Значение света в жизни растений. Стресс у растений. Роль вторичных метаболитов в жизнедеятельности растений.

Введение

Солнечный свет является главным фактором жизни для растений, источником энергии для обеспечения процесса синтеза органических веществ из неорганических, важным условием регуляции фаз его развития. И недостаток освещения, и его избыток могут являться причиной стрессового состояния растения, а оптимальное его воздействие обеспечивает жизнедеятельность не только собственно растительных продуцентов, но и существование всей пирамиды жизни в биосфере планеты. Для обеспечения прохождения процесса фотосинтеза и создания антистрессовой устойчивости растений немаловажную роль играют и вторичные метаболиты, формирующиеся в клетках растений.
История изучения влияния света на растения весьма длительная. В течение более 200 лет ученые ставили разнообразные эксперименты по изучению воздействия не только продолжительности солнечного света на рост и развитие растений, но и исследовали воздействие различных элементов спектра солнечного излучения, поскольку этот аспект имеет важное практическое значение при выборе технологии досвечивания при выращивании различных культур в условиях защищенного грунта. В середине прошлого столетия в СССР даже проходила в науке активная дискуссия между сторонниками Т.Д. Лысенко и его противниками по воздействию света на изменение генетических качеств растений. Сегодня на основе полученных данных в тепличных технологиях широко используются знания о влиянии света с различной длиной волнового излучения на качество формируемых плодов, что позволяет получать не только высокий урожай возделываемых культур, но и управлять соотношением белков и углеводов при его формировании [21].
Солнечный свет обеспечивает у растений переход к автотрофному способу питания в период прорастания, переход к фазе бутонизации и цветения, переход к состоянию покоя у многолетних растений. Комплекс этих воздействий носит название фотоморфогенеза. Свет является сигналом не только к смене фазы развития, но и непосредственно влияет на рост, транспирацию и другие физиологические процессы в растении. Непосредственное воздействие света выражается в способности клеток образовывать соответствующие гормоны, в частности абсцизовую кислоту, что позволяет растению замедлять скорость роста при переходе к автотрофному питанию. Опосредованное воздействие света в виде длительности светового дня определяет переход к следующей фазе развития, в частности к цветению.
Восприятие растением воздействия солнечного света происходит благодаря наличию хлорофилла, каротиноидов, специальных фоторецепторов и гормонов. На основе действия этих пигментов и фоторецепторов растение проходит суточные изменения в определенном ритме, который называется циркадным, или биологическими часами растения.
Главным пигментом, воспринимающим солнечный свет, является, безусловно, хлорофилл, выполняющий роль преобразователя физической солнечной энергии в химическую энергию макроэргических молекул. Хлорофилл по своей важности занимает в метаболизме растений место, аналогичное гемоглобину в метаболизме животных, обеспечивая основополагающее действие в энергетическом обмене. Отличие между этими молекулами состоит в том, что в состав хлорофилла входит магний, а центральное место в структуре гемоглобина занимает железо. Глобальное влияние на биосферу хлорофилл оказывает и тем, что является центральным производителем молекулярного кислорода для атмосферы нашей планеты, обеспечивая существование всех аэробных живых организмов на Земле.
Помимо первичных метаболитов растения содержат огромное количество веществ, не участвующих в основном обмене. Это вторичные метаболиты, или вещества вторичного происхождения. В отличие от первичных метаболитов, присутствующих во всех растительных клетках, вторичные метаболиты могут быть специфичны для одного или нескольких видов растений.
Целью реферата является обзор современных представлений о значении света в жизни растений, стресса у растений и роли ряда вторичных метаболитов в жизнедеятельности растений.
Значение света в жизни растений.
Общая характеристика воздействия света на растения.
Активный рост растений, увеличение вегетативной массы являются прямым результатом процесса фотосинтеза. Переход растений из одной фазы развития в другую, в том числе, и переход в состояние покоя, выработка ряда важных компонентов метаболизма – это косвенный результат влияния солнечного света. Понимание закономерностей воздействия солнечного света на растение позволяет разрабатывать приемы управления процессами его жизнедеятельности [37].
Солнечный свет имеет неоднородный состав, волновое излучение, входящее в него, колеблется от 300 до 1000 нм. Наиболее важным для растений спектром является диапазон фотосинтетически активной и физиологически активной радиации от 300 до 800 нм. При этом для процесса фотосинтеза наиболее важным является спектр 600-720 нм (красные лучи) и 595-620 нм (оранжевые лучи). Их избыток задерживают переход растения к цветению. Синие и фиолетовые лучи (380-490 нм) обеспечивают образование белков и ускоряют наступление цветения. Ультрафиолетовые лучи с длиной волны от 315 до 380 нм задерживают процессы роста, а лучи с длиной волны от 280 до 315 нм повышают холодостойкость растений. Желтые лучи с длиной волны от 490 до 595 нм не оказывают существенного влияния на жизнедеятельность растений [27].
На растения воздействует не только в целом белый солнечный свет, но и отдельные диапазоны его спектра. Красный и синий свет в экспериментах Е.В. Хаксар [18] с пробирочными культурами картофеля отрицательно воздействовал на растения, в то время, как белый свет светодиодных ламп в диапазоне 440-660 нм обеспечил существенную прибавку в вегетативной массе по сравнению с контролем (белым светом ламп накаливания).
Листья и цветки растений могут активно двигаться в течение дня, ориентируясь перпендикулярно или параллельно солнечным лучам. Это явление носит название «гелиотропизм» и носит либо положительный, либо отрицательный характер. Способность максимально улавливать необходимый растению солнечный свет особенно характерна для ряда важных сельскохозяйственных культур - это хлопчатник, соя, люпин, подсолнечник [29].
1.2. Хлорофилл – центральное звено фотосинтеза.
Центральным участником сложной фотосинтезирующей системы растений, улавливающей солнечный свет и обеспечивающий синтез углеводов из неорганического углерода, попадающего в растения с углекислым газом воздуха, является хлорофилл. История его открытия и изучения насчитывает уже более 300 лет, с тех пор как в 1682 году впервые извлекли из листьев спиртовые вытяжки хлорофилла и каротиноидов. Сегодня ученым известно довольно много о структуре, физических и химических свойствах хлорофилла, но его изучение все еще продолжается, ведь с открытием тайны фотосинтеза человек сможет в искусственных условиях производить эту замечательную работу по улавливанию солнечной энергии и сможет, наконец, воспользоваться вечным источником энергии в нашей планетной системе – Солнцем [1, 5, 17].
