ИСТИНА

Пыльцевое зерно покрытосеменных растений – прекрасный объект для изучения индукции морфогенеза и поддержания полярного роста на клеточном уровне. В то же время, эффективность прорастания пыльцы и скорость роста пыльцевой трубки в значительной мере определяет успех репродуктивного процесса у растений. Для инициации полярного роста необходима комплексная подготовка, которая обеспечивается согласованной работой стеночных ферментов и АФК в стенке [1], ион-транспортных систем в плазмалемме [2,3] и внутриклеточных механизмов, которые участвуют в активации метаболизма и перераспределении органелл [4,5]. В связи с загрязнением экосистем соединениями тяжелых металлов изучение их действия на растения на клеточном и молекулярном уровне приобретает особую актуальность. Никель и медь являются распространенными промышленный токсикантами, однако их влияние на морфогенетические процессы у растений практически не изучено. Установлено, что присутствие Сu2+ и Ni2+ ингибирует прорастание пыльцы [6–9], однако механизмы их действия на этот процесс не были изучены. Данная работа посвящена исследованию механизмов действия Ni2+ и Cu2+ на мужской гаметофит табака. Сu2+ в концентрации 100 мкМ полностью блокировала прорастание, но пыльцевые зерна сохраняли жизнеспособность. При этом перераспределение органелл в цитоплазме пыльцевого зерна, характеризующее готовность к полярному росту, было полностью заблокировано. В качестве возможных мишеней мы рассматривали ион-транспортные системы плазмалеммы и полимеры клеточной стенки. Под действием 100 мкМ меди происходила гиперполяризация плазматической мембраны и защелачивание цитоплазмы. Эти эффекты говорят об активации Н+-АТФазы плазмалеммы. Транспорт ионов К+ и Сl¯ не изменялся в присутствии меди. Обнаруженные эффекты значительно отличаются от тех, которые наблюдали в соматических клетках. Это указывает на своеобразие пыльцевого зерна как объекта, в котором ион-транспортные системы активно работают при подготовке к запуску полярного роста. С другой стороны, под действием меди изменялись механические свойства клеточной стенки: снижалась ее прочность. Обращение эффекта при добавлении тушителя DMSO говорит об участии в этом процессе Сu2+-индуцированного •OH. Можно заключить, что нарушение баланса между различными видами АФК и, следовательно, локальное изменение механических свойств клеточной стенки вносит существенный вклад в остановку прорастания под действием Сu2+. Никель ингибировал прорастание пыльцы в зависимости от концентрации, однако даже полное ингибирование при 1 мМ было обратимо, и пыльцевые зерна сохраняли жизнеспособность. Никель также ингибировал рост коротких пыльцевых трубок. Более длинные трубки не проявляли чувствительности к никелю или даже росли быстрее в его присутствии. Токсический эффект никеля мог быть связан как с проникновением в цитоплазму, так и с нарушениями в клеточной стенке. Оказалось, что реализуются оба механизма: никель вызывает как цитоплазматические, так и стеночные эффекты. В цитоплазме обнаружены две основные мишени: функционирование митохондрий (поглощение кислорода снижалось в присутствии металла) и везикулярный транспорт (распределение везикул было нарушено в большинстве коротких трубок). Нарушение отложения одного из компонентов клеточной стенки – каллозы - было обнаружено как в пыльцевых зернах, так и в коротких трубках. Обнаруженные эффекты были не связаны с окислительным стрессом, поскольку содержание АФК в пыльцевых зернах оставалось на уровне контроля. В то же время, по результатам РМА, никель значительно снижал содержание кальция в пыльцевых зернах. Мы можем заключить, что основным механизмом действия никеля на пыльцу является конкуренция с кальцием, которая, в свою очередь, может нарушать функционирование митохондрий и везикулярного транспорта, а также вызывать аномальное отложение каллозы. Разнообразие обнаруженных физиологических эффектов Ni2+ и Cu2+, предположительно, должно было найти отражение в изменениях ультраструктуры пыльцевых зерен. Это предположение подтвердили исследования, проведенные методом ТЭМ. Хотя ни Ni2+, ни Cu2+ не изменяли ультраструктуру цитоплазмы, однако оба металла изменяли организацию периплазмы в области апертуры в процессе активации пыльцевого зерна. Многочисленные мультиламмелярные мембранные тела, являющиеся выростами плазмалеммы, были видны в контрольных пыльцевых зернах, которые завершили гидратацию, однако лишь приступали к активации. Когда активация заканчивалась, плазмалемма распрямлялась и ММТ исчезали. В присутствии 1 mM Ni2+ или 100 µM Cu2+ ММТ оставались неизменными. Мы предположили, что ММТ представляют собой запасные мембраны, которые используются на начальных этапах полярного роста. Ni2+ и Cu2+ нарушают утилизацию этих мембран, и, таким образом, блокируют прорастание. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты 13-04-00624-a и 14-04-31431).