Влияние фитогормонов и антиоксидантов на апоптоз у растений (обзор)

Экология растений Юг России: экология, развитие. № 4, 2007

Ecology of plants Vu/ The South of Russia: ecology, development. № 4, 2007

КОПОТНЯ РАСТЕНИЙ

УДК 581.5

ВЛИЯНИЕ ФИТОГОРМОНОВ И АНТИОКСИДАНТОВ НА АПОПТОЗ У РАСТЕНИЙ

© 2007. Абдуллаева Т.М., Магомедова М.А.

Дагестанский государственный педагогический университет

Проведён анализ исследований учёных по изучению влияния фитогормонов и антиоксидантов на апоптоз у растений. Investigations of scientists on study influence of phytogormones and antioxidants on apoptos at the plants analysis was make up.

Апоптоз представляет собой генетически запрограммированную смерть клеток и является неотъемлемой частью роста и развития растений. Апоптозная элиминация проявляется в самых разных органах и тканях на соответствующих этапах развития растений [4, 14, 19].

Изменения в морфологии клеток растений при апоптозе сходны с таковыми при апоптозе у животных. В частности, в апоптозной клетке происходит выраженная конденсация и маргинация хроматина с последующим распадом ядра и межнуклеосомной фрагментацией ядерной ДНК, а также реорганизация цитоплазмы [2, 4; 8, 9, 14, 15]. У животных апоптоз ведёт к разрушению ядра и к полному уничтожению клетки в результате фагоцитоза. У растений, также как и у животных, апоптоз приводит к разрушению и исчезновению клеточного ядра, но клеточная стенка при этом сохраняется или подвергается гидролизу на более поздних стадиях процесса. Апоптоз у растений имеет и ряд других отличительных особенностей [14, 15].

В запуске апоптоза как в животных, так и в растительных клетках участвуют активные формы кислорода - АФК [4; 20], образование которых у растений происходит преимущественно в хлоропластах и в митохондриях [15].

АФК представляют собой свободно радикальные частицы (супероксидный анионрадикал, пе-рекисные радикалы, гидроксильный радикал) или нейтральные молекулы (перекись водорода или синглетный кислород). Образование АФК может индуцировать любое неблагоприятное внешнее воздействие. Предполагается, что АФК участвуют в инициации окислительного стресса [7, 12, 13].

Растения обладают разными эффективными системами защиты от факторов, запускающих апоптоз, таких как окислительного стресса и разрушительного действия постоянно возникающих в них АФК [4]. В клетке функционирует большое количество ферментативных и низкомолекулярных антиоксидантов, препятствующих избыточному накоплению АФК [13]. Основную роль в элиминации АФК играют такие антиокислитльные ферменты, как супероксиддисмутаза (СОД), пероксидаза, каталаза и низкомолекулярные вещества - глутатион, аскорбиновая кислота, кароти-ноиды, флаваноиды.

Несмотря на то, что апоптоз довольно жёстко запрограммирован в онтогенезе растения, он может индуцироваться или модулироваться различными факторами среды, включая инфекции [4; 19] и стрессовые воздействия абиогенной природы [20, 22]. Апоптоз эффективно модулируется анти- и прооксидантами [2, 4, 8, 9, 15, 16] и может быть подвергнут гормональному контролю [4, 5, 10, 16]. Известно, что гормональные сигналы являются ведущими элементами всей программы развития и могут контролировать и такой процесс в онтогенезе растения, как апоптоз [5]. К сожалению, сведения о влиянии разных фитогормонов на апоптоз весьма немногочисленны и фрагмен-

тарны, а молекулярные механизмы гормональной регуляции апоптоза у растений, как и механизмы его регуляции антиоксидантами, всё ещё неизвестны [2, 5].

Целью обзора явилось обобщение имеющегося в литературе материала относительно влияния различных фитогормонов и антиоксидантов на апоптоз растений, что позволило бы конкретизировать молекулярные механизмы этих воздействий.

В исследованиях Ванюшина с соавторами [5] изучено влияние экзогенных регуляторов роста растений на апоптоз этиолированных проростков пшеницы (ТтШеит aestivum Ь.). Показано, что их развитие сопровождается апоптозом в колеоптиле. Выраженная апоптозная межнуклеосомная фрагментация ДНК в колеоптиле обнаруживалась уже в шестидневных проростках, а у восьмидневных она проявлялась очень сильно [5].

Выращивание же двухдневных этиолированных проростков в присутствии 10-5 М БАП, ГА3 , фузикокцина С или синтетического аналога ИУК 2,4-Д в течении последующих шести дней заметно не влияло на апоптозную фрагментацию ДНК в колеоптиле, она происходила в те же сроки и примерно с такой же интенсивностью, как и у контрольных растений. Таким образом, ни один из этих испытанных регуляторов роста растений не предотвращал апоптозную фрагментацию ДНК.

