В природных условиях растения обычно не подвергаются воздействию ближнего или дальнего красного света — на них падает солнечный свет с широким спектром. В этих условиях примерно половина фитохрома представлена формой Фдк. Так как Фк и Фдк имеют широкие и перекрывающиеся спектры поглощения ( 11.9), они постоянно трансформируются в обоих направлениях, так что одни и те же молекулы при длительном облучении не остаются в форме Фдк. Вероятно, любая отдельная молекула непрерывно переходит из одной формы в другую— феномен, известный под названием «кругообращения» (cycling) пигмента. Скорость кругообращения возрастает с увеличением интенсивности света и при ярком солнечном освещении очень велика.

При кругообращении между Фк и Фда фитохром не превращается непосредственно из одной формы в другую, а проходит через ряд промежуточных форм ( 11.10). Например, когда Фк поглощает фотон, он быстро превращается в форму с максимумом поглощения при 692 нм. Эта форма существует очень недолго. Спустя менее 1 мс она спонтанно переходит в другую промежуточную форму с максимумом поглощения при несколько большей длине волны. Три или четыре такие промежуточные формы быстро появляются и затем исчезают, прежде чем образуется относительно стабильная форма Фдк. Промежуточные формы возникают и при превращении Фдк в Фк. Так как все они имеют очень короткий период полужизни по сравнению с Фк и ФДк, при кратковременном воздействии света они играют незначительную роль. Однако при длительном облучении светом высокой интенсивности молекулы пигмента быстро проходят циклы Фк^Фдк, непрерывно образуются промежуточные формы и появляется тенденция к накоплению форм с наибольшим периодом полужизни. При ярком солнечном свете около 20% фи-

тохрома может находиться в промежуточных состояниях. Очевидно, что при анализе действия фитохрома в природных условиях нужно учитывать и промежуточные формы.

Промежуточные формы между Фк и ФдК могли бы также играть роль в ряде реакций на высокую облу ценность. Сюда относятся! 1'акие морфогеиетические явления, как вытягивание гипокотиля, образование ан- тоцианинов в проростках и цветение некоторых растений длинного дня. Этим процессам способствует продолжительное облучение красным, дальним красным и синим светом высокой интенсивности, а не воздействие более слабого света, влияющего на трансформацию фитохрома. Спектры действия для этих реакций имеют пики в области 420—480 нм и 710— 720 нм ( 11.13). Некоторые из этих морфогенетических изменений можно вызвать кратким облучением при 660 нм и предотвратить последующим столь же кратким облучением при 730 нм, но длительное облучение всегда более эффективно. Видимо, эти реакции скорее требуют низкого уровня Фдк в течение длительного времени, чем высокого уровня в течение короткого периода; к такому результату может приводить воздействие синего света или же красного света с длиной волны 710— 720 нм. Однако причины потребности в интенсивном облучении не ясны. Важную роль могли бы играть кругообращение пигмента и образование его промежуточных.форм, так как эти процессы зависят от интенсивности света. Однако были предложены и другие объяснения, и потребуется еще много работы, чтобы понять реакции на высокую облученность. Не известно, например, обусловлено ли влияние синего света поглощением его фитохромами Фк и Фдк или в этом участвует пигмент вроде тех, которые регулируют фототропизм.

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ФИТОХРОМА

Фитохром или сходный с ним пигмент имеется у зеленых водорослей, мхов, печеночников, папоротников, голосеменных и покрытосеменных, но, вероятно, отсутствует у грибов. Различные функции, которые он выполняет у этих разнородных организмов, свидетельствуют о его значительной адаптивной способности. Рассмотрим несколько примеров.

Прорастание семян в почве

Многим семенам из-за потребности в Фдк для прорастания необходим свет: под слоем почвы они остаются в покое, но хорошо прорастают на ее поверхности. Таковы, например, семена обычного сорняка Verbascum brattaria. В 1973 г., через 90 лет после пробного закапывания, 20% семян этого растения все еще были жизнеспособны и проростки по своему росту не отличались от контрольных, полученных из свежих семян. Хотя в течение долгого периода покоя такие семена продолжают дышать, что уменьшает резерв питательных веществ, расход последних может быть очень незначительным, если фитохром представлен формой Фк.

Свежим семенам многих сорняков для прорастания свет не нужен, но потребность в свете возникает при помещении их в почву, особенно в переувлажненную. По-видимому, эти семена первоначально содержат много Фдк, который в темноте превращается снова в Фк. Этой реверсии не происходит, если семена хранятся в сухом воздухе, так как фитохром семян в этих условиях дегидратируется, а сухие Фк и Фдк не способны к взаимопревращению. Но если почва настолько влажная, что фитохром семян частично гидратируется, то происходит реверсия, которая у хранящихся семян, видимо, служит эффективным механизмом выживания.

