Gravitropizmas

Gravitropizmas – augalų, grybų bei kitų panašių gyvybės formų įvairių organų sugebėjimas užimti reikiamą padėtį Žemės traukos lauko atžvilgiu. Pavyzdžiui, grybo vaisiakūniai auga kepurėle aukštyn ir (paversti ant šono) išlinksta, atstatydami reikiamą orientaciją. Į viršų taip pat auga medžiai, žolės. Toks gravitropizmas vadinamas neigiamu (tolyn nuo Žemės centro). Šaknys paprastai auga žemyn (teigiamas gravitropizmas). Medžių šakos, lapai gali augti lygiagrečiai žemės paviršiui arba kokiu nors kampu (plagiogravitropizmas).

Atradimas 
Jėga, nulemianti išlinkimo kryptį gravitropinėje reakcijoje, yra atrasta Naito (Knight, 1806), kuris rėmėsi tuo metu neseniai Niutono suformuluotais mechanikos dėsniais. Naudodamas įvairių konstrukcijų centrifugas, Naitas parodė, jog gravitropinio išlinkimo metu augalo ašinis organas orientuojasi pagal sunkio jėgos vektoriaus kryptį. Naito išvados neprarado vertės iki šių dienų.
Augalo ašinio organo gravitropinė reakcija yra gravipoliarizuoto augimo pasekmė (Went, 1928). šį augimą kontroliuoja įvairios sistemos, galinčios lokaliai pakeisti (sumažinti arba padidinti) tįstamojo augimo greitį. šiuo metu daugelis tyrinėtojų teigia, jog greta hormoninės sistemos (Went, 1928) augimo procesų reguliacijoje esminį vaidmenį vaidina fitochrominė (Blaauw, 1961; Blaauw, 1963) ir nuo kalcio priklausoma (Bangerth, 1976) sistemos.

Dabartinės žinios 
Yra žinoma, jog atsakas į gravitacijos jėgos vektoriaus pasikeitimą galų gale pasireiškia lateraline augimo poliarizacija (Went,1928, Went, 1932). Taigi galų gale ši svarbi augalo reakcija, įgalinanti jį orientuotis erdvėje, turi būti reguliuojama ląstelės lygyje. Cholodno ir Vento teorija toliau plėtojama įvairiose laboratorijose (Merkys, 1962, 1966, 1972, 1990; Rayle & Cleland,1992). šiuo metu parodyta, jog gravitropinėje ir fototropinėje reakcijose svarbų vaidmenį vaidina beta-indolilacto rūgštis (IAR). Tyrimuose paprastai vadovaujamasi nuostata, jog tropinio išlinkimo procesas susideda iš keleto nuosekliai vykstančių fazių. Bendriausiu atveju išskiriamos indukcinė ir realizacinė fazės. Pirmoji apima sužadinimą, sujaudinimą, signalo perdavimą ir fiksaciją, o antroji yra betarpiškai stebima linkimo fazė (Merkys, 1990). Tačiau gryname pavidale šias fazes galima stebėti tik vienaląsčiuose organizmuose. Daugialąstelinėje sistemoje įvairios ląstelės esti įvairiose augimo fazėse ir neretai pasižymi skirtingu jautrumu. šiuo atveju apie reakcijos indukcinæ fazę galima kalbėti tik kaip apie statistinį procesą, kurio metu dalyje ląstelių jau gali būti prasidėjusi ir realizacinė fazė. Nepaisant to, tropinis išlinkimas gali būti tiesiogiai stebimas tik po to, kai į realizacinę fazę įžengia didžioji ląstelių dalis.

