Поглощение источников азота листом:
За и против.
Часть 6.Физиологическая регуляция устьичного транспорта ДВ
За и против.
Часть 6.Физиологическая регуляция устьичного транспорта ДВ
1. Степень раскрытия устьичных щелей. Судя по ряду фактов, устьица могут быть не только основными, но подчас и единственными "воротами" для водорастворимых ДВ на поверхности листа. Так, показано проникновение сульфата аммония исключительно через устьица нижней стороны листьев яблони и хелатов железа - винограда, сульфата железа - апельсина. В последнем случае даже действие ПАВ не вызывало появления проницаемости у безустьичной кутикулы верхней стороны листа. Лишь у молодых растущих листьев винограда такая кутикула пропускала хелаты железа, по мере нарастания толщины и возможных изменений в составе и наноструктуре теряя эту способность. Отсюда ясно, что те факторы, котрые влияют на раскрытие устьиц, будут действовать и на всасывание листьями ДВ.
Важным фактором, действующим на раскрытие устьиц, является свет. Если специализированные на поглощении воды устьица регулируются так же, как и обычные, то следует ожидать увеличения потока ДВ через них при росте освещенности. Так и вышло на самом деле. Свет усиливал пропускание 15N-NaNO3 устьицами листьев апельсина, аннато, гевеи. У изолированных полосок эпидермиса листьев порея Allium porrum L. и очитка Sedum telephium L. свет мог на порядок увеличить проницаемость для уранина А. Проникновение этого красителя через устьица листьев порея на свету повышалось в среднем в 30 раз по сравнению с темнотой. Качественно то же самое можно ожидать в случае любого ДВ, проникающего через устьица.
Степень открытости устьичных щелей Zebrina purpusii Brückn. почти не влияла на их пропускную способность. Возможно, дело в специфике самого растения. Листья зебрины опушенные сверху и с достаточно плохо смачиваемой кутикулой снизу, поэтому в условиях опыта, в том числе с учетом предыстории выращивания растений и метода их опрыскивания (например, только сверху при достаточно крупных каплях), могло просто не быть контакта устьиц с наносимым раствором. Кстати, отдельно приходится лишний раз подчеркнуть, что характер опрыскивания листьев сильно влияет на результат, и нанесение раствора ДВ снизу листа либо применение "искусственного тумана" из такого рода жидкости будут, с одной стороны, эффективнее, чем обработка листьев сверху, а может быть, и единственно работающими вариантами, с другой, как раз очень сильно зависеть от всех факторов, регулирующих транспирацию. Также возможно существование растений со слишком специализированными "воротами" для поглощения воды, пропускная способность которых действительно не зависит от светового режима.
Помимо света, важное значение для устьиц имеют и влажность воздуха либо осмотический потенциал капельно-жидких растворов на поверхности листа. Возможно, именно с этим связана активация устьиц самими растворами солей как таковых (листья бобов, яблони, черной бузины, фиалки полевой и мари белой), а также при высыхании капель (листья порея) или перепадах влажности (листья порея, коммелины Commelina communis L., очитка Sedum telephium, яблони). Следует отметить, такое объяснение совершенно не противоречит тому, что приведено в предыдущем сообщении: возможно сочетание раскрытия устьичных щелей под действием солевых растворов и связывания ионов кутикулой замыкающих клеток с увеличением ее смачиваемости водой. В случае первого механизма должны быть особенно эффективными растворы с малой концентрацией ДВ, способствующие увеличению тургора замыкающих клеток устьиц и вследствие этого открытию их. Однако при контакте листа с водой возможно так называемое гидропассивное закрытие устьиц из-за механического давления на замыкающие клетки разбухших клеток мезофилла. В этом случае для открытия устьиц будет актуально подсушивающее действие растворов ДВ с повышенной (порядка 100 мМ) концентрацией. Однако это уже не столько регуляторный, сколько простой физико-химический процесс, и не ясно, какой его вклад в обычных, щадящих по отношению к растениям, условиях. Явно необходимо дополнительное исследование регуляции поведения замыкающих клеток устьиц растворами с разными концентрацией и составом (некоторые ионы, например, водорода и калия, прямо участвуют в контроле динамики устьичных щелей). Количественные данные, которые бы характеризовали зависимость потока в лист через устьица ДВ в зависимости от концентрации, явно в дефиците, хотя и обращает на себя внимание то, что при каком-то уровне происходит постепенное насыщение: рост скорости транспорта замедляется. Это показано для железа и калия. Причем в первом случае увеличение концентрации хелата с 2,5 до 5 мМ снизило константу скорости его проникновения в листья фасоли более чем вдвое. Такой низкий порог начала насыщения говорит не о физико-химической, как это предполагалось ранее, а о физиологической его природе. В частности, через гидроактивную регуляцию состояния устьиц. Однако последнее объяснение - далеко не единственно возможное, и здесь приходится затрагивать механизм активного транспорта ионов в клетки как таковой.
