Этапы органогенеза и фотоморфогенеза

Более полную характеристику особенностей развития растений, выращиваемых при искусственном облучении, может дать изучение динамики прохождения отдельных этапов органогенеза путем морфофизиологического анализа. В настоящее время метод морфофизиологического анализа развития растений получил широкое распространение как у нас, так и за рубежом (Куперман). Применение его дает возможность своевременно и точно осуществлять биологический контроль за развитием растений. Метод особенно перспективен для культур, выращиваемых в теплицах, где можно регулировать как условия внешней среды, так и в известной степени прохождение отдельных этапов органогенеза.

Так, у томата сортов Пушкинский и Лучший из всех установлены следующие закономерности:

ñускорение развития растений при выращивании их под ксеноновыми лампами по сравнению с люминесцентными происходит в основном в результате более быстрого прохождения II этапа — образование кисти;

ñ«забег» в развитии растений, полученный на ранних этапах развития, сохраняется на всех последующих;

ñу томатов от темпов развития главного стебля зависит развитие побегрв первого порядка (ускорение развития главного побега замедляет или приостанавливает развитие боковых);

ñусловия выращивания растений в конце II — начале IV этапа определяют число цветков в кисти.

Таким образом, анатомическая структура листьев, накопление пигментов, усвоение лучистой энергии и, наконец, фотосинтез и фотоморфогенез — лабильные физиологические процессы. Так как в производственных условиях уровень облученности, как правило, невысок, основным фактором, вызывающим изменчивость перечисленных процессов, является спектральный состав излучения ламп.

Растения используют свет двумя путями: во-первых, как энергетический ресурс (свет служит источником энергии для синтеза органических веществ — фотосинтез); во-вторых, как сигнал или источник информации. Во втором случае энергия света может быть на несколько порядков ниже, чем в первом. Свет оказывает большое и разностороннее влияние на темпы и характер рос­та, как отдельных органов, так и растительного организма в целом. При этом на разные стороны ростовых процессов влияние света проявляется неоднозначно. Так, свет необходим для протекания процесса фотосинтеза, и поэтому накопле­ние массы растения без света не идет. Вместе с тем рост клеток растяжением может идти в темноте, более того, на свету этот процесс тормозится. Свет оказывает большое влияние и на формообразовательные процессы. Этиолированные проростки, выросшие в темноте, характеризуются рядом ана­томических и морфологических особенностей. В отсутствие света происходит упрощение анатомической структуры стебля. Слабо развиваются ткани централь­ного цилиндра, механические ткани. Вместе с тем растяжение клеток в темноте идет очень интенсивно. В результате образуются длинные, вытянутые стебли. Листья редуцированы, у двудольных растений вместо листовой пластинки об­разуются лишь небольшие чешуйки. Этиолированные проростки имеют слегка желтоватый оттенок. По-видимому, более быстрое вытягивание стебля и корня, этиолированных проростков выработалось в процессе эволюции, так как в боль­шинстве случаев прорастание семян происходит в почве в отсутствие света, и эти особенности, а также отсутствие листьев облегчают проростку проникно­вение через слой почвы. Возможно, что вытягивание стебля в отсутствие света является следствием отсутствия ингибиторов роста. В темноте образуется много ауксинов. Нарушение соотношения ауксинов и ингибиторов вызывает несба­лансированный рост. При выходе проростков на поверхность почвы происхо­дят их внутренние и внешние изменения. В темноте у проростков двудольных растений гипокотиль изогнут, что защищает точку роста в почве от поврежде­ний. Под влиянием света этот изгиб («крючок») выпрямляется. На свету рост стебля тормозится, рост листьев усиливается, и они принимают обычную форму. Под влиянием света происходят анатомические изменения стебля, дифференцируется эпидермис, появляются волоски, изменяется окраска — син­тезируется хлорофилл. Эти изменения получили название фотоморфогенеза. Ин­тересно заметить, что ткани проростков могут рассматриваться как «световоды», т. е. они способны проводить свет. Вследствие этого под влиянием освещения надземных органов меняются направление и темпы роста корневых систем. Именно это способствует их углублению.