Taigi linkimas prasideda po to, kai dauguma ląstelių priėmė signalą apie gravitacijos jėgos vektoriaus pasikeitimą, transformavo jį į ląstelės kalbą ir užfiksavo atmintyje. Merkiui ir Laurinavičiui (1968), o dar anksčiau Brauner ir Bock (1963) pavyko atskirti gravitropinės reakcijos indukcijos ir realizacijos fazes ir parodyti, jog informacija apie praėjusią indukcinę fazę išlieka daugelį valandų. Analogiški rezultatai gauti ir fototropinei reakcijai (Guttenberg, 1959). Visą tą laiką ši informacija gali būti panaudota pereinant į realizacijos fazæ. Tačiau praėjus tam tikram laikui ji prarandama. Laiko tarpsnį nuo gravitacijos jėgos vektoriaus pasikeitimo iki informacijos fiksacijos (t. y. iki faktinio pasiruošimo poliarizuotam augimui) šiame darbe siūloma įvardinti daugialąstelinės sistemos indukcine faze statistine šio termino prasme. Visi po to vykstantys procesai atitinkamai vadinami realizacine faze.

Gravitropinei reakcijai skirtų darbų labai daug. Dažniausiai pagrindinis dėmesys skiriamas statolitų teorijai, beta – indolilacto rūgšties vaidmeniui, lateraliniam ir bazipetaliniam kalcio transportui, švieso įtakai poliarizacijos ir augimo procesams.

Gravitropinės reakcijos reguliavimas šviesa 
Nors šviesos sukeliamų fitochromo virsmų gravitropizmui tiriama palyginus seniai, įvairių autorių sukaupti duomenys yra gana prieštaringi. Pirmiausia buvo nustatyta, jog raudona šviesa stimuliuoja gravitropinį išlinkimą avižos koleoptilėse (Blaauw, 1961; Blaauw, 1963) bei žirnio (Pisum sativum L. cv Alaska) daiguose (Kang & Burg, 1972). Tačiau po kurio laiko kiti tyrinėtojai, nors ir patvitrino fitochromo virsmų reišmæ šiems objektams stebėjo gravitropinės reakcijos slopinimą raudona šviesa (Wilkins & Goldsmith, 1964; Wilkins, 1965 (koleoptilėms); McArthur & Briggs, 1979 (žirnio daigams)). Panašūs dėsningumai Liscum ir Hanagterio stebėti ir Arabidopsis thaliana L. daiguose (Liscum & Hangarter, 1993). Tačiau, kaip ir anksčiau, gaunama ir Kango bei Burgo išvadas patvirtinančių duomenų (Britz & Gelston, 1982).
 
