Прежде чем попытаться понять, как сахароза транспортируется по флоэме, нам необходимо изучить структуру ситовидных трубок. Эти тонкостенные удлиненные клетки соединены своими концами и образуют непрерывную трубку. В тех местах, где смежные клетки соприкасаются друг с другом, их стенки пронизаны многочисленными ситовидными порами. Поэтому концевые стенки называются ситовидными пластинками ( 8.3), Клетки ситовидных трубок в отличие от клеток ксилемных сосудов живые, хотя они и не похожи на типичные живые клетки. Они не имеют ядра, но содержат некоторые другие органеллы и плазматическую мембрану (плазмалемму), ограничивающую наружную поверхность клетки и ситовидные поры. Эта плазма- лемма играет важную роль в удержании Сахаров в ситовидных трубках; о ее функциональной активности свидетельствует то, что клетки ситовидных трубок могут быть плазмолизированы. Тонопласт, подобно ядру и многим другим органеллам, отсут-ствует. С помощью электронного микроокопа в ситовидных элементах были обнаружены особые белковые микрофиламенты, называемые Ф-белком (флоэмным белком). Но точная структура и функция этих белков пока не известны.

Ультраструктура ситовидных трубок с трудом поддается изучению, так как в процессе приготовления срезов давление, существующее в трубках, вызывает смещение их содержимого к одному концу, что приводит к блокированию пор. По этой причине создалось представление, что поры в нормальном состоянии блокированы. Исходя из такого представления, очень трудно было понять, каким образом поры осуществляют свою транспортную функцию. Однако применение более тонких методов, в которых флоэму перед разрезанием можно фиксировать для микроскопирования in situ, показало, что содержимое ситовидных трубок обычно не блокирует ситовидную пластинку, хотя в ее порах изредка обнаруживаются наплывы каллозы — аморфного полимера глюкозы. Было установлено, что у большинства быстрорастущих растений такие отложения происходят либо в результате повреждения тканей, либо в нормальных условиях в конце функциональной жизни ситовидных трубок. В большинстве случаев ситовидные трубки имеют короткий период жизни и постоянно заменяются новыми, образующимися при делении камбия. Каллоза, вероятно, функционирует в тех растениях, которые сохраняют свои ситовидные трубки в течение периода покоя. У некоторых деревьев, например Tilia americana, ситовидные поры блокируются отложениями каллозы в конце периода роста; весной пробки каллозы гидролизуются, и продукты гидролиза становятся источником веществ, используемых растением при возобновлении своего роста. В результате разрушения пробок начинает вновь осуществляться флоэмный транспорт веществ к местам их потребления.

Некоторые паренхимные клетки, окружающие ситовидные трубки, имеют особые свойства. Они образуются вместе с ситовидными трубками при заключительном делении клеток, формирующих ситовидные трубки. Такие паренхимные клетки называются клетками-спутницами. Клетки-спутницы имеют большое ядро, плотную цитоплазму, множество рибосом и митохондрий, а также эндоплазматический ретикулум. При транспорте веществ они могут проявлять специальные секреторные функции.. Они, вероятно, служат также источником энергии и информационной РНК, необходимых для поддержания ситовидных трубок.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФЛОЭМНОГО ТРАНСПОРТА

Сахара движутся по флоэме в виде концентрированного раствора, в котором содержание Сахаров составляет обычно 7—25%, (0,2—0,7 М). Первоначально велись споры о том, движется ли вода, выполняющая функции растворителя, с такой же ско^ ростью, что и сахара. Движение меченных 14С Сахаров было относительно быстрым, но не совпадало со скоростью движения воды, меченной тритием (3Н). Сейчас ясно, что движение Сахаров происходит только по ситовидным трубкам, тогда как молекулы меченой воды свободно диффундируют через плазмалемму. Поэтому беспорядочное движение очень малого числа молекул меченой воды приводило к их диффузии из ситовидных трубок, и в результате возникало впечатление, что вода не движется вместе с сахарами. То, что весь раствор действительно перемещается как единое целое, было показано в изящном опыте, в котором пучки ситовидных трубок, извлеченные из черешка Heracleum, оставались соединенными своими концами с растением и продолжали функционировать. С помощью узкого луча света напревали маленький участок на поверхности пучков, а затем, используя термопару, тщательно измеряли скорость движения нагретого раствора по ходу пучка. Этот метод показал, что нагретый раствор двигался по пучку со скоростью примерно 35 см/ч, что совпадает с наблюдаемыми скоростями транспорта сахарозы.

