Железо Fe

Железо – второй по распространенности металл на Земле после алюминия. Оно составляет 4% от массы земной коры. В природе железо встречается преимущественно в виде различных соединений: оксидов, сульфидов, силикатов. В чистом виде железо можно найти только в метеоритах. К наиболее значимым железным рудам относятся: * Магнитный железняк (Fe₃O₄) * Красный железняк (Fe₂O₃) * Бурый железняк (2Fe₂O₃•3Н₂О) * Шпатовый железняк (FeCO₃) * Пирит, или железный колчедан (FeS₂) – используется как сырье для производства серной кислоты. Россия обладает богатыми месторождениями высококачественных железных руд. Крупные залежи находятся на Урале, вблизи Курска, на Кольском полуострове, а также в Западной и Восточной Сибири и на Дальнем Востоке.## Железо: ключевой микроэлемент для растений Железо, серебристо-белый металл из VIII группы периодической системы Менделеева, представлено в природе четырьмя стабильными изотопами. Низкая энергия ионизации атома железа обуславливает слабую связь его внешних электронов с ядром, положительную валентность в соединениях и характерные металлические свойства. Как и другие переходные элементы, железо проявляет переменную валентность (Fe2+/Fe3+) и высокую способность к комплексообразованию. Эти химические свойства определяют его ключевые функции в растениях. Железо участвует в окислительно-восстановительных реакциях в составе как гемовых, так и негемовых соединений. Гем – распространенный кофактор в биологических системах. ### Гемовые соединения Гем является важной составляющей многих белков, таких как цитохромы, пероксидазы, каталазы и леггемоглобин. Синтез гема тесно связан с синтезом хлорофилла. На конечной стадии биосинтеза фермент феррохелатаза встраивает Fe2+ в протопорфирин IX. Этот мономерный белок с молекулярной массой около 40 кДа осуществляет реакцию без дополнительных кофакторов. Пластиды являются основным местом синтеза гемовых соединений в клетках как фотосинтетических, так и нефотосинтетических тканей. Однако гемы могут синтезироваться и в митохондриях. Ферритин, запасной белок, содержащийся в пластидах и митохондриях, служит потенциальным донором железа для синтеза гема. Электронтранспортная цепь (ЭТЦ) фотосинтеза, локализованная в мембране тилакоидов, состоит из трех пигмент-белковых комплексов: фотосистемы II (ФС II), фотосистемы I (ФС I) и цитохромного b6/f-комплекса. В дыхательной ЭТЦ митохондрий направление переноса электронов определяется окислительно-восстановительным потенциалом цитохромов. ### Роль гемовых белков Пероксидазы, содержащиеся во всех наземных растениях, катализируют восстановление пероксида водорода с окислением различных молекул-доноров (фенольные соединения, предшественники лигнина, ауксин, вторичные метаболиты). В реакциях с участием пероксидаз образуется промежуточный продукт Fe4+=O. Функции пероксидаз: * Участие в разнообразных физиологических процессах. * Образование активных форм кислорода, влияющих на интенсивность различных процессов и передачу сигналов. * Защита семян от патогенов. * Регуляция роста клеток растяжением. * Участие в реакциях полимеризации, например, в биосинтезе лигнина и суберина. * Регуляция уровня ауксинов. Каталаза – фермент класса оксидоредуктаз, катализирующий разложение пероксида водорода на кислород и воду. Существуют гемовые и марганцевые каталазы. Гемовые каталазы – тетрамеры, содержащие гем d. Они локализованы в пероксисомах растений, где обезвреживают пероксид водорода, образующийся в процессе фотодыхания. Леггемоглобин – красный белок с молекулярной массой около 16 кД, содержащий железо в форме гема. Он образуется в клубеньках бобовых растений при симбиозе с клубеньковыми бактериями. Леггемоглобин связывает свободный кислород (O2), создавая анаэробные условия, необходимые для фиксации азота.Железо-серные (Fe–S) кластеры – это кофакторы, содержащиеся во многих белках, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях, переносе электронов и катализе. Они состоят из атомов железа, связанных с тиоловыми группами цистеина и/или неорганической серой. Дополнительные лиганды, такие как кислород и азот, также могут координироваться с атомами железа. Синтез Fe–S-кластеров происходит в митохондриях и пластидах растений. Фратаксин, консервативный белок, обнаруженный в различных организмах, считается потенциальным донором железа для этого процесса. Его важность подтверждается тем фактом, что он необходим для активации митохондриальных Fe–S-белков. ## Негемовые Fe-ферменты Негемовые Fe-ферменты играют важную роль в биологических системах, используя окислительный потенциал кислорода в различных реакциях. Атомы железа в этих ферментах непосредственно участвуют в активации кислорода. В координационной сфере таких белков обычно преобладают O- и N-лиганды. Существует семейство ферментов этой группы, которые катализируют реакции с образованием высоковалентных интермедиатов железа (Fe+4, Fe+5). Примеры включают α-кетоглутарат- и птеринзависимые ферменты, Риске-подобные диоксигеназы и 1-аминоциклопропан-1-карбоксилазу (рис. 3.4). Последний фермент участвует в синтезе фитогормона этилена у высших растений. Рис. Активация кислорода 1-аминоциклопропан-1-карбоксилазой, содержащей железо в негемовой форме. Некоторые негемовые белки участвуют в окислении серных эфиров до оксидов серы. В целом, негемовые формы отличаются от гемовых белков большей гибкостью окружения металла. ## Примеры Fe–S-белков растений ### Ферредоксин Этот белок обнаружен у цианобактерий, в хлоропластах водорослей и высших растений. Он представляет собой мономер с молекулярной массой около 11 кДа. Все ферредоксины содержат один кластер [2Fe–2S] на молекулу, который участвует в переносе одного электрона при низком окислительно-восстановительном потенциале (от –300 до –460 мВ). Ферредоксин служит конечным акцептором электронов в электрон-транспортной цепи фотосинтеза (рис. 3.5). Большая часть восстановленного ферредоксина, образующегося в световых реакциях фотосистемы I, используется для восстановления НАДФ+ в реакциях, катализируемых ферредоксин-НАДФ## Роль железа в жизни растений Железо - незаменимый элемент для роста и развития растений. Оно играет ключевую роль во множестве физиологических процессов, включая фотосинтез, дыхание, фиксацию азота и устойчивость к стрессам. ### Метаболизм железа Растения обладают сложной системой поглощения, транспорта и утилизации железа. Одним из важных этапов метаболизма железа является превращение индола в мочевую кислоту, затем в аллантоин и, наконец, в аллантоиновую кислоту. Ксантиндегидрогеназа - фермент, катализирующий первые две стадии этого процесса. Интересно, что этот фермент может генерировать кислородные и супероксидные радикалы, участвующие в защите растений от патогенов, а также в процессах старения. ### Ферменты, содержащие железо Многие ферменты, необходимые для жизнедеятельности растений, содержат железо в качестве кофактора. Липоксигеназы - это группа ферментов, катализирующих присоединение кислорода к ненасыщенным жирным кислотам. Они играют важную роль в метаболизме липидов, сигнальных путях и защите от стресса. Липоксигеназы обнаружены в различных компартментах растительной клетки, включая цитоплазму, вакуоли, хлоропласты, митохондрии и мембраны. Ферритин - это белок, запасающий железо в клетках. Он защищает клетку от токсичного действия свободного железа и обеспечивает его постепенное высвобождение по мере необходимости. Ферритин локализуется в пластидах, цитоплазме и митохондриях. ### Участие железа в фотосинтезе Железо является неотъемлемой частью электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) фотосинтеза. Оно входит в состав фотосистем I и II, ферредоксина и цитохромного b6/f комплекса. Недостаток железа приводит к снижению содержания хлорофилла и нарушению фотосинтеза, что проявляется в хлорозе листьев. ### Железо и цветение Железо необходимо для нормального цветения растений. Оно участвует в синтезе и транспорте никотианаминовых комплексов, необходимых для развития цветков. Мутации в генах, контролирующих эти процессы, приводят к аномалиям развития цветков, которые можно исправить добавлением никотианаминовых комплексов железа. ### Железо и стресс Ферритин играет важную роль в защите растений от окислительного стресса, вызванного неблагоприятными условиями окружающей среды. Он накапливает железо в нетоксичной форме, предотвращая образование свободных радикалов. В условиях избытка железа в клетках может происходить трансформация ферритина в фитосидерин - нерастворимую форму хранения железа. Это предотвращает токсическое действие избытка железа и поддерживает его гомеостаз в клетке.## Железо и цветение: жизненно важный элемент для растений Железо - один из важнейших микроэлементов для растений, его концентрация в растительных тканях выше, чем других микроэлементов. Обычно корни накапливают железа в несколько раз больше, чем побеги. В среднем растения содержат около 200 мг железа на килограмм сухой массы. Интересно, что содержание железа варьирует в зависимости от вида растения и условий его произрастания. Например, исследования в Забайкалье показали, что степные растения содержат в среднем 182 мг/кг железа, злаковые растения лугов - 130 мг/кг, а растения рапса - целых 301 мг/кг. Для нормального развития животным, питающимся растениями, необходимо получать с кормом 50-80 мг/кг железа. ### Роль железа в фотосинтезе 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 одну фотосистему II и фотосистему I непосредственно участвуют в электронтранспортной цепи (ЭТЦ), играющей ключевую роль в фотосинтезе. ### Как растения поглощают железо? У растений развились две основные стратегии поглощения железа корнями: Стратегия I: Используется двудольными растениями и однодольными, не относящимися к злакам. Включает три основных этапа: 1. Выделение протонов (H+): Активация H+ -АТФазы на плазмалемме корневых клеток приводит к выделению протонов в окружающую среду, что подкисляет ее и увеличивает растворимость соединений железа Fe3+. 