Зеленое растение — не просто машина, работающая на солнечной энергии: сама структура этой машины частично определяется количеством и качеством лучистой энергии, которую она получает. На проросток, выращенный в темноте, глубокое влияние оказывают поглощение даже немногих квантов света: изменяются скорость и направление роста, листьев и стебля, выпрямляется изгиб листовой подушечки (плюмулы), развиваются эпидермальные волоски, происходят изменения в пигментации листьев и стебля и во многих деталях внутренней анатомии проростка. В более поздний период жизни от света зависят цветение и плодообразование. Наконец, опадение листьев, переход почек и семян в состояние покоя и феномен старения — это тоже следствие полученных ранее световых и иных сигналов.

Разнообразные процессы,, опосредующие влияние света на форму растений, обобщенно были названы фотоморфогенезом. Хлорофилл и различные вспомогательные пигменты фотосинтетического аппарата не играют в этих процессах главной роли: она принадлежит фикобилиновому пигменту фитохрому и ка- кому-то еще не охарактеризованному желтому веществу — возможно, флавопротеидному ферменту. Содержание этих пигментов в растениях чрезвычайно мало; поэтому не удивительно, что количества энергии, необходимые для насыщения соответствующих фотопроцессов, на несколько порядков ниже, чем при фотосинтезе. Продукты этих световых реакций не регулируют рост растений стехиометрически, как это делает сахар, образующийся при фотосинтезе. Скорее они влияют на такие параметры, как проницаемость мембран, функция генов и активность ферментов, измененное состояние которых намного усиливает действие каждого поглощенного кванта. Таким образом, в то время как при фотосинтезе 8—10 квантов света необходимо для высвобождения всего лишь одной молекулы 02, то же число квантов на одну клетку может полностью определить репродуктивную судьбу растения или направление роста всего стебля. В этой главе мы узнаем о пигментах, фотопроцессах и дальнейших физиологических механизмах, участвующих в контроле фотоморфогенеза.

ОТКРЫТИЕ ФИТОХРОМА

История открытия фитохрома в начале 50-х годов группой исследователей министерства сельского хозяйства США составляет одну из самых волнующих глав в истории изучения растений. Эта история началась примерно на 30 лет раньше с работы двух экспериментаторов, имевших дело с табаком. У. Гарнер и X. Аллард пытались размножить мутантный тип крупнолистного табака — Мэриленд Маммот, который случайно вырос в единственном экземпляре среди других табачных растений. В определенное время исходный тип обильно зацвел, а Мэриленд Маммот — нет. Желая получить семена этого ценного нового типа и боясь, что растение может не зацвести до осенних холодов, ученые решили перенести его в теплицу. Однако, несмотря на все принятые меры, растение упорно оставалось в вегетативном состоянии примерно до середины декабря, когда на нем появились зачатки цветков — через несколько месяцев после того, как у нормальных растений успешно завершилось образование семян.

Анализ разнообразных факторов, которые могли бы быть ответственны за это необычное поведение, привел Гарнера и Алларда к неизбежному выводу, что растение зацвело под влиянием очень малой длины дня в северном полушарии перед рождеством. Они установили, что цветение можно вызвать переносом растений Мэриленд Маммот в специальные камеры с искусственно сокращенным световым днем ( 11.1). Табак Мэриленд Маммот, зацветающий лишь в том случае, если длина дня меньше некоторой критической величины, стали называть растением короткого дня. К этой категории относятся и многие другие растения, в том числе некоторые формы сои, хризантем и пуансеттии. Напротив, шпинат и некоторые зерновые зацветают только тогда, когда длина дня превышает определенную критическую величину; это растения длинного дня. Наконец, имеется группа растений (томаты и др.), цветение которых не зависит от длины дня (нейтральные растения). Реакция растений на длину дня называется фотопериодизмом.

