Kwas abscysynowy fragment: Regulatory wzrostu i rozwoju roślin

Z www.Wiki.Haszysz.com
Skocz do:nawigacja, szukaj

Fragmenty książki:

Regulatory wzrostu i rozwoju roślin

tom:1 Właściwości i działanie.

PWN 1997

2.5. Inhibitory wzrostu

2.5.1. Kwas abscysynowy

Marek Kubik Instytut Sadownictwa i Kwiaciarstwa, Skierniewice

2.5.1.1. Występowanie, biosynteza i metabolizm

Kwas abscysynowy (ABA) wyodrębniono po raz pierwszy w 1963 roku [62], a jego strukturę chemiczną, wymagającą jeszcze drobnej korekty, zaproponowano w dwa lata później [61]. Wyodrębnienie tego związku poprzedzone było kilkoma latami badań nad substancjami hamującymi wzrost, pochodzącymi z niektórych ekstraktów roślinnych. Hipotetyczne inhibitory wzrostu, przyśpieszające także zrzucanie organów i zapadanie w spoczynek nazywano abscysyną lub dorminą. Po ich wyodrębnieniu stwierdzono, że obydwa zjawiska powoduje ten sam związek, nazwany już wcześniej kwasem abscysynowym [9].

ABA uważany jest za hormon roślin wyższych, ale występuje także w grzybach [41], a niedawno stwierdzono jego obecność w mózgu kręgowców. Prace przeglądowe poświęcili mu Milborrow [55], Walton [96], Neil i Horgan, [57] oraz Zeevaart i Creelman [104]. Kilka opracowań o przeglądowym charakterze można także znaleźć w pracy zbiorowej pod redakcją Karssena i innych [40] oraz w opracowaniu Daviesa i Jonesa poświęconemu wyłącznie ABA [15].

Budowę cząsteczki ABA przedstawia rycina 2.5.1. Na węglu Y występuje centrum asymetrii — istnieją więc dwa jego enancjomery: ( + ) i ( - ) ABA lub zgodnie z coraz częściej stosowaną regułą Cahna, Ingolda i Preloga odpowiednio: (S) i (R)ABA. Drugim centrum izomerii w cząsteczce jest łańcuch 2,4-pentadienowy. Grupa karboksylową może bowiem zajmować względem reszty łańcucha położenie cis lub trans (Z lub E zgodnie z wzmiankowaną regułą — p. też ryc. 2.5.1). W roślinach endogennie występuje głównie izomer (S)-2(Z)-4(E) ABA, czyli (+)-2-cis-4trans ABA. Spotyka się co prawda także izomer (S)-2(E)-4(E), czyli (+)-2-trans-4-trans ABA [19], jednakże nie wszystkie doniesienia o jego występowaniu są równie pewne, jako że podczas wyodrębniania, głównie na skutek narażenia na promieniowanie UV, część izomeru (+)-2-cis-4taw.s przechodzi w (+)-2-trans-4-trans [4].


Ryc. 2.5.1. Podstawowe izomery ABA

Obydwa enancjomery: (+) i (—) kwasu abscysynowego w kilku testach fizjologicznych mają podobne wjaściwości, jednakże wpływ enancjomem (-) na zamykanie szparek jest znacznie słabszy [34]. Inaczej także przebiega ich metabolizm [52]. Mniejszą aktywność fizjologiczną wykazuje także stereoizomer 2-trans-A-trans [14].

789c.gif

ABA produkowany jest przez wszystkie organy roślin: liście, nasiona, korzenie i owoce (przez owoce nawet podczas ich przechowywania), [11, 80]. Szlak jego biosyntezy nie jest jeszcze zupełnie poznany. Początkowo przyjęto, że jego prekursorami są karotenoidy [89]. Później Noddle i Robinson [58] wysunęli hipotezę, że bezpośrednim jego prekursorem jest kwas mewalonowy i na cząsteczkę ABA składają się trzy jego cząsteczki (ryc. 2.5.2). Jednakże wydajności biosyntezy ABA z podawanego do tkanki znakowanego kwasu mewalonowego były bardzo niskie i powrócono do poprzedniej hipotezy, zgodnie z którą prekursorami ABA są 40-węglowe karotenoidy [6] — rycina 2.5.3. Mimo to, niektóre wyniki wskazują, że w tkankach roślin istnieje kilka prekursorów, a co za tym idzie, możliwych jest kilka szlaków metabolicznych prowadzących do ABA [60].

