Общий рост растений и особенности роста клеток

Рост и развитие— неотъемлемые свойства любого живого организма. Это инте­гральные процессы. Растительный организм поглощает воду и питательные вещества, аккумулирует энергию, в нем происходят многочисленные реакции обмена веществ, в результате чего он растет и развивается. Процессы роста и развития тесно взаимосвязаны, так как обычно организм и растет, и развива­ется. Однако темпы роста и развития могут быть разными, быстрый рост может сопровождаться медленным развитием или быстрое развитие медленным рос­том. Так, например, растение хризантемы в начале лета (длинный день) быстро растет, но не зацветает, следовательно, развивается медленно. Подобное проис­ходит с высеянными весной озимыми растениями: они быстро растут, но не пе­реходят к репродукции. Из этих примеров видно, что критерии, определяющие темпы роста и развития, различны. Критерием темпов развития служит переход растений к воспроизведению, к репродукции. Для цветковых растений это за­кладка цветочных почек, цветение. Критерии темпов роста обычно определяют скоростью нарастания массы, объема, размеров растения. Сказанное подчерки­вает нетождественность этих понятий и позволяет рассмотреть процессы роста и развития последовательно.

Существует много определений роста, однако ни одно из них полностью не мо­жет считаться удовлетворительным. Прежде всего рост — это необратимое уве­личение размеров, объема, массы организма. Однако ДА. Сабинин справедли­во указывал, что это определение неполно и неточно. Дело в том, что у растений увеличение в процессе роста уже имеющихся органов все время сопровождается образованием новых органов (листьев, побегов). Иначе говоря, рост растений включает формообразовательные процессы. При этом вновь появляющиеся по­беги, листья качественно отличаются друг от друга. Таким образом, рост расте­ний нельзя рассматривать как чисто количественный процесс. Сказанное по­зволяет дать следующее определение этого процесса.

Рост— это необратимое увеличение объема, массы растений, сопровождаемое новообразованием эле­ментов структуры организма. Под элементами структуры понимают органы, ткани, клетки, а также отдельные клеточные органеллы. В отличие от животных организмов растения в течение всей жизни растут и образуют новые клетки, хо­тя обычно с некоторыми перерывами (период покоя).

Из приведенного определения роста видно, что дать общий критерий, кото­рый бы позволил определить темпы этого процесса, очень трудно. В качестве критериев можно брать: 1) высоту и толщину (для стебля); 2) площадь (для листь­ев и стеблей); 3) массу (сырую и сухую); 4) число клеток; 5) содержание белка; 6) содержание ДНК и др. Однако ни один из этих показателей не дает полной картины процесса роста. Нередко в зависимости от выбранного критерия мы по­лучаем различные, а иногда и прямо противоположные результаты. Дело в том, что разные органы растения растут с различной скоростью. Не всегда увеличение высоты растения сопровождается увеличением массы, и изменение сырой массы не всегда аналогично изменению сухой. Нередки случаи, когда параметры роста изменяются прямо противоположным образом. Так, например, при прорастании семян в темноте увеличивается объем, но сухая масса уменьшается. Этиолиро­ванные проростки интенсивно растут в длину, но масса их не увеличивается. В покоящихся растениях идет скрытый рост, который выражается в новообразо­вании элементов структуры и может не сопровождаться увеличением массы и даже объема. В силу сказанного, говоря о росте, необходимо уточнять, что именно име­ется в виду — увеличение длины или массы, числа клеток или их размеров.

В основе роста многоклеточных организмов лежит увеличение числа и размеров клеток, сопровождаемое их дифференциацией, т. е. возникновением и накоп­лением различий между клетками, образовавшимися в результате деления.

Еще со времени Ю. Сакса рост клеток принято делить на три фазы: эмб­риональную, растяжения, дифференцировки. Такое разделение носит условный характер. За последнее время внесены изменения в само понимание основных особенностей, характеризующих эти фазы роста. Если прежде счи­талось, что процесс деления клетки происходит лишь в эмбриональную фазу роста, то сейчас показано, что клетки могут иногда делиться и в фазу растяже­ния. Важно, что дифференцировка отнюдь не является особенностью только третьей, последней фазы роста. Дифференцировка клеток, в смысле появления и накопления внутренних физиологических различий между ними, проходит на протяжении всех трех фаз и является важной особенностью роста клеток. В треть­ей фазе эти внутренние физиологические различия лишь получают внешнее мор­фологическое выражение. Все же ряд существенных отличий между фазами роста имеется, и физиологи продолжают рассматривать их отдельно.

