Растительная клетка растёт, поглощая воду в вакуоль, но этому мешает прочная клеточная стенка из микрофибрилл целлюлозы. Чтобы клетка увеличилась, стенка должна на время стать податливой. Сигнал к этому даёт фитогормон ауксин, а исполнителем оказываются ионы водорода: ауксин подкисляет клеточную стенку, и в кислой среде она начинает растягиваться. Это явление называют кислотным ростом. В статье по шагам разобраны цепочка от ауксина до растяжения стенки, опыты, которые её доказали, и современные данные о том, как ауксин включает протонный насос. Общая картина роста клеток растений дана в статье «Рост и дифференциация клеток растений». Общий обзор гормонов растений и регуляции — в статье «Раздражимость и регуляция у растений: ростовые вещества (фитогормоны)».
- 1. Задача: растянуть прочную стенку
- 2. Гипотеза кислотного роста
- 3. Цепочка от ауксина до роста
- 4. Экспансины
- 5. Как ауксин включает протонный насос
- 6. Доказательства
- 7. Почему в корне иначе
- 8. Что нужно знать к ЕГЭ
- 9. Для олимпиад
- Задания с разбором
1. Задача: растянуть прочную стенку
Рост клетки растяжением определяют два фактора: тургорное давление, которое давит на стенку изнутри (0,5–1 МПа), и растяжимость стенки. Тургор у растущей и нерастущей клетки примерно одинаков; отличается именно стенка. В первичной клеточной стенке микрофибриллы целлюлозы, как арматура, соединены гемицеллюлозами (у двудольных — главным образом ксилоглюканом) в прочную сеть, погружённую в пектиновый гель (подробнее — в статье «Клеточная стенка растений»). Чтобы стенка растянулась, нужно ослабить связи в этой сети, не разрушая её, — иначе клетка лопнет под давлением.
2. Гипотеза кислотного роста
В начале 1970-х годов две группы исследователей независимо предложили объяснение действия ауксина. Американцы Дэвид Рейл и Роберт Клеланд (1970) показали, что кислый раствор вызывает рост отрезков стебля так же, как ауксин. Немецкие учёные Ахим Хагер, Хельга Менцель и Альбрехт Краусс (1971) предположили, что ауксин активирует протонный насос плазмалеммы. Объединённая идея получила название гипотезы кислотного роста: ауксин заставляет клетку выкачивать протоны в стенку, а кислая среда делает стенку растяжимой.
3. Цепочка от ауксина до роста
- Восприятие ауксина. Ауксин (индолил-3-уксусная кислота) связывается с рецепторами клетки — в ядре и на поверхности клетки.
- Активация протонного насоса. Фермент плазмалеммы H+-АТФаза переходит в активное состояние и, расходуя энергию АТФ, выкачивает ионы H+ из цитоплазмы в клеточную стенку.
- Подкисление стенки. pH раствора в стенке снижается примерно с 6 до 4,5–5. Внутренняя сторона мембраны при этом заряжается сильнее отрицательно.
- Ослабление стенки. В кислой среде активируются белки экспансины, которые ослабляют сцепление микрофибрилл целлюлозы с гемицеллюлозами.
- Растяжение под давлением тургора. Микрофибриллы смещаются относительно друг друга, стенка растягивается.
- Поступление воды и ионов. При растяжении стенки давление в клетке на мгновение падает, и вода поступает внутрь путём осмоса. Чтобы концентрация растворённых веществ не снизилась, клетка поглощает ионы калия через каналы, открывающиеся при отрицательном заряде мембраны, и синтезирует органические вещества.
- Встраивание новых компонентов. Новая целлюлоза, гемицеллюлозы и пектины встраиваются в стенку, чтобы она не истончалась.
Рост в ответ на ауксин начинается через 10–15 минут — это время, нужное, чтобы насос заработал и стенка подкислилась. В течение первого часа рост может ускоряться в 5–10 раз.
4. Экспансины
Экспансины открыл в 1992 году Дэниел Косгроув с сотрудниками. Опыт был таким: стенки клеток гипокотиля огурца нагревали, чтобы разрушить все белки. Такая «мёртвая» стенка в кислой среде уже не растягивалась под грузом. Когда к ней добавили белковую фракцию из растущих стенок, способность растягиваться в кислой среде вернулась. Белки назвали экспансинами — «растягивающими».
Особенности экспансинов:
- они не ферменты: не разрывают ковалентные связи, а ослабляют нековалентное (водородное) сцепление полисахаридов;
- они действуют в кислой среде (оптимум pH около 4) и почти неактивны при нейтральном pH, поэтому подкисление работает как выключатель;
- их действие обратимо: при нейтрализации стенка снова становится жёсткой;
- по современным данным, экспансины действуют в немногих участках, где микрофибриллы целлюлозы тесно контактируют друг с другом через ксилоглюкан, — в своего рода «узлах» сети.
