1Ема фаз митоза I. С. Ledbetter, к. R. Irter, 1970)

дует иметь в виду, что характер считки информации с ДНК, т. е. конкретный состав генов, которые подвергаются экспрессии, закономерно меняется, в связи с чем клетка проходит ряд эта- пов своего развития. Период существования клетки от момента ее образования в результате деления материнской клетки до ее собственного деления или смерти представляет собой жиз- ненный цикл клетки, или ее онтогенез. Онтогенез растительной клетки слагается из ряда последовательных этапов: деления, *°-³-' роста растяжением, дифференцировки, старения и смерти.

Митоз. Митоз — это такой способ деления клеток, при ко-Деление клетки тором число хромосом удваивается, так что каждая дочерняя клетка получает двойной набор хромосом, тождественный хро­мосомам материнской клетки. В процессе митоза происходят сложные последовательные изменения структуры ядра и цито­плазмы, подразделяющиеся на фазы (рис. 10.6).

Первой фазой митоза является профаза — фаза реорганиза­ции клетки. Разрушается ряд структур, существовавших в клет­ке до митоза, и строятся новые, связанные с процессом деле­ния. В цитоплазме органоиды смещаются от ядра на периферию клетки. Ядро увеличивается в объеме, хроматин оформляется в хромосомы с кинетохором (определенный уча­сток хромосомы) и с двумя сестринскими хроматидами ка­ждая. Ядрышко постепенно диссоциирует. После распада обо­лочки ядра на ряд ретикулярных элементов в клетке форми­руется структура веретена.

В клетках растений нет центриолей (организаторов верете­на), характе ных для животных клеток. Их функцию выпол­

няют скопления мембран ЭР на полюсах клетки. С ними свя­заны структурные элементы веретена.

Веретено включает в себя микротрубочки (МТ) двух типов; а) межполюсные, идущие от полюса к полюсу, составляющие 10% от общего числа МТ; б) многочисленные хромосомные МТ, направленные от кинетохора к полюсу. МТ состоят щ субъединиц тубулина (см. 1.1.2). С ними ассоциированы белки, регулирующие сборку МТ. Из нитей веретена выделен также немышечный актин. В кинетохорах хромосом и у полюсов ве­ретена иммуноцитологическими методами выявлена локализа­ция кальмодулина — белка, связывающего кальций и участвую­щего в разборке МТ.

Для образования структуры веретена могут использоваться ранее существовавшие в цитоплазме МТ, а также МТ, вновь синтезированные из фонда субъединиц тубулинов клетки. В профазе кинетохоры хромосом не связаны с элементами веретена.

В течение следующего периода митоза — прометафазы (ме-такинеза) начинается движение хромосом. Перед его началом кинетохоры увеличиваются в размерах, от них отходят много­численные хромосомные МТ. Полагают, что кинетохор уча­ствует в формировании МТ и движениях хромосом. В течение метакинеза хромосомы движутся сначала к полюсам, а за­тем — к середине веретена. Во время этих перемещений в хро­мосоме раскручиваются две сестринские хроматиды, которые остаются соединенными в кинетохоре. Повреждение кинегохо ра в это время избирательным ультрафиолетовым облучением или лазером останавливает движение хромосом.

В результате перемещения хромосомы собираются вдоль поперечника веретена и образуют метафазную пластинку (ме-тафаза). При этом они совершают небольшие перемещения вдоль веретена. В течение метафазы продолжается синтез РНК и белков, хотя и с невысокой скоростью.

Переход клетки к анафазе сопровождается делением кинето­хора, физическим разделением двух сестринских хрома гид и перемещением разделившихся хромосом к полюсам кинето-хором вперед. Происходит также перераспределение микротру­бочек: количество их у полюсов уменьшается и увеличивается в интерполярной области, в районе экватора веретена (см. рис. 10.6). В поперечной плоскости веретена начинает образовы­ваться зона скопления везикул — начало формирования разде­лительной пластинки.

Перемещения хромосом в анафазе объясняются как уча­стием физических сил (электростатические, электромагнитные, гидродинамические взаимодействия), так и деятельностью био­химических механизмов. Предполагается, что перемещение свя­зано с последовательным отщеплением субъединиц МТ верете­на белковой системой, локализованной на поверхности кинето­хора. По-видимому, существенны также взаимодействие МТ и микрофиламентов актина, входящего в состав веретена, а также локальные изменения содержания кальция.