2. Восстановление Fe3+ до Fe2+: Фермент Fe3+-хелатредуктаза, расположенный на плазмалемме, восстанавливает Fe3+ до Fe2+, который лучше усваивается растениями. 3. Транспорт Fe2+: Белки-переносчики, такие как AtIRT1 (Iron Regulated Transporter), транспортируют Fe2+ через плазмалемму внутрь клетки. Стратегия II: Используется злаками. Включает выделение корнями фитосидерофоров - низкомолекулярных хелатирующих веществ, образующих стабильные комплексы с Fe3+. 1. Синтез фитосидерофоров: Синтезируются из метионина, трансформирующегося в никотианамин - универсальный хелатор, способный связывать железо. 2. Секреция фитосидерофоров: Механизм секреции до конца не изучен, но предполагается участие везикулярного транспорта. 3. Поглощение комплекса фитосидерофор-Fe3+: Корни злаков обладают высокоэффективной системой поглощения комплекса фитосидерофор-Fe3+. Регуляция поглощения железа Обе стратегии активируются в условиях дефицита железа. Экспрессия генов, кодирующих белки-переносчики, ферменты и фитосидерофоры, усиливается при недостатке железа. Железо, образующее в ризосфере комплекс с сидерофорами, транспортируется в растение специфической системой, расположенной в мембране клеток корня. Мутанты кукурузы с нарушениями в этой системе страдают от хлороза, проявляющегося в изменении цвета листьев. Транспортная система, кодируемая геном YS1, представляет собой белок-переносчик из семейства олигопептидов, имеющий двенадцать трансмембранных доменов. Интересно, что гены YS1 активны не только в корнях, но и в побегах, что указывает на возможное участие белков YS1 в переносе железа на большие расстояния. Однако, например, у ячменя белок HvYS1 синтезируется только в корнях и, по-видимому, участвует только в поглощении железа из почвы. Растения, использующие для усвоения железа сидерофорный механизм, также могут поглощать его и в виде двухвалентного катиона. К примеру, рис способен транспортировать железо как в составе комплексов с фитосидерофорами, так и в форме Fe2+ посредством белка OsIRT. При недостатке железа экспрессия генов OsIRT1 в корнях риса, как и генов ITR1 у арабидопсиса, возрастает. В то же время, в корнях риса не обнаружена активность генов FRO, отвечающих за восстановление железа. Вероятно, в анаэробных условиях, типичных для среды обитания риса, образуется достаточно восстановленного железа, чтобы не требовалась дополнительная активация Fe3+-редуктазной активности. Поглощение железа растениями, как и других микроэлементов, начинается с клеточной стенки корневых клеток. Сначала железо диффундирует к плазмалемме, но только часть его проникает внутрь клетки. В аэробных условиях большая часть железа окисляется и выпадает в осадок в виде гидроксида или нерастворимых солей (например, фосфата), образуя так называемый апопластный пул, где может концентрироваться до 95% всего железа в корне. При дефиците железа в окружающей среде, апопластный пул может быть частично использован растением, по крайней мере, в условиях гидропоники. ## ЭЛЕМЕНТЫ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ В ПОЧВЕ ## ФОРМЫ И СОДЕРЖАНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ Железо – один из основных элементов земной коры, составляющий около 5% её массы. По распространенности он занимает четвертое место после кислорода (49,4%), кремния (28,6%) и алюминия (8,3%). Встречается железо преимущественно в магматических и ультраосновных породах. Содержание общего железа в почвах колеблется от 0,02 до 3,8% от их массы. Выделяют силикатные и несиликатные (свободные) формы железа. Силикатные формы входят в состав кристаллических решеток минералов. К основным почвенным минералам железа относятся: гематит (α-Fe2O3), маггемит (γ-Fe2O3), гетит (α-FeOOH), лепидокрокит (γ-FeOOH), пирит (FeS2), сульфид железа (FeS) и ярозит (KFe3(SO4)2(OH)6). Несиликатные формы железа подразделяют на окристаллизованные, аморфные и подвижные (обменные, водорастворимые). Последние наиболее важны для питания растений. В почвах подвижные формы железа представлены в основном органоминеральными соединениями и ионами. Подвижность железа в почве определяется растворимостью его соединений, зависящей от реакции среды (pH) (рис. 7.6), окислительно-восстановительного потенциала (Eh), а также от процессов комплексообразования. Повышение растворимости соединений железа на поверхности листьев объясняется использованием минеральных солей железа. Эффективность внекорневых подкормок железом зависит от вида растений, в частности от проницаемости кутикулы. Исследования in vitro показали, что положительное влияние хелатов на поглощение железа не связано с улучшением проницаемости кутикулы для этого микроэлемента. Увеличение общей молекулярной массы Fe-соединения считается второстепенным фактором. Уровень хлорофилла в листьях растений с дефицитом железа может возрастать и при опрыскивании разбавленными органическими кислотами. Подобный эффект наблюдался при двусторонней обработке листьев груши лимонной кислотой. Лимонная кислота участвует в дальнем транспорте железа и, вероятно, способна связывать его малоподвижные эндогенные формы в комплекс. Позитивный эффект от сульфуриловой кислоты не выявлен, возможно, из-за характерной для нее низкой концентрации протонов. Эффективность опрыскивания листьев органическими кислотами зависит как от содержания железа в листьях, так и от способности кислот его извлекать. Кислотная обработка молодых листьев подсолнечника с дефицитом железа снижала значения pH в апопласте, но не влияла на концентрацию хлорофилла. Предпочтительны многократные подкормки кислотами, так как в этом случае достигается максимальное снижение значения pH в апопласте листа и наиболее полная мобилизация эндогенных форм железа. Эффективность внекорневых препаратов железа или органических кислот можно повысить добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ). Однако этот прием целесообразен при совместимости ингредиентов подкормочного раствора. Фотохимические эффекты В процессе усвоения Fe-хелатов побегом важную роль играют фотохимические окислительно-восстановительные реакции в системе Fe(III)–лиганд, сопровождающиеся образованием двухвалентного железа. Этот механизм функционирует из-за необходимости восстанавливать Fe(III), образующееся при передвижении поглощенных корнями форм Fe(II) из прото- в метаксилему. Ключевое значение Fe(II) определяется лучшей растворимостью его минеральных солей по сравнению с Fe(III) и меньшей устойчивостью Fe(II)-хелатов, что облегчает высвобождение железа из транспортных форм и 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. Процесс происходил как при прямом облучении растворов, так и при освещении через пораженные хлорозом листья. Исключение ультрафиолета (УФ) из состава света подавляет фоторедукцию Fe(III). Стимулирующее влияние УФ-излучения на восстановление Fe(III) и синтез хлорофилла в листьях обнаружено в опытах с соей. Вызванные УФ-лучами физиологические эффекты усиливались по мере обострения дефицита железа и были наиболее выражены у Fe-неэффективного сорта. Фоторедукция Fe(III) интенсивнее при участии органических соединений, например кислот. Под воздействием солнечного света в аэробных условиях цитратный Fe(III)-комплекс (одна из основных транспортных форм железа в растениях) легко разлагается с образованием двухвалентного железа. Механизм фотолиза карбоксилсодержащих хелатов железа и других микроэлементов (Mn, Co) заключается в элиминировании молекулы СО2 и сокращении хелатного цикла. В процессе фотолиза образуются промежуточные продукты со связями M–C. Эти продукты нестабильны и распадаются с образованием ионов металла и радикалов лиганда. Фоторазложение, например, лимонной кислоты идет постепенно, с образованием промежуточных соединений, конечные продукты – ацетон и углекислый газ. При фотораспаде ЭДТА идентифицированы СО2, формальдегид, ионы этилендиаминтриацетата и этилендиаминдиацетата. Фотохимические окислительно-восстановительные реакции обнаруженыВлияние реакции среды на усвоение железа растениями неоднозначно и зависит от формы предоставления этого микроэлемента. Так, подкисление раствора с хелатами железа средней фотохимической активности (например, Fe-ДТПА) не оказывает существенного влияния на их эффективность. В то же время, фотохимически высокоактивные комплексы (Fe-НТА) или минеральные соли железа демонстрируют максимальную антихлорозную активность именно в кислой среде. Интересно, что фосфорсодержащие комплексы железа сохраняют свою фотохимическую и физиологическую активность в широком диапазоне рН (4–9). Объяснением этому может служить тот факт, что в условиях нейтральной и щелочной реакции среды скорость образования Fe(II) из Fe(III) под действием света значительно снижается, что лимитирует усвоение железа растениями. Важно отметить, что данные результаты были получены в экспериментах с гомогенными растворами Fe-комплексов. Следовательно, снижение антихлорозной активности Fe-комплексов при их нанесении на лист при высоких значениях рН не может быть объяснено разрушением хелатов. Клеточный сок растений является сложной многокомпонентной системой, где железо взаимодействует с различными соединениями, включая другие микроэлементы. Природа и концентрация этих микроэлементов, вид органического лиганда и соотношение железо : микроэлемент : лиганд в растворе – все это оказывает существенное влияние на фотохимическую и физиологическую активность Fe-хелатов.
