ОБЩИЕ СИСТЕМЫ УСТОЙЧИВОСТИ И ТРАНСДУКЦИЯ

ОБЩИЕ СИСТЕМЫ УСТОЙЧИВОСТИ
И ТРАНСДУКЦИЯ СТРЕССОРНОГО СИГНАЛА
ПРИ АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ
К АБИОТИЧЕСКИМ ФАКТОРАМ
Вл.В. Кузнецов
Институт физиологии растений РАН, Москва,
факс 977-80-18, e-mail: vlkuzn@ippras.ru
Адаптация — это процесс формирования систем устойчивости,
обеспечивающих рост и развитие растений в ранее не пригодных для
жизни условиях. Любая стратегия адаптации направлена на решение
одних и тех же задач — на поддержание структурной целостности макромолекул и сохранение регуляторных систем, а также на обеспечение
организма энергетической валютой (прежде всего АТФ), восстановителями и предшественниками нуклеиновых кислот и белков. Центральным вопросом адаптации является вопрос о том, каким образом потенциальные, генетически детерминированные возможности организма
реализуются в ответ на требования среды [1].
Анализ закономерностей ответов растений на действие абиотических факторов различной физической природы позволило заключить,
что процесс адаптации состоит из двух функционально различных этапов — стресс-реакции и специализированной адаптации. Стрессреакция направлена на быструю кратковременную защиту организма от
гибели в условиях действия повреждающего фактора и на инициацию
формирования или мобилизации механизмов специализированной, или
долговременной, устойчивости. Стресс-реакция носит транзитный характер и обеспечивает переход растения от нормального к стрессорному
метаболизму за счет блокирования не существенных для выживания
организма метаболических путей и образования защитных механизмов,
прежде всего, систем шокового ответа. Долговременная адаптация растений к данному конкретному фактору направлена на повышение жизнеспособности путем формирования специализированных механизмов и
обеспечение "нормального" протекания онтогенеза в изменившихся
условиях. Примером специализированных механизмов адаптации является новообразование антифризных белков при низких температурах
65
или синтез фитохелатинов в условиях действия тяжелых металлов. Вместе с тем, если повреждающее действие фактора превышает защитные и
репарационные возможности организма, то неминуемо наступает
смерть. В этом случае организм погибает на этапе стресс-реакции или
на этапе специализированной адаптации в зависимости от интенсивности и продолжительности действующего экстремального фактора [2, 3].
В отличие от специализированных систем общие механизмы устойчивости преимущественно функционируют на этапе стресс-реакции и
обеспечивают защиту организма при кратковременном действии на растение повреждающих факторов различной физической природы. Функционирование общих механизмов устойчивости позволяет растению
избегать огромных энергетических затрат, связанных с необходимостью
формирования специализированной механизмов адаптации в ответ на
любое отклонение условий обитания организма от нормальных.
Для доказательства существования общих систем устойчивости к
двум или нескольким стрессорам проводятся эксперименты по кроссадаптации. Кросс-адаптация — это процесс повышения устойчивости
организма к данному конкретному фактору в результате адаптации к
фактору иной природы [1].
Нами было показано, что кратковременная тепловая обработка растений хлопчатника сопровождается повышением их устойчивости к
последующему засолению. С другой стороны, адаптация растений к
засолению приводит к повышению их термотолерантности [4]. В аналогичных экспериментах было продемонстрировано, что предварительный
тепловой шок стимулирует способность растений адаптироваться к последующей засухе и наоборот, в процессе засухи повышается устойчивость организма к высокой температуре [5]. Кратковременная гипертермия повышает устойчивость к тяжелым металлам и УФ-Б облучению
[6], тогда как предварительная засуха способствует выживанию растений в условиях последующего засоления или холода. Важно отметить,
что функционирование общих систем устойчивости проявляется не
только на уровне целого растения, но и на клеточном уровне, о чем свидетельствуют результаты экспериментов на изолированных клетках
различных по солеустойчивости линий табака [7]. Совокупность представленных данных позволяет говорить о функционировании у растений
общих механизмов устойчивости [1, 4, 7].