Критический фотопериод для разных видов и даже сортов растений как короткого, так и длинного дня значительно варьирует. Он составляет 14 ч для Билокси — короткодневного сорта сои, растущего на широте 35°, тогда как сорт Баторавка, обычно выращиваемый на широте 45° и выше, будет цвести даже при непрерывном освещении. Эти различия в критическом фотопериоде играют важную роль в распределении растений на земном шаре.

В годы, последовавшие за открытием фотопериодизма, стадо ясно, что многие растения реагируют на продолжительность непрерывной темноты, а не на длину светлого периода. Иными словами, так называемое растение короткого дня — это на самом деле растение «длинной ночи». Для заложения цветочных бугорков ему необходима определенная минимальная продолжительность темноты, не прерываемой светом. Аналогичным образом растение длинного дня может быть в действительности растением «короткой ночи»: оно будет цвести лишь в том случае, если ночной период не длиннее некоторого максимума.

Эффективный период темноты для короткодневного растения можно сделать неэффективным путем простой уловки — достаточно немного укоротить его (всего на несколько минут) или прервать в середине вспышкой слабого света. Это говорит о том, что растение может «измерять» продолжительность темноты с точностью до нескольких минут и что фотопериодизм связан с работой необычайно чувствительной оветовоспринимающей системы. Короткодневное растение дурнишник цветет при режиме 15 ч света+ 9 ч темноты, но не будет цвести, если темный период составляет 8,5 ч или же 9-часовой темный период прерывается коротким световым периодом ( 11.2). Всего лишь один подходящий период темноты может привести к цветению, даже если последующие темные периоды недостаточно длинны. Этот феномен известен как фотопериодичёская индукция. У многих растений длинного дня имеет место аналогичный, но обратно направленный феномен: прерывание слишком длинного темного периода вспышкой света приводит к индукции и к заложению цветков. Таким образом, растения длинного и короткого дня, видимо, обладают сходным фотопериодическим механизмом, но последний каким-то образом действует в разных направлениях.

Короткодневный сорт сои Билокси так чувствителен к свету, что индуктивный эффект длительных темновых периодов можно снять даже минутным облучением с помощью ламп накаливания (без фильтра) в середине ночи. По этой причине X. Борт- вик и С. Хендрикс с сотрудниками пришли к выводу, что это растение было бы идеальным объектом для выяснения вопроса о том, какие длины волн наиболее эффективно предотвращают инициацию цветения; а эти сведения в свою очередь могли бы помочь в идентификации фоторецепторного пигмента, участвующего в контроле цветения. Поэтому они определили спектр» действия для данного процесса, используя большой спектрограф для одновременного облучения групп растений светом с разной длиной волны ( 11.3). Полученные спектры действия для ингибирования цветения короткодневных растений сои и дурнишника и для активации цветения длиннодневных 'растений Hordeum (ячмень) и Hyoscyamus (белена) оказались поразительно сходными ( 11.4). Во всех случаях был обнаружен максимум активности в красной области спектра (около 660 нм) при почти полной неэффективности других областей. Сходство спектров позволяло считать вероятным, что зацветание растений как короткого, так и длинного дня контролируется одним и тем же  пигментом. Анализ спектра действия привел к предположению, что поглощающий пигмент сходен с пигментом водорослей фикоцианином, который родствен желчным пигментам животных. К сожалению, такого рода пигментов авторы в своих подопытных растениях не нашли и поэтому стали вести поиски в другом направлении.

Давно было известно, что свет сильно влияет на прорастание некоторых семян. Например, увлажненные семена салата сорта Гранд Рапиде прорастают плохо в полной темноте, но быстро и хорошо при экспонировании на свету в течение нескольких минут. Оказалось, что спектр действия для этого эффекта сходен со спектром действия для цветения! Аналогично этому проросток гороха, выращенный в полной темноте, имеет очень длинный, тонкий непигментированный стебель, искривленный апикальный изгиб и почти не распустившиеся листья. Если такой этиолированный проросток выставить лишь на короткое время на свет, листья после этого разворачиваются, изгиб начинает распрямляться и удлинение стебля замедляется ( 11.5). Спектр действия и здесь фактически идентичен спектру для цветения. Приходится заключить, что такие разнородные реакции, как прорастание семян, изменение этиолиро

ванного проростка (его «деэтио- ляция») и индукция цветения, регулируются одним и тем же пигментом-рецептором.

