СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ АЗОТНОГО ОБМЕНА У РАСТЕНИЙ

Измайлов, Станислав Федорович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ АЗОТНОГО ОБМЕНА У РАСТЕНИЙ
ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ АЗОТНОГО ОБМЕНА У РАСТЕНИЙ"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

На- правах рукописи ИЗМАИЛОВ Станислав Федорович

, ■ ' УДК 581ЛЗЗЛ

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ АЗОТНОГО ОБМЕНА У РАСТЕНИЙ

(03.00.12 — физиология растений)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

МОСКВА — 1982

. Работа выполнена-в ордена Трудового Красного;Знамени И нститу теф из иологин р а стен и й имени К. А. Тимирязева АН -СССР; . , . . ~ ; - ; .

. Официальные оппоненты: доктор биологических наук; профессор А. Е. Петров-Спиридонов; доктор биологических: наук 3. Г. Евстигнеева; доктор биологических наук, П Я. Жиэнев-

ская. ■."'■■■■.'■' ■ л

Ведущее предприятие ■—Московский государственный университет имени М; В. ^Томоносова: л

Защи^состоится «^Ч-'^Гч&лА-^ ;, .1982^ г.

в « 77.часовна'заседании. Специализированного совета: Д-120,35.07 при Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева;^ (127550,. г. Москва, ул. Тимирязевская, 49. Сектор защиты диссертаций ТСХА),

С диссертацией можно ознакомит Автореферат разослан:« .^г:..*

" Ученый секретарь- " -^//У . / л

Специализированного совета—; Л^^^^Р?//^—~ * ' кандидат биол, наук ■ // шМ. Кондратьев

Актуальность проблемы. В решении задач, выдвинутых XXVI съездом КПСС, предусмотрено выполнение продовольственной программы, всемерное развитие агропромышленного комплекса, увеличение производства сельскохозяйственной продукции, в частности, зерна и кормов.

Одним из основных показателей пищевой и кормовой ценности сельскохозяйственных культур является содержание в них белка. Продуктивность растений и накопление в них белка определяются, прежде всего, их углеродным и азотным питанием.

Азотное питание как физиологический процесс проявляет себя на различных уровнях структурной и функциональной организации растений. Каждый последующий, более сложный уровень в ряду клетки — тканн — органы — организм, наряду с появлением новых особенностей, включает в себя специфику предшествующего уровня. При этом необходимо учитывать, что в отличие от углерода ассимиляция минерального азота протекает как в автотрофных (Ннчипорович, 1962; Андреева, 1968; Bassham et al., 1964), так и гетеротрофных (Сабинин, 1949; Кирсанов, I960; Bollard, 1960; Mothes, 1966) органах растений. Поэтому изучение усвоения азота растением должно проводиться с учетом метаболических особенностей н взаимодействия различных органов, а также составляющих их тканей и клеток. Только комплексный подход, выявляющий особенности структурно-функциональной дифференциации и интеграции процессов с участием микро- и макроструктур, связанных общей функцией, позволяет понять роль физиологической целостности растительного организма. Таким образом, изучение функциональной роли пространственной организации азотного обмена и особенностей его взаимодействия с углеводным обменом следует рассматривать как ключевую позицию в понимании природы одного из основных физиологических процессов растений — их азотного питания.

В связи с этим при решении проблемы азотного питания растений нами использован новый подход—изучение пространственной организации метаболизма как этапа на пути перехода от исследования отдельных процессов к становлению комплексной, «синтетической» физиологии целого растения.

pV"lTr" «■.-^Mtj. 11 v i.b'1,1 i

iVii• ii

Цель и основные задачи работы состояли в изучении специфики азотного обмена, его компартментациц на различных уровнях структурной организации растений. При этом имелось в виду:

1. Выясненне органной топографии и регуляции активности ключевых ферментов, ответственных за ассимиляцию нитратного и аммонийного азота, в системе целостного растительного организма.

2. Изучение тканевых взаимодействий в различных органах растений:

а) корнях, первыми вступающих в контакт с минеральным азотом п осуществляющих его переработку;

б) гнпокотнлях, мезокотилях н стеблях, в связи с выявлением у них функции, направленных на превращение метаболитов в путях дальнего транспорта, создание резервных фондов азотсодержащих веществ, их распределение и перераспределение при взаимодействии корней и листьев,

3. Выяснение закономерностей формирования и функционирования в растительной клетке общего метаболического фонда аминокислот и амидов, а также фондов отдельных азотсодержащих соединений, находящихся на центральных развилках метаболических процессов.

На основе полученных результатов и литературных данных делается попытка раскрыть обобщенную картину пространственной организации азотного обмена у растений, а также основные принципы ее построения.

Научная новизна. Работа является трудом, подводящим итог научных изысканий в области структурно-функциональной организации азотного обмена растений и открывающим конкретные перспективы дальнейших исследований в этом направлении. На основе собственных и литературных данных раскрыта обобщенная картина азотного обмена на различных уровнях структурной организации растений — клеточном, тканевом и органном, а также выявлены основные принципы интеграции этих уровнен при обеспечении азотного питания растений.

Проведенные исследования позволили в системе целостного' растительного организма выявить основные закономерности органного распределения ключевых ферментов, обеспечивающих ассимиляцию нитратного и аммонийного азота, и их регуляцию.

Впервые экспериментально обоснованы представления об-ассимиляции и транспорте азота как пространственно организованном процессе, осуществляемом в корне при взаимодействии двух его основных тканевых зон — коры и центрального цилиндра. Вскрыта специфика и взаимодействие обменных процессов в тканях корня при осуществлении процессов дыха-2

ния, биосинтеза полисахаридов и белка, а также ассимиляции минерального азота. Проведенные исследования открывают новые подходы в управлении процессом азотного питания корневой системы, а следовательно, к всего растения.

Полученные в работе результаты коренным образом изменяют прежние представления о роли осевых непоглощаюишх органов—гипокотилей, мезокотпле» и стеблей в азотном оптанте растений на основе их тканевых взаимодействий. Установлено, что уже на ранних этапах развития растений в этих органах происходит переработка транспортных углеродсодер-жащнх соединений, резервирование растворимых органических источников азота, их распределение и перераспределение между главными полюсами ассимиляции — корнями и листьями. На основе этих данных делается вывод, что осевые иеиоглощающпе органы наряду с корнями и листьями являются важным звеном в жизнедеятельности растений, определяющим особенности нх азотного питания.

Проведенные исследования позволили выявить основные закономерности формирования обшего метаболического фонда аминокислот и амидов в гетеротрофной растительной клетке и показать ведущую роль в этом процессе направленности путей утилизации углерода сахарозы, Индивидуальные аминокислоты этого фонда не в одинаковой мере формируются из различных источников углерода — Сахаров и аминокислот. Степень обеспеченности клеток сахарозой влияет на альтернативный выбор путей утилизации ее углерода в азотном обмене.

Установлена пространственная разобщенность и функциональная гетерогенность в клетках корней фондов днкарбоио-вых аминокислот — соединений, интегрирующих различные звенья обменных процессов. Результаты исследований в этом направлении можно принять в качестве исходной позиции для дальнейшего изучения и понимания регуляции азотного обмена посредством компартментацин азотсодержащих субстратов в растительной клетке.

Совокупность экспериментальных изысканий н теоретических обобщений автора позволяют создать перспективу исследований в области структурно-функциональной организации азотного питания растений.

Практическая значимость работы состоит в расширении и углублении представлений о природе основного процесса, определяющего продуктивность растений — азотного питания. На этой основе становится возможным применение полученных результатов в практике. Они относятся, прежде всего, к биотехнологнческим вопросам физиологии и биохимии растительной клетки при продуцировании азотсодержащих соединений. Еще более реальным представляется получение радио*

Активных иС-амннок»слот и иС-амидов с высоким значением удельной радиоактивности.

Выявленные закономерности органной и тканевой топографии ферментов азотного обмена и азотсодержащих субстратов дают возможность для разработки биохимических показателей— тестов в опенке оптимизации обеспеченности растений азотом. Благодаря этому создаются предпосылки для научно обоснованного применения различных форм минеральных удобрений с целью повышения продуктивности сельскохозяйственных культур.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались па II Всесоюзной конференции по культуре тканей и клеток растений (Киев, 1971), Международном симпозиуме по культуре тканей и клеток растений в Дели (1971 г.), XII Международном Ботаническом конгрессе (Ленинград, 1975), Всесоюзном биохимическом съезде (Ленинград, 1979), Всесоюзной школе но физиологии растений (Звенигород, 1980), Московском биохимическом обществе (Москва, 1980), Всесоюзном симпозиуме «Механизмы усвоения азота и биосинтеза белка в растениях» (Алма-Лта, 1981).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и выводов, изложена на Зоо страницах.

В первой главе рассматриваются объекты и основные методические подходы, использованные в работе. Вторая глава посвящена вопросам распределения в разных органах растений ферментов, обеспечивающих ассимиляцию азота. Здесь же рассматриваются пути ассимиляции азота и утилизации углерода, приводящие к формированию общего обменного фонда аминокислот и амидов у растений. Третья глава освешает представления о компартментации в растительной клетке Сахаров, органических кислот и аминокислот, В четвертой главе дана функциональная характеристика фондовой организации аминокислот, занимающих центральную позицию в азотном обмене. В пятой главе анализируются данные по компартментации аминокислот в процессе биосинтеза белка. Детальному рассмотрению азотного питания клетки, роли и взаимодействию составляющих ее органелл при ассимиляции нитратов и аммиака посвящена шестая глава. В седьмой главе разбираются тканевые взаимодействия при усвоении азота в корнях растений. В восьмой главе на основе тканевых взаимодействий рассматривается роль ппюкотилей, мезокотплей и стеблей в азотном питании расстений, В заключении обобщаются результаты и даются основные выводы. Экспериментальный материал содержится в 24 таблицах и 65 рисунках.

Список цитируемо» литературы включает 1093 работы, из них 868 на иностранных языках.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Подбор объектов исследования осуществлялся таким образом, чтобы применение методов биохимического исследования способствовало выявлению особенностей азотного обмена на различных уровнях структурной организации растений. Для характеристики процессов, происходящих на клеточном уровне, успешно оправдал себя метод культуры изолированных клеток, каллусных тканей it изолированных органов. Сравнительное их изучение позволяет выявить те функциональные особенности, которые свойственны только клеткам. В качестве таких объектов использовались: изолированные корни и каллусные ткана люцерны (Medicago sativa L.), внкн (Vicia sativa L.), ели {Picea abîes L. Karst), сосны (Pînus sylvestris L,), кукурузы (Zea mays L.) и сахарной свеклы (Beta vulgaris L.).

Прн изучении тканевых и органных взаимодействий использовались растения кукурузы — Zea mays L. (гибридная форма ВИР-42, сорт Одесская), гороха — Pisum sativum L. (сорт Неистощимый), сахарной свеклы—Beta vulgaris L. (сорт Верхняченская);-. хлопчатника — Gossipium birsutum (сорт Ф-108), люпина белого — Lu pin us albus L. (сорт Старт-780), дурнишника короткодневного — Xanthium pensylvantcum L.