В отличие от указанных стимуляторов роста растений природный ингибитор роста АБК резко усиливала фрагментацию ДНК в колеоптиле проростков пшеницы. Предполагается, что АБК приводит к увеличению образования в клетках АФК, которые, как известно, и запускают апоптоз у растений [4; 20]. Гибберилин же подавлял действие АБК на апоптоз, а цитокинин и ауксин не влияли на апоптоз в колеоптиле пшеницы [5] и на апоптозную фрагментацию в алейроновом слое зерновки ячменя при прорастании [24].

Поскольку цитокинины, являясь факторами омоложения, задерживают процессы старения листьев [11], то казалось, что они должны были бы ингибировать апоптоз, который, как известно, сопровождает старение органов, в том числе и листьев. Однако заметного подавляющего действия цитокининов обнаружено не было ни в колеоптилях проростков, ни в клетках алейронового слоя ячменя при прорастании [24]. Видимо в клетке решающее значение имеет суммарный гормональный баланс. Так, например, у цинии апоптоз запускается при определённом значении цитокинина и ауксина [18]. К тому же следует учесть, что действие разных фитогормонов на апоптоз у растений тканеспецифично [5].

Аналогично АБК стимулирует апоптоз и продуцент этилена (природного ингибитора роста) - этрел, под действием которого наряду с межнуклеосомной фрагментацией происходит, и в дальнейшем сопровождающая апоптоз, более глубокая деградация ДНК. Это объясняется индукцией и активацией этрелом эндонуклеаз чему, в свою очередь, предшествует активация протиолетиче-ской активности [5, 16].

Согласно данным Федореевой с соавторами [16], при выращивании проростков пшеницы в присутствии этрела ускоряется вступление колеоптиля в апоптоз, и почти в 6 раз увеличивается протеолитическая активность его в клетках. При этом основными участниками апоптоза являются цистеиновые и сериновые протеазы.

Принято считать, что главными участниками апоптоза в животных клетках являются цис-теиновые аспартат-специфичные протеазы, известные как каспазы [6]. Прямых же доказательств существования истинных каспаз у растений пока ещё нет.

Таким образом, «гормон старения» этилен, регулируя экспрессию соответствующих генов [4], и повышая протеолитическую и эндонуклеотическую активность [16, 5], безусловно, контролирует процессы апоптоза и старения у растений [4, 19].

Уже давно высказано предположение о том, что запрограммированная гибель клеток сопряжена с дерепрессией определённых генов старения и смерти [3]. Известно, что одним из механизмов инактивации генов у растений является метилирование ДНК, и этот процесс контролируется фитогормонами. Именно фитогормоны обеспечивают специфическое деметилирование ДНК [10], которое необходимо для экспрессии большинства генов. Установлено, что метилирование ДНК у растений уменьшается с возрастом. Этим объясняется, видимо то, что возрастное деметилирова-ние ДНК связано со старением и может касаться генов, кодирующих апоптогенные белки.

У растений одним из деметилирующих агентов является 5-азацидин. Исследованиями Ванюшина с соавторами (2001) показано, что 5-азацидин резко усиливает в колеоптиле апоптозную фрагментацию ДНК. Это видимо, обусловлено деметилированием [1] и соответственно дерепрес-сией и индукцией генов разных апоптозных факторов, в том числе, например, каспаз, эндонуклеаз, протеаз и других белков или с увеличением доступности нуклеазам деметилированной ДНК в хроматине вследствие меньшей его компактности в присутствии 5-азацидина.

Таким образом, апоптоз у растений контролируется некоторыми регуляторами роста растений и модулируется метилированием ДНК.

К особому классу регуляторов роста растений относят в настоящее время также синтетические и природные антиоксиданты [17, 22]. Считается, что по эффективности физиологического действия некоторые антиоксиданты сопоставимы с фитогормонами. Данные ряда исследований [2, 4, 8, 9, 16] свидетельствуют о том, что антиоксиданты заметно влияют на рост и развитие растений. К сожалению, роль их в этих процессах ещё недооценивается и к тому же ещё недостаточно изучены и молекулярные механизмы их антиапоптозного действия [2].