Изучение влияния отдельных участков спектра на перечисленные измене­ния (фотоморфогенез) показало, что чаще всего они вызываются при воздейст­вии красного света с длиной волны около 660 нм. Для того чтобы свет оказал какое-либо физиологическое влияние, он должен быть поглощен каким-либо веществом. Таким веществом оказался пигмент фитохром. Было показано, что многие физиологические реакции, вызываемые облучением красным светом, можно снять при облучении дальним красным светом (длина волны около 730 нм). Эти исследования привели к заключению, что фитохром существует в двух фор­мах, которые под влиянием облучения светом определенной длины волны могут переходить одна в другую. Фитохром, поглощающий красный свет, называют фитохром красный (Фк), а поглощающий дальний красный — фитохром дальний красный (Фдк). При поглощении красного света (660 нм) Фк переходит в Фдк, а при поглощении дальнего красного света (730 нм) Фдкпереходит в Фк:

может и самопроизвольно распадаться. В темноте Фдк или необратимо разрушается, или под влиянием дальнего красного света превращается в Фк. В настоящее время показано, что взаимопревращение фитохромов идет не сразу, а через ряд промежуточных форм. Надо учитывать, что на протяжении большей части дня соотношение энергии красных и дальних красных лучей составляет 3:1. Это благоприятствует превращению Фк в Фдк (активная форма). Вместе с тем в вечерние и ночные часы преобладает дальний красный свет, в связи с чем равновесие фитохромной системы сдвигается в сторону преобладания Фк (не­активная форма). Надо учитывать также, что Фк более устойчив и может синте­зироваться в клетке, тогда как Фдк легко разрушается. В связи со сказанным из­менения в соотношении двух форм фитохрома можно представить в виде схемы. Обе формы фитохрома выделены из растений — это хромопротеиды с молекулярной массой около 120 кДа. Хромофорная часть (собственно пигмент) представляет собой вещество, близкое по структуре к фикобилинам (красным пигментам цианобактерий и красных водорослей), состоящим из четырех пиррольньгх группировок, соединенных в открытую цепочку. Фв пред­ставляет собой восстановленную форму Фк. Фк имеет голубую окраску, а Фдк — зелено-желтую. Кроме основных линий поглощения в красной и дальней красной части спектра, оба фитохрома поглощают еще коротковолновый свет: Фк— с дли­ной волны 370 нм, Фдк — 400 нм. Спектрофотометрические и иммунологические исследования показали, что высокое содержание фитохрома характерно для ме­ристематических, а также этиолированных тканей.

Фитохромная система, по-видимому, очень древняя, так как она имеется даже у цианобактерий и у некоторых гетеротрофных организмов. Фитохромы можно обнаружить в различных органах растения. Физиологические проявления, кото­рые регулируются фитохромной системой, можно отнести к фотоморфогенетическим. Основным критерием для этих реакций служит их обратимость (вызыва­ются облучением красным светом и снимаются при облучении дальним красным светом). Особенности влияния красного и дальнего красного света видны при изучении прорастания светочувствительных семян.

Рассмотрение данных в таблице показывает, что благоприятное действие на прорастание красного света снимается облучением дальним красным. К реак­циям, регулируемым фитохромной системой, относятся ингибирование роста стебля, открытие крючка гипокотиля, развертывание семядолей, дифференциа­ция эпидермиса и устьиц, образование элементов ксилемы, ориентация хлоропластов, образование антоциана, прорастание светочувствительных семян, фото­периодическая реакция растения и др. Все процессы, регулируемые фитохромной системой, делят на два типа: 1) процессы, которые под влиянием освещения красным светом усиливаются (например, дифференциация эпидермиса, синтез антоциана, прорастание семян); 2) процессы, которые тормозятся (удлинение гипокотиля, рост стебля).

