CC BY
120
УДК 581.1
ПРОБЛЕМЫ ПРОНИКНОВЕНИЯ ЖЕЛЕЗА В РАСТЕНИЯ
В.В. Иванищев
Приведены данные, касающиеся механизмов проникновения железа в растение и его переноса там. Показано, что в разных растениях функционируют две стратегии поглощения железа, которые характеризуются наличием специфических компонентов. Одна характерна для двудольных и незлаковых растений, а другая - только для злаков. Показано, как много исследований молекулярно-генетического характера проведено на рисе, а также отмечены успехи в повышении содержания железа в его семенах.
Ключевые слова: ионы железа, механизмы поглощения, перенос железа, гены для обогащения зерна железом.
Введение
Железо относится к группе тяжелых металлов, и ему принадлежит одна из важнейших ролей в обеспечении жизненных явлений. По используемым количествам в организме его относят к микроэлементам. Незаменимым оно является вследствие того, что выполняет определенные функции, часто связанные с переносом электронов благодаря способности иметь разную степень окисления. При этом железо незаменимо не только для теплокровных животных и человека, у которых оно вовлечено в обеспечение организма кислородом, но и для растений, поскольку выполняет, прежде всего, уникальные функции в процессах фотосинтеза и дыхания.
Сложность перехода ионов железа в растворимое состояние создает проблему их поглощения корнями растений, что негативно сказывается не только на биохимических и физиологических процессах и реакциях, но и, как следствие, на внешнем виде растений. Наблюдаемые эффекты обозначают термином хлороз, но проявляются они в виде разных «бронзовых» пятен, «разводов» и других изменений [1]. При этом проблемы перехода ионов железа в доступное для растений состояние определяется многими факторами. Среди них можно отметить не только особенности почвы, наличие различных веществ в ней, но и способность растений влиять на свойства окружающей среды путем выделения различных соединений, в том числе органической природы. Это позволяет им оказывать влияние на растворимость минералов и более полно использовать их для собственного жизнеобеспечения.
Значение железа для протекания важнейших жизненных процессов приводит к тому, что от его доступности для поглощения зависит биологическая и хозяйственная продуктивность растений. Это важно, прежде всего, для эффективного использования земель сельскохозяйственного назначения, что весьма существенно с позиций
экономики сельскохозяйственного производства. При этом необходимо понимать, что доступность железа сопряжена с еще одной проблемой, которая состоит в физиологических и биохимических возможностях растений поглощать ионы этого элемента и перераспределять их внутри себя благодаря различным механизмам. У некоторых растений такое перераспределение настолько эффективно, что позволяет им выживать в условиях высокой доступности ионов металлов.
В научной литературе вопросы, связанные с поступлением железа в растения и его перераспределением там, описаны недостаточно четко и изобилуют многочисленными отвлечениями, что не позволяет очертить некие границы в понимании этого вопроса. Поэтому цель данной работы состояла в создании ясной картины того, как поступает и перераспределяется железо внутри растения.
Проникновение железа в растения через корни
Железо в основном поглощается растениями после того, как оно из преобладающей в почвенном растворе формы Fe3+ восстанавливается до Fe2+ для проникновения и транспортировки в ткани корня. Показано, что для восстановления железа корнями требуются как кислород, так и фотосинтетические субстраты. Clarkson и Sanderson [2] заметили, что кончики корней в 1-4 см от апикальной зоны поглощают и переносят больше железа, чем остальная часть корня. Корни винограда при вызванном железом стрессе демонстрируют усиленное высвобождение протонов примерно с той же поверхности.
Поглощение железа растениями, как и любого метла, происходит быстрее всего, когда железо присутствует в ионной форме. В анаэробных почвах высокие концентрации ионов железа могут привести к явлениям токсичности из-за его чрезмерного поглощения организмами. Растения могут ограничить поглощение железа в этих условиях путем окисления ионов железа кислородом, который транспортируется из побега через аэренхиму [3].
Железо в аэробных почвах в основном присутствует в форме иона в осадках или в виде растворимых хелатов [1].