Методы биохимических исследований. В качестве основного метода, используемого для выяснения хода обменных процессов на различных уровнях структурной организации растений, был использован метод меченых атомов в сочетании с хроматографией на ионообменных смолах и бумаге, а также с радиоавтографней. Данные, полученные с использованием различных ыС-соединений, дополнялись параллельным изучением активности ключевых ферментов, ответственных за те или иные обменные процессы.

Меченые ,4С-препараты вводили в питательные среды одновременно с их холодной стерилизацией через фильтр Зей-ца. Затем они поглощались разными органами растений или изолированными органами п тканями, В отдельных случаях "С-препараты вводились в растения методом вакуум-инфнль-трацшг или с помощью микрошприца.

Методы определения аминокислот, органических кислот и Сахаров. Спиртовой экстрат гомогенатов различных органов и тканей растений, содержащий исследуемые вещества, подвергали последовательному разделению на ионообменных смолах Дауэкс-50 и Дауэкс-3 на фракции аминокислот, органических кислот и Сахаров. Дальнейшее разделение указан-

ных соединений проводили методом одномерной и двухмерной распределительной хроматографии на бумаге. Количественный анализ идентифицированных аминокислот проводили после проявления хроматограмм 2%-ным нннгидрнном с последующей элюнней их метанолом. Определение интенсивности окраски растворов осуществлялось фотометрически (Успенская, Кретович, 1962). В случае анализа образцов, ие содержащих радиоактивных аминокислот, использовали аминокислотный анализатор АЛЛ881 (ЧССР). Количественный анализ Сахаров проводили нафторезорциновым методом. Интенсивность окраски растворов измеряли фотометрически на ФЭК-56.

Определение связанных аминокислот проводили так же, как и свободных аминокислот, после гидролиза белка в 6N HCl при 105°С.

Радиоактивность свободных или связанных аминокислот, органических кислот и сахарон определяли с помощью ецнн-тнлляшюнного счетчика МАРК-11 (Nuclear Chicago, США). Элюаты из непроявленных хроматограмм с указанными НС-соединениями помещали во флаконы, предварительно заполненные сцинтиллнниопным раствором следующего состава; 60 г сублимированного нафталина, 4 г 2,5-днфепнлоксазола, 0,2 г 1,4-ди-2,5-днфенплоксазолил-бензола, 200 мл этанола i¡ 1 л сцинтнлляционного диоксана. Эффективность счета составляла 80—90%.

Методы исследования дыхания. Интенсивность дыхания различных органов растений и их тканей определяли манометрически в аппарате Варбурга. Радиоактивность выделенной 14С02 после связывания 10%-ным КОН измеряли на сцин-тилляционном счетчике.

Определение нитратного азота в тканях и пасоке растений осуществляли дисульфаниловым методом (Данилова, 1963), аммонийного азота—мнкродиффузнонным методом (Львов, 1975) и аминного азота — с использованием нннгндринового реактива (Починок, 1972; Воробьев, 1980),

Определение активности ферментов проводили после предварительной очистки гомогенатов от грубых примесей центрифугированием при 20.000 g с последующей очисткой от небелковых компонентов на сефадексе G-25. Расчет активности ферментов осуществлялся на единицу веса ткани и на белок, который определяли по методу Лоури (Lowry et al., 1951).

Активность глутамнненнтетазы определяли гндроксамат-•ным методом (Elliott, 1953) в модификации 3. Г. Евстигнеевой и др. (1971).

Определение активности глутаматдегидрогеназы проводили по изменению оптической плотности реакционной среды вследствие окисления НАДИ при восстановительном амипиро-ванин 2-оксоглутарата (Яковлева и др., 1964).

Активность глутаматдекарбоксилозы определяли по величине радиоактивности ГЛА1К, образовавшейся при обмене равномерно меченного 14С-глутамата (Измайлов и др., 1978).

В основу метода по определению активности нитратредук-тазы была положена методика Эванса и Насона (tvans, Na-son, 1953).

Выделение органелл проводили в 0,33 М сахарозо-фосфат-ных или HEPES-буферных системах, рН 7,4 с присутствием 3 мМ ЭДТЛ, 1 мг/мл цнстенна и альбумина. Кроме общепринятых способов разделения гомогснатов на клеточные структуры путем центрифугирования (ядра, пластиды, митохондрии), были получены органеллы в очищенном виде. Последнее достигалось дифференциальным центрифугированием структур » градиенте плотности сахарозы. В частности, метод был применен для получения фракции мембран, обогащенных плазмалеммой (Leonanl, Van Der Woudl, 1975).

Ткань гомогенизировали в среде, содержащей 0,25 М сахарозу, 3 мМ ЭДТЛ, 25 мМ Tris-MES буфер, рН 7,7. Гомоге-нат фильтровали через четыре слоя батистовой ткани и центрифугировали при 20.000 g 15 мин. Образующаяся надоса-дочная жидкость, содержащая микросомальную фракцию, подвергалась повторному центрифугированию в градиенте плотности сахарозы (45% и 34%) в присутствии Tris-MES буфера, рИ 7,2, Время центрифугирования 2 часа на бакетном роторе при 90,000 g. Мембраны после центрифугирования располагались в зоне между 45 и 34% сахарозы (1,15—1,20 г/см2). Идентификацию и проверку чистоты выделенных частиц проводили путем их просмотра в фазовоконтрастпом (ядра, пластиды) п электронном (митохондрии, плазмалемма) микроскопах.

«Математическая обработка данных. Полученные данные обрабатывали статистически путем расчета ошибки средних арифметических (Доспехов, 1979).

1. ОРГАННАЯ ТОПОГРАФИЯ И РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ, ОТВЕТСТВЕННЫХ ЗА АССИМИЛЯЦИЮ НИТРАТНОГО И АММОНИИНОГО АЗОТА У РАСТЕНИИ

Ассимиляция нитратов. Из большого числа видов растений можно выделить три основные группы растений, корни и листья которых отличаются различной способностью к ассимиляции нитратов.

К первой группе можно отнести растения, корневые системы которых обладают высокоактивной ннтратредуктазой (ИР), обеспечивающей практически полное усвоение поступивших в растения нитратов. Транспорт азота из корней в надземные органы у таких растений происходит в основном

в органической форме. Типичными представителями этой груп-, пы являются многие бобовые, например, горох, люпин (Pate, 1973).

Ко второй группе относятся растения с диаметрально противоположными свойствами. У них активность HP в корнях отсутствует и всецело сосредоточена в листьях. Транспорт азота из корней в надземные органы происходит в форме нитратов, а азотное питание самих корней'зависит от нисходящего потока органического азота из листьев. К числу представителей второй группы обычно относят бурачннк, сахарную свеклу, дурнишник (Fife et al., 1962; Pate, 1973; OliJay et al„ 1976).

Наконец, можно выделить промежуточную группу растений, у которых HP-активностью обладают как корни, так и листья, У таких растений, типичными представителями которых являются злаки—кукуруза, пшеница,—транспорт азота в восходящем направлении происходит как в виде нитратов, так и в органической форме (Minotti, Jackson, 1970; Pate, 1973; Ashley, Jackson, 1975).

Учитывая теоретическую и практическую значимость приведенной классификации, важно знать, действительно ли выявленные особенности органной специфики при ассимиляции и транспорте азота являются генетически закрепленными признаками пли они могут претерпевать изменения при воздействии на растения внешних факторов, прежде всего, условий азотного питания.

С этой целью нами были проведены исследования по анализу содержания минеральных и органических форм азота в пасоке растений, корпи которых различаются по активности HP и росли на средах Кнопа с различной дозой нитратов. Как видно из рис. 1, содержание различных форм азота — нитратного, аммонийного и аминного резко отличалось в пасоке корней разных растений, выдерживаемых на средах с низким уровнем нитратов. Причем, основные различия касались нитратного и аминного азота, так как содержание аммиака по сравнению с нитратами и аминокислотами у всех исследуемых растений было низким. Это указывает на то, что при пониженных дозах нитратов в среде корни различных растений действительно разнятся по способности ассимилировать нитраты и это отражается на формах азота, мигрирующего в надземные органы.

■ При увеличении дозы нитратов в среде в пасоке всех растений происходили существенные изменения в соотношении форм азота. Содержание аммонийного азота продолжало оставаться невысоким, хотя несколько н возрастало, особенно у кукурузы. Но основные изменения касались стремительного роста содержания нитратов по сравнению с аминокислотами в пасоке всех культур. На фоне неодинаковых азотассимнли-

руюших функций у корней появлялись или усиливались «пропускные» свойства по отношению к нитратам, благодаря чему они становились доминирующими (кукуруза) или равноценными (люпин) компонентами пасоки. Таким образом, деление растений на приведенные выше группы по соотношению различных форм азота в пасоке следует принять как условное, а судьбу избыточно поступающих в растения ннтратов необходимо рассматривать в тесной связи с обменными и накопительными свойствами всех органов растений.

Ассимиляция аммиака. Независимо от места основного органного сосредоточения в растении НР, ферменты ассимиляции аммонийного азота — глута мни спите газа (ГС) и глута-матдегндрогеназа (ГДГ) распределены между корнями и листьями однотипно. Так, у гороха (у которого нитраты при их невысоких дозах в среде ассимилируются, как и у люпина, в основном в корнях), у сахарной свеклы (где нитраты ассимилируются, как и у дурнишника, в листьях) к у кукурузы (корни и листья которой активны в процессах ассимиляции азота) активность ГС сосредоточена преимущественно в листьях, а НЛДН-зависииой ГДГ—в корнях. Из этого следует, что ассимиляция аммонийного азота в листьях протекает с большим участием ГС-пути, тогда как в корнях возрастает доля ГДГ-пути.

Отмеченную особенность важно подчеркнуть потому, что направленность азотного обмена у исследуемых растений существенно различается, а при взаимодействии корней и листьев роль транспортных метаболитов выполняют не одни и те же азотсодержащие вещества. Все это создавало различный физиологический фон для проявления активности указанных ферментов, но не изменяло их органной топографии.

Вклад ГС н ГДГ в биохимическую дифференциацию процесса ассимиляции азота очевиден не только на уровне органов растений. Ферменты по-разному проявляют активность при действии на растения факторов внешней среды. Так, при росте растений на свету в листьях наблюдалась высокая активность ГС, При росте растении в темноте активность ГС падала, но одновременно возрастала активность ГДГ. Иными словами, свет по-разному влиял на развитие активности ферментов и тем самым вызывал перестройку в путях ассимиляции азота в листьях растений.

Активность ГС в большей мере коррелировала с уровнем гетеротрофного питания растений азотом. К 12 дню роста проростков гороха содержание белка в проросших семенах было близким к минимуму и в это же время происходило резкое падение активности ГС в корнях и особенно в листьях. Активность ГДГ при этом не изменялась. Не менее интересен и тот. факт, что при удалении у растений гороха остатков эндоспер-

мов n ранние периоды роста—до 6 дней происходило возрастание активности ГДГ на фоне падения активности ГС.

Наконец, отметим, что анализ динамики величины активности исследуемых ферментов в процессе 16-дневного роста растений показал, что ГС приурочена преимущественно к молодым клеткам растений, а ГДГ — к старым, где имеется более высокая концентрация аммиака и чему соответствует более низкое сродство к нему ГДГ.

