УДК 581.1:575.1

 

БИОСИНТЕЗ ФИТОГОРМОНОВ У ВОДОРОСЛЕЙ

© 2012 г. А. А. Киселева, Е. Р. Тараховская, М. Ф. Шишова

Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург

Поступила в редакцию 27.11.2011 г.

 

Рост и развитие водорослей, так же как и высших растений, находятся под контролем гормональной системы регуляции. Практически все известные фитогормоны идентифицированы в различных таксономических группах водорослей, и подтвержден спектр их физиологического действия. В то же время, представления о ферментах, участвующих в синтезе фитогормонов у водорослей, весьма ограничены. Еще более фрагментарны данные о генах, кодирующих эти ферменты. Современные данные о протеомах ряда водорослей позволяют выявить аминокислотные последовательности, имеющие гомологию с ферментами и их консервативными доменами, идентифицированными у высших растений. 

 

Ключевые слова: водоросли – фитогормоны – ИУК – цитокинины – АБК – гиббереллины

---------------------------------

Сокращения: CPS – копалилпирофосфатсинтаза; CYP79B2/CYP79B3 – цитохром P450 79B2/B3 (от cytochrome P450 79B2/B3); GGPP – геранилгераниолпирофосфат; NCED – 9-цис-эпокси-каротиноиддиоксигеназа (от 9-сis-epoxycarotenoid dioxygenase); NIT1 – нитрилаза (от nitrilase 1); PDS – фитоендесатураза (от phytoene desaturase); PSY – фитоенсинтаза (от phytoene synthase); SDR – короткоцепочечная дегидрогеназа/редуктаза (от short-chain dehydrogenase/reductase); TDC – триптофандекарбоксилаза (от tryptophane decarboxylase); ZEP – зеаксантинэпоксидаза (от zeaxanthin epoxidase).

Адрес для корреспонденции: Шишова Мария Федоровна. 199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9. Санкт-Петербургский государственный университет, биолого-почвенный факультет, кафедра физиологии и биохимии растений. Электронная почта: mshishova@mail.ru

ВВЕДЕНИЕ

Изучение метаболизма растительных гормонов привлекает внимание многих исследователей [1]. В настоящее время пути биосинтеза фитогормонов у высших растений достаточно хорошо изучены, и идет активное накопление данных о регуляции этих процессов на генном уровне. В то же время, особенности метаболизма гормонов у разных групп водорослей остаются во многом невыясненными. Сведения о регуляции биосинтеза фитогормонов у них пока фрагментарны и не систематизированы [2]. Причинами этого, очевидно, является большое разнообразие данной группы фотоавтотрофов, а также многочисленные методические трудности, возникающие при работе с этими объектами. В настоящее время у представителей различных групп водорослей обнаружены практически все известные растительные гормоны [3-5]. И хотя вопрос о наличии у этих организмов полноценной гормональной системы до сих пор окончательно не решен, роль фитогормонов в регуляции ключевых метаболических процессов у водорослей уже не вызывает сомнений [6-11].

Цель данной работы заключалась в систематизации данных о биосинтезе фитогормонов у водорослей, а также в проведении сравнительного анализа аминокислотных последовательностей, имеющих гомологию с ферментами синтеза гормонов у высших растений. В работе были использованы базы данных NCBI и Генбанка.

 

АУКСИНЫ

Ауксин является одним из важнейших регуляторов роста и развития растений. Под контролем этого гормона находятся такие процессы, как рост растяжением, формирование проводящих тканей, корнеобразование и многие другие [12]. Ауксин обнаружен в высших растениях, водорослях, микроорганизмах, грибах и даже некоторых животных [13, 14]. Концентрация фитогормона в тканях водорослей, как правило, несколько ниже, чем у высших растений [12]. Так, например, содержание индолил-3-уксусной кислоты (ИУК) в зиготах бурых водорослей Fucus vesiculosus и F. disticus составляет 2–9 нг/г сырой массы [8, 15], у прочих представителей бурых водорослей концентрация ИУК составляет в среднем 1–4 нг/г сырой массы, у красных водорослей - 5–10 нг/г сырой массы, и у зеленых водорослей - 11–12 нг/г сырой массы [16]. Однако у некоторых видов (например, у красной водоросли Polysiphonia urceolata) содержание гормона достигает 110 нг/г сырой массы, что существенно превышает характерные для покрытосеменных значения в 25-30 нг/г сырой массы [17]. 

Влияние ауксина на рост и развитие водорослей в целом соответствует спектру его физиологического действия у высших растений [5]. Он стимулирует образование ризоидов у ряда видов водорослей, подобно тому, как это происходит у мхов [8]. В клетках Chara globularis (Charophyta) при обработке ауксином происходят такие же изменения цитоскелета, как и у покрытосеменных растений [10]. В апикальных и интеркалярных зонах таллома красной водоросли Grateloupia dichotoma фитогормон стимулирует деление и растяжение клеток и/или подавляет ветвление, что также напоминает процессы, характерные для покрытосеменных [18]. Действием ауксина определяется поляризация зигот фукусовых водорослей, что подтверждается нарушением нормального развития зигот в присутствии ингибиторов полярного транспорта ИУК [8, 15].