 Рис. 8.9. Фотохимическое восстановление хелатированного Fe(III) до Fe(II) в водных растворах  
Например, при соотношении Fe : L = 1 : 2, достаточном для хелатирования всех металлов, наблюдается значительное ингибирование фотохимического восстановления Fe(III) в присутствии меди и марганца, особенно на начальных этапах облучения. Скорость фотовосстановления железа может снижаться на 50–80% при эквимолярном соотношении этих металлов с Fe(III) по сравнению с контролем. Влияние цинка на фотохимические реакции железа менее выражено, чем влияние меди и марганца.
 Рис. 8.10. Эффективность некорневого питания огурца соединениями железа (СFe = 2·10–3 моль/л; рН 5,5)  
Важно отметить, что при эквимолярном соотношении Fe : L, недостаточном для хелатирования всех присутствующих микроэлементов, подавления фотовосстановления Fe(III) ни марганцем, ни цинком не наблюдалось. Добавление меди к эквимолярным комплексам железа может привести к разрушению Fe-хелатов и образованию нерастворимых в воде гидроксидов железа из-за высокой комплексообразующей способности меди. Дефицит железа – распространенное явление среди растений, произрастающих на карбонатных почвах, которые составляют около 30% земной поверхности. Низкое содержание подвижных форм железа в таких почвах приводит к развитию карбонатного хлороза. Это опасное заболевание способно существенно снизить продуктивность культурных растений, а в тяжелых случаях привести к их гибели. Недостаток железа может также возникнуть при избытке в почве марганца, цинка, меди, а также при чрезмерном использовании фосфора и извести. Содержание железа в листьях варьируется в зависимости от вида растений в пределах 15–150 мг/кг сухой массы. Если этот уровень снижается, возникают нарушения физиологических процессов и появляются визуальные признаки дефицита железа. В меристематических и активно растущих клетках критический уровень железа выше – около 200 мг/кг сухой массы. При хлорозе наблюдаются нарушения как в дальнем транспорте железа (перемещение от корней к побегам), так и в его распределении внутри листьев. Железо накапливается в апопласте листьев в неактивной форме. Причины нарушений дальнего транспорта железа до конца не изучены и вызывают споры среди ученых. Одни исследователи связывают их с повышением pH ксилемного сока под действием бикарбонат-ионов, что приводит к разрушению транспортных форм железа. Другие считают, что бикарбонат не влияет на содержание железа в ксилеме, а нарушения его транспорта вызваны иными причинами. Более того, есть данные, что под действием бикарбоната pH ксилемного сока и апопласта листьев (сахарная свекла) может даже немного снижаться. Интересно, что концентрация железа в пожелтевших (пораженных хлорозом) листьях может быть такой же, как и в здоровых зеленых. Вероятно, в условиях, вызывающих хлороз, большая часть железа скапливается в апопласте листьев и становится недоступной для растения. Физиологически активная фракция железа способна участвовать в окислительно-восстановительных реакциях (Fe2+/Fe3+). Извлечение из листьев так называемого «активного железа» с помощью разбавленных кислот или хелаторов позволяет оценить реальную обеспеченность тканей растений доступным железом. Однако данные о составе и локализации этих форм в клетках пока отсутствуют. Важно отметить, что дефицит железа сильнее сказывается на росте растений, чем на содержании в них хлорофилла. На карбонатных почвах нарушения роста возможны даже без видимых симптомов хлороза. Одной из причин замедления роста меристем листьев, вызванного нитратом (накапливается в карбонатных почвах), является снижение активности рибонуклеотидредуктазы. Этот фермент содержит железо и катализирует восстановление рибозы до дезоксирибозы. В результате при нарушении снабжения молодых листьев железом подавляется синтез ДНК. Наиболее ярко симптомы хлороза проявляются при одновременном присутствии в питательной среде нитрата и бикарбоната. Дефицит железа вызывает значительные изменения в пластидном аппарате листьев. Пластиды мельчают, система тилакоидов сильно сокращается. Граны в хлоропластах содержат всего два-три тилакоида с нарушением их взаимного расположения, появляются пузырьки на периферии пластид. Все это происходит на фоне низкой концентрации железа в тилакоидах. Снижение активности рибонуклеотидредуктазы, железосодержащего фермента, препятствует синтезу ДНК и росту меристем. При недостатке железа синтез белка в хлоропластах подавляется значительно сильнее, чем в цитоплазме. Дефицит железа приводит к снижению концентрации хлорофилла и каротиноидов в листьях, а также к подавлению активности фотосистем. Уменьшение содержания зеленых пигментов обусловлено главным образом недостатком хлорофилла b. При нехватке железа тормозится синтез δ-аминолевулиновой кислоты – предшественника хлорофилла и гемовых соединений. Железодефицитный стресс также приводит к уменьшению содержания ферредоксина в растениях## Адаптация растений к дефициту железа ### Устойчивость растений к дефициту элементов минерального питания ### Адаптация к дефициту микроэлементов #### Реакции корней Наиболее изучена реакция корней растений на дефицит железа. Она обусловлена комплексом адаптивных механизмов. Химические способы: * Восстановление Fe(III) до Fe(II) * Уменьшение рН ризосферы * Продуцирование растением хелатирующих соединений Различают два типа адаптивных реакций растений на дефицит железа: стратегию I и стратегию II. #### Реакции корней растений стратегии I Растения этой группы характеризуются двумя реакциями на дефицит железа: 1. Повышение в клетках корней нетто-экскреции протонов: * Осуществляется H+-АТФазами в плазмалемме корня. * Активность H+-АТФаз возрастает на 18-100%. * Снижение рН в ризосфере на две единицы и более. * Способствует повышению растворимости оксидов железа. * Создает условия для работы Fe(III)-редуктаз. * Ген, кодирующий H+-АТФазу, пока не идентифицирован, но выявлены вовлеченные гены семейства AHA (H+-АТФаза Arabidopsis). 2. Активация Fe3+-хелатредуктаз: * В ризодермальных клетках корней Arabidopsis обнаружена экспрессия генов FRO2, кодирующих Fe(III)-хелатредуктазу. * Повышение редуктазной активности ведет к интенсивному восстановлению растворимых Fe(III)-хелатов. * Увеличивается скорость расщепления Fe(III)-хелатов, что необходимо для поглощения железа корнями. * Экспрессия генов семейства FRO в условиях Fe-дефицита происходит не только в ризодерме, но и в сосудах центрального цилиндра корня. * Fe-редуктазы участвуют как в поглощении железа из почвы, так и в ксилемной загрузке железа. #### Регуляция экспрессии генов при дефиците железа * Для экспрессии генов AtFRO2 необходима транскрипция генов AtBHLH29, кодирующих белок BHLH. * Транскрипция AtIRT1, кодирующих транспортеры Fe-HATS, не зависит от AtBHLH29. * Регуляция ответных реакций растений стратегии I осуществляется с участием генов семейства FER, кодирующих транскрипционный фактор bHLH. * Мутант томата fer не способен индуцировать механизмы стратегии I в ответ на дефицит железа. * Экспрессию генов FER наблюдали как в клетках коры кончиков корней, так и в области сосудов в зоне корневых волосков. * Белок FER участвует не только в регуляции поглощения железа из почвы, но и в распределении поглощенного железа в растении. * Содержание белка FER в растениях зависит от их обеспеченности железом. * В трансгенных растениях томата белок FER обнаруживался при концентрации железа от 10 до 100 мкмоль/л. #### Роль корневых экссудатов * Реакции растений стратегии I сопровождаются появлением низкомолекулярных