Хлорофилл представляет собой довольно сложное соединение, находящееся в нескольких формах. Существуют хлорофилл а, хлорофилл b, хлорофилл с и хлорофилл d, которые несколько отличаются друг от друга, но, встречаясь в разных группах растительных организмов, везде выполняют одну и ту же функцию – улавливают солнечный и превращают его энергию в энергию молекул АТФ и НАДФ.
Формулы форм хлорофилла, функционирующих в высших растениях, отличаются между собой всего лишь двумя атомами водорода и одним атомом кислорода, а также окраской:
хлорофилл а: С32Н30ОN4Мg · (СООСН3) · СООС20Н39 - имеет синеватый оттенок,
хлорофилл b: С32Н28О2N4Мg · (СООСН3) · СООС20Н39 – имеет желтоватый оттенок.
Три важнейших свойства хлорофилла обеспечивают его незаменимость для процесса фотосинтеза:
поглощение только определенных лучей солнечного спектра, преимущественно красных лучей, в которых сосредоточено наибольшее количество энергии,
отражение поглощенных лучей (флуоресценция), с поглощением определенной части энергии,
оптическая сенсибилизация, позволяющая хлорофиллу улавливать энергию красного диапазона спектра солнечного излучения.
Огромнейший вклад в изучение хлорофилла внес российский ученый К.А. Тимирязев, который установил его основные физические и химические свойства, связал фотосинтетическую деятельность растений с глобальной их ролью в установлении условий жизни на нашей планете, показал сохранение энергии Солнца во всех углеводородных накоплениях недр Земли, которое произошло именно благодаря хлорофиллу. По мнению К. А. Тимирязева «зерно хлорофилла – это исходная точка всего того, что мы понимаем под словом «жизнь». Растения выступают в роли трансформаторов световой энергии в биосфере, а растительное царство создает ежегодно миллиарды тонн органического вещества. По своей химической структуре хлорофилл близок к гемоглобину, только вместо железа в его состав в скрепляющей функции выступает ион магния, поэтому, иногда хлорофилл называют «кровью растений» [1, 5, 17].
С химической точки зрения хлорофилл является сложным эфиром дикарбоновой кислоты и хлорофинилла. Хлорофинилл - это азотосодержащее металлоорганическое соединение, относящееся к магний-порфиринам. Основой молекулы хлорофилла является тетрапирольный скелетный каркас порфин. Если происходит реакция замещения в порфине водородных атомов радикалами (метил, этил, пропил), то образуются порфирины. В отличие от порфиринов гемоглобина, порфирины, входящие в хлорофилл, имеют, кроме четырех гетероциклов, пятую изоциклическую группировку – циклопентан. В настоящее время известно около 10 хлорофиллов. Они отличаются по химическому строению, окраске, распространению среди живых организмов. Пигменты листа нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в ацетоне, бензине и спирте. В спиртовой вытяжке содержится смесь четырех пигментов: двух желтых – каротина и ксантофилла, двух зеленых – хлорофиллы а и b. Зеленый цвет определяет листа формирует хлорофилл а и b, в образовании желтого тона участвуют в основном каротиноиды и меньше – флавоноиды. Формирование красного цвета является результатом активного синтеза антоцианов, а коричневый тон во время старения и некроза вызван продуктом окисления фенолов. Изменчивость цвета в период онтогенеза определяется наследственностью [1, 5, 17]. Выделение хлорофиллов проводят по методу Крауса с отделением каротина. Он основан на различной растворимости пигментов в органических растворителях и разной плотности этих растворителей. Пигменты разделяются поочередно, под действием физических и химических воздействий. На первом этапе отделяется только ксантофилл, находящийся в спирте, а хлорофиллы и каротин остаются смешанными в бензиновом слое. На втором этапе из бензинового слоя удаляют хлорофиллы путем омыления, в результате чего можно видеть каротин, растворенный в бензине. Одним из свойств хлорофилла, используемых на практике, является его взаимодействие со щелочью с образованием хлорофиллина, который растворим в спирте. При проведении этой реакции атом магния сохраняется в молекуле. Еще одним важным свойством хлорофилла является его взаимодействие с кислотами. Цвет хлорофилла, исходя из химического строения его молекулы, объясняется наличием двойных конъюгированных связей в порфириновом кольце и образованием металлорганической связи с магнием. Присутствие атома магния в хлорофилле легко обнаружить действием хлороводородной кислоты на спиртовую вытяжку пигмента. При этом атом металла замещается водородом. Продукт реакции – феофитин – имеет бурый цвет, хотя, кроме отсутствия одного атома магния, ничем не отличается по структуре от молекул хлорофилла. Таким образом, получение феофитина служит доказательством того, что атом магния определяет зеленый цвет хлорофилла. Установить связь этого свойства пигмента с природой металлорганической связи можно, заместив в молекуле феофитина водород снова на металл, но не магний, а какой-либо другой. Полученное вещество (металлозамещенное хлорофилла) также окажется окрашенным. Замещённый хлорофилл долго сохраняет зеленую окраску и не окисляется на воздухе, поэтому хранить его легче. Методики, связанные с определением хлорофиллов в листьях, широко используются в различных исследованиях с растениями, в том числе и в декоративном и комнатном цветоводстве, где важное значение имеет именно декоративная окраска листьев, обусловленная разными соотношениями пигментов [1, 5, 23]. В исследованиях Т.А. Беловой, Л.А. Бабкиной [4] показано, что концентрация хлорофилла и соотношение разных форм хлорофилла, а также соотношение хлорофиллов и каротиноидов имеют ярко выраженную видовую специфику. Даже скорость изменения концентрации разных пигментов в связи с естественными онтогенетическими изменениями в процессе сезонной вегетации также существенно различается у разных древесных пород. Более быстрый темп потери хлорофиллов в осенний период наблюдается у березы, а каротиноидов – у ивы. Однако, прямой связи между сроками пожелтения, содержания хлорофилла и продолжительности жизни листьев пока не установлено [4].
В исследованиях Д.Н. Андреева [2, 3] на примере сосны показано, что по скорости флуоресценции хлорофилла в разных условиях произрастания можно судить о степени антропогенного воздействия на окружающую среду. Автором был предложен метод регистрации относительного показателя замедленной флуоресценции, который позволяет улавливать слабое свечение, испускаемое хлорофиллом в фотосинтезирующих клетках. Было доказано, что показатель быстрой флуоресценции практически не зависит от условий окружающей среды и не изменяется в разных по уровню загрязнения воздуха районах, в то время, как относительный показатель замедленной флуоресценции существенно колеблется, снижаясь почти в два раза в загрязненных районах. Этот метод может стать весьма полезным в технологиях определения загрязненности окружающей среды [2, 3].