Сахара часто перемещаются по флоэме на расстояние нескольких метров со скоростью до 100 см/ч. Такие расстояния и скорости слишком велики, чтобы считать диффузию главным транспортным механизмом. Для эффективного флоэмного транспорта требуются живые ситовидные трубки, способные к активному метаболизму. Вот почему флоэмный транспорт тормозится при «кольцевании» стебля, приводящего к гибели всех живых клеток в небольшой зоне вокруг стебля. При этом вода может достигнуть листьев через неповрежденные ксилемные трубки, но сахара не проходят через флоэму окольцованной зоны. Аналогичным образом ингибиторы дыхания могут воспрепятствовать транспорту образовавшихся при фотосинтезе ассимилятов.

Оказалось, что флоэмный транспорт трудно изучать, так как опыты, нарушающие тем или иным путем тонкий баланс давления в комплексе ситовидных трубок, приводят к ошибочным результатам. Один из немногих методов, с помощью которого успешно исследовалось содержимое и свойства флоэмы, основан на использовании тлей. Эти насекомые обладают уникальной •способностью определять местонахождение какой-нибудь одной ситовидной трубки и прокалывать ее своим стилетом во время кормежки на растении ( 8.4). Проколов однажды ситовидную трубку, они не должны больше затрачивать никаких усилий, так как под действием давления в ситовидных трубках происходит их принудительное кормление.

Следовательно, природу содержимого ситовидных трубок и процесса флоэмного транспорта можно изучать, используя тлей в качестве .своеобразных кранов. Тело насекомого удаляют, а -стилет остается воткнутым в ситовидную трубку в виде микроканюли, через которую флоэмный сок течет под действием давления в ситовидной трубке. С помощью этого метода можно показать, что во флоэме имеются градиенты концентрации и давления, причем более высокая концентрация сахарозы и более высокое гидростатическое давление наблюдаются вблизи донора, а более низкие концентрация и давление —около акцептора.

Несмотря на то что ситовидные трубки флоэмы, находящиеся под давлением, соприкасаются с сосудами ксилемы, испытывающими натяжение, обе эти системы находятся в состоянии водного равновесия, т. е. они имеют одинаковый водный потенциал. Высокий отрицательный водный потенциал концентрированного флоэмного сока нейтрализует влияние положительного тидростатического давления в ситовидных трубках. Поэтому ситовидные трубки имеют отрицательный водный нетто-потенциал, примерно равный водному потенциалу ксилемных сосудов, содержащих очень разбавленный раствор (с небольшим отрицательным водным потенциалом) и испытывающих натяжение ( 8.5,Л).

МЕХАНИЗМ ФЛОЭМНОГО ТРАНСПОРТА

За длительный период изучения флоэмного транспорта было выдвинуто множество теорий о его механизме. Большинство из- них можно отвергнуть, так как они были основаны на опытах,, вызывающих, как было показано позднее, возникновение арте-

фактов. Что касается остальных теорий, то обсуждаемые в них данные можно удовлетворительно, объяснить действием других механизмов, а не тех, которые предложили их авторы. Только одна теория, по общему мнению, согласуется почти со всеми известными фактами, а оставшиеся небольшие расхождения, очевидно, будут объяснены в дальнейшем путем незначительной модификации основной теории. Поэтому для простоты мы опишем лишь теорию перетекания растворов (или теорию тока под давлением Мюнха), предложенную первоначально немецким физиологом Карлом Мюнхом.