Механизм действия фитохрома до настоящего времени не известен. Активной формой фитохрома является Фдк, именно его образование, которое происходит под влиянием облучения красным светом, вызывает определенный физиоло­гический эффект. Однако и Фда не весь участвует в реакциях, а лишь его определенная часть. Возможно, что эта активная часть Фдк связана с мембранами и определенным образом ориентирована в них. В этой связи представляют интерес данные не­мецкого физиолога В. Гаупта, согласно которым хлоропласты ориентируются под прямым углом по отношению к лучу красного света. При этом луч может быть диаметром всего 3 мк и прямо не попадать на хлоропласты. Из этого мож­но сделать вывод, что фитохром локализован по преимуществу в мембранах, при этом каждая форма фитохрома определенным образом ориентирована в мемб­ранах. При освещении определенными лучами спектра эта ориентация меняет­ся, что и вызывает изменение ориентации хлоропластов. Воздействие Фдк может проявляться быстро (минуты) и медленно (часы). В первом случае действие Фдк, по-видимому, связано с изменением свойств мемб­ран. Имеется предположение, что в быстрых эффектах фитохрома играют роль сигнальные цепи. Накопление Фдк в мембранах влияет на их проницаемость, в частности для К+, что, в свою очередь, изменяет электрический потенциал и вызывает определенный биологический эффект, например, никтинастическое закрывание листьев. В случае более длительных эффектов предполагают, что фитохром вызывает активацию (дерепрессию) части генома (Т. Мор). Эта точка зрения подтверждается тем, что при добавлении ингибиторов син­теза белка и РНК действие красного света не проявляется. Есть данные, что фито­хром регулирует транскрипцию многих генов, связанных с позеленением, а также ген ядра, кодирующий малые субъединицы РБФ карбоксилазы/оксигеназы и связанные с хлорофиллом белки. Показано также, что красный свет индуцирует образование ряда ферментов. Ответная реакция, вызываемая Фдк или его осо­бой формой, зависит от состояния клетки или ткани, от ее компетентности. Под влиянием красного света активность таких фитогормонов, как гиббереллины и цитокинины, возрастает. Не исключено, что действие фитохрома на геном опо­средовано фитогормонами. Как уже отмечалось, многие физиологические и морфологические измене­ния, индуцированные фитохромом, связаны с кратковременным освещением малой интенсивности 1/100 солнечного света в течение 1 мин — низкоэнерге­тическими реакциями (НЭР). Однако было показано, что, для того чтобы в рас­тениях исчезли все признаки этиоляции и они приобрели нормальный вид, это­го недостаточно. Таким образом, выяснилась необходимость более длительного и более интенсивного облучения. Было сделано заключение, что такие эффекты включают высокоэнергетические реакции (БЭР). Именно БЭР обеспечивают нормальный рост побегов. При этом оказалось, что спектр действия БЭР также несколько отличен. Наибольшее влияние оказывают не красные, а дальние крас­ные (710—730 нм) и синие лучи. Что касается пигментов (фоторецепторов), которые ответственны за эти реакции, то для проявления действия дальнего красного света это тот же Ф. Фоторецептор для синего света окончательно не установлен, возможно, что это флавиновые соединения, например, флавинокаротиноиды. В последнее время действию синего света на растения уделяется большое вни­мание. Показано, что синий свет влияет на электрические и генетические процес­сы, изменяет метаболизм. Причем его действие отличается от эффектов красного света. Примерами процессов, регулируемых синим светом, являются фототро­пизм, биосинтез пигментов и др. Установлена стимуляция синим светом разру­шения крахмала и биосинтеза малата в замыкающих клетках устьиц. Обогащение осмотически действующими веществами приводит к открытию устьиц. Синий свет влияет на устьичные движения также путем активации Н+-АТФазы плазмалеммы. Синий свет вызывает возникновение разности потенциалов, что влияет на поступление ионов. В случае стимулирования генов синий свет стимулирует транскрипцию и трансляцию и приводит к морфогенетическим эффектам. Рассматривая воздействие света, необходимо остановиться на влиянии круг­лосуточного освещения на процессы роста. Опыты по выращиванию растений при свете электрических ламп (светокультура) показали, что рост многих расте­ний при круглосуточном освещении идет значительно интенсивнее, особенно при правильном подборе качества света, т. е. типа ламп (Б.С. Мошков). Так, при выращивании сеянцев древесных культур (дуб, сосна) на непрерывном освеще­нии темпы их роста возрастают в 1,5—2 раза (В.М. Леман). Такие однолетние растения, как горох и фасоль, также характеризуются очень интенсивным рос­том в условиях круглосуточного освещения. Однако существуют растения, на рост которых круглосуточное освещение оказывает отрицательное влияние. В некоторых случаях круглосуточное освещение вызывает явления, сходные с теми, которые обычно являются следствием недостатка света. Такие растения, как томаты, в условиях непрерывного освещения вытягиваются, листья стано­вятся желтыми, хлорофилл разрушается. Это явление называют зеленой этиоляцией. Особенно вредное влияние круглосуточного освещения проявляется при высокой ночной температуре.