Все это позволяет сделать вывод, что, в растении наряду с ГС при ассимиляции азота активно функционирует ГДГ. В разных органах ГС-путь проявляется пе в одинаковой мере и соответственно дополняется или компенсируется активностью ГДГ, что является отражением тех метаболических перестроек, которые происходят в растении под воздействием факторов внешней среды. Данные, полученные по влиянию на растения кукурузы пониженной температуры, также подчеркивают эту особенность в регуляции активности ГС и ГДГ (Алехина, Соколова, 1975; Алехина, Кенжебаева, 1977).

II. ТКАНЕВАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ АССИМИЛЯЦИИ И ТРАНСПОРТА АЗОТА В ОСЕВЫХ ОРГАНАХ РАСТЕНИЙ

I. Корни

Ассимиляция нитратов к аммиака. Для осуществления ассимиляции азота в корне но флоэме центрального цилиндра с нисходящим током из листьев поступает универсальная форма транспортируемого углерода—сахароза, а в зону коры из внешней среды—нитраты, наиболее усвояемая форма минерального азота. Следовательно, образование и ассимиляция аммиака в корне происходит в результате взаимодействия различных пространственно разграниченных тканевых зон — коры и центрального цилиндра.

Результаты наших исследований показали (см, рис. 2), что активное превращение сахарозы начинается уже в центральном цилиндре. Об этом можно судить из данных по экспонированию на питательной среде с нС-сахарозой изолированных из корней кукурузы центральных пнлнндров, где были обнаружены интенсивные процессы гидролиза дисахарида и использование его углерода в процессах дыхания. Особенностью обмена сахарозы и центральном цилиндре, как было показано на корнях гороха, является также использование ее углерода при биосинтезе полисахаридов, необходимых для построения прочной клеточной стенки (Dick, Rees, 1976).

Неиспользованная в обмене центрального цилиндра сахароза раднально перемещается в зону паренхнмиых клеток

коры, где используется в качестве энергетического материала при восстановлении нитратов и С-акцепторов образующегося аммиака. Такой вывод вытекает из следующих данных. Во-первых, при экспонировании на среде с иС-сахарозой коры и центрального цилиндра, изолированных из корней, наибольшая радиоактивность аминокислот и амидов обнаружена в коре. Во-вторых, доминирование величины радиоактивности аминокислот в коре по сравнению с центральным цилиндром отмечено и в том случае, когда корни снабжались 14С-сахаро-зой через мезокотнлн, т. е. при сохранении естественной направленности транспортных процессов в корне — сахарозы в центральный цилиндр, а нитратов в кору. В-третьих, определение активности ключевых ферментов, ответственных за "ассимиляцию азота — НР, ГС и ГДГ, показало, что главное их местососредоточение в корие—зона коры. В-четвертых, если учесть, что в целом корне соотношение массы центрального цилиндра коры составляет примерно 1 : I, то становится более очевидным, что именно зона коры является основным местом протекания процессов ассимиляции азота.

И, наконец, данные, полученные нами по ведущей роли кортикальных клеток корней в ассимиляции нитратов и аммиака впоследствии были неоднократно подтверждены другими авторами (Лбуталыбов, Самедова, 1979; Сафарплиев и др., 1981; Зеленева и др., 1982) .

Таким образом, паренхнмные клетки коры можно рассматривать как главную метаболическую зону, в которой не только накапливаются нитраты, но происходит и их ассимиляция с участием углерода сахарозы, что в совокупности определяет метаболическую активность корней как органов растений.

Радиальный транспорт азота в корне. Сопоставление содержания аминокислот в коре и центральном цилиндре показало, что, несмотря на меньшую интенсивность образования в центральном цилиндре основных аминокислот и амидов, их содержание здесь было больше, чем в коре. Отсюда следует, что основные аминокислоты и амиды могли поступать в центральный цилиндр из других органов растений или ра-диально перемещаться из коровой зоны.

Для изучения радиального транспорта органического азота в корне с учетом потребности в нем растущих клеток корня и надземных органов были проведены специальные исследования. Корни проростков кукурузы погружали в питательную сроду, содержащую различные нС-аминокислоты и амиды, наиболее интенсивно поглощающей средней частью (20— 50 мм от кончика корня). Кончнк и базальная часть не соприкасались с радиоактивной средой. После различного времени .экспонирования на |4С-субстратах корни расчленялись на кои. .11

t»iK, среднюю и базальную част», а также на составляющие их тканевые зоны — кору н центральный цилиндр.

Оказалось, что из всех испытуемых |4С-аминокнслот (ала-unit, аспартат, аргинин, глутамат) и |4С-амидов (аспарагнн, глутамнн) в зоне коры наиболее активно обменивались те соединения, которые в азотном обмене выполняли ведущую роль — глутамат и глутамнн.

Поступившие в кору нС-субстраты интенсивно перемещались в центральный цилиндр в исходной форме н в виде продуктов превращения (рис. 3). Соотношение исходных соединении и продуктов обмена в центральном цилиндре существенно различалось. Глутамат поступал . в центральный цилиндр преимущественно в форме продуктов обмена, В убывающей степени эта способность сохранялась в ряду: аснартат, аланнн, глутамнн. Резервные источники перемещались из коры в центральный цнлиндр в основном в неизменном виде. На основании этого можно сделать допущение, что транспорт образовавшихся в коре аминокислот в центральный цилиндр происходит избирательно.

Этот же вывод следует нз данных по прямому поглощению иС-аминокнслот и амидов изолированными тканевыми зонами— корой н центральным цилиндром. Корой интенсивно поглощались те соединения, которые активно участвовали в первичных превращениях азота — глутамнн, глутамат, аспартат. Вещества, менее активно участвующие в азотном обмене — аспарагин, лейцин п фенилаланин, более интенсивно поглощались клетками центрального цилиндра. Обнаруженная избирательность в передвижении аминокислот н амидов из коры в центральный цнлиндр позволяет объяснить известные случаи несоответствия содержания аминокислот в корнях и пасоке (Мосолов, Лапшина, 1964; Измайлов, 1968). На этом основании можно объяснить и природу формирования в корнях специализированного транспортного фонда, который отличается по соотношению составляющих аминокислот и амидов от общего фонда, свойственного корню.

Аминокислоты н амиды, поступающие в центральный цнлиндр, включаются в его метаболизм. В частности, при выдерживании центрального цилиндра на мС-сахарозе или 14С-ами-нокислотах была обнаружена высокая радиоактивность ГЛМК, что свидетельствовало о ее биосинтезе в этой зонс-на основе транспортных компонентов. Определение активности глута-матдекарбоксилазы, ответственной за образование ГЛМК, подтвердило активное протекание в центральном цилиндре ее биосинтеза. По-видимому, в зоне центрального цилиндра на участке цикла Кребса 2-оксоглутарат — сукпннат функционирует ГАМК-шунт, способствующий утилизации субстратов и, 12

прежде всего, аминокислот, из которых происходит наиболее активный биосинтез ГАЛ1К, в процессах дыхания.

Взаимодействие радиального и продольного транспорта азота в корне. Для исследования этого вопроса использовались различные экспериментальные подходы. Один из них основан на изучении распределения радиоактивно меченных по углероду продуктов обмена в тканевых зонах апикальных и базальных участков корня после введения иС-сахарозы через кору средней части корпя. При этом достигалась естественная векторность транспортных процессов в корне с учетом ведущей роли коры — главного донора органического азота в зоне корневых волосков. В других случаях иС-сахарозой питались проросшие зерновки в целью изучения' взаимодействия нисходящего тока органического азота с радиальным. Обобщение данных, полученных в различных опытах, позволило судить об одновременном взаимодействии радиального транспорта с продольным в восходящем и нисходящем налрав: леннях.

При инкубировании на среде с 14С-сахарозой различных по возрасту 10 мм участков корней на протяжении 0—60 мм оказалось, что углерод сахарозы использовался при биосинтезе аминокислот наиболее активно в зоне корневых волосков (0— 30 мм). В базальных частях использование углерода сахарозы было наименьшим. При экспонировании на ,4С-сахарозе целых корней с последующим их расчленением на участки происходило изменение в распределении ее метки среди продук» тов обмена. В отличие от предыдущего опыта наблюдалась тенденция к повышению аккумуляции радиоактивности большинства аминокислот в базальной части корня по сравнению с его кончиком. Таким образом, изменение радиоактивности аминокислот в случае целых корней свидетельствовало о том, что образуемые в средней части корней аминокислоты транспортировались по центральному цилиндру в различных полярных направлениях.

Оснбвные аминокислоты и амиды, образующиеся в коре, 1 поступая в центральный цилиндр, передвигались преимуще-

ственно в базальном направлении. Другие аминокислоты;— глутамат, аспартат, серии, треонин и тирозин в большей мере перемещались к кончику корня. Алании, феннлаланин, ГАМК, 1 пал на, лейцин и пролин передвигались примерно в равной сте-

пени в базальном и апикальном направлениях. Следовательно, образующиеся при ассимиляции азота в коре аминокислоты участвовали во взаимодействии радиального с базально-апн-кальным транспортом в разной мере.

Тот факт, что аминокислоты, образованные в коре, не в одинаковой мере участвовали в питании кончика, связано, с наличием дополнительного — нисходящего тока этих соедине-

ний в корне ii3 проросших зерновок и надземных органов. Так, при литании проросших зерновок иС-сахарозой с последующим анализом радиоактивности аминокислот и амидов в различных участках корней и тканевых зонах было установлено следующее. Главными азотсодержащими продуктами обмена иС-сахарозы в зерновках были днкарбоновые аминокислоты и особенно их амиды. Они же были и основными продуктами, транспортирующими азот по корню в апикальном н радиальном направлениях. Следовательно, интенсивность оттока к кончику корня аминокислот, образованных в зоне коры, регулируется мощностью другого потока, идущего из зерновок или надземных органов, что было отмечено и в работах других исследователей (Wheatley, Oaks, 1978).

Поэтому обнаруженные особенности базально-аникального распределения аминокислот и амидов по корню являются относительными. Они могут меняться в зависимости от обеспеченности растений азотом. Такой вывод следует из опытов, когда корни кукурузы помещались на среду с иС-глюкозой и разным содержанием нитратов. При отсутствии в среде нитратов большая часть аминокислот, образованных в корне, перемещалась в апикальную часть, а при оптимальной для роста дозе — в базальную.

Следует допустить, что физиологическая целесообразность транспорта одних и тех же азотсодержащих соединений в разных полярных направлениях по корню состоит в том, что аминокислоты и амиды, образованные в зерновках, мигрируют по флоэме к кончику корпя, где предпочтительно утилизируются при синтезе белка, направленного на деление и рост клеток. Аминокислоты, поступающие из коры корней, в свою очередь легче используются при биосинтезе белка в надземных растущих частях растений.

