6.2.4.2. Модель корня и регуляция поступления ионов в интактном растении

Изменения кинетических параметров систем поглощения у интактных ра­стений отражают возможности регуляции поступления ионов. Однако адаптив­ные изменения (V_max и К_т,кaж) не могут быть связаны только с этапом транс­порта из среды в корень, поскольку поступление в целостное растение вклю­чает: I_n (т. е. вход и выход), радиальный транспорт и загрузку ксилемы, а также поток по ксилеме. Все этапы поглощения учитывает одноклеточная трехкомпартментная (апопласт, цитоплазма, вакуоль) модель корня (рис. 6.32).

Рис. 6.32. Эмпирическая модель по­ступления ионов и регуляции транс­портных систем в интактных корнях:

I_n — нетто-поступление; I_OС — вход из среды в цитозоль (симпласт); Е_со — вы­ход из клеток в среду; I_CV, I_сх, E_vc, E_xc — вход и выход, соответствующие цитозольному (С), вакуолярному (V) и ксилемному (X) компартментам; [АБК] — кон­центрация абсцизовой кислоты; [Ион]_C, [Ион]_V — концентрации иона в цитозоле и вакуоли соответственно; ---› — регу­ляция по принципу обратной связи в кор­не; → — регуляция через сигнал из над­земных органов; -ּ-ּ-ּ› — АБК регуляции; I_(С) — поток по симпласту; I_(А) — поток по апопласту; I_(X) — поток по ксилеме в надземные органы

Она также предусматривает возможность регуляции по принципу обратной связи систем транспорта ионов при поступлении в симпласт (цитозоль) и при за­грузке ксилемы. Согласно этой схеме, важным элементом регуляции является концентрация иона в цитоплазме, которая поддерживается на определенном (постоянном) уровне. Модель учитывает также перераспределение иона в клетках корня между цитозолем и вакуолью, а, следовательно, включение переносчи­ков тонопласта в регуляцию общего транспортного процесса.

Нетто-поступление (I_n) — суммарная величина двух разнонаправленных потоков, поэтому возникает вопрос: на этапе входа (I_ос) или выхода (Е_со) осуществляется регуляция поглощения? Чтобы ответить на этот вопрос, не­обходимо выяснить, как меняются все три параметра в разных условиях.

Нетто-поступление, вход и выход могут меняться в зависимости от вида поглощаемого иона и/или от действия факторов иной природы, а также от их сочетаний. Так, у пшеницы стационарного состояния, росшей при 25 или 12 °С в зоне корней, скорости нетто-поступления и входа нитрата уменьшаются при низкой температуре, а скорость выхода увеличивается (рис. 6.33).

У быстрорастущих растений при низкой концентрации ионов в среде, нетто-поступление К⁺, Сl и Н₂РO регулируется главным образом через скорость входа, хотя это не означает, что скорость выхода незначительна и/или не подвержена измене­ниям. Таким образом, скорость нетто-поступления обусловлена величиной со­отношения вход/выход и вклад каждого из потоков (I_ос и Е_со) либо их сочета­ние могут быть определяющими в регуляции поглощения (см. рис. 6.32).

Цитоплазма (симпласт), куда из среды поступают минеральные элементы, — место интенсивных метаболических превращений; поддержание гомеостаза в цитозоле, в том числе концентрации отдельных ионов и катионно/анионного баланса, — основной клеточный приоритет. При обильном снабжении элемен­тами минерального питания и избыточном поступлении их в симпласт, поми­мо того, что ионы могут активнее переноситься в побег и выходить из корня, увеличивается их поступление в вакуоль (занимает 90 % от объема клетки), где концентрация многих ионов (Са²⁺, Н₂РО , NO , Na⁺, Сl ) значительно выше их концентрации в цитоплазме. Эти ионы служат запасным фондом и в условиях их дефицита в среде могут выходить из вакуоли, включаясь в транслокаци­онный поток (см. рис. 6.32).

Рис. 6.33. Вход, нетто-поступление, транслокация и восстановление нитрата в зоне корней у проростков пшеницы, росших при 25 и 12 °С.