В исследованиях различных учёных [2, 4, 8, 9, 16] показано, что антиоксидант ионол (ВНТ) в отличие от фитогормонов - ингибиторов АБК и этилена [5, 16] продлевает жизнь колеоптиля проростков пшеницы и предупреждает появление у него характерных для старения и апоптоза признаков. В частности, ВНТ тормозит возрастное снижение содержания суммарных ДНК и белка [17], апоптозную межнуклеосомную фрагментацию ядерной ДНК, появление в клеточных вакуолях специфических везикул с активными реплицирующими мт митохондриями и образование в них тяжёлой мт ДНК [20]. Это означает, что у растений, как и животных [23] ВНТ является эффективным геропротектором, что связывают с его антиокислительными свойствами, т.е. со способностью инактивировать АФК, разрушающее действие которых является одной из причин старения [17]. При выращивании проростков в присутствии ВНТ сильно угнетается и образование АФК и, в частности, супероксида в колеоптиле [21]. Известно, что наряду с образованием и инактивацией АФК антиоксидант ВНТ может ингибировать вызываемый АФК выход из митохондрий в цитоплазму индуцирующих апоптоз факторов, в том числе и цитохрома С [2]. Выявленное эффективное предотвращение ВНТ апоптоза, коррелирующее с подавлением им образования и инактивации АФК в колеоптилях пшеницы [17, 21], указывает на то, что АФК могут выступать в качестве триггеров апоптоза у растений. Лишённый гидроксильной группы и не являющийся антиок-сидантом 3,5-ди-трет-бутилтолуол при той же концентрации физиологически инертен и не обладает аналогичным ВНТ действием [2].

Исследования Самуилова с соавторами (2002) показали, что апоптоз предотвращается не только антиоксидантом ВНТ, но и другими антиоксидантами, например, а-токоферолом и манни-толом. Все три соединения подавляли СК-индуцированное разрушение ядер в эпидермальных и устичных клетках. Аналог маннитола - сорбитол, не являющийся антиоксидантом, не предотвращал СК-индуцированное разрушение ядер. Действие, противоположное антиоксидантам, оказывали АФК-генерирующие реагенты, как, например, МВ (паракват), известный как эффективный гербицид, и менадион, которые усиливали разрушение ядер [15].

Не препятствует апоптозной фрагментации ДНК и аскорбиновая кислота [2]. Выращивание проростков в присутствии аскорбиновой кислоты не сказывается заметно на их росте и развитии, даже при относительно больших концентрациях этого антиоксиданта. Видимо в отличие от ВНТ, лишённая необходимой гидрофобности аскорбиновая кислота, не может достаточно эффективно проникать через мембраны митохондрий и пластид и нейтрализовать образующиеся в них АФК. Кроме того, известно, что растения обладают высоким содержанием эндогенной аскорбиновой кислоты, и на этом фоне использованные концентрации этого вещества, видимо, не эффективны [2].

Исследованиями различных авторов [2, 8, 9] показано, что в отличие от выраженного геро-протекторного действия в колеоптиле, антиоксидант ВНТ не блокирует в первом листе этиолированных проростков пшеницы апоптозную фрагментацию ядерной ДНК, что особенно характерно для клеток апикальной части листовой пластинки, т.е. в наиболее старой зоне листа с неделящи-мися клетками [2, 9]. Эти данные свидетельствуют о том, что действие антиоксиданта ВНТ тка-неспецифично.

В отличие от геропротекторного и ингибирующего апоптоз действия антиоксиданта ВНТ, перекиси (Н2О2; гидроперекись кумола) стимулируют апоптоз в колеоптиле и в клетках первого листа [2, 8, 9]. При этом стимулирующее действие в листе проявляется примерно на 24 часа раньше, чем в колеоптиле. По-видимому, это отчасти объясняется, возможно, более высоким содержанием кислорода и Fe2+ в фотосинтезирующем листе, чем в колеоптиле. Известно, что перекиси в присутствии Fe2+ или на свету могут служить источником реакционного радикала •ОН, усиливающего апоптозную фрагментацию в листе [9].

Таким образом, приведённые данные свидетельствуют о том, что апоптоз, являющийся неотъемлемой частью онтогенеза растений, может эффективно модулироваться регуляторами роста растений, антиоксидантами и активными формами кислорода, в том числе перекисями.