Согласно этой теории, перетекание растворов по флоэме полностью основано на простых принципах осмоса, что лучше всего можно показать, рассмотрев чисто физическую аналоговую систему. Две жесткие сферы, сконструированные из мембраны с избирательной проницаемостью, погружают в воду и соединяют между собой непроницаемой трубкой ( 8.5,Б). Первоначально одна сфера заполняется концентрированным раствором сахарозы (Л), а другая — разбавленным (В). В результате осмоса вода начинает поступать в обе сферы и в системе возникает давление. Поскольку давление возрастает в более концентрированном растворе А, оно будет передаваться по трубке к менее концентрированному раствору (5). Если давление, передаваемое от А, превысит давление, возникшее в В, то вода вместо того, чтобы поступать в В, будет вынуждена выходить из него. Так как вода в этом случае поступает в А и выходит из В, перетекание раствора сахарозы будет происходить от А к В. Оно будет продолжаться до тех пор, пока концентрации растворов А и В не выравняются. В этом состоянии вся система будет находиться под равновесным давлением и направленный нетто-поток раствора прекратится. Однако если мы будем добавлять сахарозу к Л и удалять ее из В, то перетекание раствора сахарозы от А к В продолжится. Если при этом вода, удаленная из В, сможет через наружный раствор поступать обратно в А, то возникнет непрерывно действующая закрытая система. Для того чтобы показать это, растворы, окружающие А и В, соединены на рисунке трубкой.

В растении сахароза, образовавшаяся при фотосинтезе, активно накачивается в ситовидные трубки мелких листовых жилок в ходе процесса, называемого загрузкой флоэмы. Этот процесс приводит к снижению водного потенциала ситовидных трубок, и вода начинает поступать в них путем осмоса. В результате возникает давление, что вынуждает раствор перемещаться1 к потребляющим клеткам по градиенту давления. Из места потребления сахароза активно удаляется, что вызывает повышение водного потенциала ситовидных трубок. Затем вода диффундирует из ситовидных трубок по градиенту водного потенциала* обусловленного главным образом наличием в них давления. Она' быстро возвращается по ксилеме к источнику сахарозы.

Эта теория хорошо согласуется с основными известными о- флоэме данными: флоэма находится под положительным давлением; между донором и акцептором существуют как градиенты давления, так и осмотические градиенты; содержимое ситовидных трубок перетекает по ним сплошным потоком; открытые- ситовидные поры благоприятствуют такому перетеканию раствора. Остается одна проблема, заключающаяся в том, что, как известно, флоэмный транспорт требует более активного метаболизма, чем тот, который необходим для простого поддержания плаз- малеммы ситовидных трубок. Эту дилемму можно решить, если: принять во внимание тот факт, что метаболизм требуется для трех отдельных процессов: загрузки флоэмы в листьях сахарозой, переноса сахарозы к местам потребления и удержания ее- внутри мембраны ситовидных трубок. Разное соотношение этих трех процессов определяет направление движения содержимого ситовидных трубок, расположенных вертикальными примыкающими друг к другу рядами.

Загрузка флоэмы

В листьях сахароза, первичный подвижный продукт фотосинтеза, должна поступать в ситовидные трубки против градиента концентрации. Примечательно то, что листовые жилки ветвятся- многократно до тех пор, пока диаметр их окончаний не оказывается равным толщине нескольких сосудов и ситовидных трубок. В этом месте они тесно примыкают к мезофильным клеткам, принимающим активное участие в фотосинтезе. У сахарной свеклы (Beta vulgaris) сахароза накачивается в эти концевые трубки непосредственно из стенок окружающих клеток мезофилла и мелких межклетников, куда она сначала транспортируется из клеток мезофилла ( 8.6). Транспорт сахарозы во- флоэму избирателен и сопряжен с активным метаболизмом. Вероятно, при этом происходит совместное проникновение (ко- транспорт) сахарозы и водорода (Н+) через специфическую пермеазу, присутствующую в плазмалемме ситовидных трубок, благодаря градиенту рН и электрохимическому градиенту. Позднее при разгрузке энергия необходима для откачивания ионов водорода из ситовидных трубок с помощью АТР-зависимого переносчика ионов Н+. Этот фермент использует для перемещения1 ионов Н+ через мембрану энергию, высвобождаемую при гидролизе АТР. Ионы водорода затем могут диффундировать назад в клетку вместе с сахарозой, используя специфическую протон- но-сахарозную пермеазу и двигаясь ;по электрохимическому градиенту ионов Н+.