Glaudžius fitochromo ir gravitropinės reakcijos mechanizmo ryšius įtikinamai rodo faktas, jog šviesa sukeliami fitochromo virsmai kartais ne šiaip veikia stimuliuojančiai ar slopinančiai, o keičia patį gravitropizmo pobūdį. įtikinamiausiai šis faktas parodytas kukurūzų šaknims, kurios raudonos šviesos poveikyje aktyvų plagiotropizmą keičia į aktyvų teigiamą gravitropizmą (Mandoli, Tepperman, Huala & Briggs, 1984; Leopold & Wettlaufer, 1988). Iš antžeminių augalo dalių panašūs dėsningumai stebėti pomidoro (Lycopersicon esculentum Mill.) mutanto lazy-2 linijoje (Gaiser & Lomax, 1993). Tamsoje išaugæ šios linijos ūgliai turi normalų neigiamą gravitropizmą. Tačiau raudonos šviesos poveikyje neigiamą gravitropizmą keičia teigiamas – ūgliai ima augti „žemyn galva“. Ilgabangė raudona šviesa atstato ankstesnį (neigiamą) gravitropizmo ženklą. Reikšminga, jog tiek teigiamo, tiek neigiamo lazy-2 stiebų gravitropizmo atveju auksinas lateraliai transportuojamas į tą stiebo pusæ, kuri greičiau auga (Hee Kim, Rayle & Lomax, 1994). Minėti autoriai teigia, jog lateralinio auksino transporto krypties keitimasis keičiantis gravitropinės reakcijos pobūdžiui fitochromo poveikyje patvirtina Cholodno-Vento tropizmų teoriją.
šiuo metu nežinoma, kodėl skirtingose laboratorijose atliekamų eksperimentų rezultatai nesutampa, nors pats fitochromo kontrolės gravitropizmui faktas lieka neginčijamas. Toks įvairus fitochrominės sistemos veikimas bei jos daugiafunkciškumas gali priklausyti nuo augalo rūšies, audinio tipo, fiziologinės ląstelės būsenos. Pastarąją nulemia, o galbūt ir kontroliuoja hormoninė reguliacijos sistema. Visa tai liečia gravitropinæ reakciją kaip visumą. Tačiau ne mažiau svarbu tirti, kuriame iš daugelio gravitropinės reakcijos etapų pasireiškia fitochromo vaidmuo. šiuo požiūriu įdomūs rezultatai gauti Suzuki, Tanaka & Fuji (1981), pagal kuriuos šviesa veikia tik jautrumą gravitropiniam sudirginimui (taigi indukcinæ fazæ) ir neturi jokios įtakos pačiam linkimo procesui (realizacinei fazei). šią hipotezæ remia ir kai kurie kiti tyrinėtojai (McFadden & Poovaich, 1988). Tačiau yra ir priešingų rezultatų, kuriuos paskelbæ autoriai tvirtina, jog raudona šviesa veikia vėlesnius, su realizacine faze susijusius gravitropinės reakcijos žingsnius (Kelly & Leopold, 1991).
Visi šie duomenys gauti dirbant su šaknimis. Informacijos apie tai, kokią tįstamojo augimo reguliacijos fazæ fitochromas kontroliuoja antžeminių augalo dalių gravitropinėje reakcijoje, šiuo metu praktiškai nėra, nepaisant to, jog antžeminės dalies gravitropinės reakcijos fazes yra pavykę atskirti dar 1968 m Merkiui ir Laurinavičiui (Merkys & Laurinavičius, 1968), o dar anksčiau Brauneriui ir Bokui (Brauner & Bock, 1964). Fototropinei reakcijai šią galimybæ dar 1959 m. parodė Gutenbergas (Guttenberg, 1959). Tuo tarpu tiri fitochromo veikimo pobūdį skirtingose antžeminės dalies gravitropinės reakcijos fazėse ypač aktualu, nes:
 Anžeminėms dalims būdingas neigiamas gravitropizmas, kurio mechanizmas gali skirtis nuo šaknų teigiamo gravitropizmo.
 Žinoma, jog antžeminiai ašiniai organai, turėdami aiškiai išreikštą gravitropinæ reakciją, yra keletu eilių mažiau jautrūs g vektoriui (Merkys, Laurinavičius & švegždienė, 1984; Merkys, Laurinavičius, Bendoraitytė, švegždienė & Rupainienė, 1986). ši savybė sudaro galimybæ išskirti gravitropinæ reakciją į atskiras fazes laike.
Pastaruoju metu daugelis tyrinėtojų, nagrinėjančių fitochromo virsmų įtaką augimui ir gravitropinei reakcijai, teigia, jog jo veikimo mechanizmas gali būti pagrįstas sąveika su nuo kalcio priklausoma reguliatorine sistema (Mandoli, 1984).

Elektriniai reiškiniai 
Žinoma, jog sunkio jėgos poveikyje įvyksta daugelio augalo organų elektrinė poliarizacija: apatinė pusė įgauna teigiamą krūvį (Bose, 1907; Brauner, 1927). šios poliarizacijos registravimas (priskiriant ją indukcinei fazei) buvo panaudotas tirti įvairių inhibitorių poveikį indukcinei ir realizacinei gravitropinės reakcijos fazėms atskirai (Bjorkman & Leopold, 1987). Buvo laikoma, jog agentai, nuslopinantys patį gravitropinį išlinkimą, bet neveikiantys minėtai elektrinei poliarizacijai, sustabdo būtent realizacinæ fazæ. Kukurūzo šaknų gravitropinės reakcijos atveju tokiais pasirodė esą IAR transporto inhibitoriai: trijodbenzoine rūgštis bei naftilftalamo rūgštis. Tuo tarpu kalmodulino antagonistai kalimidazoliumas bei junginys 48/80 blokavo ne tik išlinkimą, bet ir poliarizaciją. Tuo remdamiesi minėti autoriai tvirtina, jog Ca2+ pakitimus naudojanti sistema vaidina lemiamą vaidmenį indukcinėje, o IAR tranportas – realizacinėje gravitropinės reakcijos fazėje.