42.Движение растений. Тропизмы, настии. Растительный организм обладает способностью к определенной ориентировке своих органов в пространстве. Реагируя на внешние воздействия, растения ме­няют ориентировку органов. Различают движения отдельных органов растения, связанные с ростом — ростовые и с изменениями в тургорном напряжении от­дельных клеток и тканей — тургорные. Ростовые движения, в свою очередь, бывают двух типов: тропические движе­ния, или тропизмы,— движения, вызванные односторонним воздействием ка­кого-либо фактора внешней среды (света, силы земного притяжения и др.); настические движения, или настии,— движения, вызванные общим диффузным изменением какого-либо фактора (света, температуры и др.). В зависимости от фактора, вызывающего тропические движения, различают геотропизм, фото­тропизм, хемотропизм, тигмотропизм, гидротропизм. Геотропизм — движения, вызванные односторонним влиянием силы тяже­сти. Если положить проросток горизонтально, то через определенный проме­жуток времени корень изгибается вниз, а стебель — вверх. Еще в начале ХIХ в. был изобретен прибор клиностат. В этом приборе проросток в горизонтальном положении привязывается к вращающейся оси. Благодаря этому сила притяже­ния действует попеременно на нижнюю и верхнюю стороны проростка. В этом случае рост проростка идет строго горизонтально и никаких изгибов не наблю­дается. Эти опыты доказали, что изгибы стебля и корня связаны с односторон­ним действием силы земного притяжения. Изгиб корня вниз (по направлению действия силы притяжения) называют положительным геотропизмом.

Тропизмы и настии: 1 — геотропизм; 2 — фототропизм; 3 — термонастии; 4 — фотонастии.

Геотропическая реакция — «пороговое» явление, т. е. геотропический изгиб происходит лишь при достижении раздражителем какого-то определенного уров­ня. Количество раздражителя равно силе гравитации, умноженной на время. Для того чтобы произошел изгиб, проросток должен быть выдержан в горизонтальном положении определенное время (время презентации). Если проростки выдержать это время в горизонтальном положении, а затем поместить вертикально, то все равно изгиб произойдет. При строго горизонтальном положении проростка время презентации наименьшее. Чем ближе положение проростка к вертикальному, тем больше время презентации. Это понятно, так как сила земного притяжения наибольшая при горизонтальном положении. Время презентации составляет примерно 3—5 мин. Время, необходимое для проявления изгиба, — 45—60 мин. Направление геотропической реакции может изменяться в процессе роста ор­ганизма, а также в зависимости от условий среды. Так, для цветоножки мака до распускания бутона характерен положительный геотропизм, а после распуска­ния цветков — отрицательный. При пониженной температуре отрицательный геотропизм стебля может переходить в диагеотропизм (стелющиеся формы).

Фототропизм — движения, вызванные неравномерным освещением разных сторон органа. Если свет падает с одной стороны, стебель изгибается по направ­лению к свету — положительный фототропизм. Корни обычно изгибаются в на­правлении от света — отрицательный фототропизм. Ориентировку пластинок листьев перпендикулярно к падающему свету (при большой интенсивности све­та) называют диафототропизмом. Для восприятия одностороннего освещения также необходимо определенное время презентации, которое зависит от силы одностороннего освещения. В зависимости от возраста растения и от условий среды направление фототропических изгибов может меняться. Так, у настурции до цветения для стебля характерен положительный фототропизм, а после созревания семян — отрица­тельный.

Хемотропизм — это изгибы, связанные с односторонним воздействием хи­мических веществ. Хемотропические изгибы характерны для пыльцевых трубок и для корней растений. Если пыльцу положить на предметное стекло в среду, содержащую сахарозу, и одновременно поместить туда кусочек завязи, все пыль­цевые трубки в процессе роста изогнутся по направлению к завязи. Корни растений изгибаются по направлению к питательным веществам. Если питательные вещества не перемешаны со всей почвой, а распределяются отдель­ными очагами, корни растут по направлению к этим очагам. Такая способность корней определяет большую эффективность гранулированных удобрений. Корни растут по направлению к отдельным гранулам, содержащим питательные веще­ства. При таком способе внесения питательных веществ создается также повы­шенная концентрация их около корня, что обусловливает их лучшую усвояе­мость.