Но что это за пигмент? Ответ был найден в результате Новой интерпретации старых опытов по прорастанию семян салата, проведенных в 1935 г. Л. Флинтом и Э. Мак-Алистером. Эти исследователи показали, что прорастание семян салата Гранд Рапиде не только стимулируется красным светом, но также подавляется светом дальней красной области спектра с длиной волны около 730 нм ( 11.6). Это откры-  11.4. Обобщенный спектр дей- тие привело к гипотезе, что крас- ствия для фотопериодизма (вычис- ный свет изменяет пигмент в од- лен по данным Parker et al. 1949. ном направлении, а дальний Amer. J. Bot., 36, 194—204).          красный — в другом. Опыты с

последовательным воздействием красного (К) и дальнего красного (ДК) света подтвердили эту гипотезу. В таких условиях семя реагировало лишь на последнее облучение, как будто форма пигмента, закрепленная при последней экспозиции, была единственным эффективным фактором ( 11.7). Даже семена, облученные 100 раз попеременно Красным и дальним красным светом, прорастали так же, как и облученные тем и другим светом по одному разу. Во всех случаях реакцию прорастания определяло последнее световое воздействие, предшествующее темноте.

 Затем Бортвик и Хендрикс изучили влияние дальнего красного света на реакции цветения и диэтиолирования, вызываемые красным светом. И здесь была обнаружена «обратимость К — ДК» ( 11.8). Это позволило предсказать, что существует один активный пигмент в двух взаимно фотообратимых формах, одна из которых образуется под действием красного, а другая— дальнего красного света ( 11.9). Обратимые, сдвиги поглощения при 660 и 730 нм вслед за облучением соответственно красным и дальним красным светом дали возможность легко выявлять пигмент и измерять его количество, особенно в этиолированных растениях, где экранирование хлорофиллом не создает затруднений (см. ниже). Вскоре пигмент был обнаружен в экстрактах растений, сконцентрирован, очищен, подвергнут анализу и частично охарактеризован. Его назвали фитохромом (от греческих слов, означающих «растение» и «краситель»). Его две формы были названы соответственно Фк (фитохром поглощающий красный свет) и Фдк (поглощающий дальний красный свет). Фитохром синтезируется в форме Фк. Поэтому этиолированные проростки содержат Фк, а не Фдк. Облучение красным светом превращает большую часть фитохрома в Фдк — физиологически активную форму, тогда как последующее облучение дальним красным светом превращает Фдк обратно в Фк .( 11.10).

Проростки Sinningia speclosa, выращиваемые при ежедневном 8-часовом периоде белого света высокой интенсивности, подвергали. воздействию слабого света в течение 16 ч 15 ночей подряд. Для дополнительного освещения использовались: дальний красный свет, поддерживающий низкий уровень Ф дк (слева); холодная белая люминесценция, поддерживающая высокий уровень Фдк (в середине)-, контроль — темнота (справа). Обратите внимание на удлиненные вертикальные черешки и маленькие скрученные листовые пластинки у проростка, обработанного дальним красным светом. Растение, на которое воздействовали ночью белым светом, сходно с контрольным, но только его'листья лучше пигментированы. (Satter, Wetherell. 1968. Plant Physiol. 43, 953—960.) Б. Оба проростка Chenopodium album выращивали в течение 21 дня под источниками излучения, обеспечивающими одинаковую плотность потока квантов в зоне ФАР (400—700 нм) и различную — в дальней красной области (>700 нм). Первое растение получило больше дальнего красного света, поэтому у него меньше фитохрома находится в форме Ф цк- (Morgan, Smith. 1976. Nature, 262, 210—212.)