корневых экссудатов. * В их составе: * Соединения фенольной природы * Рибофлавин * Органические кислоты * Корневые экссудаты: * Подкисляют ризосферу * ОбразуютАзуют образуют достаточно прочные комплексы с железом, что способствует его поглощению растением. Компьютерное моделирование показывает, что концентрация цитратных комплексов Fe(III) в ризосфере колеблется в диапазоне от 0,1 до 50 мкмоль/л. Не исключено, что органические кислоты присутствуют в ризосфере в значительно более высоких концентрациях — до 90 ммоль/л. Рибофлавин (рибофлавин-3’(5’)-сульфат), будучи слабым восстановителем окисленных форм железа, пока не изучен на предмет его роли в мобилизации этого микроэлемента. Возможно, рибофлавин, известный своим антимикробным действием, способен ограничивать рост микроорганизмов, конкурирующих с растениями за доступные формы железа. Ответные реакции растений, использующих стратегию I при дефиците 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 Fe-стрессом 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, обогащенных корневыми волосками. Ничего подобного не происходит в условиях недостатка бора. Передаточные клетки характеризуются интенсивным развитием протуберанцев 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 протуберанцы. 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, использующих стратегию 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 Fe-дефицит, зависело, тем не менее, от обеспеченности среды железом. Все эти данные свидетельствуют о реальном 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## Влияние железа на рост и развитие растений Железо – незаменимый элемент для растений, играющий ключевую роль в фотосинтезе, дыхании и метаболизме азота. Его недостаток приводит к хлорозу, особенно заметному в молодых листьях, и замедлению роста. ### Чувствительность к недостатку железа 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 нитратной среде, в 1,6 раза выше, чем у растений на аммонийной среде. В молодых, быстро растущих листьях около 10% апопласта (пространство между клеточными стенками) характеризуется высоким уровнем pH (6,5–7). Исследования показывают тесную отрицательную связь между уровнем pH апопласта или сока листьев и содержанием в них хлорофилла. ### Влияние на синтез ДНК Одной из причин замедленного роста листовых меристем при дефиците железа является снижение активности рибонуклеотидредуктазы. Этот железосодержащий фермент катализирует превращение рибозы в дезоксирибозу, необходимую для синтеза ДНК. ### Факторы, усугубляющие хлороз Симптомы хлороза наиболее ярко проявляются при наличии в питательной среде нитрата и бикарбоната. Различия в чувствительности к недостатку железа у разных видов и сортов растений, вероятно, связаны с особенностями их азотного обмена и активности нитратредуктазы и генетически обусловленными адаптивными реакциями. ### Влияние фосфата Влияние фосфата на усвоение железа неоднозначно. В полевых условиях длительное и интенсивное внесение фосфорных удобрений не всегда коррелирует со степенью хлороза у растений. Однако в водных культурах высокая концентрация фосфата может вызывать типичные признаки хлороза. Это связано с образованием малорастворимого фосфата железа, что снижает доступность железа для растений. Кроме того, фосфат может подавлять активность Fe(III)-редуктаз корня, которые восстанавливают Fe(III) до Fe(II), более доступной для растений формы. В природных условиях этот эффект менее выражен из-за низкого содержания фосфата вблизи корней и пространственного разделения зон поглощения железа и фосфата. ### Влияние тяжелых металлов Тяжелые металлы, такие как медь, никель, молибден, цинк и марганец, также могут подавлять активность Fe(III)-редуктаз корней. Наиболее сильное ингибирующее действие оказывают медь и никель. Растения, использующие стратегию I адаптации к дефициту железа (с высокой активностью Fe(III)-редуктаз), более толерантны к тяжелым металлам. ### Стратегии адаптации растений к дефициту железа Существует две основные стратегии адаптации растений к недостатку железа. #### Стратегия I Эта стратегия характерна для двудольных растений. В ответ на дефицит железа увеличивается активность Fe(III)-редуктаз на поверхности корней и подкисляется ризосфера (зона вокруг корней) за счет выделения протонов и органических кислот. #### Стратегия II Эта стратегия характерна для злаков. Недостаток железа индуцирует синтез фитосидерофоров – низкомолекулярных соединений, связывающих и транспортирующих железо. У злаков основными фитосидерофорами являются мугеновая кислота и ее производные. Дефицит железа также ускоряет работу транспортной системы, переносящей комплексы фитосидерофоров с Fe(III), за счет дополнительного синтеза транспортного белка YS1 (Yellow Stripe 1). #### Роль микроорганизмов Недостаток железа стимулирует синтез сидерофоров не только у растений,Усиление выделения кислот щитком при недостатке железа у кукурузы приводит к увеличению поступления железа из эндосперма на 26%. Это говорит о важности этого биологического процесса для транспорта железа в растущие органы злаков. Интересно, что такая реакция щитка на дефицит железа не сопровождается изменениями в его способности восстанавливать Fe3+ до Fe2+. Этот процесс происходит внеклеточно, в отличие от корней двудольных растений, где он связан с плазматической мембраной. Таким образом, для щитков злаков характерна специфическая реакция на недостаток железа - усиление выделения кислот, что свойственно и корням двудольных растений (стратегия I). Другая реакция двудольных на дефицит железа - усиление способности корней восстанавливать Fe(III) - у щитков кукурузы не наблюдается. Возможно, восстановление Fe3+ у двудольных не является критическим фактором устойчивости к недостатку железа, так как происходит на плазматической мембране и не может существенно влиять на растворение соединений железа в среде. Есть данные, что и у щитка злаков Fe3+-редуктаза, несмотря на внеклеточную локализацию, играет второстепенную роль в адаптации к дефициту железа. Возможно, это связано с изначально высокой скоростью восстановления Fe3+ в щитке, что подтверждается наблюдениями за проростками, получавшими достаточно железа (+Fe-ЭДТА). Поэтому усиление этого процесса у проростков в условиях дефицита железа нецелесообразно, так как его скорость и так достаточна для мобилизации железа из эндосперма. Пока неясно, работает ли у злаков механизм стратегии II (выделение щитком фитосидерофоров). Однако известно, что при искусственном предотвращении подкисления среды щитком транспорт железа в растущие органы кукурузы из среды, имитирующей эндосперм, полностью прекращался. Поэтому пока нет оснований считать, что возможное выделение щитком фитосидерофоров является специфическим механизмом, способным в полной мере обеспечить потребности растущего проростка злаков в железе. Таким образом, у щитков злаков наблюдается нетипичная для них реакция на дефицит железа - усиление выделения кислот (H+). Эта адаптивная реакция происходит на дорсальной стороне щитка и сопровождается усилением оттока железа из эндосперма. Эволюция механизмов адаптации Реакция щитка злаков на дефицит железа удивительно похожа на одну из ключевых реакций корней двудольных растений (стратегия I). У злаков, хотя и описаны похожие на первый взгляд на стратегию I физиологические реакции, облегчающие поглощение железа (восстановление Fe3+, подкисление ризосферы, выделение редуктантов), они не активируются при недостатке железа и не могут считаться специфическими.

