Железо, в хелатной форме Fe

Железо (Ferrum) – второй по распространенности металл на Земле после алюминия. Оно составляет 4% от массы земной коры. В природе железо встречается преимущественно в связанном виде, образуя различные соединения: оксиды, сульфиды, силикаты. В чистом, самородном виде железо можно обнаружить только в метеоритах. Среди основных руд железа выделяют: * магнитный железняк (Fe₃O₄); * красный железняк (Fe₂O₃); * бурый железняк (2Fe₂O₃•3Н₂О); * шпатовый железняк (FeCO₃); * пирит, или железный колчедан (FeS₂) – служит сырьем для производства серной кислоты. Россия обладает богатыми месторождениями высококачественных железных руд. Крупные залежи расположены на Урале, вблизи Курска, на Кольском полуострове, а также в Западной и Восточной Сибири и на Дальнем Востоке.## Железо: ключевой микроэлемент для растений Железо – это блестящий серебристо-белый металл, относящийся к VIII группе периодической системы Менделеева. В природе встречается в виде четырех стабильных изотопов. Низкая энергия ионизации атома железа обеспечивает этому элементу высокую химическую активность. Железо легко отдает электроны с внешних орбит, проявляя положительную валентность в соединениях и демонстрируя типичные свойства металлов. Важной особенностью железа, как и других переходных элементов, является его переменная валентность (Fe²⁺/Fe³⁺) и способность образовывать комплексы с другими веществами. Эти химические свойства определяют многообразие функций железа в растительных организмах. ### Роль железа в окислительно-восстановительных реакциях Железо участвует в окислительно-восстановительных реакциях как в составе гемовых, так и негемовых соединений. Гем – это широко распространенный в живых организмах кофактор, играющий важную роль в различных биологических процессах.  К известным гемовым белкам относятся: Цитохромы:* важнейшие компоненты электронтранспортных цепей фотосинтеза и дыхания, а также некоторых ферментов. Пероксидазы:* ферменты, участвующие в окислении различных молекул с помощью перекиси водорода. Каталаза:* фермент, катализирующий разложение перекиси водорода на воду и кислород. Леггемоглобин:* белок, содержащийся в клубеньках бобовых растений и обеспечивающий фиксацию атмосферного азота. ### Биосинтез гема и его роль в растениях Биосинтез гемовых соединений тесно связан с синтезом хлорофилла. Заключительный этап биосинтеза гема – это включение иона Fe²⁺ в молекулу протопорфирина IX, катализируемое ферментом феррохелатазой. Феррохелатаза – это мономерный белок с молекулярной массой около 40 кДа. Аналогичные по структуре ферменты участвуют во встраивании магния в молекулу хлорофилла. Ученые обнаружили два гена, контролирующих синтез феррохелатазы у растений. Интересно, что экспрессия одного из этих генов наблюдается во всех тканях растения, в то время как второй ген активен только в тканях, контактирующих с воздухом. Основная часть феррохелатазы сосредоточена в пластидах, что указывает на их ключевую роль в синтезе гема. Интересно, что в корнях растений большая часть гема находится за пределами пластид. Это говорит о существовании механизма транспорта гема из пластид в другие части клетки. Митохондрии также могут являться местом синтеза гема. Ферритин - белок, запасающий железо, может служить источником железа для синтеза гема как в пластидах, так и в митохондриях. ### Роль железа в электронтранспортной цепи фотосинтеза Электронтранспортная цепь (ЭТЦ) фотосинтеза расположена в мембране тилакоидов хлоропластов. Она состоит из трех основных белковых комплексов: фотосистемы II (ФС II), фотосистемы I (ФС I) и цитохромного b6/f-комплекса. В митохондриальной ЭТЦ направление переноса электронов определяется окислительно-восстановительным потенциалом цитохромов:  ### Функции пероксидаз в растениях Пероксидазы – это гемовые ферменты, присутствующие во всех наземных растениях.Железо-серные (Fe-S) кластеры – это кофакторы, состоящие из атомов железа и серы, связанные с белками. Синтез этих кластеров происходит в митохондриях и пластидах растений с участием тиоловых групп цистеина и/или неорганической серы. Фратаксин, консервативный белок, присутствующий в организмах от бактерий до млекопитающих, рассматривается как потенциальный донор железа для синтеза Fe-S-кластеров. Доказано, что он необходим для активации митохондриальных Fe-S-белков. ## Негемовые Fe-ферменты Помимо участия в Fe-S кластерах, железо входит в состав негемовых ферментов. Эти ферменты играют важную роль в биологических системах, используя кислород в различных окислительных реакциях. В координационной сфере таких белков обычно преобладают кислород- и азот-лиганды. Известно семейство ферментов этой группы, катализирующих реакции с образованием интермедиатов железа с высокой валентностью (Fe+4, Fe+5): α-кетоглутарат- и птеринзависимые ферменты, Риске-подобная диоксигеназа, 1-аминоциклопропан-1-карбооксидаза и некоторые другие.  _Рис. Активация кислорода 1-аминоциклопропан-1-карбооксидазой, содержащей железо в негемовой форме._ У высших растений 1-аминоциклопропан-1-карбооксидаза участвует в синтезе фитогормона этилена. Некоторые из негемовых белков участвуют в окислении серных эфиров до оксидов серы. ## Fe-S-белки растений ### Ферредоксин Ферредоксин – это мономерный белок с молекулярной массой около 11 кДа, обнаруженный у цианобактерий, в хлоропластах водорослей и высших растений.  Все ферредоксины содержат по одному кластеру [2Fe-2S], который участвует в переносе одного электрона при низком значении окислительно-восстановительного потенциала (от -300 до -460 мВ). Ферредоксин служит конечным акцептором электронов в электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) фотосинтеза. Большая часть восстановленного ферредоксина, образующегося в световых реакциях фотосистемы I, используется для восстановления НАДФ+ в реакциях, катализируемых ферредоксин-НАДФ+-оксидоредуктазой.   Ферредоксин также участвует в: * Восстановлении нитрита до аммония. * Цикле восстановления глутаминсинтетаза-глутаматсинтаза (ГС-ГОГАТ). * Восстановлении тиоредоксина. * Восстановлении сульфата и кислорода. * Регуляции распределения электронов между нециклическим и циклическим потоками в ЭТЦ фотосинтеза. ### Нитро## Роль железа в жизни растений Железо – незаменимый элемент для растений, играющий ключевую роль в различных физиологических процессах, включая фотосинтез, дыхание, фиксацию азота и устойчивость к стрессу. ### Метаболизм железа В растениях железо проходит сложный путь превращений. Один из примеров – цепочка реакций: ин → мочевая кислота → аллантоин → аллантоиновая кислота. Ключевой фермент в этом процессе – ксантиндегидрогеназа. Этот фермент может использовать кислород в качестве акцептора электронов, при этом образуются активные формы кислорода (АФК), такие как супероксид. Образование АФК наблюдается при различных стрессовых условиях, например, при атаке патогенов или засухе. Ксантиндегидрогеназа обнаружена в цитоплазме и пероксисомах, однако точная локализация и функции этого фермента требуют дальнейшего изучения. ### Липоксигеназы Липоксигеназы – это ферменты, содержащие атом железа, которые катализируют присоединение кислорода к ненасыщенным жирным кислотам, таким как линолевая и линоленовая. Эти реакции приводят к образованию гидропероксидов жирных кислот, которые играют важную роль в развитии растений, старении и ответе на стресс. Липоксигеназы обнаружены в различных компартментах растительной клетки, включая цитоплазму, вакуоли, хлоропласты, жировые тела и даже митохондрии. Присутствие липоксигеназ в митохондриях может быть связано с процессом запрограммированной клеточной смерти (апоптоза). ### Ферритин Ферритин – это белок, запасающий железо. Молекула ферритина состоит из белковой оболочки и железосодержащего ядра. Белковая оболочка образована 24 субъединицами и имеет центральную полость, где хранится железо в окисленной форме (Fe3+). Такой способ хранения предотвращает образование свободных радикалов в реакции Фентона. Ферритин обнаружен в различных органах и тканях растений, включая листья, корни, семена и клубеньки бобовых. Функции ферритина: * Запас железа для фотосинтеза (в молодых листьях). * Источник железа для синтеза нитрогеназы и леггемоглобина в клубеньках бобовых. * Регуляция окислительно-восстановительных реакций с участием железа, особенно в стрессовых условиях. * Транспорт железа между органами растений. ### Участие железа в фотосинтезе Железо является важным компонентом электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) фотосинтеза. Оно входит в состав железосерных белков, участвующих в переносе электронов от фотосистемы I (ФС I) к ферредоксину и далее к ферредоксин-НАДФ-редуктазе. Недостаток железа приводит к нарушению работы ЭТЦ и снижению эффективности фотосинтеза, что проявляется в виде хлороза (пожелтения) листьев. ### Участие железа в цветении Железо необходимо для нормального цветения растений. Оно участвует в транспорте никотианаминовых комплексов, которые играют важную роль в развитии цветков. Недостаток железа может привести к аномалиям развития цветков, таким как увеличение чашелистиков и уменьшение количества пыльцы. ### Заключение Железо – незаменимый элемент для растений, выполняющий множество важных функций. Понимание механизмов поглощения, транспорта и метаболизма железа в растениях имеет важное значение для разработки стратегий повышения устойчивости растений к стрессу и увеличения урожайности сельскохозяйственных культур.## Жизненно важное железо для растений Железо – незаменимый микроэлемент для растений, причем его концентрация в растительных тканях обычно выше, чем других микроэлементов. Корни, как правило, накапливают железа в несколько раз больше, чем побеги. В среднем растения континентов содержат около 200 мг железа на килограмм веса. Интересно, что содержание железа варьируется в зависимости от вида растения и условий его произрастания. Например, в Забайкалье средняя концентрация железа в степной растительности составляет 182 мг/кг, в то время как в злаковой растительности лугов – 130 мг/кг. Около 80% железа, содержащегося в листьях, сосредоточено в хлоропластах, причем большая часть находится в тилакоидах, а не в строме. В тилакоидных мембранах около 20 атомов железа на единицу фотосистемы II и фотосистемы I непосредственно участвуют в электрон-транспортной цепи (ЭТЦ). ### Как растения усваивают железо? У высших растений существуют две основные стратегии поглощения железа корнями. Стратегия I, характерная для двудольных и однодольных растений, исключая злаки, включает следующие этапы: 1. Выделение протонов (H+): Активация H+-АТФазы на плазмалемме корневых клеток приводит к подкислению ризосферы, что увеличивает растворимость соединений Fe3+. Даже небольшое снижение pH значительно повышает доступность железа для растений. 