Несмотря на то, что структура ИУК, самого распространенного природного ауксина, была установлена еще в 1930 г., метаболизм этого гормона исследуют до сих пор [19]. Некоторые детали биосинтеза ИУК окончательно не выяснены даже у высших растений. Их идентификация усложняется наличием в растительных клетках нескольких путей биосинтеза ауксина, предпочтительное использование которых может отражать различные этапы развития организма или являться ответом на воздействие факторов окружающей среды [20, 21]. Обычно выделяют два основных пути биосинтеза ИУК – триптофан-зависимый (рис. 1) и триптофан-независимый (рис. 2) [19]. Известны четыре соединения, образующиеся из триптофана, дальнейшие превращения которых могут приводить к образованию ИУК [22]. Ключевой реакцией индолил-3-пируватного пути является превращение триптофана в индолил-3-пируват под действием триптофан-аминотрансферазы. В дальнейшем происходит декарбоксилирование индолил-3-пирувата до индолил-3-ацетальдегида, при окислении которого образуется ИУК. Эти реакции катализируются, соответственно, индолил-3-пируватдекарбоксилазой и индолил-3-ацетальдегидоксидазой [23]. Третий путь включает в себя образование индолил-3-ацетальдоксима под действием монооксигеназы P450 (CYP79B2/CYP79B3 от cytochrome P450 79B2/B3). Индолил-3-ацетальдоксим может быть предшественником нескольких соединений, которые в итоге трансформируются в ИУК. К числу таковых можно отнести индолил-3-ацетальдегид, из которого в дальнейшем образуется ауксин в результате неизвестной ферментативной реакции [24], и индолил-3-ацетонитрил, который превращается в ИУК под действием нитрилаз (NIT от nitrilase). И, наконец, индол-3-алкилтиогидроксимат может образовываться из индолил-3-ацетальдоксима. Последняя реакция является ключевой “глюкозинолатной петли” и катализируется ферментом CYP83B1 (SUR2) [25]. Разновидностью этого пути является формирование индолил-3-ацетальдоксима из N-гидрокситриптамина, который синтезируется из триптамина при действии монооксигеназы YUCCA (у риса и арабидопсиса) [26], либо FLOOZY (у петунии) [27]. Триптамин образуется в процессе декарбоксилирования триптофана триптофандекарбоксилазой.

Соединениями, дающими начало триптофан-независимому пути биосинтеза ауксина, могут быть индол или индолил-3-глицерофосфат – интермедиаты пути синтеза триптофана [28]. Из этих соединений образуются индолил-3-ацетонитрил или индолил-3-ацетальдегид. Ферменты, катализирующие эти превращения, пока не изучены [25, 29]. 

В настоящее время активно исследуются гены, кодирующие ферменты различных этапов биосинтеза ауксина [30]. Анализ этих данных показывает, что основными ферментами биосинтеза ауксина, мутации по генам которых вызывают существенные нарушения развития растительного организма, являются флавин-зависимые монооксигеназы, триптофан-аминотрансферазу, различные цитохромы P450, триптофандекарбоксилазу, C-S-лиазы (SUR1) и NIT [23, 24]. Именно эти ферменты были использованы нами для дальнейшего анализа (табл. 1). 

YUCCA. Для Arabidopsis thaliana показано наличие нескольких ферментов, выполняющих данную функцию. При поочередном использовании в качестве матрицы представленных в табл. 1 белковых последовательностей арабидопсиса с помощью BlastP были выявлены аминокислотные последовательности водорослей, отличающиеся только параметром E value (т.е. степенью достоверности выравнивания). Они относятся (табл. 1) к семейству флавин-содержащих монооксигеназ, как и фермент YUCCA. Отметим, что E value имеет низкое значение, что доказывает гомологию этих последовательностей и указывает на возможное участие данных белков в выполнении той же функции, что и у арабидопсиса. Кроме того, представленные в базе данных NCBI характеристики данных аминокислотных последовательностей, также свидетельствуют о том, что функции, выполняемые данными ферментами, аналогичны.

FLOOZY. В связи с тем, что данный белок отсутствует в арабидопсисе, но выполняет ту же ферментативную функцию у Petunia ´ hybrida, для поиска в BlastP в качестве матрицы была использована аминокислотная последовательность, принадлежащая Petunia ´ hybrida. Но поскольку оба эти фермента, как YUCCA, так и FLOOZY, принадлежат одному семейству флавин-содержащих монооксигеназ, и их аминокислотные последовательности имеют значительную степень сходства (E value = 4e-170), то неудивительно, что спектр ферментов водорослей, обнаруженных в результате поиска BlastP относительно каждой из последовательностей, практически полностью перекрывается.

Триптофан-аминотрансфераза. Проведенный нами сравнительный анализ с помощью BlastP не выявил последовательностей со значимой степенью сходства. Последующее ознакомление с характеристикой последовательностей с наименьшим значением E value также не дало положительных результатов, т.е. для этих белков не показана функция триптофан-аминотрансферазы. Исходя из полученных данных, можно предположить, что у тестируемых групп водорослей с секвенированными протеомами отсутствует индолил-3-пируватный путь биосинтеза ауксина.