В обзоре Е.В. Тютеревой с соавторами [16] проанализированы данные разных авторов о влиянии хлорофилла b на регуляцию развития растений. Размер и стабильность антенн фотосинтетического аппарата служат источником регуляторных сигналов, распространяющихся за пределы хлоропластов. Отсутствие у мутантов арабидопсиса и ячменя хлорофилла b вызывает снижение скорости роста и уменьшение размера листьев и биомассы растений. Оказывается, что недостаток хлорофилла b не только угнетает фотосинтетическую функцию, но и вызывает задержку цветения и преждевременный запуск программ онтогенетического и индуцированного старения [16].
Для ряда сельскохозяйственных культур свойства листьев, являющихся собственно хозяйственной частью урожая, изучение хлорофиллов позволяет получать новые формы растение, делать соответствующие отборы новых форм по накоплению тех или иных компонентов пластид. Одной из таких культур является чай, изучению хлорофилловых компонентов листьев которого посвящены исследования Н.М. Турманидзе и К.Г. Долидзе [15]. Установлено, что в разноцветных листьях чая содержание катехинов, танинов, других экстрактивных веществ неоднородно. Более высокое содержание этих соединений отмечается у листьев с темно-зеленым и антоциановым (темно-коричневым, светло-коричневым) цветом. Авторами установлено, что с возрастом у листьев возрастает содержание зеленых пигментов, a желтых – уменьшается. Самое высокое содержание хлорофилла а отмечено именно в сентябре. Соотношение хлорофиллов а и b (а/b) меняется в зависимости от возраста листа и сортового происхождения. Динамика содержания желтого пигмента – каротина характеризуется той же закономерностью, что и содержании хлорофилла а и b [15].
Если растение не освещается, то и хлорофилл из протохлорофилла тоже не образуется, а растения образуют этиолированные проростки, побеги и листья. Кроме того, переход растения к формированию активного хлорофилла зеленого цвета, то есть смеси хлорофилла а и хлорофилла b, требует и наличия некоторого количества магния и железа, без которых будет невозможен синтез этих замечательных пигментов [1, 5, 17].
Влияние недостатка света на растения.
По экологическому критерию растения по отношению к свету разделяются на светолюбивые (гелиофиты), теневые (сциофиты или гелиофобы) и теневыносливые (факультативные гелиофиты). Естественно, что недостаток освещенности будет по-разному влиять на эти экологические группы. Гелиофиты будут весьма уязвимы при нехватке освещения, а тенелюбы и теневыносливые растения лучше приспособлены к этому лимитирующему фактору. Сциофиты, растущие, как правило, под пологом леса и выдерживающие сильное затенение, характеризуются такими морфологическими особенностями, как вытянутые побеги, нежные тонкие листья с тонкой кутикулой [24].
Тенелюбивые растения имеют слабо развитую корневую систему, вытянутые междоузлия, крупные, тонкие и мягкие листовые пластинки со слабо дифференцированной столбчатой и губчатой паренхимой [27, 28].
Весьма важным вопрос недостатка освещения является при выращивании комнатных растений, поскольку при возделывании растений в открытом грунте, как в сельскохозяйственных посевах и посадках, так и в декоративных насаждениях проблем с освещенностью при соблюдении технологий возделывания не возникает. Именно комнатные растения часто страдают как от недостаточной интенсивности освещения, так и от сокращенной длины светового дня. В состоянии солнечного голодания у растений вытягивается стебель, молодые листья мельчают, меняют характерную форму (например, монстера), нижние листья сначала желтеют, затем отмирают. У пестролистных форм меняется окрашенность, задерживается цветение [41].
При недостатке освещенности у растений проявляются следующие признаки:
ряды листьев растут широко, с большими промежутками, сквозь побеги видна почва,
черешки листьев удлиняются, поворачиваются и изгибаются, чтобы получить свет,
листья разворачиваются веером, стебель оголяется, уменьшается яркость окраски листьев,
растение наклоняется в сторону источника света,
растения вытягиваются вверх, цветение задерживается или вообще отсутствует,
растения выглядят бледными и слабыми, нижние листья быстро отмирают [37].
У светолюбивых растений фотосинтезирующая деятельность листьев при недостатке освещения сильно снижается, а при отсутствии света, естественно, прекращается. Например, при проращивании посадочного материала картофеля в темноте клубни образуют бледные (этиолированные) вытянутые ростки, которые характеризуются хрупкостью и могут сильно страдать при посадке. При завышенных нормах посева зерновых также можно наблюдать нехватку освещения и, вследствие этого, полегание хлебов, сопровождающееся снижением урожая зерна, ухудшением его качества (образуется щуплое зерно) [28].
В декоративном садоводстве недостаточная освещенность приводит к потере декоративности листьев таких растений, как маранты, зебрины, калатеи, так как яркие полосы и пятна, характерные для их листьев, бледнеют и утрачивают контрастность. Комнатные кротоны, кордилины, драцены, эписции, ананас и каладиумы также теряют декоративную окраску при нехватке света. У многих комнатных растений (азалий, гардений, орхидей, олеандров, бальзаминов, фуксий, хризантем, колокольчиков) в таких условиях отсутствует цветение [27, 28].
Накопленный в процессе вегетации хлорофилл листьев при переносе в условия недостаточной освещенности может разрушаться, листья становятся этиолированными, растения сильно вытягиваются, теряют естественный цвет и искривляются [39].
Весьма сильно страдают от хронического недостатка света суккуленты, которые утрачивают свою декоративность, не развиваются и со временем погибают. Пустынные кактусы, конофитумы и литопсы требуют весьма сильное освещение, ведь это жители пустынь и полупустынь [27].
По результатам исследований А.А. Иващенко [7] растения сахарной свеклы и разных видов сорняков при дефиците света снижают биологическую продуктивность, а поскольку сахарная свекла наиболее активно поглощает энергию света только в первые 40-50 дней вегетации, то в этот период особенно губительно влияет на будущую урожайность засорение посевов, которое приводит к затенению культурных растений. Сорняки-гелиофиты (щирица обыкновенная, просо куриное, паслен черный) реагируют на дефицит освещенности, снижая свою продуктивность при уменьшении освещенности на 40-60% от полного потока. Теневыносливые растения (умбриопатиенты) (звездчатка средняя, чистотел лекарственный) менее восприимчивы к недостатку света и снижают свою продуктивность при уменьшении интенсивности освещения на 60-80% от полного потока [7]