2. Восстановление Fe3+ до Fe2+: Фермент Fe3+-хелатредуктаза, расположенный на плазмалемме, восстанавливает Fe3+ до Fe2+, что делает его доступным для транспорта через мембрану. 3. Транспорт Fe2+ через плазмалемму: Специфические белки-переносчики, такие как AtIRT1 (Iron Regulated Transporter), транспортируют Fe2+ внутрь клетки. Все этапы стратегии I активируются в условиях дефицита железа. Стратегия II используется исключительно злаками. Растения этой группы выделяют в ризосферу фитосидерофоры – низкомолекулярные хелатирующие вещества, образующие стабильные комплексы с Fe3+. Фитосидерофоры представляют собой производные никотианаминов, относящиеся к семейству мугеневой кислоты. Они обладают высоким сродством к Fe3+ и эффективно связывают его в ризосфере, делая доступным для поглощения. Образовавшийся комплекс [фитосидерофор-Fe3+] поглощается клетками корня с помощью специальной высокоэффективной транспортной системы. ### Регуляция поглощения железа Процесс поглощения железа находится под строгим контролем. Например, экспрессия генов, кодирующих Fe3+-хелатредуктазу (FRO) и белок-переносчик AtIRT1, усиливается в условиях дефицита железа. У злаков биосинтез мугеневой кислоты, ключевого компонента фитосидерофоров, также активируется при недостатке железа. Интересно, что выделение фитосидерофоров корнями злаков подчиняется суточному ритму. Максимальное выделение наблюдается в течение нескольких часов после начала светового периода. Такой ритм, вероятно, способствует более эффективной мобилизации железа и снижает вероятность его захвата микроорганизмами. ### Заключение Поглощение железа – сложный, многоступенчатый процесс, регулируемый на генетическом и физиологическом уровнях. Растения выработали две основные стратегии, позволяющие им эффективно извлекать этот жизненно важный микроэлемент из почвы.Железо, образующее в ризосфере комплекс с сидерофором, транспортируется в растение с помощью особой системы, расположенной в мембране клеток корня. Если эта система нарушена, например, в результате мутации, у растения развивается хлороз – болезнь, проявляющаяся в пожелтении листьев. Одним из компонентов транспортной системы является белок YS1. Он относится к семейству олигопептидов и имеет 12 трансмембранных доменов. Интересно, что гены, кодирующие YS1, активны не только в корнях, но и в побегах, что указывает на его возможную роль в дальнем транспорте железа. Однако у ячменя похожий белок HvYS1 синтезируется только в корнях, что говорит о его участии только в поглощении железа. Растения, использующие стратегию II для усвоения железа, подобно растениям, использующим стратегию I, также могут поглощать его в виде двухвалентного катиона (Fe2+). Например, рис, помимо фитосидерофорных комплексов, использует для транспорта Fe2+ белок OsIRT. При дефиците железа экспрессия генов OsIRT1 в корнях риса усиливается, как и экспрессия генов ITR1 у Arabidopsis. При этом, в отличие от Arabidopsis, у риса не наблюдается экспрессии генов FRO, отвечающих за хелатредуктазную активность. Возможно, это связано с тем, что в анаэробных условиях, характерных для мест обитания риса, образуется достаточно восстановленных форм железа, чтобы не требовалось активировать Fe3+-редуктазную систему. Поглощение железа растениями, как и других микроэлементов, начинается с клеточной стенки ризодермы корня. Сначала железо движется к плазмалемме путем диффузии. Однако в клетку попадает лишь часть железа, находящегося в клеточной стенке. В условиях доступа кислорода большая часть железа окисляется и выпадает в осадок в виде гидроксида или нерастворимых солей (например, фосфата). Так формируется апопластный пул, где может концентрироваться до 95% всего железа, содержащегося в корне. При нехватке железа в окружающей среде, особенно в условиях гидропоники, растение может частично использовать запасы апопластного пула. ## ЭЛЕМЕНТЫ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ В ПОЧВЕ ## ФОРМЫ И СОДЕРЖАНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ Железо – один из основных элементов земной коры. Оно составляет около 5% ее массы и занимает четвертое место по распространенности после кислорода (49,4%), кремния (28,6%) и алюминия (8,3%). В основном железо встречается в магматических и ультраосновных породах. Содержание железа в почвах колеблется от 0,02 до 3,8% от их массы. Выделяют силикатные и несиликатные формы железа. Силикатные формы входят в состав кристаллических решеток минералов. Основными почвообразующими минералами, содержащими железо, являются: * Гематит (α-Fe2O3) – распространен в засушливых, полузасушливых и тропических регионах. * Маггемит (γ-Fe2O3) – характерен для почв тропиков. * Гетит (α-FeOOH) – встречается в почвах всех климатических зон. * Лепидокрокит (γ-FeOOH) – типичен для плохо дренируемых почв, образуется при низких значениях pH и температуры. * Пирит (FeS2), сульфид железа (FeS) и ярозит (KFe3(SO4)2(OH)6) – встречаются в богатых серой почвах, подверженных затоплению. Несиликатные формы железа делятся на кристаллические, аморфные и подвижные (обменные, водорастворимые). Подвижные формы наиболее важны для питания растений. В почве они представлены в основном органоминеральными соединениями и ионами. Подвижность железа зависит от растворимости его соединений, которая определяется реакцией среды (pH) (Рис. 7.6), окислительно-восстановительным потенциаломПовышение растворимости минеральных солей железа на поверхности листьев объясняет эффективность некорневых подкормок этим элементом. Однако эффективность зависит от вида растений, в частности, от проницаемости кутикулы. Интересно, что положительное влияние хелатов на поглощение железа в опытах in vitro не было связано с изменением проницаемости кутикулы для этого микроэлемента. Более того, увеличение общей молекулярной массы Fe-соединения играет второстепенную роль. Уровень хлорофилла в листьях растений с дефицитом железа может возрастать при опрыскивании разбавленными органическими кислотами, например, лимонной кислотой. Эта кислота участвует в дальнем транспорте железа и, вероятно, способна образовывать комплексы с его малоподвижными эндогенными формами. При этом сульфуриловая кислота не показала позитивного эффекта, возможно, из-за низкой концентрации протонов. Таким образом, эффективность опрыскивания органическими кислотами зависит как от содержания железа в листьях, так и от способности кислот его извлекать. Кислотная обработка молодых листьев подсолнечника, обедненных железом, снижала значения pH в апопласте, но не влияла на концентрацию хлорофилла. Многократные подкормки кислотами предпочтительнее, так как позволяют максимально снизить pH в апопласте листа и мобилизовать эндогенные формы железа. Добавление поверхностно-активных веществ (ПАВ) может повысить эффективность некорневых препаратов железа или органических кислот. Однако это целесообразно только при совместимости ингредиентов подкормочного раствора. Фотохимические эффекты Фотохимические окислительно-восстановительные реакции в системе Fe(III)–лиганд, сопровождающиеся образованием двухвалентного железа, играют важную роль в усвоении Fe-хелатов побегом. Этот механизм необходим для восстановления Fe(III), образующегося при передвижении поглощенных корнями форм Fe(II) из прото- в метаксилему. Ключевое значение Fe(II) обусловлено лучшей растворимостью его минеральных солей по сравнению с Fe(III) и меньшей устойчивостью Fe(II)-хелатов, что облегчает высвобождение железа из транспортных форм и его включение в метаболизм. Фоторедукция Fe(III) до Fe(II) происходит под действием света с длиной волны менее 420 нм. Свет с длиной волны 350–700 нм проникает через лист и вызывает фоторедукцию Fe(III) в питательном растворе как при прямом облучении, так и при освещении через пораженные хлорозом листья. Исключение ультрафиолета (УФ) подавляет фоторедукцию Fe(III). Стимулирующее действие УФ-излучения на восстановление Fe(III) и синтез хлорофилла наблюдалось в опытах с соей. Причем эти эффекты усиливались с обострением дефицита железа и были наиболее выражены у Fe-неэффективного сорта. Органические соединения, особенно кислоты, интенсифицируют фоторедукцию Fe(III). На ярком свету в аэробных условиях цитратный Fe(III)-комплекс (одна из основных транспортных форм железа в растениях) легко распадается с образованием двухвалентного железа. Фотолиз карбоксилсодержащих хелатов железа и других микроэлементов (Mn, Co) заключается в элиминировании молекулы СО2 и сокращении хелатного цикла. Образующиеся промежуточные продукты со связями M–C термически нестабильны и распадаются с образованием ионов металла и радикалов лиганда. Фоторазложение, например, лимонной кислоты идет постепенно, с образованием множества промежуточных соединений, конечные продукты — ацетон и углекислый газ. При фотораспаде ЭДТА идентифицированы СО2, формальдегид, ионы этилендиаминтриацетата и этилендиаминдиацетата. Фотохимические окислительно-восстановительные реакции обнаружены не только в цитратных, но и в тартратных системах. Фотохимическая активность Fe-хелатов и их физиологическое действие при некорневом питании зависят от многих факторов: природы комплексона,Фотохимическая активность комплексов железа с органическими лигандами зависит от типа лиганда и реакции среды. Так, добавление меди к раствору комплекса железа с диэтилентриаминпентауксусной кислотой (ДТПА) снижает поглощение железа листьями, но не влияет на него, если используется комплекс с нитрилотриуксусной кислотой (НТА) или минеральные соли железа. В кислых растворах хелатов железа квантовые выходы фотохимических реакций выше, чем в нейтральных и щелочных. Антихлорозное действие этих хелатов также максимально в кислой среде. В то же время, фотохимическая и физиологическая активность фосфорсодержащих комплексов железа сохраняется на низком уровне в широком диапазоне рН (4–9). Видимо, низкая скорость фотообразования Fe(II) лимитирует метаболизацию железа листьями растений при нейтральной и щелочной реакциях среды. Важно отметить, что эти результаты получены в экспериментах с гомогенными растворами комплексов железа. Поэтому отрицательное влияние высоких значений рН на антихлорозную активность комплексов железа при их нанесении на лист нельзя объяснить только лишь деструкцией хелатов. Клеточный сок растений – это многокомпонентная система, где железо взаимодействует с различными соединениями и микроэлементами. Многие микроэлементы участвуют в регуляции фотохимической и физиологической активности хелатов железа. Влияние микроэлементов на фотовосстановление Fe(III) определяется их природой и концентрацией, видом органического лиганда и соотношением железо : микроэлемент : лиганд в растворе (рис. 8.9).

