• У растений микротрубочки образуются во множественных сайтах
• После нуклеации микротрубочки могут перемещаться вдоль кортекса
• Белки, ассоциированные с микротрубочками, организуют их в параллельные пучки
• В ответ на воздействие гормонов гравитации и света структуры микротрубочек могут перестраиваться
Каким образом в клетках растений достигается столь высокая степень организации микротрубочек? Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо выяснить, как в клеточном кортексе формируются структуры, состоящие из микротрубочек, и как образуются входящие в него отдельные микротрубочки. В клетках растений нет специфического сайта нуклеации микротрубочек, аналогичного центросоме в клетках животных, и считается, что у растений множественные сайты нуклеации распределены по всей клетке.
Это связано с большими размерами вакуолизированных клеток растений. Частично нуклеация может происходить в области, примыкающей к поверхности ядра, поскольку иногда можно видеть выходящие оттуда микротрубочки. Часто это наблюдается сразу после цитокинеза. Однако во многих случаях, в зрелых элонгированных клетках, связанные с ядром микротрубочки исчезают, и остаются только кортикальные. Поэтому не исключено, что к моменту прекращения деления и начала элонгации растительной клетки сайты нуклеации микротрубочек распределяются по внутренней поверхности плазматической мембраны.
В соответствии с этим предположением было обнаружено, что нуклеация микротрубочек происходит во множественных сайтах, находящихся в кортексе. Эти сайты могут мигрировать по кортексу, находясь в связанном виде с теми микротрубочками, которые они нуклеируют. Вполне возможно также, что, по крайней мере в некоторых случаях, они способны открепляться от микротрубочек, которые затем включаются в состав кортикальных структур. Процесс высвобождения микротрубочек происходит с участием разрезающего белка катанина, который присутствует в клетках растений и влияет на организацию кортикальных микротрубочек.
Микрофотография нескольких микротрубочек, которые образовались из очищенного тубулина in vitro,
связанных между собой с помощью МАР65, филаментарного белка, ассоциированного с микротрубочками.
Белок связывает микротрубочки по длине через регулярно расположенные интервалы.
Корикальные микротрубочки представляют собой высокодинамичные структуры. При введении в клетки растений тубулина, содержащего флуоресцентную метку, он быстро включается по всей длине микротрубочек. Это обусловливается динамической нестабильностью микротрубочек, т. е. быстрым укорачиванием и возобновлением роста их плюс-концов.
Способность микротрубочек укорачиваться и возобновлять рост в новых направлениях обеспечивает возможность всей структуре принимать различную конфигурацию. Однако у растений микротрубочки не прикрепляются к центросоме, и дополнительная степень свободы их минус-концов позволяет кортикальным микротрубочкам продвигаться по внутренней поверхности плазматической мембраны. При тредмиллинге потеря субъединиц тубулина с минус-конца микротрубочки уравновешивается их добавлением к плюс-концу, что обеспечивает движение полимера. Однако кортикальным микротрубочкам свойственна гибридная форма тредмиллинга, при которой плюс-конец растет быстрее, чем сокращается минус-конец. Это позволяет микротрубочкам «ползать» по мембране.
Таким образом, процесс нуклеации микротрубочек распределен по кортексу, и затем микротрубочки за счет тредмиллинга продвигаются в разных направлениях. Каким образом в результате этого организуются структуры микротрубочек? Когда встречаются две «ползущие» микротрубочки, результат зависит от угла, под которым это происходит. Встреча под углом более 40° приводит к деполимеризации. Однако, когда растущие микротрубочки встречаются под углом менее 40°, они корректируют дальнейшее продвижение таким образом, что начинают расти в одном направлении (по типу «застежки молнии»).
