Гормональная регуляция биогенеза хлоропластов

УДК 581.1
ББК 28.53
 
К89

Президиум Академии наук СССР 

постановил проводить научные чтения, посвященные памяти 

выдающегося русского биолога К.А. Тимирязева, 

ежегодно 3 июня, в день рождения ученого

Ответственный редактор 

профессор Д.А. Лось

Рецензенты:

доктор биологических наук А.П. Веселов, 
доктор биологических наук Н.П. Юрина

Кузнецов В.В.

Гормональная регуляция биогенеза хлоропластов / В.В. Кузнецов; 

[отв. ред. Д.А. Лось]; Ин-т физиологии растений им. К.А. Тимирязева 
РАН. – М.: Наука, 2018. – 112 с. – (Тимирязевские чтения; 72). – 
ISBN 978-5-02-037182-8.

Наличие пластид является важнейшей особенностью растительной клет-

ки. За последние 20 лет благодаря применению главным образом молекуляр-
но-генетических подходов достигнуты крупные успехи в исследовании меха-
низмов действия фитогормонов, а также в изучении структуры пластидного 
и ядерного геномов. Значительный прогресс достигнут в изучении обмена ге-
нетической информацией между ядерным, пластидным и митохондриальным 
геномами. Совокупность полученных данных позволяет по-новому взглянуть 
на проблему биогенеза пластид. Становится все более понятной сложная ре-
гуляция биогенеза хлоропластов экзогенными (в первую очередь светом) и эн-
догенными (прежде всего фитогормонами) факторами. Имеющиеся результа-
ты позволяют говорить о ключевой роли гормональной регуляции в развитии 
хлоропластов. Сложный набор постоянно меняющихся и взаимодействующих 
между собой регуляторных сигналов, вероятно, и направляет пластиды по 
тому или иному пути развития в зависимости от органной и тканевой специ-
фики и особенностей условий окружающей среды.

Для физиологов растений, биохимиков, ботаников и работников смеж-

ных областей.

ISBN 978-5-02-037182-8 
© Институт физиологии растений 

 
 
им. К.А. Тимирязева РАН, 2018

 
© Кузнецов В.В., 2018

 
© ФГУП Издательство «Наука», 

 
 
редакционно-издательское 

 
 
оформление, 2018

ПРЕДИСЛОВИЕ

Главной особенностью растительной клетки является нали-

чие хлоропластов, осуществляющих процесс фотосинтеза, т. е. 
синтез органического вещества из углекислого газа и воды за 
счет энергии Солнца. Благодаря процессу фотосинтеза расте-
ние, по выражению К.А. Тимирязева, выполняет «космическую 
роль» и, таким образом, фактически обеспечивает сохранение 
жизни на нашей планете, поскольку при фотосинтезе из неор-
ганических образуются органические вещества, увеличиваются 
запасы кислорода в атмосфере нашей планеты и снижается уро-
вень углекислого газа, который постоянно возрастает за счет ды-
хания живых организмов и практической деятельности человека. 
Неудивительно, что столь важные органеллы, какими являются 
хлоропласты, стали объектом активного изучения. Кроме фото-
синтеза, они играют большую роль в метаболизме растительной 
клетки и поэтому иногда их называют «метаболическими стан-
циями клетки».

Хлоропласты имеют геном размером 120–160 тыс. пар нуклео-

тидов, который кодирует 100–120 генов. Хлоропласты генетически 
полуавтономны: не менее 95% белков, обнаруженных в хлоропла-
стах, кодируются ядерным геномом. Между ядром и хлоропластами 
существуют сложные взаимодействия. Ядро кодирует подавляющее 
количество белков, участвующих в экспрессии пластидных генов, 
практически все регуляторные белки и благодаря этому играет 
главную роль в биогенезе хлоропластов. Хлоропласты при любых 
функциональных изменениях посылают ядру так называемый ре-
троградный сигнал, который может привести к изменению экс-
прессии ядерных генов хлоропластных белков. Количество копий 
ядерных и пластидных генов, кодирующих полипептиды одного 
белкового комплекса хлоропластов, может различаться в тысячи 
раз, что также усложняет понимание взаимодействия ядра и хлоро-
пластов. На экспрессию пластидных генов влияет не только ядро, 
но и митохондрии. Таким образом, биогенез хлоропластов и ответ 
хлоропластов на эндогенные сигналы и экзогенные факторы опре-
деляется тремя ДНК-содержащими органеллами клетки.

