Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Фізіологія росту та розвитку рослин
Диференціювання клітин

Процес функціональної диференціації клітин, або накопичення фізіологічних відмінностей між ними, відбувається на всіх фазах росту. Це процес формування якісних відмінностей між окремими клітинами, який пов’язаний з їхньою спеціалізацією. Деякі клітини диференціюються дуже рано ще в апікальній меристемі (наприклад, клітини епідерми). Як правило, майбутня спеціалізація клітин визначається ще в зоні поділу верхівок стебла чи кореня. Цей процес визначення майбутньої спеціалізації називають детермінацією (рис. 157).

Підтвердженням цього є наприклад, той факт, що з допомогою імунохімії в меристемі зародкового кореня кукурудзи було знайдено, що білки майбутнього циліндра (клітини ксилеми і флоеми) з’являються задовго до формування їх.

В основі якісних відмін між клітинами лежать процеси диференціальної активності генів. Кожна вегетативна клітина в своєму геномі містить повну інформацію про розвиток всього організму і в певних умовах може дати початок формуванню тих або інших органів або навіть цілої рослини. Це явище має назву тотипотентність. Однак коли ця клітина знаходиться в межах організму, то вона реалізує лише частину своєї інформації. Сигналом для експресії тієї чи іншої програми (ефектором) служить певне співвідношення фітогормонів, метаболітів, фізико-хімічних факторів.

Рис. 157. Модель диференціювання клітини за Троллем. З однорідних меристематичних клітин (вгорі) можуть утворюватися різноманітні клітини постійних тканин (зліва направо): палісадні, замикаючі, паренхімні, «зірчасті» клітини, судини і ситовидні трубки, склеренхімні волокна

Найважливіша проблема диференціювання — це його механізм. Якщо головним фактором росту є поділ клітини шляхом мітозу, то це значить, що всі клітини ідентичні за своїм генотипом, і повинні мати ідентичну структуру та функції, але ж у дорослого організму це зовсім не так. Виникає запитання, які ж механізми створюють різницю між клітинами, тканинами, органами рослин?

Структура і функції клітин визначаються активністю генів, тобто вона зумовлена відмінностями в експресії геному. Це може бути досягнуто двома шляхами: або клітини при спеціалізації втрачають деякі гени, і тоді зберігаються лише ті гени, які потрібні для даної функції. Друга можливість — це «включення" або «виключення» різних генів в різних клітинах. За даними професора Стьюарда із Корнельського університету (США), стало очевидним, що у рослин діє саме другий механізм. Він першим продемонстрував, що якщо диференційовані клітини (наприклад, клітини флоеми моркви) помістити у відповідне культуральне середовище, то з них може сформуватися нова рослина моркви. Це значить, що клітини флоеми, хоча й були вже диференційованими, все ж містять всю потрібну інформацію для повного розвитку дорослої рослини. З допомогою таких методів можна одержати будь-яку кількість генетично ідентичних організмів. Ідентичне потомство, яке одержане від однієї батьківської особини, називають клоном, а сам метод — клонуванням.

Слід зазначити, що для процесу диференціації велике значення мають поверхневі властивості клітин, особливо безпосередня взаємодія — «прилипання» поверхонь. Адгезія зумовлена наявністю на поверхні клітин специфічних білків — глікопротеїнів типу лектинів, які з’являються внаслідок вибіркової експресії генів на різних стадіях розвитку клітин. Саме вони виконують функцію «пізнавання» клітин. Згідно з сучасними уявленнями, саме адгезія клітин має вирішальну роль в морфогенезі.

На процеси диференціювання впливають також фітогормони. Гормони можуть зумовити «включення» або «виключення» певної системи генів певній послідовності, тобто вони детермінують хід розвитку. Якщо ядра диференційованих клітин повністю зберігають свої генетичні потенції, то це значить, що в регуляції диференціювання бере участь і цитоплазма. Такий вплив одержав назву індукції.

Вважають, що окремі тканини здатні виділяти особливі морфо-генетичні речовини, причому джерелом їх є, насамперед, меристеми. Взаємовплив тканин зокрема проявляється в явищах гомо- та гетерогенетичної індукції. Гомогенетична індукція передбачає можливість клітин певної тканини зумовлювати утворення собі подібних. Це особливо чітко спостерігається в культурі ізольованих тканин Наприклад, в тканинах калуса при дотику з ділянкою ксилеми виникає ксилема, тоді як при дотику з флоемою — флоема. Аналогічні події відбуваються при зрощенні тканин.

При гетерогенетичній індукції навпаки, певні тканини або органи здатні заблокувати утворення собі подібних тканин чи органів. Наприклад, продихи виникають на певній відстані один від одного.

Яким чином здійснюється індуктивний вплив, повністю не зрозуміло. Вважають, що в цьому процесі також бере участь диференціальна репресія та активація генів в різних клітинах.

Нарешті, ще в кінці минулого століття Г. Дриш сформулював теорію, згідно з якою доля кожної частини зародка є функція її положення в цілому зародку. Ідея Ч. Чайдла про фізіологічні градієнти стала матеріальною основою закону Дриша. Чайдл вважав, що домінуюча ділянка градієнта виділяє деякі фактори, які гальмують розвиток таких же структур із інших клітин зародка. Розвитком цих ідей стала концепція К. Вольперта про «позиційну інформацію». Згідно його концепції, розвиток кожної клітини визначається концентрацією специфічних речовин — «морфогенів», які розподілені вздовж осі цілого зародку в вигляді концентраційного градієнта, що і складає суть «позиційної інформації». Використати цю інформацію можуть лише компетентні клітини.