Получается, что у проростков злаков обнаружены маркерные реакции на дефицит железа как по типу стратегии I (в щитке), так и по типу стратегии II (в корнях), характерные для разных групп растений (двудольных и злаков). Это подтверждает гипотезу об эволюции механизма стратегии II из механизма стратегии I, имевшегося у двудольного предка. Некоторые эмбриологи считают, что зародыш однодольных растений - результат эволюционного преобразования зародыша двудольных, а первый лист однодольных - орган, гомологичный одной из семядолей двудольных. Возможно, в ходе развития однодольности и, соответственно, поглотительной функции щитка злаков сохранился и/или развился важнейший механизм адаптации двудольных к дефициту железа - усиление выделения кислых продуктов. Недавно гипотеза оЖелезо – второй по распространенности металл на Земле после алюминия. Оно составляет 4% от массы земной коры. В природе железо встречается primarily в виде различных соединений: оксидов, сульфидов и силикатов. В чистом виде железо можно найти только в метеоритах. Среди наиболее важных руд железа можно выделить: * Магнитный железняк (Fe₃O₄) * Красный железняк (Fe₂O₃) * Бурый железняк (2Fe₂O₃•3Н₂О) * Шпатовый железняк (FeCO₃) * Пирит, или железный колчедан (FeS₂) - используется для получения серной кислоты. Россия богата месторождениями высококачественных железных руд. Значительные залежи находятся на Урале, вблизи Курска, на Кольском полуострове, в Западной и Восточной Сибири, а также на Дальнем Востоке.## Железо и растения: механизмы усвоения и видовая эффективность Различные виды и сорта растений демонстрируют разную способность усваивать железо, особенно в условиях его дефицита, например, на карбонатных почвах. Эта способность, называемая Fe-эффективностью, определяется комплексом адаптивных реакций, которые можно разделить на две основные стратегии. Стратегия I, характерная для двудольных растений, основана на повышении растворимости железа в ризосфере и усилении его поглощения корнями. Признаки Fe-эффективных растений, использующих стратегию I: Активное выделение органических кислот в ризосферу.* Кальцефилы, растения, адаптированные к карбонатным почвам, выделяют больше органических кислот, чем кальцефобы, что повышает растворимость железа. Высокая активность Fe3+-хелатредуктазы.* Этот фермент восстанавливает Fe3+ до Fe2+, более доступной для растений формы. Накопление апопластных форм железа в корнях.* Это обеспечивает запас железа для дальнейшего транспорта в побег. Важно отметить, что не всегда существует прямая связь между активностью адаптивных реакций и устойчивостью к Fe-дефициту. Например, устойчивые к Fe-дефициту сорта Vigna radiata демонстрируют высокую ацидофицирующую способность корней, но их редуктазная активность не усиливается при недостатке железа. Аналогично, повышенная активность H+-АТФаз не всегда коррелирует с устойчивостью к Fe-дефициту. Противоречивые данные получены при изучении Fe-эффективности различных видов люпина. В то время как Lupinus albus обладает высокой ацидофицирующей способностью корней, он может быть менее устойчив к Fe-дефициту, чем другие виды. Интересно, что сорт L. albus P27486 сочетает в себе высокую способность подкислять ризосферу и максимальную Fe-эффективность. Содержание железа в семенах также играет роль в устойчивости растений к его дефициту. Горох, например, содержит больше железа в семенах, чем люпин, что делает его более устойчивым к недостатку этого элемента в почве. Стратегия II, характерная для злаков, основана на выделении фитосидерофоров - веществ, связывающих Fe3+ и делающих его доступным для поглощения. Fe-эффективность злаков определяется: Активностью выделения фитосидерофоров.* Пшеница выделяет больше всего фитосидерофоров, а рис - наименьшее количество. Временем максимального выделения фитосидерофоров.* У эффективных сортов ячменя пик выделения фитосидерофоров наступает до появления симптомов Fe-дефицита. Интенсивностью продукции сидерофоров ризосферными микроорганизмами.* Злаки, как правило, эффективнее усваивают железо на карбонатных почвах, чем двудольные растения. Например, совместное выращивание арахиса (стратегия I) с кукурузой (стратегия II) улучшает питание арахиса железом. Ячмень и кукуруза также более устойчивы к высоким концентрациям карбоната кальция, чем огурец и подсолнечник. Причины более высокой Fe-эффективности злаков пока не до конца ясны. Возможно, их механизмы поглощения железа менее чувствительны к высоким значениям pH, характерным для карбонатных почв. Введение генов, ответственных за синтез фитосидерофоров, в растения стратегии I может повысить их Fe-эффективность. Такие результаты были получены в опытах с трансгенным## Железо: незаменимый элемент для жизни растений Железо, серебристо-белый металл, относящийся к VIII группе периодической системы Менделеева, играет важнейшую роль в жизни растений. Этот элемент представлен в природе четырьмя стабильными изотопами. Благодаря особенностям строения атома, типичным для переходных элементов, железо проявляет переменную валентность (Fe2+/Fe3+) и способность к комплексообразованию. Эти химические свойства определяют его функции в растениях. Железо участвует в окислительно-восстановительных реакциях как в составе гемов, так и в негемовых формах. Гем, распространенный в биологических системах кофактор, входит в состав цитохромов, пероксидаз, каталаз, леггемоглобина. ### Биосинтез и функции гемовых соединений Биосинтез гема связан с синтезом хлорофилла. Конечная стадия – включение Fe2+ в протопорфирин IX – осуществляется феррохелатазой. Этот мономер осуществляет реакцию без участия дополнительных кофакторов. Более 90% активности фитохелатазы сосредоточено в пластидах, что делает их основным местом синтеза гемовых соединений.  Помимо пластид, синтез гемовых форм может происходить в митохондриях. Потенциальным донором железа для этого процесса служит ферритин, запасной белок, содержащийся как в пластидах, так и в митохондриях. #### Роль гемовых соединений в фотосинтезе и дыхании Электронтранспортная цепь (ЭТЦ) фотосинтеза, расположенная в мембране тилакоида, состоит из трех пигмент-белковых комплексов: ФС II, ФС I и цитохромного b6/f-комплекса. В дыхательной ЭТЦ митохондрий перенос электронов определяется окислительно-восстановительным потенциалом цитохромов:  #### Функции пероксидаз Гемовые формы пероксидаз присутствуют во всех наземных растениях. В каталитическом цикле пероксидазы восстанавливают пероксид водорода, окисляя различные эндогенные молекулы-доноры: фенольные соединения, предшественники лигнина, ауксин, вторичные метаболиты. Схема активации O–O-связей с участием пероксидазы https://ecoplantagro.com/froala/uploads/images/be970ca30d73aa8c9f5a64b10af046452d87ae6c.jpg В реакциях с участием пероксидаз образуется промежуточный продукт Fe4+=O. Пероксидазы катализируют множество реакций и участвуют в разнообразных физиологических процессах, включая образование активных форм кислорода, влияющих на интенсивность метаболизма и передачу сигналов. Схема множественности функций пероксидаз https://ecoplantagro.com/froala/uploads/images/5bf6fede4109484cf054608dc6f904deeabe9717.jpg #### Роль каталазы Каталаза – это гемсодержащий фермент класса оксидоредуктаз, катализирующий разложение пероксида водорода на кислород и воду. ## Влияние железа на растения Разные виды растений демонстрируют разную устойчивость к дефициту железа. Например, некоторые сорта белого люпина (Lupinus albus) более устойчивы к недостатку этого элемента в щелочных почвах благодаря способности их корней активно подкислять ризосферу. Это создает благоприятные условия для усвоения железа и развития клубеньков на корнях, которые чувствительны к повышенному pH. Однако, результаты исследований не всегда однозначны. Иногда белый люпин проявляет меньшую устойчивость к дефициту железа по сравнению с другими видами люпина. Факторы, влияющие на устойчивость к дефициту железа: Способность подкислять ризосферу:* Более кислая среда способствует усвоению железа. Содержание железа в семенах:* Высокий уровень железа в семенах обеспечивает запас для проростка. Активность выделения фитосидерофоров:* Фитосидерофоры - это вещества, выделяемые корнями растений для связывания и усвоения железа. Состав ризосферной микрофлоры:* Некоторые микроорганизмы также способны продуцировать сидерофоры. Пример: Злаки различаются по способности выделять фитосидерофоры. Пшеница выделяет больше всего фитосидерофоров, затем следуют ячмень, рожь и овес. Кукуруза и сорго выделяют значительно меньше, а рис в условиях затопления практически не выделяет эти вещества. Важно: Эффективность усвоения железа зависит не только от количества выделяемых фитосидерофоров, но и от времени их выделения. Устойчивые к дефициту железа сорта ячменя начинают выделять фитосидерофоры раньше, чем появляются симптомы дефицита. Избыток железа: Избыток железа, характерный для гидроморфных почв, также вреден для растений. Он вызывает образование свободных радикалов, повреждает клетки и нарушает усвоение других важных элементов, таких как фосфор, калий и цинк. Внешне это проявляется в виде оранжевого налета на корнях, замедлении роста, появлении пятен на листьях. Важно: Животные более устойчивы к избытку железа, чем растения. В целом, можно сделать вывод, что: * Устойчивость к дефициту железа определяется комплексом адаптивных реакций. * Чем больше таких реакций задействовано, тем эффективнее растение усваивает железо. * Избыток железа также опасен и приводит к различным нарушениям в развитии растений.