Клеточные основы роста

Основой роста является образование новых клеток и их рост. Новые клетки образуются в результате деления клеток меристемы. Еще со времен Ю. Сакса (Германия, 1872) выделяют три фазы роста клеток: эмбриональную, растяжения и дифференцировки. В процессе роста клетки происходит не только увеличение размеров, но и усложнение ее структуры, изменение метаболизма.

Эмбриональная фаза роста клетки.

Клетка начинает свое существование благодаря делению клетки меристематической ткани.

Клеточный цикл — период от митоза до митоза, чередование митозов и интерфаз.

Интерфаза — часть цикла между двумя митозами, когда не удается обнаружить хромосомы, так как хроматин распределен в ядре равномерно. Сама интерфаза состоит из трех фаз: фаза G^ (от англ, gap — интервал, промежуток) — пресинтетическая (постмитотическая), фаза S — синтетическая и фаза G₂ — постсинтетическая (иремитотическая) (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Клеточный цикл.

Фаза С₁ — увеличивается объем цитоплазмы, содержание органелл (митохондрий, хлоропластов, ЭТТР, АГ, образуются лизосомы, вакуоли), готовятся условия для синтеза ДНК (синтезируются ферменты, репликации и нуклеотиды). Ядрышко начинает синтез рРПК, иРИК, тРИК. Эта фаза наиболее чувствительна к внешним условиям.

Фаза 5 — происходит репликация (удвоение) ДНК, синтезируются гистоны и другие белки, РНК. РНК синтезируются на протяжении всей интерфазы, но особенно интенсивно в этой. Синтез ДНК начинается через 4—5 ч после окончания митоза.

Фаза (7₂ ^— формируются структуры, необходимые для деления клетки, происходит конденсация хроматина, каждая хромосома состоит из двух хроматид, образуется митотическое веретено, ядерная мембрана исчезает, митохондрии и хлоропласты делятся. За 1 ч до начала митоза идет синтез иРНК. Перед митозом высокая интенсивность дыхания. Начало деления — замедление дыхания.

Продолжительность клеточного цикла зависит от вида растений и типа ткани, однако в среднем составляет около суток. Митоз может продолжаться 1—4 ч, фаза С_х — 0,5−8 ч, 5-фаза — 1,5−12 ч и С₂ — 1−13 ч.

Фаза (7₀ — в эту фазу клетка может перейти из фазы С_х или С₂.

Клеточный цикл регулирует несколько циклинзависимых протеинкиназ, причем в регуляции разных фаз участвуют разные циклинзависимые протеинкиназы, которые, в свою очередь, регулируются разными факторами, в частности гормоном ауксином.

После митоза клетка может перейти в б|-фазу или в состояние покоя.

Эмбриональная фаза начинается после окончания митоза. На этой фазе клетки любого органа и любого растения похожи друг на друга. Они мелкие, изодиаметрические, имеют тонкие клеточные стенки и цитоплазму с крупными ядром и ядрышком. После деления начинается рост ядра и цитоплазмы, в результате каждая дочерняя клетка вырастает до размеров материнской. При этом количество всех органелл и молекул таких веществ, как ДНК, РНК, белки, липиды и проч., удваивается, т. е. восстанавливается их первоначальное количество, бывшее в материнской клетке до ее деления. На этой фазе многие органеллы представлены своими предшественниками — промитохондриями, пропластидами, провакуолями. В это время в клетках существует два типа митохондрий — крупные гантелевидные и мелкие с разной степенью развития крист. Эндоплазматический ретикулум агранулярный, в цитозоле много свободных рибосом. Таким образом, во время эмбриональной фазы сама клетка растет мало, но в это время быстро идет новообразование элементов структуры (органелл), формируется первичная клеточная стенка.

Во время этой фазы питательные вещества, поступающие в клетку, используются в основном для образования органелл или превращаются в запасные. Распад белков замедлен. Разнообразие ферментов меньше, чем во время других фаз.

Величина дыхательного коэффициента больше единицы, так как в клетках интенсивно идут не только аэробные, но и анаэробные процессы. Такой тип дыхания выработался, очевидно, как адаптация к гипоксии, которая часто возникает в местах расположения меристематических тканей, особенно в почках. Благодаря высокой интенсивности гликолиза в клетке образуется много промежуточных продуктов окисления, необходимых для быстрого синтеза органических веществ, в первую очередь нуклеиновых кислот и белков. Предполагают, что менее активный окислительный обмен благоприятствует делению клеток. Движение цитоплазмы замедлено, вязкость увеличена.

