юрин физиология растений

Но скорость поглощения зависит не только от концентрации вещества во внешней среде, но и от времени. Кривую, которая описывает зависимость между внешней концентрацией и скоростью поступления, называют изотермой поглощения, поскольку ее получают при постоянной температуре и разных концентрациях. Анализ полученных результатов показал, что процесс поступления можно описать в рамках уравнения Михаэлиса — Ментен при концентрациях вещества в среде до 1 мМ (см. (5.13)).

5.6. Радиальное перемещение ионов по тканям корня

Почти все высшие растения получают питательные вещества из среды, в которой находится корневая система. Для веществ, как и для воды, двигающихся через корень до проводящей ткани, есть два пути: или из протопласта в протопласт, или в обход по клеточным стенкам и межклетникам. Поступление воды и веществ начинается с клеток, входящих в состав ризодермиса. Клеточная стенка — первая структурная фаза на пути движения воды и веществ в клетку.

Еще в 1930-х гг. Д. А. Сабинин указывал, что рассмотрение процесса поступления веществ в растения необходимо начинать с эффектов взаимодействия оболочек растительных клеток с ионами внешней среды, и достаточно четко сформулировал представление о клеточной оболочке как об ионообменной фазе.

Ряд опытов на изолированных клеточных оболочках показал их большую адсорбционную емкость. Как мы уже говорили, клеточная оболочка представляет собой слабокислотный катионообменник. Ее избирательность к отдельным ионам характеризуется рядом Са2 Н K Na . В силу таких свойств (наличие отрицательных зарядов) в клеточной стенке на поверхности ее контакта с другими фазами имеет место скачок потенциала, который вносит свой вклад в процессы поступления минеральных элементов.

Проницаемость клеточной оболочки Ð 10–3 см/с. Благодаря своим адсорбционным и ионообменным свойствам оболочки растительных клеток могут поддерживать оптимальную концентрацию ионов на границе с плазмалеммой. Указанные свойства обеспечивают концентрацию ионов на границе «клетка — наружный раствор» при малых величинах их концентраций в окружающей среде.

292

Таким образом, оболочки растительных клеток — очень эффективный путь для перемещения воды и растворенных веществ по корню в радиальном направлении. Движение воды и веществ по клеточной стенке и межклеточному пространству получило, как уже упоминалось, название апопластического транспорта.

Перемещаясь по клеткам коры, растворенные вещества встре- чают в клеточных оболочках меньшее сопротивление, чем при движении через плазмалемму. Такое положение сохраняется до тех пор, пока они не достигнут поясков Каспари в клетках эндодермы. Обойти поясок Каспари, отодвинув плазмалемму, невозможно, поскольку эти две структуры плотно связаны. Таким образом, минеральные вещества, которые не пересекли плазмалемму и не попали в протопласт, должны сделать это в области поясков Каспари.

Вещества, попавшие в протопласт эндодермальной (ризодермальной) клетки, могут либо перемещаться дальше от клетки к клетке (протопласты), либо снова пересекать плазмалемму и после этого снова перемещаться по апопласту.

Однако с наступлением третичных изменений происходит опробковение клеток эндодермы. Слой суберина откладывается по всей поверхности клеточной оболочки, и между плазмалеммой и оболочкой возникает сплошной гидрофобный барьер. Начиная с этого момента прямая проницаемость из клеточной оболочки в протопласт эндодермальной клетки и наоборот весьма затруднена.

Âэтом случае минеральные элементы должны проходить от клетки к клетке через протопласты, т. е. симпластическим путем. Симпласт — это пространство, находящееся с внутренней стороны плазмалеммы. Термин «симпласт» впервые ввел Э. Мюнх.

Ряд данных указывает на то, что симпласт — важный путь движения ионов. И важным условием для быстрой связи внутри ткани является наличие плазмодесм между соседними клетками. Впервые плазмодесмы выявлены Е. Тангелем в 1879 г.

Âтканях высших растений значительное количество плазмодесм выявлено там, где выполнение специфических физиологиче- ских функций требует очень надежной связи, например в тканях железок (солеустойчивые растения). В корнях очень много плазмодесм между клетками продольных рядов.

Увеличение числа плазмодесм в местах усиленного транспорта свидетельствует об их роли в процессах симпластического переноса веществ. Наоборот, там, где функция клеток требует изоляции от соседних клеток, плазмодесм мало или они отсутствуют.