Деэтиоляция

Некоторые виды семян прорастают глубоко в почве, куда свет не может проникать. Поскольку фитохром синтезируется в форме Фк, проростки на ранних этапах роста, когда они живут за счет запасных веществ эндосперма, содержат Фк, а не Фдк. У этиолированных, проростков бывают тонкие, быстро вытягивающиеся побеги с искривленным подсемядольным коленом и маленькие листья. Такой тип роста имеет значение для выживания, так как он позволяет проросткам быстро и экономно дотянуться, до света. Нежная верхушечная точка роста защищена изгибом, и энергия не растрачивается на рост листьев, поскольку они не могут функционировать до тех пор, пока растение не окажется на свету. Когда проросток выбьется через поверхность почвы на свет, некоторая часть фитохрома Ф к превращается в Фдк. Изгиб затем выпрямляется, стебель становится толще, скорость его удлинения уменьшается, листья увеличивают свою поверхность и зеленеют, повышая фотосинтетическую активность.

Рост под пологом листвы

Свет, проходя через зеленый лист, в результате избирательного поглощения волн определенной длины хлорофиллом относительно обогащается лучами дальней красной области по сравнению с красной ( 11.14). Это препятствует прорастанию семян, чувствительных к свету, после развития листового полога. Поскольку прорастание в такой среде с недостатком света приводило бы к плохому росту, подавление прорастания, обусловленное отсутствием Фдк, имеет значение для выживания. Следующей весной перед развитием листового полога семена смогут прорасти и проростки будут хорошо развиваться.

Затенение зелеными листьями влияет и на рост проростков. Поскольку фитохром в проростках нижнего яруса находится главным образом в форме Фк, рост затененных листовым пологом растений в некоторой мере сходен с ростом этиолированных проростков под землей: листья у них маленькие и тонкие, стебли необычно вытянуты. Поскольку они тратят значительную часть своих энергетических ресурсов на процессы, ведущие к удлинению стебля, растения нижнего яруса повышают свою способность достичь листового полога и проникнуть сквозь него; это известное преимущество в конкуренции, так как при затенении они получают

очень мало лучистой энергии для фотосинтеза. По-видимому, не случайно пики поглощения Фк и хлорофилла а совпадают, в то- время как пик поглощения Фда попадает в «окно» между короткими волнами, которые поглощаются фотосинтетическими' пигментами, и длинными волнами, поглощаемыми водой, содержащейся в растительных тканях. Природа использовала эту ситуацию многочисленными сложными способами!

ЛОКАЛИЗАЦИЯ ФИТОХРОМА В РАСТЕНИИ

Знание того, где находится фитохром в растении, конечно,, помогло бы нам понять механизм его действия, и для получения этой информации было использовано несколько методов. Самые' подробные данные о распределении фитохрома на уровне световой микроскопии получены нами с помощью метода иммуноцито- химии — с использованием антител, синтезируемых в организме животного после введения ему в кровь чужеродного белка. Кролики, которым вводят выделенный из растительной ткани фитохром, синтезируют антифитохромный иммуноглобулин. Это вещество после очистки специфически связывается с фитохромом- в срезах растительной ткани. Присутствие здесь иммуноглобулина можно выявить благодаря связыванию другого его конца с ферментом пероксидазой, при действии которого на субстрат образуется нерастворимый окрашенный продукт. Распределение фитохрома в молодых побегах ячменя, выясненное этим методом, показано на  11.15.

Позже иммунохимические методы были использованы дл» определения субклеточной локализации фитохрома в побегах овса и риса, выращенных в темноте. До облучения красным светом фитохром обычно распределен во всей цитоплазме и ее мембранах, а после короткого облучения выявляется лишь в определенных участках клетки. Видимо, эти участки — не ядра, непластиды и не митохондрии, а, возможно, эндоплазматический- ретикулум, разбросанный по всей цитоплазме. Длительное воздействие света приводит к появлению фитохрома также и в- ядрах. В пользу таких выводов говорят и эксперименты с изолированными субклеточными фракциями, однако не все исследователи согласны с интерпретацией полученных результатов. Данные физиологических экспериментов позволяют предполагать, что фитохром может находиться в клетке во многих местах в соответствии с его многочисленными функциями. По-видимому,, он локализован внутри этиопластов и митохондрий или в их наружных мембранах, так как изолированные органеллы реагируют на воздействие красным и дальним красным светом, произведенное после их выделения.