В ходе эволюции в растениях сформировались два разных механизма поступления железа, которые называют стратегией I и стратегией II. Стратегия I основана на извлечении железа двудольными и не злаковыми однодольными в ответ на дефицит железа при стрессе, а стратегия II описывает явления, которые обнаружены только в злаковых однодольных растениях. Таким образом, хемотаксономическая граница для двух стратегий пролегает между высшими растениями и травянистыми
[4].
Стратегия I характеризуется развитием корневых волосков и переносящих клеток, усилением вытеснения протонов в ризосферу для
т- 3+
улучшения растворимости Бе , повышением накопления железо-хелатредуктаз и широкого спектра переносчиков металлов в плазматической мембране корневых клеток, способствующих поглощению Бе2+ [5].
Стратегия II характеризуется выделением злаковыми культурами в окружающую почву фитосидерофоров - веществ семейства мугиновых кислот [6], которая возникла, возможно, как приспособление к щелочным почвам, где подкисления ризосферы путем выделении протонов в среду трудно достичь.
Виды растений, обладающих стратегией I, демонстрируют один или несколько из следующих адаптивных компонентов: 1) индуцированное дефицитом железа усиление восстановления Бе 3+ до Бе2+ на поверхности корней с преимущественным поглощением Бе2+; 2) выделение протонов, которое способствует восстановлению ионов железа; и 3) в некоторых случаях выделение в почву восстановительных и/или хелатных веществ корнями.
Усиленное снижение концентрации Бе3+ при железодефиците является наиболее типичной особенностью стратегии I, что вызывается активацией "редуктаз", расположенных на плазматической мембране и предположительно в клеточной стенке (апопласте) апикальных корневых зон. Показано также, что уменьшение Бе+3-редуктазой хелатного железа корня в большей степени увеличивает растворимость железа, ввиду того что Бе+2 более растворим, чем Бе+3. Восстановление железа также подготавливает его к восприятию переносчиками типа ШГ1 (т. е., специфическими транспортерами), которые переносят ионы двухвалентного железа через эпидермическую зону корня к мембране плазмы [1].
Все три компонента стратегии I (увеличение количества протонов, экспрессия гена хелатредуктазы железа и увеличение активности фермента, экспрессия ШГ1) заметно возрастают при выращивании растений в условиях дефицита железа.
Стратегия I используется большинством типов растений, включая модельное растение ЛтаЫ^р818 ^аНапа, что облегчило идентификацию ключевых генов стратегии I, таких как железоредуктаза-оксидаза (FRO2) (кодирует корневую хелатредуктазу железа [7] и ШП (кодирует специфический транспортер ионов этого металла).
Системы стратегии II (которой обладает большинство основных мировых зерновых культур) характеризуются индуцированным из-за дефицита железа высвобождением специфических "фитосидерофоров" для образования хелатов с ионами Fe3+, а также системой их поглощения с высокой аффинностью (транспортный белок). Как следствие, виды растений с такой системой оказываются высокоэффективными при экономически обоснованном внесении форм железа, включая растворимый
(при определенных условиях) неорганический ион Fe3+ (например, в форме гидроксида железа). Считается, что хлоротичные листья могут посылать сигнал корням, побуждая их к развитию реакций, но только корни эффективных сортов могут улавливать и понимать "сигнал хлороза" [1].
Фитосидерофоры химически существенно отличаются от сидерофоров бактерий и грибов, и относятся к классу соединений, называемых мугиновыми кислотами (МК). Они синтезируются из L-метионина. Фермент никотианамин-синтаза (NAS) преобразует три молекулы S-аденозилметионина (SAM) в никотианамин (NA), который затем трансформируется в З'-кето-промежуточное соединение NA-аминотрансферазой (NAAT). Это промежуточное звено необходимо для того, чтобы синтезировать дезоксимугиновую кислоту (DMA) при участии соответствующего фермента с последующим ее выделением в ризосферу через транспортер MAsl [8].
Гены биосинтетического пути синтеза MK были клонированы и охарактеризованы в ячмене, рисе, кукурузе и пшенице [9]. Экспрессия этих генов в значительной степени регулируется дефицитом железа через транскрипционную регуляцию соответствующих компонентов, необходимых, в т.ч., для синтеза и выделение мугиновых кислот.