Среди многочисленных внешних факторов определяющее 

влияние на развитие всего растения, в том числе и хлоропластов, 

оказывает свет. Без света невозможно формирование функцио-
нально активного фотосинтетического аппарата и невозможен 
процесс фотосинтеза. В регуляции биогенеза хлоропластов свет 
взаимодействует с фитогормонами, прежде всего с цитокинина-
ми, активирующими различные этапы развития хлоропластов, 
и абсцизовой кислотой, которая является антагонистом цитоки-
нинов, и подавляет этот процесс. Взаимодействие света и цито-
кининов в регуляции развития хлоропластов в настоящее вре-
мя недостаточно изучено. В связи с новейшими достижениями 
в области изучения механизмов действия цитокининов их роль 
в регуляции биогенеза хлоропластов стала еще более очевидной. 
В пластидах обнаружены различные цитокинины (свободные 
основания, рибозиды, риботиды и N-глюкозиды) и четыре (1, 3, 
5, 8) из семи изопентенилтрансферазы, катализирующие первую 
стадию синтеза транс-зеатина и изопентиладенина. Были выде-
лены также транскрипционно-активные цитокинин-связываю-
щие белки, однако пока нет практически никакой информации 
об их участии в передаче гормонального сигнала в хлоропласты.

Наибольший вклад в изучение гормональной регуляции био-

генеза хлоропластов внес коллектив Лаборатории экспрессии 
генома растений ИФР РАН под руководством проф. О.Н. Кулае-
вой, а затем В.В. Кузнецова в сотрудничестве с проф. Оельмюл-
лером (Йенский университет), проф. Херрманном (Мюнхенский 
университет) и проф. Бёрнером (Берлинский университет). Зна-
чительных успехов в изучении гормональной регуляции фермен-
тов пути биосинтеза хлорофилла достиг коллектив белорусских 
ученых, руководимый проф. Н.Г. Авериной (Минск). В последнее 
время несколько крупных совместных работ выполнено учеными 
Германии и США (проф. Шмюлинг, Гринн и Шалер).

Тимирязевская лекция состоит из двух частей. В первой части 
кратко представлено молекулярно-биологическое обоснование 
биогенеза хлоропластов, а во второй – рассмотрена роль 
отдельных фитогормонов в регуляции экспрессии пластидного 
генома в ходе биогенеза хлоропластов.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АБК 
абсцизовая кислота

АЛК 
аминолевулиновая кислота

АПХ 
аскорбатпероксидаза

АТа–и 
антиидиотипические антитела

АФК 
активные формы кислорода

БАП 
6-бензиламинопурин

БС РБФК 
 большая субъединица рибулозобисфосфаткар-
боксилазы

ГК 
гиббереллин

ЗСБ 
зеатин-связывающие белки

ИП 
инвертированные повторы

ИПТ 
изопентенилтрансфераза

ИУК 
индолилуксусная кислота

МЖ 
метилжасмонат

мтДНК 
митохондриальная ДНК

НФ 
гербицид норфлуразон

ПЛТ 
проламеллярные тела

ПОР 
NADPH-протохлорофиллидоксидоредуктаза

п.н. 
пара нуклеотидов

ПНФ 
полинуклеотидфосфорилаза

ПротоIX 
протопорфирин IX

ПЦР 
полимеразная цепная реакция

СИТ 
сайт инициации транскрипции

ТАС 
транскрипционно-активная хромосома

ТМ 
тилакоидные мембраны

ТМХ 
тилакоидные мембраны хлоропластов

т. п. н. 
тысячи пар нуклеотидов

ТПР 
транспластомные растения

ФСI 
фотосистема I

ФCII 
фотосистема II

хлДНК 
хлоропластная ДНК

ЦК 
цитокинин

ЦСБ 
цитокинин-связывающие белки

ЭБ 
эпибрассинолид

ЭТЦ 
электрон-транспортная цепь

CES контроль  контроль последовательным синтезом (control 

by epistasy of synthesis)

