14.8.4. Механизм транслокации веществ по флоэме

В разд. 14.8.1 были перечислены факты, которые должны быть учтены в любой гипотезе. В последующих разделах мы нарисовали картину активной флоэмы, по которой через очень тонкие ситовидные трубки с относительно большой скоростью переносятся большие количества материала. Внутри трубок имеются добавочные препятствия - ситовидные пластинки; кроме того, есть и другие структурные особенности (в частности, наличие флоэмного белка), о роли которых ничего не известно. Если мы учтем еще один факт, а именно то, что вся система очень хрупка и легко повреждается при всяком постороннем вмешательстве, станет понятно, что исследователям было очень трудно выяснить, механизм транслокации по ситовидным трубкам.

Многие сейчас считают, что по ситовидным трубкам идет массовый поток раствора, т. е. перемещение всей массы воды и растворенных в ней веществ в одном направлении, в отличие от диффузии, при которой различные молекулы и ионы перемещаются независимо друг от друга. Сама по себе диффузия - слишком медленный процесс, чтобы им можно было объяснить наблюдаемую скорость передвижения веществ. Сейчас мы перечислим данные, которые указывают на то, что по ситовидным трубкам идет массовый поток вещества.

1. Когда флоэму перерезают, начинает вытекать сок; по-видимому, он движется путем массового потока. Иногда это используют в практических целях для получения сахара. Так, например, сахарная пальма (аренга) "плачет", выделяя ежедневно по 10 л сахаристого сока.

2. Длительное вытекание раствора сахарозы через хоботок тли (см. разд. 14.8.8) говорит о наличии в ситовидных трубках гидростатического давления.

3. Некоторые вирусы переносятся по флоэме, что указывает на массовый поток, а не диффузию, так как вирус не находится в растворе и переносится пассивно. Основные споры касаются механизма самого массового протока, и сейчас мы рассмотрим важнейшие гипотезы.

В 1930 г. Мюнх предложил чисто физическую гипотезу, объясняющую, как происходит транслокация в ситовидных трубках. Эта гипотеза проиллюстрирована с помощью модели на рис. 14.26.

Рис. 14.26. Физическая модель, иллюстрирующая гипотезу Мюнха о том, что транслокация по флоэме происходит за счет массового потока. Моделируемые части живого растения: А - источник ассимилятов, например лист; В - флоэма; С - ткани, потребляющие ассимиляты, например корни, меристемы, плоды; D - ксилема, клеточные стенки и межклеточные пространства

В этой модели вода исходно стремится переходить путем осмоса из D в А и в С, но это стремление для А больше, так как раствор в А более концентрирован, чем в С. По мере того как вода входит в А, в замкнутой системе А-В-С создается тургорное (гидростатическое) давление, заставляющее воду выходить из С. Массовый поток раствора проходит через В в соответствии с установившимся градиентом гидростатического давления. Кроме того, существует и градиент осмотического давления, направленный от А к С. В конце концов вся система приходит в равновесие, когда содержимое А разбавляется водой, а в С накапливаются растворенные вещества. Эту модель можно применить и к живым растениям. Отсек А соответствует тканям листа, образующим сахар в процессе фотосинтеза, в результате чего повышается осмотическое давление в клетках листа. Вода, поступающая к листьям по ксилеме (D), входит в клетки листа за счет осмоса и повышает тургорное давление в них. Одновременно сахара расходуются потребителями ассимилятов, например корнями (С), для самых разных целей, в том числе для дыхания и синтеза целлюлозы. Это понижает осмотическое давление в клетках таких тканей. Между листьями и корнями (или, в более общей форме, между источниками ассимилятов и их потребителями) создается градиент гидростатического давления, что приводит к массовому потоку жидкости. Равновесие никогда не достигается, так как растворенные вещества все время расходуются тканями-потребителями (С) и непрерывно образуются в ассимилирующих тканях (А).