Библиографический список

1. Александрушкина Н.И., Кирнос М.Д., Ротаенко Е.П., Ванюшин Ф.Б. Ингибирование 5-азацидином синтеза и метилирование ядерной ДНК в последовательных клеточных циклах делящихся клеток первого листа проростков пшеницы. // Биохимия. - 1989. - Т.54. - С.355-360. 2. Бакеева Л.Е., Замятнина В.А., Шорнинг Б.Ю., Александрушкина Н.И., Ванюшин Б.Ф. Действие антиоксиданта ионола (ВНТ) на рост и развитие этиолированных проростков пшеницы: контроль за апоптозом, делением клеток, ультраструктурой органелл и дифференцировкой пластид. // Биохимия. - 2001. - Т.66. Вып.8. - С.1048-1059. 3. Ванюшин Б.Ф., Бердышев Г.Д. Молекулярно-генетические механизмы старения. // М.: Медицина, 1977. - 295 с. 4. Ванюшин Б.Ф. Апоптоз у растений. // Успехи биол. химии. 2001. Т. 41. - С.3-38. 5. Ванюшин Б.Ф., Шорнинг Б.Ю., Середина А.В., Александрушкина Н.И. Влияние фитогормонов и 5-азицидина на апоптоз у этилированных проростков пшеницы. // Физиология растений. - 2002. - Т.49. №4. - С.558-564. 6. Гордеева А.В., Лоббас Ю.А., Звягильская П.А. Апоптоз одноклеточных организмов. // Биохимия. - 2004. - Т.69. Вып.10. -С.1301-1313. 7. Жиров В.К., Мерзляк М.Н., Кузнецов Л.В. Перекисное окисление мембранных липидов холодостойких растений при повреждении отрицательными температурами. // Физиология растений. - 1982. -Т.29. Вып.6. - С.1045. 8. Замятнина В.А., Бакеева Л.Е., Александрушкина Н.И., Ванюшин Б.Ф. Апоптоз в первом листе у этилированных проростков пшеницы: влияние антиоксиданта ионола и перекисей. // Биохимия. - 2002. - Т.67. Вып.2. - С.253-264. 9. Замятнина В.А., Бакеева Л.Е., Александрушкина Н.И., Ванюшин Б.Ф. Апоптоз у этилированных проростков пшеницы. 2. Влияние антиоксиданта (ВНТ) и перекисей. // Физиология растений. - 2003. - Т.50. №2. - С.280-290. 10. КирносМ.Д., Артюховская Н.А., Александрушкина Н.И., Ашапкин В.В., Ванюшин Б.Ф. Влияние фитогормонов на репликативное и пострепликативное метилирование ядерной ДНК в S-фазе клеточного цикла первого листа этиолированных проростков пшеницы. // Биохимия. - 1986. - Т.51. - С.1875-1885. 11. Кулаева О.Н. Цитокинины, их структура и функция. - М.: Наука, 1973. - 264 с. 12. Лукаткин А.С. Вклад окислительного стресса в развитие холодового повреждения в листьях теплолюбивых растений. // Физиология растений. -2002. - Т.49. №5. - С.697-702. 13. МерзлякМ.Н. Активированный кислород и окислительные процессы в мембранах растительной клетки. Итоги науки и техники. / Изд. ВИНИТИ. Сер. Физиология растений. - 1989. - Т.6. - 168 с. 14. Самуилов В.М., Олескин А.В., Логунова В.М. Програмируемая клеточная смерть. // Биохимия. -2000. - Т.65. Вып.8. - С.1029-1046. 15. Самуилов В.Д., Лагунова В.М.. Дзюбинская Е.В., Изюмов Д.С., Киселевский Д.Б., Макарова Я.В. Участие хлоропластов в программируемой гибели клеток у растений. // Биохимия. -

2002. - Т.67. Вып.6. - С.757-765. 16. Федореева Л.И., Александрушкина Н.И., Дунаевский Я.Е., Белозёрский М.А., Ванюшин Б. Ф. Влияние продуцента этилена этрела и антиоксиданта ионола (ВНТ) на протеолитический аппарат в колеоптилях проростков пшеницы при сопровождающем ранний онтогенез апоптозе. // Биохимия. -

2003. - Т.68. Вып.4. - С.570-576. 17. Шорнинг Б.Ю., Смирнова Е.Г., Ягужинский Л.С., Ванюшин Б. Ф. Необходимость образования супероксида для развития проростков пшеницы. // Биохимия. - 2000. - Т.65. - С.1612-1617. 18. Fukuda H. Programmed Cell Death in Plants of Tracheary Elements as a Paradigm in Plants. Plant. // Mol. Biol. -2000. - V.44. - P.245-253. 19. GreenbergI.T. Programmed Cell. Deats: A Way of Life For Plants. // Prog. Nat. Acad. Sci. USA. - 1996. - V.93. - P.12094-12097. 20. Gunawardena A.H., Pearce D.M., Jackson M.B., Hawes C.R., Evans D.E. Characterization of Programmed Cell Death during Aerenchyma Formation Induced by Ethilene of Hypoxia in Roots of Maize (Zea mays L.). // Planta. - 2001. - V.212. - P.205-214. 21. Harman D. Free Radical Theory of aging. // Mutat. Res. - 1992. - V.275. - P.257-266. 22. Iabs T. Reactive Oxygen Intermediates as Mediators of Programmed Cell Death in Plants and Animals. Biochem. // Pharmacol. - 1999. - V.57. - P.231-245. 23. Sharma S.P., Wadhwa R. Effect of Butilated Hidroxytoluence on the Life Span of Drosophila bipentionata. // Mechanisms Ageing Development. - 1983. -V.23. - P.67-71. 24. WangM., OppedijkB.I, Lux., van Duijn B., SchilperoortR.A. Apoptosis in Barly Aleurone during Germination and Its Inhibition by Abscisic Acid Plant. // Mol. Biol. - 1996. - V.32. - P.1125-1134.