В историю науки об индивидуальном развитии растений отечественные ученые (К. А. Тимирязев, И. В. Мичурин, Д. А. Сабинин, М. X. Чайлахян, В. И. Разумов, Б. С. Мошков, Н. П. Кренке и др.) вписали немало замечательных страниц. Однако создание общей материалистической теории онтогенеза все еще остается, актуальной задачей современности. Такое положение объясняется тем, что до последнего времени процессы индивидуального развития растений исследовались отдельно от биохимии, биофизики, клеточной физиологии и генетики, не хватало достаточно глубоких и конкретных знаний о взаимосвязях процессов развития.
В последнее время основные проявления жизни, в частности наследственность и развитие организмов, исследуются на молекулярном уровне. С рождением молекулярной биологии появились и определенные предпосылки для правильного понимания процесса индивидуального развития растений и создания синтетической теории онтогенеза.
Основы современной биологии базируются на трех великих обобщениях — законе превращения энергии, клеточном строении организмов и эволюционной теории Ч. Дарвина, которые сыграли большую роль в развитии биологии как науки.
Ч. Дарвин установил факторы эволюции организмов, свойственные особой форме движения материи — жизни. Биосфера (гидросфера, тропосфера и литосфера) как среда жизни представлена организмами — дискретными системами. Они пространственно отделены от окружающей среды, но взаимодействуют с внешними условиями по типу открытых систем. Стойкость таких систем, продолжительность их существования определяются постоянством превращения веществ, закономерным объединением синтеза и распада, которые в совокупности составляют у живых организмов биологический метаболизм (А. И. Опарин).
В процессе эволюции у растений наследственно закрепились так называемые эндогенные ритмы. Внутренние факторы синхронизируют эндогенные ритмы с условиями внешней среды, которые периодически изменяются (например, продолжительность дня, высота солнца, температура и др.).
Учение об индивидуальном развитии растений до последнего времени развивалось преимущественно в морфологическом направлении. Физиологические закономерности развития под влиянием внешних факторов определялись главным образом на основании морфологических проявлений и изменений растительного организма.
На основании достижений молекулярной генетики и экспериментальных исследований молекулярной биологии развития создаются гипотезы о механизмах индивидуального развития растительных организмов. Эти гипотезы основываются на современной генной теории наследственности, сущность которой заключается в следующем. С зарождением жизни на Земле возникла одновременно и новая форма движения материи — саморазвитие живого мира, основой которого является ассимиляция.
Наследственность — это признак самой жизни, повторяемость, возобновляемость организмов, способность организма накапливать, сохранять и передавать потомству информацию, определяющую чередование аминокислот в полипептидных цепях всех белков. Они, в свою очередь, определяют качественную специфику, которая сложилась и изменяется под влиянием внешней среды.
Процессами материальной передачи наследственности управляют хромосомы ядра клетки. В хромосомах имеются специальные образования — гены, которые химически представляют собой дезоксирибонуклеиновую кислоту. В молекуле ДНК хранится вся информация, которая определяет структуру белков клетки, т. е. все признаки организма. Потомкам наследственная информация передается через удвоение, или редупликацию, молекул ДНК. Синтез белка осуществляется в рибосомах (полисомах) и пространственно отделён от ДНК.
В синтезе белка участвуют рибонуклеиновые кислоты (РНК): рибосомная (рРНК), транспортные (тРНК) и информационные, или матричные (мРНК). Транспортные РНК переносят аминокислоты к рибосомам, а мРНК «переписывает» генетическую информацию с нуклеотидного шифра ДНК сначала на лабильные соединения, которыми являются РНК, а потом на шифр аминокислот. От последовательности нуклеотидов в молекуле мРНК зависит последовательность аминокислот в молекуле белка. Процесс передачи этой последовательности называется трансляцией.
Имеются особые гены, комплементарные рРНК, тРНК и мРНК. Все виды РНК синтезируются с помощью фермента РНК-полимеразы на матрице ДНК, затем тРНК и мРНК транспортируются в цитоплазму, где с их участием в рибосомах осуществляется синтез белка.
Рис. 80. Графическое изображение влияния факторов внешней и внутренней среды на метаболизм клетки.