.
В работе А.А. Даньшина и О.Г. Белоуса [6] по изучению сенполий было показано, что при недостаточном освещении сенполии компенсируют этот недостаток, формируя большее количество листьев, а также активируют поворотные движения листьев для улавливания большего количества солнечных лучей. Однако в таких условиях цветение у сенполий отсутствует, что показывает необходимость обеспечения этим растениям дополнительной подсветки для получения декоративного эффекта [6].
Влияние избытка света на растения.
Избыточность освещения также не благоприятствует росту и развитию растений, особенно тенелюбивых. Сильный солнечный свет вызывает активное испарение и приводит к водному дефициту растений, поскольку корневая система поглощает воду с меньшей интенсивностью. Устьица при этом закрываются, что приводит к снижению интенсивности фотосинтеза. Молекулы хлорофилла в листьях при сильном освещении разрушаются, цвет пластид изменяется до светло-зеленого. Тенелюбивые растения страдают от ожогов, листья светрываются и засыхают, что особенно ярко проявляется при вырубке лесов. Однако, светолюбивые растения, такие, как сосна, береза, лиственница, нуждаются в высокой интенсивности освещения [28].
При избытке освещения листья становятся желто-зелеными, хлорофилл частично разпадается. Рост растений замедляется, междоузлия укорачиваются. При длительном воздействии избытка света наблюдаются «солнечные ожоги», особенно при орошении, когда капли воды служат своеобразными линзами для вредоносного преломления солнечных лучей [29].
При выращивании декоративных растений необходимо учитывать тенелюбие таких растений. Как папоротники, ландыш, горянка, сердечник, живучка, которые при попадании на листья прямых солнечных лучей страдают от ожогов и формируют коричневые пятна на поверхности листвы [39].
Длительным периодом освещенности характеризуются северные территории, особенно за Полярным кругом, где спектральный состав солнечного света характеризуется преимущественно красным и дально красным диапазоном. За счет этого происходит расширение спектра поглощения и возрастание объема поглощенной световой энергии. Северные растения могут также поглощать до 80% желто-зеленых лучей, что позволяет им фотоадаптироваться [14].
Даже светолюбивые растения могут повреждаться при резком увеличении уровня освещенности. Особенно сильно могут страдать комнатные растения при быстрой смене характера освещенности, поэтому перемещение растений должно носить постепенный характер [27].
Значительное количество луговых и лесных растений являются сциогелиофитами (теневыносливыми), то есть предпочитают высокий уровень освещенности, но при этом способны выносить и некоторое затенение [28].
Характерными последствиями избытка солнечного света является изменение цвета листьев, которые становятся бронзово-желтыми, а растения формируют коренастый побег с короткими междоузлиями. Избыточная солнечная радиация приводит также к перегреву корневой системы, поэтому смело можно говорить о температурном стрессе растений в таких условиях [41].
При избытке освещенности у растений проявляются следующие признаки:
растение ослаблено, листья бледные и могут чернеть,
листья покрываются желтыми пятнами, точечными или обширными,
макушка побега становится уплотненной, жесткой, на листьях появляются ожоги, растение замедляет рост,
листья станосятся хрупкими и закручиваются,
черешки листьев становятся короткими и изгибаются,
растение отклоняется от источника света [37].
Стресс у растений.
Общая характеристика стрессового состояния у растений