CYP79B2 и CYP79B3. Дальнейшее сравнение последовательностей белков-ферментов CYP79B2 и CYP79B3 обнаружило белки, относящиеся к тому же семейству цитохромов Р450, но степень их сходства с ферментами A. thaliana была незначительной. Кроме того, в числе функций этих белков не значится N-гидроксилирование триптофана. Также отметим, что результаты поиска BlastP относительно ферментов CYP79B2 и CYP79B3 не отличаются, что связано с тем, что у A. thaliana они являются не только функциональными гомологами, но и структурными.

Триптофандекарбоксилаза. Кроме приведенного в таблице фермента, принадлежащего Chlamydomonas reinhardtii, в ходе анализа были обнаружены и другие белки сходные с триптофандекарбоксилазой A. thaliana, однако функции декарбоксилирования триптофана до триптамина для них не выявлено, в то время как большинство из них являются декарбоксилазами ароматических аминокислот, таких как тирозин.

C-S-лиаза. Так же, как у A. thaliana, данные ферменты водорослей, которые были выявлены посредством BlastP, принадлежат к обширному семейству аспартат-аминотрансфераз, но функции участия в биосинтезе ауксина, для них не показано.

Цитохром P450 CYP83B1 (SUR2). В ходе проведенного сравнения нам не удалось идентифицировать последовательности, достоверно сходные с аминокислотной последовательностью фермента CYP83B1 A. thaliana. Так как этот фермент является ключевым для реакций глюкозинолатной петли, можно предположить, что у водорослей данный путь биосинтеза ИУК отсутствует.

Нитрилаза (NIT1). Как видно из табл. 1, BlastP-анализ выявил у Thalassiosira pseudonana фермент, для которого характерна нитрилазная активность, ведущая к образованию ИУК. Для ферментов остальных водорослей, приведенных в табл. 1, показано, что они являются нитрилазами, и даже близки по структуре к NIT1, но с уверенностью говорить об их роли в биосинтезе ауксина пока преждевременно.

Анализируя полученные данные, представленные в табл. 1, можно сделать вывод о том, что наиболее вероятным путем биосинтеза ауксина является его образование через триптамин, и далее через индолил-3-ацетонитрил, поскольку ферменты именно этого пути обнаружены у ряда водорослей, принадлежащих различным таксономическим группам. 

 

ГИББЕРЕЛЛИНЫ

Регуляторное действие гиббереллинов (ГК) хорошо изучено на высших растениях, однако данных о возможном влиянии этих гормонов на рост водорослей пока недостаточно. Гиббереллин-подобная активность была показана для следующих видов водорослей: Fucus vesiculosus,, F. spiralis (Phaeophyceae), Tetraselmis spp., Caulerpa paspaloides (Chlorophyta), Hypnea musciormis (Rhodophyta) [6, 30, 31]. Содержание гиббереллинов в тканях некоторых представителей водорослей, таких как Enteromorpha, составляет в среднем 100 мг/кг сырой массы [32]. Поскольку экзогенные гиббереллины вызывают усиление роста и удлинение таллома у бурых и красных макрофитов, можно предположить, что роль ГК у этих растений заключается в контроле роста осевых структур, подобно тому, как это происходит у высших растений [5].

С химической точки зрения гиббереллины представляют собой дитерпены, и начальные этапы образования этих гормонов могут проходить по одной из известных схем синтеза изопреноидов – через мевалоновую кислоту или же через метилэритритолфосфат [33, 34]. Анализ литературных данных позволяет прийти к заключению, что как у высших растений, так и у водорослей при синтезе гиббереллинов доминирует именно метилэритритолфосфатный путь, ферменты которого локализованы в пластидах [35-37]. Ключевой реакцией биосинтеза гиббереллинов является циклизация геранилгераниолпирофосфата (GGPP), приводящая к образованию энт-каурена. Это двухэтапный процесс, в котором участвуют два фермента: копалилпирофосфатсинтаза (CPS) и энт-кауренсинтаза. Циклизация GGPP осуществляется в пропластидах растущих тканей. Данные по локализации ферментов, осуществляющих дальнейшие реакции на пути биосинтеза гиббереллинов, свидетельствуют о том, что эти процессы протекают на наружной мембране пластид и в эндоплазматической сети [38, 39]. При этом механизм транспорта энт-каурена из пластид пока остается во многом неясным [40]. энт-Каурен превращается в физиологически активные гиббереллины, проходя серию окислительных реакций, катализируемых ферментами двух типов. На первом этапе реакции, катализируемые цитохром P450-зависимыми монооксигеназами, приводят к образованию гиббереллина ГК12 и его 13-гидроксилированного аналога ГК53. Дальнейшие превращения гиббереллинов, в том числе перевод их в неактивные формы, катализируются растворимыми диоксигеназами цитозоля, использующими в качестве косубстрата 2-оксоглутаровую кислоту. К этим ферментам, можно отнести ГК-20-оксидазу, 3β-гидроксилазу, 2-оксоглуторат-зависимую диоксигеназу [41-43]. Схема биосинтеза гиббереллинов представлена на рис. 3. В табл. 2 приведены данные об идентифицированных к настоящему времени аминокислотных последовательностях ферментов, предположительно участвующих в биосинтезе гиббереллина.

