17 декабря 2016г.
Аннотация.
В разных тканях молодого, формирующегося корнеплода сахарной свеклы активны разные изоформы инвертазы: в меристематических клетках камбия и флоэмной паренхимы – вакуолярная инвертаза, обеспечивающая их рост, в крупных клетках коры и межпучковой паренхимы – инвертаза клеточных стенок, обеспечивающая апопластный транспорт поступающей по флоэме сахарозы.
Summary.
In different tissues of young, growing sugar beet taproot different isoforms of invertase are active. The vacuolar invertase is active in meristematic cells in the cambium and phloem parenchyma. This enzyme is required for growth of these cells. The cell wall invertase is active in large cells of cortex and intervascular parenchyma. This enzyme provides apoplast transport for sucrose incoming from the phloem.
Известно, что по мере развития в запасающем корнеплоде сахарной свеклы происходит перестройка сахарозного метаболизма: активная в молодом проростке инвертаза постепенно теряет свою активность и сменяется сахарозосинтазой. Такая перестройка сопровождается рядом анатомических изменений. В это время происходит так называемая «линька»– утрачивается кора, защитная функция переходит к перидерме. Корнеплод интенсивно растет вширь, образуя все новые меристематические кольца, дающие начало новому камбию и новым кольцам проводящей ткани. Линька коррелирует с началом сахаронакопления, при этом осмотический потенциал поддерживается путем снижения содержания калия (Павлинова, Прасолова 1973; Godt, Roitsch 2006; Krasavina, Burmistrova 2012).
В литературе очень мало сведений о том, какие изоформы инвертазы работают на ранних этапах развития корнеплода. В данной работе предпринята попытка прояснить участие изоформ этого фермента путем изучения его компартментации в тканях корнеплода.
Методика
Проростки сахарной свеклы (Beta vulgaris L.) выращивали в оранжерее в почвенной культуре. Через 24 и 31 день после появления всходов (период, предшествующий линьке) формирующиеся корнеплоды отмывали от почвы и разделяли на центральный цилиндр и кору. В этих тканях определяли содержание растворимых сахаров и активность инвертазы. Сахара определяли в спиртовых экстрактах: глюкозу - глюкозооксидазным методом, используя коммерческий набор реактивов (№ 005.012, Ольвекс диагностикум), сахарозу и фруктозу по Рое (Туркина, Соколова, 1971). Активность инвертазы регистрировали гистохимически на поперечных срезах, приготовленных с помощью ручного микротома по методике Sergeeva, Vreugdenhil (2002).
Результаты и обсуждение
Концентрация гексоз в коре и центральном цилиндре различалась слабо (сравни рис. 1а и 1б). Концентрация сахарозы повышалась по мере формирования корнеплода не только в клетках центрального цилиндра (рис 1а), но и в клетках коры (рис 1б). По-видимому, перед линькой кора еще активна и нуждается в поступлении сахарозы из проводящих тканей.
Для включения в метаболизм сахароза должна гидролизоваться с помощью инвертазы, поскольку второй поставляющий гексозы фермент – сахарозосинтаза – в этот период практически неактивен (Павлинова, Прасолова1973).
На рис 2 представлены срезы молодого корнеплода, находящегося в начале вторичного роста, перед началом линьки. Такой корнеплод обладал одним сформированным кольцом вторичного камбия с вторичными флоэмой и ксилемой и двумя недифференцированными кольцами, состоящими только из добавочного камбия. После проведения гистохимической реакции по определению активности инвертазы камбиальные клетки выделялись интенсивной синей окраской. Центральная часть клеток более интенсивно окрашена, что характеризует активность внутриклеточной вакуолярной инвертазы (рис. 2). Вакуолярная инвертаза была активна также в клетках флоэмы и в мелких клетках, окружающих сосуды ксилемы. С активностью вакуолярной инвертазы связывают аккумуляцию гексоз, регуляцию тургора и рост клеток растяжением (Rosenkranz et al., 2001; Godt, Roitsch., 2006). В то же время инвертаза крупных клеток межпучковой паренхимы располагалась преимущественно по периферии клеток. Тонкие очертания окрашенного ободка клеток предполагают
скорее локализацию в клеточной стенке.