Впервые термин «стресс» был предложен Г. Селье в 1936 году для отражения реакции организма на неблагоприятное воздействие. Это явление характерно для любого живого организма. Стресс определяется в настоящее время как любой фактор окружающей среды, способный индуцировать потенциально вредное напряжение у живых организмов.
Стресс растений или фитостресс, определенный А.Г. Генкелем в 1982 году, используется в двух аспектах: служит синонимом термину «воздействие» при высоких концентрациях того или иного фактора, либо отражает комплекс ответных специфических и неспецифических изменений при обсуждении таких разновидностей стресса, как водный, солевой или окислительный. Высшие растения способны осуществлять активную адаптация к неблагоприятным факторам среды за счет ряда морфолого-анатомических и физиологических приспособлений. Саморегуляция и самовоспроизведение позволяют растению противостоять стрессовым воздействиям и тщательно изучаются современной наукой, поскольку понимание этих процессов даст возможность создавать новые формы растений, устойчивые к засухе, засолению, повышенной или пониженной температурам и другим неблагоприятным факторам [12].
Поскольку у растений отсутствует нервная система, применение к ним теории стресса носит специфический характер и отражается в следующих особенностях:
увеличении проницаемости мембран в первой фазе стресса (первой фазе триады Селье, представленной на рисунке 1), что приводит к обратимому выходу ионов калия из клетки и проникновению ионов кальция из вакуоли, ЭПР, митохондрий, что приводит к деполяризации мембран. Увеличение проницаемости мембран приводит к закислению цитоплазмы, что способствует активации гидролаз, в результате чего усиливается распад полимерных соединений. Синтез белка, транскрипция и репликация тормозятся, вязкость цитоплазмы увеличивается, активируются свободнорадикальные процессы. Преобладают процессы катаболизма, накапливаются продукты распада;
во второй фазе триады Селье – фазе адаптации – растения снижают активность гидролитических и катаболитический реакций. Усиливается синтез веществ, особенно таких, которые носят защитный характер, например, пролина, фитоалексинов. Клетка удерживает больше воды, что позволяет избежать денатурации белков. Повышается жизнеспособность растений в стрессовых условиях (засуха, засоление, высокая температура). Деятельность мембран стабилизируется. Активизируются компенсаторные шунтовые механизмы, например, усиливается пентозофосфатный цикл;
В период третьей фазы триады Селье – фазы истощения – у растений доминируют неспецифические реакции: разрушение клеточных структур, деструкция ядра, распад гран в хлоропластах и крист в митохондриях, появляются дополнительные вакуоли для обезвреживания токсинов.
По мнению некоторых исследователей, для растений триада Селье может быть дополнена четвертой фазой – фазой регенерации, которая может наступать у растений при удалении стрессового фактора [12].

