Фотосинтез С3 и С4 растений механизмы и регуляция - Эдвардс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
В сороковые годы Роадес и Карвальо исследовали клетки мезофилла и клетки обкладки проводящих пучков у кукурузы с помощью микроскопа. Они заметили, что зеленые клетки обкладки проводящих пучков светлее, чем клетки мезофилла. Днем в пластидах накапливался крахмал, который в темноте исчезал из пластид клеток обкладки и оставался в пластидах клеток мезофилла. После 78 ч инкубации срезанных листьев в среде с сахарозой в пластидах мезофилла накапливалось большое количество крахмала. Роадес и Карвальо заметили также, что в пестрых листьях кукурузы (испещренных зелеными и 1белыми полосами) явно нормальные содержащие хлорофилл клетки обкладки проводящих пучков не запасали крахмал в том случае, когда по соседству с ними находились клетки мезофилла, лишенные хлорофилла. Отсюда исследователи сделали вывод: «Нам,
к счастью, удалось однозначно показать, что крахмал, образующийся в этих пластидах (пластидах клеток обкладки проводящих пучков), возникает из растворимых углеводов, образующихся в пластидах мезофилла и затем поступающих в клетки паренхимной обкладки, где и происходит синтез крахмала», Прошли годы, и стало ясно, что для обеспечения высокой скорости фотосинтеза у Сграстений необходим С^цикл, который функционирует как механизм, концентрирующий СОг, и который зависит от функционально активного состояния фотосинтезирующих клеток мезофилла. Клетки мезофилла у Сграстений не могут самостоятельно синтезировать сахара из СОг, однако упомянутая выше концепция продержалась достаточно долго — до того момента, когда были проведены основополагающие биохимические исследования (синтез сахарозы и крахмала у Сграсте-ний обсуждается в разд. 12,10).
В 1964 г. Джонсон при подготовке диссертации провел фундаментальное исследование ультраструктуры клеток обкладки проводящих пучков и мезофилла у многих злаков, включая и те виды, для которых характерна кранц-анатомия. Часть этой работы была опубликована в 1973 г. после того, как было установлено биохимическое значение кранц-анатомии (Johnson, Brown,. 1973). В середине шестидесятых годов Лэтш начал электронно-микроскопические исследования сахарного тростника, а затем и других Сграстений. К 1968 г. несколько исследователей совершенно независимо друг от друга (Downes, Hesketh, Downton, Tregunna, Johson, Hatch, Laetsch) пришли к выводу, что у многих растений существует некая 'Связь между анатомическим строением листа и рядом характеристик С4-фотосиитеза (Black,. 1973).
Источники данных: [5, 6, 10, 16, 18, 27, 33, 38, 43].
10.5. Выделение хлоропластов,
протопластов и клеток из С4-растений
В наиболее ранних работах по разделению хлоропластов мезофилла и обкладки проводящих пучков у сахарного тростника и некоторых других С4-растений были испытаиы центрифугирование в градиенте плотности (как в водных, так и в неводных растворах) и избирательное механическое разрушение ткани (Black, 1973). Все методы избирательного разрушения основаны на том, что клетки мезофилла разрушаются раньше, чем клетки обкладки проводящих пучков, так как у последних клеточная стенка гораздо толще. После механического разрушения впервые были разделены клетки мезофилла и тяжи обкладки проводящих пучков (проводящие пучки с прикрепленными к ним клетками) из Digitaria sanguinalis (Edwards et al,, 1970). Для
Рис. 10.13. Протопласты мезофилла А и тяжи клеток обкладки проводящих пучков Б, полученные после ферментативной обработки листьев кукуоузы (Kanai, Edwards, 1973). n у
Таблица 10.2. Активность ФЕП-карбоксилазы и РуБФ-карбоксилазы в экстрактах кукурузы (Kanai, Edwards, 1973)
Фермент Ферментативный экстракт Ферментативный экстракт
из протопластов мезофилла из тяжей обкладки прово
дящих пучков
мкмоль - (мгХл)-1 -ч-1
РуБФ-карбоксилаза 0 389
ФЕП-карбоксилаза 864 10
выделения клеток мезофилла после механического разрушения ткаии могут быть использованы только С4-растения из рода Digitaria. У других видов растений клетки мезофилла легко разрушаются после механического растирания ткани листа. Рюзи Канаи впервые применил для разделения клеток у С^-растений (кукуруза, сахарный тростник, сорго) ферменты и выделил протопласты мезофилла и тяжи обкладки проводящих пучков (рис. 10.13). Позже ферментативный метод применяли в самых разных исследованиях С4-фотосинтеза у ряда CU-растений (Edwards, Huber, 1978). Приемы выделения протопластов и хлоропластов из протопластов описаны в приложении А. Для выделения клеток из некоторых растений использовали также и различные сочетания ферментативных и механических методов (Che,n et al., 1973).
Успехи в выделении и разделении клеток мезофилла и обкладки проводящих пучков повлекли за собой очень важные последствия. Так, например, на выявленных 'препаратах было показано, что активность ФЕП-карбоксилазы связана только с клетками мезофилла, а активность РуБФ-карбоксилазы — только с клетками обкладки проводящих пучков. В протопластах мезофилла С4-растений, так же как и в хлоропластах, полученных из этих протопластов, очень мало или совсем нет РуБФ-карбоксилазы (<1% содержания фермента в клетках обкладки проводящих пучков), нет в них и белка фракции I или составляющих его компонентов. И наоборот, активность РуБФ-карбоксилазы и присутствие белка фракции I характерны для изолированных клеток обкладки проводящих пучков (Edwards, Huber, 1978). Для выяснения локализации белка фракции I в интактных тканях Хаттерсли и др. (Hattersley et al, 1977) использовали очень остроумный метод. Применив иммунофлуорес-центное мечение белка фракции I, они обнаружили на поперечных срезах различных С4-растений, что этот белок локализован в клетках обкладки проводящих пучков. В табл. 10.2 представлена активность ФЕП-карбоксилазы и РуБФ-карбоксилазы в