После пасхожления хппмпгпм к- птгюгйм нчинняртга ПО-

следняя стадия митоза — телофаза. У полюсов МТ веретена дезинтегрируют, образуются ядрышки, ядра, заканчивается формирование разделительной пластинки — фрагмопласта, де­лящей клетку пополам в экваториальной плоскости. В анафазе вдоль экватора веретена скапливаются пузырьки различного размера (рис. 10.7). Мелкие везикулы являются производными АГ и содержат пектиновые вещества. В экваториальной пло­скости обнаруживаются также мембраны ЭР. Для образования фрагмопласта важно также присутствие кальция. Сливаясь, ве­зикулы образуют две мембраны — плазмалеммы дочерних кле­ток, разделенные полужидким слоем, состоящим из пекти­новых веществ. Взаимодействие везикул происходит между микротрубочками веретена.

От центра к периферии фрагмопласт растет за счет присое­динения (самосборки) новых пузырьков, но цитоплазма дочер­них клеток остается связанной через плазмодесмы, формирую­щиеся в тех участках клеточной пластинки, в которых оказались локализованными нити веретена с МТ и элементами ЭР. Со стороны цитоплазмы дочерних клеток начинается фор­мирование первичных клеточных стенок, а фрагмопласт пре­вращается в срединную пластинку. Откладывающиеся микрофи­бриллы целлюлозы первичных клеточных стенок имеют рых­лую текстуру, но основное направление ориентации микрофи­брилл перпендикулярно продольной оси клетки. Содержание целлюлозы в первичных клеточных стенках вначале не превы­шает 2,5%.

Гемицеллюлозы, пектиновые вещества и гликопротеин. эк­стенсии доставляются к формирующейся клеточной стенке в везикулах Гольджи, так как именно в диктиосомах АГ проис­ходят концентрирование, первичная полимеризация и мембран­ная упаковка этих компонентов (рис. 10.8). Синтезированный в гранулярном ЭР полипептид экстенсина гликозилируется за-тр" п лнк-типгпмяу АГ ьГпмппнрнты (Ъепментног комплекса

Схема секреции ком­понентов клеточной стенки (по J.-C. Ro­land, 1973)

Рис. 10.8

синтазы целлюлозы локализованы на наружной поверхности плазмалеммы. Ферменты, необходимые для сборки полимеров стенки и их модификации, также, по-видимому, доставляются в стенку в везикулах ЭР или АГ. Все компоненты попадают в формирующуюся стенку в результате секреторного процесса. Необходимые для синтеза целлюлозы UDP- и GDP-глюкоза транспортируются из растворимой фазы клетки через плазма-лемму, и синтезируемые синтазой целлюлозы молекулы цел­люлозы встраиваются в клеточную стенку, которая таким образом утолщается изнутри.

Митотический цикл. После окончания деления дочерние клетки растут благодаря синтезу компонентов цитоплазмы. Именно так растут и животные клетки. Как правило, дочерние клетки достигают размеров материнской и затем могут вновь пепейти к делению. Ппонесс деления (juumoi) и пепиол пито­

плазматического роста и подготовки к делению (интерфаза) составляют митотический цикл клетки.

В зависимости от особенностей биохимических процессов различают четыре периода митотического цикла. Собственно митоз — М, пресинтетический период — Gi (от англ. gap — ин­тервал), синтетический период — S и премитотический (пост­синтетический) — G₂.

Период G] наиболее чувствителен к воздействию факторов внешней среды. Именно в течение этого периода готовятся ус­ловия для синтеза ДНК: синтезируются необходимые фер­менты, кофакторы, нуклеотиды, входящие в состав ДНК. Одновременно образуются общие белки клетки и часть ее РНК.

Синтетический период характеризуется синтезом ДНК, а также специфических ядерных белков — гистонов. Синтез ДНК прекращается после удвоения ее количества.

В периоде G₂ продолжается синтез РНК и общих белков клетки. Резко усиливается синтез тубулина по сравнению с предшествующими периодами. В течение митоза продол­жается образование белков и РНК до окончания метафазы.

У растений этапы митотического цикла контролируются гормонами. Для нормального протекания G₂- и Gj-периодов митотического цикла необходим ауксин, поддерживающий вы­сокий уровень синтеза РНК, белков и высокую интенсивность дыхания. Цитокинин, по-видимому, требуется для перехода клеток к делению.

Следует отметить, что в делящихся клетках происходит так­же становление структур органоидов (АГ, митохондрий, пла-стидной системы).