Копалил-пирофосфатсинтаза, энт-кауренсинтаза, оксидаза энт-кауреновой кислоты. К сожалению, нам не удалось выявить у водорослей последовательности, гомологичные искомым ферментам арабидопсиса, отвечающим за первичные этапы синтеза гормона. Тем не менее, можно предположить, что данный феномен свидетельствует о недостатке имеющихся в нашем распоряжении данных протеомов, а не об отсутствии у водорослей ферментов, обеспечивающих биосинтез гиббереллина.

ГК-20-оксидаза. Данный фермент ранее был охарактеризован у зеленой водоросли C. reinhardtii, и для него была доказана функция ГК-20-оксидазы. Тем не менее, он характеризовался лишь незначительным сходством с аналогичным по функции ферментом A. thaliana. В связи с этим, мы решили отступить от ранее использованного алгоритма и провели сравнение последовательностей с помощью BlastP, используя в качестве матричной аминокислотную последовательность C. reinhardtii, а не A. thaliana. В результате были идентифицированы последовательности, которые относительно фермента C. reinhardtii имели низкие значения E value, что является свидетельством значительного сходства этих последовательностей.

ГК-3β-гидроксилаза, ГК-2-оксидаза. Для A. thaliana показано наличие нескольких ферментов, выполняющих данную функцию. Проведенный поиск с использованием (поочередно) в качестве матрицы всех представленных в таблице последовательностей выявил ряд идентичных последовательностей. Приведенные в табл. 2 значения E value относятся к последовательностям NP_173008.1 и NP_1777965.1 соответственно. 

Наряду с этим отметим, что анализ ферментов ГК-20-оксидазы, ГК-3β-гидроксилазы и ГК-2-оксидазы выявил одни и те же белки водорослей. Это может объясняться тем, что все анализируемые ферменты принадлежат к одному семейству оксигеназ, так же как и обнаруженные белки водорослей. Возможно, в дальнейшем функции этих белков будут установлены точнее и доказано их непосредственное участие в синтезе ГК.

Следовательно, выявленные у водорослей белковые последовательности, гомологичные ферментам биосинтеза ГК полностью перекрывают спектр ферментов A. thaliana, участвующих в поздних этапах биосинтеза гиббереллинов. Следовательно, можно предположить, что путь синтеза ГК у водорослей не отличается от такового у высших растений.

 

ЦИТОКИНИНЫ

В настоящее время как изопреноидные, так и ароматические цитокинины, а также ряд их конъюгатов обнаружены у водорослей, что свидетельствует о наличии у них сложной системы взаимопревращения этих гормонов и регуляции их активности [5]. Различные цитокинины были идентифицированы в тканях представителей родов Cladophora, Ulva, Chlorella (Chlorophyta), Fucus, Ecklonia, Laminaria (Phaeophyta), Porphyra, Corallina, Gigartina (Rhodophyta), Euglena (Euglenophyta) и ряда других [9, 43, 44]. Концентрация гормона у различных представителей водорослей колеблется от 13 до 453 пмоль/г сухой массы [18]. Следует отметить, что для водорослей, по-видимому, не характерно большое разнообразие конъюгированных форм цитокининов [9]. По-видимому, функции неактивных глюкозидов при регулировании уровня гормонов в клетках отчасти выполняет преобладающий у водорослей цис-зеатин, который значительно менее активен, чем транс-изомер.

Влияние цитокининов на рост и развитие водорослей (стимулирование деления клеток, усиление роста, интенсификация ряда фотосинтетических процессов) полностью соответствует спектру биологического действия этих гормонов в тканях высших растений [46-48].

У высших растений биосинтез изопреноидных цитокининов может идти двумя разными путями. Прямой путь или биосинтез de novo включает в себя образование N6-изопентениладенозин-монофосфата (i6AMP) из АМФ и изопентенилпирофосфата. Это ключевая реакция биосинтеза, катализируемая изопентенилтранферазой [49]. Второй путь представляет собой образование цитокининов в результате изменения структуры тРНК, содержащей цис-зеатин. Несмотря на явный прогресс последних лет в расшифровке путей образования гормона, механизмы биосинтеза изопреноидных цитокининов до сих пор окончательно не изучены. В первую очередь, это относится к образованию ароматических гормонов [49, 50]. Предполагается, что для водорослей более характерен непрямой путь биосинтеза в результате деградации тРНК [9]. В табл. 3 представлены данные, позволяющие сравнить аминокислотные последовательности изопентенилтрансферазы у высших растений и у некоторых водорослей. 

Для всех представленных в табл. 3 водорослей идентифицированы ферменты, выполняющие функцию изопентенилтрансферазы. Таким образом, можно заключить, что у данных автотрофных организмов синтез цитокининов идет по пути, аналогичному таковому у высших растений и описанному выше. 

