Войти
Открытие и закрытие стомы. Защитные клетки - это специализированные растительные клетки в эпидермисе листьев, стеблей и других органов, которые используются для контроля газообмена. Они производятся парами с зазором между ними, образующим устьичную пору. Устьичные поры являются наибольшими, когда вода находится в свободном доступе, а замыкающие клетки набухают, и закрываются, когда доступность воды критически низкая и замыкающие клетки становятся вялыми. Фотосинтез зависит от диффузии диоксида углерода (CO 2) из воздуха через устьица в ткани мезофилла. кислород (O2), образующийся как побочный продукт фотосинтеза, покидает растение через устьица. Когда устьица открыты, вода теряется из-за испарения и должна быть восполнена через транспирационный поток водой, поглощаемой корнями. Растения должны уравновешивать количество CO 2, абсорбируемого из воздуха, с потерей воды через устьичные поры, и это достигается как активным, так и пассивным контролем тургорного давления замыкающих клеток и устьичных размер пор.
Защитные клетки - это клетки, окружающие каждую стому. Они помогают регулировать скорость испарения, открывая и закрывая устьица. Свет - это главный спусковой крючок для открытия или закрытия. Каждая замыкающая клетка имеет относительно толстую кутикулу со стороны пор и тонкую напротив нее. Когда вода попадает в ячейку, тонкая сторона выпирает наружу, как воздушный шар, и увлекает за собой толстую сторону, образуя полумесяц; комбинированные полумесяцы образуют отверстие поры.
Защитные клетки содержат белки фототропина, которые представляют собой сериновые и треониновые киназы с фоторецепторной активностью синего света. Фототрофины содержат два домена датчика света, кислорода и напряжения (LOV) и являются частью суперсемейства доменов PAS. Фототропины вызывают множество реакций, таких как фототропизм, движение хлоропластов и расширение листьев, а также открытие устьиц. Примерно до 1998 года было известно немного о том, как эти фоторецепторы работали. Механизм действия фототропинов был выяснен в ходе экспериментов с бобами (Vicia faba). Иммунодетекция и дальний вестерн-блоттинг показали, что синий свет возбуждает фототропин 1 и фототропин 2, в результате чего протеинфосфатаза 1 начинает каскад фосфорилирования, который активирует H-ATPase, насос, отвечающий за перекачку H ионы из клетки. Фосфорилированная Н-АТФаза позволяет связывать белок 14-3-3 с аутоингибиторным доменом Н-АТФазы на С-конце. Затем серин и треонин фосфорилируются внутри белка, что индуцирует активность Н-АТФазы. Тот же эксперимент также обнаружил, что после фосфорилирования белок 14-3-3 связывается с фототропинами до того, как H-АТФаза фосфорилируется. В аналогичном эксперименте они пришли к выводу, что связывание белка 14-3-3 с сайтом фосфорилирования необходимо для активации активности Н-АТФазы плазматической мембраны. Это было сделано путем добавления фосфопептидов, таких как Р-950, который ингибирует связывание белка 14-3-3, с фосфорилированной Н-АТФазой и наблюдения за аминокислотной последовательностью. Когда протоны выкачиваются, на плазматической мембране образовался отрицательный электрический потенциал. Эта гиперполяризация мембраны позволила накопить заряженные ионы калия (K) и ионы хлорида (Cl), что, в свою очередь, увеличивает концентрацию растворенного вещества, вызывая снижение водного потенциала. Отрицательный водный потенциал позволяет осмосу происходить в замыкающей ячейке, так что вода проникает внутрь, позволяя ячейке стать набухшей.