Kalcis 
Jau palyginus seniai (1955 m) buvo pasebėta CaCl2 tirpalo (0,01 M) avižų (Avena sativa L.) koleoptilių atkarpų tįstamajam augimui. Jau iš šių rezultatį iš esmės buvo galima numanyti Ca2+ koncentracijos pokyčius panaudojančios tįstamojo augimo reguliacijos sistemos egzistavimą bei glaudžius ryšius su fitohormonine reguliacijos sistema. šie bandymai vėliau buvo pakartoti Fele (Felle, 1988a) su kukurūzo (Zea mays L) koleoptilėmis, kartu tiesiogiai matuojant kalcio koncentraciją citozolyje. Buvo nustatyta, jog IAR sukelia žymius minėtos kalcio jonų koncentracijos svyravimus (periodas 20-30 min), ir hipotezė apie dviejų sistemų tarpusavio ryšius tapo daug labiau įtikinama. Fele darbas svarbus pirmiausia todėl, kad jau anksčiau buvo parodyta, jog kviečių koleoptilių gravitropinės reakcijos metu gana artimu minėtam periodu (40-50 min) svyruoja apatinės pusės augimo greičio pagreitis. Be to, augimo pagreičio svyravimų fazė ir periodas sutampa su elektrinių potencialų skirtumo tarp viršutinės ir apatinės pusių svyravimo faze ir periodu. Kadangi yra žinoma, kad tiek augimo, tiek ir elektrinio potencialo tarp viršutinės ir apatinės ašinio organo pusių skirtumai atsiranda dalyvaujant IAR (Merkys, 1973), galima manyti, jog ir kalcio koncentracijos citozolyje pokyčiai kažkaip susijæ su hormoninės tįstamojo augimo reguliacijos sistemos veikimu.

Kalcio svarbą tįstamojo augimo reguliacijoje taip pat patvirtina bandymai, asimetriškai apdorojant Ca2+ vieną kukurūzo šaknies pusæ (Medvedev, Maksimov & Markova, 1991). Toks poveikis sukelia šaknų išlinkimą Ca2+ šaltinio kryptimi. Tačiau yra žinoma, jog koleoptilės apdorojimas Ca2+ tirpalu nesukelia adekvataus Ca2+ koncentracijos padidėjimo citozolyje (Felle, 1988b). Po trumpalaikio pakilimo ši koncentracija greitai nukrinta netgi žemiau pradinės reikšmės, nes aktyvuojasi įvairios Ca2+ homeostazę palaikančios sistemos (Gilory, Fricker, Blowers, Harvey, Collinge & Trewavas, 1989). Tokia sudėtinga priklausomybė apsunkina interpretaciją duomenų, gautų tiesiog apdorojant objektą Ca2+ tirpalu.

Kalcio jonų koncentracijos ląstelėje reikšmæ augimo reguliacijoje galima tirti ir kitais būdais, pavyzdžiui, naudojant agentus, specifiškai surišančius į mažai aktyvų kompleksą kalcio jonus ir tokiu būdu sumažinančius laisvo kalcio koncntraciją Dažniausiai naudojama etilenglikol O,O’-bis (2-aminoetil) N,N,N’,N’ tetraacto rūgštis (EGTA). Dauguma tyrinėtojų teigia, jog jei EGTA efektą galima panaikinti vėlesniu poveikiu CaCl2, tai šis efektas sukeliamas ne kokiu nors šalutinių EGTA poveikių, o būtent laisvo kalcio koncentracijos sumažinimo. Pavyzdžiui, Albizzia lophantha L. niktinastijos nuslopinamos EGTA, o CaCl2 panaikina slopinantį EGTA poveikį (Moysset & Simon, 1990). Kukurūzo šaknų gravitropizmas nuslopinamas EGTA, o CaCl2 atstato ankstesnį gravitropinio išlinkimo kampą (Lee, Mulkey & Evans, 1983). Senėjimo procesai žirnio lapuose pagreitinami EGTA, o EGTA efektą panaikina CaCl2 . Visais minėtais atvejais CaCl2 atsatomasis efektas yra specifinis: kiti dvivalenčiai katijonai EGTA nuslopintos reakcijos neatstato. Gavæ tokius rezultatus, minėtų darbų autoriai teigia, jog EGTA veikimas susijęs su Ca2+ surišimu.