DAPI 
4′,6-диамидино-2-фенилиндол

DBMIB 
 [(2,5-дибром-3-метил-6-изопропилбензохинон)]

DCMU 
[3-(3,4-дихлорфенил)-1,1-диметилмочевина]

MgПротоIX 
Mg-протопорфирин IX

NEP 
 хлоропластная РНК-полимераза ядерного коди-
рования фагового типа

PAP 
 белки, ассоциированные с хлоропластной РНК- 
полимеразой бактериального типа

PEP 
 хлоропластная мультисубъединичная РНК-поли-
мераза бактериального типа

PPR 
pentatricopeptide repeat protein

PQ 
пластохинон

«С первым лучом света, упавшим на позеленев-
ший лист, начинается самостоятельная жизнь, 
растение начинает вырабатывать новые органы 
уже не за счет других частей, а за счет окружаю-
щих неорганических соединений».

К.А. Тимирязев. 

Жизнь растений, 1949 г., с. 87–88

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ХЛОРОПЛАСТОВ

Наиболее доказанной и признанной в настоящее время яв-

ляется эндосимбиотическая теория происхождения клеточных 
органелл, согласно которой митохондрии и хлоропласты про-
изошли от прокариотических организмов, которые проникли 
в эукариотическую клетку и стали в ней жить, как эндосимбион-
ты. Данная теория постулирует, что митохондрии произошли от 
аэробных бактерий, возможно протеобактерий, а хлоропласты – 
от автотрофных прокариотов – цианобактерий. Эта гипотеза 
впервые была высказана в 1883 г. немецким ученым А. Шим-
пером (цит. по [1]), но в ее развитии большую роль сыграли 
российские ученые. В 1905 г. проф. Казанского университета 
К.С. Мережковский ввел термин «симбиогенез» и впервые де-
тально сформулировал основные положения теории [2]. В 1907 г. 
А.С. Фаминцин также пришел к выводу, что хлоропласты явля-
ются симбионтами подобно грибам и водорослям в лишайниках. 
В 1920-е годы значительный вклад внес Б.М. Козо-Полянский, 
предположивший, что симбионтами являются и митохондрии. 
В 70–80-х годах прошлого века теория была значительно развита 
и обоснована в трудах Линн Маргулис (цит. по [1]).

По мнению ученых, в ходе эволюции 2.5–1.5 млрд лет назад 

образовалась первичная эукариотическая клетка, которая имела 
обособленное ядро, но она получала энергию за счет брожения 
и не была способна к дыханию (окислительному фосфорили-
рованию) и к фотосинтезу. Предполагается, что у эукариотиче-
ской клетки не было прочной клеточной стенки и в результате 
в нее попадали (были поглощены или проникли как паразиты) 
симбионтные аэробные бактерии. Цитоплазма клетки хозяина 
стала для них стабильной средой обитания, симбионт поставлял 
клетке хозяина энергию в виде АТФ, а от нее получал необхо-
димые метаболиты. В ходе эволюции и значительного углубле-
ния метаболической взаимозависимости клеток эндосимбионт 
превратился в клеточную органеллу – митохондрию. Примерно 
2 млрд лет назад эукариотическая клетка, содержащая предше-

ственник митохондрии, поглотила фотосинтезирующую циано-
бактерию, которая в ходе эволюции превратилась в хлоропласт. 
Цианобактерии, образовавшиеся 3–4 млрд лет назад, не только 
привели к накоплению кислорода в атмосфере нашей планеты, 
что вызвало расцвет аэробных эукариот, но и явились предше-
ственниками хлоропластов, что привело к возникновению рас-
тений и определило дальнейшее развитие всего живого на пла-
нете.