 Рис. 8.9. Фотохимическое восстановление хелатированного Fe(III) до Fe(II) в водных растворах  

При соотношении Fe : L = 1 : 2, достаточном для хелатирования всех металлов, обнаружено сильное (особенно на начальных этапах облучения) ингибирование фотохимического восстановления Fe(III) в присутствии меди и марганца. Например, при эквимолярном соотношении этих металлов с Fe(III) скорость его фотовосстановления уменьшается по сравнению с контролем на 50–80%. Влияние цинка на фотохимические реакции железа меньше, чем влияние меди и марганца. При эквимолярном соотношении Fe : L, недостаточном для хелатирования привносимых микроэлементов, не происходило подавления фотовосстановления Fe(III) ни марганцем, ни тем более цинком. Добавление меди к эквимолярным комплексам железа может привести к разрушению хелатов железа и образованию нерастворимых в воде гидроксидов железа из-за высокой комплексообразующей способности меди.

  Рис. 8.10. Эффективность некорневого питания огурца соединениями железа (СFe = 2·10–3 моль/л; рН 5,5)  

Проявление дефицита железа у Prunus persica. Хинянг, Китай.

Симптомы недостатка железа у Pyrus communis. Болонья, Италия.

Растения выработали различные механизмы адаптации к недостатку микроэлементов, в частности, железа. Наиболее изученным является комплекс адаптивных реакций корней. ### Химические механизмы повышения доступности железа Растения способны влиять на химический состав почвы, повышая доступность железа: - Восстановление Fe(III) до Fe(II): более растворимая форма железа. - Подкисление ризосферы: снижение pH увеличивает растворимость оксидов железа. - Продуцирование хелатирующих соединений: образование растворимых комплексов с железом. ### Стратегии адаптации к дефициту железа Различают две основные стратегии адаптации растений к дефициту железа: Стратегия I: - Усиленная экскреция протонов (H+) клетками корней: осуществляется H+-АТФазами плазмалеммы, снижение pH ризосферы. - Активация Fe3+-хелатредуктаз: восстановление Fe(III) до Fe(II) в растворимых комплексах. - Продуцирование редуцирующих и хелатирующих соединений: фенолы, рибофлавин, органические кислоты. Роль генов в стратегии I: - Гены семейства AHA (H+-АТФаза Arabidopsis): кодируют H+-АТФазы, участвующие в выделении протонов. - Гены FRO2 (Fe3+-хелатредуктаза): экспрессируются в ризодерме и сосудах корня, обеспечивая восстановление железа. - Гены AtBHLH29 (белок BHLH): необходимы для экспрессии генов AtFRO2. - Гены семейства FER (транскрипционный фактор bHLАзуат образует довольно стабильные комплексы с железом, что способствует усвоению железа растениями. Компьютерное моделирование показывает, что концентрация цитратных комплексов Fe(III) в ризосфере колеблется от 0,1 до 50 мкмоль/л. Не исключено, что органческие кислоты присутствуют в ризосфере в значительно более высоких концентрациях — до 90 ммоль/л. Рибофлавин (рибофлавин-3’(5’)-сульфат) — слабый восстановитель окисленных форм железа, его вклад в мобилизацию этого микроэлемента пока не изучен. Возможно, рибофлавин, обладающий, как известно, антимикробным действием, способен сдерживать рост микроорганизмов, конкурирующих с растениями за доступные формы железа. Описанные ответные реакции растений стратегии I на дефицит железа тесно связаны с морфологическими и анатомическими изменениями в структуре клеток корня: утолщением кончиков корней, образованием корневых волосков и ризодермальных передаточных клеток в апикальной зоне. Индуцированное нехваткой железа утолщение кончиков корней связано с увеличением объема клеток коры и их числа в антиклинальном направлении. Такое временное прекращение удлинения клеток не имеет ничего общего с симптомами недостатка бора или избытка алюминия, сопровождающихся деформацией клеток. Образование корневых волосков усиливается в ответ не только на дефицит железа, но и на другие факторы среды (дефицит фосфора и кислорода, повышенные температура и плотность почвы и др.). Дифференциация клеток корневых волосков при недостатке железа происходит, как и в обычных условиях, с участием этилена и ауксина. У некоторых видов растений (Proteaceae) в условиях дефицита железа появляются кластеры корней. Они состоят из множества боковых корней, богатых корневыми волосками. Ничего подобного не происходит в условиях недостатка бора. Передаточные клетки характеризуются интенсивным развитием выступов клеточной стенки, плотной цитоплазмой с множеством митохондрий, шероховатым ЭР, амебоидными пластидами. У растений некоторых видов (род Plantago) выросты клеточных стенок передаточных клеток простые по форме, у других (род Capsicum, Helianthus) — более сложные, лабиринтообразные, похожие на выступы. В нормальных условиях передаточные клетки найдены в вегетативных и генеративных частях растений, где осуществляется интенсивный транспорт питательных веществ. В корнях передаточные клетки обнаружены в смежном с клубеньками перицикле бобовых растений, сосудистой паренхиме, в местах формирования боковых корней. Образование в апикальной зоне корня передаточных клеток в ответ на дефицит железа связано с дифференциацией клеток в центральном цилиндре. У многих растений стратегии I передаточные клетки формируются в зоне корневых волосков со зрелыми элементами ксилемы; возможно, передаточные клетки задействованы в дальнем транспорте железа. В зоне растяжения передаточные клетки могут распространяться до гиподермы, если гибнут внешние ризодермальные клетки. Передаточные клетки встречаются также в зоне коры корня. В пределах одной и той же корневой системы формирование ризодермальных передаточных клеток отмечено только в частях корня, испытывавших дефицит железа. Следовательно, образование передаточных клеток в корне в большей степени зависит от локальных условий среды, а не от общего минерального статуса растений. Образование корневых волосков у мутанта Arabidopsis man1/frd3, накапливавшего железо в побеге вследствие конститутивной экспрессии генов, вовлеченных в ответные реакции на дефицит железа, зависело, тем не менее, от обеспеченности среды железом. Все эти данные свидетельствуют о существовании локальных механизмов адаптации растений к изменяющимся условиям внешней среды. Образование передаточных клеток — адаптивный механизм, направленный на усиление транспорта железа из апопласта в симпласт. Во многих## Железо и его роль в жизни растений Формирование новых листьев, например, у подсолнечника, более чувствительно к недостатку железа, чем синтез хлорофилла в уже существующих листьях. Интересно, что потребность в железе у подсолнечника, растущего на питательной среде с нитратом, в 1,6 раза выше, чем у растений на аммонийной среде. В молодых быстрорастущих листьях около 10% апопласта характеризуется высокими значениями pH (6,5–7). Обнаружена тесная отрицательная связь между pH апопласта или сока листьев и содержанием в них хлорофилла. ### Влияние дефицита железа на растения Одна из причин подавления роста меристем листьев при дефиците железа – снижение активности рибонуклеотидредуктазы. Этот железосодержащий фермент катализирует восстановление рибозы до дезоксирибозы, необходимой для синтеза ДНК. Наиболее ярко симптомы хлороза проявляются при одновременном присутствии в питательной среде нитрата и бикарбоната. Видовые и сортовые различия в азотном обмене и активности нитратредуктазы, вероятно, связаны с генетически обусловленными особенностями адаптации к железу. ### Влияние фосфата на усвоение железа Влияние фосфата на усвоение железа растениями неоднозначно. В полевых условиях при длительном и интенсивном внесении фосфорных удобрений не выявлено корреляции между содержанием фосфора в почве и степенью проявления хлороза у растений. Однако в водных культурах высокая концентрация фосфата в питательном растворе может вызывать типичные признаки хлороза. Одна из причин – образование малорастворимого фосфата железа, что приводит к иммобилизации железа и подавлению активности Fe(III)-редуктаз корня. В естественной среде этот эффект менее выражен из-за низкого содержания фосфата вблизи корней и пространственного разделения зон поглощения этих элементов. ### Влияние тяжелых металлов на усвоение железа Тяжелые металлы (медь, никель, молибден, цинк, марганец) также подавляют активность Fe(III)-редуктаз корня. Наиболее сильное ингибирующее действие оказывают медь и никель. Растения, использующие стратегию I адаптации к дефициту железа, более толерантны к тяжелым металлам благодаря высокой активности Fe(III)-редуктаз. ### Стратегии адаптации растений к дефициту железа #### Стратегия I Растения, использующие эту стратегию (в основном двудольные), реагируют на дефицит железа следующими способами: 1. Усиление выработки Fe(III)-редуктаз корня. Эти ферменты восстанавливают Fe(III) до Fe(II), которое легче усваивается растениями. 2. Подкисление ризосферы. Это способствует растворению железа и увеличивает его доступность для растений. 