Гипотеза Мюнха дает чисто физическое объяснение току под давлением, но она не объясняет, почему ситовидные трубки должны быть живыми и метаболически активными. Кроме того, она не позволяет объяснить тот факт, что клетки листа способны загружать ситовидные трубки ассимилятами против градиента концентрации, т.е. факт более высокого осмотического давления в ситовидных трубках по сравнению с клетками листа. Поэтому гипотеза была видоизменена - в нее включили активный механизм переноса растворенных веществ в ситовидные трубки. В этом случае градиент осмотического и гидростатического давления начинается не в фотосинтезирующих клетках, а в ситовидных трубках. Кроме того, полагают, что разгрузка флоэмы на уровне потребителей - тоже активный процесс.

1. Согласно этой гипотезе, по ситовидным трубкам идет массовый поток вещества, и это скорее всего верно (соответствующие данные приводились выше).

2. Гипотеза исходит из существования осмотического градиента и высокого тургорного (гидростатического) давления во флоэме. Оба этих фактора продемонстрированы у ряда растений.

1. Для того чтобы растворенные вещества передвигались с наблюдаемой скоростью, нужны относительно высокие градиенты гидростатического давления. Если ситовидные поры полностью открыты, достаточно будет градиента около 100 кПа/м, однако существование столь крутых градиентов до сих пор остается сомнительным. Если же поры ситовидных пластинок заполнены цитоплазмой или флоэмным белком, т.е. имеются значительные препятствия для потока, расчетные величины нужного давления становятся совершенно нереальными.

2. Гипотеза Мюнха не объясняет, для чего нужны ситовидные пластинки и флоэмный белок, которые, по-видимому, создают дополнительные препятствия для массового потока.

Механизм, основанный на электроосмосе, предложили независимо друг от друга Фенсом в 1957 г. и Спэннер в 1958 г. Явление электроосмоса иллюстрирует рис. 14.27. Электроосмос обусловлен наличием поверхности с фиксированным зарядом, находящейся в ионном растворе. Эта поверхность приобретает заряд, когда молекулы, из которых она состоит, начинают отдавать ионы. Например, если нерастворимые молекулы (скажем, молекулы фибриллярного белка), помещенные в воду, начинают освобождать ионы водорода, то эти положительно заряженные ионы могут свободно перемещаться в растворе, а в том месте, где они были раньше, создается отрицательно заряженная поверхность, состоящая из неподвижных молекул. В результате раствор несет подвижный положительный заряд, который сбалансирован с неподвижным отрицательным зарядом. Если к заряженной поверхности приложить разность потенциалов, положительные ионы будут двигаться к отрицательно заряженному электроду (катоду). Каждый ион окружен оболочкой из молекул воды (рис. 5.5) и движется вместе с нею, а также с другими ионами и незаряженными молекулами типа сахарозы в массовом потоке всего раствора, проходящего мимо фиксированного заряда (рис. 14.27).

Рис. 14.27. Электроосмос. В случае, показанном на рисунке, закрепленная поверхность заряжена отрицательно, а раствор несет соответствующий суммарный положительный заряд

В ситовидных трубках такими фиксированными заряженными поверхностями могли бы служить боковые клеточные стенки, ситовидные пластинки и флоэмный белок; все они были бы заряжены отрицательно при тех щелочных условиях, которые обычно создаются внутри флоэмы. Гипотеза Спэннера видоизменялась несколько раз, но "окончательная новая форма", опубликованная в 1979 г.^*, может быть вкратце изложена так:

^* (Spanner D. С. (1979). Plant, Cell and Environment, 2.)

1. Массовый поток возникает в результате загрузки ситовидных трубок ассимилятами и осуществляется так, как это описано Мюнхом.

2. Ф-белок рыхло упакован внутри ситовидных пор - видимо, под действием массового потока.

3. Концентрация ионов калия (К⁺) в растворе, находящемся внутри ситовидной трубки, достаточно высока. Эти и другие катионы проходят через ситовидную пластинку, а анионы отталкиваются отрицательным зарядом флоэмного белка (и клеточных стенок).