Открытие и закрытие устьичной поры опосредуется изменениями давления тургора двух замыкающих клеток. Тургорное давление замыкающих клеток контролируется перемещением большого количества ионов и сахаров внутрь замыкающих клеток и из них. Сторожевые клетки имеют клеточные стенки разной толщины и по-разному ориентированные микроволокна целлюлозы, из-за чего они изгибаются наружу, когда они набухли, что, в свою очередь, вызывает открытие устьиц. Устьица закрываются при осмотической потере воды, происходящей из-за потери калия соседними клетками, в основном ионов калия (K)
Водный стресс (засуха и солевой стресс) является одной из основных экологических проблем, вызывающих серьезные потери в сельском хозяйстве и природе. Засухоустойчивость растений обеспечивается несколькими механизмами, которые работают вместе, включая стабилизацию и защиту растений от повреждений, вызванных высыханием, а также контроль того, сколько воды теряют растения через устьичные поры во время засухи. Растительный гормон абсцизовая кислота (ABA) вырабатывается в ответ на засуху. Идентифицирован основной тип рецептора ABA. Растительный гормон АБК вызывает закрытие устьичных пор в ответ на засуху, что снижает потерю воды растениями за счет транспирации в атмосферу и позволяет растениям избегать или замедлять потерю воды во время засухи. Использование засухоустойчивых сельскохозяйственных культур растений приведет к сокращению потерь урожая во время засухи. Поскольку замыкающие клетки контролируют потерю воды растениями, исследование того, как регулируется открытие и закрытие устьиц, может привести к развитию растений с улучшенным предотвращением или замедлением высыхания и лучшей эффективностью использования воды. Исследования, проведенные Жан-Пьером Рона, показывают, что АБК является спусковым механизмом для закрытия устьичного отверстия. Чтобы вызвать это, он активирует высвобождение анионов и ионов калия. Этот приток анионов вызывает деполяризацию плазматической мембраны. Эта деполяризация заставляет ионы калия в клетке покидать клетку из-за дисбаланса мембранного потенциала. Это внезапное изменение концентрации ионов приводит к сокращению замыкающей клетки, что вызывает закрытие устьиц, что, в свою очередь, снижает количество потерянной воды. Согласно его исследованиям, все это цепная реакция. Повышение АБК вызывает увеличение концентрации ионов кальция. Хотя сначала они думали, что это совпадение, позже они обнаружили, что это увеличение кальция важно. Они обнаружили, что ионы Ca2 + участвуют в активации анионных каналов, что позволяет анионам проникать в замыкающую ячейку. Они также участвуют в предотвращении коррекции протонной АТФазой и предотвращении деполяризации мембраны. Чтобы подтвердить свою гипотезу о том, что кальций ответственен за все эти изменения в клетке, они провели эксперимент, в котором использовали белки, которые ингибируют образование ионов кальция. Если бы они предположили, что кальций играет важную роль в этих процессах, они увидели бы, что с ингибиторами они увидели бы меньше следующих вещей. Их предположение было правильным, и когда были использованы ингибиторы, они увидели, что протонная АТФаза работает лучше, чтобы сбалансировать деполяризацию. Они также обнаружили, что поток анионов в замыкающие клетки был не таким сильным. Это важно для прохождения ионов в запорную ячейку. Эти две вещи имеют решающее значение для закрытия устьичного отверстия, предотвращая потерю воды растением.
Ионные каналы и насосы, регулирующие открытие и закрытие устьиц. Поглощение ионов в замыкающие клетки вызывает открытие устьиц: открытие пор газообмена требует поглощения ионов калия замыкающими клетками. Калиевые каналы и насосы были идентифицированы, и было показано, что они действуют в захвате ионов и открытии устьичных отверстий. Высвобождение ионов из замыкающих клеток вызывает закрытие пор устьиц: были идентифицированы другие ионные каналы, которые опосредуют высвобождение ионов из замыкающих клеток, что приводит к оттоку осмотической воды из замыкающих клеток из-за осмоса, сокращения замыкающих клеток, и закрытие устьичных пор (Рисунки 1 и 2). Специализированные каналы оттока калия участвуют в высвобождении калия из замыкающих клеток. Анионные каналы были идентифицированы как важные регуляторы закрытия устьиц. Анионные каналы выполняют несколько основных функций в контроле закрытия устьиц: (a) Они позволяют высвобождать анионы, такие как хлорид и малат, из замыкающих клеток, что необходимо для закрытия устьиц. (b) Анионные каналы активируются сигналами, которые вызывают закрытие устьиц, например, внутриклеточным кальцием и АБК. В результате высвобождение отрицательно заряженных анионов из замыкающих клеток приводит к электрическому сдвигу мембраны в сторону более положительных напряжений (деполяризация ) на внутриклеточной поверхности замыкающей клетки плазматической мембраны. Эта электрическая деполяризация замыкающих клеток приводит к активации наружных калиевых каналов и высвобождению калия через эти каналы. По крайней мере, два основных типа анионных каналов были охарактеризованы в плазматической мембране: анионные каналы S-типа и анионные каналы R-типа.