Увеличение размера делящихся клеток происходит за счет синтеза структур цитоплазмы и поддерживается поступлением в клетки значительных количеств соединений азота и других питательных веществ. Прекратившие деление клетки многокле­точных растений переходят к более быстрому типу роста — ро­сту растяжением, существующему только у растительных кле­ток. Он служит важнейшим механизмом, обеспечивающим увеличение площади листовой поверхности, длины стебля и корневой системы, что необходимо для оптимизации процес­сов питания и других целей. При этом типе роста значительное увеличение объема клеток достигается за счет образования большой центральной вакуоли (см. рис. I.1). Поглощение воды вакуолью обеспечивается высокой концентрацией осмотически активных веществ в вакуолярном соке. Одновременно с возра­станием объема вакуоли клеточные стенки размягчаются и растягиваются.

Переход меристематических клеток к растяжению изучен недостаточно. Процесс перехода к растяжению устойчив к дей­ствию неблагоприятных факторов: ингибиторы синтеза белка и РНК, высокие дозы рентгеновского облучения этот процесс не останавливают. Закончившие деление меристематические клетки вакуолизируются. Перестраивается белоксинтезирую-щая система: рибосомы, которые в делящихся клетках находи­лись в основном в цитоплазме, в большом количестве присое­диняются к мембранам ЭР. В клетках возрастает синтез РНК и увеличивается отношение РНК/белок по сравнению с деля­щимися клетками. В амилопластах накапливается крахмал, ин­тенсифицируется синтез пектиновых веществ.

Механизмы, обусловливающие переход клеток к растяже­нию, исследованы мало. Предполагается, что большую роль может играть изменение содержания и соотношения фитогор­монов и их рецепторов по мере удаления делящейся клетки от инициальных. Выше отмечалось, что для подготовки и перехо­да клетки к делению необходимо взаимодействие ауксина и ци­токинина. Возможно, переход к растяжению вызывается изме­нением соотношения концентраций ауксина и цитокинина и их рецепторов в сторону, менее благоприятную для деления и бо­лее соответствующую росту растяжением, поскольку для роста растяжением обязательно присутствие ауксина. Таким обра­зом, в клетках меристемы, готовящихся перейти к росту растя­жением, создаются механизмы, обеспечивающие процесс растя­жения.

Период роста клетки растяжением хорошо изучен. В этот период поддерживается работа уже сформированного механиз­ма растяжения. В клетках высших растений растяжение активи­руется в основном ИУК (ауксином). Под действием ауксина увеличивается пластическая растяжимость клеточной стенки. Ауксин индуцирует активный транспорт ионов Н⁺, напра­вленный из цитоплазмы в клеточную стенку. Снижение вели­чины рН в фазе клеточной стенки, возможно, способствует раз­рыву кислотолабильных связей в ней. Кроме того, подкисление активирует кислые гидролазы и другие ферменты, модифици­рующие компоненты клеточной стенки (см. рис. 2.7). Все это приводит к увеличению ее растяжимости. Стенка растягивается благодаря внутриклеточному тургорному давлению, которое поддерживается поступлением воды в растущую вакуоль, где осмотически активные вещества образуются как в результате расщепления полимеров цитоплазмы кислыми гидролазами ва­куолей, так и вследствие их поступления из цитоплазмы.

Действие ауксина на рост растяжением сопровождается син­тезом РНК, белков и секрецией полисахаридов и белков, необ­ходимых для процесса клеточного растяжения. Рост клеточной стенки обеспечивается активной деятельностью АГ. Везикулы Гольджи поставляют полисахаридные компоненты, а также способствуют увеличению площади цитоплазматической мем­браны. Усиливается синтез целлюлозы на наружной поверхно­сти плазмалеммы. Выбор направления роста — удлинение клет­ки или ее изодиаметрический рост — определяется расположе­нием микрофибрилл целлюлозы в клеточных стенках. Важно отметить, что к действию ауксина наиболее чувствителен эпи­дермис побегов. Рост внутренних паренхимных тканей сильнее активируется увеличением кислотности, вызванным, например, С0₂ в повышенных концентрациях. Усиление роста под дей­ствием кислотности (рН 3 — 5) получило название «эффекта кислого роста». Кислотность ускоряет рост лишь в течение

1 — 3 ч. Этот рост не поддерживается синтезом белков. По-ви­димому, рост растяжением обусловливается взаимодействием ауксинзависимого и «кислого роста».

В конце роста растяжением усиливается лигнификация кле­точных стенок, накапливаются ингибиторы фенольной при­роды и абсцизовая кислота, возрастает активность перокси-дазы и оксидазы ИУК, снижающая общее содержание ауксина в тканях. Начавшееся формирование вторичной клеточной стенки лишает клетку способности к растяжению. Все эти фак­торы приводят к торможению и прекращению удлинения клеток.