P1080797.gif

Nie jest także jasne, w których miejscach komórki ABA jest syntezowany. Organellami najbogatszymi w ten hormon są plastydy. Na przykład w chloroplastach liści szpinaku zmagazynowane jest od 75-97% całkowitej jego ilości [49]. Bodźcem do zmiany proporcji między jego ilością w chloroplastach i w cytoplazmie jest zmiana pH. Zaciemnienie rośliny, czy też poddanie jej stresowi wodnemu powoduje spadek pH stromy chloroplastów — cofa się dysocjacja grupy karboksylowej cząsteczek hormonu i w tej, niezdysocjowanej postaci, penetruje on łatwiej do cytoplazmy [31]. Możliwy jest także odwrotny kierunek wędrówki ABA — z cytoplazmy do chloroplastów [29], co może sugerować, że syntezowany jest on właśnie w cytoplazmie [51] i następnie zatrzymywany jak w pułapce, w alkalicznej stromie chloroplastów, w postaci anionów, które nie mają zdolności przenikania przez membrany subkomórkowe. Jeszcze niższe niż w cytoplazmie stężenie wolnego ABA jest w wakuolach [13], gdzie nagromadzone są głównie jego formy związane. Co więcej, wydaje się, że współczynnik podziału ABA między cytoplazmę a poszczególne organelle komórkowe zależy od wieku komórki. Im komórka starsza, tym zawartość ABA w cytoplazmie jest mniejsza.

Zawartość ABA w tkance zależy od wielu warunkujących się wzajemnie czynników fizjologicznych i środowiskowych i jest wynikiem syntezy, transportu i metabolizmu. Nie zawsze też zmiany tego samego czynnika środowiskowego powodują zmiany ilości tego hormonu w roślinach, w podobnym kierunku. Niekiedy np. notuje się wzrost jego zawartości po zmianie fotoperiodu z krótkiego na długi [103] lub też odwrotnie — z długiego na krótki [60], przy czym zmiany te nie są wielkie. Dość ABA w roślinach może być niezmienna w ciągu dnia [37] lub też może ulegać zmianom. Czasami obserwuje się wzrost jego ilości przed świtem [44], przed południem [50] lub zarówno przed, jak i po południu [31].

ABA transportowany jest zarówno przez ksylem [27], jak i przez floem [85] w postaci wolnej, niezdysocjowanej i nie podstawionej cząsteczki, i zazwyczaj przemieszcza się z liści starszych do młodszych, gdzie też utrzymuje się stale większy jego poziom [2].


Rośliny metabolizują ABA głównie według dwóch szlaków metabolicznych, tworząc pochodne estrowe, najczęściej z glukozą (ABA-GE) — szlak I, rycina 2.5.4, [82] lub też utleniając jedną z grup metylowych w pozycji 8' i 9' do kwasu fazeinowego (PA), który dalej przechodzi w kwas dihydrofazeinowy (DPA) i epi--dihydrofazeinowy (epi-DPA) — szlak II, rycina 2.5.4, [12]. Aktywność fizjologiczna metabolitów jest znacznie słabsza niż aktywność wolnego ABA. O ile PA wykazuje jeszcze pewną czynność w regulacji szparkowej [96], o tyle DPA jest zupełnie nieaktywny [97]. Zarówno kwas fazeinowy, jak i dihydrofazeinowy mogą dalej tworzyć pochodne estrowe [8]. Udział poszczególnych szlaków metabolicznych zależy od gatunku rośliny, tkanki, jak i warunków otoczenia [43]. Często DPA jest głównym metabolitem [83], ale bywa i tak, że cykl przemian kończy się na PA [17], bądź też, jak np. w nasionach sałaty, obydwu tych metabolitów nie ma wcale, a występują jedynie pochodne estrowe ABA [63]. Obok dwu głównych, przytoczonych tu mechanizmów metabolicznych istnieją także inne, prowadzące do odmiennych produktów, np. 4'-0-/?-glikozydu ABA [33] — szlak 3, czy też 2'-hydroksymetylo--ABA [75] — szlak 4.