Гидротропизм — это изгибы, происходящие при неравномерном распределе­нии воды. Для корневых систем характерен положительный гидротропизм.

Аэротропизм — ориентировка в пространстве, связанная с неравномерным распределением кислорода. Аэротропизм свойствен в основном корневым сис­темам.

Тигмотропизм — реакция растений на одностороннее механическое воздей­ствие. Тигмотропизм свойствен лазающим и вьющимся растениям.

Настические движения бывают двух типов: эпинастии — изгиб вниз и гипонастии — изгиб вверх. В зависимости от фактора, вызывающего те или иные настические движения, различают термонастии, фотонастии, никтинастии и др.

Термонастии — движения, вызванные сменой температуры. Ряд растений (тюльпаны, крокусы) открывают и закрывают цветки в зависимости от темпе­ратуры. При повышении температуры цветки раскрываются (эпинастические движения), при снижении температуры закрываются (гипонастические дви­жения).

Фотонастии — движения, вызванные сменой света и темноты. Цветки одних растений (соцветия одуванчика) закрываются при наступлении темноты и от­крываются на свету. Цветки других растений (табака) открываются с наступле­нием темноты.

Никтинастии («никти» — ночь) — движения цветков и листьев растений, свя­занные с комбинированным изменением, как света, так и температуры. Такое комбинированное воздействие наступает при смене дня ночью. Примером яв­ляются движения листьев у некоторых бобовых, а также у кислицы. К ростовым движениям относятся и круговые движения концов молодых по­бегов и кончиков корней относительно оси. Такие движения называют круго­вые нутации. Примерами являются движения стеблей вьющихся растений (хмель), усиков лазящих растений. Это необходимо для поиска опоры при дви­жении к свету стеблей.

Тургорные движения. Не все настические движения относятся к ростовым. Некоторые связаны с изменением тургора. К ним относятся никтинастические движения листьев. Так, для листьев многих растений характерны ритмические движения — у клевера наблюдается поднятие и складывание листочков слож­ного листа ночью. Этот тип движений связан с изменением тургора в специали­зированных клетках листовых подушечек.

Сейсмонастии — движения, вызванные толчком или прикосновением, напри­мер движение листьев у венериной мухоловки или у стыдливой мимозы. В результате прикосновения листья мимозы опускаются, а листочки складыва­ются. Реакция происходит чрезвычайно быстро, спустя всего 0,1 с. При этом раздражение распространяется со скоростью 40—50 см/с. Сейсмонастические движения листьев мимозы могут происходить и под влиянием местных тепловых, электрических или химических воздействий. Эти движения связаны с потерей тургора нижней стороны листа. Значение подобной двигательной реакции заклю­чается в предотвращении повреждений от ливневых дождей и сильных ветров.

Автонастии — самопроизвольные ритмические движения листьев, не свя­занные с какими-либо изменениями внешних условий. Так, листья тропического растения десмидиум претерпевают ритмические колебания.

43. Физиологические основы покоя растений. Рост растений не является непрерывным процессом. У большинства растений время от времени наступают периоды резкого замедления или даже почти полной приостановки ростовых процессов, периоды покоя. В покоящееся состояние может вступать как растительный организм в целом, так и отдельные его части (семена, корни, клубни). В некоторых случаях растительный организм может находиться в растущем состоянии, а отдельные почки — в покоящемся (спящем). Переход растения или его отдельных органов в покоящееся состояние, прежде всего, является приспособлением к перенесению неблагоприятных условий. В большинстве районов земного шара наблюдается периодическое наступление времен года, неблагоприятных для растений. Это периоды низкой температуры или пониженной влажности. В этих случаях растение сохраняет жизнеспо­собность лишь при условии перехода в состояние покоя. Переход в покоящееся состояние часто сопровождается утратой (опадением) отдельных органов (листь­ев) или даже целых побегов. Именно в таком состоянии многолетние растения переживают зимний период. Таким образом, переход растения в покоящееся со­стояние предохраняет его от гибели под влиянием мороза или сильной засухи. Однако покой — это не только защитная реакция организма против неблаго­приятных условий. Растения переходят в покоящееся состояние и при наличии всех условий, необходимых для роста. Временная приостановка ростовых про­цессов характерна и для тропических растений, несмотря на благоприятные условия в течение целого года. Если растение не прошло периода покоя, в последующем темпы роста его снижаются, ухудшается плодоношение. После периода покоя рост растений усиливается.