2. Гипокотили, мезокотили, стебли

Несмотря на длительное исследование строения и функций осевых неноглощающпх органов — гипокотилей, мезокотилей и стеблей, их роль в жизнедеятельности растений оказалась значительно менее изученной, чем корней и листьев. Они рассматривались, главным образом, как передатчики веществ в растении по специализированным тканям — ксилеме и в еще большей мере — флоэме (Курсанов, 1976; Bollard, 1960; Canny, 1975; Pitman, 1975). Работ, посвященных изучению указанных органов в совокупности нх других функций до сих пор проведено явно недостаточно. Некоторое стремление к этому обнаруживается в последнее время, когда стало очевидным, что транспорт веществ на далекие расстояния тесным образом связан с обменом не только проводящих, но и пограничных с ними — латеральных тканей (Соколова, Красавина, 1980).

- И

Именно поэтому изучение тканевых взаимодействий в осевых непоглощаюших органах нами проводилось по пути выявления их комплексных функций в азотном питании растений. Главное внимание было уделено гипо- и мезокотилям — органам, выполняющим уже на ранних этапах онтогенеза растений аккумуляцию, переработку и распределение азотсодержащих соединений. Вместе с тем мезокотилн исследовались и в качестве модельной системы для возможного понимания роли осевых непоглощенных органов на более поздних этапах развития растений.

Запасающая функция. Анализ содержания аминокислот и амидов в различных органах некоторых двудольных и однодольных растений, росших в течение 6 и 8 суток в темноте на среде Уайта,показал, что ткани осевых непоглощаюших органов накапливали растворимый органический азот в больших количествах, чем корни и листья. Причем аккумуляция азота и гнпокотнлях и мезокотилях происходила в какой-то мере вне зависимости от аминокислотного обмена растений — преимущественно в виде амидов, имеющих в молекуле «рентабельное» соотношение азота к углероду.

Минеральный азот, в частности, наиболее транспортабельная и усвояемая его форма — нитраты, в гнпокотилях и мезокотилях в повышенных количествах по сравнению с другими органами не накапливались. Следовательно, аттрагирующая способность гипокотилей и мезокотнлен по отношению к различным азотсодержащим соединениям осуществляется избирательно.

Какие именно ткани ответственны в этих органах за аккумуляцию азотсодержащих соединений — на этот вопрос позволяют ответить результаты опытов по расчленению и исследованию содержимого двух основных составляющих их тканевых зон — коры и центрального цилиндра. Анализ свободных аминокислот и амидов показал, что их содержание в коре было значительно больше, чем в центральном цилиндре (рис. 4). Учитывая соотношение тканевых зон в целом органе, можно найти, что растворимый органический азот до 95% сосредоточен в зоне паренхимных клеток коры. Здесь аспарагин составлял до 40% всего растворимого органического азота коры мезокогилей и присутствовал и тех же количествах, что и главный углеродсодержащнй продукт — глюкоза.

Метаболическая функция. О способности мезокотилей кукурузы к ассимиляции азота можно судить на основании данных по распределению активности НР, ГС и ГДГ в различных органах. При росте растений в темноте активность всех ферментов в корнях была выше, чем в мезокотиле и листьях, что свидетельствует о ведущей роли корней в ассимиляции азота. Но активность ГДГ в мезокотилях оказалась достаточно вы-

сокой н приближалась к таковой в корнях. Из этого следует, что мезокотилн можно отнести к органам растений, которые в целом ассимилируют минеральный азот в меньшей степени, чем корни, но определенные метаболические пути в этом направлении у них выражены отчетливо.

Экспонирование коры н нейтрального цилиндра, выделенных из мезокотилей, па нС-сахарозе позволило выявить обмен-■ ные особенности этих тканей. В центральном цилиндре НС-сахароза использовалась преимущественно в процессах гидролиза с последующей утилизацией гексоз в дыхании. В кортикальных тканях углерод активнее использовался при биосинтезе аминокислот н амидов. Таким образом, говоря о важной роли коры в аккумуляции органического азота в мезокотилях, следует подчеркнуть, что это достигается за счет метаболических свойств самой коры, частично обеспечивающей ассимиляцию минерального азота и обмен аминокислот на основе компонентов транспорта.

Корни растений, как мы уже отмечали, также, осуществляют ассимиляцию азота преимущественно в зоне коры. Поэтому важно сопоставить метаболическую активность этих двух зои различных осевых органов при биосинтезе аминокислот и амидов. С этой целью было проведено экспонирование на. средах с мС-сахарозой кортикальных зон мезокотилей и корней кукурузы. Оказалось, что кора мезокотилей, значительно уступая коре корней в поглощении 14С-сахарозы, использованию ее углерода в дыхании, была способной к биосинтезу аминокислот лишь в несколько меньшей степени, чем кора корней.

Но в отличие от коры корней, в коре мезокотилей была ■обнаружена высокая относительная радиоактивность аспара-гнна. Поскольку активность ферментов по прямой асснмиля-иии азота в коре мезокотилей ниже, чем в коре корней, то естественно считать, что основная направленность азотного обмена в мезокотилях происходит в большей мере за счег вторичных преобразований аминокислот.

Таким образом, особенностью осевых непоглощающих органов на ранних стадиях развития растений является их способность к переработке азотсодержащих соединений в направлении обогащения своих тканей амидами. Основной тканевой зоной, где происходит это преобразование аминокислот и их сосредоточение в запасном фонде, являются паренхимные ■клетки коры.

Распределительная функция. Роль в общем круговороте веществ в растении. Для того, чтобы осмыслить физиологическое значение выявленных функций у осевых непоглощающих органов, необходимо найти их место в общей системе круговорота веществ, в том числе применительно к азотному питанию

растений. Для решения этого вопроса были проведены исследования, в которых меченую иС-сахарозу или нС-глюкозу вводили в корни, эндоспермы проросших' зерновок, мезокотили н листья проростков кукурузы, росших в темноте. По направленности транспорта образующихся из радиоактивных субстратов продуктов обмена в дальнейшем судили о взаимоотношениях различных органов в целом растении.

Главными спнрторастворимыми продуктами превращения нС-сахарозы в проросших зерновках были сахара и органические кислоты. Среди образующихся аминокислот доминировали аснарагнн и глутамнн. Продукты обмена ,4С-сахарозы из эндоспермов проросших зерновок перемещались в различные органы растений. Но главный их поток был направлен в побеги, а не в корни. Следовательно, основная направленность транспортных процессов при гетеротрофном, пита пни растений способствовала проявлению запасающей функции мезокоти-лей.

При питании мС-глюкозой корней проростков было обнаружено, что сахара, органические кислоты и аминокислоты по ходу восходящего транспорта в побеги аккумулировались тканями мезокотнлей не в одинаковой степени. Аминокислоты аккумулировались сильнее, чем сахара и органические кислоты, а амиды, в свою очередь, ц большей степени по сравнению с кислыми и нейтральными аминокислотами. Таким образом, эти данные указывают на наличие избирательности в аккумулировании в мезокотилях соединений, транспортируемых из корней в листья.

Подтверждение этого вывода мы находим и при сравнении количественного состава аминокислот и амидов в эксудате мезокотнлей, срезанных у основания и в их апикальной части. Во втором варианте опыта по сравнению с первым в эксудате уменьшалось не только общее содержание аминокислот (оно падало более, чем в о раз), но в значительной мере изменялось и их соотношение. Практически исчезали амиды, возрастал относительный уровень днкарбоновых аминокислот.

Все эти результаты дают основание указать на ту активную роль осевых неиоглошающих органов, которую они выполняют в выведении из русла восходящего дальнего транспорта азотсодержащих соединений и в их распределении но растению. Такая совокупность функций достигается взаимодействием продольного и латерального транспорта, приводящим к переходу из главной магистрали — центрального цилиндра в кору различных азотсодержащих соединений.

Каково же место выявленых функций осевых непогло-щающих органов, в данном случае мезокотнлей, в общей системе питания растений, или какова физиологическая целесообразность их проявления? Все отмеченные функции

2 17

мезокотилей кукурузы были выявлены на растениях, росших в условиях темноты. Именно в таких условиях происходил интенсивный рост мезокотилей и в полной мере проявлялась их аттрагнруюшая способность. Действительно, дополнительные опыты по введению в мезокотнли иС-глюкозы подтвердили высокую «удерживающую» способность их тканей по сравнению с корнями и проросшими зерновками. Лишь часть радиоактивных веществ экспортировалась в листья, тогда как их экспорт н корни был минимальным.

Введение [<С-глюкозы в проростки кукурузы через листья показало, что на стадии сочетания гетеротрофного и автотроф-ного питания высок аттрагпруюшнй потенциал и листьев. Поглощенная листьями мС-глюкоза или мС-сахароза почти полностью удерживалась и их тканях и незначительно мигрировала в нисходящем направлении. Такая особенность обнаруживалась у растений, росших в темноте и на свету.

В то же время при освещении листьев интенсивность биосинтеза белка в них заметно возрастала, дополнительно усиливался их аттрагнрующий потенциал. Это требовало мобилизации запасов всего проростка и, в первую очередь, запасов мезокотилей как богатого азотом депо. Так радиоактивность иС-глкжозьг, введенной в мезокотнли, обнаруживалась в аминокислотах белка листьев как на свету, так и в темноте. ■Однако на свету продукты ее обмена, поступившие из мезокотилей, включались в белок листьев с нарастающей скоростью, тогда как в темноте она снижалась.

В самих мезокотнлях активность белкового синтеза в зависимости от освещения имела тенденцию, противоположную листьям: на свету она падала, а в темноте возрастала. Соответственно падала и аттрагирующая способность тканей мезокотилей под действием света. Все это на фоне преобладания в растении восходящего дальнего транспорта над нисходящим создало условия для оттока запасов из тканей мезокотилей в листья, где они были необходимы для формирования и активизации деятельности фотосинтетнческого аппарата.

Таким образом, мы видим, что в отличие от типично запасающих органов, например, корнеплодов, осевые непоглощаю-щне органы характеризуются «лабильным» типом депонирования и на смену их акцепторных функций под влиянием условий среды появляются противоположные—донорные свойства. Это лишний раз подчеркивает активную физиологическую природу медиальных органов в растении.

Итак, на основании изложенного выше материала необходимо сделать обобщенный вывод, что уже на ранних стадиях развития растений, когда их питание осуществляется одновременна гетеротрофным н автотрофным способами, для осевых непоглощающих 'органов характерны разнообразные физио-

мкг/мл васокя

100

500

300

100

0 7,0 14,0 29,0

700

500

300

ТОО

•10"% нитратного аэота мкг/мл пасоки

56,0 0 7,0 14,0 20,0 56,0

•10""% нитратного аэота

О 7,0 14,0 28,0 26,0

• нитратного аэота

О 7,0 14,0 28,0 56,0

•10-3М нитратного аэота

Рис.Г . Содержание нитратного /Н/, аминного /А/ и аммонийного азота в пасоке 20-дневках растений люпина, кукуруза и дурнишника в зависимости от доэн нитрлтов г* срезе.

Лмимг-киевшты, аыи/и >

?ло.2. Предполагаемая схема взаимодействия кори и центрального щуп гидра корне!* кукуруз н при ассимиляции и транспорте азота (Измайлов и др.,1080). Толщина линий соответствует интенсивности обменных и транспортных процессов.

