Физиологическая роль микроэлементов

Первой, более 150 лет назад, была установлена физиологическая роль железа. О необходимости других микроэлементов узнали позже: марганца — в 1922 г., бора — в 1923 г., цинка — в 1926 г., меди — в 1931 г., молибдена — в 1939 г. Все микроэлементы объединяет общее свойство: они легко образуют комплексы с различными органическими веществами и в таком виде, вероятно, находятся в растении. В комплексе резко возрастает их активность. Например, железо в комплексе с четырьмя пиррольными кольцами в тысячу раз, а в составе каталазы — в десятки миллионов раз активнее.

Микроэлементы входят в состав нростетических групп ферментов, причем в зависимости от их места в молекуле и взаимодействия со структурными компонентами белка изменяется характер ферментативного действия. Так, цитохромы, ферредоксин, липоксигеназы содержат железо; пластоцианин, аскорбатоксидаза, фенолоксидазы — медь; нитратредуктаза, нитрогеназа, альдегидоксидазы — молибден. Ионы металлов облегчают связывание ферментов с субстратами и их активацию, играют важную роль в транспорте электронов. Кроме ферментативных комплексов, микроэлементы входят в состав белковых и небелковых неферментативных соединений, также обладающих каталитическим действием. В настоящее время имеется значительное количество данных о комплексах микроэлементов с нуклеиновыми кислотами. Предполагают, что микроэлементы могут стабилизировать их структуру.

Микроэлементы тоже выполняют в клетке субстратную и регуляторную функцию. Так, они определяют пространственную структуру, активность некоторых ферментов, участвуют в окислительно-восстановительных реакциях.

Незаменимыми микроэлементами, которые требуются всем растениям в малом количестве (<500 мкг/л), являются Мп, В, Zn, Си, Мо, СЛ. Лишь для некоторых высших растений требуются такие микроэлементы, как Ка, Бе, Со, N1, Эй Железо требуется в намного меньших количествах, чем макроэлементы, и в больших, чем микроэлементы (около 6 мкг/л), поэтому в последнее время его стали называть промежуточным элементом.

Железо входит в состав многих важных ферментов, в том числе цитохромов, а также иероксидазы, каталазы, которые защищают от АФК. Пероксидаза также участвует в синтезе лигнина. Цитохромы являются необходимым компонентом дыхательной и фотосинтетической электронтранспортных цепей, поэтому при недостатке железа тормозится транспорт электронов. Во всех этих ферментах железо присутствует в простетической группе в виде гема, в котором центральный атом железа связан с четырьмя пиррольными кольцами, соединенными в большую циклическую структуру (см. рис. 4.8). К гемопротеинам относится леггемоглобин, который связывает кислород и препятствует его проникновению в клубеньки у бобовых растений (см. параграф 6.3). Кроме того, целый ряд ферментов содержит железо в негеми— повой форме — в комплексе с серой. К железо-серным белкам относятся ферредоксин, аконитаза, ксантиноксидаза, липоксигеназа, нитрогеназа и ключевой фермент азотного обмена — нитратредуктаза. В сумме железо белков, связанное с серой, составляет 18,5% общего содержания железа; на митохондриальные комплексы приходится 9, на ферредоксин — 2,5%. Супероксиддисмутаза, присутствующая в хлоропластах, также содержит железо. До 60% железа, содержащегося в листе, приходится на хлоропласты.

Роль железа в большинстве случаев связана с его способностью переходить из окисленной формы (Ре⁺³) в восстановленную (Ре⁺²) и обратно. Железо необходимо для синтеза хлорофилла, так как оно катализирует образование предшественников этого пигмента — аминолевулиповой кислоты и протопорфиринов. Предполагают, что железо участвует в образовании белков хлоропластов.

Железо активирует дыхание корней, что приводит к активации Н⁺-помиы и дополнительному образованию органических кислот (например, цитрата), необходимых для хелатирования Ре.