 

АБСЦИЗОВАЯ КИСЛОТА

Абсцизовая кислота (АБК) обнаружена у многих представителей разных таксономических групп водорослей (всего около 100 видов) [7, 51, 52]. Концентрация этого гормона в клетках водорослей составляет в нормальных условиях от 7 до 34 нмоль/кг сырой массы, что значительно ниже, чем в среднем у высших растений [11]. Сходное содержание АБК характерно для гидрофитных печеночных мхов. Так же, как и у высших растений, содержание этого гормона в тканях водорослей существенно увеличивается в стрессовых условиях. Подобный эффект был выявлен у представителей родов Dunaliella (при действии засоления, защелачивания среды, азотного голодания), Chlorella (засоления, повышенной температуры, высокой инсоляции), Stichococcus, Haematococcus (закисления среды, засухи) [53, 54]. В спорофитах бурой макроводоросли рода Laminaria отмечены сезонные повышения концентрации эндогенной АБК, положительно коррелирующие с развитием репродуктивных тканей [51]. Возможно, одна из функций АБК у этих водорослей состоит в регуляции перехода спорофита от стадии роста к стадии размножения.

Биосинтез АБК может идти либо по “прямому” пути – из изопентенилпирофосфата, либо образуется в результате распада каротиноидов [55]. Первый этап прямого пути биосинтеза АБК представляет собой синтез каротиноидов. Как и все изопреноиды, каротиноиды образуются из изопентенилпирофосфата (IPP), который синтезируется из пирувата и глицеральдегид-3-фосфата [55]. IPP превращается в С-20-геранилгераниолпирофосфат (GGPP). Превращение GGPP в С-40-каротиноид фитоин катализируется фитоинсинтазой (PSY от phytoene synthase). Впоследствии фитоин превращается в ζ-каротин, ликопин, β-каротин и далее до зеаксантина. Фитоиндесатураза (PDS от phytoene desaturase) катализирует превращение фитоина в ζ-каротин и является ферментом, специфичным для синтеза каротиноидов. Первая реакция, которую считают значимой для синтеза АБК, это превращение зеаксантина в транс-виолаксантин путем двухступенчатой эпоксидации. Но, тем не менее, это неспецифичная для синтеза данного фитогормона реакция, характерная также и для образования каротиноидов. Этот процесс катализируется зеаксантинэпоксидазой (ZEP от zeaxanthin epoxidase). Фермент(ы), вовлеченные в процесс превращения транс-виолаксантина в 9’-цис-неоксантин пока не обнаружены. Следующий шаг представляет собой окислительное расщепление 9-цис-виолаксантина и/или 9-цис-неоксантина с образованием ксантоксина. Ключевым ферментом в этом случае является 9-цис-эпоксикаротиноид-диоксигеназа (NCED от 9-сis-epoxycarotenoid dioxygenase). Возможны три варианта образования АБК из ксантоксина: через альдегид АБК, ксантоксиновую кислоту или через абсцизовый спирт. Последний вариант, как правило, является минорным и проявляется обычно только в мутантных особях, у которых невозможен синтез гормона по другому пути [56]. Фермент, обеспечивающий превращение ксантоксина в альдегид АБК, кодируется геном АВА2 арабидопсиса и родственен короткоцепочечной дегидрогеназе/редуктазе (SDR от short-chain dehydrogenase/reductase). Проявляющий сульфурилазную активность фермент, превращающий альдегид в АБК, кодируется у арабидопсиса геном АВА3. Также в процессе синтеза АБК принимают участие альдегидоксидазы (у арабидопсиса эти ферменты кодируются генами ААО1-4). При ингибировании этих генов в растении происходит накопление ксантоксина, что позволяет предположить, что ксантоксин является субстратом для альдегидоксидазы.

Данные о синтезе АБК у водорослей весьма фрагментарны. Исследование C. reinhardtii позволяют предположить наличие у этих одноклеточных зеленых водорослей неоксантин-опосредованного синтеза АБК [57]. В то же время, изучение влияния засоления на синтез этого гормона у D. salina [58] свидетельствует о том, что образование АБК проходит не через неоксантин, а с использованием фарнезилдифосфата - через различные иононовые производные [11]. Наличие данного пути синтеза АБК может быть характерно для представителей таксонов Heterokontophyta и Rhodophyta, у которых отсутствует неоксантин [57]. 

Поскольку первые этапы биосинтеза АБК совпадают с реакциями биосинтеза каротиноидов, можно было ожидать обнаружение сходных ферментов, катализирующих эти реакции, у широкого спектра водорослей. Как видно из табл. 4, в результате анализа у A. thaliana аминокислотных последовательностей ферментов PSY, PDS и ZEP было обнаружено значительное количество гомологов, принадлежащих разнообразным представителям водорослей, причем низкие значения параметра E value говорят о значимом сходстве. В то же время, для специфических ферментов биосинтеза АБК, таких как NCED и SDR, также обнаружены ферменты-гомологи, принадлежащие различным водорослям. 