Для изучения общих механизмов устойчивости особый интерес
представляет ответ растений на засоление, засуху, низкие и высокие
температуры, а также на другие факторы, инициирующие в растении
66
водный дефицит. На уровне целого организма все растения реагируют
на водный дефицит довольно однотипно. Они обнаруживают ингибирование роста побегов, стимуляцию роста корневой системы, аккумуляцию АБК и снижение устьичной проводимости. Спустя некоторое время, включается программа ускоренного старения нижних листьев и их
гибели. Эти реакции направлены на снижение расходования воды за
счет сокращения испаряющей поверхности, а также на повышение поглотительной деятельности корня.
На клеточном и молекулярном уровнях функционируют по меньшей
мере три механизма, ответственные за формирование общих систем
устойчивости.
(1) На водный стресс растения отвечают индукцией экспрессии различных групп генов, определяющих новообразование целого ряда
функциональных макромолекул, таких как ключевые ферменты синтеза
и деградации осмолитов, аналоги белков теплового шока, обладающие
функциями молекулярных шаперонов. Синтезируется система убиквитина, образуются ингибиторы протеаз, белки секвестеризации ионов,
дегидрины и LEA-белки. Происходит новообразование белков водных
каналов (аквапаринов). Все эти вновь синтезированные макромолекуля
защищают "нормальные" клеточные белки при стрессе, обеспечивают
правильную сборку олигомерных структур, удаляют денатурированные
полипептиды и регулируют водный статус организма.
(2) Активно изменяется микроокружение макромолекул за счет быстрой аккумуляции совместимых осмолитов, таких как пролин и другие
аминокислоты, бетаины, сахаро-спирты и т.п. Эти низкомолекулярные
органические молекулы оказывают протекторный, осморегуляторный и
антиоксидантный эффекты [3].
(3) Третьим существенным компонентом общих защитных систем
являются антиоксидантные ферменты, участвующие в инактивации перекиси водорода, супероксид-радикала и гидроксид-радикала. В этих
реакциях участвуют супероксиддисмутаза, пероксидаза, каталаза, а
также аскорбатпероксидаза, дигидроаскорбатредуктаза и глютатионредуктаза. Существенно, что реактивные формы кислорода образуются
при действии на растение всех без исключения стрессорных факторов.
Водный дефицит — наиболее жесткий фактор, с которым встречается живой организм. В процессе эволюции реализованы самые разнообразные стратегии выживания растений в условиях острой нехватки влаги. Одним из таких механизмов является способность ряда растений,
например хрустальной травки, формировать водосберегающий путь
67
фотосинтеза САМ-типа при водном дефиците, индуцированном засухой, засолением, действием низких температур и других стрессоров.
Эта адаптация связана с индукцией экспрессии "молчащего" в нормальных условиях гена фосфоенолпируваткарбоксилазы, а также генов других ферментов САМ, с биосинтезом совместимых осмолитов, с активацией антиоксидантных систем и изменением суточных ритмов устьичных движений. Все это приводит к крайне экономному использованию
воды, обеспечению углекислотой процесса фотосинтеза и, таким образом, к реальному расширению границ ареала данного вида.
Ключевым вопросом в данной области является вопрос о том, каким
образом осуществляется восприятие (перцепция) стрессорного сигнала
сенсорными системами клетки и его передача (трансдукция) на стрессчувствительные гены. Транзитное падение тургорного давления при
снижении водного потенциала почвенного раствора, что было обнаружено нами на растениях хрустальной травки, может быть основным
триггером ответа растений на водный стресс. Другими возможными
триггерами ответа на снижение водного потенциала могут быть окислительный "взрыв" и изменение состояния клеточного цитоскелета. В
клетках эукариот в качестве сенсора может функционировать та же система восприятия сигнала и индукции ответной реакции, что и у бактерий, представляющая собой аналог 2-х компонентной His-киназы, которая отслеживает механические изменения плазмалеммы при стрессе.
