Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 2 (страница 56)

Рис. 14.21.Этапы эксперимента по изучению распределения ассимилятов, меченных ¹⁴С, у гороха

Результаты радиоавтографии представлены на рис. 14.21. Результаты подсчета радиоактивности ¹⁴С в разных частях растения приведены в табл. 14.8.

Таблица 14.8. Радиоактивность (имп./мин) различных частей растения гороха через 24 ч после включения ¹⁴СО₂[14]

14.30. а) Взяв данные из табл. 14.8, рассчитайте долю радиоактивности (в %) в различных частях обоих растений и прямо сравните распределение меченых ассимилятов в этих двух случаях. Каковы основные различия и в чем сходство картины экспорта 14С из верхних и из нижних листьев?

б) Оцените физиологическое значение наблюдаемых различий или сходств в связи с ростом всего растения и отдельных его частей. (Попробуйте нарисовать простейшую схему растения гороха, изобразив на ней около восьми листьев и поместив боб в районе третьего от вершины листа, а затем указать направление и интенсивность движения ассимилятов от верхнего и от нижнего листа к бобу и к корневой системе.)

14.8.1. Характерные особенности транслокации по флоэме

Если для транспорта веществ по ксилеме имеется вполне удовлетворительная гипотеза, то в отношении флоэмы вопрос остается спорным. Прежде чем рассмотреть возможные механизмы транслокации по флоэме, полезно будет перечислить некоторые факты, которые сильно затрудняют решение проблемы, но тем не менее должны учитываться в любой гипотезе.

1. Количество переносимого материала может быть очень большим. Подсчитано, например, что за вегетационный период вниз по стволу большого дерева может пройти около 250 кг сахара.

2. Скорость движения велика, обычно она составляет 20-100 см/ч. Зарегистрированы максимальные скорости более 600 см/ч.

14.31. Если сахароза перемещается по ситовидным трубкам со скоростью 100 см/ч, а длина ситовидного элемента 200 мкм, за какое время молекула сахарозы пройдет один ситовидный элемент?

В стеблях двудольных растений скорость передвижения нередко составляет около 10-25 г сухого вещества на 1 см² поперечного сечения ситовидных трубок в час.

3. Возможен перенос на очень большие расстояния. Самые высокие деревья, например эвкалипты, могут быть высотой до 100 м и выше. Листья эвкалипта находятся в основном у верхушки ствола, поэтому ассимиляты должны продвигаться по всей длине ствола, а часто еще и на большое расстояние по корням.

4. Относительная масса флоэмы невелика. Толщина слоя функционально активной флоэмы, расположенного по окружности древесного ствола, близка к толщине почтовой открытки. Из флоэмы состоит самый внутренний слой коры одревесневших стеблей и корней; при этом более старые слои флоэмы растягиваются и отмирают по мере роста органа и увеличения его окружности.

5. Ситовидные трубки очень тонки, их диаметр не превышает 30 мкм. Последняя величина сравнима с толщиной очень тонкого человеческого волоса. Ситовидные трубки через определенные промежутки перегорожены ситовидными пластинками с порами еще меньшего диаметра. Чем уже трубки и мельче поры, тем выше их сопротивление протеканию жидкости и тем большая сила нужна для того, чтобы преодолеть это сопротивление.

14.32. Через сколько ситовидных пластинок пройдет молекула сахарозы, если она переместится на 1 м по ситовидным трубкам, состоящим из ситовидных элементов длиной 400 мкм каждый?

6. Помимо ситовидных пластинок ситовидные трубки имеют и ряд других особенностей,* о которых тоже не следует забывать.

14.8.2. Ультраструктура ситовидных трубок

В отличие от сосудов ксилемы-мертвых пустых трубок практически без каких-либо внутренних препятствий — ситовидные трубки флоэмы являются живыми образованиями и определенно содержатся препятствий, мешающих току раствора, а именно ситовидные пластинки и (в меньшей степени) цитоплазму. Поскольку механизм передвижения до сих пор не выяснен, в поисках новых сведений очень важно изучить ультрамикроскопическую структуру ситовидных трубок. На рис. 14.22 представлена электронная микрофотография зрелого ситовидного элемента, а на рис. 14.23-схема, на которой указаны все основные детали ситовидных элементов и примыкающих к ним клеток-спутников.

Рис. 14.22. Электронная микрофотография зрелого ситовидного элемента

В процессе развития ситовидного элемента из меристематической клетки ядро дегенерирует, и перед нами оказывается необычный пример живой клетки, не имеющей ядра; в этом отношении она сходна с эритроцитом млекопитающего. В то же самое время происходят и другие глубокие изменения, результаты которых можно видеть на рис. 14.23. Торцовые клеточные стенки преобразуются в ситовидные пластинки; при этом плазмодесмы, проходящие через эти стенки, сильно увеличиваются в размерах и превращаются в ситовидные поры. На рис. 8.12 показано, как выглядит ситовидная пластинка при взгляде сверху. В результате всех этих изменений остается трубкообразная структура, состоящая из большой внутренней полости и очень тонкого, почти незаметного периферического слоя живой цитоплазмы, ограниченного плазматической мембраной.