Таким образом, опираясь на данные табл. 4, можно предположить, что поскольку у водорослей были обнаружены гомологи ферментов, участвующих в биосинтезе АБК, то и путь биосинтеза данного фитогормона будет таким же, что и у высших растений.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Завершая рассмотрение данных о ферментах синтеза ауксина, гиббереллинов, цитокинина и АБК у водорослей, можно отметить, что имеющиеся сведения все еще слишком немногочисленны, чтобы провести полноценное сравнение с высшими растениями и между разными таксономическими группами водорослей. Накопленные экспериментальные данные, тем не менее, позволяют охарактеризовать основные этапы синтеза регуляторов роста. Наиболее вероятным путем биосинтеза ауксина является его образование через триптамин, и далее через индолил-3-ацетонитрил. Идентифицированные ферменты биосинтеза ГК относятся к его завершающим этапам, ответственным за образование активных форм гиббереллинов. Наличие предшествующих этапов не вызывает сомнения, однако они требуют дополнительной идентификации. Гомология последовательностей ключевого этапа синтеза цитокининов свидетельствует о единстве этого процесса у растительных организмов. И, наконец, хотелось бы отметить идентификацию практически всех ферментов синтеза АБК у водорослей, относящихся к различным эволюционным группам. Возможно, более широкий спектр данных, касающихся метаболизма АБК, объясняется интенсивным изучением механизмов адаптации водорослей к изменяющимся условиям окружающей среды и/или расшифровкой синтеза каротиноидов. Следовательно, опираясь на сравнительный анализ гомологии консервативных доменов ферментов, можно сделать вывод о значительной степени гомологии путей образования перечисленных регуляторов роста на ранних этапах эволюции фотоавтотрофов. Трудности идентификации ряда ферментов (как в случае гиббереллинов) могут быть опосредованы модификацией путей синтеза фитогормонов в ходе эволюции. Безусловно, требуется интенсификация исследований, проводимых в этой области биологии растений, для дальнейшей расшифровки этапов синтеза фитогормонов у таксономически различных групп водорослей.

Авторы выражают признательность доц. В.В. Емельянову за ценные замечания при подготовке статьи. 

Работа была частично поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований (№ 10-04-01035-а), а также НИР 1.38.65.2011 и 1.38.67.2011 из средств СПбГУ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Lin L., Tan R.X. Cross-Kingdom Actions of Phytohormones: A Functional Scaffold Exploration // Chem. Rev. 2011. V. 111. P. 2734-2760.

2. Cooke T.J., Poli D.B., Sztein A.E., Cohen J.D. Evolutionary Patterns in Auxin Action // Plant Mol. Biol. 2002. V. 49. P. 319-338.

3. Bradley P.M. Plant Hormones Do Have a Role in Controlling Growth and Development of Algae // J. Phycol. 1991. V. 27. P. 317-321.

4. Jameson P.E. Plant Hormones in the Algae // Prog. Phycol. Res. 1993. V. 9. P. 239-279.

5. Тараховская Е.Р., Маслов Ю.И., Шишова М.Ф. Фитогормоны водорослей // Физиология растений. 2007. Т. 54. С. 186-194. 

6. Jacobs W.P. A Search for Some Angiosperm Hormones and Their Metabolites in Caulerpa paspaloides (Chlorophyta) // J. Phycol. 1993. V. 29. P. 595-600.

7. Kobayashi M., Hirai N., Kurimura Y., Ohigashi H., Tsuji Y. Abscisic Acid Dependent Morphogenesis in the Unicellular Green Alga Haematococcus pluvialis // Plant Growth Regul. 1997. V. 22. P. 79-85.

8. Basu S., Sun H., Brian L., Quatrano R.L, Muday G.K. Early Embryo Development in Fucus distichus Is Auxin Sensitive // Plant Physiol. 2002. V. 130. P. 292-302.

9. Stirk W.A., Novak O., Strnad M., Staden J. Cytokinins in Macroalgae // Plant Growth Regul. 2003. V. 41. P. 13-24.

10. Jin Q., Scherpa P., Heimannb K., Hasenstein K.H. Auxin and Cytoskeletal Organization in Algae // Cell Biol. Int. 2008. V. 32. P. 542-545.

11. Hartung W. The Evolution of Abscisic Acid (ABA) and ABA Function in Lower Plants, Fungi and Lichen // Funct. Plant Biol. 2010. V. 37. P. 806-812.

12. Lau S., Shao N., Bock R., Jьrgens G., de Smet I. Auxin Signaling in Algal Lineages: Fact or Myth? // Trends Plant Sci. 2009. V. 14. P. 182-188.

13. Gruen H.E. Auxins and Fungi // Annu. Rev. Plant Physiol. 1959. V. 10. P. 405-440.

14. Spaepen S., Vanderleyden J., Remans R. Indole-3-Acetic Acid in Microbial and Microorganism-Plant Signaling // FEMS Microbiol. Rev. 2007. V. 31. P. 425-448.

15. Полевой В.В., Тараховская Е.Р., Маслов Ю.И., Полевой А.В. Роль ауксина в индукции полярности у зигот Fucus vesiculosus L. // Онтогенез. 2003. Т. 34. С. 432-437.