2. Вклад транспортеров. Одно из объяснений сравнительно быстрого выхода на плато концентрационной зависимости поглощения листом ионов макроэлементов, в частности, калия - насыщение "центров поглощения". Такими центрами могут быть транспортеры - специальные белки, выборочно переносящие соответствующий ион внутрь клетки и, как оказалось, определяющие темпы поглощения элементов минерального питания листом. В данном органе найдены разнообразные транспортеры нитрата, часть которых насыщается уже при малых (порядка 100...500 мкМ) концентрациях последнего, тогда как другие (например, NRT1.1) - в интервале 5...10 мМ. По достижении этого порога концентрация раствора селитры уже не может влиять на активное поглощение нитрата клетками листа, что не мешает избытку ионов попадать в раствор, пропитывающий клеточные стенки, и пассивно распространяться вплоть до тканевых барьеров, например, окружающих проводящие пучки. Загрузка в последние все равно происходит с участием транспортеров (в случае нитрата - уже упоминавшегося NRT1.1), что лимитирует ее максимальную скорость.
Из изложенного понятно, что в кратковременном опыте, пока пассивная диффузия в ткани листа еще не сравняла концентрации иона в их внутриклеточном пространстве и наружном растворе, скорость поглощения при высоких концентрациях окажется завышенной. Тем более, искажение реальной ситуации, имеющей место при поглощении практически любых элементов минерального питания листом, будет при использовании лишенной транспортеров изолированной безустьичной кутикулы. Как это можно видеть по предыдущим сообщениям, такой подход довольно обычен. Больше того, именно с его использованием делаются выводы о нарастании скорости поглощения ДВ с концентрацией, иногда нелинейном, и в итоге о простой диффузии как главном механизме транспорта веществ в лист. Логический замкнутый круг: диффузия ионов через кутикулу говорит о том, что транспорт можно изучать на примере изолированной кутикулы без устьиц, но в этом случае физически не остается возможности выявить и исследовать альтернативные пути. И, оп-ляля, фокусники от агрохимии делают вывод,что диффузия веществ в лист стоит на первом месте или вообще является единственным путем их проникновения. Кстати, еще один наглядный пример того, как легко можно ввести людей в заблуждение, просто умело выбрав нужные статьи, причем сами по себе вполне профессиональные и на каком-то этапе познания вопроса совершенно необходимые. А глубже? А зачем глубже, взяли и иллюстрировали понравившуюся и, возможно, используемую как обоснуй своего подхода идею.