На всех этапах роста клеток растяжением осуществляется самосборка: работа генетического аппарата, обеспечивающего реализацию программы роста растяжением, взаимодействие ауксина с рецептором, сборка сложных ферментативных ком- плексов, в частности синтазы целлюлозы, состоящей из многих субъединиц, включение мембран пузырьков Гольджи в состав плазмалеммы растущей клетки, сборка молекул целлюлозы, гемицеллюлоз, пектинов и структурных белков (экстенсина) в клеточных стенках, процессы кристаллизации в микрофи- 10-3.3 бриллах целлюлозы и т. д. ^{тшштшттт}^^ятшДифференцировка клеток — это появление качественных раз- ;ифференцировка личий между ними, связанных с их специализацией. Специали- клеток зация клеток обеспечивается биохимическими и структурными особенностями, которые позволяют клетке выполнять опреде- ленные физиологические или другие функции, необходимые для жизнедеятельности того или иного органа или растения в це- лом. На рис. 5.11 показано, как меристематические клетки про- камбия превращаются в специализированные сосуды ксилемы, что сопровождается утолщением и лигнификацией вторичных клеточных стенок и отмиранием цитоплазмы.

Некоторые клетки дифференцируются очень рано, уже в апикальной меристеме, например клетки эпидермиса. Боль­шинство других клеток меристемы в верхушках побега и корня делятся и внешне мало отличаются друг от друга. Однако их будущая специализация часто предопределяется (детермини­руется) в зоне деления. На это указывают, например, данные о нахождении в меристеме зародышевого корня кукурузы с по­мощью иммунохимического метода антигенов, характерных для клеток центрального цилиндра. Таким образом, тканеспе-цифические белки появляются в меристеме задолго до созрева­ния проводящих элементов флоэмы и ксилемы.

В основе качественного различия клеток лежат процессы дифференциальной активности генов. Каждая вегетативная клетка растительного организма в своем геноме содержит по­лную информацию о развитии всего организма и в опреде­ленных условиях может дать начало формированию тех или иных органов или целого растения (свойство тотипотеытно-сти). Однако находясь в составе организма, эта клетка будет реализовывать только часть своей генетической информации. Сигналами (эффекторами) для экспрессии той или иной генети­ческой программы служат определенные сочетания фитогормо­нов, метаболитов и физико-химических факторов. Гипотетиче­ская схема регуляторного действия эффекторов на работу генетического аппарата представлена на рис. 2.3.

10.3.4

С окончанием процесса дифференцировки клетка вступает в фазу своей зрелости и начинает выполнять те функции, ко-

торые заложены в ее организации.

™"^{ттшштшт}■»«■"■■"— Старение и отмирание — завершающие этапы онтогенеза Старение и смерть дифференцированных клеток. Наиболее подробно эти явления изучены у стареющих листьев и лепестков цветков.

Для стареющих клеток характерно ослабление синтетиче­ских и усиление гидролитических процессов. Наблюдается сни­жение содержания РНК и белков, возрастает активность гидро-лаз, пероксидазы, усиливается окисление липидов мембран, в органоидах и цитоплазме увеличивается количество ли­пидных капель. Снижается полупроницаемость мембран и уве­личивается потеря веществ клеткой. В органоидах и цитоплаз­ме образуются автофагические вакуоли, набухает и фрагменти-руется ЭР. На последней стадии старения разрушаются хлорофилл и хлоропласты, диссоциируют ЭР и АГ, набухают митохондрии, в них снижается число крист, вакуолизируется ядро, разрушается ядрышко. Старение становится необра­тимым с момента разрушения тонопласта и выхода его содер­жимого (в том числе кислых гидролаз) в цитоплазму.

Существуют две группы гипотез, объясняющих механизмы старения на клеточном и молекулярном уровнях:

1. Накопление повреждений в генетическом аппарате, в мембранах и в других структурах, увеличение концентрации ядовитых веществ в клетке.

2. Включение генетической программы старения как послед- него этапа онтогенеза.

Обе гипотезы имеют достаточно убедительные обоснова­ния. Например, ингибиторы синтеза белков (циклогексимид и др.) тормозят распад внутриклеточных структур, очевидно, угнетая синтез гидролаз. С другой стороны, в ходе онтогенеза в клетках возрастает количество поломок, несмотря на по­стоянное самообновление всех структур и систему репарации

днк.

