Лекции читает ст.преп. М.А. Глазунова
Лекции по данному спецкурсу сопровождаются разделом большого практикума "Корневое питание растений". Практикум ведут ст.преп. М.А. Глазунова и н.с. Е.С.Клименко
Вводная часть.
Минеральное питание, как направление в науке и учебная дисциплина «Физиология растений». Новые подходы изучения минерального питания растений: протеомика (транспортные белки клеточных мембран), фосфопротеомика (регуляция транспортеров и ферментов); нутриомика (системы утилизации растениями элементов минерального питания); иономика (методы одновременной оценки количественного состава минеральных элементов в тканях и органах растения). Автотрофность растений в отношении использования минеральных элементов. Круговорот элементов минерального питания в биосфере; растение как первичный продуцент. Концентрирование элементов в тканях растения, генотипическая вариабельность в потребностях и накоплении минеральных элементов (МЭ) у растений. Классификация элементов минерального питания.
Корни, как орган поглощения минеральных элементов, и почва, как среда обитания.
Запасы минеральных элементов в почве, их доступность корням. Корни, как высокоспециализированная система поглощения МЭ и воды, дальнего транспорта веществ, усвоения минеральных элементов, закрепления растений в почве. Распространение корней в почве и рост, как процесс, обеспечивающий поглощение минеральных элементов. Морфо-анатомические особенности МЭ. Система взаимодействия «корень-почва»; роль корневых эксудатов. Доступность элементов среды и ионный сигналинг, запускающий программы фенотипических изменений в росте и архитектуре корневой системы. Роль микоризы.
Поступление ионов из среды и передвижение в корнях.
Клеточная стенка. Апопласт корня: компартмент транспорта, запасания и метаболических реакций. Поступление ионов и транспорт ионов на короткие расстояния; их радиальное перемещение. Понятие свободного пространства и его составляющих: водное и доннановское свободное пространство. Обменные группы соединений клеточной стенки (КС). Минеральные элементы, входящие в структуры КС. Накопление ионов в апопласте. Образование вертикальных и горизонтальных градиентов в среде. Формирование системы "корень и среда"; взаимодействие её компонентов в пространстве и во времени. Роль микоризы в процессе поглощения веществ корнями.
Транспорт ионов через мембраны. Движущие силы переноса ионов. Пассивный и активный транспорт ионов. Градиент электрохимического потенциала ионов водорода – энергетическая основа активного переноса ионов через плазмалемму. Различия энергетики активного транспорта ионов растительной и животной клетки. Протонные помпы плазмалеммы, тонопласта и других эндомембран: Н+-АТФазы и пирофосфатазы. Функции протонных помп. Непротонные растительные АТФазы; их функции. Н-АТФаза плазмалеммы, ее структура, функционирование и регуляция активности. Механизм выкачивания протонов. Значение генных субсемейств, Н-АТФаз; локализация экспрессии генов в разных органах.
Вторичный активный транспорт ионов. Белки – переносчики ионов (портеры). Кинетический подход и теория переносчиков. Характеристика семейств и топология переносчиков некоторых ионов. Транспортные системы высокого и низкого сродства к субстрату.
Катионные и анионные каналы растений; общая характеристика их структуры, функционирования и регуляции. Особенности транспортных систем мембран вакуоли, эндоплазматического ретикулума и других эндомембран. Транслокаторы хлоропластов и митохондрий.
Модели поступления ионов в корень. Апопластный и симпластный путь транспорта МЭ в ксилему. Роль плазмодесм и ЭР. Взаимодействие и регуляция систем транспорта из среды в корень и загрузки ксилемы. Специфика радиального транспорта разных минеральных элементов. Компартментация ионов в клетке. Синтетическая функция корня. Связь поступления и превращения ионов с процессами дыхания. Дальний транспорт ионов. Системная и локальная регуляция поглощения ионов корнями интактного растения; экспрессия генов и синтез белков – транспортеров высокого и низкого сродства.
Биологическая роль и метаболизм элементов минерального питания.
Классификация элементов минерального питания, основанная на их функциональной роли. Роль макроэлементов.
Азот. Смотри программу раздела «Азотный обмен растений».
Сера. Основные соединения серы в клетке. Поступление серы в растение. Восстановление и усвоение серы; связь с фотосинтезом, регуляция процессов поступления и ассимиляции. Роль сульфгидрильной и дисульфидной серы в структурной конформации белков и ферментной активности. Серосодержащие ферменты и их функции в ЭТЦ фотосинтеза и дыхания и др. реакциях восстановления. Редокс- гомеостатирование и антиоксидантные системы клеток. Глутатион, тиоредоксин, фитохелатины, их функции у растений. Органические соединения окисленной серы.
Фосфор. Особенности поступления фосфора и транспорта его соединений у растений. Формы минерального фосфора в тканях, их содержание и функции. Основные органические фосфорсодержащие компоненты клетки, их роль. Три-фосфоинозитол, как вторичный мессенджер. Запасные формы фосфора. Протеинкиназы/протеинфосфатазы (ПКазы/ПФФазы) растений и контроль активности транспортеров и ферментов через обратимое фосфорилирование/дефосфорилирование. 14.3.3 белки. Участие ПКаз/ПФФаз в Са2+ сигналинге.