Экспансины есть у всех наземных растений и нужны не только для роста: они участвуют в созревании (размягчении) плодов, прорастании пыльцевой трубки и образовании корневых волосков. Белки, похожие на экспансины, есть у некоторых бактерий и грибов, которые используют их, чтобы проникать в ткани растений.
5. Как ауксин включает протонный насос
Долго было неясно, как именно ауксин активирует H+-АТФазу. Сейчас известно два пути.
| Путь | Как работает | Скорость |
|---|---|---|
| Ядерный (через рецептор TIR1) | Ауксин связывается с рецептором в ядре; разрушаются белки-репрессоры, включаются гены быстрого ответа, в том числе гены белков SAUR. Белки SAUR подавляют фосфатазу, которая выключает H+-АТФазу, и насос остаётся активным | Десятки минут (нужен синтез белков) |
| Поверхностный (через рецепторные киназы TMK) | Ауксин вне клетки воспринимают белки-киназы плазмалеммы TMK; они прямо фосфорилируют H+-АТФазу | Минуты (без синтеза белков) |
В обоих путях ключевое событие одно: фосфорилирование конца молекулы насоса по определённой аминокислоте (треонину). К фосфорилированному насосу присоединяется регуляторный белок, и насос работает с полной силой. Поверхностный путь был описан только в 2021 году — пример того, что даже в классической теме ещё есть открытия.
Фузикокцин. Гриб фузикокк, паразитирующий на миндале и персике, выделяет токсин фузикокцин. Он «склеивает» H+-АТФазу с регуляторным белком, и насос работает непрерывно. Растение не может закрыть устьица (замыкающие клетки не теряют ионы и тургор) и вянет. Именно фузикокцин стал главным инструментом проверки гипотезы кислотного роста.
6. Доказательства
Гипотезу кислотного роста проверяли на отрезках колеоптилей или стеблей без верхушки (собственного источника ауксина). Результаты удобно свести в таблицу:
| Условия опыта | Результат | Вывод |
|---|---|---|
| Нейтральный раствор без ауксина | Почти нет роста | Контроль |
| Нейтральный раствор с ауксином | Рост через 10–15 мин; pH раствора снижается | Ауксин вызывает выделение протонов |
| Кислый буфер (pH 4,5) без ауксина | Быстрый рост (через 1–2 мин) | Кислоты достаточно для роста |
| Ауксин + нейтральный буфер высокой ёмкости | Рост подавлен | Без подкисления ауксин не действует |
| Фузикокцин | Сильный рост | Активация насоса достаточна для роста |
| Ауксин + ингибитор H+-АТФазы | Рост подавлен | Насос необходим |
Таким образом, подкисление необходимо (без него ауксин не действует) и достаточно (кислота и фузикокцин вызывают рост без ауксина). Однако со временем выяснилось, что кислотный рост объясняет в основном быстрый, начальный ответ. Длительный рост в течение многих часов требует синтеза новых белков, компонентов стенки и поглощения осмотически активных веществ.
7. Почему в корне иначе
В корне ауксин в тех же концентрациях, что ускоряют рост стебля, рост тормозит. Корень в тысячи раз чувствительнее к ауксину. В 2021 году было показано, что в корне ауксин вызывает быстрое подщелачивание клеточной стенки: через поверхностный путь он открывает поступление протонов внутрь клетки, стенка становится менее кислой, и рост замедляется за минуты. На этой разнице основан положительный гравитропизм корня: ауксин скапливается на нижней стороне и замедляет там рост (подробнее — в статье «Тропизмы»).
8. Что нужно знать к ЕГЭ
- Ауксин — фитогормон, стимулирующий рост клеток растяжением; синтезируется в верхушках побегов и молодых листьях; транспортируется от верхушки к основанию.
- Ауксин вызывает апикальное доминирование (подавляет рост боковых почек), участвует в тропизмах, в образовании корней на черенках, в развитии плодов.
- Механизм роста: подкисление клеточной стенки → ослабление связей между её компонентами → растяжение под действием тургора → поступление воды.
Повторить фитогормоны можно в уроке «Фитогормоны и настии» и в тренажёре по теме 4.3.
Частые ошибки. 1) «Ауксин разрушает клеточную стенку» — он делает её растяжимой обратимо, ослабляя нековалентные связи; ковалентные связи не разрываются. 2) «Клетка растёт за счёт деления» — в зоне растяжения клетки не делятся, а увеличиваются в объёме за счёт воды. 3) «Ауксин всегда ускоряет рост» — в корне те же концентрации тормозят рост.