 16. Lijun H. The Auxin Concentration in Sixteen Chinese Marine Algae // Chinese J. Oceanol. Limnol. 2006. V. 24. P. 329-332.

17. Reed R.C., Brady S.R., Muday G.K. Inhibition of Auxin Movement from the Shoot into the Root Inhibits Lateral Root Development in Arabidopsis // Plant Physiol. 1998. V. 118. P. 1369-1378.

18. Yokoya N.S., Handro W. Effects of Auxins and Cytokinins on Tissue Culture of Grateloupia dichotoma (Gigartinales, Rhodophyta). // Hydrobiology. 1996. V. 326/327. P. 393-400.

19. Benjamins R., Scheres B. Auxin: The Looping Star in Plant Development // Annu. Rev. Plant Biol. 2008. V. 59. P. 443-465.

20. Bartel B. Auxin Biosynthesis // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1997. V. 48. P. 51-66.

21. Glawischnig E., Adriana T., Eisenreich W., Spiteller P., Bacher A., Gierl A. Auxin Biosynthesis in Maize Kernels // Plant Physiol. 2000. V. 123. P. 1109-1120.

22. Cohen J.D., Slovin J.P., Hendrickson A.M. Two Genetically Discrete Pathways Convert Tryptophan to Auxin: More Redundancy in Auxin Biosynthesis // Trends Plant Sci. 2003. V. 8. P. 197-199.

23. Chandler J.W. Local Auxin Production: A Small Contribution to a Big Field // BioEssays. 2009. V. 31. P. 60-70.

24. Delker C., Raschke A., Quint M. Auxin Dynamics: The Dazzling Complexity of a Small Molecule’s Message // Planta. 2008. V. 227. P. 929-941.

25. Ljung K., Hull A.K., Kowalczyk M., Marchant A., Celenza J., Cohen J.D., Sandberg G. Biosynthesis, Conjugation, Catabolism and Homeostasis of Indole-3-Acetic Acid in Arabidopsis thaliana // Plant Mol. Biol. 2002. V. 49. P. 249-272.

26. Yamamoto Y., Kamiya N., Morinaka Y., Matsuoka M., Sazuka T. Auxin Biosynthesis by the YUCCA Genes in Rice // Plant Physiol. 2007. V. 143. P. 1362-1371.

27. Tobena-Santamaria R., Bliek M., Ljung K., Sandberg G., Souer E., Koes R. FLOOZY of Petunia Is a Flavin Mono-Oxygenase-Like Protein Required for the Specification of Leaf and Flower Architecture // Genes Dev. 2002. V. 16. P. 753-763.

28. Zhang R., Wang B., Ouyang J., Li J., Wang Y. Arabidopsis Indole Synthase, a Homolog of Tryptophan Synthase Alpha, Is an Enzyme Involved in the Trp-Independent Indole-Containing Metabolite Biosynthesis // J. Integr. Plant Biol. 2008. V. 50. P. 1070-1077.

29. Ostin A., Ilic N., Cohen J.D. An In Vitro System from Maize Seedlings for Tryptophan-Independent Indole-3-Acetic Acid Biosynthesis // Plant Physiol. 1999. V. 119. P. 173-178.

30. Zhao Y. Auxin Biosynthesis and Its Role in Plant Development // Annu. Rev. Plant Biol. 2010. V. 61. P. 49-64.

31. Radley M. Gibberellin-Like Substances in Plants // Nature. 1961. V. 191. P. 684-685.

32. Jennings R.C. Gibberellins as Endogenous Growth Regulators in Green and Brown Algae // Planta. 1968. V. 80. P. 34-42.

33. Schwender J., Seemann M., Lichtenthaler H.K., Rohmers M. Biosynthesis of Isoprenoids (Carotenoids, Sterols, Prenyl Side-Chains of Chlorophylls and Plastoquinone) via a Novel Pyruvate/Glyceraldehyde 3-Phosphate Nonmevalonate Pathway in the Green Alga Scenedesmus obliquus // Biochem. J. 1996. V. 316. P. 73-80.

34. Ершов Ю.В. Метилэритритолфосфатный (немевалонатный) путь биосинтеза изопреноидов // Успехи биол. химии. 2005. Т. 45. С. 307-354.

35. Schwender J., Gemьnden C., Lichtenthaler H.K. Chlorophyta Exclusively Use the 1-Deoxyxylulose 5-Phosphate/2-C-Methylerythritol 4-Phosphate Pathway for the Biosynthesis of Isoprenoids // Planta. 2001. V. 212. P. 416-423.

36. Sponsel V.M. The Deoxyxylulose Phosphate Pathway for the Biosynthesis of Plastidic Isoprenoids: Early Days in Our Understanding of the Early Stages of Gibberellin Biosynthesis // J. Plant Growth Regul. 2001. V. 20. P. 332-345.

37. Kasahara H., Hanada A., Kuzuyama T., Takagi M., Kamiya, Y. Yamaguchi S. Contribution of the Mevalonate and Methylerythritol Phosphate Pathways to the Biosynthesis of Gibberellins in Arabidopsis // J. Biol. Chem. 2002. V. 277. P. 45 188-45 194.