Âкачестве примера приведем замыкающие клетки устьиц.

293

Плазмодесмы — живые протоплазматические мостики между отдельными клетками. Строение плазмодесм сильно варьирует. Одни плазмодесмы — простые поры в клеточной стенке, выстланные плазмалеммой, у других эндоплазматический ретикулум переходит из одной клетки в другую, существуют Y-подобные плазмодесмы. Как правило, внутри плазмодесм находятся специальные образования — десмотубулы, которые, как полагают, регулируют транспорт между клетками.

Существует много приемов для доказательства непрерывности симпласта. Одни из них — опыты по регистрации потенциалов ( ) при прохождении электрического тока (I) от клетки к клетке и измерение потенциалов, демонстрирующих наличие электриче- ского сопряжения через плазмодесмы (рис. 5.15).

Ðèñ. 5.15. Схема опыта по определению электрической связи между клетками:

À, Á è Â — микроэлектроды, введенные соответственно в клетки А, Б и В; ñð — электрод сравнения; I — токовые электроды

Для характеристики этого процесса используют коэффициент электрической связи (Кýë): отношение изменения потенциала в последующих клетках по отношению к первой:

Êýë Á/ À.

Хотя величины этих коэффициентов сильно варьируют (от 0,1 до 1,0) в зависимости от вида растений, внешних условий и т. д., однако они говорят в пользу симпластической связи между клетками высших растений.

Подтверждением того, что ионы двигаются к центральному цилиндру корня через симпласт, могут служить данные, получен-

294

ные в физиологических опытах. Отделенные корни кукурузы помещали в атмосферу, насыщенную водяными парами, и анализировали пасоку, которая образовывалась на срезанном верхнем конце корня. Было обнаружено, что за сутки объем пасоки уменьшался втрое, но концентрация K и Cа2 оставалась одинаковой с корнями, находящимися в растворе KCl и CaCl2. Судя по количе- ству K и Са2 , которое переместилось по ксилеме корней, находящихся во влажной атмосфере, большая часть этих ионов должна была поступить из протопластов. Из-за отсутствия внешнего источника ионов маловероятно, что ионы проникали в свободное пространство и дальше перемещались к ксилеме по клеточным оболочкам.

Более того, при плазмолизе в 0,8-молярном растворе маннита

èпоследующем переносе в атмосферу, насыщенную водяными парами, поток ионов в ксилему резко уменьшался, соответственно уменьшался и объем выделяемой пасоки.

Вероятно, в результате плазмолиза разрывались плазмодесмы

èнарушался поток ионов в ксилему.

Хотя термин «симпласт» введен Э. Мюнхом, но наиболее авторитетный исследователь транспорта по симпласту — У. Ариц. Результаты проведенных им опытов показали, что движущей силой симпластического транспорта является неравновесное состояние ионов внутри симпласта. Позже была сделана попытка рассчитать величину градиента концентрации, необходимого для симпласти- ческого движения ионов. Было показано, что достаточно различия в концентрации 0,1 мэкв на клетку. Поскольку расстояние между эпидермисом и стелой составляет приблизительно 10 клеток, то для симпластического транспорта на все это пространство необходим градиент концентрации около 1 мэкв.

Скорость движения ионов в случае симпластического транспорта была значительно выше, чем при простой диффузии. Самые простые объяснения этого явления были даны на основе движения цитоплазмы. Был сделан вывод о том, что движение цитоплазмы и наличие плазмодесм играет ключевую роль в симпластическом транспорте. Другие исследователи не исключают участия активного транспорта в симпластическом перемещении ионов (веществ).

Таким образом, существует два пути, по которым могут перемещаться ионы; эти пути не исключают один другого. Ион может пройти определенное расстояние по апопласту, а затем проникнуть в протопласт и двигаться по симпласту, а может сразу попасть в протопласт и двигаться по симпласту (рис. 5.16).

295

Ðèñ. 5.16. Схема путей радиального транспорта воды и ионов через корень до сосудов ксилемы

Симпластический транспорт имеет две особенности: во-первых, при движении веществ на средние расстояния он более эффективен, чем диффузия по апопласту, во-вторых, он обеспечивает непосредственную метаболическую регуляцию транспортируемого вещества.

