержат зерна крахмала и характеризуются слабым развитием гран. Особенностью замыка­ющих клеток является наличие крупных перфораций в основании общих стенок. Это обеспечивает связь протопластов се­стринских замыкающих клеток и их функционирование как еди­ного целого.

Хотя у представителей разных видов растений замыкающие клетки отличаются характерными чертами строения, все они имеют сходство в том, что стенки, удаленные от устьичной щели, тоньше и поэтому более эластичные. Считается, что эта особенность имеет прямое отношение к способности замыкаю­щих клеток изменять форму в ответ на изменение тургора и контролировать таким образом величину устьичного отверстия.

Существенный вклад в физический механизм устьичного открывания вносит также радиальное расположение микрофибрилл целлюлозы в стенках замыкающих клеток. Возможная роль ради­альной мицелляции в движении замыкающих клеток установлена с помощью электронной микроскопии и специально сконструи­рованных моделей. Модели состоят из эластичных латексных цилиндров, соединенных в пары своими концами и укрепленных для жесткости витками тесьмы, расположенными радиально. При увеличении давления радиальные витки смещаются к кон­цам цилиндров, некоторые из них ориентируются вдоль цент­ральной стенки. Это обеспечивает изменение формы замыкаю­щих клеток и открывание щели.

Что лежит в основе изменения тургора замыкающих клеток? Долгое время для объяснения этого явления использовали «са­харную гипотезу», согласно которой осмотическое перераспреде­ление воды связано с обратимыми превращениями в системе крахмал  сахар. Эти превращения катализируются ферментом фосфорилазой, направленность действия которой зависит от pH. На свету происходит поглощение СО₂, повышение рН, реакция идет в сторону накопления осмотически активных сахаров, что вызывает поступление воды в замыкающие клетки и открывание устьиц. Малая интенсивность света обусловливает снижение фо­тосинтеза и накопление СО₂ в межклетниках, что приводит к снижению рН, синтезу крахмала, выходу воды из замыкающих клеток и закрыванию устьиц. Однако изучение метаболизма замыкающих клеток и устьичных движений с помощью современ­ных биохимических и биофизических методов выявило более сложную природу этого явления.

В настоящее время общепризнанной стала гипотеза, связы­ваюшая устьичные движения с перераспределением ионов калия между замыкающими и сопутствующими клетками, вслед за которыми перемещается вода. Известно также, что этот ме­ханизм используют толстянковые для ночного открывания устьиц. На рисунке представлены данные, иллюстрирующие участие калия в устьячных движениях. Для клеток устьичного комплекса характерны более высокие значения активности К+, чем для окружающе­го эпидермиса. Закрытое и открытое состояния устьиц связаны с различ­ной активностью К_ в замыкающих и сопутствующих клетках. Объемы этих клеток также изменяются: объем замыкающих клеток при от­крывании устьиц увеличивается примерно в 2,5 раза, размеры сопутству­ющих уменьшаются. Поэтому абсо­лютное содержание калия должно изменяться еще более значительно, чем активность.

Согласно современным представ­лениям открывание устьиц индуцируется усилением выхода Н+ из за­мыкающих клеток. Этот процесс обеспечивается деятельностью про­тонной помпы плазмалеммы замыкающих клеток в ответ на те или иные изменения внутренних и внешних условий. Например, освещение растений, находящихся до этого в темноте, включает протонную помпу, откачивающую Н+ из замыкающих клеток. Это активный процесс, сопровожда­ющийся затратой метаболической энергии. Особенности ультра­структуры митохондрий и хлоропластов замыкающих клеток сви­детельствуют о том, что поставщиком АТФ является дыхание. Выход Н+ сопровождается поступлением ионов К+ в вакуоли замыкающих клеток, которое идет по электрическому градиенту путем облегченной диффузии с переносчиком. Транспорт К+ в вакуоль уравновешивается входом в нее двух типов анионов: иона С1", компенсирующий эффект которого у разных видов растений составляет 5-100 % (например, у кукурузы 40 %), и анионов малата. Хлор транспортируется в замыкающие клетки путем электронейтрального симпорта. Малат же образуется в самих замыкающих клетках. Уменьшение кислотности цитоплазмы до 7,2 и более в результате выхода Н+ приводит к следующей цепи биохимических превращений:

Яблочная кислота обеспечивает замыкающие клетки протонами Н+ для обмена на К+ и анионами малата для баланса заряда в вакуоли. Показано, что наибольшей чувствительностью к рН в этой цепи реакций обладает фермент ФЕП-карбоксилаза.