После достижения размера материнской клетки новая клетка может снова разделиться и, таким образом, остаться на эмбриональной фазе или перейти в фазу растяжения. Клетка, остающаяся на эмбриональной фазе, может еще делиться, например у кукурузы — 5—6 раз. Потом она тоже растягивается.

Фаза растяжения. На этой фазе клетка быстро растет в длину, т. е. растягивается. Отсюда и название фазы.

Рост растяжением — это самый быстрый тип роста, свойственный только растительным клеткам. Впервые он появился у нитчатых водорослей. Клетка, имеющая размер 5—10 мкм, увеличивается в 10—50 и даже в 100 раз со скоростью до 100% в час. Клетки мякоти околоплодника тыквы могут увеличиться на этой фазе в миллион раз. Рост растяжением клеток характерен для роста колеоптилей злаков, раскрывания почек и цветения многих деревьев в течение нескольких дней, удлинения тычиночных нитей, начального роста зародышевого корешка, быстрого роста побегов бамбука.

Распускание почек весной или после сухого сезона происходит в основном в результате быстрого растяжения клеток.

Увеличение клетки вызывается главным образом поступлением воды, поэтому растяжение — очень экономный тип роста. При растяжении основными строительными материалами для клетки являются вещества клеточной стенки — целлюлоза и пектин, в то время как для роста, связанного с делением клеток, очень важны азот, фосфор и другие элементы, из которых необходимо синтезировать сложные органические соединения.

Рост растяжением делят на несколько этапов: подготовка к растяжению, собственно растяжение, фиксация объема клетки, торможение и остановка роста.

Па первом этапе в клетке, готовящейся к растяжению, расширяются цистерны эндоплазматического ретикулума, свободные рибосомы образуют полирибосомы или прикрепляются к мембранам ЭПР; быстрее синтезируются белки, пектиновые вещества, РНК; увеличивается отношение РНК/белок; накапливается крахмал; увеличивается интенсивность дыхания и число митохондрий.

Второй этап — собственно растяжение — связан, прежде всего, с образованием крупной центральной вакуоли. Из расширяющихся цистерн эндоплазматического ретикулума возникают маленькие вакуоли. Часть канала гладкого ЭПР образует пальцеобразные выросты, которые, как щупальца, захватывают кусочек цитоплазмы. Когда соседние щупальца смыкаются, образуется авгофагосома, окруженная сначала двойной мембраной. Затем внутренняя мембрана разрушается, а наружная превращается в топопласт. Автофагосома содержит много кислых гидролитических ферментов. Крупные молекулы, остатки органелл, оказавшиеся в вакуоли, под действием этих ферментов разрушаются. Этот механизм формирования вакуолей называется автофагией (от греч. autos — сам и phagos — пожирающий). В результате в вакуолях увеличивается концентрация осмотически активных веществ, и в них начинает поступать вода. Количество воды в растягивающихся клетках, например корня, увеличивается в 7—35 раз. Вакуоли быстро увеличиваются и, наконец, сливаются друг с другом, образуя одну или несколько центральных вакуолей, а цитоплазма располагается тонким слоем вокруг них. Обычно объем вакуоли растет быстрее объема цитоплазмы.

Еще до образования центральной вакуоли происходит разрыхление и растяжение клеточной стенки. Вакуоль давит на цитоплазму, и клетка растягивается. Тургорное давление — главная сила, растягивающая клетку. Чтобы клеточная стенка могла растягиваться, у нее должна увеличиться эластичность. Увеличение эластичности клеточной стенки происходит в результате:

• 1) разрыва с помощью ферментов химических связей между целлюлозой и пектиновыми веществами;
• 2) увеличения синтеза белка экснансина;
• 3) уменьшения количества кальция в нектатах (выделения кальция).

Экспансины — белки, катализирующие растяжение клеточной стенки. Они разрушают водородные связи между молекулами.

Таким образом, в фазе растяжения рост клетки складывается из тесно связанных друг с другом нескольких процессов: продолжающегося увеличения количества цитоплазмы, увеличения объема клеточного сока и, соответственно, вакуоли, увеличения массы клеточной стенки, синтеза макромолекул.

