ФІЗІОЛОГІЯ ТА БІОХІМІЯ РОСЛИН
Опорний конспект лекцій
10. БІОГЕНЕЗ КЛІТИННИХ СТРУКТУР І ОНТОГЕНЕЗ РОСЛИННОЇ КЛІТИНИ
Фази онтогенезу рослинної клітини
У процесі життєдіяльності клітини конкретний склад генів, які підлягають експресії, поступово й закономірно змінюється, у зв’язку з чим клітина проходить декілька етапів свого розвитку.
Життєвий цикл клітини, або її онтогенез, - це період існування клітини від моменту утворення в результаті поділу материнської клітини до її власного поділу або смерті. Онтогенез рослинної клітини складається з низки послідовних етапів: поділу, росту, диференціації, зрілості, старіння й смерті.
Поділ клітин
Мітоз. Мітоз - це такий спосіб ділення клітини, при якому число хромосом подвоюється, тому кожна дочірня клітина отримує подвійний їхній набір, тотожний хромосомному набору материнської клітини.
Першою фазою мітозу є профаза - фаза реорганізації клітини. При цьому відбуваються такі зміни: - органоїди переміщуються на периферію; - ядро збільшується; - хроматин формується у хромосоми з кінетохором; - ядерце дисоціює; - розпадається ядерна оболонка; - формуються структури веретена (без центріолей, а з допомогою скупчень мембран ЕР на полюсах клітини). Веретено побудоване з міжполюсних і хромосомних мікротрубочок. З мікротрубочками (МТ) асоційовані білки-регулятори синтезу МТ і кальмодулін, що бере участь у їхньому розбиранні. Кінетохори хромосом поки що не зв’язані з елементами веретена.
У прометафазі (метакінез) починається рух хромосом. Кінетохори збільшуються в розмірах, від них формуються хромосомні МТ. Хромосоми переміщуються спочатку до полюсів, а потім до середини веретена. У процесі цих рухів у хромосомі розкручуються дві сестринські хроматиди, з’єднані лише в кінетохорі. Постійно рухаючись хромосоми збираються вздовж поперечника веретена й утворюють метафазну пластинку (метафаза). При цьому вони здійснюють невеликі переміщення коливального характеру вздовж веретена.
Перехід клітини до анафази супроводжується поділом кінетохора, фізичним відокремленням двох сестринських хроматид і переміщенням розділених хромосом до полюсів кінетохором уперед. Відбувається перерозподіл МТ: кількість їх біля полюсів зменшується й збільшується в ділянці екватора. Тут же починає утворюватися зона скупчення везикул - початок формування розподільної пластинки.
Переміщення хромосом пояснюють як участю фізичних сил, так і діяльністю біохімічних механізмів: послідовним відщепленням субодиниць МТ веретена білковою системою, розміщеною на кінетохорі, та взаємодією МТ і мікрофіламентів актину.
Після розходження хромосом починається телофаза - остання фаза мітозу. Біля полюсів МТ веретена дезінтегрують, утворюються ядерця, ядра, закінчується формування розподільної пластинки - фрагмопласта. Це відбувається шляхом нагромадження вздовж екватора пухирців АГ та мембран ЕР. Пухирці містять пектинові речовини. Зливаючись, везикули утворюють дві мембрани - плазмалеми дочірніх клітин, розмежовані напіврідким шаром, що складається з пектинових речовин.
Від центру до периферії фрагмопласт росте за рахунок приєднання нових пухирців, але цитоплазми дочірніх клітин продовжують контактувати між собою через плазмодесми. Вони формуються в тих ділянках клітинної пластинки, в яких локалізовані нитки веретена з МТ і елементами ЕР. З боку цитоплазм дочірніх клітин починається формування первинних клітинних стінок, а фрагмопласт перетворюється в серединну пластинку. Мікрофібрили целюлози первинних клітинних стінок мають пухку текстуру, але основний напрямок орієнтації - перпендикулярний повздовжній осі клітини. Вміст целюлози спочатку не перевищує 2-3%.