3. Формирование передаточных клеток. Эти клетки увеличивают площадь поверхности корня, улучшая поглощение питательных веществ, в том числе железа. #### Стратегия II Эта стратегия характерна для злаков. В ответ на дефицит железа эти растения: 1. Синтезируют фитосидерофоры (мугеновую кислоту и ее производные). Эти вещества связывают Fe(III) с высокой аффинностью, образуя растворимые комплексы, которые могут поглощаться корнями. 2. Усиливают экспрессию гена YS1 (Yellow Stripe 1). Этот ген кодирует транспортный белок, который доставляет комплексы фитосидерофоров-Fe(III) в корни. ### Взаимодействие с микроорганизмами Дефицит железа стимулирует синтез сидерофоров не только у растений, но и у микроорганизмов, особенно грибов. Сидерофоры конкурируют с фитосидерофорами за железо, но пространственное разделение зон корня, выделяющих и поглощающих фитосидерофоры, и зон с высокой плотностью бактерий, снижает этуУ злаков, как у представителей однодольных растений, щиток играет ключевую роль в мобилизации железа из эндосперма. Исследования показывают, что у сортов кукурузы с низкой эффективностью усвоения железа (Fe-неэффективные) наблюдается усиление ацидофикации (подкисления) среды щитком в условиях дефицита железа. Это сопровождается ускорением оттока железа из эндосперма, достигая прироста до 26%. Очевидно, выделение щитком кислых продуктов является важным биологическим механизмом, обеспечивающим транспорт железа к растущим частям злаков. Интересно, что эта реакция щитка на дефицит железа не связана с изменениями в его Fe3+-редуктазной активности. Восстановление Fe3+ до Fe2+ происходит вне клетки, в отличие от корней двудольных растений, где этот процесс связан с плазматической мембраной. Таким образом, у щитков злаков наблюдается специфическая реакция на дефицит железа - усиление выделения кислых продуктов, что характерно для корней двудольных растений (стратегия I). Вторая особенность двудольных - усиление Fe(III)-редуктазной активности корней - у щитков кукурузы не проявляется. У двудольных Fe3+-редукция, вероятно, не является критическим фактором устойчивости к недостатку железа, так как происходит на мембране клетки и не может эффективно растворять железо в среде. Некоторые исследования предполагают, что Fe3+-редуктаза в щитке, как и у двудольных, играет незначительную роль в адаптации кукурузы к дефициту железа. Возможно, это связано с изначально высокой скоростью Fe3+-редукции в щитке, что подтверждается наблюдениями за проростками, получавшими достаточно железа. Поэтому регуляция интенсивности этого процесса у проростков кукурузы в условиях дефицита железа нецелесообразна. Остается неясным, функционирует ли у злаков механизм стратегии II, предполагающий выделение щитком фитосидерофоров. Эксперименты показали, что при нейтрализации кислотности среды щитком с помощью буфера, транспорт железа к проросткам кукурузы полностью блокировался. Это ставит под сомнение предположение о том, что выделение щитком фитосидерофоров может быть самостоятельным механизмом, способным полностью удовлетворить потребности растущего злака в железе. Таким образом, у щитков злаков проявляется нетипичная для них реакция на дефицит железа – усиленное выделение кислых продуктов (H+). Эта адаптивная реакция происходит на дорсальной стороне щитка и приводит к увеличению скорости поступления железа из эндосперма. Эволюция механизмов адаптации. Реакция щитка злаков на дефицит железа удивительно схожа с реакцией корней двудольных растений (стратегия I). У злаков тоже наблюдаются похожие физиологические реакции: Fe3+-редукция, подкисление ризосферы, выделение редуцирующих веществ (таблица 9.7). Однако, в отличие от щитка, в корнях эти реакции не активируются при недостатке железа, поэтому их нельзя считать специфической реакцией на Fe-стресс.  У проростков злаков обнаружены маркеры ответов на дефицит железа как по типу стратегии I (в щитке), так и по типу стратегии II (в корнях), свойственных разным таксономическим группам растений. Этот факт подтверждает гипотезу об эволюции механизма стратегии II от механизма стратегии I, присущего двудольным предкам. Некоторые эмбриологи считают, что зародыш однодольных растений произошел от зародыша двудольных. Первый лист однодольных рассматривается как орган, гомологичный одной из семядолей двудольных. Возможно, в процессе развития однодольных и, как следствие, гаусториальной функции щитка злаков, сохранился и/или совершенствовался важнейший механи## Железо и растения: механизмы усвоения и видовая эффективность ### Введение Железо – важный микроэлемент для растений, необходимый для многих физиологических процессов. Однако его доступность в почве, особенно карбонатной, часто ограничена. В связи с этим у растений развились различные адаптивные механизмы усвоения железа, которые лежат в основе разделения на две стратегии: Стратегия I характерна для двудольных растений и включает: * Усиленное выделение протонов и органических кислот в ризосферу для подкисления среды и увеличения растворимости железа. * Синтез и выделение фитосидерофоров – низкомолекулярных соединений, связывающих железо. * Увеличение активности Fe3+-редуктазы – фермента, восстанавливающего Fe3+ до Fe2+, более доступной для растений формы. Стратегия II встречается у злаков и основана на: * Выделении фитосидерофоров, специфичных для этой группы растений. * Поглощении комплексов железа с фитосидерофорами. ### Видовая и генотипическая эффективность растений в усвоении железа Эффективность усвоения железа варьируется не только между видами, но и внутри одного вида, что указывает на генетическую обусловленность этого признака. Растения стратегии I У эффективных* видов и сортов наблюдается более высокая активность адаптивных реакций: * интенсивное выделение органических кислот в ризосферу, * высокая активность Fe3+-хелатредуктазы, * аккумуляция в корнях апопластных форм железа. Неэффективные* сорта сои, например, характеризуются слабым транспортом железа в побег. Пример: Виноград: Fe-эффективные виды ( Vitis berlandieri и V. vinifera) выделяют больше органических кислот и обладают более высокой активностью Fe3+-хелатредуктазы по сравнению с Fe-неэффективным видом ( V. riparia*). Яблоня и соя:* Fe-эффективные сорта накапливают в корнях больше апопластных форм железа, чем Fe-неэффективные. Однако: устойчивость к недостатку железа не всегда коррелирует с активностью всех адаптивных реакций. Пример: Vigna radiata:* устойчивые к Fe-дефициту сорта обладали высокой ацидофицирующей способностью корней, но их редуктазная активность не индуцировалась дефицитом железа. Кальцефилы (растения, адаптированные к карбонатным почвам) демонстрируют повышенную Fe-эффективность, связанную с: * более интенсивным выделением органических кислот в ризосферу, * более высоким содержанием «активных» форм железа в листьях. Противоречивые данные: * повышенная активность H+-АТФаз не всегда отражает устойчивость к Fe-дефициту, * существуют разногласия относительно Fe-эффективности разных видов люпина. Другие факторы: * содержание железа в семенах (горох устойчивее люпина к недостатку железа благодаря более высокому содержанию этого элемента в семенах), * взаимодействие с микроорганизмами ризосферы. Растения стратегии II Эффективность* связана с: * количеством выделяемых фитосидерофоров, * временем их максимального выделения. Пример: * эффективный сорт ячменя (Steptoe) выделял больше фитосидерофоров за шесть дней до появления хлороза, чем неэффективные сорта, у которых пик выделения приходился на период после появления симптомов. Злаки (стратегия II) часто эффективнее усваивают железо в карбонатных почвах, чем двудольные (стратегия I). Пример: * в смешанных посевах арахиса (стратегия I) и кукурузы (стратегия II) питание железом арахиса улучшалось.Железо – второй по распространенности металл на Земле после алюминия. На его долю приходится 4% массы земной коры. В природе железо встречается в форме различных соединений, таких как оксиды, сульфиды и силикаты. В чистом виде железо можно обнаружить только в метеоритах. Среди наиболее значимых железных руд выделяют: * Магнитный железняк Fe₃O₄ * Красный железняк Fe₂O₃ * Бурый железняк 2Fe₂O₃•3Н₂О * Шпатовый железняк FeCO₃ * Пирит, или железный колчедан, FeS₂ – используется для производства серной кислоты Россия богата месторождениями высококачественных железных руд. Значительные запасы находятся на Урале, вблизи Курска, на Кольском полуострове, а также в Западной и Восточной Сибири и на Дальнем Востоке.