В даний час є багато підтверджень того, що в тканинах і органах рослинного організму існують поздовжні та радіальні градієнти фізичних (електричні поля, механічні напруження), хімічних (Н+, Са2+, О2, СО2, трофічні фактори, фітогормони тощо) та фізіологічних (дихання, перенесення речовин) факторів. Ці градієнти змінюються в просторі та часі внаслідок нових поляризацій, які виникають в процесі розвитку організму.

Будь-яка клітина багатоклітинного рослинного організму піддається впливу з боку фізичних, хімічних, фізіологічних градієнтів та оточуючих клітин. Як результат, в клітині реалізуються саме ті потенціальні можливості, які відповідають цим впливам. Цю теорію називають «ефектом положення».

Взагалі, морфогенез у рослин здійснюється за участю різноманітних регуляторних систем, які в своїй сукупності проявляються у вигляді чіткої детермінації особливостей онтогенезу клітини залежно від її місця в тканині. Вважається, що така детермінація онтогенезу досягається шляхом просторового розподілу знаків регуляторних впливів, що одержало назву позиційної інформації (Д.М. Гродзінський, 1993).

Параметри онтогенезу клітини, які контролюються позиційною інформацією, різноманітні: до них належать тип спеціалізації з притаманною цьому типові біохімічною організацією, швид-

кість спеціалізації, топологія стовбурових клітин в тканинах та тривалість їх перебування в меристемоїдному стані, номер квантального мітозу, тривалість мітотичного циклу, кінцевий розмір клітини.

Ці параметри онтогенезу клітини визначають її функцію в тканинах органів рослин. Позиційна інформація стосовно деяких параметрів онтогенезу є дискретною, визначаючи лише тип її реалізації, разом з тим певні характеристики реалізуються шляхом недискретного механізму її регуляції. Фактори позиційної інформації, які на цей час досліджені не більш повно, досить різноманітні: фітогормони, їх рецептори, фактори фізичної природи, до яких належать світло різної якості, механічні напруження в тканинах, режим температури, розподіл сигналів електричної природи. Механізм реалізації позиційної інформації складається з прийняття клітиною сигналу, формування внутрішнього сигналу, індукції активації потенційно активних генів та наступної перебудови клітини:

Хоча система позиційної інформації відрізняється винятковим консерватизмом, є можливості втручання в її формування, а відтак і впливу на морфогенез рослини.

Етап старості і відмирання

Старіння та відмирання — кінцеві етапи онтогенезу диференційованих клітин. Основним принциповим моментом в розвитку старіння на молекулярному рівні є зміна співвідношення між процесами синтезу біополімерів клітини та їх розпадом в сторону посилення розпаду. Час життя кожного біологічного полімеру і структури, в склад якої він входить, визначається здатністю до оновлення. Цей процес характеризує величина напівперіоду життя, тобто час,

впродовж якого половина даної речовини, органоїдів клітини перестає існувати. Наприклад, напівперіод життя субстратів складає 10-100 хвилин, ферментів 5-500 годин, органоїдів 8-100 днів (Leopold, 1975). З розвитком старіння спостерігається сповільнення оновлення компонентів клітини, що в свою чергу послаблює функції, порушує регуляторні механізми.

Для цього етапу характерні, в основному, гідролітичні процеси, посилюється окислення ліпідів мембран, зростає втрата різних речовин клітини через мембрани Руйнуються хлорофіл, хлоропласти, фрагментується ендоплазматичний ретикулум, апарат Гольджі, вакуолізується ядро, руйнуються ядерця. Старіння стає незворотним з моменту руйнування тонопласта і виходу його вмісту, в тому числі й гідролаз, в цитоплазму.

Існує дві гіпотези, які пояснюють механізм старіння на клітинному та молекулярному рівні: перша пов’язує цей процес із нагромадженням пошкоджень в генетичному апараті, в мембранах та інших структурах, друга — вважає це результатом включення генетичної програми старіння, як останнього етапу онтогенезу.

Підтвердженням обох гіпотез є той факт, що в ході онтогенезу в клітинах зростає кількість ушкоджень, незважаючи на постійне самооновлення всіх структур та систем репарації ДНК. Процеси диференціювання клітин, їх спеціалізація викликають зміни у синтезі білків, наприклад виключення частини апарату трансляції, що прискорює старіння. У виконання генетичної програми розвитку старіння вносять певний вклад різноманітні порушення метаболізму. Наприклад, поступово накопичується кількість модифікованої ДНК, як за рахунок утворення хімічних звязків ДНК із РНК, гістонами, негістоновими білками, так і внаслідок порушення механізмів репарацій таких ушкоджень. Хроматин може ушкоджуватися вільними радикалами, кількість яких поступово збільшується. Вільні радикали впливають на проникність мембран клітини, що також порушує гомеостаз клітини. Як пошкодження хроматину, так і зміни в мембранах можуть викликати синтез дефектних білків і токсичних продуктів, які прискорюють старіння (Полевой, Саламатова, 1999).

Ще одна ознака старіння — підвищення pH цитоплазми в кислу сторону.

Причину старіння клітини найкраще розглядати, виходячи з фізіології цілого рослинного організму. Послаблення або повна відмова протонної помпи, втрата мембранами властивості напівпроникності призводить до втрати мембранного потенціалу, виходу з нерівноваги, що в кінцевому етапі спричинює лізис клітини.