Злаковые растения выделяют эти кислоты, которые далее связывают и растворяют ионы трехвалентного железа, в результате чего комплексы Fe(III)-MK переносятся в растение с помощью семейства транспортеров (YSL) на поверхности корней. Нарушение в синтезе этого белкового транспортера вызывает появление на листьях желтых полос у кукурузы, что было показано в работе [10]. Белки этого типа отдаленно связаны с семейством транспортеров олигопептидов, они были идентифицированы в нескольких видах трав. Указанные транспортеры переносят протон в сочетании симпорта с комплексами железа-(Ш) с фитосидерофорами. Транспортная активность и специфичность этих транспортеров из кукурузы (ZmYSL), ячменя (HvYSL) и риса (OsYSL15) были изучены в клетках дрожжей и в ооцитах Xenopus leavis [10].
У ряда микроорганизмов в ходе эволюции были сформированы различные адаптационные механизмы для смягчения последствий дефицита железа, что позволяет им оптимизировать поглощение металлов из едва доступных источников. Поэтому важная роль в процессе поглощения железа растениями может быть связана и с жизнедеятельностью микроорганизмов, тесно взаимодействующих с корневой системой растения. Так, Sharma и др. [11] показали, что увеличение содержания железа в растениях риса связано с усилением работы ризобактерий, способствующих росту растений. Авторы пришли к выводу о том, что применение штаммов ризобактерий, стимулирующих рост растений, является важной стратегией борьбы с проблемой дефицита железа в посевах риса и, как следствие, в питании человека.
Другие пути поступления железа в растения и его распределение
Показано, что поглощение различных веществ и ионов листьями растений может быть аналогично поглощению корнями, причем основным этапом является транспорт через плазмалемму. Транспорт через плазмалемму - это активный процесс, в котором скорость поглощения веществ во многом определяется физиологическим состоянием листьев. В тканях листьев, в отличие от корня, этот процесс поглощения обычно не является ограничивающим шагом в поглощении ионов. Наличие микроэлемента на поверхности листьев напрямую связано с растворимостью в воде его ионов и/или применяемых для обработки соединений.
Когда растворимость Бе+2 достаточно высока в широком диапазоне рН, этот элемент легко окисляется до Бе3+, который имеет тенденцию осаждаться в виде плёнки гидроксида даже при низких уровнях рН. Образование такого нерастворимого продукта обездвижило бы элемент на поверхности листа. Однако хелатирование улучшает растворимость железа в воде, и это свойство может объяснить меньшую степень поверхностного удержания и, следовательно, более высокое поглощение в виде хелатов [1]. При этом также показано, что у растений гороха железо и цинк легче проникали через кутикулу в виде свободных ионов [12], хотя с железом у цитрусовых получен противоположный результат. Также показано, что проникновение веществ через кутикулу является диффузным процессом, на который влияет температурный и концентрационный градиенты [1].
Поскольку поступление железа в растения происходит, главным образом, через корневую систему, поэтому далее акцентируем внимание именно на этом пути с дальнейшим проникновением из корня в побег.
Первыми в растениях были идентифицированы элементы, реагирующие на дефицит железа (ГОЕ1 и ГОЕ2). Далее в геноме растений риса были обнаружены три гена, кодирующие синтазу никотианамина, продукт которой (никотианамин) используется для синтеза мутагиновой кислоты и ее производных, необходимых для связывания и переноса в растение ионов железа (и других металлов). Проникновение растворимых форм железа через корни происходит при участии специфических переносчиков, среди которых можно отметить белки ТОМ1, YSL15, ШЛ, NRAMP1, NRAMP5, PEZ2 ^Ыг et б1., цит. по [1]).
После проникновения железо переносится из корней в побеги в виде цитратной соли хелата-Fe, который поступает в активно растущие зоны побегов. При этом дальнейший транспорт внутри растения происходит при участии переносчиков, представленных целым семейством белков, для которых в геноме риса обнаружено целое семейство из 18 генов YSL [13]. Некоторые из них хорошо охарактеризованы. Также показано, что отдельные белки этого семейства (и, следовательно, гены)
также вовлечены в перенос и других металлов, например, марганца, цинка и пр. [1].