Рис.1. «Триада» Селье:  I – фаза тревоги; II – фаза адаптации; III – фаза истощения [40].


2.2. Окислительный стресс у растений.
В условиях, обуславливающих формирование активных форм кислорода (АФК), у растений возникает окислительный стресс. К АФК относят анион-радикал кислорода, перекись водорода, гидроперекисный радикал, синглетный кислород и озон. При высокой концентрации АФК в клетке биомолекулы повреждаются и растения могут погибнуть. Окислительный стресс возникает в растениях при воздействии любых неблагоприятных абиотических и неабиотических факторов. В сельском хозяйстве особенно значимое действие на проявление окислительного стресса оказывают газы, загрязняющие атмосферу, минеральное голодание, использование гербицидов, болезнетворные патогены. Принципиально важную роль в преодолении окислительного стресса играют антиоксидантные системы, которые снижают внутриклеточные концентрации активных форм кислорода, а также системы, нивелирующие действие токсических продуктов взаимодействия АФК с биополимерами. АФК необходимы для жизнедеятельности, поскольку они регулируют развитие и рост живых организмов, принимают участие в защитных реакциях на воздействие стрессоров, в заживлении повреждений. Изучение антиоксидантов позволило сформировать отдельный раздел биологии – редокс-биологию, как науку о редокс-превращениях в живых организмах [1, 5, 17, 22].
В состоянии стресса у растений образуются специфические сахара, полиамины, беатины, токсины, возрастает количество абсцизовой кислоты, которую даже называют гормоном стресса, этилена, жасминовой кислоты, увеличивается количество гормонов, вызывающих торможение роста и стимулирующих процесс перехода растения в состояние покоя [41].
Активные формы кислорода вызывают модификацию нуклеиновых молекул, при этом особенно страдают молекулы ДНК. Особенно существенное действие оказывает гидроксильный радикал, который образует огромное количество производных форм с основаниями ДНК. Синглетный кислород атакует гуанин, а пероксид не оказывает на ДНК воздействия. Из тимина при воздействии активных форм кислорода может образовываться CH2ООН-урацил, из гуанина образуется гидроксигуанин, который вызывает нарушение ферментативного процесса метилирования цитозиновых оснований. В результате происходит разрыв цепей ДНК и изменение структуры хромосом. При повреждении белков активными формами кислорода происходит нарушение их третичной структуры, результатом чего является денатурация и агрегация этих молекул с потерей их функциональной активности [12].
Радикалы кислорода и продукты их превращений помимо негативного воздействия на растения при низких концентрациях участвуют в нормальном метаболизме растительной клетки, выполняют роль ключевых сигральных молекул, активируют транскрипционные факторы. Под контролем антиоксидантной системы активные формы кислорода выполняют свою биологическую функцию и необходимы растению. Формирование АФК на клеточной поверхности представляет собой ранний ответ на стрессовое воздействие любого фактора и обеспечивает баланс между образованием активных форм кислорода и антиоксидантными веществами. АФК в такой ситуации представляет собой сигнальную систему, которая служит активизации растительной клетки в реакции на влияние стрессора (рис. 2) [43].


Рис.2. Образование АФК и действие антиоксидантной системы [43].

В результате окислительного стресса в растении достигается активация процессов, включающих механизмы толерантности, избегания и детоксикации. Пострадавшие от стресса компартменты клетки утрачивают свои регуляторные функции, липиды и аминогруппы белков превращаются в альлдегиды и липофусцины, что способствует некротизации клеток [43].
В антиоксидантной системе выделяют следующие группы антиоксидантов:
вещества, которые ответственны за структурную организацию липидов и влияют на скорость формирования высокомолекулярной цепи,
соединения, регулирующие обмен липидов мембран путем изменения состава незаменимых жирных кислот,
ферменты, которые подразделяются на ответственные за образование и гибель свободных радикалов и активных форм кислорода, и участвующие в нерадикальном разложении пероксидов,
низкомолекулярные регуляторы (аскорбат, цистеин, глутатион и др.).
По механизму воздействия антиоксиданты разделяют на три группы:
вещества «мусорщики», которые очищают организм от свободных радикалов,
антиоксиданты «ловушки», которые имеют сродство к определенному свободному радикалу,
антиоксиданты, которые обрывают цепи. В этой роли часто выступают фенольные соединения.
Низкомолекулярные антиоксиданты составляют первую линию защиты от активных форм кислорода, отдавая свой атом водорода и превращая свободные радикалы в стабильные молекулы [11].
Окислительный стресс при одних и тех же температурах у холодостойких растений в отличие от теплолюбивых выражен слабее. В экспериментах М.С. Синькевича [13] показано, что у холодостойкой культуры – картофеля – в условиях окислительного стресса активизируются низкомолекулярные вещества на фоне стабилизации активности супероксиддисмутазы. Такими веществами могут быть и растворимые углеводы, участвующие в перехвате АФК [13].
На рисунке 3 представлена схема, описывающая процессы повреждения растений при действии озона.