У винограда (подвой М4) переход от питания 0,5 мМ нитратом кальция к 10 мМ запускал множество изменений метаболизма, подготавливающих основу для интенсивного использования самого указанного источника азота. Статья очень интересная, так как сочетает современный подход к проблеме и выбор актуального на данном форуме объекта исследования. Нет оснований думать, что такого рода биохимическая адаптация ограничена корнями. Запускает же ее обычно взаимодействие нитрата с его транспортерами. Как показано на примере винограда сорта Корвина (клон 48), привитом на подвой селекции Оппенгейма 4 (SO4), в том числе с использованием 15N-Ca(NO3)2, уже 0,2 мМ нитрат в составе 0,1 мМ указанной соли был способен увеличивать количество нескольких специализированных NO3-транспортеров и тем самым активизировать собственное поглощение. Опять же, речь шла о корнях, но не исключаю существования аналогичных процессов и в листьях. Такого рода картина известна, например, для арабидопсиса, но также и для других растений, достаточно далеких генетически. Правда, судя по классическим исследованиям, в листе будет работать, в основном, транспортер типа NRT1.1 с двумя плато концентрационной зависимости как при 0,1...0,5, так и при 5...50 (и более) мМ. Принципиальной картины это не меняет, растение адаптируется к самым разным уровням нитрата и других форм разных элементов минерального питания в среде. В данном случае, поиск литературы именно по винограду нужен не столько для того, чтобы выявить что-то принципиально отличное от классических объектов молекулярной биологии растений, сколько для того, чтобы иллюстрировать сходство с ними. Кстати, пример последнего - поглощение нитрата подвоями винограда сортов Паулсен 1103 и Магнолия с достижением половины от максимальной скорости транспорта при концентрации иона 5,5...6,5 мМ, что близко к цифрам у арабидопсиса. Сходство особенностей просто поражает.
Интересно, что среди транспортеров, участвующих в транспорте нитрата из паренхимы листа в жилки у арабидопсиса, известны имеющие оптимум как при низких, так и при высоких концентрациях иона. Наряду с наличием универсального транспортера NRT1.1, в том числе в замыкающих клетках устьиц, это свидетельствует о том, что не только поглощение нитрата листом, но и его попадание в систему дальнего транспорта возможно уже при минимальных концентрациях порядка 0,1 мМ, а вполне вероятно, что и менее. Также интересно то, что сам нитрат, действуя на NRT1.1, уже в концентрации порядка 1 мМ вызывает открывание устьичных щелей, что, естественно, должно положительно сказываться на поглощении растворов селитры.
Все вышесказанное можно проиллюстрировать примерами по аммонию и мочевине, но там картина принципиально не меняется. Есть специальные белки, от которых зависит скорость транспорта элементов минерального питания в клетки листа и далее жилки. А диффузия сквозь кутикулу - имеющее место, но лишь очень грубое приближение к той ситуации, которая реализуется на уровне растения. Единственно, транспорт аммония достигал максимума при концентрации, на порядок меньшей, чем для нитрата. Это связано не столько с большей эффективностью аммония как источника азота, сколько с избеганием со стороны растения накопления указанного иона в токсичных количествах.
Выводы.
1. Физиологическая сторона поглощения ДВ, в том числе источников азота, листьями, сложнее и менее исследована, чем эмпирическая и физико-химическая.
2. Тем не менее, становится понятно, что растения на уровне физиологии и молекулярной биологии адаптируются уже к минимальным концентрациям, например, нитрата, на два порядка меньшим, чем обычно применяются при опрыскивании.
3. Несмотря на сочетание физико-химических процессов и физиологически регулируемого поглощения ДВ на уровне поверхности листа, загрузка жилок, по-видимому, определяется работой молекулярных "контрольно-пропускных пунктов", а именно специальных белков, таких как транспортеры нитрата. В связи с этим дальний транспорт должен характеризоваться достаточно быстрым достижением максимальной скорости при нарастании концентрации ДВ. Для нитрата плато начинается с 5...10 мМ. Последняя цифра соответствует, например, 1,0 г/л калийной, 0,8 - кальциевой и 0,7 - магниевой селитры. Это меньше обычно применяемых доз и при этом уже достаточно для максимума усвоения азота.
4. Простенькая картинка диффузии ДВ через кутикулу, конечно, наглядна и красива, но... не имеет отношения к реальности! Она приобретает основное значение либо тогда, когда устьица устойчиво закрыты (что не самое обычное состояние растений, причем снимается самим нитратом и другими ДВ в составе рабочей жидкости), либо на упрощенных искусственных модельных объектах типа изолированной кутикулы и тем более тонких полимерных пленок (да, бывает и такое, и на них выводы делать пытаются
, не приводил примеров, ибо абсурдно).