Кроме того, гены изоформ синтазы никотианамина OsNAS1, OsNAS2, and OsNAS3, по-разному регулируются присутствием в клетке ионов железа, но все они также вовлечены в перенос железа на большие расстояния [14]. Поэтому складывается впечатление, что никотианамин, ферменты для его синтеза (NAS) и синтез фитосидерофоров играют важную роль не только в поглощении форм железа в корневую систему, но и участвуют в переносе металла на дальние расстояния в растении [1].
При этом показано, что стресс, вызванный присутствием железа, не меняет окислительно-восстановительный потенциал сока по сравнению с таковым у деревьев без стресса. Поскольку железо движется в виде цитратного комплекса, его стабильность при транспортировке будет частично определяться как рН, так и окислительно-восстановительным потенциалом. Поэтому подобные изменения среды не должны радикально меняться во избежание осаждения железа в виде малорастворимых гидроксидов и образования плёнок [1].
Пути увеличения содержания железа в растениях
Безусловная потребность в ионах железа для физиологии и биохимии живых систем приводит к тому, что дефицит железа является одним из самых распространенных феноменов в мире. По некоторым оценкам, это явление затрагивает два миллиарда человек, причем нехватка железа в организме человека приводит примерно к 0,8 миллиона смертей во всем мире. Дефицит железа занимает шестое место среди факторов риска смерти и инвалидности в развивающихся странах с высоким уровнем смертности.
По этой причине необходимость добавок питательных микроэлементов, обогащение ими пищевых продуктов и биообогащение (растений) - это три основных подхода, используемых для уменьшения дефицита питательных микроэлементов. Рис, как главная зерновая культура мира, является в этом аспекте особенно подходящим объектом для биообогащения. При этом железодефицитная анемия является серьезной проблемой в развивающихся странах, где рис является основной основной культурой [1].
Биообогащение предполагает повышение содержание ионов металла в растениях без существенного влияния на их рост, развитие и продуктивность. Поэтому важно искать пути, с помощью которых можно было бы создать растения, обладающие механизмами внутриклеточного накопления и сохранения там железа. При этом показано, что у разных растений пределы накопления ионов этого металла могут значительно (примерно в 15 раз) различаться. Так, пределы накопления для разных
сортов риса составляют от 6-22 мг/100 г, для кукурузы - 10-160, для пшеницы - 15-360 [15].
Такое накопление обеспечивается специальной группой белков под названием ферритины - это крупные белки с центральной полостью, в которой может содержаться до 4500 атомов железа в виде ферригидрита. Они способны высвобождать ионы при необходимости и таким образом выполнять важную роль в процессах внутриклеточного хранения железа для поддержания гомеостаза. При этом показана экспрессия некоторых изоформ ферритина при избытке железа [1].
Среди путей, с помощью которых можно повысить содержание железа в семенах (и, возможно, иных частей растений) растений, можно отметить следующие.
Первый состоит в создании трансгенных растений, способных накапливать повышенные количества ферритина для связывания ионов железа. Это кажется продуктивным, поскольку показано, что железо, хранящееся в виде соединений с ферритином сои, легко усваивается желудочно-кишечным трактом человека [16]. По этой причине считается, что железо, хранящееся в в таком виде может быть важным источником, который люди могут использовать, чтобы избежать дефицита железа [1].
Другой подход предусматривает активацию генов, связанных с синтезом никотианамина, который является хелатором катионов металлов. При этом также показано, что все высшие растения синтезируют и используют никотианамин для внутреннего транспорта железа и других металлов. Для растений риса показано наличие трех генов фермента никотианаминсинтазы (NAS): OsNAS1, OsNAS2 и OsNAS3. Они по-разному регулируются железом, и все они экспрессируются в клетках, участвующих в переносе железа на большие расстояния [1].
Третья возможность состоит в усилении притока железа к семенам благодаря активации гена переносчика Fe+2-никотианамина OsYSL2, который, в основном, экспрессируется в клетках листовой флоэмы, в сосудистых пучках цветов и в развивающихся семенах, что предполагает его значительную роль во внутреннем транспорте железа. Основанием для этого является увеличение содержания железа в семенах трансгенных линий риса [1].