"Первичные" аминокислоты

% 35,4 64,6 25,5 74,5 17,6 62,4

Центральный цилиндр ! ШШ

\ 1 \

Кора Алании - Аспарагино вал кислота Глутаминовая кислота

Резервные источники органического азота

Центральный цилиндр Ш, Ж

! ) 1

Кора Аспарагин Аргинин

1 1

Глутамин

Рке.З Соотношение транспорта *4С-аминокисдот и

ашдовС г~ [ > в продуктов их превращений (ешпз) из коры в центральный цилиндр корней кукурузы; данные представлены в % от суммы радиоактивности аминокислот и амидов центрального цилиндра СИзмайлов и др., 1973).

200 ^

160 ^

120 -

80 -

40 -

Айн

40 -

Г ли

I-

КОРА

Зен

маГио Л сп

Глу Кет

т С«р Глн Тре ¡Зал

Тир гякАм,

-г ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ^ ЦИЛИНДР

Рис.4 Содержание свободных аминокислот и амидов в коре к центральной цилиндре мезокотклей 5-дневншс этиолированных проростков кукурузы (в «пег азота на г енрой массы).

ив,

Ряс.5. Ррвцполагаемэя схема общего круговорота углерод-, азотсодержащих соединений в растениях кукуручм при их авто- и гетеротрофном питании (ИэмаРлов и др. ,1С82_). Толщина линий отражает интенсивность процессов.

Рис.6. Динамика радиоактивности Сахаров и аминокислот в изолированна* корнях лшвркн при их инкубирования на среле о ^С-сахарозой; ланнча внражены имп/мш на г сыров массы ^Измайлов и Яр., 1973^.

► — -16 -16. — —

80 * 13 гз 13 13 12 13 13 12

60 12 12 — И 10 9 12 II

40 II го10 9 12 8 II То 10

10 9 тг 8 "Г 8 7 9 9

20 7 5 7 5 5 5 3 8

4 •V 4 3 . § Т 5-

2 2 4 3 4 з -Г

т I 3 ? О I

и Т 'А I I

-16

3 3

-16

12 10

1Г 10

тг

10 я

9 7

8 3

5, Ь. 6

4 4

2 I 2

13 13

12 12

9 9

5, 4 в

Я ь,

I I

ГГ

г п

I II

I п

I II

Рис.7, Удельная радиоактивность аминокислот и амидов в изолированных корнях (I) и корневых каллусннх тканях (II) различных видов растениР, инкубированных на среде с С-сахароэоР {% от суммы удельных радисактквяостей аминокислот и амидов) ,

1-глутомах, 2-ГАМК, 3-пролпн, 4-арглнин, 5-аспартот, б-глутамин, 7-аспарагин, 3-треонин, 9-аланин, 10-валин, Т1-лейшш, 12-сорин, 13-глицин, 14-гкстедин, 15-ткрозии, 16-$енияаланин.

S0 fff 40

гр

3 f Z J * s f / s

8. Удельная радиоактивность ГАМК в изолированны* корнях кукурузы после их ' 24 час инкубирования на среде с различными C-cyd с гратами: 1-С-глшин, 2-^4С-глвкоэа, 3-^С-серин, 4-С-ас-партат, 5-14С-аспарапш, 6-14С-глута-«ат, 7-^С-аланин, 8-*^С-гдуташн, % от удельной радиоактивности глутамата (Измайлов, Смирнов, 1977),

дппЛ

12 3*56 7

Ей с. 9, Отношение уд ельник радио активностей аспарагина я аспартага в корнях проростков кучгруэи после их 24 час инкуйяровагой на среде с различным! С-суОс-тратами; I- С-глутаьин, 2-14С-глугамат, 3-*4С-аеоара-пи, 4- С-аспарииг, 5-С-гл»-коза, б-^С-серяв, 7-^^Оглвдйн.

логические функции, важные для всего организма. Представление об их роли в жизнедеятельности растений кукурузы дает схема, изображенная на рис. 5.

Продукты гидролиза белков и полисахаридов, образуемые в проросших зерновках, передвигаются преимущественно в восходящем направлении, что способствует интенсивному питанию побегов, представленных в эти периоды мезокотилямн и листьями.

Если рост растений протекает в темноте, то аминокислоты и амиды, поступающие в побеги, отвлекаются тканями мезо-котилей, запасаются или частично утилизируются в их обмене, что регулирует их рост и азотное питание листьев. Листья в этот период являются в основном потребляющими органами и важной роли в продуцировании органических веществ для всего растения не выполняют. Мезокотилн можно рассматривать как депо питательных вешеств для листьев, чему способствует преобладание восходящего транспорта из них веществ над нисходящим. Особенно отчетливо донорноя роль мезоко-тнлей проявляется при действии на растения света. Рост мезо-котилей тормозится и важная их метаболическая роль, направленная на переработку и запасание поступающих из эндосперма и корней питательных веществ, уступает место допорным функциям. Последние создают необходимые условия для полноценного ннтання и роста листьев, в которых формируется фотосинтетнческий аппарат.

Приведенную выше схему круговорота веществ в молодых растениях с участием мезокотнлей мы рассматриваем как возможную модель органных взаимодействий и на более поздних стадиях развития растений, когда активно функционируют стебли и их донорно-акцепгорные свойства могут определять особенности азотного питании листьев разного возраста, а также формирование генеративных органов.

III. КЛЕТОЧНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ АЗОТНОГО И УГЛЕВОДНОГО ОБМЕНА У РАСТЕНИИ.

ОСОБЕННОСТИ ИХ ВЗАИМОДЕИСТВИЯ

Локализация ферментов, ответственных за ассимиляцию минерального азота

Определение активности HP, ГС и ГДГ в субклеточных фракциях, полученных из корней 7-дневных проростков кукурузы показало, что основным местом сосредоточения ИР и ГС является цитозоль, а для ГДГ—митохондрии. В мембранном барьере клетки, первым вступающим в контакт с минеральным азотом—плазмалемме, активность указанных ферментов обнаружена не была.

Роль различных источников углерода при формировании обменного фонда аминокислот н амидов в гетеротрофной клетке

При формировании общего фонда аминокислот и амидов, а также фондов индивидуальных аминокислот в растительной клетке наряду с превращением азота важная роль принадлежит углероду. Но до последнего времени основное направление, по которому шло изучение физиологии и биохимии азотного обмена растений, в большей мере состояло в выявлении метаболических звеньев или отдельных ферментативных реакций, ответственных за ассимиляцию азота (Кретовнч, 1972; Beevers, 1976; Miflin, Lea, 1977). Поэтому заслуживает специального рассмотрения вопрос об участии различных С-суб-стратов в биосинтезе аминокислот и построении их дискретных фондов.

Оптимальным источником углеродного питания гетеротрофных органов растений является сахароза и глюкоза, которые в их клетках пространственно организованы в различные фонды, различающиеся по степени участия в процессах дыхания и транспорта (Гродзинский и др, 1968; Оканенко н др., 1968; Юдина, 1969; Холодова, 1978; Porter, May, 1955; Beevers, 1964). Фондовая организация сахарозы в растительной клетке существенным-образом отражается и на особенностях ее использования при уснюенни азота. Об этом можно судить на основании опытов, проведенных на клоповых изолированных корнях люцерны, когда в качестве субстрата использовали 14С-сахарозу (рис.6).

Видно, что уже к первому часу инкубирования корней на среде с 14С-сахарозой величина радиоактивности образуемых аминокислот достигала максимума и превышала значение радиоактивности эндогенной сахарозы,-а также образующихся из нее гексоз. Иными словами, насыщение фондов аминокислот 14С во времени существенно опережало таковое у Сахаров и при ассимиляции азота предпочтение отдавалось углероду вновь поглощенной сахарозы, сосредоточивающейся в метаболически активном фонде. Присутствующая в большом запасном фонде сахароза оказалась менее доступной для биосинтеза аминокислот и амидов. Таким образом, наличие гетерогенности фондов сахарозы создает возможности для регулировании биосинтеза аминокислот и амидов преимущественно за счет вновь поступающей в клетки корней сахарозы.

Изучение путей утилизации углерода нС-сахарозы при формировании общего фонда аминокислот и амидов в гетеротрофной растительной клетке нами проводилось на изолированных корнях и изолированных каллусных тканях корневого происхождения люцерны, вики, ели, сосны, кукурузы и свек-

лы. Для этих объектов была присуща разная направленность азотного обмена. Так, главным компонентом, в виде которого накапливался азот в корнях люцерны и вики, был аспарагнп. В изолированных объектах ели и сосны преобладал аргинин. Особенностью аминокислотного состава в корнях и тканях кукурузы было высокое содержание аланнна, а свеклы — глутамина.

Из данных по радиоактивности аминокислот, образованных из 14С-сахарозы в изолированных корнях и каллусных тканях следовало, что наибольшая радиоактивность у большинства объектов, как правило, сосредоточивалась в тех соединениях, которые присутствовали в исследуемых объектах в наибольших количествах. Эти основные компоненты и равной мере включали аминокислоты и амиды, которые образовывались как на путях прямой ассимиляции азота, так и при его вто- рнчных превращениях. Следовательно, формирование обменного фонда аминокислот и амидов, типичного для клеток того пли иного растения, его органон и тканей, в значительной мере определяется метаболической направленностью путей утилизации углерода и их параллелизма с прямой ассимиляцией аммиака и« происходит. Ассимиляция аммиака осуществляется главным образом за счет синтеза глутамниа и глутамата, на основе которых в дальнейшем происходит «стыковка» азота с углеродными предшественниками, которые интенсивно продуцируются углеводным обменом в специфическом для каждого объекта направлении. Благодаря этому в основном достигается формирование метаболического фонда аминокислот н амидов, свойственного клеткам того нлн иного растения.

Необходимо подчеркнуть, что н целом ряде случаев прямо пропорциональной зависимости между величиной радиоактивности аминокислот и их количественным содержанием и клетках не наблюдалось. Как один из наглядных примеров отмстим факт присутствия аланнна в изолированных корнях и тканях ели и сосны в количествах значительно меньших, чем аргинина, несмотря на обратную зависимость в соотношении их радиоактнвностей. Из этого следует, что фонды различных аминокислот в разной мере формируются из радиоактивных ■источников, т. е. образованных из |4С-сахарозы, и из нерадиоактнвных субстратов, возникающих в таких физиологических процессах как распад белка, приток из других органов и т. д. Поэтому важно знать, какую долю вносит каждый из указанных процессов в формирование фондов индивидуальных аминокислот.

Глицин, серин, аланин. Поскольку по величине общей радиоактивности трудно составить представление об особенностях обновления фондов аминокислот, мы приводим данные по

их удельной радиоактивности (УР), выбранные по одной экспозиции — 48 час. Но они отражали основные закономерности отношений УР аминокислот и при 0,5, 1, 3, 12 и 24 час инкубирования изолированных корней и каллусных тканей на 14С-сахарозе (рис. 7).

Ведущее положение по величине УР практически у всех объектов занимали две аминокислоты — глицин и серии. Исключение из этого правила наблюдалось лишь у корней и тканей кукурузы, где более высокое значение УР было у ала-нина. Таким образом, глицин и серии оказались аминокислотами, у которых обновление фондов шло наиболее интенсивно за счет углерода вновь поглощенной сахарозы, что указывает на преимущественный нх синтез из ранних продуктов обмена сахарозы — субстратов гликолиза.