Эмбриональная фаза.Клетка возникает в результате деления другой эмбрио­нальной клетки. Затем она несколько увеличивается, главным образом за счет увеличения веществ цитоплазмы, достигает размеров материнской клетки и сно­ва делится. Таким образом, эмбриональная фаза делится на два периода: период между делениями—интерфаза продолжительностью 15—20 ч и собственно де­ление клетки — 2—3 ч. Время это колеблется в зависимости от вида растений и условий (температуры).

Структура клетки в интерфазе имеет ряд особенностей: густая цитоплазма с хорошо развитой эндоплазматической сетью, каналы которой узкие, с малым количеством расширений (цистерн); мелкие вакуоли; большое количество рибо­сом, многие из которых свободно располагаются в цитоплазме и не прикрепле­ны к мембранам эндоплазматической сети; митохондрий много, но они еще не достигли окончательного размера, с малоразвитыми кристами и густым мат-риксом. Имеются промитохондрии и пропластиды, деление которых можно наблюдать. Ядро относительно небольшого размера, с крупным ядрышком. Нуклеоплазма — гомогенная, мелкозернистая. Хроматин в виде нитей и глыбок. Пер­вичная клеточная оболочка тонкая, пронизана плазмодесмами.

В период между делениями в клетке идут интенсивные процессы обмена ве­ществ — активный синтез, высокая интенсивность дыхания, сопровождаемая образованием АТФ. Именно в этот период в ядре клетки происходит удвоение ДНК. Интерфаза, в свою очередь, делится на три периода: 1) предсинтетический (g₁, длительность 3—8 ч;
2) синтетический (S) — 10—11 ч; 3) постсин­тетический (g₂), — 4—5 ч. Переход из одного периода в другой регулируется ферментом циклинзависимой протеинкиназой. Большую роль в этом процессе играет белок циклин. При переходе от g_l → S, g₂ → митоз происходит последова­тельное фосфорилирование и дефосфорилирование протеинкиназы, а также ее циклическое связывание с циклином и освобождение от него. В культуре тка­ней показано, что влияние фитогормонов на клеточный цикл осуществляется благодаря тому, что ауксин стимулирует синтез протеинкиназ, а цитокинин — циклина.

В предсинтетический (g₁) период ядро соматической клетки имеет опреде­ленное количество ДНК, характерное для данного вида организма. В этот пе­риод подготавливаются условия для репликации ДНК, происходит усиленный синтез РНК и соответствующих белков, в том числе белков-ферментов, участ­вующих в репликации. Сам процесс репликации начинается в синтетический период. Как известно, репликация ДНК — чрезвычайно сложный процесс, в котором участвует комплекс ферментов. Синтез РНК в период S, по-видимо­му, сокращается. Однако синтез белка продолжает идти, в частности образуются белки-гистоны. В постсинтетический период (перед переходом к митозу) в ядре уже находится четверное (соответствующее тетраплоидному) количество ДНК (материнские и дочерние молекулы), репликация ДНК прекращается, однако идет синтез РНК. Кроме того, происходит так называемый процессинг, при ко­тором происходит превращение предшественника РНК (про-мРНК) в мат­ричную РНК (мРНК). Репликация митохондриальной и пластидной ДНК происходит на протяжении всей интерфазы. Если процесс самовоспроизведения ДНК по какой-либо причине приостановлен, деление клетки не происходит. Таким образом, основные синтетические и энергетические процессы в клетке происходят именно в период между делениями.

Существует несколько гипотез, объясняющих переход клетки к делению. Наи­более распространена гипотеза, согласно которой в меристематической клетке должно быть определенное соотношение между размерами ядра и цитоплазмы (ядерно-плазменное отношение). Когда это отношение ниже определенного уров­ня, ядро как бы уже не может управлять возросшей массой цитоплазмы и клетка переходит к делению. Перед делением происходят заметные изменения в энер­гетическом состоянии клетки. Во время интерфазы клетка характеризуется очень высоким энергетическим потенциалом — отношением АТФ к АМФ. При пере­ходе к митозу благодаря глубокой структурной перестройке наступает как бы энергетическая разрядка и частично энергия выделяется в виде коротковолно­вого излучения (А.Г. Гурвич, В.Н. Жолкевич). В период деления интенсивность процессов обмена, в том числе и дыхания, падает.