С уважением, Андрей
Важным фактором, действующим на раскрытие устьиц, является свет. Если специализированные на поглощении воды устьица регулируются так же, как и обычные, то следует ожидать увеличения потока ДВ через них при росте освещенности. Так и вышло на самом деле. Свет усиливал пропускание 15N-NaNO3 устьицами листьев апельсина, аннато, гевеи. У изолированных полосок эпидермиса листьев порея Allium porrum L. и очитка Sedum telephium L. свет мог на порядок увеличить проницаемость для уранина А. Проникновение этого красителя через устьица листьев порея на свету повышалось в среднем в 30 раз по сравнению с темнотой. Качественно то же самое можно ожидать в случае любого ДВ, проникающего через устьица.
Степень открытости устьичных щелей Zebrina purpusii Brückn. почти не влияла на их пропускную способность. Возможно, дело в специфике самого растения. Листья зебрины опушенные сверху и с достаточно плохо смачиваемой кутикулой снизу, поэтому в условиях опыта, в том числе с учетом предыстории выращивания растений и метода их опрыскивания (например, только сверху при достаточно крупных каплях), могло просто не быть контакта устьиц с наносимым раствором. Кстати, отдельно приходится лишний раз подчеркнуть, что характер опрыскивания листьев сильно влияет на результат, и нанесение раствора ДВ снизу листа либо применение "искусственного тумана" из такого рода жидкости будут, с одной стороны, эффективнее, чем обработка листьев сверху, а может быть, и единственно работающими вариантами, с другой, как раз очень сильно зависеть от всех факторов, регулирующих транспирацию. Также возможно существование растений со слишком специализированными "воротами" для поглощения воды, пропускная способность которых действительно не зависит от светового режима.
Помимо света, важное значение для устьиц имеют и влажность воздуха либо осмотический потенциал капельно-жидких растворов на поверхности листа. Возможно, именно с этим связана активация устьиц самими растворами солей как таковых (листья бобов, яблони, черной бузины, фиалки полевой и мари белой), а также при высыхании капель (листья порея) или перепадах влажности (листья порея, коммелины Commelina communis L., очитка Sedum telephium, яблони). Следует отметить, такое объяснение совершенно не противоречит тому, что приведено в предыдущем сообщении: возможно сочетание раскрытия устьичных щелей под действием солевых растворов и связывания ионов кутикулой замыкающих клеток с увеличением ее смачиваемости водой. В случае первого механизма должны быть особенно эффективными растворы с малой концентрацией ДВ, способствующие увеличению тургора замыкающих клеток устьиц и вследствие этого открытию их. Однако при контакте листа с водой возможно так называемое гидропассивное закрытие устьиц из-за механического давления на замыкающие клетки разбухших клеток мезофилла. В этом случае для открытия устьиц будет актуально подсушивающее действие растворов ДВ с повышенной (порядка 100 мМ) концентрацией. Однако это уже не столько регуляторный, сколько простой физико-химический процесс, и не ясно, какой его вклад в обычных, щадящих по отношению к растениям, условиях. Явно необходимо дополнительное исследование регуляции поведения замыкающих клеток устьиц растворами с разными концентрацией и составом (некоторые ионы, например, водорода и калия, прямо участвуют в контроле динамики устьичных щелей). Количественные данные, которые бы характеризовали зависимость потока в лист через устьица ДВ в зависимости от концентрации, явно в дефиците, хотя и обращает на себя внимание то, что при каком-то уровне происходит постепенное насыщение: рост скорости транспорта замедляется. Это показано для железа и калия. Причем в первом случае увеличение концентрации хелата с 2,5 до 5 мМ снизило константу скорости его проникновения в листья фасоли более чем вдвое. Такой низкий порог начала насыщения говорит не о физико-химической, как это предполагалось ранее, а о физиологической его природе. В частности, через гидроактивную регуляцию состояния устьиц. Однако последнее объяснение - далеко не единственно возможное, и здесь приходится затрагивать механизм активного транспорта ионов в клетки как таковой.