Железосерные белки (Fe-S-белки) – это белки, содержащие в своем составе железо-серные кластеры. Эти кластеры состоят из атомов железа (Fe) и серы (S), связанных с белковой частью тиоловыми группами цистеина и/или неорганической серой. Дополнительно к сере, в координации с атомами железа могут участвовать атомы кислорода и азота, предоставляемые аминокислотными остатками белка. Синтез Fe-S-кластеров происходит в митохондриях и пластидах растительных клеток. Важную роль в этом процессе играет белок фратаксин, который считается потенциальным донором железа. Фратаксин – это консервативный белок, присутствующий у широкого спектра организмов, от бактерий до млекопитающих, что указывает на его важную роль в живых организмах. ## Негемовые Fe-ферменты Негемовые Fe-ферменты – это группа ферментов, содержащих железо не в составе гема. Они играют важную роль в биологических системах, участвуя в различных окислительных реакциях с использованием кислорода. Железо в составе активного центра этих ферментов непосредственно участвует в активации молекулярного кислорода. В координационной сфере атома железа в таких белках обычно преобладают атомы кислорода (O) и азота (N), предоставляемые аминокислотными остатками. К этой группе ферментов относятся: * α-кетоглутарат- и птеринзависимые ферменты * Риске-подобная диоксигеназа * 1-аминоциклопропан-1-карбооксидаза (АЦК-оксидаза) АЦК-оксидаза катализирует образование интермедиатов железа с высокой валентностью (Fe+4, Fe+5). У высших растений этот фермент участвует в синтезе фитогормона этилена.

_Рис. Активация кислорода 1-аминоциклопропан-1-карбооксидазой, содержащей железо в негемовой форме._

Некоторые негемовые белки участвуют в окислении серных эфиров до оксидов серы. В целом, негемовые формы железа в белках отличаются от гемовых белков большей гибкостью и вариативностью окружения атома металла. ## Примеры Fe-S-белков растений ### Ферредоксин Ферредоксин – это небольшой мономерный белок с молекулярной массой около 11 кДа, содержащий один Fe-S-кластер типа [2Fe-2S]. Он обнаружен у цианобактерий, в хлоропластах водорослей и высших растений. Ферредоксин служит переносчиком электронов, участвуя в различных метаболических процессах, таких как фотосинтез, фиксация азота и метаболизм серы. Он характеризуется низким значением окислительно-восстановительного потенциала (от -300 до -460 мВ), что позволяет ему эффективно участвовать в переносе электронов. Функции ферредоксина: Фотосинтез:* Ферредоксин является конечным акцептором электронов в электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) фотосинтеза. Восстановленный ферредоксин, образующийся в ходе световых реакций фотосистемы I (ФС I), используется для восстановления НАДФ+ до НАДФН, который затем используется в реакциях фиксации углерода. Фиксация азота:* Ферредоксин участвует в восстановлении нитрита до аммония, который является основной формой азота, используемой растениями для синтеза аминокислот и других азотсодержащих соединений. *Регу## Роль железа в метаболизме растений Железо – незаменимый элемент для растений, участвующий во множестве метаболических процессов. Рассмотрим некоторые из них. Метаболизм пуринов. Ксантиндегидрогеназа – фермент, катализирующий первые две стадии превращения индола в аллантоиновую кислоту через мочевую кислоту и аллантоин. Этот фермент может использовать кислород как акцептор электронов, продуцируя при этом кислородные и супероксидные радикалы. Такой процесс наблюдается при воздействии на растения патогенов, в условиях засухи и естественного старения. Локализация ксантиндегидрогеназы в клетке изучена недостаточно, но известно, что она присутствует в цитоплазме и пероксисомах. Липоксигеназы. Эти ферменты, относящиеся к оксидоредуктазам, содержат один атом негемового железа на молекулу и катализируют присоединение кислорода к ненасыщенным жирным кислотам, таким как линолевая и линоленовая кислоты. Этот процесс приводит к образованию гидропероксидов жирных кислот и играет важную роль в стабильности мембран, старении клеток и ответе на патогены. Липоксигеназы локализованы в основном в цитоплазме и вакуолях, но также обнаружены в хлоропластах, жировых телах и даже митохондриях. Интересно, что присутствие липоксигеназ в митохондриях может индуцировать апоптоз и деградацию этих органелл. Ферритин. Этот белок служит для запасания железа в клетке. Каждая молекула ферритина может содержать тысячи атомов железа в окисленной форме (Fe3+), предотвращая образование свободных радикалов. Ферритин состоит из белковой оболочки (апоферритина) и железосодержащего ядра. Высвобождение железа из ферритина происходит через поры в белковой оболочке и сопровождается восстановлением Fe3+ до Fe2+. В листьях ферритин локализуется в основном в пластидах, не содержащих хлорофилл (этиопластах и амилопластах), а также в небольших количествах в хлоропластах молодых растений. Ферритин также обнаружен в цитоплазме, митохондриях и корнях растений. В клубеньках бобовых растений ферритин служит источником железа для синтеза нитрогеназы и леггемоглобина. Участие в фотосинтезе. Железо играет ключевую роль в фотосинтезе, являясь частью электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) в тилакоидных мембранах хлоропластов. Недостаток железа приводит к хлорозу – пожелтению молодых листьев из-за низкой концентрации хлорофилла. Железосодержащие белки, такие как ферредоксин и ферредоксин-НАДФ-редуктаза, участвуют в переносе электронов от ФС I к НАДФ, обеспечивая образование НАДФН, необходимого для фиксации углекислого газа. Участие в цветении. Железо необходимо для нормального цветения растений. Например, у мутантов табака с нарушенным транспортом железа наблюдались аномалии в развитии цветков, которые исчезали после обработки комплексом железа с никотианамином. Гены семейств YSL и OPT контролируют транспорт никотианаминовых комплексов железа и могут играть важную роль в регуляции цветения. Регуляция окислительно-восстановительных реакций. Ферритин играет важную роль в регуляции окислительно-восстановительных реакций с участием железа, особенно в стрессовых условиях. Накопление ферритина наблюдается в хлоропластах растений при засолении и окислительном стрессе, что коррелирует с повышением активности антиоксидантных ферментов. Транспорт железа. Ферритин может транспортироваться между органами растений по флоэме. В клетках растений ферритин может превращаться в фитосидерин – метаболически неактивную форму, которая накапливается в вакуолях.