Рис. 3. Схема, описывающая процессы повреждения растений, включения программы антиоксидантной защиты и участие этилена в передаче сигнала при действии озона [1].
Субклеточная локализация активных форм кислорода в условиях стресса, вызванного абиотическими факторами представлена на рисунке 4. Абиотические стрессы провоцируют в клеточных компартментах образование активных форм кислорода, а после повышения их уровня в клетке происходит активация сигнальных путей, обеспечивающих стимуляцию транскрипции соответствующих генов и усиление антиоксидантной защиты.

Рис. 4. Активные формы кислорода и абиотический стресс по Полесской [19].
Реакция антиоксидантной системы на одинаковый стресс определяется видом растений, степенью и продолжительностью действия стрессового фактора, исходным уровнем антиоксидантной активности, возрастом растений и условий их выращивания [19].
В растительной клетке описано два механизма обезвреживания активных форм кислорода:
ферментативный, представленный работой ферментных систем, обезвреживающих активные формы кислорода.
неферментативный, включающий низкомолекулярные антиоксиданты [26].
2.3. Ферментативные антиоксиданты.
Ферментативные антиоксиданты характеризуются высокой специфичностью действия, направленной против определенных активных форм кислорода, специфичностью клеточной и органоидной локализацией, использованием в качестве катализаторов металлов (Сu, Zn, Мn, Fе) [26].
К ферментативным антиоксидантам в растениях относят такие ферменты, как каталаза, пероксидаза, супероксиддисмутаза, глутатионредуктаза.
Каталазы являются весьма распространенной группой ферментов, которые встречаются как в растениях, так и у аэробных микроорганизмов, а также у ряда факультативных анаэробов. Каталаза представляет собой двухкомпонентный Fe-порфириновый фермент, который состоит из белка и активной груммы, содержащий гематин (рис. 5). Активная группа каталазы с помощью карбоксильных групп соединяется с белком. Изучено в настоящее время 5 изоферментов каталаз, у которых имеются некоторые различия в составе белка. Катализируемая этим ферментом реакция состоит в разложении перекиси водорода с выделением О2.
Процесс идет в три стадии:
2 Н2О2 → 2 Н2О,
FeOH + HOOH → FeOOH + H2O,
FeOOH + HOOH → FeOH + H2O + O2.
В клетке поставщиками перекиси водорода являются флавопротеидные ферменты, при этом действие перекиси водорода для клетки токсично, поэтому роль каталазы весьма важна. Аналогичную функцию выполняет и фермент пероксидаза, но каталаза выполняет свою функцию независимо от присутствия пероксидазы. Механизм каталазной реакции представляет собой следующий процесс: гидроксил гематина взаимодействует с перекисью водорода, образуя перекисный комплекс, затем этот комплекс взаимодействует с еще одной молекулой Н2О2 при этом восстанавливается гидроксил и образуются Н2О и О2. Биологическая роль каталазы связана с цитохромной системой, что приводит в митохондриях к повышенной активности синтеза АТФ при незначительном повышении уровня поглощения кислорода. Таким образом установлено, что каталаза участвует в сопряженном окислительном фосфорилировании, проходящем в митохондриях. Скорость ферментативной реакции с участием каталазы соответствует 44000 молекул Н2О2 в секунду. Место синтеза и концентрации каталазы в клетке – пероксисомы и глиоксисомы, но встречаются они также в митохондриях и хлоропластах. Снижают активность каталазы цианиды, азиды, сульфиды, способные блокировать железо в гематиновой группе, а также избыток метионина, тирозина, цистина, меди и цинка [12, 26, 43].
125349020574000


Рис. 5. Молекула каталазы [43].

Пероксидазы представляют собой группу ферментов, которые используют Н2О2в качестве окислителя. К этой группе относятся НАДН-пероксидаза,
НАДФН-пероксидаза, глутатион-пероксидаза, гваякол-пероксидаза, аскорбат-
пероксидаза и др. Структура пероксидазы – гематина С34Н32О4N4Fе(III)ОН (низкомолекулярного кофермента, содержащего железо) и апофермента (белковой частицы, составляющей основную часть фермента) (рис. 6). В белковой стркутуре отсутствуют аминокислоты триптофан и оксипролин.
Эта группа ферментов восстанавливает перекись водорода до воды, при этом могут окисляться различные соединения, например, гидрохинон окисляется до хинона.
2ХН + Н2О2 → 2Х + 2Н2О;
2ХН + ROOH → 2X + Н2О + ROH,
где ХН – восстановленный субстрат, Х – окисленный субстрат.