2. Вклад транспортеров. Одно из объяснений сравнительно быстрого выхода на плато концентрационной зависимости поглощения листом ионов макроэлементов, в частности, калия - насыщение "центров поглощения". Такими центрами могут быть транспортеры - специальные белки, выборочно переносящие соответствующий ион внутрь клетки и, как оказалось, определяющие темпы поглощения элементов минерального питания листом. В данном органе найдены разнообразные транспортеры нитрата, часть которых насыщается уже при малых (порядка 100...500 мкМ) концентрациях последнего, тогда как другие (например, NRT1.1) - в интервале 5...10 мМ. По достижении этого порога концентрация раствора селитры уже не может влиять на активное поглощение нитрата клетками листа, что не мешает избытку ионов попадать в раствор, пропитывающий клеточные стенки, и пассивно распространяться вплоть до тканевых барьеров, например, окружающих проводящие пучки. Загрузка в последние все равно происходит с участием транспортеров (в случае нитрата - уже упоминавшегося NRT1.1), что лимитирует ее максимальную скорость.
Из изложенного понятно, что в кратковременном опыте, пока пассивная диффузия в ткани листа еще не сравняла концентрации иона в их внутриклеточном пространстве и наружном растворе, скорость поглощения при высоких концентрациях окажется завышенной. Тем более, искажение реальной ситуации, имеющей место при поглощении практически любых элементов минерального питания листом, будет при использовании лишенной транспортеров изолированной безустьичной кутикулы.
Оффтопик: открыть
Оффтопик: открыть
Интересно, что среди транспортеров, участвующих в транспорте нитрата из паренхимы листа в жилки у арабидопсиса, известны имеющие оптимум как при низких, так и при высоких концентрациях иона. Наряду с наличием универсального транспортера NRT1.1, в том числе в замыкающих клетках устьиц, это свидетельствует о том, что не только поглощение нитрата листом, но и его попадание в систему дальнего транспорта возможно уже при минимальных концентрациях порядка 0,1 мМ, а вполне вероятно, что и менее. Также интересно то, что сам нитрат, действуя на NRT1.1, уже в концентрации порядка 1 мМ вызывает открывание устьичных щелей, что, естественно, должно положительно сказываться на поглощении растворов селитры.
Все вышесказанное можно проиллюстрировать примерами по аммонию и мочевине, но там картина принципиально не меняется. Есть специальные белки, от которых зависит скорость транспорта элементов минерального питания в клетки листа и далее жилки. А диффузия сквозь кутикулу - имеющее место, но лишь очень грубое приближение к той ситуации, которая реализуется на уровне растения. Единственно, транспорт аммония достигал максимума при концентрации, на порядок меньшей, чем для нитрата. Это связано не столько с большей эффективностью аммония как источника азота, сколько с избеганием со стороны растения накопления указанного иона в токсичных количествах.
Выводы.
1. Физиологическая сторона поглощения ДВ, в том числе источников азота, листьями, сложнее и менее исследована, чем эмпирическая и физико-химическая.
2. Тем не менее, становится понятно, что растения на уровне физиологии и молекулярной биологии адаптируются уже к минимальным концентрациям, например, нитрата, на два порядка меньшим, чем обычно применяются при опрыскивании.
3. Несмотря на сочетание физико-химических процессов и физиологически регулируемого поглощения ДВ на уровне поверхности листа, загрузка жилок, по-видимому, определяется работой молекулярных "контрольно-пропускных пунктов", а именно специальных белков, таких как транспортеры нитрата. В связи с этим дальний транспорт должен характеризоваться достаточно быстрым достижением максимальной скорости при нарастании концентрации ДВ. Для нитрата плато начинается с 5...10 мМ. Последняя цифра соответствует, например, 1,0 г/л калийной, 0,8 - кальциевой и 0,7 - магниевой селитры. Это меньше обычно применяемых доз и при этом уже достаточно для максимума усвоения азота.
4. Простенькая картинка диффузии ДВ через кутикулу, конечно, наглядна и красива, но... не имеет отношения к реальности! Она приобретает основное значение либо тогда, когда устьица устойчиво закрыты (что не самое обычное состояние растений, причем снимается самим нитратом и другими ДВ в составе рабочей жидкости), либо на упрощенных искусственных модельных объектах типа изолированной кутикулы и тем более тонких полимерных пленок (да, бывает и такое, и на них выводы делать пытаются
, не приводил примеров, ибо абсурдно). С уважением, Андрей