Калий. Содержание и распределение калия в клетке, тканях и органах растения; его циркуляция и реутилизация. Системы транспорта К+: семейство транспортеров КТ/KUP/НАК и семейства К+-каналов входа и выхода. Молекулярные механизмы регуляции транспорта калия у высших растений. Функции систем транспорта калия. Роль К+ в поддержании потенциала на мембранах. Гомеостаз внутриклеточной и тканевой среды. Калий и регуляция ферментных систем.
Натрий и хлор: накопление в тканях и системы транспорта. Функции в осморегуляции и связь с солеустойчивостью растений. Роль Na+ и Сl-, как микроэлементов.
Кальций. Накопление, формы соединений, особенности поступления и перемещения Са2+ по растению. Концентрация и распределение кальция в структурах клетки. Роль кальция в клеточной стенке. Са2+- сигналинг в клетках растений. Характеристика мембранных систем транспорта Са2+ и Са2+-АТФазы; особенности их регуляции и роль в формировании Са2+ сигнала. Роль Са2+-зависимых протеинкиназ. Значение системы Са2+ сигнализации в регуляции физиологических процессов и ответных реакций на разного рода воздействия (стимула) у растений.
Магний. Содержание соединений магния в тканях растений. Запасные формы магния, его реутилизация и перераспределение в растении. Транспорт Mg2+; новые семейства генов и особенности транспортеров магния. Mg2+/Н+ обменник, его роль в компартментации магния. Значение связи Mg2+ с аденозинфосфатами и фосфорилированными сахарами. Функции магния в фотосинтезе. Особенности образования координационных связей с полипептидами и роль магния в активации ферментных систем, в синтезе аминоацил-тРНК и в функционировании рибосом.
Микроэлементы.
Свойства тяжелых металлов (Ме), определяющие их роль в ЭТЦ фотосинтеза и дыхания и других редокс-реакциях. Транспортеры ионов Ме, участие лигандов тяжелых Ме в транспорте из среды в растение и по растению. Регуляция экспрессии генов Ме транспортеров; локальный и дальний сигналинг. Фитохелатины, никотинамин, другие лиганды: роль детоксикации тяжелых металлов в растении. Роль ферментов, включающих в качестве кофакторов тяжелые металлы, в антиоксидантной защите клетки (супероксиддисмутаза, аскорбатоксидаза). Нарушения в метаболизме растений при недостатке и избытке микроэлементов.
Железо. Доступность в почве, роль микоризы, особенности поступления железа у двудольных и однодольных злаковых растений. Соединения железа: распределение по компартментам клетки и в растении. Роль ферритина. Комплексы железа в белках редокс - цепей и в других ферментах.
Медь. Поступление меди в клетки и доставка Cu2+ к местам использования (специфика, обусловленная окислительными свойствами Сu). Содержание и распределение меди в клетке и тканях. Участие в окислительно-восстановительных процессах дыхания и фотосинтеза; функции цитозольных оксидаз (аскорбат-, фенол- и диаминоксидаз).
Марганец. Активируемые ферментные системы, его специфичность как кофактора; роль Mn2+ в функционировании ФС2.
Молибден. Потребность в элементе и содержание в ткани. Биосинтез Мо-кофактора и его включение в Мо-содержащие ферменты; их роль в метаболизме.
Цинк. Поступление Zn2+ с участием транспортеров и Н-АТФаз Р-типа. Токсичность избытка цинка. Устойчивые и чувствительные формы растений. Структурная роль в поддержании ферментной активности и в процессе синтеза белка. Цинксодержащие ферменты: карбоангидраза.
Бор. Формы соединений. Компартментация в клетке. Структурная роль в клеточной стенке. Механизмы участия в регуляции физиологических процессов и метаболизма.
Функции «полезных» элементов: натрий, хлор, кремний, кобальт. Роль транспорта хлора в осморегуляции и механизме устьичных движений.
Составитель проф. Алехина Н.Д.
Азотный обмен, как специальный раздел физиологии растений.
Вклад отечественных исследователей (Д.Н. Прянишникова, Д.А. Сабинина) в развитие представлений об организации процессов поступления азота из среды, усвоения, превращения и запасания азотсодержащих веществ в растении. Растения, как главный первоисточник органического азота (аминокислот, белков и других соединений) для животных и человека. Превращения азота в биосфере: «малый» и «большой» круговорот соединений азота. Азотное питание растений и задачи сельскохозяйственного производства, экологии и сбережения энергоресурсов. Новые направления в исследовании азотного обмена растений (геномика, нутриомика, метаболомика, моделирование процессов азотного обмена и их регуляция на уровне организма и экосистем).
Источники минеральных форм азота в среде.
Компартменты азотсодержащих веществ в почве и скорости их превращения; формы азота доступные растениям, их содержание в почве. Особенности поступления азота по сравнению с другими элементами минерального питания.
Системы транспорта аммония и нитрата.