При недостатке железа не образуются такие важнейшие компоненты хлоропластов, как цитохромы, ферредоксин и некоторые другие. Дефицит железа вызывает хлороз: листья, прежде всего молодые, становятся бледножелтыми, фотосинтез идет плохо, опадают бутоны, уменьшаются междоузлия, отмирают точки роста, плохо формируется корневая система. Хлороз легко исчезает, если на поверхность листа нанести несколько капель хлорного железа. В отличие от признаков дефицита азота, фосфора, калия, магния, симптомы недостатка ионов железа проявляются сначала на более молодых листьях, поскольку железо не реутилизируется. Низкая подвижность элемента связана с образованием в старых листьях нерастворимых окислов и фосфатов, а также комплексов с ферритином. Дефицит железа индуцирует рост корневых волосков, что способствует лучшему контакту с почвой и увеличению поглощения железа.

Запасной формой железа является ферретин — белок, состоящий из 24 полипептидов. Каждая молекула может запасать до 4500 атомов железа, в растворимой, нетоксичной и доступной форме. Основная масса ферритина находится в строме хлоропласта.

Содержание марганца в побегах колеблется от 25 до 40 мкг/г сухой массы, а у цитрусовых может достигать 125.

Марганец — кофактор более 35 ферментов Он активирует ферменты, катализирующие реакции цикла Кребса (дегидрогеназы яблочной и лимонной кислоты, декарбоксилазу щавелево-уксусной кислоты) и восстановления нитратов. В связи с этим при недостатке марганца растения менее интенсивно дышат и не могут использовать нитраты в качестве источника азота. Он активирует цитозольную изоцитратдегидрогеназу, катализирующую превращение вышедшего из митохондрий в цитозоль изоцитрата в оксоглутарат, который затем используется в ассимиляции азота в хлоропластах. Марганец вместе с магнием активирует малик-энзим, несколько ферментов шикиматного пути, ведущих к образованию ароматических аминокислот, и супероксиддисмутазу. Мп-СОД присутствует в митохондриях и пероксисомах для защиты от АФК.

Марганец участвует в фотоокислении воды, нужен для поддержания структуры хлоропластов. Он также активирует РПК-полимеразы хлоропластов, ферменты, участвующие в окислении одного из фитогормонов — индол илу ксусной кислоты (ИУК), что имеет важное значение для гормональной регуляции роста.

Этот элемент регулирует состояние железа в растении и почве: при недостатке марганца железо переходит в закисную форму, активную, но токсичную для растения, при избытке — в неактивную окисную форму. В тканях растений существует динамическое равновесие между железом и марганцем. Например, оптимальный рост растений сахарного тростника возможен, если отношение этих элементов меньше единицы.

При дефиците марганца хлорофилл быстро разрушается, на листовых пластинках появляются бледно-желтые полосы. У злаков листья часто сворачиваются. В результате происходит замедление фотосинтеза, роста и ослабление дыхания растения.

Растения накапливают медь в количестве 5—20 мкг/г сухой массы. Восстановленная медь способна легко передавать электрон на кислород, а окисленная — легко восстанавливаться. Поэтому ионы меди, как и железа, участвуют в транспорте электронов при дыхании и фотосинтезе. Например, одним из компонентов электронтранспортной цепи фотосинтеза является содержащий медь белок синего цвета — пластоцианин. Медь вместе с железом входит в состав цитохромоксидазы — терминальной оксидазы ЭТЦ дыхания. Большая часть меди (75% от всего содержания ее в листьях) находится в хлоропластах. Она помогает образованию комплексов хлорофилла с белками.

Медь входит также в состав дифеиолоксидазы и аскорбинатоксидазы. Эти ферменты участвуют в присоединении электрона к фенолам или к восстановленной аскорбиновой кислоте. Аскорбатоксидаза содержит минимум четыре атома меди, которые участвуют в восстановлении 0₂ до Н₂0. В этих ферментах медь соединена с белком, по-видимому, через 8Н-группы. Кроме того, медь активирует нитратредуктазу и протеазы, следовательно, она участвует в азотном и белковом обмене. Си/7п-СОД локализована в цитозоле, где она участвует в детоксикации АФК. Полифенол оке идаза участвует в синтезе лигнина. Медь выполняет также важную роль в связывании гормона этилена с рецептором.

Высокая реакционная способность меди делает се токсичной даже в небольших концентрациях. Медь разрушает тиоловые связи в белках, что приводит к нарушению структуры белковых молекул. Поэтому транспорт меди через мембраны осуществляется в комплексе со специальными белками-шаперонами, которые переводят медь в нереактивную форму.