## Влияние железа на рост и развитие растений Различные виды растений демонстрируют разную устойчивость к недостатку и избытку железа в окружающей среде. Эта вариативность обусловлена комплексом адаптивных реакций, развившихся в процессе эволюции. ### Недостаток железа Способность усваивать железо из почвы, особенно с высоким pH, является ключевым фактором, определяющим устойчивость растений к его дефициту. Например, сорт люпина Lupinus albus P27486 отличается высокой эффективностью усвоения железа благодаря способности подкислять ризосферу, создавая благоприятные условия для растворения железа и развития клубеньков на корнях. Интересно, что результаты исследований устойчивости разных видов люпина к щелочным почвам противоречивы. Возможно, это связано с различными механизмами адаптации, помимо подкисления ризосферы. Другим важным фактором является содержание железа в семенах. Виды с высоким содержанием железа в семенах, такие как горох, более устойчивы к его дефициту на ранних стадиях развития. ### Избыток железа Избыток железа, характерный для гидроморфных почв, также представляет опасность для растений. Высокие концентрации железа, особенно в растворимой форме, приводят к образованию гидроксильных радикалов, повреждающих клетки. Симптомы избытка железа: * Оранжевое окрашивание кончиков корней (осадок железа) * Отсутствие ветвления корней * Низкорослость побегов * Бронзовые пятна на листьях Кроме прямого токсического воздействия, избыток железа нарушает усвоение других важных элементов, таких как фосфор, калий и цинк. Это связано с высокой сорбционной способностью гидроксидов железа. ### Стратегии адаптации к дефициту железа У растений выработались различные стратегии борьбы с дефицитом железа. Стратегия II основана на выделении корнями растений фитосидерофоров - веществ, связывающих железо и делающих его доступным для усвоения. Эффективность этой стратегии зависит от количества и времени выделения фитосидерофоров. Например, у ячменя эффективные сорта выделяют фитосидерофоры до появления симптомов дефицита железа, в то время как неэффективные - после. ### Заключение Устойчивость растений к недостатку и избытку железа - сложный многофакторный признак. Разные виды и сорта растений выработали различные адаптивные механизмы, позволяющие им выживать в условиях широкого диапазона концентраций железа в окружающей среде.## Железо – незаменимый элемент для жизни растений Железо, обозначаемое символом Fe, – это блестящий серебристо-белый металл, относящийся к VIII группе периодической системы Менделеева. В природе железо представлено несколькими стабильными изотопами. Низкая энергия ионизации атома железа обеспечивает этому элементу высокую химическую активность. Железо легко отдает электроны с внешних орбит, проявляя положительную валентность в соединениях, что характерно для металлов. Важная особенность железа – его переменная валентность (Fe2+/Fe3+) и способность к образованию комплексных соединений. Именно эти свойства определяют важнейшие функции железа в растениях. Железо участвует в окислительно-восстановительных реакциях как в составе гема, так и в негемовой форме. Известно множество ферментов, содержащих железо в своем составе. ### Гемовые соединения железа Гем – это широко распространенный в живых организмах кофактор. Он представляет собой комплекс протопорфирина IX с ионом двухвалентного железа (Fe2+).  Гем входит в состав таких важных белков, как: Цитохромы* – ключевые компоненты электрон-транспортных цепей фотосинтеза и дыхания. Пероксидазы* – ферменты, участвующие в окислении различных молекул с использованием пероксида водорода. Каталаза* – фермент, разрушающий пероксид водорода с образованием кислорода и воды. Леггемоглобин* – белок клубеньковых растений, связывающий кислород и создающий благоприятные условия для фиксации азота. Биосинтез гема тесно связан с синтезом хлорофилла. Включение Fe2+ в протопорфирин IX осуществляется ферментом феррохелатазой. Этот фермент обнаружен в пластидах – основных местах синтеза гемовых соединений в клетках растений. ### Электронтранспортная цепь и цитохромы Электронтранспортная цепь (ЭТЦ) фотосинтеза, расположенная в мембране тилакоидов хлоропластов, включает три основных комплекса: фотосистему II (ФС II), фотосистему I (ФС I) и цитохромный b6/f-комплекс.  В дыхательной ЭТЦ митохондрий перенос электронов также происходит с участием цитохромов. ### Пероксидазы и их функции Гемовые пероксидазы обнаружены у всех наземных растений. Они восстанавливают пероксид водорода (H2O2) путем окисления различных молекул-доноров, таких как фенольные соединения, предшественники лигнина, ауксин и вторичные метаболиты.  Рис. Активация O–O-связей с участием пероксидазы В реакциях с участием пероксидаз образуются активные формы кислорода, играющие важную роль в различных физиологических процессах, включая: * Защита семян от патогенов. * Рост клеток растяжением. * Полимеризация компонентов клеточной стенки. * Биосинтез лигнина и суберина. * Регуляция уровня ауксинов.  Рис. Множественность функцийЖелезо-серные (Fe-S) кластеры – это кофакторы, состоящие из атомов железа и серы. Они играют важную роль в различных биологических процессах, включая фотосинтез, фиксацию азота и метаболизм. Синтез Fe-S кластеров происходит в митохондриях и пластидах растений. В этом процессе участвует белок фратаксин, который, предположительно, служит донором железа. ## Негемовые Fe-ферменты Помимо Fe-S кластеров, железо входит в состав негемовых ферментов. Эти ферменты участвуют в разнообразных окислительных реакциях, используя кислород. В координационной сфере таких белков обычно преобладают O- и N-лиганды. Примеры негемовых Fe-ферментов: * α-кетоглутарат- и птеринзависимые ферменты * Риске-подобная диоксигеназа * 1-аминоциклопропан-1-карбооксидаза (участвует в синтезе этилена у растений) * Ферменты, окисляющие серные эфиры до оксидов серы Отличие негемовых Fe-ферментов от гемовых: * Более эластичное окружение атома металла ## Примеры Fe-S-белков растений ### Ферредоксин * Обнаружен у цианобактерий, водорослей и высших растений * Мономерный белок с молекулярной массой около 11 кДа * Содержит один кластер [2Fe-2S] на молекулу * Участвует в переносе одного электрона при низком окислительно-восстановительном потенциале (-300 до -460 мВ) * Служит конечным акцептором электронов в ЭТЦ фотосинтеза (фотосистема I) * Участвует в восстановлении НАДФ+, нитрита, тиоредоксина, сульфата и кислорода * Регулирует распределение электронов между циклическим и нециклическим потоками в ЭТЦ фотосинтеза ### Нитрогеназа * Ключевой фермент фиксации азота у азотфиксирующих микроорганизмов и растений * Состоит из двух белков: Fe-белка и Mo-Fe-белка * Fe-белок: две субъединицы, один кластер [4Fe-4S], связывает Mg-АТФ, переносит электроны к Mo-Fe-белку * Mo-Fe-белок: четыре субъединицы, связывает азот, восстанавливает его до аммония * Катализирует три реакции: восстановление субстратов (N2, C2H2), гидролиз АТФ, АТФ-зависимое выделение водорода ### Супероксиддисмутаза (СОД) * Катализирует дисмутацию супероксидных радикалов (O2 ∙-) * Некоторые изоформы содержат## Роль железа в жизни растений Железо – незаменимый элемент для растений, играющий ключевую роль во множестве физиологических процессов. Рассмотрим некоторые из них. ### Участие в метаболизме пуринов Железосодержащий фермент ксантиндегидрогеназа катализирует первые две стадии превращения индола в аллантоиновую кислоту: ин → мочевая кислота → аллантоин → аллантоиновая кислота. Ксантиндегидрогеназа может использовать молекулярный кислород в качестве акцептора электронов, продуцируя при этом кислородные и супероксидные радикалы. Этот процесс наблюдается, например, при воздействии на растения патогенных организмов, в условиях засухи и естественного старения. Клеточная локализация ксантиндегидрогеназы до конца не изучена, но известно, что она присутствует в цитоплазме и пероксисомах. ### Липоксигеназы Липоксигеназы – это семейство ферментов, широко распространенное у растений и животных. Они содержат один атом негемового железа на молекулу и катализируют присоединение кислорода к ненасыщенным жирным кислотам, таким как линолевая и линоленовая кислоты, с образованием гидропероксидов. Высокая активность липоксигеназ характерна для быстрорастущих тканей и может играть важную роль в стабильности мембран. Пероксидное окисление липидов, катализируемое липоксигеназами, вовлечено в процессы старения и защитных реакций растений на патогены. Липоксигеназы локализуются преимущественно в цитоплазме и вакуолях, но также обнаруживаются в хлоропластах, жировых телах и ассоциированы с мембранами (плазматической, тилакоидной). Интересно, что недавно липоксигеназы были обнаружены в митохондриях растений. Предполагается, что, подобно клеткам млекопитающих, появление липоксигеназ в митохондриях растений может запускать апоптоз и деградацию этих органелл. Однако физиологическое значение такой локализации требует дальнейшего изучения. ### Ферритин Ферритин – это белок, запасающий железо. Одна молекула ферритина может содержать сотни и тысячи атомов железа. Например, ферритин кукурузы, бобов и соевых бобов содержит 990, 1800 и 2500 атомов железа соответственно. Апоферритин – это форма ферритина без железа. Он состоит из 24 субъединиц, формирующих центральную полость, куда загружаются ионы Fe²⁺. В дальнейшем железо в этой полости окисляется до Fe³⁺ и кристаллизуется в форме гидроксида. Ферритин хранит железо в окисленной форме, предотвращая образование свободных радикалов в реакции Фентона:

Выход железа из ферритина происходит через поры в белковой оболочке и сопровождается восстановлением Fe³⁺ до Fe²⁺. #### Локализация и функции ферритина В листьях ферритин находится преимущественно в этиопластах и амилопластах, где накапливается в строме. Небольшое количество ферритина присутствует в хлоропластах молодых листьев, вероятно, служа источником железа для фотосинтеза. На более поздних стадиях развития листьев ферритин в зрелых хлоропластах не обнаруживается. В стареющих тканях синтез ферритина может возобновляться. Механизмы регуляции синтеза ферритина на разных стадиях развития листьев пока не изучены. Ферритин также обнаружен в цитоплазме, митохондриях и пластидах корней. У Arabidopsis thaliana высо## Железо и его роль в жизни растений Железо – важный микроэлемент для растений, его концентрация в тканях растений выше, чем других микроэлементов. Как правило, корни накапливают железо в несколько раз интенсивнее, чем побеги. В среднем, растения на континентах содержат около 200 мг железа на килограмм массы. Исследования в Забайкалье показали, что концентрация железа варьирует в зависимости от типа растительности. Например, степные растения содержат в среднем 182 мг/кг, луговые злаки – 130 мг/кг, а растения рапса – 301 мг/кг. Интересно отметить, что для нормального развития жвачных животных необходимо, чтобы их корм содержал 50-80 мг железа на килограмм, при этом максимально допустимый уровень составляет 400 мг/кг. Большая часть железа в листьях (около 80%) находится в хлоропластах, преимущественно в тилакоидах, а не в строме. В тилакоидных мембранах примерно 20 атомов железа на каждую фотосистему II и I непосредственно участвуют в электрон-транспортной цепи (ЭТЦ). ### Поглощение железа растениями Существует два основных механизма поглощения железа корнями растений, которые мы назовём стратегия I и стратегия II. Стратегия I характерна для всех двудольных и однодольных растений, кроме злаков. Она включает следующие этапы: 1. Выделение протонов (H+): Активация H+ -АТФазы на плазмалемме корневых клеток приводит к выделению протонов в окружающую среду, подкисляя её. Это увеличивает растворимость соединений железа Fe3+, делая его более доступным для поглощения. 2. Восстановление Fe3+ до Fe2+: Фермент Fe3+-хелатредуктаза, расположенный на плазмалемме, восстанавливает Fe3+ до Fe2+. Эта форма железа лучше усваивается растениями. 3. Транспорт Fe2+ через плазмалемму: Специальные белки-переносчики, такие как AtIRT1, транспортируют Fe2+ внутрь клеток корня. Все эти процессы активируются при недостатке железа в окружающей среде. Стратегия II используется исключительно злаками. Она основана на выделении корнями особых веществ – фитосидерофоров. 1. Выделение фитосидерофоров: Фитосидерофоры – это низкомолекулярные соединения, способные эффективно связывать Fe3+ в ризосфере (прикорневой зоне). 2. Формирование комплекса фитосидерофор-Fe3+: Фитосидерофоры образуют стабильные комплексы с Fe3+, делая его доступным для поглощения корнями. 3. Поглощение комплекса: Специализированные транспортные системы на поверхности корневых клеток эффективно поглощают комплексы фитосидерофоров с Fe3+. Как и в случае со стратегией I, процессы выделения фитосидерофоров и транспорта железа усиливаются при его дефиците. ### Регуляция поглощения железа Поглощение железа – точно регулируемый процесс. Например, у растений, использующих стратегию I, экспрессия генов, ответственных за синтез Fe3+-хелатредуктазы и белка-переносчика AtIRT1, усиливается при дефиците железа. У злаков (стратегия II) недостаток железа активирует гены, контролирующие синтез фитосидерофоров. ### Взаимосвязь с другими элементами Интересно, что у томатов дефицит железа приводит к одновременной активации генов, ответственных за транспорт не только железа, но и фосфора с калием. Это говорит о сложной взаимосвязи между различными элементами питания в жизни растений. ### Заключение Поглощение железа – жизненно важный процесс для растений. Существуют разные стратеКомплекс железа с сидерофором, образованный в ризосфере, транспортируется специфической системой поглощения, расположенной в мембране клеток корня. У мутанта кукурузы с нарушенной системой поглощения наблюдались типичные признаки хлороза листьев. Транспортная система, кодируемая геном YS1, представлена белком-переносчиком из семейства олигопептидов с двенадцатью трансмембранными доменами. Экспрессия генов YS1 происходит не только в корнях, но и в побегах растений, что указывает на участие белков YS1 в дальнем транспорте железа. Однако у ячменя белок HvYS1 синтезируется только в корнях и, вероятно, участвует только в поглощении железа. Растения, использующие как стратегию I, так и стратегию II, могут поглощать железо в форме двухвалентного катиона. Например, рис способен транспортировать железо не только в форме комплексов с фитосидерофорами, но и в форме Fe2+ с помощью белка OsIRT. Экспрессия генов OsIRT1 в корнях риса, как и генов ITR1 у Arabidopsis, увеличивается при дефиците железа. В то же время в корнях риса не обнаружено экспрессии генов FRO, ответственных за хелатредуктазную активность. Возможно, в анаэробных условиях, характерных для мест обитания риса, количество образующихся восстановленных форм железа достаточно для поддержания жизнедеятельности без активации Fe3+-редуктазной активности. Поглощение железа растениями, как и других микроэлементов, начинается в клеточной стенке ризодермальных клеток корня. Сначала железо диффундирует через клеточную стенку к плазмалемме. Однако при мембранном транспорте в клетку попадает только часть железа, находящегося в клеточной стенке. В аэробных условиях большая часть железа окисляется и осаждается в форме гидроксида или нерастворимых солей (фосфата), формируя так называемый апопластный пул, где концентрируется до 95% общего содержания железа в корне. При недостатке железа в среде апопластный пул может быть частично использован, по крайней мере, в условиях гидропоники. ## ЭЛЕМЕНТЫ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ В ПОЧВЕ ## ФОРМЫ И СОДЕРЖАНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ Железо — один из основных элементов литосферы, составляет около 5% ее массы и занимает четвертое место по распространенности после кислорода (49,4%), кремния (28,6%) и алюминия (8,3%). Встречается преимущественно в магматических и ультраосновных породах. Содержание общего железа в почвах колеблется от 0,02 до 3,8% от их массы. В почвах различают силикатные и несиликатные (свободные) формы железа. Силикатные формы входят в состав кристаллических решеток первичных и вторичных минералов. К основным почвообразующим минералам железа относятся: гематит (α-Fe2O3), встречающийся преимущественно в почвах аридных, семиаридных и тропических регионов; маггемит (γ-Fe2O3), формирующийся в почвах тропических зон; гетит (α-FeOOH), широко распространенный в почвах всех климатических зон; лепидокрокит (γ-FeOOH), характерный для слабо дренируемых почв, его образование обычно происходит при низких значениях pH и температуры; пирит (FeS2), сульфид железа (FeS) и ярозит (KFe3(SO4)2(OH)6), распространенные в богатых серой затопляемых почвах. Несиликатные формы железа подразделяют на окристаллизованные, аморфные и подвижные (обменные, водорастворимые). Последние имеют наибольшее значение для минерального питания растений. В почвах подвижные формы железа представлены в основном органоминеральными соединениями и ионами. Подвижность железа в почве определяется растворимостью его соединений, зависящей как от реакции среды (pH) (рис. 7.6) и ее окислительно-восстановительного потенциалаПовышение растворимости минеральных солей железа на поверхности листьев объясняет эффективность некорневых подкормок этим элементом. Важно отметить, что эффективность подкормок зависит от вида растения и проницаемости его кутикулы. Интересно, что в экспериментах _in vitro_ положительное влияние хелатов на поглощение железа не было связано с улучшением проницаемости кутикулы, а общая молекулярная масса Fe-соединения играла второстепенную роль. Уровень хлорофилла в листьях растений с дефицитом железа можно повысить опрыскиванием растворами органических кислот. Например, двусторонняя обработка листьев груши лимонной кислотой показала подобный эффект. Предполагается, что лимонная кислота, участвуя в транспорте железа, способна связывать его малоподвижные эндогенные формы. В то же время, применение сульфуриловой кислоты не дало положительных результатов, возможно, из-за низкой концентрации протонов. Таким образом, эффективность опрыскивания органическими кислотами зависит как от содержания железа в листьях, так и от способности кислот его извлекать. Кислотная обработка молодых листьев подсолнечника, испытывающих недостаток железа, снижала pH в апопласте, но не влияла на концентрацию хлорофилла. Для достижения максимального снижения pH в апопласте и мобилизации эндогенных форм железа, рекомендуются многократные подкормки кислотами. Добавление поверхностно-активных веществ (ПАВ) может повысить эффективность некорневых препаратов железа или органических кислот. Однако, важно учитывать совместимость всех компонентов подкормочного раствора. Фотохимические эффекты Фотохимические окислительно-восстановительные реакции в системе Fe(III)-лиганд с образованием двухвалентного железа играют важную роль в усвоении Fe-хелатов побегом. Этот механизм необходим для восстановления Fe(III), образующегося при перемещении поглощенных корнями форм Fe(II) из прото- в метаксилему. Fe(II) обладает лучшей растворимостью минеральных солей по сравнению с Fe(III), а также меньшей устойчивостью Fe(II)-хелатов, что облегчает высвобождение железа из транспортных форм и его включение в метаболизм. Фоторедукция Fe(III) до Fe(II) происходит под действием света с длиной волны менее 420 нм. Свет в диапазоне 350–700 нм способен проникать через лист и вызывать фоторедукцию Fe(III) в питательном растворе как при прямом облучении, так и при освещении через листья, пораженные хлорозом. Фоторедукция Fe(III) подавляется при исключении ультрафиолетовой (УФ) части спектра. Стимулирующее влияние УФ-излучения на восстановление Fe(III) и синтез хлорофилла было обнаружено в экспериментах с растениями сои. Физиологические эффекты, вызванные УФ-лучами, усиливались с обострением дефицита железа и были наиболее выражены у Fe-неэффективного сорта. Органические соединения, особенно кислоты, интенсифицируют фоторедукцию Fe(III). Например, цитратный Fe(III)-комплекс (одна из основных транспортных форм железа в растениях) легко разлагается на свету в аэробных условиях с образованием двухвалентного железа. Фотолиз карбоксилсодержащих хелатов железа и других микроэлементов (Mn, Co) протекает с элиминированием молекулы СО2 и сокращением хелатного цикла. Образующиеся при этом промежуточные продукты с связями M–C термически нестабильны и распадаются с образованием ионов металла и радикалов лиганда. Фоторазложение лимонной кислоты происходит постепенно, с образованием множества промежуточных соединений и конечных продуктов — ацетона и углекислого газа. При фотораспаде ЭДТА образуются СО2, формальдегид, ионы этилендиаминтриацетата и этилендиаминдиацетата. Фотохимические окислительно-восстановительные реакции обнаружены не только в цитратных, но и в тартратных системах. Фотохимическая активностьПрименение цианида калия снижает ассимиляцию листьями железа из комплекса со средней фотохимической активностью (Fe-ДТПА), но не влияет на нее при использовании фотохимически высокоактивного комплекса (Fe-НТА) или минеральных солей. Реакция среды В водных растворах фотохимически активных Fe-хелатов квантовые выходы фотохимических реакций выше в кислой среде, чем в нейтральной и щелочной. Антихлорозное действие этой группы хелатов также максимально в кислой среде. Как фотохимическая, так и физиологическая активность фосфорсодержащих комплексов железа остаются на низком уровне в широком диапазоне pH (4–9). Вероятно, низкая скорость фотообразования Fe(II) ограничивает метаболизм железа листьями растений при нейтральной и щелочной реакциях среды. Важно отметить, что эти результаты получены в экспериментах с гомогенными растворами Fe-комплексов. Поэтому отрицательное влияние высоких значений pH на антихлорозную активность Fe-комплексов при их нанесении на лист нельзя интерпретировать как деструкцию хелатов. Влияние микроэлементов Клеточный сок растений – это многокомпонентная система, в которой железо окружено различными соединениями других микроэлементов. Многие металлы-микроэлементы участвуют в регуляции фотохимической и физиологической активности Fe-хелатов. Влияние микроэлементов на фотовосстановление Fe(III) определяется их природой и концентрацией, видом органического лиганда и соотношением железо : микроэлемент : лиганд в растворе (рис. 8.9). При соотношении Fe : L = 1 : 2, достаточном для хелатирования всех металлов, наблюдается сильное (особенно на начальных этапах облучения) ингибирование фотохимического восстановления Fe(III) в присутствии меди и марганца. Например, при эквимолярном соотношении этих металлов с Fe(III) скорость его фотовосстановления снижается по сравнению с контролем на 50–80%. Влияние цинка на фотохимические реакции железа меньше, чем влияние меди и марганца. При эквимолярном соотношении Fe : L, недостаточном для хелатирования вносимых микроэлементов, не происходило подавления фотовосстановления Fe(III) ни марганцем, ни, тем более, цинком.