Следующий путь включает биообогащение растений железом через усиление поглощения и транслокации ионов этого металла путем введения генов, ответственных за биосинтез мугиновой кислоты и ее аналогов. Основание для этого являются данные о том, что трансгенные линии риса, трансформированные фрагментами генома ячменя, включающими гены синтазы мутиновой кислоты (HvNASl или HvNASl и HvNAAT-A, -B или IDS3) обладали повышенным содержанием концентрации железа, а в семенах линии IDS3 оно составляло плюс 30-40% в сравнении с контролем при выращивании на почвах с достаточным количеством железа [17].
Пятая возможность для обеспечения роста поглощения железа из почвы может быть достигнута через повышенную экспрессию генов транспортера железа OsIRTl или OsYSL15. При этом увеличение содержания металла в семенах составило только 13% при 70%-ном росте -в листьях [18]. Более того, ген-модифицированные растения имели укороченный стебель и формировали меньшее количество побегов. По этой причине необходимо подбирать иной промотор, а не промотор убиквитина, который был использован в этих экспериментах. Так, повышенная экспрессия гена OsYSL15 с использованием промотора OsActinl обеспечила увеличение концентрации железа в семенах коричневого риса примерно в 1,3 раза против контроля при росте соответствующего показателя в листьях в 1,5 раза [19].
Очередной шестой, вариант модификаций для усиления поглощения и переноса железа в растения может быть достигнут с помощью избыточной экспрессии транскрипционного фактора OsIRO2, связанного с гомеостазом железа. Показано, что он участвует в регуляции нескольких ключевых генов, участвующих в поглощении железа, связанного с мугиновой кислотой (например, OsNASl, OsNAS2, OsNAATl, OsDMASl, TOM1 и OsYSL15) [20, 21]. Выделение в почву повышенного количества производных мугиновой кислоты приводило к трехкратному росту содержания металла в семенах трансгенного риса.
Следующий возможный путь связан с ослаблением переноса и накопления железа в вакуолях за счет вакуолярного транспортера OsVITl или OsVIT2. Установлено, что нокдаун или блокировка этого гена снижали содержание металла во флаговых листьях при повышении его содержания в зерне риса на 30-80% по данным разных авторов [1]. Однако, параллельное накопление кадмия в семенах, ставит новую проблему по качеству таких семян.
Кроме указанных выше путей некоторые авторы предлагают продолжить поиски новых целевых генов (OsNRAMPl, OsIRTl, OsZIP и APRT и др.). Однако данных об их влиянии на накопление железа в семенах пока нет [1].
Таким образом, накопленные результаты показывают многообразие подходов, которые могут быть использования для решения проблемы повышения содержания железа в семенах. При этом каждый случай реализуется в определенных условиях эксперимента, что не позволяет на сегодняшний день выбрать два-три направления, обещающих достаточно быстрое решение проблемы.
Список литературы
1. Rout G., Sahoo S. Role of iron in plant growth and metabolism // Reviews in Agricultural Science. 2015. V. 3. P. 1-24. doi: 10.7831/ras.3.1.
2. Clarkson D.T., Sanderson J. Sites of absorption and translocation of iron in barley roots // Plant Physiol. 1978. V. 61. P. 731-736.
3. Foy C.D., Chaney R.L., White M.C. (1978). The physiology of metal toxicity in plants // Annu. Rev. Plant Physiol. 1978. V. 29. P. 511-566.
4. Romheld V. (1987) Different strategies for iron acquisition in higher plants // Physiol. Plant. 1987. V. 70. P. 231-234.
5. Expression profiling of the Arabidopsis ferric chelate reductase (FRO) gene family reveals differential regulation by iron and copper / I. Mukherjee, N. Campbell, J. Ash [et al.] // Planta. 2006. V. 223. P. 1178-1190.
6. Mori S. Iron acquisition by plants // Curr. Opin. Plant Biol. 1999. V. 2. P. 250-253.
7. A ferric-chelate reductase for iron uptake from soils / N.J. Robinson, C.M. Procter, E.L. Connolly [et al.] // Nature. 1999. V. 397. P. 694-697.