Известно, что корикальные микротрубочки организованы в параллельные структуры. Не исключено, что такая организация поддерживается за счет регулярных поперечных мостиков, какие образует один из белков микротрубочек, МАР65. Учитывая особенности тредмиллинга, характер контактов и образование сшивок между микротрубочками, мы начинаем понимать, каким образом микротрубочки, вначале растущие в разных направлениях, переключаются на локальный рост в одном направлении. Пока, однако, неизвестно, как координируются эти события, в результате которых микротрубочки приобретают в клеточном кортексе одну и ту же ориентацию, даже в пределах группы клеток. Вероятно, определенную роль при этом играют гормоны растений.
Хотя обычно микротрубочки располагаются перпендикулярно длинной оси элонгированных клеток (в поперечном направлении), они могут размещаться по-другому. Иногда они наклонены по отношению к оси и образуют спиральные структуры, напоминающие полосы на вывеске парикмахерской. Они также могут располагаться параллельно длинной оси вместе с новообразованными слоями микрофибрилл целлюлозы, находящимися в той же ориентации. Переход к такому типу расположения от поперечного часто наблюдается в клетках, у которых прекратилась элонгация. Как показано на рисунке ниже, это характерно для клеток, выходящих из зоны роста и вступающих в зону дифференцировки.
Как показано на рисунке ниже, многие воздействия, оказывающие влияние на форму и рост растений, действуют на клеточном уровне, контролируя ориентацию микротрубочек. В качестве примера можно назвать газ этилен, который действует как гормон растений. Этот гормон вырабатывается самими растениями и высвобождается в местах повреждений их ткани, однако в экспериментальных условиях растения можно помещать в атмосферу этилена. В атмосфере этого газа растения становятся короче, и рост их задерживается, поскольку блокируется процесс элонгации клеток. Под действием этилена в клетках происходит переориентация микротрубочек по отношению к главной оси корень-побег и изменяется структура, в которой микротрубочки становятся перпендикулярными к одной из осей, параллельных главной.
Одновременно с перегруппировкой микротрубочек происходит отложение целлюлозы, так что клетки расширяются перпендикулярно оси («вбок»), а не вдоль нее. При этом образуются более короткие растения с толстыми стеблями. Еще один гормон, гиббериллиновая кислота, обеспечивает удлинение стебля и стимулирует изменение ориентации микротрубочек, при котором они снова располагаются перпендикулярно оси. При этом целлюлоза откладывается так, что клетки прекращают расширяться вбок, и начинается их элонгация. Известны также другие гормоны, которые влияют на рост растений, изменяя расположение кортикальных микротрубочек и направление расширения клеток.
Даже такие воздействия, как свет и гравитация, опосредованы изменениями в расположении микротрубочек. У растений, подвергнутых этим воздействиям, с противоположных сторон оси роста микротрубочки организованы по-разному, в соответствии с направлением расширения клеток Быстрая элонгация клеток с одной стороны стебля и ингибирование с другой ориентируют растение, поворачивая побег по направлению к солнцу, или корень в соответствии с направлением силы тяжести. Поэтому растения, растущие на одном месте, обладают «рулевым механизмом», контролирующим сайты элонгации клеток корня или стебля, причем существенную роль в этом играют микротрубочки.
Слева показан растущий корень Arabidopsis.
Отдельные участки корня, окрашенные на тубулин, показывают,
что микротрубочки в активно растущих клетках остаются в поперечной ориентации,
однако, по мере достижения клеткой полной длины, она меняется на продольную.
На фотографиях представлена клетка ткани стебля проростка гороха.
В клетки вводили тубулин, содержащий флуоресцентную метку.
При этом микротрубочки начинали флуоресцировать красным цветом.
В течение примерно полутора часов микротрубочки изменяли расположение с поперечного (слева) до продольного (справа),
через промежуточное положение (в центре). Возможен также переход из продольного в поперечное положение.
Гормон роста растений, этилен, меняет ориентацию от поперечной к продольной,
а гиббереллиновая кислота — в противоположном направлении.
Благодаря влиянию на ориентацию микротрубочек эти гормоны контролируют направление роста растений.