 Рис. 8.9. Фотохимическое восстановление хелатированного Fe(III) до Fe(II) в водных растворах 

 Рис. 8.10. Эффективность некорневого питания огурца соединениями железа (СFe = 2⋅10−3 моль/л; pH 5,5) 

Добавление к эквимолярным комплексам железа меди может, в силу ее высокой комплексообразующей способности, индуцировать разрушение Fe-хелатов и образование нераствориДефицит железа – распространенное явление у растений, произрастающих на карбонатных почвах, которые составляют примерно 30% земной поверхности. Низкое содержание доступного железа в таких почвах вызывает карбонатный (известковый, железный) хлороз. Эта болезнь значительно снижает продуктивность культурных растений, а в тяжелых случаях приводит к их гибели. Дефицит железа может быть вызван не только карбонатными почвами, но и высоким содержанием в почве марганца, цинка, меди, а также чрезмерным использованием фосфора и извести. Содержание железа в листьях растений варьируется в пределах 15–150 мг/кг сухой массы в зависимости от вида. Если концентрация железа падает ниже этого уровня, возникают функциональные нарушения и появляются видимые симптомы дефицита. В меристематических и активно растущих клетках критический уровень железа еще выше – около 200 мг/кг сухой массы. При хлорозе наблюдается нарушение как дальнего транспорта железа (от корней к побегам), так и его распределения внутри листьев. В листьях железо накапливается в апопласте в неактивной форме. Причины нарушения дальнего транспорта железа до конца не изучены. Некоторые ученые связывают это с повышением pH ксилемного сока под влиянием бикарбонат-ионов, что разрушает транспортные формы железа. Другие исследователи считают, что бикарбонат не влияет на содержание железа в ксилеме, а нарушения вызваны другими факторами. Более того, есть данные, что бикарбонат может даже немного снижать pH ксилемного сока и апопласта листьев (например, у сахарной свеклы). Интересно, что концентрация железа в пожелтевших (пораженных хлорозом) листьях может быть не ниже, чем в здоровых зеленых. Вероятно, в условиях, вызывающих хлороз, большая часть железа просто становится недоступной для растения, накапливаясь в апопласте листьев. Физиологически активная форма железа участвует в окислительно-восстановительных реакциях (Fe2+/Fe3+). Для оценки обеспеченности растений доступным железом измеряют количество «активного железа», которое можно извлечь из листьев с помощью слабых кислот или хелаторов. Однако точный состав и локализация этих форм железа в клетках пока не известны. Дефицит железа сильнее влияет на рост растений, чем на содержание хлорофилла. Нарушение роста на карбонатных почвах возможно даже без видимых признаков хлороза. Одна из причин – снижение активности рибонуклеотидредуктазы из-за накопления нитратов в карбонатных почвах. Этот фермент, содержащий железо, катализирует превращение рибозы в дезоксирибозу, необходимую для синтеза ДНК. Таким образом, недостаток железа в молодых листьях приводит к подавлению синтеза ДНК и замедлению роста. Симптомы хлороза наиболее выражены при одновременном присутствии в среде нитрата и бикарбоната. Дефицит железа вызывает значительные изменения в пластидном аппарате листьев. Пластиды уменьшаются в размерах, система тилакоидов редуцируется. Граны в хлоропластах содержат всего два-три тилакоида с нарушенным расположением, а на периферии пластид появляются пузырьки. Эти изменения сопровождаются низкой концентрацией железа в тилакоидах. Недостаток железа подавляет синтез белка в хлоропластах сильнее, чем в цитоплазме. Кроме того, снижается концентрация хлорофилла и каротиноидов в листьях, а также активность фотосистем. Снижение содержания зеленых пигментов связано, главным образом, с недостатком хлорофилла b. При дефиците железа тормозится синтез δ-аминолевулиновой кислоты – предшественника хлорофилла и гемовых соединений. Также снижается содержание ферредоксина и подавляется регенерация его восстановленной формы. Концентрация каротиноидов тоже падает (но меньше, чем хлорофилла), что приводит к снижению соотношения хлорофилл/каротиноиды. Подобные изменения в содержании хлорофилла могут наблюдаться и при дефиците азо## Адаптация растений к дефициту железа На фотографиях ниже представлены симптомы дефицита железа у персика (Prunus persica) и груши обыкновенной (Pyrus communis).