Справедливость эндосимбиотической теории подтвержда-

ется многочисленными фактами, которые можно свести к двум 
главным положениям: 1) наблюдаются принципиальные раз-
личия в строении и организации клеток прокариот и эукариот; 
2) обнаруживается значительное сходство между митохондриями 
и свободноживущими альфа-протеобактериями, а также между 
хлоропластами и цианобактериями.

Эукариоты обычно имеют размер клеток 5–80 мкм, а прокари-

оты в 5–10 раз меньше, объем же клеток различается на 3 порядка. 
В отличие от прокариот, эукариоты имеют развитую систему эндо-
мембран, а также цитоскелет, состоящий из микротрубочек, микро-
фибрилл и микрофиламентов, который обусловливает цитоплаз-
матическую подвижность. Геном эукариот представлен набором 
хромосом, в которых ДНК связана с гистонами (за очень редким 
исключением), а у прокариот обычно существует одна кольцевая 
хромосома, в которой отсутствуют гистоны.

Клеточные органеллы (митохондрии и хлоропласты) сходны 

с прокариотами размером и развитием эндомембран. ДНК орга-
нелл, как и у прокариот, обычно кольцевая, не имеет гистонов, 
более половины генов входят в состав оперонов. Система трансля-
ции организована у органелл по прокариотическому типу. Многие 
компоненты генетической системы органелл (РНК-полимераза, 
регуляторные белки транскрипции, тРНК, рРНК, рибосомные 
белки) близки к прокариотическим. Однако длительное существо-
вание эндосимбионтов внутри эукариотической клетки привело 
к значительным изменениям в организации генетического аппарата 
митохондрий и хлоропластов. Прежде всего, в ряде генов эндосим-
бионтов появились интроны (в хлоропластных геномах 15–17 генов 
имеют интроны), которые почти не встречаются у прокариот. Та-
ким образом, для клеточных органелл свойственны признаки как 
прокариот, так и эукариот.

Кроме того, митохондрии и хлоропласты являются полуавто-

номными органеллами, поскольку значительная часть жизненно 
важных генов, ранее находившихся в бактериальном геноме, пе-
ренесена в ядерный геном клетки-хозяина. Это привело к невоз-
можности полноценного существования и деления хлоропластов 
и митохондрий вне клетки-хозяина, хотя есть сообщения, что 

изолированные хлоропласты в специальных питательных средах 
могут жить и осуществлять фотосинтез до 3 месяцев.

Для изучения эволюции органелл исключительно важно найти 
эукариотов, в которых эндосимбионты (будущие митохондрии 
и хлоропласты) находились бы на более раннем этапе эволюции, 
когда они еще не полностью интегрированы с клеткой-хозяином. 
В этом плане большой интерес представляет амеба Paulinella 
chromatophora, относящаяся к типу Cercozoa, которая является од-
ноклеточным эукариотом и осуществляет фотосинтез в хроматофорах, 
полученных от цианобактерий и, таким образом, является 
примером организма ранних стадий органеллогенеза. Показано, 
что хроматофор является фотосинтетической органеллой [3]. 
Секвенирование геномов двух штаммов Paulinella показало, что их 
размер почти 1 млн п. н., и они кодируют примерно по 850 белков, 
что значительно меньше, чем у свободноживущей цианобактерии 
Synechococcum WH5701, которая содержит 3352 гена, кодирующих 
белки, но значительно больше, чем у хлоропласта, у которого около 
70 генов кодируют белки. Большая часть генов фотосинтетических 
белков хлоропластов находится в ядре, в то время как у Paulinella – 
в геноме хроматофора [4]. Сравнение степени уменьшения генома 
и малочисленности перенесенных генов в ядерный геном Paulinella 
в сравнении с организмами, имеющими классические пластиды, 
позволяет рассматривать современное состояние хроматофора как 
раннюю стадию эволюции органелл [5].