Транспорт ассимилятов в листе

Часть поступивших в цитозоль веществ используется в данной клетке, а часть выходит из нее и передвигается к ближайшему, самому маленькому, проводящему пучку. Из клетки в клетку вещества в листовой пластинке передвигаются по градиенту концентрации со скоростью 10—60 см/ч.

Пути транспорта. На долю проводящих пучков приходится около 25% от общего объема листовой пластинки, причем 95% пучков — мелкие. Длина всех проводящих пучков на 1 см² листовой пластинки составляет от 20 до 100 см. В состав самых мелких пучков входят 1—2 сосуда, одна ситовидная трубка с сопровождающими клетками и паренхимные клетки.

Ситовидные трубки состоят из тонкостенных, удлиненных, лишенных ядер живых клеток. Тонопласт в этих клетках исчезает; митохондрии очень мелкие. На месте вакуоли появляются пучки микротрубочек и фибриллярных белков, названных Ф-белками. Микротрубочки и (D-белки ориентированы вдоль трубки и образуют сетку. Они увеличивают внутреннюю поверхность трубки. Функции Ф-белков пока точно неизвестны. Главная масса цитоплазмы сосредоточена в пристенном слое.

Поперечные стенки, расположенных друг над другом в ряд клеток (члеников) ситовидной трубки, называют ситовидными пластинками из-за большого количества пор. Поры занимают 15—30% площади ситовидной пластинки. У цветковых растений, например у магнолии, на 1 мкм² находится в среднем 3—6 пор; диаметр пор 0,5—5,0 мкм. Он может изменяться благодаря отложению каллозы. Кроме каллозы, диаметр пор может уменьшаться из-за отложения целлюлозы и пектиновых веществ на клеточных стенках в районе пор. Через поры проходят плазмодесмы. Большая часть растворенных веществ, двигающихся по флоэме, пересекает ситовидную пластинку по этим плазмодесмам.

К каждому членику ситовидной трубки примыкают одна, две или три сопровождающие клетки. Сопровождающая клетка имеет большое ядро, в ней много рибосом и митохондрий, есть эндоплазматическая сеть. Во время транспорта веществ эти клетки могут выделять вещества в ситовидные трубки, т. е. они выполняют секреторную функцию. Кроме того, они снабжают ситовидные трубки АТФ. Сопровождающие клетки соединены с ситовидными трубками многочисленными плазмодесмами.

Паренхимные клетки флоэмы имеют большие вакуоли и снабжают ситовидные трубки и сопровождающие клетки метаболитами. В клетках флоэмной паренхимы временно могут запасаться сахароза и другие ассимиляты. Например, у сахарной свеклы в них остается 2—3% ассимилятов, а у сои — до 30%. Из этих клеток вещества либо пассивно диффундируют, либо активно передвигаются в ситовидные трубки (рис. 4.40).

В зависимости от количества проводящих пучков в листовой пластинке расстояния от фотосинтезирующей клетки до флоэмных окончаний могут быть различными. Однако в среднем они не превышают трех-четырех клеток и составляют сотые доли миллиметра. На каждое флоэмное окончание приходится всего лишь несколько фотосинтезирующих клеток. Таким образом, ассимиляты поступают в ситовидные трубки через сопровождающие или паренхимные клетки флоэмных окончаний.

Рис. 4.40. Путь сахарозы от фотосинтезирующих клеток мезофилла.

в ситовидную трубку¹

Очень часто между ситовидными трубками и паренхимными клетками мезофилла находятся передаточные клетки (рис. 4.41).

Передаточные клетки паренхимны по форме и примыкают к сосудам или к ситовидным трубкам. Стенки этих клеток имеют многочисленные выросты, благодаря которым сильно увеличиваются их свободное пространство и площадь илазмалеммы, поскольку она в точности повторяет все изгибы стенки. Выросты могут образовываться на всех сторонах клетки или только на тех, которые примыкают к ситовидной трубке. Эти выросты глубоко проникают в цитоплазму, в результате любая часть плазмалеммы всегда находится достаточно близко от органелл. Особенно часто к выростам клеточной стенки приближаются митохондрии.

Передаточные клетки активно поглощают ассимиляты из соседних клеток мезофилла и передают их через плазмодесмы в ситовидную трубку.

Загрузка флоэмных окончаний — это активный транспорт веществ в ситовидные трубки самых мелких проводящих пучков.

Поскольку прямого контакта проводящих пучков с каждой клеткой паренхимы нет, одна часть образовавшихся в ходе фотосинтеза веществ передвигается к ситовидной трубке из одного протопласта в другой через плазмодесмы, т. е. но симнласту. Другая их часть выходит из фотосинтезирующей клетки через нлазмалемму в свободное пространство клеточной стенки и передвигается по апопласту. Таким образом, существует два спо- ¹

Цит. с изм. по: Plant Physiology / ed. by L. Taiz, E. Zeiger. P. 264.