При недостатке меди наблюдается формирование темно-зеленых листьев, которые могут иметь некротические пятна, обычно появляющиеся на более молодых листьях. При недостатке меди нарушается формирование фертильной пыльцы, что приводит к снижению количества семян, тормозится синтез лигнина. Результатом последнего может быть полегание растений. При остром дефиците меди наблюдается преждевременное опадание листьев, тормозится рост, не функционируют бор, цинк, марганец. Недостаток меди может уменьшить интенсивность фотосинтеза наполовину.

Цинка в растениях содержится в 10 раз больше, чем меди, и в 10 раз меньше, чем железа. Цинк в клетках не окисляется и не восстанавливается. Он транспортируется по ксилеме и флоэме. Цинк входит в состав примерно 100 ферментов как стабилизатор их структуры. Например, он входит в состав карбоангидразы, катализирующей гидратацию С0₂ с образованием угольной кислоты, и ее разложение на воду и С0₂. Углекислый газ, поступая в растение, растворяется в воде, образуя угольную кислоту. Карбоангидраза, катализируя разложение угольной кислоты, способствует освобождению С0₂ и его использованию в процессе фотосинтеза. Цинк — компонент щелочной фосфатазы, алкогольдегидрогеназы, супероксиддисмутазы. В СОД цинк ассоциирован с медью.

Кроме того, цинк активирует дыхательные ферменты — фосфопируватгидратазу, кетозо-1-фосфатальдолазу, гексокиназу, дегидрогеназу фосфоглицеринового альдегида. Цинк требуется для синтеза хлорофилла, входит в состав рибосом, поэтому его недостаток нарушает синтез белка. Кроме того, он нужен для поддержания структуры мембран.

Цинк играет важную роль в метаболизме РНК, ДНК, синтезе белка и в клеточном делении. Он участвует в регуляции экспрессии генома, являясь компонентом многих транскрипционных факторов, называемых цинковыми пальцами. Цинк встраивается в комплексы с аминокислотными остатками полипептидной цепи, и полипептидная цепь формирует петли, или цинковые пальцы, состоящие из 11 — 13 аминокислотных остатков (см. рис. 2.21). Цинковые пальцы взаимодействуют с двойной спиралью ДНК, что позволяет белковой молекуле, несущей эту структуру, узнавать и специфически связываться с определенными последовательностями нуклеотидов в геноме клетки. Такое связывание приводит к активации или ингибированию транскрипции данного гена. Кроме того, структура тина «цинковые пальцы» играет важную роль, участвует в белок-белковом узнавании.

В присутствии цинка ускоряется поглощение калия, марганца и молибдена. Цинк играет важную роль в образовании гормона — ИУК, ускоряя синтез ее предшественника — триптофана. Внесение цинка увеличивает содержание ИУК, что заметно сказывается на темпах роста растений.

Недостаток цинка ведет к нарушению роста, мелколистное™, ингибированию роста междоузлий, в результате формируются чахлые растения со слабо развитым апикальным доминированием (см. параграф 7.1). Цинк входит в состав рибосом, поэтому его дефицит нарушает синтез белка.

Один из ранних симптомов цинкового голодания растений — появление светло-зеленой окраски вдоль основных жилок листовой пластинки. При дальнейшем усилении дефицита эта зона быстро увеличивается, а затем появляются пятна отмерших тканей и разрушаются точки роста. У С₄-растений прежде всего разрушается хлорофилл в клетках обкладок проводящих пучков. При недостатке цинка в листьях некоторых растений образуются антоцианы.

Потребность в молибдене у растений меньше, чем в других элементах. Он необходим для работы нескольких ферментов, в том числе нитратредуктазы, участвующей в восстановлении нитратного азота в нитритный, и нитрогеназы, ответственной за превращение молекулярного азота атмосферы в аммонийный в клетках азотфиксирующих микроорганизмов.

Нитратредуктаза высших растений — это флавопротсид с молекулярной массой 200 кДа, содержащий гем и молибден. Она представляет собой димер, т.с. состоит из двух полипептидных цепей (субъединиц), последовательно переносящих электрон от ПАДИ (или НАДФН) к ЫОз. Первая субъединица содержит в качестве простетической группы ФАД и катализирует перенос электрона от ПАДИ к гему. Вторая субъединица, содержащая в качестве кофактора молибден, участвует в связывании нитрата и переносе на него электрона от гема. Молибден при этом изменяет свою валентность.