5.7. Функция корневых тканей в радиальном транспорте веществ

При радиальном движении минеральных веществ из окружающей среды к сосудам ксилемы они проходят через соответствующие ткани корневой системы. Первой такой тканью является ризодермис.

Ризодермис (эпидермис) — поверхностная ткань клеток корней. В этом случае нужно выяснить: поступают ли ионы в клетки ризодермиса непосредственно из внешнего окружения, а затем в клетки коры или поступают в кору из межклеточного пространства?

После многочисленных опытов и дискуссий был сделан вывод, что функционально первой тканью поступления ионов является ризодермис, а клетки коры, омываемые растворами свобод-

296

ного пространства, не играют значительной роли в обеспечении растений питательными веществами.

Чтобы подтвердить этот вывод, приведем один пример. В контрольных опытах (когда отсеченные корни поглощали Rb из раствора) в корнях ячменя меченый рубидий находили во всех клетках коры, вплоть до самой эндодермы. В опытах с корнями, в которых симпластические связи были разрушены плазмолизом, Rb приблизительно в тех же количествах накапливался в периферийных клетках, но в кору не поступал.

Таким образом, в обычных условиях, при относительно низких концентрациях ионов в окружающей среде, их первичное поступление происходит в ризодермис — с этим сейчас все согласны.

Спор идет только по вопросу, обусловлено ли это тем, что корневой ризодермис имеет позиционное или функциональное преимущество? Д. Б. Вахмистров с сотрудниками считает, что корневой ризодермис владеет более развитой и активной системой мембранных транспортных механизмов.

Возникает еще вопрос: происходит поступление во все ризодермальные клетки или локально в корневые волоски? Наиболее распространено мнение, что мембраны корневых волосков и безволосковых клеток функционально одинаковы; корневые волоски усиливают поступление, поскольку они увеличивают общую поглощающую поверхность.

Ряд исследователей считают, что это заключение неполно отражает ситуацию. На основе новых экспериментальных результатов было сделано уточнение: корневой волосок является, с одной стороны, основным «входом» для поступающих ионов в симпласт, а с другой — основным «коридором», по которому эти ионы проходят по симпластическому пути в кору и дальше к сосудам ксилемы. Но с возрастом корневые волоски это преимущество теряют. Загрузка симпласта происходит, таким образом, в ризодермисе при участии Н -помпы.

Следующая за ризодермисом ткань — кора, которая, как мы отметили, не принимает значительного участия в поступлении ионов. Тогда какую же роль она выполняет?

На пути от наружной среды до сосудов ксилемы это единственная многоклеточная ткань корня. Почему? Вероятно, кора существует в корнях для того, чтобы разделить ризодермис и сосуды ксилемы и направить ионы по длинному пути, чтобы дать им время быть ассимилированными, т. е. она выполняет функцию метаболического реактора.

297

Подтверждением такого вывода могут служить данные, полу- ченные в опытах по выращиванию томатов при разных условиях аэрации: в воздушной, водных культурах при непрерывном продувании и без продувания (рис. 5.17).

Ðèñ. 5.17. Изменение относительного объема коры (Ñ), стелы (S) и сосудов (V) корней томатов в разных условиях

Оказалось, что чем хуже аэрация, тем больше площадь коры и соответственно меньше площадь центрального цилиндра. По мере ухудшения аэрации отношение «кора — стела» значительно повышалось. Вместе с уменьшением центрального цилиндра (стела) снижалось суммарное сечение сосудов.

Эти результаты можно интерпретировать следующим образом. При хорошей аэрации корней (аэропоника) метаболизм протекает интенсивно и для усвоения поступающих ионов не требуется длительного времени, а следовательно, большой протяженности пути до сосудов. По мере ухудшения аэрации метаболизм становится менее интенсивным и для ассимиляции ионов требуется все больше времени и более длительный путь, т. е. необходимо увеличение толщины коры корня.

Кора выполняет и другую функцию — функцию транспортного «буфера», регулирующего поток ионов по радиусу корня. На пути этого потока наблюдается конкуренция между двумя транспортными потоками: магистральным симпластическим путем к сосудам и боковым тупиковым путем в вакуоль. При излишке питания избыток из симпластического потока направляется в вакуоль и к сосудам подается нормальное количество питательных веществ (рис. 5.18).

В норме ионные потоки на тонопласте уравновешены и практически все поступающие ионы направляются по симпласту прямо в сосуды.