## Железо и его роль в жизни растений Железо – важный микроэлемент для растений, его концентрация в растительных тканях выше, чем других микроэлементов. Обычно корни накапливают железа больше, чем побеги. В среднем, растения континентов содержат 200 мг железа на килограмм сухого веса. Интересно, что содержание железа в растениях может варьировать в зависимости от вида и условий произрастания. Например, исследования в Забайкалье показали, что растения рапса накапливают значительно больше железа (301 мг/кг), чем злаковые культуры (123 мг/кг). Важно отметить, что для нормального развития жвачных животных содержание железа в кормах должно составлять 50-80 мг/кг, при этом максимально допустимый уровень не должен превышать 400 мг/кг. Около 80% железа, содержащегося в листьях, сосредоточено в хлоропластах, причем большая часть – в тилакоидах, а не в строме. В тилакоидных мембранах около 20 атомов железа на одну фотосистему II и фотосистему I непосредственно участвуют в электрон-транспортной цепи (ЭТЦ). ### Поглощение железа растениями Существует два основных способа поглощения железа корнями растений. Стратегия I, характерная для двудольных и большинства однодольных растений (кроме злаков), включает следующие этапы: 1. Выделение протонов (H+): Активация H+ -АТФазы на плазмалемме приводит к подкислению среды, что увеличивает растворимость соединений железа (Fe3+). Уменьшение pH всего на единицу повышает растворимость Fe3+ в тысячу раз! 2. Восстановление Fe3+ до Fe2+: Фермент Fe3+-хелатредуктаза, расположенный на плазмалемме, восстанавливает Fe3+ до Fe2+, что необходимо для транспорта железа через мембрану. 3. Транспорт Fe2+: Белок-переносчик AtIRT1, принадлежащий к семейству ZIP-белков, обеспечивает транспорт Fe2+ через плазмалемму. Все этапы стратегии I активируются при дефиците железа. Стратегия II свойственна только злакам. Они выделяют в окружающую среду фитосидерофоры – низкомолекулярные хелатирующие вещества, образующие стабильные комплексы с Fe3+. Фитосидерофоры, такие как мугеневая кислота, обладают высоким сродством к Fe3+ и эффективно связывают его в ризосфере: [Схема образования комплекса фитосидерофор-Fe3+] Процессы выделения фитосидерофоров и транспорта железа усиливаются при недостатке железа. ### Клеточная локализация белков транспорта железа у Arabidopsis thaliana | Белок | Локализация | Функция | |---|---|---| | H+ -АТФаза | Плазмалемма | Подкисление апопласта | | Fe3+-хелатредуктаза | Плазмалемма | Восстановление Fe3+ до Fe2+ | | AtIRT1 | Плазмалемма | Транспорт Fe2+ | | YS1 | | Синтез и транспорт фитосидерофоров | Таким образом, растения выработали сложные механизмы для поглощения и транспорта железа, обеспечивающие его доступность для жизненно важных процессов, таких как фотосинтез.Железо, образующееся в ризосфере в виде итосидерофорного комплекса, транспортируется специфической системой, расположенной в мембране клеток корня. Мутанты кукурузы с нарушениями в этой системе демонстрируют признаки хлороза. Транспортная система, кодируемая геном YS1, представляет собой белок-переносчик из семейства олигопептидов с двенадцатью трансмембранными доменами. Интересно, что гены YS1 экспрессируются не только в корнях, но и в побегах, что указывает на участие белков YS1 в дальнем транспорте железа. Однако, например, у ячменя белок HvYS1 синтезируется только в корнях и участвует только в поглощении железа. Растения могут поглощать железо не только в форме комплексов с фитосидерофорами, но и в виде двухвалентного катиона (Fe2+). Например, рис использует для этого белок OsIRT. Экспрессия генов OsIRT1 в корнях риса, как и генов ITR1 у Arabidopsis, увеличивается при дефиците железа. При этом в корнях риса не обнаружена экспрессия генов FRO, отвечающих за хелатредуктазную активность. Возможно, в анаэробных условиях, характерных для среды обитания риса, образуется достаточное количество восстановленных форм железа, что делает активацию Fe3+-редуктазной активности необязательной. Поглощение железа, как и других микроэлементов, начинается в клеточной стенке ризодермальных клеток корня. Сначала железо диффундирует к плазмалемме, однако только часть его проникает в клетку. В аэробных условиях значительная часть железа окисляется и осаждается в форме гидроксида или нерастворимых солей, формируя апопластный пул, где может концентрироваться до 95% общего содержания железа в корне. При дефиците железа в среде, особенно в условиях гидропоники, апопластный пул может быть частично использован растением. ЭЛЕМЕНТЫ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ В ПОЧВЕ ФОРМЫ И СОДЕРЖАНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ Железо – важный компонент литосферы, составляющий около 5% ее массы. Содержание общего железа в почвах колеблется от 0,02 до 3,8%. В почвах различают силикатные и несиликатные формы железа. Силикатные формы входят в состав кристаллических решеток минералов. К основным почвообразующим минералам железа относятся: гематит (α-Fe2O3), маггемит (γ-Fe2O3), гетит (α-FeOOH), лепидокрокит (γ-FeOOH), пирит (FeS2), сульфид железа (FeS) и ярозит (KFe3(SO4)2(OH)6). Несиликатные формы железа подразделяют на окристаллизованные, аморфные и подвижные (обменные, водорастворимые). В почвах подвижные формы железа представлены в основном органоминеральными соединениями и ионами. Подвижность железа в почве определяется растворимостью его соединений, зависящей от реакции среды (рН) (рис. 7.6), ее окислительно-восстановительного потенциала (Eh) и процессов комплексообразования.  Рис. 7.6. Растворимость соединений железа в зависимости от pH   Наименьшей растворимостью в воде характеризуется гидроксид Fe3+. Он образуется при более низких значенияПовышение растворимости соединений железа на поверхности листьев объясняется использованием минеральных солей железа. Эффективность внекорневых подкормок железом зависит от вида растения, особенно от проницаемости кутикулы. Исследования in vitro показали, что положительное влияние хелатов на поглощение железа не связано с улучшением проницаемости кутикулы для этого микроэлемента. Увеличение общей молекулярной массы Fe-соединения считается второстепенным фактором. Уровень хлорофилла в листьях растений с дефицитом железа может возрастать при опрыскивании разбавленными органическими кислотами. Например, двусторонняя обработка листьев груши лимонной кислотой показала подобный эффект. Лимонная кислота участвует в дальнем транспорте железа и, вероятно, способна связывать его малоподвижные эндогенные формы. Сульфуриловая кислота не показала позитивного эффекта, возможно, из-за низкой концентрации протонов. Эффективность опрыскивания органическими кислотами зависит от содержания железа в листьях и способности кислот его извлекать. Кислотная обработка молодых листьев подсолнечника с дефицитом железа снижала 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 внекорневых препаратов железа или органических кислот, но важно учитывать совместимость ингредиентов раствора. Фотохимические эффекты В процессе усвоения Fe-хелатов побегом важную роль играют фотохимические окислительно-восстановительные реакции в системе Fe(III)-лиганд, приводящие к образованию двухвалентного железа. 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 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 ультрафиолетового (УФ) излучения подавляет фоторедукцию Fe(III). Стимулирующее влияние УФ-излучения на восстановление Fe(III) и синтез хлорофилла усиливалось по мере обострения дефицита железа, особенно у Fe-неэффективного сорта сои. Фоторедукция Fe(III) интенсифицируется при участии органических соединений, например кислот. 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) происходит путем элиминирования молекулы CO2 и сокращения хелатного цикла. Образуются термически нестабильные промежуточные продукты со связями M–C, которые распадаются с образованием ионов металла и радикалов лиганда. Фоторазложение лимонной кислоты идет постепенно, с образованием промежуточных соединений, конечные продукты - ацетон и углекислый газ. При фотораспаде ЭДТА идентифицированы CO2, 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 внекорневом питании зависят от: * природы комплексона, * интенсивности и спектрального состава света, * реакции среды, * содержания других микроэлементов в составе Fe-хелатаПрименение цианида железа из комплекса со средней фотохимической активностью (Fe-ДТПА) не влияет на фотохимическую активность, в отличие от фотохимически высокоактивного комплекса (Fe-НТА) или минеральных солей. Реакция среды: В водных растворах фотохимически активных Fe-хелатов квантовые выходы фотохимических реакций в кислой среде выше, чем в нейтральной и щелочной. Антихлорозное действие этой группы хелатов также максимально в кислой среде. Фотохимическая и физиологическая активность фосфорсодержащих комплексов железа сохраняется на низком уровне в широком диапазоне рН (4–9). Низкая скорость фотообразования Fe(II) при нейтральной и щелочной реакциях среды, вероятно, лимитирует метаболизацию железа листьями растений. Эти результаты получены в экспериментах с гомогенными растворами Fe-комплексов, поэтому отрицательное влияние высоких значений рН на антихлорозную активность Fe-комплексов при их нанесении на лист не может быть интерпретировано как деструкция хелатов. Влияние микроэлементов: Клеточный сок растений – многокомпонентная система, в которой железо находится в окружении различных соединений других микроэлементов. Многие металлы-микроэлементы участвуют в регуляции фотохимической и физиологической активности Fe-хелатов. Воздействие на фотовосстановление Fe(III) микроэлементов определяется их природой и концентрацией, видом органического лиганда и величиной соотношения 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. 