соба загрузки флоэмы — симпластический и апопластический. Симпластический путь (у тыквы, кабачков): по плазмодесмам из клеток мезофилла через сопровождающие клетки в ситовидную трубку. Апопластический путь (у злаков, сахарной свеклы, рапса, картофеля): из клеток мезофилла ассимиляты поступают в апопласт, потом поглощаются сопровождающей клеткой через плазмалемму и поступают в ситовидную трубку.

Рис. 4.41. Передаточные клетки¹

Какие вещества входят во флоэмные окончания? На 90% флоэмный сок состоит из углеводов, в основном из сахарозы (0,6—1,5 моль/л). Свободные глюкоза, фруктоза в нем практически отсутствуют. У многих древесных растений в его состав входят олигосахара (раффиноза, стахиоза, вербаксоза), сахароспирты (маннит, сорбит и дульцит). В нем также содержатся аминокислоты, амиды (0,05—0,5 моль/л); в низких концентрациях органические кислоты, фитогормоны, растворимые белки, витамины, неорганические ионы (кальций, молибден, фосфат), в основном калий; до 1% АТФ, которая все время расходуется, взамен поступает новая. У флоэмного сока pH 8,0—8,5. Концентрация сухих веществ во флоэмном соке колеблется от 8 до 20%.

Состав флоэмного сока изучают с помощью стилетов — ротовых аппаратов тлей афид, имеющих форму трубочки. Тля питается флоэмным соком, погружая свой стилет в членик ситовидной трубки. Сок, находящийся под давлением, поступает в ее тело. После анастезии тело тли удаляют, а вытекающий через оставшийся стилет флоэмный сок собирают для анализа. С помощью этого метода обнаружили,

Цит. с изм. по: Clarkson D. Т. Factors affecting mineral nutrient acquisition by plants // Ann. Rev. Plant Physiol. 1985. V. 36. P. 77−115.

что около органа-донора в ситовидной трубке более высокая концентрация сахарозы и более высокое гидростатическое давление, чем около органа-акцептора.

Для изучения состава флоэмного сока используют и ¹⁴С. ¹⁴С0₂, или радиактивную сахарозу, наносят на листья. Через некоторое время растение срезают, высушивают и помещают на рентгеновскую пленку. Там, где располагается орган, содержащий ¹⁴С, на пленке образуется темное пятно.

Загрузка окончаний флоэмы сахарозой и другими ассимилятами в листе происходит против градиента концентрации. Так, концентрация сахарозы в ситовидной трубке может достигать 1 М, а в клетках мезофилла она в 10—30 раз ниже. Следовательно, для загрузки флоэмы необходима энергия (АТФ).

В клетки-спутницы сахароза и аминокислоты попадают из апопласта за счет симпорта с протоном. Протонный градиент образуется за счет работы ТН-АТФазы, которая находится на плазмалемме. АТФ образуется в митохондриях при дыхании. Субстратом для митохондриального дыхания является сахароза, поступающая в клетки-спутницы, которая вначале с помощью сахарозосинтазы распадается на две гексозы. Другим субстратом для дыхания может служить глутамат, которого довольно много во флоэмом соке.

Молекулы сахарозы транспортируются через плазмалемму ситовидных трубок с помощью специального белка-переносчика вместе с протонами. Захватив протон, белок соединяется с молекулой сахарозы (или другого ассимилята), его форма изменяется, и молекула метаболита переносится через мембрану. Протоны потом выходят из клеток флоэмы с помощью Н⁺-АТФазы. Затем они снова поступают обратно в ситовидную трубку вместе с молекулами сахарозы. Для работы этого переносчика необходим градиент концентрации ионов водорода. По-видимому, в плазмалемме сопровождающих клеток работают Н'-помпы, переносящие протоны в свободное пространство и создающие градиент ионов водорода. Вслед за поступлением осмотически активных веществ в ситовидные трубки входит вода, увеличивается гидростатическое давление. На дальнейший транспорт ассимилятов влияет градиент гидростатического давления.

Отток ассимилятов из фотосинтезирующих клеток в проводящие ткани осуществляется избирательно: в окончания флоэмы поступают, во-первых, не все вещества, и, во-вторых, они поступают с разной скоростью. Этим объясняется состав флоэмного сока. Поскольку сахарозы во флоэмном соке содержится больше, чем в тканях листа, то это также говорит об избирательном поступлении веществ в ситовидные трубки. Из аминокислот легче других поступает в ситовидные трубки треонин. Например, у ревеня на его долю приходится 25—30% от общего количества аминокислот, хотя в фотосинтезирующих клетках его мало — около 1—3%. Асиартат почти совсем не поступает во флоэмные окончания, а в фотосинтезирующих клетках его намного больше, чем треонина.

Сопровождающие клетки играют ключевую роль в загрузке флоэмы. Они соединены с члеником ситовидной трубки плазмодесмами.

Направление транспорта ассимилятов в листовой пластинке строго определено: ассимиляты передвигаются из флоэмных окончаний в мелкие, а потом во все более крупные проводящие пучки.