4. На ситовидной пластинке возникает разность потенциалов, так как выше ее начинают накапливаться анионы. Выше пластинки создается суммарный отрицательный заряд, а ниже - положительный.

5. Как только достигается критическая разность потенциалов, происходит местное истечение ионов Н⁺ (протонов) со стенки ситовидной трубки; протоны проходят через плазматическую мембрану в просвет трубки и, увеличивая концентрацию Н⁺, понижают в ней рН.

6. Протонов с избытком хватает для нейтрализации отрицательного заряда, в результате чего разность потенциалов на пластинке меняет знак и местное окружение над пластинкой на время приобретает положительный заряд.

7. Появление такого положительного заряда приводит к электроосмосу ионов К⁺ через ситовидную пластинку мимо фиксированного отрицательного заряда Ф-белка. В результате передвижения калия и других катионов индуцируется массовый поток раствора.

8. Протонный насос мембраны ситовидной трубки быстро восстанавливает высокое значение рН внутри трубки, активно откачивая из нее протоны. Энергию для этого доставляют в форме АТФ клетки-спутники и ситовидные трубки.

9. Снова начинает создаваться исходная разность потенциалов.

Конечный результат состоит в том, что транслокация по ситовидным трубкам происходит за счет массового потока, предположенного Мюнхом, но она ускоряется электроосмосом на ситовидных пластинках. Ускорение происходит за счет кратковременных толчков-импульсов. Совсем не обязательно, чтобы оно происходило одновременно на всех ситовидных пластинках; может существовать определенная последовательность "включения" разных пластинок, но ее может и не быть. Поэтому поток в ситовидных трубках может носить не равномерный, а пульсирующий характер.

1. Установлена роль клеток-спутников в снабжении АТФ.

2. В ситовидных трубках обнаружены высокие концентрации ионов калия.

3. Давление, необходимое для транслокации, было бы намного ниже, чем по гипотезе Мюнха.

4. Намечена роль для ситовидных пластинок: они создают заряженную пористую структуру, позволяющую растворенным веществам передвигаться за счет электроосмоса. К тому же выясняется и возможное предназначение флоэмного белка, если он находится в ситовидных порах.

Эта гипотеза основана по существу на косвенных соображениях-прямых ее подтверждений пока нет. Так, например, не удалось измерить предполагаемые в ней изменения разности потенциалов. Не показано также и то, что стенки ситовидных трубок служат резервуаром ионов водорода.

Существенный недостаток гипотезы Спэннера состоит в том, что для поддержания наблюдаемой скорости потока понадобились бы очень большие затраты метаболической энергии, так как "закачивание" раствора происходит только на сравнительно небольшой поверхности ситовидных пластинок. В 1979 г. Александр Лэнг высказал мысль, что закачивание могло бы происходить на гораздо большей поверхности, если бы в нем участвовали также мембраны смежных перекрывающихся ситовидных трубок в области перекрывания. Процесс закачивания раствора мог бы протекать так же, как при загрузке или разгрузке ситовидных трубок у источника или потребителя ассимилятов. Растворенные вещества по-прежнему передвигались бы по градиенту давления между источником и потребителем, как предполагал Мюнх, но в этом случае требовался бы гораздо меньший градиент давления. Такой "эстафетный" механизм по своей сути почти ничем не отличается от течения под давлением, но он позволяет примирить некоторые противоречивые данные, приводимые в пользу и против гипотезы Мюнха. В поддержку новой гипотезы можно привести данные о том, что растворенные вещества легко входят и выходят из ситовидных трубок по всей их длине, например из флоэмы в ксилему и обратно.

Есть и другие гипотезы о флоэмном транспорте, в частности учитывающие движение цитоплазмы, а также наличие цитоплазматических "трансцеллюлярных" тяжей, прикрепленных к ситовидным пластинкам и тянущихся на большие расстояния вдоль ситовидных трубок; последнее наводит на мысль, что растворы могут каким-то образом перекачиваться и вдоль всего тяжа. Так же как и теория электроосмоса, эти идеи интересны, но пока не подкреплены почти никакими экспериментальными данными.