Эта киназа активируется при низком водном потенциале автофосфорилированием, после чего она фосфорилирует остаток аспарагина другого
белка (OmpR), т. н. регулятора ответа на стресс. Фосфорилированный
OmpR белок функционирует как транскрипционный фактор, стимулирующий экспрессию OmpC гена и ингибирующий экспрессию OmpF
гена. Оба эти гена кодируют белки внешней бактериальной мембраны и
участвуют в регуляции тургорного давления.
Считается, что на роль вторичных мессенджеров могут претендовать
прежде всего ионы Са+2 и инозитол-3-фосфат. Для передачи и усиления
сигнала клеткой используются каскады протеинкиназ, которые также
синтезируются в условиях водного дефицита. К ним прежде всего относятся различные митоген-активируемые протеинкиназы (МАРК), киназа
рибосомального S6 белка, Са+2-зависимые протеинкиназы, фосфорилазы. Важная роль в трансдукции сигнала может принадлежать 14-3-3
белкам, которые моделируют работу протеинкиназ и влияют на белок белковые взаимодействия. Существенно, что транзитные изменения
концентрации цитоплазматического Са+2 наблюдаются в первые секун68
ды стрессорного ответа, тогда как активация регуляторных белков - в
первые минуты действия стрессора. Все это индуцирует аккумуляцию
стрессорных гормонов, к которым в первую очередь относятся АБК и
этилен. В настоящее время установлено существование по меньшей мере 2-х АБК-зависимых и 2-х АБК-независимых путей трансдукции осмотического сигнала на соответствующие эффекторные мишени. Нами
было показано участие этилена и полиаминов в передаче стрессорного
сигнала и индукции общих систем устойчивости.
Таким образом, совокупность представленных данных свидетельствуют, что восприятие стрессорного сигнала может осуществиться различными сенсорными молекулами и передаваться с помощью вторичных мессенджеров и регуляторных белков различными, возможно, независимыми путями. Это свидетельствует о формировании клеточных
сигнальных сетей, инициирующих экспрессию стресс-регулируемых
генов, новообразование отсутствовавших ранее изозимов и протекторных макромолекул, следствием чего является повышение толерантности
растительного организма к целому спектру стрессорных факторов различной физической природы.
Литература
1. Кузнецов Вл.В. Индуцибельные системы и их роль в адаптации растений к
стрессорным факторам. Докт. диссерт. Кишинев: Институт физиологии растений, 1992.
2. Кузнецов Вл.В., Кимпел Дж., Гокджиян Дж., Ки Дж. Элементы неспецифичности реакции генома растений при холодовом и тепловом стрессе //
Физиология растений. 1987. Т. 34. Вып. 5. С. 859–868.
3. Кузнецов Вл.В., Шевякова Н.И. Пролин при стрессе: биологическая роль,
метаболизм и регуляция // Физиология растений. 1999. Т. 46. Вып. 2. С. 305–
320.
4. Kuznetsov Vl.V., Rakitin V.Yu., Borisova N.N., Rotschupkin B.V. Why does
heat shock increase salt resistance in cotton plants? // Plant Physiol. Biochem.
1993. V. 31. №. 2. P. 181–188.
5. Kuznetsov Vl.V., Rakitin V.Yu., Zholkevich V.N. Effects of preliminary heatshock treatment on accumulation of osmolytes and drought resistance in cotton
plants during water deficiency // Physiologia Plantarum. 1999. V. 107. № 1.
P. 399–406.
6. Neumann D., Lichtenberger O., Tschiersh K., Nover L. Heat shock proteins
induce heavy-metal tolerance in higher plants // Planta. V. 194. № 2. P. 360–367.
69