8. Phytosiderophore efflux transporters are crucial for iron acquisition in graminaceous plants / Nozoye T., S. Nagasaka, T. Kobayashi [et al.] // J. Biol. Chem. 2011. V. 286. P. 5446-5454.
9. Cloning and characterization of deoxymugineic acid synthase genes from graminaceous plants / K. Bashir, Inoue H,, Nagasaka S. [et al.] // J. Biol. Chem. 2006. V. 281. P. 395-402.
10. Maize yellow stripe1 encodes a membrane protein directly involved in Fe (III) uptake / C. Curie, Z. Panaviene, C. Loulergue [et al.] // Nature. 2001. V. 409. P. 346-349.
11. Sharma A., Shankhdhar D., Shankhdhar S.C. Enhancing grain iron content of rice by the application of plant growth promoting rhizobacteria // Plant Soil Environ. 2013. V. 59. P. 89-94.
12. Ferrandon M., Chamel A.R. Cuticular retention, foliar absorption and translocation of Fe, Mn and Zn supplied in organic and inorganic form / J. Plant Nutr. 1988. V. 11. P. 247-263.
13. OsYSL2 is a rice metalnicotianamine transporter that is regulated by iron and expressed in the phloem / S. Koike, H. Inoue, D. Mizuno [et al.] // Plant J. 2004. V. 39. P. 415-424.
14. Three rice nicotianamine synthase genes, OsNAS1, OsNAS2 and OsNAS3 are expressed in cells involved in long-distance transport of iron and differentially regulated by iron / H. Inoue, K. Higuchi, M. Takahashi [et al.] // Plant J. 2003. V. 36. P. 366-381.
15. Critical evaluation of strategies for mineral fortification of staple food crops / S. Gómez-Galera, E. Rojas, D. Sudhakar [et al.] // Transgenic Res. 2010. V. 19. P. 165-180.
16. Lonnerdal B. Soybean ferritin: Implications for iron status of vegetarians // Am. J. Clin. Nut. 2009. V. 89. P. 1680-1685.
17. Increase in iron and zinc concentrations in rice grains via the introduction of barley genes involved in phytosiderophore synthesis / H. Masuda, M. Suzuki, K.C. Morikawa [et al.] // Rice. 2008. V. 1. P. 100-108.
18. Lee S., An G. Over-expression of OsIRTl leads to increased iron and zinc accumulations in rice // Plant Cell Environ. 2009. V. 32. P. 408-416.
19. Disruption of OsYSL15 leads to iron inefficiency in rice plants / S. Lee, J.C. Chiecko, S.A. Kim [et al.] // Plant Physiol. 2009. V. 150. P. 786-800.
20. The rice bHLH protein OsIRO2 is an essential regulator of the genes involved in Fe ptake under Fedeficient conditions / Y. Ogo, R.N. Itai, H. Nakanishi [et al.] // Plant J. 2007. V. 51. P. 366-377.
21. OsIRO2 is responsible for iron utilization in rice and improves growth and yield in calcareous soil / Y. Ogo, R.N. Itai, T. Kobayashi [et al.] // Plant Mol. Biol. 2011. V. 75. P. 593-605.
Иванищев Виктор Васильевич, д-р биол. наук, профессор, зав. кафедрой, avdey_VV@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого
PROBLEMS OF IRON PENETRATION INTO THE PLANTS
V. V. Ivanishchev
The brief review contains data on the mechanisms of iron penetration into the plant and its transport there. It has been shown that in different plants there are two strategies for iron absorbance, which are characterized by the presence of specific components. One is characteristic for dicotyledonous and non-cereal plants, and the other is only for cereals. It is shown how many studies of molecular genetics character were carried out on rice, and successes in increasing the iron content in its seeds were also noted.
Key words: iron ions, absorption mechanisms, iron transfer, genes for grain enrichment with iron.
Ivanishchev Viktor Vasilyevich, Doctor of Biology, Professor, Head of the Department, avdey_VV@mail.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University