Причину старения клеток можно лучше понять, исходя из физиологии целого растения. Уменьшение поступления в клет- ки того или иного органа некоторых фитогормонов (ауксина, цитокинина, гиббереллина) и питательных веществ резко уско- ряет процессы старения (см. 2.5). Обработка же тканей изоли- рованных листьев цитокинином, ауксином и гиббереллином ак- тивирует синтез белков, восстанавливает структуру хлоропла- стов. В этих условиях даже изолированный I лист, который начал желтеть, снова зеленеет и становится способным к ин- тенсивному фотосинтезу. Фитогормоны-активаторы индуци- AfiK руют синтез РНК и белков, необходимых для функциональной

активности клеток. Наоборот, этилен и АБК ускоряют про- г-н -'нд цессы старения. Содержание этих фитогормонов в стареющих

2 клетках возрастает.

Jni-fOt- Один из существенных признаков старения клетки — сдвиг

величины рН в цитоплазме в кислую сторону. Это неблаго­приятно сказывается на физико-химическом состоянии белков и способствует активации кислых гидролаз. Удаление ионов Н⁺ из цитоплазмы в окружающую среду и в центральную ва­куоль защищает внутриклеточные структуры от деградации. Ауксин, активирующий работу Н⁺-помпы, тем самым защи­щает цитоплазму от закисления.

Ослабление или отказ Н+-помпы, потеря мембранами свойств полупроницаемости приводят к утрате клеткой нерав­новесного состояния (мембранного потенциала), к неспособно­сти поглощать и удерживать вещества. С этого момента клетка перестает быть живой и лизирует.

Важнейшим этапом формирования внутриклеточных структур являются процессы транскрипции и трансляции, приводящие к синтезу белков, способных, как и липиды, участвовать в самосборке клеточных компонентов (мембран, рибосом, полисом, микротрубочек, микрофи­ламентов и др.). Самосборка основывается на слабых взаимодействиях и характеризуется избирательностью, комплементарностью, самопрои­звольностью и обратимостью. Биогенез хлоропластов и митохондрий включает в себя как элементы обновления и самосборки мембран, так и размножение путем деления органоидов с последующей дифференци-ровкой внутренних мембранных структур.

Процессы самосборки осуществляются в течение всего жизненного цикла клетки, которая проходит этапы деления, роста растяжением, дифференцировки, старения и смерти. У делящихся растительных кле­ток нет центриолей, функцию которых выполняют скопления ретику­лярных элементов. Деление клетки происходит благодаря образова­нию фрагмопласта (срединной пластинки). Для растений характерен рост клеток растяжением, механизм которого состоит в образовании большой центральной вакуоли и в размягчении и растяжении клеточ­ной стенки.

Г . i ii ii a i i

РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ

«Наиболее выдающаяся черта в жизни растения заключается в том, что оно растет: на это указывает самое название его».

К. А. Тимирязев

В предыдущей главе были рассмотрены процессы, свя­занные с превращением питательных веществ в вещества и структуры самой клетки и этапы ее развития. Все эти про­цессы, несомненно, относятся к явлениям роста и развития рас­тительного организма в целом. Однако целесообразнее было обсудить внутриклеточные процессы предварительно, так как ведущим фактором роста многоклеточного организма является взаимодействие клеток с участием межклеточных систем регу­ляции и под контролем доминирующих центров.

Несколько слов о терминах, применяемых при изучении ро­ста и развития растений.

Онтогенезом (от греч. «оп», род. падеж «ontos» — существо, лат. genesis — происхождение, процесс образования) называют индивидуальное развитие организма от зиготы (или вегетатив­ного зачатка) до естественной смерти¹. В ходе онтогенеза ре­ализуется наследственная информация организма (генотип) в конкретных условиях окружающей среды, в результате чего формируется фенотип, т. е. совокупность всех признаков и свойств данного индивидуального организма.

Развитие — это качественные изменения в структуре и функ­циональной активности растения и его частей (органов, тканей и клеток) в процессе онтогенеза. Возникновение качественных различий между клетками, тканями и органами получило на­звание дифференцировки. В понятие «развитие» входят также и возрастные изменения.

Рост — необратимое увеличение размеров и массы клетки, органа или всего организма, связанное с новообразованием элементов их структур. Понятие «рост» отражает количествен­ные изменения, сопровождающие развитие организма или его частей.

Если считать, что термины «развитие растений» и «онтоге­нез» тождественны, то соподчинение всех этих понятий можно представить в виде следующей схемы:

1

Возрастные изменения

Онтогенез

I (развитие растений)

| 4

Дифференцировка Рост

¹ См: М. X. Чайлахян и др. Терминология роста и развития выс­ших растений. М., 1982.

f.

Тапы онтогенеза и азы развития покры-семенных растений

1ис. 11.1

11.1