Таким образом, в период покоя, по-видимому, про­исходят определенные изменения, подготавливающие последующий рост. Все сказанное позволяет считать, что период покоя — не только приспособление к неблагоприятным условиям, но и необходимое звено онтогенеза растений. Различают покой вынужденный и глубокий. Эти виды покоя находятся в раз­ной зависимости от внешних условий. Вынужденный покой вызван неблагоприят­ными условиями. Обычно растительный организм вступает в вынужденный покой при отсутствии какого-то фактора, необходимого для ростовых процессов. Как толь­ко этот фактор изменяется в благоприятном направлении, ростовые процессы во­зобновляются. Сухие семена не прорастают до тех пор, пока не будет достаточного количества воды. Некоторым семенам для прорастания необходим свет. Весной почки не распускаются, пока температура не поднимется до определенного преде­ла. Таким образом, растение или орган, как только будут обеспечены всеми необходимыми условиями для роста, легко выходят из вынужденного покоя. Растения или органы, находящиеся в глубоком покое, не переходят к росту даже при наличии благоприятных условий. Из глубокого покоя растительные организмы выходят лишь по окончании определенных физиолого-биохимических изменений, подготавливающих последующий рост. Вынужденный и глубокий покой могут совпадать во времени. Характер покоя различен, раз­личны и части растения, впадающие в состояние покоя. Однако есть и общие черты, характеризующие покоящееся состояние. Это отсутствие видимого роста. В период покоя может происходить скрытый рост. Так, наблюдения показывают, что в зимний период почки несколько увеличиваются в размерах. Наряду с замед­лением роста в период покоя уменьшается интенсивность всех процессов обмена.

44.Покой семян и почек растений. Покой семян может быть вызван рядом внешних и внутренних факторов. Семена могут быть в состоянии вынужденного и глубокого покоя. Процесс прорастания семян проходит ряд этапов, причем первые этапы не сопровождаются видимыми проявлениями роста и требуют определенных условий. Однако иногда бывает, что все условия соблюдены, а семена не прорастают. Это может быть связано с различными причинами. Семена многих растений, особенно относящихся к семейству бобовых, отличаются твердой оболочкой, непроницаемой для воды и кислорода. В зависимости от условий, в которых образуются семена, проницаемость их оболочки меняется. Например, семена белого клевера, формирующиеся в жаркий и сухой период, как правило, имеют твердую оболочку, плохо проницаемую для воды. Наоборот, при влажной погоде формируются семена с мягкой, хорошо проницаемой оболочкой. Семена некоторых растений имеют оболочку, проницаемую для воды, но непроницаемую для газов. Это хорошо показано на семенах дурнишника. Плод этого растения имеет две семянки. Расположенная внизу семянка прорастает в первый год, верхняя — не ранее чем через год. Оказалось, что семенная кожура верхней семянки плохо проницаема для кислорода. На протяжении года семенная оболочка верхней семянки разрушается микроорганизмами, и семена прорастают. Повышенная концентрация кислорода стимулирует раннее прорастание семян овсюга и некоторых других растений. Причина положительного влияния кислорода на прорастание семян может быть двоякой. С одной стороны, кислород необходим для поддержания на достаточном уровне процесса дыхания, а с другой — для окисления веществ, тормозящих процесс прорастания. Наконец, бывают случаи, когда твердая семенная оболочка задерживает рост самого зародыша. Если семена не прорастают из-за твердой оболочки, можно считать, что они находятся в состоянии вынужденного покоя. Однако у многих видов растений семена сразу после их созревания не способны к прорастанию, так как находятся в состоянии глубокого покоя, которое, в свою очередь, может быть связано с несколькими причинами. У некоторых растений ко времени высвобождения семян из плодов зародыш еще недоразвит. Развитие зародыша продолжается в семени. В этом случае семена становятся способными к прорастанию только после определенного промежутка времени и при наличии соответствующих условий. Большое значение в поддержании состояния глубокого покоя имеет наличие ингибиторов роста, которые могут содержаться как в самих семенах (в оболочке, эндосперме), так и в мякоти плодов. Именно благодаря наличию ингибиторов семена не прорастают внутри сочных плодов. Одновременно с повышенным содержанием ингибиторов роста семя в состоянии глубокого покоя содержит крайне мало фитогормонов, таких, как гиббереллины и цитокинины. При работе с арабидопсисом были получены мутанты с разной степенью покоя, который мог быть прерван охлаждением. Показано, что накапливают семена, обладающие способностью перехода в покой, АБК. Поэтому переход в покой сопровождается увеличением АБК и уменьшением гиббереллинов и цитокининов.