Проявление дефицита железа у Prunus persica. Хинянг, Китай. 2005

Симптомы недостатка железа у Pyrus communis. Болонья, Италия, 2001 ### Реакции корней на дефицит железа Растения выработали сложные механизмы адаптации к дефициту железа. Они повышают растворимость и доступность железа в почве, восстанавливая Fe(III) до Fe(II), снижая рН ризосферы и выделяя хелатирующие соединения. Различают два типа адаптивных реакций корней на дефицит железа: стратегия I и стратегия II. ### Стратегия I Растения, использующие стратегию I (например, горох, бобы, сахарная свекла, яблоня, огурец), характеризуются двумя основными реакциями: 1. Усиление экскреции протонов (H+) клетками корней. Это достигается за счет активации H+-АТФаз в плазмалемме корня, что приводит к снижению рН в ризосфере на две единицы и более. Подкисление ризосферы способствует растворению оксидов железа и создает условия для работы Fe(III)-редуктаз. 2. Активация Fe3+-хелатредуктаз. Эти ферменты восстанавливают растворимые Fe(III)-хелаты до Fe(II), что облегчает поглощение железа корнями. Экспрессия генов, кодирующих Fe(III)-хелатредуктазы (например, FRO2 у Arabidopsis), индуцируется при дефиците железа. Регуляция этих реакций осуществляется с участием генов семейства FER, кодирующих транскрипционный фактор bHLH. Белок FER обнаруживается в клетках корня при низких концентрациях железа и регулирует как поглощение железа из почвы, так и его распределение в растении. ### Роль корневых экссудатов Растения стратегии I выделяют в ризосферу низкомолекулярные соединения, такие как фенолы, рибофлавин и органические кислоты. Фенолы, такие как кофейная и хлорогеновая кислоты, способны восстанавливать Fe(III) до Fe(II). Однако этот процесс наиболее эффективен в кислой среде (pH 3-4), что ограничивает его значение в почвах с высоким pH. Органические кислоты, особенно лимонная и яблочная, играют более важную роль в мобилизации железа. При дефиците железа их концентрация в корнях может значительно увеличиваться. Органические кислоты образуют растворимые комплексы с железом, что делает его более доступным для растений. Увеличение содержания органических кислот связано с усилением фиксации CO2 корнями. Дефицит железа индуцирует активность ФЕПК (фосфоенолпируваткарбоксилазы), что приводит к усиленному синтезу органических кислот, аминокислот и углеводов. Органические кислоты выделяются в ризосферу путем диффузии, через ионные каналы или с помощью специальных переносчиков.

Однако в корнях, в отличие от щитка, эти реакции не активируются недостатком железа, следовательно, их нельзя классифицировать как специфические ответные реакции на Fe-стресс. Таким образом, у проростков злаков обнаружены маркерные ответы на дефицит железа по типу стратегии I (в щитке) и по типу стратегии II (в корнях), характерные для разных таксономических групп растений (двудольных и злаков). Этот факт подтверждает предположение об эволюции механизма стратегии II от механизма стратегии I## Химический элемент Железо и его усвоение растениями Усвоение железа растениями – сложный процесс, на который влияют как видовые особенности, так и генотипические различия внутри видов. Существует две основные стратегии усвоения железа растениями, и для каждой из них характерны свои механизмы и особенности. Растения стратегии I, к которым относятся двудольные, используют различные адаптивные реакции на дефицит железа. К ним относятся: Выделение органических кислот в ризосферу:* Кальцефилы, растения, адаптированные к росту на карбонатных почвах, более эффективно выделяют органические кислоты по сравнению с кальцефобами. Это повышает доступность железа для поглощения. Например, эффективные виды винограда (Vitis berlandieri и V. vinifera) выделяют больше органических кислот и демонстрируют более высокую активность Fe3+-хелатредуктазы по сравнению с неэффективным видом V. riparia. Активация Fe3+-редуктазы:* Этот фермент восстанавливает Fe3+ до Fe2+, которое растение может усваивать. Корреляция между активностью Fe3+-редуктазы и устойчивостью к дефициту железа наблюдалась у сои и персика. Накопление апопластных форм железа:* Эффективные сорта яблони и сои накапливают больше апопластного железа в корнях, что важно для его дальнейшего транспорта в побег. Однако, устойчивость к недостатку железа не всегда коррелирует с интенсивностью перечисленных реакций. Например, у сортов Vigna radiata, устойчивых к Fe-дефициту, отмечена высокая ацидофицирующая способность корней, но редуктазная активность не усиливается при недостатке железа. Растения стратегии II – это, как правило, злаки. Их устойчивость к дефициту железа связана с выделением фитосидерофоров – веществ, связывающих железо и делающих его доступным для растений. Количество и время выделения фитосидерофоров:* Виды злаков различаются по активности выделения фитосидерофоров. Например, пшеница выделяет их больше, чем ячмень, а ячмень – больше, чем кукуруза. Важную роль играет и время максимального выделения. У эффективных сортов ячменя пик выделения фитосидерофоров наступает до появления симптомов дефицита железа, а у неэффективных – после. Активность ризосферных микроорганизмов:* Генотипические различия в эффективности растений стратегии II могут быть обусловлены разной интенсивностью продуцирования сидерофоров ризосферными микроорганизмами. Сравнение эффективности стратегий: | Показатель | Стратегия I | Стратегия II | |---|---|---| | Тип растений | Двудольные | Злаки | | Механизм | Выделение органических кислот, активация Fe3+-редуктазы | Выделение фитосидерофоров | | Зависимость от pH | Высокая | Низкая | В целом, растения стратегии II (злаки) часто оказываются более эффективными в усвоении железа на карбонатных почвах, чем растения стратегии I (двудольные). Это может быть связано с меньшей зависимостью механизмов поглощения железа у злаков от pH среды. Генетические модификации: Введение генов, отвечающих за синтез фитосидерофоров (например, генов NAS, кодирующих никотианаминосинтазу), в растения стратегии I может повысить их устойчивость к дефициту железа. Заключение: Эффективность усвоения железа растениями – сложный многофакторный процесс. Чем больше адаптивных реакций задействуется в конкретных условиях, тем более эффективно питание железом растения определенного вида/сорта. Таблица 9.10. Сухая масса растений при добавлении карбоната кальция.  Рис. 8.9. Фотохимическое восстановление хелатированного Fe(III) до Fe(II) в водных растворах  

При соотношении Fe : L = 1 : 2, достаточном для связывания всех металлов в хелаты, обнаружено сильное (особенно в начале облучения) торможение фотохимического восстановления Fe(III) в присутствии меди и марганца. Например, при равном количестве этих металлов с Fe(III) скорость его фотовосстановления падает по сравнению с контролем на 50–80%. Влияние цинка на фотохимические реакции железа слабее, чем влияние меди и марганца. При равном соотношении Fe : L, недостаточном для связывания всех добавленных микроэлементов, не наблюдалось подавления фотовосстановления Fe(III) ни марганцем, ни, тем более, цинком. Добавление меди к комплексам железа с соотношением компонентов 1:1 может привести к разрушению хелатов железа и образованию нерастворимых в воде гидроксидов железа из-за высокой способности меди образовывать комплексы.

  Рис. 8.10. Эффективность некорневого питания огурца соединениями железа (СFe = 2·10–3 моль/л; рН 5,5)  Показать полностью