B.Трехдневные проростки горчицы Sinapis alba, выращенные в темноте (слева), на свету (в середине) и росшие 42 ч в темноте, а затем 30 ч на свету (справа).

Поскольку в ткани, выращенной в темноте, весь фитохром предоставлен в форме Фк, фактически любое облучение повышает уровень Фдк. Исключение составляет зеленый свет с длиной волны 500—550 нм, так как ни Фк, ни Фдк существенно не поглощают этих лучей. Поэтому в опытах с фитохромом зеленый свет используют как «безопасный».

Превращения Фкч^Фдк действуют как метаболический механизм, включающий и выключающий определенные реакции. Это переключение косвенно регулирует множество биофизических, биохимических, гистологических и морфологических процессов в растениях ( 11.11). Многие из наступающих изменений происходят после первого воздействия света на этиолированный проросток, когда некоторая часть его фитохрома переходит в форму Фдк. Эти изменения, обобщенно называемые деэтиоля- цией, помогают растению адаптироваться к свету. При этом изменяется активность многих ферментов и содержание растительных гормонов, из этиопластов развиваются хлоропласты, происходит синтез хлорофилла, каротиноидов и антоциановых пигментов из предшественников. После позеленения этиолированных проростков система фитохромов продолжает влиять на рост и развитие растения в течение всей его жизни. Взаимопревращения Фк и Фдк не только влияют на индукцию цветения у растений как короткого, так и длинного дня, но и участвуют также в регулировании клубнеобразования, покоя, опадения листьев и'старения. Однако эффект превращений фитохрома в растениях, выросших на свету, зависит также от времени воздействия света. Чувствительность таких растений к определенным формам фитохрома имеет ритмический характер. Эта интересная проблема будет рассмотрена в следующей главе.

свойства фитохрома

Молекула фитохрома состоит из двух частей: относительно небольшого хромофора, поглощающего свет, и значительно более крупного бесцветного белка. Хромофор, подобно хромофору фикоцианина и других пигментов водорослей, представляет собой тетрапиррол с незамкнутой цепью ( 11.12). После поглощения фитохромом света с определенной длиной волны форма хромофора изменяется, и это в свою очередь изменяет форму белкового компонента. Белок, по-видимому, состоит из 4 субъединиц, расположенных в виде двойной гантели, с общей мол. массой около 240 000; это умеренно крупный белок, состоящий примерно из 2000 аминокислот.

Превращение Фк в Фдк при кратковременном воздействии красного света влияет на биохимические реакции в растении в течение нескольких последующих часов темноты. Эта поразительная стойкость эффекта столь краткого облучения зависит от того, что Фдк, будучи «активной» формой фитохрома, относительно стабилен в темноте. При 25 °С период полужизни Фдк в этиолированной ткани обычно составляет около 2 ч (т. е. за 2 ч содержание Фдк снижается до половины его первоначального количества), а в ткани, растущей на свету, этот период, вероятно, достигает 8—12 ч. В некоторых опытах с растущими на свету тканями активность Фдк можно обнаружить спустя более 72 ч после облучения красным светом. В отличие от этого- активированные формы других растительных пигментов очень нестабильны; у возбужденного хлорофилла, например, период полужизни составляет всего лишь несколько миллисекунд.

Медленное снижение уровня Фдк в темноте после облучения красным светом обусловлено двумя процессами—реверсией и разрушением. В одних тканях Фдк в темноте медленно превращается в Ф„; в других тканях после превращения Фк в Фдк снижается общее содержание фитохрома (т. е. пигмент разрушается). В некоторых случаях оба процесса происходят одновременно ( 11.10). Разрушение фитохрома и реверсия Фда в Фк ускоряются при высоких температурах, причем скорости этих процессов варьируют в разных растениях и в одном и том же растении при росте в разных условиях. Как мы увидим в гл. 12, в семенах тепловая реверсия Фдк в Фк играет важную роль в регуляции прорастания.