Делению клетки предшествует деление ядра. Первым признаком перехода ядра к делению является увеличение его объема. Это связано с возрастанием содержания воды и разжижением нуклеоплазмы. В ядре становятся видимыми извитые нити, сначала имеющие вид клубка. Постепенно нити утолщаются и укорачиваются. Выявляются хромосомы, каждая из которых состоит из двух хроматид. Вокруг ядра появляется светлая зона. Органеллы сосредоточиваются на периферии клетки. В конце этой первой фазы митоза (профазы) оболочка ядра разрывается и остается в клетке в виде отдельных фрагментов, ядрышко исчезает. В следующей фазе митоза (метафазе) хромосомы окончательно обо­собляются и перемещаются в экваториальную область клетки. В анафазе сестрин­ские хромосомы расходятся к полюсам клетки. На следующем этапе (телофаза) образуются два ядра. Около каждого ядра формируется ядерная оболочка, появляется ядрышко. Хромосомы постепенно деспирализуются и переходят в нитевидную форму. Каждое ядро дочерней клетки получает ровно такое же число хромосом и такое же количество ДНК, как и материнская. Во время ми­тоза движение цитоплазмы прекращается, митохондрии и пластиды распреде­ляются примерно поровну между дочерними клетками.

На конечной фазе митоза, когда образовались два ядра, начинается собст­венно деление клетки (цитокинез). В экваториальной области клетки формиру­ется клеточная стенка. В начале этого процесса происходит скопление микро­трубочек. В плоскости, перпендикулярной делению, образуется так называемый фрагмопласт. Затем от аппарата Гольджи и частично от эндоплазматической сети отделяются пузырьки (везикулы). Эти везикулы содержат галактуроновую кисло­ту, из которой образуются пектиновые вещества. Передвижение везикул, отде­ляющихся от аппарата Гольджи, осуществляется, по-видимому, также с помощью микротрубочек, которые ориентированы перпендикулярно и тянутся от полюсов делящихся клеток. Везикулы, отделяющиеся от аппарата Гольджи, сливаются и образуют разделительную (клеточную) пластинку, которая имеет форму диска. Удлиняясь, она смыкается с продольными оболочками клетки. Клеточ­ная пластинка состоит в основном из пектиновых веществ. С двух сторон к ней прилегает мембрана (плазмалемма), образовавшаяся из мембран везикул аппа­рата Гольджи. Далее с обеих сторон клеточной пластинки на наружной поверх­ности плазмалеммы образуются микрофибриллы целлюлозы. В результате в каж­дой из дочерних клеток возникает первичная клеточная оболочка. Клеточная пластинка сохраняется в виде так называемой срединной или межклеточной пла­стинки. Обычно она очень тонкая. Таким образом, между двумя дочерними клет­ками возникает трехслойное образование — с двух сторон первичная клеточная оболочка, а в середине межклеточная пластинка. Первичная клеточная оболочка состоит из переплетенных микро- и макрофибрилл целлюлозы (около 30%) и сильно гидратированного матрикса — пектиновых веществ, гемицеллюлоз, белка экстенсина.

Таким образом, в первой фазе роста некоторое увеличение объема клетки про­исходит за счет деления и возрастания массы цитоплазмы. Одновременно идет формирование структурных компонентов клетки. Следовательно, рост уже в этой фазе сопровождается формообразовательными процессами. Образовавшаяся в результате деления клетка вновь увеличивается в объеме и снова делится. После того как клетка разделится 3—5 раз, она переходит во вторую фазу роста. Ис­ключение составляют лишь инициальные клетки, которые продолжают делиться в течение всего периода роста растительного организма.

Фаза растяжения.Переход к фазе растяжения сопровождается значительны­ми структурными и физиологическими изменениями. Цитоплазма становится менее вязкой, более оводненной. Каналы эндоплазматической сети расширя­ются, в ряде мест они переходят в цистерны. Мембраны этой сети становятся шероховатыми, поскольку к ним прикрепляются рибосомы. Система внутрен­них мембран митохондрий (крист) получает полное развитие. Рост митохонд-риальных мембран происходит путем добавления новых компонентов. При этом белки и липиды синтезируются и включаются в мембраны координировано. На­блюдается увеличение контакта между митохондриями и эндоплазматической сетью, что облегчает снабжение энергией прикрепленных к ним рибосом. Ядро принимает неправильную форму, что увеличивает поверхность его соприкосно­вения с цитоплазмой. Размер ядрышка уменьшается. Мелкие вакуоли сливают­ся, и образуется одна центральная вакуоль. Увеличению объема вакуолей спо­собствуют и присоединяющиеся к ним пузырьки, отделяющиеся от аппарата Гольджи. Доказано, что тонопласт образует инвагинации, благодаря чему в ваку­оль попадают различные вещества цитоплазмы. Некоторые вещества и ферменты попадают в вакуоль с пузырьками, отделяющимися от аппарата Гольджи.