Tačiau kartais išsakoma nuomonė (Chalivendra, Subbaiach, Zhang & Sachs, 1994), jog išoriškai apdorojant EGTA ji suriša Ca2+ tik ten, kur patenka, t. y. už išorinės plazmalemos ribos. Tuo tarpu vidiniuose ląstelės kompartmentuose dar lieka žymus Ca2+ kiekis (Bush, 1993). Būtent tuo Chalivendra et al. (1994) aiškina savo nesėkmes, bandant EGTA pagalba nuslopinti kukurūzo geno ADH (alkoholdehidrogenazė) ekspresijos indukciją. Ca2+ reikšmė šio geno indukcijai (ekspresija vyksta tik anaerobiozės sąlygomis) įrodyta kitais būdais, pasitelkiant kalcio kanalų blokuotojus. Tokiu būdu, jautrumas EGTA galbūt parodo ne vien Ca2+ svarbą tiriamam procesui, bet ir teikia netiesioginæ informaciją, jog kalcio šaltinis sužadinimui yra už ląstelės ribų, o lokalinis Ca2+ koncentracijos padidėjimas gali įvykti aktyvuojant plazmalemos kalcio kanalus. Yra nustatyta, jog EGTA nuslopina kukurūzų koleoptilių gravitropinæ reakciją (Ìåäåâäåâ & ųòîíäą, 1989; Medvedev et al., 1991; Maximov, Meškauskas, Jurkoniene & Merkys A, 1996). CaCl2 panaikina slopinantį EGTA poveikį. Tai gana rimtas kalcio veikimo tįstamojo augimo procese įrodymas.
 
Žinoma, kad kalcio koncentracija apoplaste ir ląstelės sienelės fazėje bei kitose subląstelinėse struktūrose (endoplazminiame tinkle, vakuolėje ir pan.) žymiai didesnė nei citozolyje. Elektrocheminis Ca2+ gradientas plazmalemoje ir kai kuriose vidinėse ląstelės membranose didelis ir normoje praktiškai nekeičia krypties (Gilory, Fricker, Blowers, Harvey, Collinge & Trewavas, 1989). Tokiu būdu, labai tikėtina, jog Ca2+ koncentracijos citozolyje padidėjimas susijæs su šių membranų kalcio kanalų aktyvacija (Hock, 1986; Bush, 1993). Kai kuriais atvejais, naudojant kalcio kanalų blokuotojus, buvo įrodyta kalcio reikšmė augalų reakcijose, mažai jautriose EGTA. Pavyzdžiui, geno ADH (alkoholdehidrogenazė) ekspresijos indukcija anaerobioze negali būti nuslopinta EGTA, tačiau nuslopinama rutenio raudonuoju (Chalivendra et al., 1994), blokuojančiu daugiausia viduląstelinių membranų kalcio kanalus. Taigi EGTA nepatenka į ląstelės vidų, o rutenio raudonasis patenka ir šiuo atveju kalcio koncentracija citozolyje sumažianama blokuojant kalcio transportą iš vidinių ląstelės kompartmentų. ADH geno ekspresija taip pat neslopinama La3+ ir verapamilu, kurie, sutinkamai su aukščiau minėto straipsnio autoriais, blokuoja daugiausia plazmalemos Ca2+ kanalus. Taigi rutenio raudonojo tipo blokuotojų poveikis į tįstamojo augimo reguliacijos mechanizmą turėtų būti visiškai kitoks, nei pastarųjų blokuotojų. Nepaisant to, galutinis visų šių kalcio kanalų blokuotojų veikimo rezultatas būna vienodas: gravitropinės reakcijos slopinimas (Medvedev et al.,1991). Duomenų apie skirtumus tarp šių dviejų blokuotojų grupių įtakos koleoptilių gravitropinei reakcijai literatūroje rasti nepavyko. Cituotame darbe gravitropinės reakcijos fazės nebuvo atskiriamos, todėl liko neaišku, kurią iš fazių (o galbūt abi) nuslopina minėti blokuotojai. Taigi, La3+ , verapamilas ir rutenio raudonasis inhibavo kukurūzų koleoptilių gravitropinæ reakciją (Medvedev et al.,1991). Parodyta, jog La3+ nuslopina taip pat tikėtinai su tįstamojo augimo reguliacija per fitochromą susijusį nastijų reiškinį (Moysset, Simon & Gamer, 1994).