P1080799.gif

Przemiany metaboliczne ABA zachodzą prawdopodobnie w cytoplazmie [28] i w apoplaście [51] z szybkościami zależnymi od jego uwalniania z chloroplastów do cytoplazmy i do apoplastu.

2.5.1.2. Efekty fizjologiczne ABA

Efekty fizjologiczne kwasu abscysynowego można przypisać zarówno jego wpływowi na przepuszczalność membran komórkowych i subkomórkowych, jak i zdolności do modyfikacji ekspresji niektórych genów. Oba te zjawiska prowadzą do zmiany kierunku lub nasilenia przebiegu wielu procesów biochemicznych, co objawia się jako efekt fizjologiczny lub morfogenetyczny.

Podobnie jak inne hormony, ABA najpierw wiąże się z odpowiednimi białkami receptorowymi. Jeśli centra receptorowe są białkami związanymi z membranami komórkowymi, wówczas powstały kompleks ABA-białko zmienia przepuszczalność membrany i powoduje zmiany zawartości komórek [34, 79].

ABA jest np. wybiórczo absorbowany przez komórki szparkowe, z których powoduje wypłynięcie jonów potasu, podczas gdy sąsiednie komórki epidermy równocześnie tenże potas akumulują [67]. Podobnie w różny sposób na kwas abscysynowy reagują różne części korzenia pszenicy. Po umieszczeniu ich w roztworze ABA wzrasta turgor komórek zlokalizowanych w odległości około 1 cm od wierzchołka korzenia, podczas gdy komórki epidermy i zewnętrzne komórki kory w odległości 4-5 cm od wierzchołka tracą turgor niemalże zupełnie. Przyczyną tych zjawisk jest kontrolowana przez ABA odmienna akumulacja cukrów [38]. Kwas abscysynowy wpływa również na podział różnych substancji między struktury subkomórkowe [101], a także na uwalnianie rozmaitych związków oraz jonów do ksylemu [25]. Obserwuje się także nasilenie przemieszczania się asymilatów z komórek miękiszu do floemu [94].

ABA wiąże się także ze sztucznymi membranami lipidowymi nie zawierającymi dodatków białkowych i również zmienia ich przepuszczalność [6, 87], co pozwala sądzić, że odziaływanie z membranami jest jeszcze bardziej złożone niż to początkowo zakładano i efekt, jaki ABA powoduje zależy nie tylko od ilości i jakości specyficznych białek membrany, ale i od jej składu lipidowego.

Bardzo ważną rolę, wymagającą odrębnego omówienia, odgrywa ABA w regulacji rozwarcia aparatów szparkowych. Na skutek zmiany pH, po zadziałaniu bodźca zewnętrznego lub też spadku turgoru komórek mezofilu bądź korzeni, do apoplastu, w pobliże membran komórek szparkowych trafiają większe ilości ABA. Łączy się on tu ze specyficznymi białkami membranowymi na zewnętrznej stronie plazmolemy, zmieniając tym samym jej potencjał membranowy i przepuszczalność [34]. Powoduje to wypłynięcie wielu substancji, głównie jonów potasu (i oczywiście anionów towarzyszących, jak Cl-, anionów kwasu jabłkowego itp.). Na skutek tego spada stężenie roztworu wewnątrz komórek szparkowych i co za tym idzie — ciśnienie osmotyczne. Powoduje to odpływ wody do apoplastu, zmniejsza się turgor oraz objętości komórek szparkowych i zmniejsza rozwarcie szparek. Dzięki temu rośliny reagują zamknięciem szparek na niedobór wody, co pozwala ograniczyć dalsze jej straty.