В вакуолях накапливаются гидролитические ферменты, что способствует раз­ложению различных органических веществ. В результате накопления фермен­тов, катализирующих распад крахмала, его содержание уменьшается и одно­временно в вакуоли увеличивается количество Сахаров. Вместе с тем возрастает содержание аминокислот. Таким образом, в вакуоле заметно повышается содер­жание осмотически активных веществ. Относительное содержание цитоплаз­мы на единицу массы клетки падает, однако абсолютное ее содержание на клетку растет.

Возрастает скорость синтеза белка, в клетке усиливаются все процессы мета­болизма. Увеличение синтеза отдельных белков-ферментов происходит нерав­номерно. В результате меняется их соотношение, при этом в растягивающихся клетках разных органов это соотношение меняется по-разному, что и приводит к различным биохимическим и физиологическим особенностям (дифференциация). Высказывается предположение, что в фазу растяжения, по сравнению с фазой деления, не столько дерепрессируется работа новых генов, сколько в резкой сте­пени активируется деятельность генов, уже разрешенных (Э.Е. Хавкин).

При переходе к фазе растяжения заметно возрастает активность ферментов гликолиза и цикла Кребса. Увеличивается активность цитохромоксидазы. Ин­тенсивность дыхания в расчете на клетку резко возрастает, меняется и качест­венная сторона дыхания. Повышается пропускная способность пентозофосфатного пути. В меристематических клетках скорость синтеза мРНК. Обгоняет синтез белка. В фазе растяжения, напротив, белок образуется в большем количе­стве по сравнению с РНК. Можно полагать, что в фазе растяжения синтез белка идет частично за счет прообразованных мРНК. Это подтверждается тем, что в меристематических клетках большая часть мРНК сосредоточена в ядре. В фазе растяжения количество мРНК в ядре уменьшается, а в цитоплазме растет.

В результате изменения соотношения, а в определенной степени и набора ферментов в клетках в фазу растяжения меняются пути обмена веществ. В деля­щихся клетках мало протеолитических ферментов, в связи с этим распад белка заторможен. При переходе к растяжению активность протеолитических фермен­тов резко повышается, что способствует быстрому обновлению белков. Важно отметить также, что в меристематических клетках больше высокомолекулярных веществ по сравнению с низкомолекулярными (в расчете на клетку). В связи с этим у них не хватает субстратов и их метаболизм во многом зависит от соседних клеток. При переходе к растяжению возрастает количество низкомолекулярных веществ как в цитоплазме (активный фонд), так и в вакуоли, где они запасаются и при необходимости используются.

Наиболее характерным процессом для фазы растяжения является значитель­ное увеличение объема клетки. Скорость роста (в смысле увеличения объема) в эту фазу роста чрезвычайно велика. В течение всей фазы объем клетки воз­растает в 20—50 и даже 100 раз. Это необратимое увеличение объема, идущее, главным образом, за счет усиленного поступления воды. Как известно, вода поступает в сторону меньшего (более отрицательного) водного потенциала. Вод­ный потенциал — это мера активности воды, показывающая, во сколько раз ак­тивность (активность — это производное концентрации) воды в клетке меньше активности чистой воды. Водный потенциал Ψ_В клетки зависит от отрицательного осмотического потенциала и потенциала давления, который положителен: Ψв ⁼ Ψосм ⁺ Ψдавл. Вода поступает в сторону меньшего, более отрица­тельного водного потенциала. Частично уменьшение водного потенциала и, как следствие, возрастание поступления воды может идти за счет возрастания кон­центрации осмотически действующих веществ. Как уже упоминалось, этому спо­собствует усиление активности гидролитических ферментов в вакуолярном соке. Однако поступление воды идет значительно более интенсивно, чем это может быть объяснено исходя из изменения осмотической концентрации. Основной причиной является, по-видимому, уменьшение противодавления клеточной обо­лочки (потенциала давления) или ее рост. Как уже рассматривалось, первичная клеточная оболочка построена таким образом, что, с одной стороны, она может противостоять гидростатическому давлению, развивающемуся внутри клетки, а с другой — способна к растяжению эластическому (обратимому) и пластическо­му (необратимому). Эти свойства обеспечиваются тем, что состав клеточной обо­лочки составляют волокна—микрофибриллы, которые погружены в пластический матрикс. Ориентация микрофибрилл целлюлозы не безразлична. В первичной клеточной оболочке в период растяжения микрофибриллы располагаются либо беспорядочно, либо в основном перпендикулярно продольной оси клетки. По­следнее способствует удлинению клетки под влиянием гидростатического (тур-горного) давления. Важно отметить, что рост растяжением начинается тогда, когда тургор достигает пороговой величины и дальнейшее поступление воды возмож­но лишь за счет пластического (необратимого) растяжения клеточной оболочки.