Увеличение в вакуолях замыкающих клеток содержания осмотически активных веществ (К+, С1", малата) приводит к усиле­нию поступления воды в вакуоли, повышению тургора и откры­ванию устьиц. Последовательность событий при закрываняи устьиц носит об­ратным характер. Отключение протонной помпы приводит к вы­ходу К+ и Cl^- из замыкающих клеток в сопутствующие и ресинтезу крахмала в результате глюконеогенеза. Осмотический потен­циал замыкающих клеток при движении устьиц у разных видов растений изменяется неодинаково. Открытому состоянию устьиц соответствует осмотический потенциал в среднем -4,0 МПа, при закрывании устьиц он возрастает на 0,3-1,8 МПа. Другим фактором, регулирующим устьичные движения, является оводненность листьев. Причем закрывание устьиц происходит уже на ранних стадиях водного дефицита. В этом процессе принимает участие фитогормон - абсцизовая кислота (АБК), одной из функций которой является защита растения от иссушения. Продемонстрировано это было на завядающем мутанте томата, полученном случайно в опытах с рентгеновским облучением семян. Мутант отличается тем, что быстро завядает при самом небольшом недостатке воды, потому что устьица у него всегда открыты. Обнаружилось, что у этого мутанта по сравнению с родительским сортом в 10 раз понижено содержа­ние АБК. При его обработке абсцизовой кислотой быстрее за­крывались устьица и восстанавливался тургор. Позже выяснилось, что обработка АБК может вызвать закрывание устьиц и у других растении. Показано, что в плазмалемме замыкающих кле­ток находятся специфические белки связывания (сайты) абсцц­зовой кислоты. Их взаимодействие приводит к структурным из­менениям мембраны и ингибированию деятельности протонное помпы. Для усиления синтеза АБК достаточно снижения водного потенциала на 200 кПа, что еще не выражается в видимом завядании, но приводит к закрыванию устьиц. При нанесения АБК на основание листа устьица закрываются в течение 3-9 мин, после ее удаления открывание происходит через 15 мин. В регуляции закрывания устьиц может участвовать диоксид углерода. Избыток СО₂ вызывает закрывание устьиц, по-видимо­му, из-за подкисления цитоплазмы, в результате которого умень­шается количество малата и накапливается крахмал. Эта реакция проходит очень быстро. Например, устьица кукурузы при избыт­ке СО₂ в межклетниках закрываются за 3 с. Решающее влияние концентрации СО₂ на степень открытости устьиц обнаруживается у суккулентов, обладающих специфичес­ким суточным ритмом обмена органических кислот. Эти растения открывают устьица ночью, когда парциальное давление СО_ в межклетниках листьев снижается вследствие интенсивного образования малата, а закрывают устьица, когда при декарбоксилировании малата днем высвобождается СО_, который накапливается в межклетниках перед дальнейшим использованием.

В регуляции функционирования устьиц (См. рисунок! ) взаимодействуют прямые и обратные связи. Одна из них (2) предотвращаег недостаток СО₂, который может быть вызван фотосинтезом. Если межклеточная концентрация СО₂ снижается до уровня, недостаточного для фотосинтеза, это служит сигналом обратной связи и устьица открываются для обмена СО₂ с внешней средои. Другой тип связей (3) реагирует на содержание воды в листьях: при снижении содержания воды в тканях устьица закрываются.

В результате деятельности этих двух типов обратных связей обычно наблюдаются небольшие осцилляции открытости устьиц. Однако одни обратные связи по СО_ (1, 2) и Н₂О (3) не оптими­зируют газовый обмен листа. Оптимизация достигается деятель­ностью прямой связи - прямого действия света (5), влажности и ветра (6) и положительной обратной связи фотосинтеза (4) и водного режима эпидермальных клеток и (или) клеток мезофил­ла (7). Важным механизмом функционирования отрицательной обратной связи (3) является синтез АБК. Ряд продуктов фото­синтеза в клетках мезофилла (и в устьичных клетках) может контролировать движения устьиц по механизму положительной обратной связи (4).

Таким образом, устьица очень чутко реагируют на внешние условия и физиологические изменения в тканях листа. В результате этого может быстро изменяться, приспосабливаясь к складывающимся условиям.

Во влажные дни ход устьичных движении следует за изменением солнечной инсоляции, в этом случае кривая транспирации (См. рисунок!) в течение дня подобна кривой испарения со свобод­ной водной поверхности.

Летом при максимальной инсоляции в середине дня может развиваться полуденный водный дефицит. В зависимости от его величины и продолжительности наступают частичное (См. рисунок! ) или полное гидроактивное смыкание устьиц и деп­рессия транспирации: сглаживание пика или даже провал в полу­денные часы. Закрывание устьиц в полуденное время частично объясняется также высокой концентрацией СО_ в межклетниках, характерной для этого времени суток. Уровень СО₂ в листе зависит от соотношения интенсивности дыхания и фотосинтеза, а скорость дыхания с повышением температуры растет в боль­шей степени, чем фотосинтез. Причем полуденное снижение транспирации наступает не одновременно во всех частях кроны, а в определенном порядке: раньше и сильнее оно проявляется в затененных участках кроны, затем в ее основании, а позднее всего - в верхушечных листьях. В соответствии с этим снижение водного потенциала в освещенном части кроны происходит более резко (на 1000-1200 кПа), что обеспечивает ее преимуще­ства в снабжении водой и более экономное расходование воды растением в целом.

Во время летней засухи устьица часто ненадолго открываются лишь в утренние часы и вскоре снова зарываются - идет только кутикулярная транспирация.