Вакуоли представляют собой большие внутриклеточные хранилища органеллы в клетках растений. В дополнение к ионным каналам в плазматической мембране, вакуумные ионные каналы выполняют важные функции в регуляции открытия и закрытия устьиц, поскольку вакуоли могут занимать до 90% объема замыкающей клетки. Следовательно, при закрытии устьиц большая часть ионов высвобождается из вакуолей. Васкулярные K (VK) каналы и быстрые вакуолярные каналы могут опосредовать высвобождение K из вакуолей. Вакуолярные K (VK) каналы активируются повышением внутриклеточной концентрации кальция. Другой тип кальций-активируемых каналов - это медленный вакуолярный канал (SV). Было показано, что каналы SV действуют как катионные каналы, проницаемые для ионов Са, но их точные функции еще не известны растениям.
Защитные клетки контролируют газообмен и ионный обмен посредством открытия и закрытия. K + - это ион, который течет как внутрь, так и из клетки, вызывая образование положительного заряда. Малат является одним из основных анионов, используемых для противодействия этому положительному заряду, и он перемещается через ионный канал AtALMT6. AtALMT6 - это активируемый алюминием переносчик малата, который обнаруживается в замыкающих клетках, в частности, в вакуолях. Было обнаружено, что этот транспортный канал вызывает приток или отток малата в зависимости от концентрации кальция. В исследовании Meyer et al. Эксперименты с патч-зажимом были проведены на вакуолях мезофилла арабидопсиса rdr6-11 (WT) и арабидопсиса, которые сверхэкспрессировали AtALMT6-GFP. В ходе этих экспериментов было обнаружено, что в WT при введении ионов кальция наблюдались только небольшие токи, в то время как у мутанта AtALMT6-GFP наблюдался огромный внутренний выпрямляющий ток. Когда переносчик выбивается из вакуолей замыкающих клеток, происходит значительное снижение тока потока малата. Ток идет от огромного внутреннего тока до незначительного отличия от WT, и Мейер и др. Предположили, что это связано с остаточной концентрацией малата в вакуоли. У нокаутных мутантов также наблюдается подобная реакция на засуху, как и у WT. Фенотипических различий между нокаут-мутантами, диким типом или мутантами AtALMT6-GFP не наблюдалось, и точная причина этого полностью не известна.
Защитные клетки воспринимают и обрабатывают внешние и эндогенные стимулы, такие как свет, влажность, концентрация CO 2, температура, засуха и гормоны растений, чтобы вызвать клеточные реакции что приводит к открытию или закрытию устьиц. Эти пути передачи сигнала определяют, например, насколько быстро растение будет терять воду в период засухи. Защитные клетки стали моделью для передачи сигналов одиночной клетки. Используя Arabidopsis thaliana, исследование обработки сигналов в одиночных замыкающих клетках стало открытым для возможностей генетики. Были идентифицированы цитозольные и ядерные белки и химические мессенджеры, которые функционируют в движениях устьиц, которые опосредуют передачу сигналов окружающей среды, таким образом контролируя поступление CO 2 в растения и потерю воды растениями. Исследования механизмов передачи сигнала замыкающими клетками помогают понять, как растения могут улучшить свою реакцию на стресс, вызванный засухой, за счет уменьшения потери воды растениями. Защитные клетки также представляют собой отличную модель для фундаментальных исследований того, как клетка интегрирует многочисленные типы входных сигналов для получения ответа (открытие или закрытие устьиц). Эти ответы требуют координации многочисленных клеточных биологических процессов в замыкающих клетках, включая рецепцию сигнала, регуляцию ионного канала и насоса, мембранный перенос, транскрипцию, цитоскелетные перестройки и многое другое.. Задача будущих исследований состоит в том, чтобы определить функции некоторых из идентифицированных белков для этих разнообразных биологических процессов клетки.
Во время развития листьев растений специализированные замыкающие клетки дифференцируются от «замыкающих материнских клеток». Плотность устьичных пор в листьях регулируется сигналами окружающей среды, в том числе увеличением концентрации CO 2 в атмосфере, что снижает плотность устьичных пор на поверхности листьев у многих видов растений с помощью неизвестных в настоящее время механизмов. Генетику развития устьиц можно непосредственно изучить, визуализируя эпидермис листа с помощью микроскопа. Было идентифицировано несколько основных контрольных белков, которые действуют в пути, опосредующем развитие замыкающих клеток и устьичных пор.