Таким образом, считают, что передача наследственных свойств организмов происходит по схеме: ДНК → РНК → белок → обмен веществ → сформирование наследственных свойств и признаков. Однако исследования показали, что матрицей для биосинтеза белков может быть не только ДНК, но и РНК, например, в вирусах растений, у которых нет ДНК.
Дополнительный запас информации организмы как открытые динамические системы получают за счет непрерывного взаимодействия с окружающей средой (рис. 80).
Представление о развитии растений дают процессы дифференциации клеток меристематических тканей. Эти ткани в результате деления и соответствующего обмена веществ под влиянием внутреннего или внешнего сигнала приобретают свойства специализированных тканей и переключаются с вегетативного пути развития на репродуктивный. Считают, что каждая клетка содержит полный набор генетической информации, т. е. обладает свойством тотипотентности. Тотипотентная клетка при определенных условиях может регенерировать в целый организм. Все биохимические и большинство морфогенетических отправлений клетки осуществляются с участием ферментов. Наличие определенных ферментов для каждого типа химических реакций, происходящих, в клетке, — основной закон биологии.
По гипотезе Д. Боннера, наиболее фундаментальным и важным отличием одной клетки от другой является содержание в них определенных типов ферментов. Следовательно, дифференциация осуществляется с помощью механизмов регуляции синтеза таких ферментов каждой клеткой в процессе развития.
Наиболее изучена регуляция синтеза запасного белка семян гороха — глобулина, который состоит из двух компонентов — легумина и вицилина. Эти компоненты образуются лишь в клетках семядолей гороха. Выделенный из молодых семядолей хроматин состоит почти из равных частей ДНК и белка гистона и негистоновых белков. Освобожденная от гистона ДНК из хроматина (ген) служит матрицей для синтеза мРНК, обусловливающей синтез белка глобулина.
Электронно-микроскопические исследования показали, что участки хромосом, активно синтезирующие РНК, находятся в «рыхлом состоянии», а неактивные участки содержат перекрученные, агрегированные материалы (Г. П. Георгиев).
Свойственный данному растительному организму характер обмена веществ определяется его генетической природой, от которой зависят специфический для него набор ферментов и соотношение скоростей ферментативных процессов. Таким образом, способность растений к саморегуляции процессов при изменении условий существования осуществляется двумя путями — регулированием синтеза ферментов и регулированием их активности.
Биосинтез индуцированных ферментов вызывается или значительно ускоряется каким-либо веществом, чаще субстратом, на который действует данный фермент. Индуцирование фермента можно вызвать с помощью некоторых веществ, на которые этот фермент не действует. Может происходить также ингибирование образования ферментов. Так, синтез ферментов нитратредуктазы и гидроксиламинредуктазы значительно усиливается при введении в ткани растений соответственно нитрата и гидроксиламина.
Согласно теории французских ученых — генетика Ф. Жакоба и биохимика Ж. Моно, соединения, которые индуцируют или репрессируют синтез того или иного фермента, влияют на структурные гены путем двойной генетической детерминации. Структурные гены определяют молекулярное строение белков. Наряду с группой структурных генов в полинуклеотидной цепочке расположен так называемый ген-оператор, или оперон, — единица генетической регуляции. Оперон — группа генов, определяющих синтез группы функционально связанных ферментов. Оперон контролирует, т. е. включает и выключает, тот или иной структурный ген, от которого зависит синтез соответствующего фермента. Рядом с геном-оператором находится промотор, с которым связывается фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза, синтезирующая матричную РНК, кодирующая синтез ферментов А и Б. Работа гена-оператора, в свою очередь, зависит от вещества, которое называется репрессором. Репрессор, по-видимому, имеет белковую природу и образуется под влиянием гена-регулятора. Репрессор может взаимодействовать с соединениями, индуцирующими синтез данного фермента (явление индукции), а также с соединениями, которые репрессируют его образование (явление репрессии).
Рис. 81. Регулирование синтеза ферментов репрессором.
На рисунке 81 показана дерепрессия одного из участков ДНК, с которого как бы снят тормоз, после чего синтезируется соответствующая мРНК и начинает действовать весь механизм синтеза данного индуцированного фермента. Один генрегулятор может управлять многими структурными генами, а один ген-оператор — контролировать несколько структурных генов, если они расположены рядом. Продукт гена-регулятора является репрессором, влияющим на структурные, гены, а в случае соединения репрессора с соответствующим метаболитом-эффектором последний изменяет его конформацию и вызывает дерепрессию или, наоборот, увеличивает репрессию. Считают, что эффекторами, регулирующими развитие растений, являются физиологически активные вещества (фитогормоны).