Нитратредуктаза образуется, когда в среде имеются нитраты и молибден. Причем фермент появляется уже через 0,5—3 ч после внесения в среду нитратов. Это пример адаптивного, или индуцибельного (от англ, induce — вызывать), синтеза ферментов. Активность нитратредуктазы возрастает в 10 и более раз при питании растений нитратами по сравнению с питанием их аммиаком.

Молибден активирует сукцинатдегидрогеназу — один из ферментов цикла трикарбоновых кислот. Малые дозы элемента (0,01 мг/л) увеличивают, а большие (больше 1 мг/л) ингибируют активность фосфатаз, особенно глюкозо-1 -фосфатазы.

Первым признаком дефицита молибдена является хлороз старых листьев. При недостатке этого элемента происходит нарушение азотного обмена: уменьшается синтез белка при одновременном падении содержания аминокислот и амидов. Эти нарушения особенно заметны при питании растений нитратами. Без молибдена резко снижается содержание в растении аскорбиновой кислоты. Нехватка этого элемента нарушает и фосфорный обмен растений.

Бор присутствует в растении в форме В (ОН)₃ или В (ОН)₄_, причем в большей концентрации, чем другие микроэлементы, по крайней мере у двудольных. Значительные его количества находятся в клеточной стенке.

Необходимость бора установлена очень давно. Он играет важную роль в синтезе лигнина, нуклеиновых кислот, ИУК, фенолов; ответе клеток на действие гормонов; он нужен для нормального функционирования мембран. Этот элемент не входит в состав ни одного фермента; влияет на скорость ферментативных реакций, активируя или инактивируя не сами ферменты, а субстраты, на которые они действуют.

Большое значение для выполнения бором его функций имеет способность элемента образовывать комплексные соединения с простыми сахарами, полисахаридами, спиртами, фенолами и другими веществами. Образование комплексов бора с углеводами влияет на направление расположения мицелл целлюлозы в клеточной стенке, что увеличивает ее эластичность. У растений, испытывающих недостаток бора, эластичность клеточной стенки мала, поэтому ингибируется растяжение клеток.

Образование комплекса бора с сахарозой помогает ей легче проникать через мембраны и быстрее передвигаться по флоэме. Выдерживание листа в атмосфере, содержащей меченый С0₂, показало, что образующиеся продукты фотосинтеза быстрее оттекают в другие органы у растений, получивших борные удобрения. Вероятно, это является одной из причин ускорения цветения растений в присутствии бора.

Бор тормозит превращение глюкозо-1-фосфата в крахмал, в результате голодающие по бору растения накапливают много крахмала и сахаров в листьях, а их стебли, корни и плоды, наоборот, содержат мало углеводов. Бор активирует окислительные процессы, синтез белков и АТФ, поглощение кальция корнями. Он может быть и ингибитором некоторых ферментов, например катализирующих образование токсичных фенолов. Пыльца томатов и некоторых других растений может прорастать на пестике только в том случае, если в его выделениях содержится немного бора. Бор влияет на пентозофосфатный окислительный цикл. В нормально развитом растении наибольшее количество бора содержится в точках роста.

При недостатке бора нарушается синтез РНК. Он нужен для формирования меристем и других тканей. Без бора тормозится аминирование органических кислот. Характерным признаком борного голодания является появление черных некротических пятен на молодых листьях и верхушечных почках. У растений, испытывающих борное голодание, накапливаются кофейная и хлорогеновая кислоты, ингибирующие рост, клетки плохо дифференцируются; нарушается развитие проводящей системы; листья становятся тонкими; цветки не образуются. В ситовидных трубках коагулирует цитоплазма, поэтому отток сахаров, но флоэме резко тормозится, и они, как мы уже сказали, накапливаются в листьях. При недостатке бора искривляются и сжимаются сосуды, что нарушает транспорт воды и минеральных солей в точки роста. Недостаток углеводов, воды и солей вызывает отмирание точек роста стеблей и корней (гниль сердечка у кормовой и сахарной свеклы), что является первым признаком борной недостаточности. Корни плохо снабжаются кислородом, снижается иммунитет. При недостатке бора происходит избыточное накопление фенольных соединений, что является характерным признаком борного голодания. Однако сами механизмы включения бора в метаболизм не изучены.