Удержание сахарозы в ситовидных трубках «а процессе транспорта

Во время транспорта по флоэме наблюдается высокоизбвра- тельное удержание сахарозы в ситовидных трубках. Большинство других молекул могут свободно диффундировать как в ситовидные трубки, так и из них; при этом они находятся в состоянии равновесия с окружающими молекулами того же типа. Удержание сахарозы в ситовидных трубках происходит против значительного градиента концентрации и требует постоянной затраты метаболической энергии. Предполагают, что ситовидные трубки содержат большое количество АТР-азы, которая, возможно, участвует в этом процессе. Исходя из того, что клетки- спутницы выглядят очень плотными и изобилуют митохондриями, можно думать, что в «их происходят высокоактивные метаболические процессы. Одна из их функций, вероятно, состоит в том, что они обеспечивают смежные ситовидные трубки энергией, необходимой для поддержания избирательной проницаемости мембран.

Несмотря на то что для поддержания данной системы требуется большое количество энергии, сам но себе транспорт в ситовидных трубках не зависит от метаболизма. Скорость транспорта изменяется в соответствии с уровнем потребления. Таким.» образом, метаболизм обеспечивает лишь удаление сахарозы из- флоэмы. Этот процесс вместе с метаболической загрузкой и поставляет энергию для непрерывного функционирования системы.. Само перетекание растворов питательных веществ от их источников к местам потребления или запасания происходит по чисто- физическим градиентам.

Следовательно, теория перетекания растворов может объяснить основные особенности флоэмного транспорта. Единственная структура, роль которой еще не понята, — это Ф-белок. Было высказано предположение, что микрофиламенты Ф-белка создают поверхность для транспорта веществ на границе раздела двух фаз, способствуя тем самым быстрому движению раствора по флоэме. Но до сих пор отсутствует экспериментальное- подтверждение этого предположения. Хотя существуют, по-видимому, какие-то еще дополнительные механизмы флоэмного транспорта и теория перетекания растворов, вероятно, несколько изменится в будущем, в настоящее время она представляет наилучшее описание транспорта ассимилятов по ситовидным трубкам флоэмы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ

Образующиеся в листьях продукты фотосинтеза (фотосинта- ты), а также вода и минеральные вещества, поглощенные корнями, потребляются всеми растительными клетками. Движение,.. или транслокация, всех этих веществ по растению осуществляется по специализированным транспортным элементам, присутствующим во флоэме и ксилеме. В то время как ксилемный: транспорт направлен главным образом от корня к стеблю, флоэмный транспорт может происходить как вверх, так и вниз,., причем для каждого направления используется свой индивидуальный ряд элементов ситовидных трубок.

Растворы по флоэме перетекают от донора к акцептору. В качестве последнего выступает любая зона, в которую транспортируемые материалы удаляются из перетекающего раствора. Зоны роста и развивающиеся запасающие органы служат обычными акцепторами (местами потребления), тогда как листья ш запасающие органы, в которых происходит мобилизация ресурсов,— обычными донорами (источниками).

В клетках ситовидных трубок отсутствует ядро, но имеется в избытке цитоплазма, связанная с цитоплазмой соседних клеток с помощью плазмодесм и многочисленных пор ситовидных пластинок. Клетки ситовидных трубок содержат также пучки нитевидного белка, обозначаемого как Ф-белок. Эти пучки иногда пересекают ситовидные поры и простираются от клетки к клетке. В некоторых случаях ситовидные поры закупориваются глюканом каллозой, особенно в период покоя, и открываются лишь после его завершения. Клетки-спутницы с плотной цитоплазмой располагаются вдоль ситовидных трубок. Хотя их функция неизвестна, они, вероятно, снабжают энергией ситовидные трубки. Используя стилеты тлей, которые проникают в отдельные ситовидные элементы, исследователи установили, что экспортируемый материал флоэмы, содержащий 0,2—0,7 М сахарозу и другие растворенные вещества, обычно движется как единое целое со скоростью около 35 см/ч, а порой и до 100 см/ч.