Согласно данным американского физиолога А. Кана, семена выходят из состояния глубокого покоя (способны к прорастанию) в том случае, если в них отсутствуют ингибиторы роста и присутствует фитогормон гиббереллин. В присутствии ингибиторов роста для выхода из покоя необходимо наличие уже двух фитогормонов — гиббереллина и цитокинина. Особенное значение среди ингибиторов прорастания семян имеет АБК. Показано, что в сухих семенах содержание АБК высокое и по мере прорастания оно убывает. При намачивании семян АБК вымывается, и это ускоряет прорастание. Таким образом, покой и прорастание семян регулируются соотношением фитогормонов. Особенное значение имеет соотношение гиббереллины/АБК. У ряда растений созревшие семена становятся способными к прорастанию только после определенного периода, в течение которого в них происходят сложные биохимические процессы (послеуборочное дозревание). В природе период послеуборочного дозревания длится обычно в течение всей зимы. Это имеет большое приспособительное значение: именно благодаря этому семена прорастают тогда, когда создаются благоприятные условия для их последующего роста.

Процессы роста сосредоточены в почках, поэтому они в первую очередь и вступают в покоящееся состояние. В состоянии покоя могут находиться не все почки, расположенные на данном растении, а лишь отдельные. Покоящиеся почки (глазки) характерны не только для всего организма, но и для его отдельных частей (клубней, корневищ). Само покоящееся состояние почек приходится на период пониженных температур, и, следовательно, изменения, подготавливающие дальнейший рост, обычно также бывают при пониженных температурах. Вступление же в период покоя происходит еще при достаточно высоких температурах. По-видимому, сигналом для вступления в покой служит определенное соотношение дня и ночи (определенный фотопериод). Растения вступают в покой под влиянием укороченного дня и выходят из него под влиянием длинного дня. Фотопериодическая реакция в случае вступления почек в покой сходна с фотопериодической реакцией, обусловливающей цветение растений. Так, оказалось, что именно длительность темнового периода (длинная ночь) определяет вступление растений в период покоя. Органом, воспринимающим фотопериодический стимул, являются или листья, или, у некоторых растений, почки. Под влиянием укороченного дня в растении вырабатываются ингибиторы роста (абсцизовая кислота, этилен, фенольные соединения), что и вызывает замедление физиологических процессов в почках. Одновременно происходит уменьшение содержания таких фитогормонов, как гиббереллины. Противоположные изменения характерны для почек, переходящих из покоящегося состояния к росту: накопление ауксинов, гиббереллинов и исчезновение ингибиторов (В.И. Кефели, Р.Х. Турецкая). Поскольку фитогормоны и ингибиторы имеют общих предшественников, то в зависимости от условий (длины дня, температуры) может осуществляться преимущественное образование или ингибиторов роста (абсцизовой кислоты, этилена, фенольных соединений), или таких фитогормонов, как ауксин, гиббереллины, цитокинины. Продолжительность периода покоя связана со скоростью разрушения ингибиторов роста. Покоящиеся почки растения характеризуются сниженным метаболизмом. Однако в них идут определенные процессы обмена, в частности не прекращается процесс дыхания.