Хлор присутствует в растении в концентрации 50—500 мкмоль/г сухого вещества в форме хлорид-аниона (С1), в галофитах его концентрация еще больше. В цитозоле концентрация хлора превышает концентрацию нитрата и органического аниона — малата; в вакуоли, наоборот, больше ионов нитрата и малата. Он накапливается, прежде всего, в хлоропластах и клеточном соке.

Хлор участвует в регуляции тургора, создании осмотического потенциала и потенциала действия, фотосинтетическом окислении воды с образованием кислорода, клеточных делениях и устьичных движениях. У некоторых растений (кукуруза, кокосовая пальма, лук), поступая вслед за калием в замыкающие клетки устьиц, он способствует сохранению в этих клетках их электрического потенциала. У некоторых растений при дефиците хлора открывание устьиц растягивается на несколько часов. Ионы хлора влияют на поступление в клетки ионов РО^³. Предполагают, что хлор стимулирует фотосинтетическое фосфорилирование, однако его роль в этом процессе точно пока не установлена.

Дикорастущие и культурные растения в обычных условиях обитания не испытывают дефицита хлора.

Кроме перечисленных, имеются еще и такие элементы, которые влияют на жизнедеятельность лишь некоторых растений. Зерновые лучше растут при наличии кремния, входящего в состав их клеточных стенок. Кремний увеличивает устойчивость к полеганию. Растения пшеницы, выращенные без этого элемента в питательной среде, чувствительны к грибным заболеваниям.

К числу немногих культур, реагирующих на внесение кремния, относится сахарный тростник. Кремний откладывается в разных тканях его побегов (например, в эпидерме стебля есть окремпевише клетки). В отличие от других микроэлементов, кремний содержится в растениях сахарного тростника в значительно больших количествах. Так, в золе листьев на его долю приходится около 60%. Внесение силикатных удобрений под растения, испытывающие дефицит кремния, увеличивало длину и диаметр стеблей, содержание хлорофилла в листьях и выход сахара.

Натрий требуется некоторым С₄— и САМ-растениям, с его помощью происходит поглощение пирувата хлоропластами мезофилла. Натрий участвует в создании осмотического потенциала.

Никель — составная часть уреазы высших растений. Уреаза — фермент из группы гидролаз, разлагающий мочевину на С0₂ и аммиак. Дефицит никеля приводит к отмиранию листьев, например у сои, из-за накопления в них мочевины, торможению роста проростков и образования клубеньков.

Селен является важным элементом животных и микроорганизмов; его роль для высших растений изучается. Возможно, что и в растениях он выполняет, прежде всего, защитную функцию при действии повреждающих факторов или биопатогенов, проявляя антиоксидантные свойства. Однако он может включаться в АМК вместо серы.

Не все растения одинаково нуждаются в тех микроэлементах, которые относят к необходимым. Так, бор меньше нужен злакам. Кальций в большей мере необходим высшим растениям, чем низшим. Некоторые микроэлементы, обнаруживаемые в растениях, могут быть инертными (барий, свинец) или даже вредными (алюминий). Многие микроэлементы в избыточных дозах (марганец, медь, железо) становятся токсичными.

Итак, элементы минерального питания имеют важное физиологическое значение, при их отсутствии растение не может осуществить свой жизненный цикл.

Если основываться на биохимической роли и физиологических функциях элементов, то все они могут быть разделены не на две (макрои микроэлементы), а на четыре группы (Мендель, Кирби, 1987). Первая группа включает элементы (Ы, 8), которые создают основную часть органических соединений. Элементы второй группы (Р, Са, Mg, 81) участвуют в реакциях переноса энергии или в поддержании структуры мембран и органелл. Элементы третьей группы (К, N3, Са, Мп, С1) присутствуют в тканях в виде свободных ионов или входят в состав разных соединений, они имеют важное значение для поддержания осмотического потенциала и являются кофакторами ферментов. Четвертая группа включает элементы (Ее, Си, Zn, Мо), участвующие в транспорте электронов.