Обратимая трансформация хромопластов
В 1883 г. A.Meyer, изучая пластиды корнеплодов моркови, впервые описал позеленение хромопластов на свету. A.Schimper установил, что лейко-, хлоро- и хромопласты фактически являются гомологичными клеточными органеллами, которые могут взаимопревращаться.
С тех пор идея об обратимости пластидного метаморфоза, в том числе и о способности хромопластов превращаться в другие типы пластид, была общепринятой. Однако исследования, выполненные с использованием электронной микроскопии, показали сходство в ультраструктурной организации хромопластов глобулярного типа с пластидами пожелтевших листьев.
Поскольку последние образуются из хлоропластов зеленых листьев в результате деградативных процессов, A.Frey-Wyssling и его сторонники заключили, что хромопласты, по аналогии с пластидами пожелтевших листьев, являются продуктом дегенерации и деградации функциональных пластид и поэтому неспособны превращаться в лейко- или хлоропласты.
Более того, эти авторы утверждали, что хлоропласты не могут превращаться в лейкопласты и высказали мнение о монотропном превращении пластид согласно следующей схеме:
Точка зрения о хромопластах как пластидах, находящихся в состоянии разрушения, нашла поддержку специалистов и была отражена в многочисленных руководствах, справочниках и других работах по ультраструктуре растительных клеток.
Однако W.Straus, изучая пластиды корнеплодов моркови, наблюдал промежуточные формы между хромо- и хлоропластами после освещения корнеплодов, подтвердив тем самым выводы, сделанные A.Meyer и A.Schimper, a F.Schotz и F.Senser описали обратимую трансформацию пластид у мутантных форм энотеры.
Возможность превращения хромопластов в хлоропласты в последующем была продемонстрирована на многих объектах с использованием электронной микроскопии.
Пластиды желто-зеленых плодов
Кожура плодов апельсинов, выращиваемых в южной Калифорнии, достигает максимальной оранжевой окраски в зимние месяцы, а в дальнейшем (весной и летом) зеленеет. На степень позеленения влияют температура и условия питания, а также гиббереллат калия.
W.Thomson et al. изучали ультраструктурные изменения пластид в течение позеленения кожуры зрелых апельсинов после погружения последних в раствор гиббереллата калия. В хромопластах, оранжевых плодов обнаружено большое количество электронно-плотных пластоглобул (800 нм в диаметре) со слаборазвитой мембранной системой.
Отмечались также небольшие везикулы, образовывавшиеся, по всей вероятности, от внутренней мембраны оболочки. Другая часть везикул была видна свободной в периферических участках стромы, а некоторые везикулы находились в непосредственной связи с гранальными мембранами.
Пластиды плодов со светло-зеленой окраской имели хорошо развитые граны, хотя по степени развития внутримембранного комплекса отдельно взятые пластиды значительно варьировали между собой. В одних органеллах внутримембранная система была развита слабо, в других занимала большую часть ппастидного объема.
Пластиды светло-зеленых плодов содержали большое количество электронно-плотных пластоглобул. Плоды апельсинов, обработанные гиббереллатом калия, к концу эксперимента (через 4 мес. после обработки) приобретали более темную окраску, однако не столь глубокую, как в незрелых плодах.
Пластиды на этой стадии показывали большое разнообразие в структуре. Многие из них были идентичны с пластидами светло-зеленых плодов. Они имели хорошо развитую мембранную систему и большие электронно-плотные пластоглобулы. Другие органеллы по структуре не отличались от хлоропластов незрелых плодов с глубокой зеленой окраской.
В этих пластидах количество и размер пластоглобул были значительно меньше и они характеризовались более развитой мембранной системой. На основании выполненных исследований W.Thomson и его коллеги заключили, что в процессе позеленения плодов апельсина при хранении происходит превращение хромопластов в хлоропласты.
Они отмечают, что появление типичных хлоропластов в позеленевших плодах не объясняется их образованием из проиластид, поскольку в хранящихся плодах с оранжевой, желто-зеленой, светло-зеленой и зеленой окраской пропластиды со структурой, характерной для переходных форм между пропластидами и хлоропластами, не обнаруживались.
Авторы также заключили, что мембраны гран и межгранных элементов образуются в результате впячивания внутренней мембраны оболочки, рассматривая при этом обратимость хромопластного метаморфоза как функцию внутренней мембраны оболочки.
Принимая во внимание опубликованные ранее работы о необратимости пластид старых желтеющих листьев деревьев (в частности, работу S.Toyama и R.Ueda) и причисляя эти органеллы к хромопластам, W.Thomson и его коллеги предположили, что окончательная необратимость хромопластного метаморфоза наступает тогда, когда в результате изменения структурных и химических свойств пластидных мембран теряется способность последних образовывать везикулы.