На третьем этапе, после того как растяжение произошло, объем клетки надо зафиксировать. Как происходит эта фиксация? Восстанавливаются ранее разорвавшиеся химические связи между молекулами целлюлозы и пектиновых веществ. Идет интенсивное образование микрофибрилл целлюлозы. Для этого усиливается активность аппарата Гольджи, его везикулы приносят необходимые ферменты, а также гем и целлюлозы, пектиновые вещества и, возможно, гликопротеиды к плазмалсммс (см. рис. 1.38). В результате экзоцитоза содержимое везикул попадает в периплазматическое пространство. Новые микрофибриллы целлюлозы синтезируются у наружной поверхности плазмалеммы и встраиваются в клеточную стенку между уже имеющимися микрофибриллами. Расположение образующихся целлюлозных микрофибрилл зависит от ориентации микротрубочек, связанных с илазмалеммой. Ориентация микрофибрилл, в свою очередь, определяет, будет клетка растягиваться в длину или равномерно в длину и ширину.

Мембраны везикул, включаясь в плазмалемму, увеличивают ее. Белок экстенсии фиксирует размер клетки, встраиваясь в клеточную стенку.

На четвертом этапе изменяется соотношение гормонов, что приводит к торможению растяжения клетки (см. подпараграф 7.2.1).

Растяжение клетки сопровождается увеличением количества и усложнением строения органелл. Резко увеличивается количество диктиосом АГ и везикул, что связано с высокой секреторной активностью, необходимой для образования клеточной стенки. Эндоплазматический ретикулум в это время уже хорошо развит и участвует в образовании вакуолей. Как говорилось выше, увеличивается количество рибосом, которые связываются с мембранами ЭПР или образуют полирибосомы. Происходит деление митохондрий, пластид, а также их дифференцировка. Количество митохондрий увеличивается в пять раз. Много амилопластов.

В растягивающейся клетке резко увеличивается количество не только воды, но и сухого вещества благодаря синтезу веществ клеточной стенки, а также белков и липидов. В клетках бобовых иногда происходит даже удвоение количества белков. Однако преобладают небелковые соединения азота — свободные аминокислоты, нуклеотиды, нуклеозиды и др. Увеличивается количество РНК, что способствует активации белкового синтеза в начале растяжения. Далее содержание белка и РНК в пересчете на клетку, как правило, уменьшается. Изменяется углеводный обмен. Общее количество сахаров выше, чем в меристематических клетках. В растягивающихся клетках, например корня, вместо сахарозы, преобладающей на эмбриональной фазе, накапливаются глюкоза, фруктоза. Их количество увеличивается в 6—7 раз. Доля целлюлозы увеличивается до 30% и более. Количество низкомолекулярных веществ (сахаров, органических кислот, неорганических ионов и др.) в клетке увеличивается быстрее, чем высокомолекулярных. В 10 раз увеличивается количество пирувата, фосфоенолпирувата и глюкозо-6-фосфата.

Активность некоторых ферментов резко увеличивается по сравнению с эмбриональной фазой. Например, активность нитратредуктазы и глутаматдегидрогеназы увеличивается в корнях кукурузы в 10—50 раз. Возрастает активность гидролитических ферментов, что связано с образованием вакуолей.

Накопление низкомолекулярных веществ стимулирует дыхание. Основной путь дыхания во время этой фазы роста — гликолиз и цикл Кребса, усиливается также пентозофосфатный окислительный путь. Последний поставляет НАДФН и рибозы для синтеза нуклеиновых кислот. Усиление дыхания поддерживается как увеличением числа митохондрий в клетке, так и достаточным количеством дыхательного субстрата и увеличением активности гликолитических ферментов. Главным дыхательным субстратом являются сахара, поэтому дыхательный коэффициент равен единице.

Обладающая максимальной активностью аэробного дыхания, максимальной скоростью роста, интенсивным обменом веществ клетка в фазе растяжения минимально устойчива к действию неблагоприятных факторов. В результате в неблагоприятных условиях в первую очередь повреждаются клетки, находящиеся в фазе растяжения.

Фаза дифференцировки клетки. Дифференцировка (от лат. differentia — различие) — это возникновение структурных и функциональных различий между клетками, а значит, между тканями и органами в процессе развития растения. В результате дифференцировки растянувшиеся клетки превращаются в специализированные в строгом соответствии с функцией той ткани, в состав которой данная клетка будет входить. Существует несколько типов дифференцировки.

Структурная (морфологическая) дифференцировка — это возникновение различий, но морфологическим признакам. На клеточном уровне она выражается в различной толщине и структуре клеточной стенки, форме клеток, разной степени их вакуолизации, особенностях развития тех или иных органелл.