Геміцелюлози, пектинові речовини і глікопротеїн екстенсин доставляються до клітинної стінки, яка формується, у везикулах Гольджі. Синтезований на гранулярному ЕР поліпептид екстенсин гліколізується в диктиосомах АГ. Компоненти ферментного комплексу целюлозо-синтетази локалізовані на зовнішній поверхні плазмалеми. Ферменти, необхідні для збирання полімерів стінки та їхньої модифікації також, очевидно, доставляються до стінки везикулами ЕР чи АГ. УДФ- і ГДФ-глюкоза для синтезу целюлози транспортуються з розчинної фази клітини через плазмалему. Нові молекули целюлози вбудовуються в клітинну стінку зсередини.
Мітотичний цикл. Період цитоплазматичного росту й підготовки до поділу (інтерфаза) та процес ділення (мітоз) і становлять мітотичний цикл клітини. В залежності від особливостей біохімічних процесів розрізняють 4 періоди мітотичного циклу:
- пресинтетичний період — G1 (англ. gap - інтервал) - найчутливіший до факторів зовнішнього середовища; в цей період готуються всі умови для синтезу ДНК;
- синтетичний період - S (синтез ДНК та гістонів);
- постсинтетичний (премітотичний) - G2 (продовжується синтез РНК, загальних білків клітини, різко зростає синтез тубуліну);
- власне мітоз - М (синтезуються білки та РНК до кінця метафази).
У рослин періоди мітотичного циклу контролюються гормонами. Для нормального проходження G1 і G2 періодів необхідний ауксин. Цитокінін необхідний, очевидно, для переходу клітини до поділу.
У клітин, що діляться, відбувається також становлення структур органоїдів. Клітини, які вийшли за межі меристематичної зони, перестають ділитися (у них закривається генетична програма поділу) і переходять до наступного етапу онтогенезу - росту шляхом розтягування.
Розтягування клітин
Збільшення розміру клітин, що діляться, відбувається за рахунок синтезу нових структур цитоплазми й надходження значної кількості сполук азоту та інших поживних речовин. Після завершення поділу рослинні клітини переходять до більш швидкого росту - розтягуванням, який характерний лише для рослин. Він служить важливим і основним способом збільшення площі листкової поверхні, довжини стебла та кореневої системи. При рості розтягуванням збільшення об’єму клітини досягається за рахунок утворення великої центральної вакуолі. Одночасно із ростом вакуолі клітинні стінки пом’якшуються й розтягуються.
Перехід меристематичних клітин до розтягування вивчений недостатньо.
Сам процес переходу стійкий до дії несприятливих факторів (інгібіторів біосинтезу білків і нуклеїнових кислот, рентгенівських променів). Клітини вакуолізуються, перебудовується білоксинтезувальна система, зростає кількість гранулярних мембран ЕР, РНК, інтенсифікується синтез простих і складних вуглеводів, пектинових речовин. Механізми переходу клітин до розтягування маловідомі. Вважають, що велике значення може мати зміна вмісту і співвідношення фітогормонів (ауксинів, цитокінінів) та їх рецепторів. Для росту розтягуванням обов’язкова наявність ауксину.
Період росту клітин розтягуванням вивчений достатньо добре. У цей період підтримується робота уже сформованого механізму росту. Під впливом ауксину у вищих рослин збільшується пластичність клітинної стінки, її здатність до витягування. Механізм дії ауксину такий. Фермент індукує активний транспорт Н+ із цитоплазми до клітинної стінки. Зниження величини рН у фазі клітинної стінки сприяє розриву кислотолабільних зв’язків, активує кислі гідролази та інші ферменти, що модифікують компоненти клітинної стінки. Розтягуванню стінки сприяє і зростаючий внутрішньоклітинний тургорний тиск, який підтримується надходженням води до вакуолі, що росте.
Дія ауксину на ріст розтягуванням супроводжується синтезом РНК, білків, ферментів і секрецією полісахаридів та білків, необхідних для всього процесу. Ріст клітинної стінки забезпечується активною діяльністю АГ. На зовнішній поверхні плазмалеми активуються ферментні системи утворення нових компонентів стінки, збільшується синтез целюлози. До дії ауксину найчутливіший епідерміс пагонів. Ріст внутрішніх паренхімних тканин сильніше активується збільшенням кислотності за рахунок СО2. Посилення росту під впливом низьких значень рН (у межах 3-5) називається ефектом кислого росту. Він діє лише протягом 1-3-х годин і не підтримується синтезом білків.