Авторы также считают, что образование внутренней мембранной системы при становлении хлоропластов происходит за счет материала электронно-плотных пластоглобул хромопластов.
Б.Т. Матиеико с сотр. изучали изменение ультраструктуры пластид в клетках субэпидермиса желто-оранжевых плодов столового арбуза сорта Желтокорый. Эти плоды характеризовались наличием желто-оранжевых широких полос на коре, которые зеленели во время хранения. В клетках субэпидермиса желто-оранжевых участков плодов были обнаружены хромопласты, богатые осмиофильными глобулами (пластоглобулами).
Встречались также мелкие осмиофильные глобулы с округлым или овальным контуром, а также крупные осмиофильные образования с лопастным, разделенным и рассеченным контуром. Пластоглобулы группировались или были диффузно разбросаны по всей строме пластид. Довольно часто отмечались контакты между осмиофильными глобулами и ограничивающими мембранами пузырьков (везикул).
Матрикс крупных хромопластов представлял собой электронно-прозрачную массу, а мелких - обладал сравнительно повышенной электронной плотностью. Кроме этих пластид с типичной организацией хромопластов в клетках желто-оранжевых участков плодов авторы обнаруживали также пластиды с промежуточной структурой (хлорохромопласты или хромохлоропласты).
В пластидах с промежуточной организацией отмечались пузырьки и повышенное число хромолипидных глобул, характерных обычно для хромопластов, а также отдельные граны из слабовыраженных тилакоидов подобно хлоропластам и повышенная,электронная плотность матрикса. При контрастировании уранилацетатом и цитратом свинца наблюдались структуры, напоминающие рибосомы, а также электронно-плотные лопастные образования.
Типичные хромопласты и пластиды с промежуточной организацией распределены в клетках субэпидермального слоя в определенном порядке. Чаще всего они встречались в одной и той же клетке, независимо от глубины залегания в толще субэпидермального слоя.
Однако типичные хромо пласты приурочены главным образом к клеткам, расположенным во внутренней части субэпидермальной зоны, подальше от поверхности плода. В наружных клетках типичных хромопластов меньше, а пластид с промежуточной организацией больше.
Пластиды субэпидермальных клеток зеленеющих участков коры имели сходство с хромопластами и хромохлоропластами желто-оранжевых участков. Однако отмечались и некоторые различия: внутри пластид зеленеющих участков массы лопастных образований расслаивались и формировались тилакоиды, сходные с таковыми гран зеленых пластид. В строме наблюдались и группы тилакоидов, расположенные, как и у зеленых пластид.
Эти органеллы имели меньше пузырьков, чем хромопласты. Внутри пластид зеленеющих участков с более интенсивной зеленой окраской авторы наблюдали полное исчезновение лопастных осмиофильных образований и образование на их месте 4-5 и более гран. При усилении зеленой окраски увеличивалось число тилакоидов в пластидах и образовывались тела, сходные с полирибосомами.
Полисомоподобные образования обычно были сосредоточены в определенных участках хромопластов с более электронно-прозрачным содержанием. Кроме участков с полисомами, по всему матриксу хромопластов разбросаны отдельные рибосомоподобные гранулы. В электронно-плотных лопастных осмиофильных образованиях при Двойном контрастировании повышалась электронная плотность, что свидетельствовало об усилении процессов биосинтеза нуклеиновых кислот, белков и других веществ, в том числе и зеленых пигментов.
Авторы считают, что структурные изменения в процессе метаморфоза хромопластов в хлоропласта обусловлены и сопровождаются целым рядом биохимических перестроек. В частности, было показано, что появление ламелл и отдельных гран сопровождается увеличением содержания хлорофнллов а и в в пластидах при их позеленении. Количество каротиноидов при этом также возрастало.
Анализируя полученные результаты, Б.Т.Матиенко и его коллеги пришли к заключению, что в процессе позеленения желто-оранжевых участков плодов арбузов при хранении происходит превращение хромопластов в хлоропласты. Авторы отмечают, что основная масса пластид желто-оранжевых участков представлена хромопластами, а не промежуточными пластидами.
В то же время в позеленевших участках хромопласты и продукты их деградации не обнаружены. Все пластиды на этом этапе содержали граны на месте лопастных образований и были представлены типичными хромопластами. Z.Devide and N.Ljubesic описали превращение хромопластов в хлоропласты в субэпидермальной ткани тыквы.
Клетки темных меридиональных зон содержали типичные хлоропласты с высоким содержанием хлорофилла и высокой фотосинтетической активностью, а клетки светлых зон - менее развитые хлоропласты с менее многочисленными тилакоидами, низким содержанием хлорофилла и более низкой, но еще значительной фото-синтетической активностью.