Нетто-поступление определяли по убыли аниона из раствора питательной смеси (К NО , 3,0 мМ), вход и транслокацию — на основании содержания ¹⁵N—NO в тканях, выход — по разнице между входом и нетто-поступлением, in situ восстановление — по количеству восста­новленного ¹⁵N в тканях корней (Е.В.Харитонашвили, Н.Д.Алехина, 1997)

Модель регуляции поступления по принципу обратной связи постулирует, что сигналы, включенные в механизм управления транспортным потоком, поступают из цитозоля, и основным эффектором служит кратковременное изменение концентрации поглощаемого иона в этом компартменте (рис. 6.32). Однако поступление NO может ингибироваться одновременно поглощаемым ионом NH , а также глутамином (продукт ассимиляции NH и NO ), который рассматривается как эффектор переносчиков NO .

Реальная картина регуляции поглощения сложнее. Системы управления процессом поступления так же комплексны, как и сам многоэтапный процесс поглощения элементов минерального питания. В системе in vivo этап загрузки ксилемы может быть лимитирующим и определить как поступление ионов, так и дальний транспорт. У проростков пшеницы, росших при 12 °С в зоне

корней, масса корней не менялась и, хотя нетто-поступление NO снижалось (рис. 6.33), происходило накопление нитрата в тканях корней (62 и 49 мкМ/г сырой массы при 12 и 25 С, соответственно). Восстановление нитрата в кор­нях было одинаковым (рис. 6.33). Поэтому можно заключить, что основная причина накопления нитрата в тканях корней при 12 °С — снижение трансло­кации ¹⁵NO в побеги. События, которые определяют поглощение NO проро­стками, росшими при 12 °С, выстраиваются в следующую последовательность: снижение скорости транслокации инициирует накопление нитрата в корнях, это приводит к уменьшению нетто-поступления за счет уменьшения скорости входа и возрастания скорости выхода (рис. 6.33). Таким образом, транспорт NO в ксилему — основной этап в регуляции поступления нитрата в интактное растение при разных температурных условиях.

Какова природа сигнала и механизма ингибирования загрузки NO в ксиле­му? Возможно, регуляция транслокации NO связана с К⁺ — катионом, котранспортируемым по ксилеме с NO . Вероятным кандидатом на роль сигнально­го вещества может быть гормон абсцизовая кислота (АБК). Она синтезируется в корнях и листьях, быстро передвигается по флоэме и ксилеме и распределяется между разными компартментами в клетках и тканях. Изменение водного потен­циала тканей, вызванное, например, засухой и возникающее как следствие изменения рН и концентрации ионов, приводит к модификации потоков АБК, которые можно рассматривать как сигналы стресса. Под контролем АБК наря­ду с устьичными движениями, ростом листьев и ответными реакциями на стресс находится и дальний транспорт (см. рис. 6.32). Добавление АБК тормо­зит загрузку К⁺ в ксилему корней и не влияет на поступление К⁺ из почвы в корни. АБК ингибирует выходной К⁺ канал клеток стелярной паренхимы кор­ней кукурузы, т.е. I_сх — см. рис. 6.32 (см. подразд. 6.3.5.4). Тем не менее наши представления о том, как регулируется этап загрузки ксилемы и транслокации ионов в надземные части растения, остаются неполными. Так, АБК ингибирует загрузку К⁺ в ксилему только у растений, росших при его низкой концентрации в среде. У «высокосолевых» растений ингибирующий эффект гормона отсут­ствует. Неясно также, в какой мере изменение концентрации АБК в корнях in vivo обусловлено синтезом гормона в самих корнях и какой вклад вносит АБК, синтезируемая в листьях и транспортируемая в корни по флоэме.

Скорость поглощения некоторых ионов, видимо, регулируется системами контроля побегов, а не корней. Об этом свидетельствуют результаты экспери­ментов с «разделением» корневой системы, когда часть корней растения нахо­дится в камере вегетативного сосуда со всеми элементами минерального пита­ния, а другая часть — в камере без одного из элементов (К, Р или N). Умень­шение доли корней, которые снабжались калием, приводит к уменьшению содержания К⁺ в побегах, но не в самих поглощающих калий корнях (табл. 6.3). При этом V_max становится тем выше, чем меньшая доля корней участвует в поглощении К⁺. Таким образом, снижение содержания К⁺ в листьях передается как сигнал в корни и инициирует повышение их поглотительной способности (см. рис. 6.32).

Таблица 6.3. Содержание К⁺ в корнях и побегах растений кукурузы

и изменение V_max поступления К⁺ в зависимости от доли корней, которые