Степень обновления фонда аланина углеродом |4С-сахаро-зы у разных объектов значительно колебалась, и этот показатель не находился в прямом соответствии с содержанием аланина. Для того, чтобы понять некоторые особенности формирования фонда аланина, целесообразно было изучить кинетику его насыщения углеродом |4С-сахарозы в изолированных корнях люцерны, т. е. объектах, где значение УР аланина было невысоким. Оказалось, что характер насыщения фонда аланина МС принципиально отличался от такового у сери на и глицина, а также целого ряда других аминокислот. Значение УР глицина и серпна достигало наибольшей величины уже к 1 часу, тогда как у аланина лишь после 24 час.

Медленное насыщение фонда аланина 14С вряд ли было отражением его слабого синтеза в клетках корней. Скорее оно указывало на способность этого фонда к расширению за счет притока углерода нерадноактивных субстратов, образованных не из экзогенной сахарозы.

Действительно, дополнительные опыты показали, что углерод различных мС-аминокнслот и амидов гораздо легче включался в аланин по сравнению с глицином и серином. Как следствие этого, аланин наряду с дикарбоновымн аминокислотами и ГАМ К оказался ведущей аминокислотой по величине радиоактивности, Следовательно, фонд аланина, в отличие от глицина и сернна, активно пополнялся углеродом аминокислот и благодаря этому, независимо от интенсивности его синтеза из сахарозы в исследуемых объектах, он присутствовал в количествах больших, чем ссрин и глинин. Фонды глицина ц серина, как мы видим, слабо пополнялись углеродом аминокислот и их накопление зависело, главным образом, от интенсивности катаболического распада Сахаров.

Заметим, однако, что такой вывод правомерен лишь в том случае, если клетки находятся в условиях оптимального обеспечения сахарозой. При резком углеводном голодании нзолн-

ронянных корней люцерны, что достигалось исключением из среды немеченой 2% сахарозы, происходило стремительное подавление включения углерода нС-сахарозы в различные аминокислоты и, прежде всего, в аспарагнн, который при оптимальном обеспечении корней сахарозой был главным соединением, аккумулирующим ее углерод. Но одновременно шло нарастание радиоактивности в аланнне, вследствие чего ее значение превысило радиоактивность аспарагнна при питании корней 2% сахарозой. Следовательно, в разных условиях углеводного питания гетеротрофных клеток аланнн может выступать как продукт углеводного, так и азотного обмен 1. Из этого, в свою очередь, вытекает и другой важный вывод: уровень обеспеченности растительной клетки сахарозой влияет на альтернативный выбор путей утилизации ее углерода в азотном обмене.

На таком основании можно объяснить причину высокой радиоактивности аланнна по сравнению с аргинином в корнях н тканях хвойных растений при наличии обратной зависимости их количественного содержания. Длительный рост корней и тканей может быть достигнут лишь при 6%-ном содержании сахарозы в питательной среде (Момог, 1974). В наших опытах использовались среды, содержащие 2%' сахарозы. Более интенсивное включение метки и аланнн по сравнению с аргинином в изолированных корнях и тканях хвойных было обусловлено недостаточным обеспечением их сахарозой.

Дикарбоновые аминокислоты и амиды. Функциональная компартментация фондов

Глутамат. Ближайшими азотсодержащими продуктами обмена глутамата являются глутамнн и ГЛМК. Анализируя данные по УР аминокислот и амидов при питании изолированных корней н тканей разных видов растений мС-сахарозой, можно обнаружить следующую закономерность. Для каллус-ных тканей, в отличие от корней, было характерно повышенное содержание ГЛМК при относительно низком значении ее У Р. Падение УР ГАМК при одновременном возрастании ее содержания в каллусных тканях по сравнению с изолированными корнями является, скорее всего, следствием предпочтительного синтеза ГЛМК из нерадиоактивных субстратов, в частности, аминокислот, которые присутствовали в среде выращивания каллусных тканей в виде гидролнзата казенна (100 мг/л) и отсутствовали в среде, где росли корни. Следовательно, повышенное содержание в тканях ГЛМК и низкое значение ее УР по сравнению с корнями могут быть обусловлены более предпочтительным участием аминокислот по сравнению с сахарами в построении того фонда глутамата, который ответственен за биосинтез ГЛМК.

Для'лроверки этого предположения были проведены опыты по питанию изолированных корней вики 14С-сахарозон и глу-таматом. Оказалось, что при питании корней иС-сахарозой отношения УР глутамата и продуктов его обмена — ГЛМК и глутамина поддерживались на таком уровне, что УР ГЛМК превышала УР глутамата. Это подтверждает возможность образования ГЛМК в клетках корней из комиартментированного фонда глутамата. Если же к среде, содержащей 14С-сахарозу, добавить перядноактивный глутамат (10 мМ), то УР ГЛМК в корнях снижалась. Радиоактивность другого продукта—глутамина изменялась в меньшей степени. Не падала так стремительно и величина УР самого глутамата, так как фонд, ответственный за образование ГЛМК, вероятно, был небольших размеров и значительного изотопного разбавления в общем фонде глутамата не происходило.

В другом варианте опыта в питательную среду на фоне 2% сахарозы был введен иС-глутамат. В этом случае экзогенный ,иС-глутамат, поглощаемый изолированными корнями вики, интенсивнее наполнял углеродом фонд ГЛМК, чем сахароза. Как следствие этого УР ГЛМК превысила значение УР- глутамата. В соответствии с этим необходимо знать, углерод каких именно аминокислот имеет наибольшую доступность к фонду глутамата, обеспечивающего биосинтез ГЛМК.

Для ответа на поставленный вопрос было проведены опыты по питанию корней кукурузы различными мС-амннокнслотами и 14С-глюкозой. Степень доступности углерода экзогенных |4С-амппокнслог компартментнрованному фонду глутамата, который участвовал в биосинтезе ГЛМК, оказалась неодинаковой. В наибольшей мере доступен был углерод глутамина и аланнна. Затем следовали дикарбоновые аминокислоты и аспарагин. На последнем месте оказались ■ глюкоза, серии н глицин (рис. 8).

Данные, полученные нами по гетерогенности фондов глутамата при биосинтезе ГЛМК, нашли подтверждение в исследованиях других авторов, проведенных на побегах проростков гороха (Землянухин и др., 1974, 1977; Землянухнн, Ершова, 1981), Здесь также была выявлена сходная закономерность по использованию углерода различных экзогенных '^-источников: синтез ГЛМК, особенно интенсивно протекающий в анаэробных условиях, был связан с преимущественной утилизацией в этом процессе углерода аланнна.

При биосинтезе другого продукта обмена глутамата — глутамина, преимущественного-потребления углерода экзогенных аминокислот по сравнению с сахарами не наблюдалось. Из этого можно заключить, что образование глутамнна и ГЛМК, -по-видимому, протекало из этнологически и функционально различных фондов глутамата. Подтверждением этого являюг-

ся н данные опытов с изолированными корнями и тканями ви-кн, экспонированными на среде с нС-глутаматом в различных условиях газового режима. В условиях анаэробиоза, вызванного предварительной продувкой содержимого колб аргоном, синтез ГАМК в корнях активизировался, синтез глутампна был подавлен. Падение радиоактивности амида происходило еще более стремительно, чем у глутамата. Следовательно, в анаэробных условиях фонд глутамата, обеспечивающий биосинтез ГАМК, активно пополнялся углеродом экзогенного глутамата, тогда как функционирование фонда, ответственного за образование глутампна, связанного с никлом Кребса, подавлялось.

Таким образом, мы видим, что обмен глутамата осуществляется на основе компартментации его фондов. Дискретность этих фондов связана с различным участием в их построении углерода Сахаров и аминокислот по следующим причинам;

фонд глутамата, ответственный за процессы ассимиляции азота и приводящий к образованию глутампна, формируется с преимущественным участием углерода Сахаров, но не аминокислот;

фонд глутамата, используемый в процессах декарбоксили-ровэния, при образовании ГАМК формируется с доминирующим участием углерода аминокислот, а не Сахаров, и является, вероятнее всего, звеном ГАМ К-шунта, направленного на утилизацию углерода аминокислот в процессах дыхания,

Аспартат. УР аспартата, как и продуктов его обмена — аспарагина и треонина, была неодинаковой у корней н тканей различных видов растений. По общей закономерностью для изолированных корней и тканей (исключение составил лишь вариант с корнями люцерны) было превышение значения УР треонина над УР аспарагина. Следовательно, интенсивность обновления углерода в фонде аспарагина при обмене аспартата уступала таковой для треонина, несмотря на более отдаленные метаболические связи в последнем случае.

Обращает на себя внимание н тот факт, что у большинства изолированных корней и каллусных тканей УР треонина превышала не только УР аспарагина, но и абнартата. Это лишний раз свидетельствует о том, что треонин мог образовываться нз компартментироианного, метаболически активного фонда аспартата, углерод которого не доступен аспарагипу.

Превышение УР треонина над аспарагином отчетливо наблюдалось и при экспонировании корней кукурузы на различных иС-аминокнслотах. Причем, как видно из рис, 9, углерод различных испытуемых нС-источннков не в одинаковой мере оказался доступным аспарагину через фонд аспартата. Так, углерод глюкозы более активно участвовал в построении фонда аспартата, ответственного за биосинтез аспарагина, чем

о г.

экзогенный 14С-аспартат,' глутамат или амиды. Главными продуктами обмена 14С-аспартата были глутамат, аланпн, ГАМК н треонин, но не аспарагин. Из этого следует, что основная направленность обмена экзогенного иС-аспар*гата проходил*! не по пути образования амида, а аминокислот, связанных с циклом Кребса и треонина. Данные такого рода получены были также на корнях гороха (Mitchell, Bidwell, 1970), ячменя (Oyi, Izawa, 1973), семядолях бобов (Streeter, 1973) и листьях шелковицы (Yamasfiita, 1981).

Данные рис. 9 свидетельствуют также о легкой доступности фонду аспарагина углерода глицина п серина, метаболические пути которых далеко отстояли от предшественника аспарагина— аспартата. Это указывает на то, что при формировании фонда аспарагина важная роль принадлежит конденсации серина с цистеином и цианидом через ß-цианоаланнно-вый путь, который был ранее открыт на растениях люпина, хлопка, клевера и сорго (Blumental et al., 1968; Hendrickson, Conn, 1969; Lever, Bulter, 1971). Судя по нашим данным, указанный путь обмена может интенсивно протекать и при отсутствии экзогенного цианида.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать вывод, что компартментаиия дикарбоноеых аминокислот в гетеротрофной растительной клетке представляет собой важный механизм регуляции избирательного потребления в обмене различных источников углерода.

Заключение

Анализ собственных исследований, а также литературных данных дает основание заключить, что за последние годы в решении проблемы азотного питания растений наряду с достижениями в аналитических подходах, нашедших выражение в открытии новых ферментных систем, выяснении их структуры, свойств и способов регуляции, стал отчетливо проявляться фронт работ синтетического профиля, в которых намечена интеграция частных биохимических реакций до уровня целых физиологических процессов. Перспективными в этом направлении стали исследования, объединяющие в единое функциональное целое роль различных уровней пространственной организации азотного обмена у растений.