В начале хранения плодов оба типа хлороплас тов развиваются в типичные хромопласты, содержащие плотную массу пластоглобул и редкие, едва заметные фрагменты остатков тилакоидов. Эти органеллы совсем не содержали хлорофилла и не обладали фотосинтетической активностью. Через 6 мес. хранения плоды экспонировали на свету.
При этом часть пластид изменяла цвет от оранжево-желтого в зеленоватый, независимо от того, в темной или в светлой зоне плода они находились. Увеличивалось содержание хлорофиллов и восстанавливалась фотосинтетическая активность. На срезах отмечались последовательные переходные фор мы от хромопластов до хлоропластов. Однако в желто-оранжевых полосах ни пропластид, ни органелл с остатками хлоропластных структур не обнаружено.
Установлено, что в клетках субэпидермиса тыквы имеет место трансформация хромопластов в хлоропласты. P.Gronegress описал превращение хромопластов в хлоропласты в корнеплодах моркови, которое происходило при освещении последних в течение двух дней при интенсивности света 8000 люкс. Клетки субэпидермального слоя паренхимы содержали только хромопласты.
Однако через 12, 24 и 36 ч после начала освещения в изучаемом слое клеток наблюдались пластиды, характеризующие последовательные этапы трансформации хромопластов в хлоропласты, а через 48 ч появлялись органеллы, показывающие все характерные признаки хлоропластов. В более глубоких слоях паренхимы позеленение хромопластов происходило несколько медленнее.
Поэтому, когда клетки субэпидермального слоя уже содержали хлоропласты, в более глубоких слоях кортекса можно было видеть все переходные формы пластид и хромопласты. P.Gronegress отмечает, что процесс превращения хромопластов в хлоропласты можно исследовать, изучая пластиды различных слоев корнеплода, освещенного в течение двух дней.
При этом получались результаты, аналогичные полученным при анализе пластид субэпидермального слоя в различное время после начала освещения. В данной работе также приведены снимки и описаны структуры пластид на различных этапах трансформации. Типичные хромопласты окружены оболочкой и содержат большие каротиновые кристаллы, локализованные во внутритилакоидном пространстве.
В процессе приготовления материала для электронной микроскопии пигменты обычно экстрагируются и поэтому на снимках вместо каротиновых кристаллов видны пустые пространства, окруженные мембраной тилакоида. Пустое пространство имеет форму каротиновых кристаллов, обнаруженных в хромопластах моркови. Обнаружены палочкообразные, загнутые или неправильные очертания этих образований.
В строме хромопластов присутствуют единичные тила-коиды различных размеров, иногда пластоглобулы. На снимках хорошо виден гранулярный материал, который, по мнению авторов, представлен рибосомами.
В дальнейшем содержание хлорофилла возрастало, достигая после 2 сут освещения в субэпидермальных клетках паренхимы 48 мкг/1 г сухого вещества, а каротиновые кристаллы полностью исчезали, завершалась дифференциация ламеллярной системы в граны и межгранальные тилакоиды, хотя еще были видны отдельные инвагинации внутренней мембраны оболочки.
Е.М.Недуха экспериментально подтвердила возможность превращения хромопластов моркови в хлоропласты, исследуя изменение ультраструктуры пластид в клетках эксплантата этой культуры. Она показала, что при перенесении эксплантата на свет (освещение люминесцентными лампами дневного света, 900 люкс) после 14-суточного выращивания их в темноте ткань постепенно зеленела.
Электронномикроскопическое исследование хромопластов показало, что при освещении клеток в течение 1 ч в последних заметны изменения. Пластиды эксплантата представлены исключительно хромопластами, окруженными оболочкой, состоящей из двух мембран, и мелкозернистой стромой, в которой расположены пластоглобулы, количество их иногда достигало 25 шт.
Часть пластоглобул обладала повышенной электронной плотностью, другая имела внутреннюю электронно-прозрачную область. Хромопласты содержали несколько кристаллов, а также трубчатый комплекс. После освещения в пластидах увеличивалось количество пластоглобул обоих типов и повышалась осмиофильность мембран провезикулярного тела с последующим образованием из них типичного проламеллярного тела диаметром 0,1-0,3 мкм.
Трубки, из которых состоит проламеллярное тело, образовывали решетку; расстояние между отдельными трубками составляло до 100 нм. В некоторых из них возникали про-ламеллярные тела, которые в дальнейшем давали начало тилакоидам. Количество тилакоидов в гране достигало 10-15 шт. После 2-суточного освещения эксплантата пластиды содержали довольно развитые тилакоиды гран и стромы.