Биохимическая дифференцировка — это возникновение различий в составе белков-ферментов, способности к синтезу запасных веществ или вторичных метаболитов и других изменениях в клетке, влияющих на обмен веществ.

Физиологическая (функциональная) дифференцировка — это формирование различий между клетками, приводящих к выполнению ими разных функций, например различий между автои гетеротрофными клетками, соматическими клетками и гаметами, клетками разных тканей. Биохимическая дифференцировка предшествует другим ее типам. Например, сначала появляются новые или разрушаются старые мРНК, белки.

В фазе дифференцировки возникает многообразие клеток (рис. 7.3), при этом может происходить как усложнение, так и упрощение структуры клетки. В процессе дифференцировки у одной клетки разрушаются поперечные клеточные стенки и утолщаются за счет отложения лигнина продольные, разрушается протопласт, и она превращается в членик сосуда. У другой клетки исчезает клеточное ядро и тоиопласт, и она превращается в членик ситовидной трубки. В течение дифференцировки количество митохондрий в клетке может сильно увеличиться (образование железистой клетки или сопровождающей клетки во флоэме) или уменьшиться (образование эпидермальной клетки), могут образоваться хлоро-, хромоили лейкопласты или огромная вакуоль и боковой вырост, в который передвигается ядро (образование корневого волоска).

Рис. 73. Дифференцировка клеток (по Троллю)¹:

• 1 — палисадная; 2 — замыкающая; 3 — паренхимная;
• 4 — звездчатая; 5 — членик сосуда; 6 — членик ситовидной трубки; 7 — склеренхимное волокно

Таким образом, после окончания растяжения одинаковые до сих пор клетки начинают развиваться по-разному. Приобретение клеткой, тканыо, органом, организмом способности реализовать определенные наследственные признаки называется детерминацией (от лат. (?еЬегттаге — определять). Детерминация характеризуется возникновением способности к развитию по определенному пути с одновременным ограничением возможностей развития в других направлениях.

Почему растянувшаяся клетка может превратиться в клетку другой ткани? Направление дифференцировки зависит от набора ферментов в клетке, а синтез каждого фермента регулируется генами. Все клетки организма происходят из зиготы в результате ее деления. Зигота обладает полным набором генов. Митозы, как правило, являются равнонаследственными делениями, поэтому новые клетки имеют такой же набор генов, как и материнская клетка (тотипотентны), т. е. способны синтезировать все белки данного организма.

Однако экспрессируются постоянно только те гены, продукты которых выполняют основные функции, например гены ферментов первичного метаболизма, синтеза актина, тубулипа. Другие гены экспрессируются в разное время, поэтому клетка синтезирует лишь определенный набор ферментов, реализуя только часть своих генетических возможностей. В результате клетки одного многоклеточного организма сильно отличаются по форме и функциям, например клетки листа и корня, флоэмы и ксилемы.^[1]

Активация (дерепрессия) одной группы генов при одновременной инактивации (репрессии) другой (дифференциальная активность генов) приводит к образованию различных наборов ферментов (макромолекул) в разных клетках. Эта биохимическая дифференцировка является причиной структурной дифференцировки. В процессе дифференцировки клетки не происходит ни потери, ни приобретения новых генов, изменяется только их активность. В течение жизни каждой клетки реализуются только некоторые из этих потенций.

Итак, разные клетки многоклеточного организма, различающиеся по форме и функциям, отличаются по составу ферментов.

На активность генов влияют разные факторы, например местоположение клетки. Если дифференцирующаяся клетка находится на поверхности органа, то она превращается в клетку покровной ткани, если в центре — то основной (стебель) или проводящей (корень).

Другим важным фактором являются контакты между клетками. У многоклеточных растений клетки в тканях и органах связаны друг с другом плазмодесмами и транспортирующимися веществами. Любые пространственные или временные изменения этих связей влияют на дифференцировку. Изоляция педелящейся клетки, лишение ее связи с соседними клетками приводит к превращению ее в делящуюся клетку, дающую начало каллусу или зародышу. Каллус — меристематическая ткань, возникающая у растений в местах повреждений, существующая недолго и способствующая заживлению ран.

Фактором дифференцировки является и способ деления клетки: равное или неравное деление. При неравном делении поверхностной клетки корня или листа из меньшей дочерней клетки соответственно образуется корневой волосок или замыкающая клетка устьица, а из большей — клетка эпиблемы или эпидермы. В культуре изолированных клеток в результате равного деления микроспоры образуется каллус, а неравного — зародыш.