В целом растении ассимиляция азота в отличие от углерода протекает как в фото-, так и в нефотосинтезируюпшх органах и азотное питание всего организма представляет собой результат метаболической активности и взаимодействия, прежде всего, двух основных «полюсов» ассимиляции — корней и листьев, И о необходимо учитывать, что способность корней и листьев разных растений существенно различается в асспмиля-

ции нитратов, и при обосновании способов применения в практике растениеводства доз азотных удобрений следует принимать это обстоятельство во внимание. Его недооценка приводит к повышенному накоплению н зеленой массе растений токсических для человека и животных нитратов, поскольку корни растений пропускают их избыточные дозы в побеги. Неодинаковое сосредоточение активности HP в корнях и листьях заслуживает внимания и с точки зрения поиска подходов для получения через селекцию новых продуктивных сортов, обладающих высокой ассимилирующей активностью к азоту в указанных органах растении.

Ферменты, обеспечнващне ассимиляцию аммонийного азота— ГС н ГДГ распределены по органам растений более uni-^ роко, чем HP. Причем, основная активность ГС обнаружи-

вается в листьях, а ГДГ — в корнях, В процессе роста растений, действия на них факторов внешней среды по-разному проявляются активности ГС и ГДГ, В молодых растущих органах активна ГС, в зрелых — ГДГ, На свету в листьях активизируется ГС, в темноте — ГДГ. Активность ГС в большей степени коррелирует с ассимиляцией аммиака, образующегося при дсзамнннрованни аминокислот, которые освобождаются при распаде белков в проросших семенах н перемещаются преимущественно в побеги, а не корни. Таким образом, распределение активности ферментов по растению тесно увязывается с физиологическими особенностями и состоянием различных органов.

Наряду с корнями н листьями в азотном питании растений активная роль принадлежит осевым непоглошающим органам. Но в отличие от корней и листьев их функции направлены не столько на прямую ассимиляцию азота, сколько на депонирование, переработку и распределение транзитных азотсодержащих соединений, обеспечивающих взаимодействие корней и листьев. Учитывая, что способность многих осевых непогло-щающнх органов к резервированию азотсодержащих веществ зависит от уровня обеспеченности растений минеральным азотом, следует допустить, что эта функция может быть использована как один из критериев физиологической обеспеченности растений азотом.

На примере отдельных растений уже выявлены основные тканевые зоны, обеспечивающие ассимиляцию азота в корнях и осевых непоглощающнх органах. Общий же процесс усвоения азота в этих органах включает участие многих тканей, их кооперативное взаимодействие, благодаря чему последовательно достигается ассимиляция азота, транспорт и его ката-болические превращения. В непосредственных процессах ассимиляции азота ведущая роль в осевых органах принадлежит

комплексу аналогичных тканей, построенных из паренхнмных клеток.

Вместе с тем, направленность азотного обмена в главных тканевых зонах у разных органов заметно различается. Так, кортикальные клетки корней, активные в поглощении и ассимиляции азота, биосинтезе самых разнообразных азотсодержащих соединений, в том числе и белков, функционально отличаются от кортикальных клеток гилокотилей и мезокотнлей, которые способны лишь избирательно извлекать из русла дальнего транспорта азотсодержащие вещества, перерабатывать и запасать их преимущественно в форме амидов. Обращает на себя внимание «лабильный» тип специализации тканей мезокотнлей в этом направлении. В отличие от типично запасающих тканей (паренхима корнеплодов), где приток и запасание метаболитов являются необратимыми процессами, паренхимные клетки мезокотнлей чувствительно реагируют на факторы питания растений, действие света и темноты, в результате чего проявляются не только их акцепторные, но и до-норные функции. Все это лишний раз указывает на активную физиологическую роль осевых непоглошающих органов в жизнедеятельности растений.

Большого успеха в силу логики развития биологии за последние 20 лет достигли исследования по изучению азотного обмена на клеточном уровне. Выявлена топография ключевых ферментов и отдельных звеньев реакций, обеспечивающих азотное питание клетки, раскрыты основные закономерности формирования общего фонда аминокислот и амидов при использовании двухосновных источников — углерода и азота.

При биосинтезе азотсодержащих соединений используется не вся присутствующая в клетке сахароза, а лишь небольшая, пространственно отделенная ее часть, которая легко пополняется экзогенными сахарамн. Пути утилизации углерода сахарозы в азотном питании клетки специфичны у разных растений и являются главными магистралями, по которым происходит биосинтез аминокислот и формирование их общего фонда.

При пополнении в клетке общего фонда аминокислот и амидов в качестве источников углерода помимо Сахаров широко используются другие субстраты, прежде всего, аминокислоты, образующиеся при распаде белков. Фонды индивидуальных аминокислот не в одинаковой мере строятся из различных С-источников. Так, в гетеротрофной клетке фонды глицииа и серина формируются преимущественно из углерода Сахаров, тогда как в построении фонда аланина активное участие принимает и углерод аминокислот. В зависимости от обеспеченности клетки сахарами аланин может быть как продуктом углеводного, так и азотного обмена.

Избирательность использования различных субстратов

отчетливо обнаруживается н при обновлении разных фондов одной аминокислоты. Понимание такого рода функциональной компартментацнн особенно важно для тех соединений, которые занимают центральное положение в цепи метаболических разветвлений и интегрируют различные звенья обменных процессов. Например, компартментацня фондов глутамата и аспартата позволяет проводить независимый биосинтез глута-мнна, ГЛМК, а также аспарагина и треонина, поскольку различные ферменты без конкуренции используют исходные субстраты из дискретных фондон.

Дальнейшее изучение специфики обменных процессов, происходящих на уровне разных органов растений, составляющих их тканей и внутриклеточных взаимодействий открывает перспективу для решения практических задач растениеводства. Назрела потребность широкого развития целевых комплексных исследований силами цитологов, физиологов, биохнмнкоя и агрохимиков для всестороннего исследования сложного процесса в растительном организме—азотного питания с целью внедрения законченных результатов в практику сельскохозяйственного производства.

Выводы

1. В работе детально рассмотрены особенности азотного обмена н его компартментацнн на клеточном, тканевом и органном уровнях. На основе собственного экспериментального материала и литературных данных раскрыты обобщенная картина пространственной организации азотного обмена у растений и принципы ее построения,

2. В системе целостного организма корни разных видов растений существенно отличаются по способности ассимилировать нитраты при их невысоких дозах в среде. В результате этого транспортируемый в надземные органы азот может быть представлен: нитратами; аминокислотами и амидами; нитратами, аминокислотами и амидами одновременно. При повышенных дозах нитратов в среде на фоне неодинаковой ассимилирующей способности возрастают «пропускные» свойства корней и, как следствие, у различных типов растений нитраты становятся главными или равноценными компонентами пасоки, связующими обмен корней и листьев.

3. В целом растении в процессе ассимиляции аммонийного азота в ацтотрофных и гетеротрофных органах наряду с глу-таминсинтетазон важная роль принадлежит глутаматдегндро-гсназе. Вклад этих ферментов в биохимическую дифференциацию данного процесса очевиден:

а) активность ГС сосредоточивается преимущественно в листьях, ГДГ — в корнях. Такое распределение ферментов у мио-

2Э

гих растений является генетически закрепленным признаком и прямо не зависит от особенностей органного сосредоточения НР;

б) активность ГС возрастает в листьях при росте растении на свету, а в темноте повышается активнось ГДГ;

в) активность ГС возрастает в молодых частях растений, ГДГ — в зрелых;

г) активность ГС в большей мере коррелирует с физиологическими показателями гетеротрофного питания растений азотом. Убыль запасов белка в проросших семенах ведет к большему снижению активности ГС по сравнению с ГДГ.

4. Ассимиляция и транспорт азота >в корнях растений — пространственно организованный процесс, осуществляемый при взаимодействии двух основных тканевых зон — коры и центрального цилиндра:

а) сахароза, поступающая нз надземных органов в корни, уже в центральном цилиндре подвергается гидролизу до моносахаров с последующим их вовлечением в дыхание и биосинтез полисахаридов. Особенностью обмена центрального цилиндра является также интенсивный биосинтез ГАМК, вследствие сосредоточения здесь высокоактивной глутаматдекар-бокснлазы;

б) сахароза, не использованная в процессах обмена центрального цилиндра, радиально мигрирует в зону паренхнм-ных клеток коры. Здесь она служит источником энергии при восстановлении нитратов, а также субстратом для синтеза С-акцепторов аммиака. Этому способствует наличие в кортикальной зоне высокоактивных НР, ГС и ГДГ;

в) образованные в коре при ассимиляции аммонийного азота аминокислоты и амиды в дальнейшем перемещаются в центральный цилиндр, где происходит разветвление их транспорта в базальном и акропетальном направлениях;

г) ведущая роль в восходящем н нисходящем транспорте азота принадлежит дикарбоновым аминокислотам и особенно их амидам. Преимущественно эти же соединения обеспечивают взаимодействие радиального и продольного транспорта. Физиологическая целесообразность транспорта одних и тех же азотсодержащих соединении по корню в апикальном и базальном направлениях состоит ы том, что продукты ассимиляции азота в корне являются основным источником при биосинтезе белка в растущих надземных органах, а продукты обмена надземных органов и проросшей зерновки — в кончике корня,

5. Осевые непоглошаюшне органы — гнпокотили, мезоко-тилн и стебли — важное звено в жизнедеятельности растительного организма, определяющие - на основе тканевых взаимодействии особенности его азотного питания. Уже на ранних стадиях развития растений, кроме передачи метаболитов на

далекие расстояния, для них характерны разнообразные физиологические функции, направленные на:

а) резервирование органического азота, которое достигается взаимодействием продольного ш латерального транспорта, приводящим к переходу из проводящих лучков в окружающие ткани значительных количеств аминокислот н амидом. Как следствие этого, содержание указанных соединений н гппокотилях и мезокотилях многих растений выше, чем в корнях н листьях;

б) метаболическую переработку транспортируемых по ним веществ. Здесь присутствуют НР, ГС и ГДГ, частично обеспечивающие прямую ассимиляцию азота, а также ферменты его вторичных преобразований, направленных на биосинтез продуктов обмена, богатых азотом (преимущественно амидов). Главной тканевой метаболической зоной, в которой происходит активный азотный обмен в гипокотнлях и мезокотилях, являются кортикальные клетки;

в) регулирование потоков азотсодержащих веществ но дальним магистралям путем их аттрагировання, метаболической переработки и последующим возвратом в видоизмененной форме в основное транспортное русло. Вследствие этого аминокислоты и амиды поступают в зоны потребления в ином качественном составе или количественных соотношениях.