У кінці росту розтягуванням збільшується лігніфікація клітинних стінок, накопичуються інгібітори фенольної природи й абсцизова кислота, зростає активність пероксидази й оксидази ІОК, зменшується вміст ауксинів, формується вторинна клітинна стінка. Все це призводить до гальмування й зупинки подовження клітин. Протягом усієї фази розтягування обсяг клітини зростає в 20-50 і навіть у 100 разів. Таким чином, ріст розтягуванням складається з таких етапів: розриву зв’язків між компонентами клітинної стінки і збільшення її пластичності; надходження води до вакуолі, яка росте і тисне на стінки, викликаючи розтягування й збільшення об’єму клітини; закріплення збільшеного об’єму шляхом залучення нових компонентів до структури оновленої клітинної стінки.
На всіх етапах росту клітин розтягуванням відбувається самозбирання різних структур (при організації й запуску генетичного апарату ’’розтягування», механізму дії ауксину; ферментних систем синтезу целюлози, геміцелюлози, білків (екстенсин), збільшення плазмалеми).
Диференціація клітин
Диференціація клітин - це поява якісних відмінностей між ними, пов’язаних із їхньою спеціалізацією. Спеціалізація клітин забезпечується біохімічними і структурними особливостями, які дозволяють клітині виконувати певні фізіологічні чи інші функції, необхідні для життєдіяльності рослини.
Деякі клітини диференціюються дуже рано, вже в апікальній меристемі, наприклад, клітини епідермісу. Більшість інших клітин меристем зовні мало відрізняються одна від одної. Але їхня майбутня спеціалізація часто детермінується уже в зоні поділу (про що свідчать дані імунохімічного аналізу).
В основі якісних відмінностей між клітинами лежать процеси диференціюючої активності генів. Кожна вегетативна клітина рослинного організму у своєму геномі містить повну інформацію про розвиток цілого організму і в певних умовах може сформувати цілу рослину (властивість тотіпотентності). Та, перебуваючи у складі організму, ця клітина буде реалізовувати лише частину своєї генетичної інформації. Сигналами (ефекторами) для експресії тої чи іншої генетичної програми служать певні визначені поєднання фітогормонів, метаболітів і фізико-хімічних факторів.
Із закінченням процесу диференціювання клітина вступає в етап своєї зрілості і починає виконувати ті функції, які закладені в її організації.
Старіння і смерть клітини
Старіння та відмирання - завершальні етапи онтогенезу диференційованих, зрілих клітин. Найкраще ці явища вивчені на старіючих листках.
Для старіючих клітин характерно послаблення синтетичних процесів і посилення гідролітичних. Знижується вміст РНК, білків, зростає активність гідролаз, пероксидаз, збільшується окиснення ліпідів мембран, знижується напівпроникність мембран, утворюються автофагічні вакуолі, руйнуються хлорофіл і хлоропласти, дисоціюють ЕР і АГ, розпадаються мітохондрії, ядра. Старіння стає незворотним із моменту руйнування тонопласту і виходу його вмісту до цитоплазми.
Для пояснення механізму старіння існують 2 групи гіпотез.
1. Перша група гіпотез пов’язує перехід клітин до старіння і відмирання із нагромадженням пошкоджень у генетичному апараті, у мембранах та інших структурах, із збільшенням концентрації токсичних речовин у клітині.
2. Прихильники другої групи гіпотез дотримуються думки про існування і запуск генетичної програми старіння як останнього етапу онтогенезу рослинної клітини.
Одна і друга гіпотези мають досить переконливі обґрунтування.
Причину старіння клітини можна краще зрозуміти, виходячи з фізіології цілої рослини. Зменшення надходження до клітини деяких фітогормонів (ауксинів, цитокінінів, гіберелнів) і поживних речовин різко прискорює процеси старіння. Ці гормони активують синтез білків, РНК, відновлюють структури хлоропластів, ’’омолоджують» клітини. Навпаки, етилен і АБК прискорюють процеси старіння.
Одна з ознак старіння клітини - зсув величини рН у кислу сторону. Це негативно відображається на фізико-хімічному стані білків і активує кислі гідролази. Ауксин, активуючи роботу Н+-помпи, захищає цитоплазму від закислення, а органоїди - від деградації.
Послаблення Н+-помпи, втрата мембранами властивості напівпроникності спричинює ліквідацію мембранного потенціалу та нездатність поглинати й утримувати речовини. З цього моменту клітина перестає бути живою і лізує.