Имеются данные, что в этот период происходит накопление предшественников нуклеиновых кислот, идет определенная дифференциация клеточных структур. Именно это подготавливает последующую активацию ростовых процессов. Одновременно при вступлении в период покоя происходит ряд процессов, повышающих устойчивость клеток к неблагоприятным условиям. Так, по данным П.А. Генкеля, при переходе в глубокий покой в клетках происходит процесс обособления цитоплазмы. Это выражается в том, что плазмодесмы втягиваются внутрь клеток, а плазмалемма отстает от клеточной оболочки. Поверхность цитоплазмы часто покрывается слоем липидов. Вязкость цитоплазмы возрастает. Благодаря отставанию цитоплазмы от клеточной оболочки скорость плазмолиза возрастает, несмотря на то что ее вязкость увеличивается. Процесс обособления цитоплазмы вызывает нарушение связей между клетками, что, в свою очередь, приводит к снижению интенсивности процессов обмена. Отставание цитоплазмы от клеточных оболочек, а также накопление липидов в поверхностном слое делают ее более устойчивой.

45. Развитие растений: этапы и процессы. Развитие каждого растительного организма, так же как и животного, расчленимо, т. е. оно проходит ряд этапов. Эти этапы характеризуются морфологическими и физиологическими признаками. Физиологические критерии этапов развития изучены слабо. При выделении этапов используют, главным образом, морфологические признаки. Для семенных растений можно выделить следующие этапы развития (М.Х. Чайлахян):

1) эмбриональный — от оплодотворения яйцеклетки до прорастания за­родыша. Этот этап можно разделить на два периода:

а) эмбриогенез — период, в котором эмбрионы находятся на материнском растении;

б) покой — период от конца формирования семени и до его прорастания;

2) молодости (ювенильный) — от прорастания зародыша до закладки цветочных зачатков, характери­зующийся усиленным ростом;

3) зрелости — от момента закладки цветочных зачатков до оплодотворения (появления новых зародышей);

4) размножения— от оплодотворения до полного созревания семян;

5) старости — от периода со­зревания семян до отмирания.

Поликарпические растения этапы эмбриональный и молодости проходят один раз, однако часто эти этапы характеризуются большой продолжительностью (несколько лет). Этапы зрелости и размножения наступают один раз, но осуще­ствляются многократно. Этап старости у поликарпических растений также мо­жет продолжаться несколько лет. На протяжении каждого из перечисленных этапов развития в растении воз­никают новые органы. Процесс формирования этих органов называют органо­генезом. Этот процесс можно изучить путем микроскопических наблюдений за дифференциацией верхушечных меристем и изменениями в формирующихся органах. Для одно- и двулетних растений выделено 12 последовательных этапов органогенеза. При этом на I и II этапах происходит дифференциация вегетатив­ных органов, на III и IV—дифференциация зачаточного соцветия, на V—VIII — формирование цветков, на IХ — оплодотворение и образование зиготы, на X— XII — рост и формирование семян (Ф.М. Куперман). Основой морфологиче­ских, структурных изменений является изменение физиолого-биохимических процессов. Именно поэтому, как правило, внутренние физиолого-биохимические изменения предшествуют морфологическим. Однако проявляется и обрат­ная зависимость. Вновь появившиеся структуры, органы оказывают влияние на уровень и направленность процессов метаболизма. Таким образом, можно считать, что есть единый процесс физиолого-биохи­мических и морфологических изменений. При этом физиолого-биохимические изменения, определяющие наступление последующего этапа, происходят в структурах, образовавшихся на предыдущем этапе развития организма. Старение и смерть как этапы программы онтогенеза. Старение — активный про­цесс развития, который зашифрован в генетической программе и регулируется специфическими сигналами или импульсами, возникающими под влиянием ус­ловий среды. Во время процессов старения экспрессия большинства генов зату­хает.

Однако экспрессия некоторых генов наоборот возрастает. Активируются гены, которые кодируют белки-ферменты, вызывающие процессы распада (протеазы, нуклеазы, липазы, ферменты, разрушающие хлорофилл и др.). Программированная смерть у растений в отличие от животных изучена мало. Показано, что программированная смерть клетки вызывается специальными сиг­налами и в свою очередь вызывает экспрессию ряда генов. Программированная смерть, сопровождаемая определенными морфологическими и биохимически­ми изменениями, суммиру