Обмен веществ в дифференцирующейся клетке характеризуется высокой скоростью дыхания, интенсивным синтезом ферментов и других белков, нужных для выполнения ее функции. Рост клетки на этой фазе замедляется и затем прекращается.

Дифференцированная клетка может вернуться к эмбриональной активности. Например, если у листа бегонии надрезать крупные проводящие пучки и положить его на влажный песок, то скоро образуются новые побеги, из которых можно получить взрослые растения. Новый побег возникает из одной эпидермальной клетки, которая делится на две, потом каждая дочерняя клетка вновь делится (рис. 7.4).

Чтобы специализированные клетки начали опять делиться, они должны дедифференцироваться. Дедифференцировка — это переход специализированных неделящихся клеток к делению, т. е. восстановление меристематической активности. Примером дедифференцировки уже дифференцированных в процессе развития клеток является образование вторичных меристем (пробкового или межпучкового камбия). При вегетативном размножении бегонии адвентивные побеги возникают из одной клетки эпидермы, снова ставшей эмбриональной.

Рис. 7.4. Вегетативное размножение у бегонии¹:

а — лист с новыми побегами; б, в — превращение эпидермальной клетки в меристематические Дедифференцировка как процесс, обратный дифференцировке, состоит в следующем: некоторые органеллы, например хлоропласты, разрушаются; клеточная стенка разрыхляется и набухает; увеличивается количество элементов аппарата Гольджи и эндоплазматического ретикулума. Одновременно изменяется активность генов и идет подготовка аппарата белкового синтеза — увеличивается число ядрышек, происходит новообразование РНК; образуются полирибосомы. В результате появляются новые белки, свойственные делящимся клеткам. Эти преобразования в клетке происходят в основном за счет ее запасных веществ. Возникает меристемоподобная клетка, способная к делению. Дедифференцировка связана с активацией ранее неработавших генов.

Дедифференцировка происходит и при образовании раневого каллуса. Ближайшие к поврежденной поверхности паренхимные клетки сначала увеличиваются в размере, затем у них возобновляется быстрый рост цитоплазмы, и, наконец, начинаются митозы. Образуется масса недифференцированных клеток, закрывающих рану (каллус). Из каллуса позднее в результате новой дифференцировки (редифференцировки) возникают различные ткани. Поранение листовой пластинки может вызвать деление клеток мезофилла и формирование опробковевшей защитной ткани. В стеблях древесных растений каллус образуется преимущественно из камбия.

Не все клетки могут дедифференцироваться. Особенно легко дедифференцировка происходит у паренхимных, эпидермальных, железистых, сопровождающих клеток. Членик ситовидной трубки, клетки колленхимы, механических волокон не могут дедифференцироваться, так как у них произошли сильные изменения в процессе их собственной дифференцировки.

Таким образом, при вегетативном размножении, травмах происходит передифференцировка клеток. Например, при укоренении стеблевых черенков клетки нижней части стебля дедифференцируются, начинают делиться и образуют придаточные корни. В основе передифференцировки лежит изменение активности генов.^[2]

Итак, на каждой фазе происходит рост клетки и новообразование ее структур, значительное же увеличение размеров самой клетки характерно только для фазы растяжения. Морфологически дифференцировка заканчивается достижением клеткой ее окончательного размера. В культуре изолированных клеток и тканей рост клеток состоит из этих же фаз, но эмбриональная фаза очень длинная. Если в норме клетка делится пять раз, то в культуре она может делиться много десятков лет, не переходя к растяжению.

Деление процесса роста клетки на фазы относительно. Например, как мы говорили, дифференцировка существует уже у клеток, находящихся на эмбриональной фазе. Они отличаются от других клеток меристемы биохимически и структурно: имеют меньше РНК, белка; у них хуже развит аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулум. Однако на фазе дифференцировки морфологические различия между клетками выражены лучше и поэтому видны в световой микроскоп. Кроме того, разные фазы роста клетки идут последовательно только в корне, стебле, колеоптиле. В листьях двудольных растений растягивающиеся клетки продолжают делиться, а некоторые из них одновременно дифференцируются. Обычно после окончания дифференцировки клетка приступает к выполнению специфической функции. Однако в листе активное функционирование совпадает с растяжением. Не все клетки после эмбриональной фазы растягиваются. Некоторые из них опять делятся, а другие переходят в состояние покоя. Причины перехода клетки на один из этих путей пока мало изучены.

• [1] Цит. по: Либберт Э. Физиология растений. С. 354.
• [2] Либберт Э. Физиология растений. С. 419.