Введение
Гиббереллины (ГА) — гормоны растений, регулирующие различные процессы развития, включая удлинение стеблей, прорастание семян, состояние покоя, цветение, развитие цветков и старение листьев и плодов. Революция, благодаря которой во всем мире было спасено более миллиарда жизней.
Gibberellins (GAs) are plant hormones that regulate various developmental processes, including stem elongation, germination, dormancy, flowering, flower development, and leaf and fruit senescence. a revolution that is credited to have saved over a billion lives worldwide.
Биоактивные газы
Биоактивными гиббереллинами являются GA1, GA3, GA4 и GA7. Эти гиббереллины имеют три общих структурных признака: гидроксильная группа в положении C-3β, карбоксильная группа в положении C-6 и лактонное кольцо между C-4 и C-10.
Биологическая функция
Гиббереллины участвуют в естественном процессе выхода из состояния покоя и других аспектах прорастания. До того, как фотосинтетический аппарат достаточно развивается на ранних стадиях прорастания, накопленные запасы энергии в виде крахмала питают проросток. Обычно при прорастании распад крахмала на глюкозу в эндосперме начинается вскоре после того, как семя подвергается воздействию воды. Считается, что гиббереллины в зародыше семени сигнализируют о гидролизе крахмала, индуцируя синтез фермента α-амилазы в клетках алеврона. В модели, описывающей индукцию продукции α-амилазы гиббереллинами, показано, что гиббереллины (обозначаемые GA), производимые в щитке, диффундируют в клетки алеврона, где они стимулируют секрецию α-амилазы. В этом пути биоактивный GA образуется из транс-геранилгеранилдифосфата (GGDP). Многогенные семейства кодируют белки 2ODD, которые катализируют образование GA12 в биоактивный GA4. Экологические стимулы регулируют активность AtGA3ox1 и AtGA3ox2 во время прорастания семян. У Arabidopsis сверхэкспрессия GA20ox приводит к увеличению концентрации GA.
Места биосинтеза
Большинство биоактивных гиббереллинов локализованы в активно растущих органах растений. Считается, что в процессе развития цветка тапетум пыльников является основным местом синтеза гиббереллинов.
Различия между биосинтезом грибов и низших растений
Растение Arabidopsis и гриб Gibberella fujikuroi обладают различными путями и ферментами синтеза гиббереллинов. Функции CPS и KS у растений выполняет один фермент, CPS/KS, у грибов. У грибов гены биосинтеза гиббереллинов расположены на одной хромосоме, а у растений – случайным образом на нескольких хромосомах. Растения производят небольшое количество GA3, поэтому для промышленных целей GA3 производят микроорганизмы. В промышленности гибберелловая кислота может быть получена методом погруженного культивирования, однако этот процесс характеризуется низкой продуктивностью и высокими производственными затратами, что приводит к высокой стоимости. Тем не менее, существует альтернативный способ снижения затрат на производство GA3 – твердофазное брожение (SSF), позволяющее использовать агропромышленные отходы.
Катаболизм
Было выявлено несколько механизмов инактивации ГА. 2β-гидроксилирование деактивирует ГА и катализируется GA2-оксидазами (GA2oxs). Цитохром P450 монооксигеназа, кодируемая геном *elongated uppermost internode* (*eui*), преобразует ГА в 16α,17-эпоксиды. Мутанты риса *eui* накапливают биоактивные ГА в высоких концентрациях, что указывает на то, что цитохром P450 монооксигеназа является основным ферментом, ответственным за деактивацию ГА в рисе. У мутантов *gamt1* и *gamt2* концентрация ГА в развивающихся семенах повышена. Уровни экспрессии *AtGA20ox1* и *AtGA3ox1* повышаются в условиях дефицита ГА и снижаются после добавления биоактивных ГА. Напротив, экспрессия *AtGA2ox1* и *AtGA2ox2*, генов, отвечающих за деактивацию ГА, повышается при добавлении ГА. Удаление ААА (индолуксусной кислоты) путем удаления апикальной почки, источника ауксина, снижает концентрацию ГА1, а повторное введение ААА обращает этот эффект вспять, увеличивая концентрацию ГА1. Ауксин увеличивает окисление ГА3 и уменьшает окисление ГА2 в ячмене. Ауксин также регулирует биосинтез ГА во время развития плодов у гороха. Эти открытия в различных видах растений позволяют предположить, что регуляция метаболизма ГА ауксином может быть универсальным механизмом. Этилен снижает концентрацию биоактивных ГА.
Регулирование факторами окружающей среды
Недавние данные свидетельствуют о том, что колебания концентрации гиббереллинов влияют на прорастание семян, регулируемое светом, фотоморфогенез в процессе деэтиоляции, а также на фотопериодическую регуляцию удлинения стебля и цветения.
Роль в развитии семян
Биоактивные гиббереллины и уровни абсцизовой кислоты находятся в обратной зависимости и регулируют развитие и прорастание семян. Уровни FUS3, транскрипционного фактора Arabidopsis, повышаются под действием АБК и понижаются под действием гиббереллинов, что указывает на наличие петли обратной связи, устанавливающей баланс между гиббереллинами и АБК.
Рецептор
В начале 1990-х годов ряд данных указывал на существование рецептора ГА в семенах овса, расположенного в плазматической мембране. Однако, несмотря на интенсивные исследования, на сегодняшний день ни один мембранный ГА-рецептор не был выделен. Это, в сочетании с открытием растворимого рецептора, GA-инсенситивный карлик 1 (GID1), заставило многих усомниться в существовании мембранно-связанного рецептора. GID1 был впервые идентифицирован в рисе, а в Arabidopsis существует три ортолога GID1: AtGID1a, b и c. Связывание ГА с GID1 вызывает изменения в структуре GID1, приводя к закрытию "крышкой" GA-связывающего кармана. Движение этой крышки приводит к обнажению поверхности, обеспечивающей связывание GID1 с белками DELLA. Для белков DELLA характерен мотив DELLA (аспартат-глутамат-лейцин-лейцин-аланин, или D E L L A в однобуквенном коде аминокислот). F-бокс белки катализируют присоединение убиквитина к своим мишеням. Позже было обнаружено, что белки DELLA подавляют активность большого числа других факторов транскрипции, включая положительных регуляторов сигнализации ауксина, брассиностероидов и этилена. Белки DELLA могут подавлять факторы транскрипции, либо блокируя их связывание с ДНК, либо способствуя их деградации. Микротрубочки также необходимы для транспорта мембранных везикул. Транспорт мембранных везикул необходим для правильного позиционирования нескольких гормональных транспортеров. Одним из наиболее хорошо изученных гормональных транспортеров являются белки PIN, которые отвечают за перемещение гормона ауксина между клетками. В отсутствие ГА белки DELLA снижают уровень микротрубочек и тем самым ингибируют транспорт мембранных везикул. Это снижает уровень белков PIN в клеточной мембране и уровень ауксина в клетке. ГА обращает этот процесс вспять, обеспечивая транспорт белков PIN к клеточной мембране для повышения уровня ауксина в клетке.