Большую роль в ориентации микрофибрилл играют микротрубочки. В рас­тущих клетках микротрубочки, расположенные около клеточной стенки, также ориентированы перпендикулярно оси растяжения. Поскольку микрофибриллы целлюлозы не растягиваются в длину, то при растяжении они скользят друг око­ло друга, Как видно из приведенной выше схемы, микрофибриллы и вещества матрикса оболочки связаны между собой различными связями. В период роста растяжением эти связи (водородные и ковалентные) разрыхля­ются. Но после того как растяжение произошло, связи вновь возникают.

Разрыв водородных связей может регулироваться различными внешними условиями. Одним из таких условий может быть концентрация ионов водорода (рН). Известно, что водородные связи ослабевают при низких значениях рН. В клеточных оболочках локализован ряд ферментов, по преимуществу гидролаз. Эти ферменты, расщепляя соответствующие связи, могут участвовать в растяжении клеточной оболочки. Особенное значение имеет, по-видимому, 1,3-глюконазы—ферменты, расщепляющие связи между остатками молекулы глюкозы. Интересно отметить, что активность гидролаз, локализованных в кле­точных оболочках, повышается при подкислении. Таким образом, снижение значения рН способствует разрыву связей как водородных, так и ковалентных между компонентами клеточной оболочки, ее разрыхлению. Как следствие кле­точная оболочка становится более рыхлой, ее сопротивление (противодавление) падает и становится возможным дополнительное поступление воды. Большую роль в этом процессе играет фитогормон ауксин, который регулирует рост рас­тяжением (см. ниже).

Рост клеточной оболочки связан с новообразованием ее составляющих. По­добно тому, как указывалось при рассмотрении новообразования клеточной обо­лочки при делении клеток, пектиновые вещества образуются из галактуроновой кислоты в везикулах аппарата Гольджи. Везикулы подходят к плазмалемме, и их мембраны сливаются с ней, а нецеллюлозные компоненты включаются в кле­точную оболочку. Микрофибриллы целлюлозы синтезируются на внутренней поверхности клеточной оболочки, прилегающей к плазмалемме, из веществ ци­топлазмы с помощью ферментов, поставляемых из аппарата Гольджи. В образо­вании клеточной стенки принимает участие и ЭПР. В шероховатом ЭПР синте­зируется белок экстенсии.

Существует несколько типов роста клеточной оболочки: 1) вновь образовав­шиеся микрофибриллы целлюлозы внедряются в промежутки между сетью старых микрофибрилл (интусессцепция);
2) сетка вновь образовавшихся мик­рофибрилл целлюлозы, между которыми образуются новые связи, накладыва­ется на старую. При этом происходит и переориентировка старых молекул: они становятся в более вертикальное положение. Общая толщина стенки при этом не изменяется, оставаясь около 0,3—0,5 мкм. Этот особенный тип аппозицион­ного роста получил название многосетчатого роста.

Таким образом, рост растяжением включает следующие этапы:
1) разрыхле­ние связей между компонентами клеточной оболочки и увеличение ее пла­стичности; 2) поступление воды, которая давит на стенки, вызывает растяжение и увеличивает объем клетки; 3) закрепление увеличения объема путем много­сетчатого роста оболочки.

Фаза дифференциации. На этой фазе процесс дифференцировки уже прояв­ляется в определенных структурных признаках, т. е. меняется форма, внутрен­няя и внешняя структура клетки. Процесс функциональной дифференциации клеток, или накопление физиологических различий между ними, происходит на всех фазах роста. Определенные различия имеются уже между появившимися в период деления дочерними клетками, из которых в дальнейшем будут образо­вываться различные ткани. Это проявляется в их химическом составе, морфо­логических особенностях. Значительно варьируют число и структура митохонд­рий, и особенно пластид, обилие и локализация эндоплазматической сети. Очень видоизменяются клетки проводящей системы. При дифференциации члеников ситовидных трубок большинство органелл разрушается. В сосудах ксилемы почти полностью исчезает цитоплазма. Происходит образование вторичной клеточной оболочки. Этот процесс сопровождается наложением новых слоев микрофиб­рилл целлюлозы на старые. При этом ориентация фибрилл целлюлозы в каж­дом новом слое другая. Клеточная оболочка утолщается и теряет способность к росту.