38. Yamaguchi S., Saito T., Abe H., Yamane H., Murofushi N. Molecular Cloning and Characterization of a cDNA Encoding the Gibberellin Biosynthetic Enzyme ent-Kaurene Synthase B from Pumpkin (Cucurbita maxima L.) // Plant J. 1996. V. 10. P. 203-213.

39. Helliwell C.A., Chandler P.M., Poole A., Dennis E.S., Peacock W.J. The CYP88A Cytochrome P450, ent-Kaurenoic Acid Oxidase, Catalyzes Three Steps of the Gibberellin Biosynthesis Pathway // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2001. V. 98. P. 2065-2070.

40. Sun T.P., Kamiya Y. The Arabidopsis GA1 Locus Encodes the Cyclase ent-Kaurene Synthetase A of Gibberellin Biosynthesis // Plant Cell. 1994. V. 6. P. 1509-1518.

41. Hedden P., Kamiya Y. Gibberellin Biosynthesis: Enzymes, Genes and Their Regulation // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1997. V. 48. P. 431-460.

42. Hedden P., Proebsting W.M. Analysis of Gibberellin Biosynthesis // Plant Physiol. 1999. V. 119. P. 365-370.

43. Helliwell C.A., Sullivan J.A., Mould R.M., Gray J.C., Peacock W.J., Dennis E.S. A Plastid Envelope Location of Arabidopsis ent-Kaurene Oxidase Links the Plastid and Endoplasmic Reticulum Steps of the Gibberellin Biosynthesis Pathway // Plant J. 2001. V. 28. P. 201-208.

44. Swaminathan S., Bock R.M. Subcellular Localization of Cytokinins in Transfer Ribonucleic Acid // Plant Physiol. 1977. V. 59. P. 558-563.

45. Jennings R.C. Cytokinins as Endogenous Growth Regulators in the Algae Ecklonia (Phaeophyta) and Hypnea (Rhodophyta) // Aust. J. Biol. Sci. 1969. V. 22. P. 621-627.

46. Garcнa-Jimйnez P., Rodrigo M., Robaina R.R. Influence of Plant Growth Regulators, Polyamines and Glycerol Interaction on Growth and Morphogenesis of Carposporelings of Grateloupia doryphora Cultured In Vitro // J. Appl. Phycol. 1998. V. 10. P. 95-100.

47. Цrdцg V., Stirk W.A., van Staden J., Novбk O., Strnad M. Endogenous Cytokinins in Three Genera of Microalgae from the Chlorophyta // J. Phycol. 2004. V. 40. P. 88-95.

48. Тараховская Е.Р., Маслов Ю.И. Влияние фитогормонов и трофических факторов на некоторые характеристики фотосинтетического аппарата Fucus vesiculosus и Euglena gracilis // Вестн. СПбГУ. Сер. 3. 2005. Вып. 3. С. 121-128.

49. Mok M.C., Martin R.C., Mok D.W.S. Cytokinins: Biosynthesis Metabolism and Perception // In Vitro Cell Dev. Biol. - Plant. 2000. V. 36. P. 102-107.

50. Chen C.-M. Cytokinin Biosynthesis and Interconversion // Physiol. Plant. 1997. V. 101. P. 665-673.

51. Nimura K., Mizuta H. Inducible Effects of Abscisic Acid on Sporophyte Discs from Laminaria japonica Areschoug (Laminariales, Phaeophyceae) // J. Appl. Phycol. 2002. V. 14. P. 159-163.

52. Yokoya N.S., Stirk W.A., Staden J., Novak O., Tureckova V., Pencık A., Strnad M. Endogenous Cytokinins, Auxins, and Abscisic Acid in Red Algae from Brazil // J. Phycol. 2010. V. 46. P. 1198-1205.

53. Tominaga N., Takahata M., Tominaga H. Effects of NaCl and KNO3 Concentrations on the Abscisic Acid Content of Dunaliella sp. (Chlorophyta) // Hydrobiology. 1993. V. 267. P. 163-168.

54. Bajguz A. Brassinosteroid Enhanced the Level of Abscisic Acid in Chlorella vulgaris Subjected to Short Term Heat Stress // J. Plant Physiol. 2009. V. 166. P. 882-886.

55. Cutler A.J., Krochko J.E. Formation and Breakdown of ABA // Trends Plant Sci. 1999. V. 4. P. 472-478.

56. Seo M., Koshiba T. Complex Regulation of ABA Biosynthesis in Plants // Trends Plant Sci. 2002. V. 7. P. 41-48.

57. Baroli I., Niyogi K.K. Molecular Genetics of Xanthophyll-Dependent Photoprotection in Green Algae and Plants // Phil. Trans. R. Soc. London. 2000. V. 355. P. 1385-1394.

58. Cowan A.K., Rose P.D. Abscisic Acid Metabolism in Salt-Stressed Cells of Dunaliella salina. Possible Interrelationship with β-Carotene Accumulation // Plant Physiol. 1991. V. 97. P. 798-803.