9. Для олимпиад
Энергетика процесса
H+-АТФаза плазмалеммы растений — насос P-типа, аналог Na+/K+-АТФазы животных. У животных главный градиент на плазмалемме создают ионы натрия, у растений и грибов — протоны. Протонный градиент растения используют для поглощения ионов и сахаров котранспортом (например, загрузка сахарозы во флоэму). Поэтому кислотный рост — частный случай общей стратегии: растительная клетка «работает на протонах».
Гиббереллины и брассиностероиды
Рост растяжением стимулируют и другие гормоны. Брассиностероиды тоже активируют H+-АТФазу и синтез экспансинов. Гиббереллины действуют иначе: они вызывают разрушение белков-репрессоров роста (DELLA-белков), усиливают синтез ферментов, перестраивающих стенку, и влияют на ориентацию микрофибрилл. Карликовые сорта пшеницы и риса «зелёной революции» несут мутации в генах, связанных с гиббереллинами.
Задания с разбором
Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.
Задание 1
Установите последовательность событий при росте клетки под действием ауксина: 1) активация экспансинов; 2) связывание ауксина с рецептором; 3) поступление воды в клетку; 4) выкачивание протонов в клеточную стенку; 5) растяжение стенки под действием тургора.
Разбор
Ответ: 24153.
Задание 2
Отрезки колеоптиля поместили в раствор ауксина с нейтральным буфером высокой буферной ёмкости. Рост не наблюдался. Объясните результат.
Разбор
1) Ауксин активирует протонный насос, но буфер связывает выделяемые протоны, и pH в стенке не снижается. 2) Без подкисления экспансины не активируются, связи между микрофибриллами и гемицеллюлозами не ослабевают. 3) Стенка не растягивается, и рост отсутствует. Вывод: ауксин действует через подкисление стенки.
Задание 3
Почему растение, поражённое грибом фузикокком, вянет, даже если в почве достаточно воды?
Разбор
1) Токсин фузикокцин необратимо активирует протонный насос плазмалеммы. 2) Замыкающие клетки устьиц постоянно накапливают ионы калия и сохраняют высокий тургор — устьица не закрываются. 3) Транспирация не регулируется, растение теряет воды больше, чем поглощает, и вянет.
Задание 4
Чем экспансины отличаются от ферментов, разрушающих клеточную стенку (например, целлюлаз)?
Разбор
1) Экспансины не катализируют разрыв ковалентных связей, а ослабляют нековалентные (водородные) связи между полисахаридами. 2) Их действие обратимо и зависит от pH: в кислой среде они активны, в нейтральной — нет. 3) Целлюлазы гидролизуют молекулы целлюлозы необратимо и ослабляют стенку навсегда.
Задание 5 (олимпиадное)
Отрезки колеоптиля, лишённые верхушки, поместили в раствор ауксина и одновременно добавили ингибитор синтеза белка. Первые 30 минут рост был почти таким же, как без ингибитора, а затем остановился. Объясните.
Разбор
1) Быстрый ответ обеспечивает поверхностный путь: ауксин через рецепторные киназы прямо фосфорилирует H+-АТФазу, синтез белков не нужен. 2) Экспансины уже есть в стенке и активируются при подкислении. 3) Длительный рост требует синтеза новых белков (белков SAUR, поддерживающих работу насоса, ферментов синтеза стенки, переносчиков ионов) — без них рост останавливается.
Задание 6 (олимпиадное)
Корни проростков поместили в раствор ауксина в концентрации, оптимальной для роста стебля. Через несколько минут рост корней замедлился, а pH у поверхности корня повысился. Объясните наблюдения.
Разбор
1) Корень гораздо чувствительнее к ауксину, и для него эта концентрация избыточна. 2) В клетках корня ауксин вызывает поступление протонов из стенки в клетку, поэтому pH стенки растёт (подщелачивание). 3) В менее кислой среде экспансины теряют активность, стенка становится жёстче, и рост замедляется. Быстрота ответа (минуты) говорит о поверхностном, а не ядерном пути.
Литература
- Полевой В. В., Саламатова Т. С. Физиология роста и развития растений. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1991.
- Rayle D. L., Cleland R. E. The acid growth theory of auxin-induced cell elongation is alive and well // Plant Physiology. 1992. Vol. 99. P. 1271–1274.
- McQueen-Mason S., Durachko D. M., Cosgrove D. J. Two endogenous proteins that induce cell wall extension in plants // The Plant Cell. 1992. Vol. 4. P. 1425–1433.
- Lin W. et al. TMK-based cell-surface auxin signalling activates cell-wall acidification // Nature. 2021. Vol. 599. P. 278–282.
- Li L. et al. Cell surface and intracellular auxin signalling for H+ fluxes in root growth // Nature. 2021. Vol. 599. P. 273–277.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…