Vis dėlto, aptariant kalcio vaidmenį augimo ir augimo judesių reguliacijoje, būtina atminti, jog išskirtini mažiausiai du kalcio veikimo mechanizmai. Visų pirma, kalcis gali būti antrinis mesendžeris ląstelės vidinių procesų reguliacijoje. šiuo atveju kalbama apie labai mažų (10-7- 10-9 M) koncentracijų poveikį. šis veikimas gali būti susijæs su sudirginimo (pavyzdžiui, g vektoriaus pasikeitimo) sukeltu kalcio išmetimu į citozolį. Jis pasireiškia inicialinių procesų reakcijose (pavyzdžiui, dirginimo indukcinės fazės metu)(Merkys, 1991). Antra vertus, cituojamame A. Merkio darbe pabrėžiamas ir kitas kalcio veikimo aspektas – tai kalcio reikšmė audinių lygyje vykstantiems procesams. Pastarasis įgyvendinamas per lateralines ir tikriausiai akropetalines kalcio sroves ir atveda į palyginti aukštų kalcio koncentracijų gradientų susidarymą audiniuose. Kalcio koncentracijos šiuo atveju būna 10-4- 10-5 M eilės. šie procesai matomai vyksta realizacinėje fazėje.

Taigi, pasirėmus pateiktų duomenų visuma, tampa akivaizdi kalcio ir jo transporto reikšmė tįstamojo augimo reguliacijoje. šiandieninis supratimas apie šį kalcio vaidmenį paremtas keletu hipotezių. Pirmiausia, kalcio koncentracijos padidėjimo apoplaste poveikyje ląstelės sienelės fazė gali keisti savo pusiau skystą konsistenciją į standesnæ. Tai gali sulėtinti tįstamąjį augimą (Medvedev et al., 1991). Toliau, kalcio transportas gali turėti įtaką IAR transportui ir taip įtakoti tįstamąjį augimą per hormoninæ reguliacijos sistemą (Bangerth, 1976; Bjorkman & Leopold, 1987). Ca2+ srautai per plazmalemą gali veikti sienelės sintezės procesus (Steer, 1988). šios hipotezės daugiau ar mažiau remiasi augalinės ląstelės ypatumais: specifinės struktūros sienelės buvimu, fitohormonine augimo reguliacijos sistema ir pan. Tačiau visgi mažai tikėtina, jog, greta minėtų galimų kalcio veikimo mechanizmų augaluose nebūtų universalios kalcio kaip antrinio mesendžerio veikimo sistemos, neabejotinai esančios gyvūnuose (Rasmussen & Barret,1984), grybuose (Miller, Sander & Vogg,1990) ir galbūt net kai kuriuose prokariotuose (Futsaether & Johnson, 1994). šios sistemos veikimas pagrįstas tuo, jog sudirginimą priėmæs ląstelės receptorius atidaro plazmalemos arba kitų kalcio gradientą turinčių membranų kalcio kanalus, kalcis pagal elektrocheminį gradientą patenka į citozolį, čia į šį padidėjimą reaguoja viduląsteliniai kalcio receptoriai, kurie įjungia tolimesnes reakcijas, vedančias į fiziologinį atsaką. Tikėtina, jog fitochromas, kaip šviesos receptorius, veikia būtent pagal šį mechanizmą.

Fiziologija