Множественность транспортеров, участвующих в поглощении ионов из среды, их перемещении в клетках разных тканей, в эффлаксе ионов в среду и загрузке/разгрузке ксилемы. Механизмы транспорта нитрата и аммония; контроль транспорта через активацию/ингибирование синтеза белков-транспортеров с разными свойствами и через регуляцию активности белка на посттрансляционном уровне.
Особенности использования растениями восстановленной (NH4+) и окисленной (NO3-) формы азота.
Видоспецифичность растений в отношении использования нитрата и аммония среды. Эффективность поглощения разных форм в зависимости от условий среды (доступности ионов и воды, рН, концентрации других ионов и др.) и стадии онтогенеза. Изменение фенотипа растений в зависимости от присутствия и концентрации в среде только одной формы азота, обеих форм (NH4NO3) или дефицита. NO3--сигналинг и изменение морфологии корней. Токсичность повышенной концентрации аммония.
Процессы включения в обмен поглощаемого азота среды.
Утилизация нитрата. Компартментация нитрата в клетках. Функции аниона NO3- в растении. Реакции и ферменты, обеспечивающие восстановление нитрата до аммония. Характеристика нитратредуктазы (НР): локализация, уникальность свойств и комплексная регуляция ферментной активности. Отсутствие других возможностей редукции NO3-; использование активности НР как способа оценки продуктивности и устойчивости к стрессу. Восстановление нитрита до аммония: пластидная локализация и характеристика нитритредуктазы (НиР). Возможность образования в растении при участии НР плазмалеммы оксида азота (NO). Роль NO, как сигнальной молекулы у растений.
Ассимиляция аммонийного азота; метаболизм аминокислот. Два альтернативных пути включения азота аммония в состав органических соединений. Синтез первичных продуктов усвоения азота – глутаминовой кислоты и глутамина в разных структурах клетки в различных реакциях и с участием разных ферментов. Характеристика ферментов, обеспечивающих усвоение азота: глутаматдегидрогеназы (ГДГ), глутаминсинтетазы (ГС) и глутаматсинтазы (глутамин - оксоглутарат - аминотрансферазы – ГОГАТ). Кинетика реакций, источники энергии и восстановителей, наличие изоформ у ГДГ, ГС и ГОГАТ и их клеточная, тканевая и органная локализация. Регуляция ферментов субстратом и светом. Функциональная роль ГДГ - и ГС/ГОГАТ - пути усвоения азота. Реакции переаминирования и образования аспартата, аланина, глицина и других аминокислот. Синтез аспарагина и его функции в тканях растений. Превращение углеродной части аминокислот по принципу биогенетического сродства в реакциях синтеза других аминокислот и соединений. Роль реакции переаминирования в физиологических процессах.
Взаимосвязь процессов усвоения азота и синтеза аминокислот с дыханием и фотосинтезом. Усвоение азота в фотосинтезирующей и нефотосинтезирующей клетке. Локализация ферментов усвоения азота (НР, НиР, ГДГ, ГС, ГОГАТ) в клетках листа и корня. Источники восстановителей, энергии и 2-оксоглутарата для реакций усвоения азота в хлоропласте на свету и в темноте и в пластиде корней. Взаимодействие процессов ассимиляции NH4+ и СО2 в хлоропласте. Синтез 2-оксоглутарата в цитозоле: связь с циклом Кребса. Фотодыхательный азотный цикл: ассимиляция выделяемого аммония. Нитрат как регулятор распределения между сахарами и аминокислотами углерода СО2, ассимилируемого в процессе фотосинтеза. Митохондрия как место синтеза и распада глутамата с участием ГДГ. Функции ГДГ в азотном и окислительном обмене. Цикл трикарбоновых кислот, как источник углеродных скелетов для реакций ассимиляции азота и узел взаимосвязи с C и N обменом. Роль реакции окислительного дезаминирования с участием ГДГ в процессах азотного обмена.
Организация процессов усвоения азота в растении.
Взаимодействие побега и корня при поглощении азота. Связь поступления нитрата и аммония в корни с фотосинтезом: изменение активности систем транспорта в течение суток и индукция экспрессии их генов притоком сахаров. Доля участия корней и надземных органов и пути усвоения азота у разных видов и в зависимости от условий среды (концентрация разных форм азота, рН, температуры и др.). Поддержание рН-стата в клетках корней и побегов в связи с усвоением нитрата и аммония. Энергозатраты на ассимиляцию азота в зависимости от формы используемого минерального азота и локализации процесса усвоения в органах растения. Компартментация, как система, обеспечивающая регуляцию и взаимосвязь процессов усвоения и обмена азота и углерода в фотосинтезирующей клетке. Распределение соединений азота в тканях и органах. Синтетическая функция корня; значение работ Д.А. Сабинина. Транслокация по ксилеме азота усваиваемого при симбиотической фиксации, при поглощении нитрата, или аммония среды: состав соединений и регуляция процессов. Запасные и транспортируемые по флоэме формы азота. Система донорно-акцепторных отношений в применении к распределению азота. Круговорот азота по растению и реутилизация азота. Функциональная роль процесса циркуляции азота в системе целого растения. Фенотипическая пластичность растений в связи с условиями азотного снабжения.
Составитель проф. Алехина Н.Д.