Наиболее подробные данные были получены в серии простых,, но изящных опытов с нитевидной водорослью Mougeotia. Каж-дая клетка этой водоросли содержит только один крупный хлоропласт, который поворачивается так, что его широкая сторона' устанавливается параллельно верхней поверхности клетки при облучении водоросли красным светом и перпендикулярно ей — при последующем облучении дальним красным светом ( 11.16). Чтобы получить такой эффект, нет необходимости! облучать сам хлоропласт: уже при облучении микропучком какого-то участка клетки движется только примыкающая часть хлоропласта. При использовании микропучка плоскополяризо- ванного света плоскость поляризации оказывает заметное влияние на его эффективность. Это означает, что фитохром ориентирован в клетке не беспорядочным образом; зондирование микропучками показывает, что хромофору фитохрома свойственна- определенная ориентация в плазмалемме. Кроме того, поскольку облучение поляризованным красным светом наиболее эффективно, когда плоскость поляризации параллельна клеточной» стенке, а последующее воздействие дальним красным светом — когда эта плоскость перпендикулярна стенке, фитохром, по-видимому, изменяет свою ориентацию в мембране на 90° при фототрансформации.

КАК ДЕЙСТВУЕТ ФИТОХРОМ?

Поскольку фитохрома в растительных клетках очень Немного и малые количества энергии, поглощенные этим пигментом,, могут вызывать большие физиологические сдвиги, очевидно, что первичное поглощение фотонов должно быть связано с клеточ

ной реакцией каким-то механизмом усиления. Такой механизм мог бы включать управление функцией генов, активностью ферментов, свойствами мембран или содержанием таких веществ, как гормоны, которые сами эффективны в ничтожных количествах. Все эти процессы, видимо, имеют место в определенных ситуациях, но, судя по новейшим данным, «основным» процессом, который может приводить ко всем остальным, возможно, является регуляция функций мембран.

Темнота или «безопасный» .зеленый свет

темноте, погружают в специальный раствор в стеклянном «такане, внутренняя поверх- «ость которого обработана так, что она несет отрицательный заряд. Когда стакан вращают, а затем наклоняют, кончнки корней прн воздействии только «безопасным» зеленым светом опускаются на дно, а при воздействии красным светом прилипают к боковой поверхности. Дальний красный свет изменяет эффект красного света на противоположный. (По данным Tanada. 1968. Proc. Natl. Acad. Sci., 59, 376—380.)

Как известно, растительные гормоны быстро перемещаются но растению и эффективны в очень малых количествах. Последствия превращений фитохрома можно было бы связать с синтезом или разрушением гормонов или же с их высвобождением или связыванием. По-видимому, любой из этих процессов мог бы происходить достаточно быстро, чтобы это позволило объяснить даже почти мгновенное действие фитохрома. Синтез или

вслед за обработкой белым светом высокой интенсивности с последующим 2-минутным воздействием красного и дальнего красного света. Листья остаются раскрытыми, если последним было облучение дальним красным светом (вверху), и складываются, если последним был красный свет (внизу). (Fonde- ville et al. 1906. Planta, 69, 357—364.)

расщепление гормона могли бы быть результатом прямого ферментативного действия Фдк или влияния Фдк на активность синтетических или гидролитических ферментов, существующих до облучения в виде «проферментов». Связывание или высвобождение гормонов в местах их функционирования или хранения могло бы происходить в результате модификации таких мест фи- тохромом Фда.

Содержание четырех различных гормонов (гиббереллинов, цитокининов, этилена и ауксина) в тканях растений, выращенных в темноте, быстро изменяется после короткого облучения красным светом, тогда как уровень пятого (абсцизовой кислоты) изменяется при длительном влиянии красного света. Поскольку влияние красного света на гиббереллины, цитокинины и этилен можно снять дальним красным светом, фоторецептором

Гипотеза о том, что фитохром действует «а уровне мембран, подкрепляется также прямой демонстрацией включения фитохрома и его функционирования в искусственных липидных мембранах (см. гл. 2). Облучение таких мембран красным и дальним красным светом вызывает большие изменения в их электрическом сопротивлении (рис 11.19). Это говорит в пользу того что конформационные изменения хромофора фитохрома могут одновременно изменять и структуру мембраны. Другие, более медленные и отдаленные эффекты фитохрома, такие как активация генов и онтогенетические изменения, вероятно, могут быть следствием этого инициирующего события; но возможно, что фитохром сразу действует не в одном направлении. Как мы увидим в следующей главе, не все контролируемые фитохромом реакции локализованы в пределах одной клетки; в некоторых случаях облучение одной части растения влияет на развитие органов, находящихся на некотором расстоянии. Определенные реакции такого типа, контролируемые фитохромом, происходят в этиолированных тканях, но самые яркие примеры касаются фотопериодической индукции цветения, клубнеобразования и покоя (см. гл. 12). Любая гипотеза о механизме действия фитохрома должна объяснять не только локальные, но и пространственно отдаленные реакции.