Ważną rolę w regulacji rozwarcia szparek spełniają także jony wapnia |86|, działające prawdopodobnie jako wtórna substancja przekaźnikowa (the second messenger). O ile ABA bezpośrednio udrażnia plazmolemę na wypływanie jonów i innych substancji, to zwiększone stężenie jonów Ca2+ w cytoplazmie prawdopodobnie powoduje blokadę kanałów w plazmolemie, którymi napływają jony K+ oraz aniony. Jony wapnia oddziałują także na tonoplast, co łącznie prowadzi do ustalenia się nowego stanu równowagi jonowej i zmniejszenia rozwarcia szparek [54].

Ten, ogólnie akceptowany schemat funkcjonowania aparatów szparkowych ma jednakże pewne luki. Nie zawsze np. obserwuje się prostą zależność między stężeniem ABA w soku ksylemowym (jako „nośnikiem wiadomości" o niedoborze wody z korzeni) a reakcją szparek [90, 98]. Nie zawsze reakcja szparek liścia na tę samą porcję ABA jest taka sama [42] itp.

Drugą, obszerną dziedziną działania ABA jest modyfikacja ekspresji genów. Jeśli bowiem po penetracji do jądra komórkowego, ABA wchodzi w kompleks z białkami związanymi z DNA (DNA binding proteins), wówczas dochodzi do aktywacji lub też dezaktywacji transkrypcji odpowiedniego mRNA i ciąg przemian przedstawionych w postaci schematu ulega zmianom:

DNA —» mRNA -» enzym —» efekt fizjologiczny lub morfogenetyczny

Aczkolwiek wpływ ABA na te przemiany nie jest jeszcze szczegółowo przebadany, wiedza w tej dziedzinie powiększa się z roku na rok [7].

Dotychczas najchętniej badanym procesem jest hamowanie wytwarzania a-amylazy w warstwie aleuronowej nasion zbóż [35, 78], co powoduje blokadę kiełkowania nasion. Kwas abscysynowy, przez oddziaływanie na ekspresję niektórych genów, powoduje również wiele innych przemian, chociażby np. indukcję embriogenezy w komórkach kalusa Hevea brasiliensis [18], nasilenie syntezy białek w rozwijających się zarodkach [47], czy wreszcie, indukowaną stresami, syntezę wielu białek [84). ABA wpływa ponadto na syntezę polisacharydów ścian komórkowych [95], jest przyczyną zmian zawartości enzymów, np. dekarboksylazy ornitynowej [22] itp.

Wpływ kwasu abscysynowego na rośliny można obserwować właściwie we wszystkich fazach wegetacji, począwszy od indukcji spoczynku nasion i hamowania procesu ich kiełkowania, poprzez wzrost rośliny, kwitnienie, tworzenie nasion i owoców, a na starzeniu się i odrzucaniu organów skończywszy. Efektem jego działania jest zazwyczaj hamowanie lub skracanie poszczególnych faz rozwoju wegetatywnego i przyśpieszanie dojrzewania, tworzenia nasion oraz starzenia się.

Tak więc ABA powoduje hamowanie wzrostu pędów i koleoptyli traw, np. kukurydzy [81]. ABA bierze również udział w sterowaniu kwitnieniem, albowiem wzrost jego zawartości poprzedza rozwój pąków kwiatowych (72, 1021,

Ze wzrostem poziomu kwasu abscysynowego związane jest również zrzucanie organów [3, 36, 71], aczkowiek zależności te nie są proste. Można bowiem spotkać doniesienia, iż odcinanie organów zależne jest nie tylko od ABA, ale i od innych czynników, np. wapnia [77], auksyn [78] oraz etylenu [5]. Rola ABA w kontroli procesu zrzucania organów nie jest więc jasna. Według niektórych badaczy jego działanie sprowadza się głównie do indukcji wydzielania etylenu, który jest dalej odpowiedzialny za proces zrzucania [64, 88]. Kwas abscysynowy stymuluje bowiem jego powstawanie, intensyfikując syntezę ACC [26].