На высокую активность инвертазы клеточной стенки в корнеплоде сахарной свеклы, превышающую активность остальных изоформ инвертаз, указывали Godt и Roitsch (2006). По сведению этих авторов, основная функция этой инвертазы – контроль над потоком сахарозы из проводящих тканей в молодые растущие клетки-акцепторы. Авторы полагают, что разгрузка флоэмы у сахарной свеклы, скорее всего, апопластная. Сахароза поступает в апопласт, гидролизуется инвертазой клеточных стенок, а образовавшиеся гексозы поступают в соседние клетки с помощью гексозных транспортеров (сахарозные транспортеры не экспрессируются). Таким образом, инвертаза клеточных стенок является ключевым ферментом, регулирующим распределение сахарозы на ранних стадиях развития запасающих тканей (Chandra et al., 2012). При этом, по-видимому, может функционировать также цитоплазматическая инвертаза (Silvius, Snyder, 1979), хотя ее активность, как правило, низка. Инвертаза клеточных стенок (Godt, Roitsch, 2006) и цитоплазматическая инвертаза (Silvius, Snyder, 1979) может дольше сохранять активность во время дифференциации запасающей паренхимы и проводящей ткани, когда кислая вакуолярная инвертаза уже начинает деактивироваться.
О другой функции инвертазы клеточных стенок можно судить по ее локализации в периферических тканях формирующегося корнеплода – в клетках коры (рис 2 А). В этом корнеплоде кора еще функционировала. Трудно сказать, принадлежит окраска только клеточным стенкам или окрашен также цитоплазматический слой. По-видимому, образующиеся в клетках коры в результате активности инвертазы гексозы могут выделяться из клеток и стимулировать развитие микроорганизмов, необходимых для нормального питания корня. Кроме того, глюкоза служит сигналом деления клеток, ее образование может стимулировать деление клеток эндодермы и перицикла и усиление роста в толщину.
Список литературы
1.
Павлинова О.А., Прасолова М.Ф., 1973. Физиологическая роль сахарозосинтазы в корне сахарной свеклы // Физиология растений, вып. 19, с. 780-785.
2.
Туркина М.В., Соколова С.В. 1971. Методы определения моносахаридов и олигосахаридов // Биохимические методы в физиологии растений. Под ред. Павлиновой О.А. М.: Наука. С. 7–34.
3.
Chandra A.,
Jain
R., Solomon S., 2012. Complexities of
invertases controlling sucrose accumulation and retention in sugarcane // Current Sci, vol. 102, No. 6.
4.
Godt D, Roitsch T., 2006. The developmental and organ specific expression of sucrose cleaving enzymes in sugar beet suggests a transition between apoplasmic and symplasmic phloem unloading in the tap roots // Plant Physiol. Biochem. vol. 44, 656–665.
5.
Krasavina M.S., Burmistrova N.A., 2011. Potassium and sugar accumulation in plant cells // In: Soil Nutrients, Miransari M, ed. Oxford: Nova Science Publishers, Inc. ISBN: 978-1-61324-799-0. E-Book: p. 21-76.
6.
Rosenkranz, R. Vogel, S. Greiner, T., 2001. In wounded sugar beet (Beta vulgaris L.) tap-root, hexose accumulation correlates with the induction of a vacuolar invertase isoform // J. Exp. Bot. vol. 52, 2381– 2385.
7.
Sergeeva L.I., Vreugdenhil D., 2002. In situ staining of activities of enzymes involved in carbohydrate metabolism in plant tissues. // J. Exp. Bot., vol. 53, 361-370.
8.
Silvius J.E., Snyder F.W. 1979. Comparative enzymic studies of sucrose metabolism in the taproots and fibrous roots of Beta vulgaris L. // Plant Physiol. vol. 64, 1070-1073.