Общепризнано, что транспорт по флоэме осуществляется путем перетекания растворов. Высокое гидростатическое давление, обусловленное движением воды в богатые сахаром зоны с высоким отрицательным водным потенциалом, вызывает перетекание растворов в зоны с более низким давлением. Удаление сахара из них гарантирует постоянное «аличие градиента и, следовательно, перетекание раствора. Критическими этапами в поддержании системы являются загрузка растворенных веществ в ситовидные клетки и их разгрузка. Полагают, что загрузка включает совместный транспорт (котранспорт) сахарозы и ионов Н+ с участием специфической пермеазы, обусловленный градиентом рН и электрохимическим градиентом. Поглощенные ионы Н+ выделяются впоследствии с помощью протонного транспортера, иопользующего энергию АТР. Удержание сахарозы в ситовидных трубках против высоких осмотических градиентов связано, вероятно, с такими же активными процессами.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Crafts A. S„ Crisp С. Е. 1971. Phloem Transport in Plants, San Francisco, Freeman.

Zitntnertnann M. N., Milburn J. A. 1976. Transport in Plants, I. Phloem Transport, Encyclopedia of Plant Physiology, New Series, Vol. 1, Berlin-Heidelberg, New York, Springer-Verlag.

ВОПРОСЫ

3.1. В стебле ксилема и флоэма соприкасаются между собой и тем не менее значительного иетто-двнження воды от одной ткани к другой не наблюдается, хотя осмотический потенциал кснлемы лишь слабо отрицательный (примерно —1 бар), а осмотический потенциал флоэмы намного более отрицательный (около —20 бар). Объясните, почему в этом случае нетто-движение воды незначительно. Что можно сказать, исходя из этих фактов, относительно механизмов, с помощью которых указанные тканн осуществляют свои функции?

8.2.      Чем отличается транспорт неорганических веществ от транспорта органических веществ в растении? В чем их сходство?

8.3.      Считается, что флоэмный транспорт является результатом тех же физиологических процессов, которые участвуют в осмосе. Как объяснить тот факт, что транспорт значительно замедляется или даже совсем прекращается, если на листья или стебель наносят метаболические ингибиторы?

8.4.      Что определяет направление тока по флоэме?

8.5.      Рост плода, например яблока, зависит преимущественно от поступающих к нему продуктов фотосинтеза. Как можно увеличить размеры отдельного незрелого яблока по сравнению с остальными плодами иа этом дереве?

8.6.      Листья или корни древесного растения подкармливали радиоактивным фосфором (32Р) и позже измеряли радиоактивность коры и древесины на уровне, соответствующем половине высоты стебля. Были получены следующие результаты.

Какое можно сделать заключение из этих данных о различном распределении 32Р при использовании двух указанных способов подкормки? Где накапливается больше всего 82Р в каждом нз этих методов? Что определяет направление и скорость движения в том и другом методе?

8.7.      Объясните, каким образом липндиые компоненты в семени транспортируются к точкам роста стебля после прорастания семенн. Опишите по порядку все участвующие в этом транспорте процессы.

8.8.      Относительно низкие ночные температуры, по-вндимому, ускоряют как нетто-транслокацию, так и рост растений томата. Какова возможная причина возникновения видимого отрицательного температурного коэффициента транслокации?

8.9.      Недостаток бора иногда вызывает низкую урожайность яблонь. Как это можно объяснить с учетом транслокации?

8.10.    Каковы возможные механизмы транспорта в крупной водоросли, не имеющей хорошо организованной сосудистой системы?