Wzrost poziomu ABA towarzyszy również dojrzewaniu i starzeniu się roślin lub ich poszczególnych organów. Wykazano jego związek ze starzeniem się płatków kwiatowych [71], liści [92] i z dojrzewaniem owoców [65].

Pewną rolę spełnia również ABA podczas indukcji spoczynku [39] oraz hamowania rozwoju pąków pachwinowych [19], a także podczas dojrzewania cebul [53].

Jednakże należy pamiętać, że efekt, jaki wywiera ABA na roślinę, zależy także od splotu innych czynników środowiskowych — ogólnie mówiąc — od stanu fizjologicznego, w jakim właśnie się ona znajduje. W pewnych warunkach ABA może np. działać stymulująco na rozwój kultur kalusa [1, 32, 68 ), czy też przyśpieszać rozwój eksplantów truskawkowych hodowanych w kulturach in vitro [21]. Może także powodować spadek ilości białek i lipidów w komórkach kalusa, a w wyniku tego — starzenie się jego kultur [56]. Efekt działania ABA jest oprócz tego zależny od jego stężenia — czego dowodem może być pobudzanie lub hamowanie wzrostu korzeni [69].

ABA może powodować pewne zmiany morfologiczne. Wzrost jego poziomu prowadzi również do powstawania liści powierzchniowych, szerszych i zaopatrzonych w aparaty szparkowe na podwodnych częściach roślin wodnych, a więc tam gdzie nie powinny się one tworzyć [16].

Do niedawna sądzono, że ABA wpływa na grawitropizm korzeni [100], jednakże obecnie przeważa pogląd, iż brak jest dostatecznych dowodów potwierdzających ową tezę [20].

Podobnie jak podczas indukcji odrzucania organów, tak i w wielu innych zjawiskach i procesach fizjologicznych kwas abscysynowy nie jest jedynym czynnikiem decydującym o ich przebiegu. Uważa się obecnie, że działa on zazwyczaj przeciwnie do IAA, giberelin i cytokinin, jak to ma miejsce np. podczas somatycznej embriogenezy w kulturach kalusa [18], podczas wzrostu koleoptyli [45] lub pąków pachwinowych jabłoni [70], czy wreszcie w czasie regulacji kiełkowania nasion [35]. Do podobnych wniosków można dojść analizując procesy dojrzewania owoców. ABA przyśpiesza ten proces, podczas gdy IAA — opóźnia [24]. Jednak wzajemne zależności między nim a innymi hormonami nie są wcale proste [71].

Wzrost poziomu ABA w tkankach roślin powodowany bywa często zmianami warunków środowiska. Czasami nazywa się go nawet hormonem stresowym, ponieważ wzrost jego stężenia towarzyszy niekorzystnym dla roślin zmianom w środowisku. Tak może działać długotrwałe zaciemnienie [93], podsuszenie [10], czy też, chociaż nie zawsze [48], podtopienie roślin [105]. Poziom ABA wzrasta również podczas stresu osmotycznego [99] i pokarmowego [74]. Czasami obserwuje się podwyższenie jego zawartości po zwiększeniu stężenia etylenu w atmosferze (p. rozdz. 2.7), a także po usunięciu owoców, czy też po obrączkowaniu rośliny [50]. Często obserwuje się również podwyższenie zawartości ABA w tkankach roślin w wyniku ich infekcji patogenami [23].

Pojawieniu się większych ilości kwasu abscysynowego w tkance towarzyszy zazwyczaj zwiększenie jej odporności na stresy. Znana jest zdolność ABA do zwiększania odporności roślin na chłód [91, 106] oraz stres wodny. Przyśpiesza on także adaptację kultur komórkowych do zmienionych poziomów zasolenia [46]. Przypuszczalnie odporność na stresy indukowana egzogennym ABA ma te same źródła co odporność nabyta w naturalny sposób — ABA, bez względu na jego źródło, nasila ekspresję tych samych genów, korzystnych w warunkach stresowych [73].