298

Ðèñ. 5.18. Соотношение между симпластическим потоком поглощенных ионов к сосудам ксилемы (горизонтальные стрелки) и ионным обменом между симпластом и вакуолями (вертикальные стрелки) при разных уровнях питания

При недостатке равновесие сдвигается в сторону симпласта, дефицит пополняется за счет ионов, ранее запасенных в вакуолях, и к сосудам вновь подается нормальное количество минеральных веществ.

Благодаря пояскам Каспари эндодерма выполняет в корнях две функции. Она служит диффузионным барьером, который не пропускает апопластические ионы из коры в центральный цилиндр; работает как осмотический барьер, локализуя корневое давление и ксилемный сок внутри центрального цилиндра, и не дает ксилемному соку вытекать, выдавливаться под воздействием корневого давления в окружающую среду и бесполезно растрачи- ваться для растения.

Как диффузионный и осмотический барьер эндодерма делит апопласт корней на две части: кортикальный и стелярный. Первый контактирует с наружной, как правило низкосолевой, средой (например, концентрация калия ~ 1 мМ). Стелярный же апопласт соединяется с ксилемным соком и омывается высокосолевым раствором (концентрация калия ~ 50 мМ). Это значит, что клетки снаружи эндодермы и внутри находятся в разном ионном окружении.

Таким образом, кора и ризодермис — пресный чехол, предохранительная прокладка между низкосолевым почвенным раствором и всеми остальными клетками растений, которые функционируют в высокосолевом растворе.

За эндодермой идет однослойная ткань — перицикл. До последнего времени ее рассматривали как меристематический очаг заложения боковых корней. Между тем, это тропинка, ведущая к сосудам. Сосуды протоксилемы или тесно примыкают к кольцу клеток перицикла (например, у кукурузы), или непосредственно включены в это кольцо (например, ячмень).

299

На основе анализа размещения и количества плазмодесм между клетками перицикла и соседними тканями был сделан вывод, что перицикл работает как кольцевой коллектор. Он подбирает ионы, идущие из коры через эндодерму, и направляет их по короткому пути (по дуге) к сосудам ксилемы.

Разгрузка питательных веществ в сосуды ксилемы происходит пассивно, без участия помпы; помпа участвует только в обратной реабсорбции ионов ксилемного сока, стабилизируя его состав.

Общая схема участия тканей корня в радиальном транспорте ионов представлена на рис. 5.19.

Ðèñ. 5.19. Схема участия различных тканей корня в радиальном транспорте поглощенных ионов:

центростремительные потоки ионов и продуктов их первичной ассимиляции в ксилему;

центробежные потоки органических субстратов из флоэмы (толщиной стрелок условно показана относительная ин-

тенсивность потоков)

Размещение транспортных систем в плазматической мембране клеток корня

Долгое время плазматическую мембрану растительной клетки рассматривали как изотропную поверхность, на которой транспортные механизмы размещены равномерно.

300

Но в последнее время появились основания полагать, что эта поверхность анизотропна, что транспортные системы размещены неравномерно, при этом эта неравномерность упорядочена, т. е. транспортные механизмы разнесены на мембранной поверхности — сегрегированы.

Еще в 1960 г. Б. Скот с сотрудниками сообщили, что растущие корни (конские бобы) окружены силовыми линиями, вдоль которых во внешней среде текут сверхслабые электрические токи (рис. 5.20).

Ðèñ. 5.20. Электрические токи вокруг корешков боба, выращиваемых в солевых растворах:

à — корешок в растворе хлористого калия; á — в растворе хлористого натрия. Каждый из этих двух положительно заряженных ионов концентрируется там, где он больше всего нужен: калий в области активно делящихся клеток, натрий — в области дифференцирующихся клеток

Долго эти результаты не удавалось повторить. Но в 70—80-х гг. ХХ в. в одной из лабораторий Калифорнии был разработан специальный вибрирующий электрод. С его помощью появилась возможность регистрировать эти малые по силе трансклеточные электрические токи. Трансклеточные электрические токи сейчас выявлены у множества самых разнообразных организмов, как одно-, так и многоклеточных.

Основным носителем выходящего тока оказался протон. Ток, который входил в клетку, осуществлялся ионами K . Во всех растительных клетках токи всегда входили в растущую часть клетки и выходили из противоположной — нерастущей.

301