Ниже приведены примеры действия репрессоров и эффекторов в растительных организмах.
Глазки свежесобранных клубней картофеля не прорастают даже при наличии благоприятных для роста условий, так как они находятся в состоянии покоя. Явление покоя заключается в том, что геном (совокупность генов) глазков картофеля полностью репрессирован и неспособен синтезировать РНК, поэтому вся система синтеза белков недеятельна. Если же подействовать на такие глазки гибберелловой кислотой или этиленхлоргидрином, то они прорастают. Эти вещества влияют на геном глазков как эффекторы и вызывают дерепрессию. По-видимому, часть генов освобождается от белков гистонов, и под влиянием этих уже активных генов синтезируются ферменты, необходимые для жизнедеятельности глазков картофеля.
Растение ячменя содержит ген, контролирующий синтез α-амилазы в эндосперме семени. До прорастания семени этот ген полностью репрессирован. Когда же семя прорастает, растущий зародыш посылает в эндосперм сигнал в виде гибберелловой кислоты (эффектор), который дерепрессирует ген фермента α-амилазы. При этом синтезируется α-амилаза, которая поступает в эндосперм и вызывает превращение крахмала. Данный процесс лежит в основе осолодения и изготовления солода из зерна ячменя. Если из семени удалить зародыш и эндосперм без зародыша и поместить во влажную среду, то α-амилаза синтезироваться не будет. Если же на такой эндосперм ячменя подействовать гибберелловой кислотой, то α-амилаза образуется интенсивно. Образование этого фермента зависит от синтеза РНК- и ДНК-матрицы под влиянием гибберелловой кислоты. Следовательно, происходит дерепрессия генома, усиливается синтез РНК, и в результате начинает действовать вся система синтеза фермента α-амилазы.
Переход растений от вегетации к репродукции с точки зрения молекулярной биологии можно объяснить следующим образом. Под влиянием определенного фотопериода в листьях вырабатываются вещества-эффекторы (вещества стероидной природы). Эффекторы поступают в соответствующие клетки и вызывают дерепрессию генов, которые до этого были репрессированы. Дерепрессированные гены участвуют в формировании цветков, плодов, семян и т. д. На этих генах синтезируется РНК, вызывающая синтез ферментов, необходимых для развития репродуктивных органов. Так, содержание нуклеиновых кислот весной в генеративных почках черешни в 1,5-2 раза выше, чем в вегетативных почках (П. А. Комарницкий). В почках, которые трансформируются в плодовые почки, уменьшается содержание гистонов*, повышается концентрация РНК, что способствует усилению синтеза соответствующих белков-ферментов.
* В хромосомах ядра обнаружено четыре типа гистонов. По-видимому, некоторые виды их контролируют структуру, а не активность генов. Возможно, что различные типы гистонов обусловлены разной реактивностью генов.
Таким образом, представление о развитии растения в аспекте молекулярной биологии как процессе, который запрограммирован последовательной упорядоченной репрессией и дерепрессией отдельных структурных единиц генома, подтверждается еще и тем, что отдельные продукты генома появляются лишь в определенных клетках в соответствующие фазы онтогенеза. Переход на обусловленный путь развития (морфогенетическая индукция) заключается в том, что приводится в действие определенная программа, которая содержит все последовательные изменения и реакции, необходимые для жизненного цикла растительного организма. Эти реакции и изменения реализуются при участии экзогенных факторов среды.
М. X. Чайлахян, анализируя роль автономного и индуцированного механизмов регуляции цветения у различных по своей фотопериодической реакции видов растений, также приходит к заключению, что такие механизмы присущи всем видам. Общей основой автономного и индуцированного механизмов является генетический аппарат, который получает от внешней среды сигналы, информацию через аппарат гормональных воздействий, приводит в действие индуцированный механизм регуляции цветения растений. Другими словами, фитогормоны входят в кибернетическую систему, которая в сочетании с энергетической системой управляет развитием растительного организма.