6. При формировании в гетеротрофных клетках растений метаболического фонда аминокислот и амидов наряду с прямой ассимиляцией азота еще более важную роль играет направленность путей утилизации в азотном обмене углерода сахарозы:

а) эти пути специфичны для различных видов растений и определяют главные магистрали, по которым происходит «стыковка» ассимилированного азота с безазотнстымн предшественниками;

б) уровень обеспеченности клеток корней сахарозой влияет на выбор путей утилизации ее углерода в азотном обмене;

в) степень участия углерода сахарозы и аминокислот в построении фондов индивидуальных аминокислот различна — фонды сернна и глицина формируются преимущественно за счет углерода Сахаров. В построении фондов аланнна и дикар-боновых аминокислот активно участвует углерод аминокислот.

7. Обмен днкарбоновых аминокислот — глутамата и аспар-тата, выполняющих ведущую роль в азотном обмене, осуществляется на основе компартментацни их фондов. Дискретность этих фондов связана с различным участием <в их построении углерода Сахаров н аминокислот:

а) фонд глутамата, ответственный за процессы амидиро-ванпя и приводящий к образованию глутамина, формируется

с преимущественным участием углерода Сахаров, но не аминокислот;

б) фонд глутамата, используемый в процессах декарбокси-лировання, при образовании ГАМ К формируется с доминирующим участием углерода аминокислот и амидов, а не Сахаров;

в) фонд аспартата, который участвует в построении аспа-рагина, не идентичен другому фонду аспартата, из которого утилизируется углерод для биосинтеза треонина;

г) треонин образуется из комиартментиро-ванного фонда аспартата, имеющего тесную метаболическую связь с превращениями вновь поглощенной сахарозы или глюкозы;

д) разные источники по степени доступности их углерода асиарагнну располагаются в последовательности; глицин>се-рин>глюкоза>аспартат>глутамат>глутамин. Поэтому формирование фонда асиарагнна в гетеротрофных клетках в значительной степени может достигаться без непосредственного участия аспартата.

Компартментацню фондов глутамата и аспартдга следует рассматривать как важный механизм регуляции, позволяющий вне конкуренции между различными ферментам« использовать эти фонды благодаря пространственной их разобщенности.

Возможность регуляции и повышение эффективности всего процесса азотного питания в целом достигаются наличием систем компартментацни и интеграции метаболических процессов, пронизывающих и объединяющих все уровни структурной организации растительного организма. Познание всей совокупности этих процессов должно служить теоретической основой применения различных форм минеральных удобрений с целью повышения продуктивности сельскохозяйственных культур.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации

1. Smirnov A.M., Izmaylov S. F., Arman L. A. Compartmen-talioii oí amino acid metabolism in the isolated roots of Medicado sativa L,— In: «Morphogenesis in plant cell, tissue, organ cultures». Delhi, India, Abstracts, 1971, p. 13.

2. И 3 m a ft л о в С. О., Смирнов Л. M-, A р м а к Л, А, Гетерогенность фондов сахарозы и синтез аминокислот в изолированных корнях люцерны (Medicado sativa L.). —Изв. АН СССР, сер. бнол., 1973, .V» 6, с. 909-913.

3. Измайлов С. Ф. -Метаболизм аминокислот в изолированных корнях и корневых каллусных тканях Vicia sativa L. — Физиол. растений, 1974, т. 21, вып. 6, с. 1217—1221,

4. Измайлов С, Ф., Армии Л. А„ Смирнов А. М, Обмен асиарагнна н гл у та мин а в изолированных корнях люцерны (Medicado sativa L.). — Физиол. растений, 1974, т. 21, вып. 3, с. 518—524.

5. Л о м о г Т. С,, Л р м а н Л. Д., Измайлов С. Ф., Смирнов А, М„ Я це нко-Х мел евски й А. А. Биосинтез аминокислот в

изолированных корнях и корневых каллусных тканях ели европейской (Pîcca abîes L.). — Hart, AH СССР, сер. биол., 1974. .Na 5, с. 666— 671.

6. Измайлов С. Ф. Биосинтез треонина в изолированных корпят вики при участии аспарагнновой кисло tu к глниииа.— Фнзнол. растений, 1975. т. 22, вып. 6, с, 1191—1194.

7. Измаилов С. Ф., Дрман Л. Д.. Смирнов Д. М. Транспорт амидов длкарбоноиых а м » н окне лог из корней в листья и обновление Се л кон в различных органах проростков кукурузы.— Фнзнол, растений, 1975, т. 22, вып. 5, с. 908- 969.

8. Измайлов С. Ф., Смирнов Д. А\. Регуляция компартменга-цней метаболизма глутаминоной кис.чити в изолирован них корнях и корневых каллусных тканях, — Тез. докл. XII Международного ботанического конгресса. JI,, 1975, с. 239*2,

9. С м н р и о и Д, M., M з м а Г( л о гс С. Ф. Мегаболнзм глутаминовоЙ кислоты в изолированных каллусных тканях Vicia sativa L. в условиях анаэробиоза. — Тез. докл. XII .Международного ботанического конгресса. Л., 1975, с. 384.

10. Измайлов С. Ф., Дрман Л. Д., Смирнов Д. М. Метаболизм дикарбонових аминокислот в корнях и их транспорт в листья у проростков кукурузы. — Изв. АН СССР, сер, биол,, 1976, Jft 3, с. 407—470.

11. И з м a й л ов С, Ф„ Б р у с к о я а Р. К., С т о л ь и а я Е. С., Смирной Д. М. Проявление запасающей функции у стеблей проростков кукурузы по отношению к органическому азоту.— Фнзиол, растений, 1976, т. 23, вып. 5, с. 1065—1068.

12. Измайлов С. Ф.. Дрман Л. Д., Смирнов Д. М, Транспорт аминокислот н Сахаров из корн eil в листья у проростков кукурузы.— Изв. АН СССР, сер. биол,, 1977, .V» 1, с. 148—151.

13. И з и а й л о в С, Ф» П н с к о р с к а я В, П., Б о г а тч у к Д. М„ Смирнов Д, М. Метаболизм "С-сатарозы в коре к центральном цилиндре корней проростков кукурузы.— Фнзиол. растений, 1977, т. 21, вып. 6, с. 1181—1187.

14. Измайлов С, Ф., Смирнов А. М. Функциональная кочпарт-мектацпя дикарбоновых аминокислот и растительной клетке. — Изп. АН СССР, сер. биол , 1977, № 5, с. 733—7(6.

15. И з м а й л о в С. Ф, Пространственная организация азотного обмена в корнях растений. — Фнзиол. pacieimil, 1978, т. 25, вып. 2, с. 386—(00.

16. Измайлов С, Ф, Сравнительная характеристика легкорзегзор». мых белков корней проростков, изолированных корней и каллусных тканей Vida sativa L.— В кн.: Культура клеток растений: Тр. И Всесоюэ, кшв!>. Киев, 1978, с. 324—328.

17. Измайлов С. Ф., П и с к о рс к а я В, П., Б ру скова Р. К., Смирнов Д. М. Радиальный транспорт Си*амннокислот н биосинтез гам-ма-аминомасляной кислоты в различных тканевых зонах корней проростков кукурузы. — Физнол, растений, 1978, т. 25, вып. 5, с. 1096—1102.

18. Измайлов С. Ф., Смирнов Д. Л1. Пространственная организация обмена некоторых аминокислот в растительной клетке,-В кн.; Рост растений. Первичные механизмы роста, М.. 1978, с, 236—253,

19. Арма и Л, Д., К о ч с т к о в а Т. Д., Измайлов С, Ф., Смирнов Л, М. Изменение аминокислотного и углеводного обмена у проростков кукурузы после облучения гамма-лучами,— В кн.: Физнолого* биохимические исследования растений. Рига, 1978, с. 128—134.

20. И з м a ïi л о в С, Ф., П и с к о р с к а я В. П., Смирнов А. М. Взаимодействие радиального л продольного транспорта при пнташш корней проростков кукурузы ^С-сахарозоЙ.—Фнзнол. растений, 1979, т. 26, nun. I, с, 109—115,

21. Брускова Р. К.. Измайлов С. Ф„ Смирнов А, М. Накопление органического азота в мезокотнлях кукурузы в процессе обме-

3 33

на "С-сахарозы в коре и центральном цилиндре,— Изв. ЛН СССР, сер, виол, 1979, № 3, с. 410—И 5.

22. П к с к о р с к а я В, П„ Измайлов С. Ф,, Смирнов Л, М. Тканепая организация азотного обмена в корнях проростков кукурузы,— Тез. докл. IV Всесоюз. биохимического съезда. Л., 1979, с. 186—187.

23. И з м а й л о в С. Ф., П и с к ор с к а я В. П., Смирнов Д. М. Обмен и транспорт аминокислот в корнях проростков кукурузы при питании проросших зерновок "С-сахарозой.— Ф] 13иол. растений, 5980, т. 27, вып. 6. с. 1200—1266.

21, Измайлов С. Ф. Структур но-функциональные аспекты интеграции азогного «Смена у растений, — Физиол. растений, 1981, т, 28, вып. 3, с. 635—656.

25. Измайлов С. Ф., Брускова Р. К., Баскакова С. Ю.. Лрман Л. Л„ Смирнов Л. М. Утилизация 1,С-сахарозы в изолированных корнях и каллусных тканях растений с разной направленностью азотного обмена, — Физиол. растений, 1981, т. 28, вып. 2, с. 404—112.

26. Баскакова С, К>„ Измайлов С. Ф. Ферменты ассимиляции аммиака у растений с различным типом азотного питания, — В кн.: Регуляция метаболизма у растений: Тез. докл. II Международного симпозиума, Варна. 1981, с. 51.

27. Б а с к а к о в а С, Ю., Измайлов С. Ф,, Асеева К. Б„ Ц ю п а Г. П., С м л р н о в Л. М. Ферменты ассимиляции азота в органах растений,— В кн.: Механизмы усвоения азота и биосинтеза белка в растениях". Тез. докл. Всесоюз. снмпоз., Алма-Ата, 1981, с, 41.

28. Б р у с к о в а Р, К., К и р н с т а е в а Н. М., Измайлов С. Ф., Смирнов Л, М. Роль осевых не по глотающих органов в азотном обмене растений. — В кн.: Механизмы усвоения азота и биосинтеза белка п растениях: Тез. докл. Всесоюз. снмпоз., Алма-Ата, 1981, с, 42.

29. И з м а й л о в С, Ф-, Баскакова С, Ю„ Асеева К. Б„ Цюпа Г. П., Смирнов А, М. Распределение активности г.путаминсин-тетазы и глутаматдегндрогеназы в органах различных растений.— Изв. АН СССР, сер. 0иол., 1982, № 3, с. 321—332.

ЗО4 Измайлов С. Ф„ Бру ско ва Р, К., Киристаева Н. М„ С м и р и о в Д. М. Роль мезокотилей в азотном питании проростков кукурузы. Опыты по питанию различных органов "С-сахэрами.— Физиол. растений, 1982, т. 29, вып. 1, с. 21—31.

Л 108477 16/УИ—82 г. Объем 2'Д п. л.

Заказ 1878, Тираж 120

Типография Московской с.-х. академии им. К, А. Тимирязева 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул., 44

Информация о работе

Измайлов, Станислав Федорович
доктора биологических наук
Москва, 1982
ВАК 03.00.12

Автореферат

Похожие работы