Каждый ситовидный элемент тесно связан с одной или несколькими клетками-спутниками, т. е. паренхимными клетками, которые возникают из той же самой родительской клетки, что и соседний ситовидный элемент. Клетки-спутники имеют очень плотную цитоплазму, содержащую небольшие вакуоли и обычные клеточные органеллы. Эти клетки обладают очень высокой метаболической активностью, на что указывает присутствие многочисленных митохондрий и рибосом (рис. 14.23); в структурном и физиологическом отношении они очень тесно связаны с ситовидными элементами и совершенно необходимы для их функционирования: в случае гибели клеток-спутников погибают и ситовидные элементы.

Рис. 14.23. Схематическое изображение элементов ситовидной трубки и клетки-спутника, как они выглядят на продольном срезе в электронном микроскопе. Если ситовидная трубка повреждена (например, травоядным животным), в ситовидной пластинке быстро откладывается каллоза, что препятствует потере ценных веществ, содержащихся в ситовидной трубке

У двудольных и некоторых однодольных растений в ситовидных элементах образуются большие количества фибриллярного белка, который называют флоэмным белком (Ф-белком). Этого белка иногда откладывается так много, что его можно видеть даже в световой микроскоп. Когда-то такие отложения называли "слизистыми тельцами" или "слизистыми пробками", но они не состоят из углеводов и поэтому их нельзя считать настоящей слизью. Много спорят о том, присутствует ли этот белок в ситовидных порах в нормальных условиях. Иногда, хотя и не во всех случаях, волокна Ф-белка выявляются в ситовидных порах при электронной микроскопии. Одна из больших трудностей при подготовке препарата флоэмы для электронной микроскопии связана с тем, что содержимое ситовидных трубок, как полагают, находится под высоким гидростатическим давлением — возможно, до 3000 кПа. При подготовке среза для фиксации такое давление могло бы внезапно сбрасываться, и в результате флоэмный белок вместе с остальным содержимым ситовидного элемента мог бы продавливаться через поры и закупоривать их. В этом случае появление флоэмного белка в порах ситовидных пластинок было бы артефактом. Чтобы решить этот вопрос, пробовали, например, совсем устранить или уменьшить гидростатическое давление, подсушивая растение перед приготовлением срезов. Электронная микроскопия увядших растений показала, что ситовидные поры у них иногда закупорены полностью, иногда лишь частично, а иногда не закупорены вовсе. Таким образом, этот прием, так же как и другие методы, не позволил решить проблему.

14.8.3. Данные о передвижении веществ по флоэме

Очень важно, особенно в связи с вопросом о механизме транспорта, иметь полную уверенность в том, что растворенные органические вещества действительно передвигаются по ситовидным трубкам флоэмы. Самые первые данные о передвижении Сахаров и других соединений по флоэме были получены в опытах с кольцеванием, когда вырезали кольцо ткани, содержащей флоэму, а ксилему не трогали. Еще в 1675 г. Мальпиги показал, что вода идет вверх по древесине, а питательные вещества — вниз по "коре". Он делал кольцевые вырезки коры у деревьев (в коре находится флоэма) и обнаружил, что листья при этом не вянут, а рост ниже кольца сильно замедляется.

Очень много экспериментов по кольцеванию пределами Мэзон и Маскелл, работавшие в 20-е и 30-е годы на Тринидаде с растениями хлопчатника. Один из этих опытов представлен на рис. 14.24; его результаты привели исследователей к выводу, что, когда флоэма перерезана, но остается в контакте с ксилемой, между обеими тканями может происходить некоторый обмен сахарами (рис. 14.24,А), но передвижение веществ вниз по стволу происходит по флоэме (рис. 14,24, Б и В).

Рис. 14.24. Опыты по кольцеванию растений хлопчатника, проведенный Мэйсоном и Маскеллом

Чтобы продемонстрировать перенос сахарозы по флоэме, ставились простые эксперименты двух типов. В 1945 г. в растение вводили ¹³С в виде ¹³СО₂ и затем выявляли этот нерадиоактивный изотоп углерода при помощи масс-спектрометрии. Кольцо флоэмы ошпаривали тонкой струей перегретого пара, чтобы убить клетки, и после этого транслокация меченной ¹³С сахарозы через ошпаренный участок прекращалась. Однако такая обработка не влияла на передвижение минеральных элементов по ксилеме. Эксперименты второго типа были основаны на выявлении радиоактивности во флоэме после инкубации растений с ¹⁴СО₂ и последующей микрорадиоавтографии срезов стебля. Введение в практику радиоактивных изотопов сильно стимулировало работы по транслокации в 30-е и 40-е годы.