1509395889000



Рис. 6. Молекула пероксидазы [43].

Пероксидазы встречаются во всех клеточных компартментах, в том числе и в клеточной стенке. Пероксидаза катализирует окисление перекисью водорода или молекулярным кислородом тирозина, анилина, ароматических аминов, бензидина, триптофана, индола, фенолов, ароматических кислот, индолилуксусной кислоты, таких соединений, как ферроцитохром С, НАДФ*Н+Н+, аскорбинат, нитраты, но, в отличие от каталазы, не окисляет перекись и этиловый спирт. Наряду с перекисью водорода источником активного кислорода в реакциях с пероксидазой могут служить и органические перекиси.
Наиболее распространенными субстратами для действия пероксидаз в растительных тканях являются полифенолы в свободном состоянии или в форме различных сложных соединений (гликозиды, дубильные вещества) и ароматические амины. Доказано участие пероксидазы в окислительно-восстановительных реакциях в процессах дыхания, фотосинтеза, в восстановлении нитритов и нитратов, в биосинтезе ауксина и этилена. Подавляют пероксидазу вещества, способные разрывать связи в гемпротеиновом комплексе. Антиоксидантную защиту осуществляют такие разновидности пероксидаз, как глутатионпероксидаза и аскорбат пероксидаза [12, 26, 43].
Аскорбатоксидаза чаще всего локализуется в хлоропластах, выполняя функцию утилизации перекиси водорода, поскольку каталаза в этих органоидах не обнаружена. В результате аскорбатпероксидазной реакции образуется монодегидроаскорбат-ридикал (МДГАск), который восстанавливается до аскорбата (Аск) стромальной монодегидроаскорбатредуктазой:
Н2О2 + 2Аск → 2МДГАск + 2Н2О
2МДГАск + НАД(Ф)*Н+Н+ → 2Аск + НАД(Ф)+
Тилакоидная монодегидроаскорбатредуктаза проводит эту реакцию с помощью ферредоксина, а не НАД(Ф)*Н. При диспропорционировании монодегидроаскорбат-радикала возникает относительно стабильный продукт дегидроаскорбат (ДГАск), который переводится в аскорбиновую кислоту с участием фермента дегидроаскорбатредуктазы, при этом происходит окисление восстановленного глутатиона (ГSН) с образованием соответствующего дитиола (ГSSГ):
2ГSН + ДГАск → Аск + ГSSГ
Глутатионпероксидаза – селенсодержащий фермент, который встречается в цитоплазме, плазмалемме и в матриксе митохондрий. Основная функция этого антиоксиданта - утилизация как органических, так и неорганических пероксидов свободных жирных кислот, нуклеиновых кислот, белков, нуклеотидов:
2ГSН + Н2О2  → ГSSГ + Н2О
2ГSН + RООН → 4ГSSГ + RОН + Н2О
Значение глутатионредуктазы заключается в сопряжении детоксикации пероксида с промежуточным редокс-метаболизмом при использовании НАДФ*Н, восстанавливая окисленный глутатион:
ГSSГ + НАДФ*Н+Н+ → 2ГSН + НАДФ+
Эта реакция уменьшает или даже предупреждает окислительный распад белков и нуклеиновых соединений.
Весьма интересной является система детоксикации Н2О2 в хлоропластах растений в связи с тем, что они являются центрами наиболее интенсивной генерации АФК при отсутствии каталазы. У растений аскорбат-глутатионовый цикл работает не только в хлоропластах, но также в цитозоле, пероксисомах и митохондриях. В цитозоле лимитирующий фермент цикла – глутатионредуктаза – связывает пентозофосфатный путь, генерирующий НАДФ*Н, с образованием ГSН.
Гваяколпероксидазы катализируют с использованием в качестве акцепторов электронов пероксида водорода или органических пероксидов окисление большого набора ароматических соединений. При защите растительной клетки от окислительного стресса гваякалпероксидазы участвуют в процессах лигнификации, распада ауксина и других веществ. Комплекс гваяколпероксидаза-фенолы-аскорбиновая кислота может функционировать в вакуолях или клеточной стенке, не имеющих аскорбатпероксидаз, но содержащих в достаточно высоких концентрациях аскорбиновую кислоту и фенолы. При этом фенолы окисляются гваяколпероксидазой, а затем восстанавливаются аскорбиновой кислотой, что вызывает детоксикацию продуктов окисления фенолов [26, 43].
Супероксиддисмутаза (СОД) является широкораспространным в природе ферментом, характерным для всех аэробов и ряда анаэробов. Основная реакция, катализируемая супероксиддисмутазой – это реакция восстановления супероксидрадикала до перекиси водорода