Между тилакоидами стромы располагались пластоглобулы диаметром 20-80 им и овальные или округлые крахмальные зерна разного размера. На микрофотографиях хорошо видны кристаллы каротина в хлоропластах, что свидетельствует о превращении хромопластов в хлоропласты. Очевидно, в таких хлоропластах граны возникают не ранее, чем через сутки с момента освещения эксплантата, тогда как у обычных этиолированных растений они появляются через несколько часов или даже минут пребывания растений на свету.
Следовательно, хромопласты сохраняли способность к дифференцировке только в определенных условия. Таким образом, работы P.Gronegress и ЕЛ.Недухи убедительно показали, что хромопласты моркови способны трансформироваться в хлоропласты,
В дальнейшем P.Gronegress развил свои работы по изучению процессов трансформации хромопластов в хлоропласты с подключением других объектов. Соцветие Zantedeschia elliottiana окружено большим кроющим листом, который называется покрывалом, или обверткой.
В ходе развития соцветия покрывало изменяет свою окраску. Когда появляется соцветие, покрывало размером 5-6 см длины окрашено в слабо-зеленый цвет. В течение двух дней оно увеличивается до 8-10 см. Еще через 7 дней оно разворачивается и первоначально желтоватая внутренняя сторона приобретает золотисто-желтую окраску.
В дальнейшем зеленоватая внешняя поверхность также становится желтой. После окончания цветения внешняя, а затем и внутренняя поверхности опять становятся зелеными. Их окраска на этой стадии развития не отличается от окраски листьев.
Это относится только к субэпидермальным слоям внешней и внутренней поверхности обвертки. Бледно-зеленое нераспустившееся покрывало содержит хлоропласты со слаборазвитой ламеллярной системой.
Когда покрывало становилось желтым, количество осмиофильных включений в пластидах значительно увеличивалось: хлоропласты развивались в хромопласты. В хро-мопластах осмиофильные включения не сферические, как у хлоропластов, а гексагональные. Набухшие тилакоиды представлены во всех хромопластах.
Наблюдались также везикулы, трубчатые образования и другие структуры неизвестной природы и происхождения. Реже в хромопластах обнаруживалось скопление рибосомных частиц. При позеленении покрывала после цветения хромопласты постепенно превращались в хлоропласты. При этом наблюдалось увеличение количества тилакоидов, образовавшихся путем впячивания внутренней мембраны оболочки с получением гран.
Осмиофильные образования становились сферическими и постепенно исчезали. На последних этапах пластиды становились похожи на хлоропласты, ламеллярная система которых дифференцировала в гранальные и межгранные районы. Зрелые хлоропласты иногда содержали незначительное количество пластоглобул.
На этой стадии покрывало содержало 1,2 %, в то время как на стадии желтой окраски - только следы (0,006 %) хлорофилла при расчете на сухое вещество.
Кубышка желтая Nuphar lutea принадлежит к семейству Nymphaceae. Когда цветопочка появляется над поверхностью воды, чашелистики имеют зеленую окраску. В течение цветения они приобретают характерную желтую окраску. С началом развития семян чашелистики становятся зелеными и сохраняют эту окраску до их дегенерации.
Хромопласты содержат большое количество осмиофильных пластоглобул с небольшим количеством тилакоидов. С момента позеленения с началом развития семян на срезах часто отмечались концентрически устроенные тилакоиды с незначительным количеством стромы между ними. В строме также видны крахмальные гранулы, а между осмиофильными пластоглобулами заметны несколько тилакоидов.
В последующем концентрические тилакоиды исчезали, увеличивалось количество тилакоидов, сгруппированных в граны. Посте полного зеленения чашелистика (в процессе развития семян) клетки субэпидермальных слоев содержали только хлоропласты.
Автор определял содержание хлорофилла и показал, что в тканях желтого чашелистика его содержится 0,007 % в бледно-зеленых чашелистиках - 0,05, тогда как в полностью позеленевших - 1,4 % при расчете на сухое вещество. P.Gronegress отмечает, что для доказательства превращения хромопластов в хлоропласты необходимо соблюдение двух важных условий.
- Во-первых, необходимо показать, что во время изменения окраски органа постепенно изменяются структуры пластид, характерные для хромопластов, через переходные формы к структурам с хорошо развитой ламеллярной системой.
- Во-вторых, в зеленеющих тканях не должны встречаться разрушенные или разрушающиеся хромопласты, а также пронластиды.
Оба эти критерия выполнялись для Zantedeschia eUiottiana и кубышки желтой. Электронномикроскопические исследования тканей в процессе культивирования эксплантатов корнеплодов моркови in vitro в условиях темноты свидетельствуют также о возможности превращения хромопластов в амило-и лейкопласты.
Описаны и другие примеры обратимой трансформации хромопластов.