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 к эквимолярным комплексам железа меди может индуцировать, в силу ее высокой комплексообразующей способности, разрушение Fe-хелатов и образование нерастворимых в воде гидроксидов железа. Дефицит железа – распространенное явление среди растений, произрастающих на карбонатных почвах, которые составляют около 30% поверхности суши. Нехватка подвижных форм железа в таких почвах вызывает карбонатный (известковый, железный) хлороз – опасное заболевание, способное значительно снизить продуктивность культурных растений, а в тяжелых случаях привести к их гибели. Дефицит железа также может возникать при избытке в почве марганца, цинка и меди, а также при внесении больших количеств фосфора и извести. Содержание железа в листьях варьируется в зависимости от вида растений в пределах 15–150 мг/кг сухой массы. Если содержание железа падает ниже этого уровня, возникают функциональные нарушения и визуальные симптомы дефицита железа. В меристематических и активно растущих клетках критический уровень железа выше – около 200 мг/кг сухой массы. При хлорозе наблюдаются нарушения как в дальнем транспорте железа (перемещение от корней к побегам), так и в распределении железа внутри листьев. В листьях железо накапливается в апопласте в неактивной форме. Причины нарушений дальнего транспорта железа до конца не ясны. Некоторые ученые связывают их с повышением pH ксилемного сока под воздействием ионов бикарбоната, что приводит к разрушению транспортных форм железа. Согласно другой точке зрения, бикарбонат не влияет на содержание железа в ксилеме, а нарушения в дальнем транспорте вызваны другими причинами. Более того, не исключено, что под воздействием бикарбоната значения pH проводящего раствора ксилемы и апопласта листьев (например, у сахарной свеклы) могут даже немного снижаться. Концентрация железа в пожелтевших (пораженных хлорозом) листьях может быть такой же, как и в зеленых, обеспеченных железом. Вероятно, в условиях, вызывающих хлороз, большая часть железа скапливается в апопласте листьев и становится недоступной для растений. Физиологически активная фракция железа характеризуется способностью участвовать в окислительно-восстановительных реакциях (Fe2+/Fe3+). Извлечение из листьев с помощью слабых кислот или хелаторов так называемого «активного железа» точно отражает реальную обеспеченность тканей растений доступными формами железа. Однако данных о составе и локализации этих форм в клетках пока нет. Недостаток железа сильнее сказывается на росте растений, чем на содержании в них хлорофилла. Нарушения роста на карбонатных почвах возможны и без видимых симптомов хлороза. Одна из причин замедления роста меристем листьев, вызванного нитратом (накапливается в карбонатных почвах), – снижение активности рибонуклеотидредуктазы. Этот фермент содержит железо и катализирует восстановление рибозы до дезоксирибозы. В результате при нарушении снабжения молодых листьев железом подавляется синтез ДНК. Симптомы хлороза наиболее ярко проявляются при одновременном присутствии в питательной среде нитрата и бикарбоната. В пластидном аппарате листьев происходят значительные изменения: пластиды мельчают, система тилакоидов сильно сокращается. Граны в хлоропластах содержат всего два-три тилакоида с нарушенным взаимным расположением, появляются пузырьки в периферической части пластид. Эти изменения происходят на фоне низкой концентрации железа в тилакоидах. Снижение активности рибонуклеотидредуктазы, железосодержащего фермента, препятствует синтезу ДНК и росту меристем. При дефиците железа синтез белка в хлоропластах подавляется значительно сильнее, чем в цитоплазме. Недостаток железа приводит к снижению в листьях концентрации хлорофилла и каротиноидов, а также к подавлению активности фотосистем. Уменьшение содержания зеленых пигментов обусловлено главным образом нехваткой хлорофилла b. При недостатке железа тормозится синтез δ-аминолевулиновой кислоты – предшественника хлорофилла и гемовых соединений. Железодефицитный стресс приводит также к снижению содержания в растениях ферредоксина## Адаптация растений к дефициту железа На фотографиях ниже показаны проявления дефицита железа у растений: Проявление дефицита железа у Prunus persica. Хинянг, Китай. 2005 Симптомы недостатка железа у Pyrus communis. Болонья, Италия, 2001 ### Устойчивость растений к дефициту минеральных элементов #### Адаптация к дефициту микроэлементов Растения выработали различные механизмы адаптации к недостатку железа в окружающей среде. Наиболее изучена реакция корневой системы на дефицит этого микроэлемента. ### Реакции корней Существует два основных типа адаптивных реакций корней на дефицит железа, которые классифицируют как стратегию I и стратегию II. #### Стратегия I Растения, использующие стратегию I (например, горох, бобы, сахарная свекла, яблоня, огурец), реагируют на дефицит железа двумя способами: 1. Усиление выделения протонов (H+) клетками корней: * Активируются H+-АТФазы в плазмалемме корня, что приводит к подкислению ризосферы (окружающей корни почвы) на две единицы pH и более. * Подкисление ризосферы увеличивает растворимость оксидов железа и создает благоприятные условия для работы Fe(III)-редуктаз. 2. Активация Fe3+-хелатредуктаз: * В ризодермальных клетках корней активируются гены FRO2, кодирующие Fe(III)-хелатредуктазы. * Fe(III)-хелатредуктазы восстанавливают растворимые Fe(III)-хелаты до Fe(II), что облегчает поглощение железа корнями. Помимо этого, растения стратегии I могут выделять в ризосферу низкомолекулярные соединения, такие как фенолы, органические кислоты и рибофлавин. Эти вещества способствуют мобилизации железа в почве: Фенолы (кофейная и хлорогеновая кислоты):* восстанавливают Fe(III) до Fe(II), но эффективность этого процесса ограничена в почвах с высоким pH. Органические кислоты (лимонная, яблочная):* образуют растворимые комплексы с железом, увеличивая его доступность для растений. Стадии окислительно-восстановительной реакции между Fe(III) и кофейной кислотой Дефицит железа у растений стратегии I также индуцирует фиксацию CO2, что приводит к увеличению содержания в корнях органических кислот, аминокислот и углеводов. #### Регуляция ответных реакций Регуляция адаптивных реакций растений стратегии I осуществляется с участием генов семейства FER, кодирующих транскрипционный фактор bHLH. Белок FER контролирует экспрессию генов, участвующих в поглощении и распределении железа в растении. #### Взаимосвязь процессов Таким образом, реакция корней растений стратегии I на дефицит железа представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных процессов, направленных на увеличение доступности и поглощения этого важного микроэлемента.Азуют образуют достаточно устойчивые комплексы с железом, что способствует его поглощению растением. Компьютерное моделирование показывает, что концентрация цитратных комплексов Fe(III) в ризосфере колеблется от 0,1 до 50 мкмоль/л. Не исключено, что концентрация органических кислот в ризосфере значительно выше — до 90 ммоль/л. Рибофлавин (рибофлавин-3’(5’)-сульфат), будучи слабым восстановителем окисленных форм железа, пока мало изучен с точки зрения его роли в мобилизации этого микроэлемента. Возможно, рибофлавин, известный своим антимикробным действием, ограничивает рост микроорганизмов, конкурирующих с растениями за доступные формы железа. Рассмотренные реакции растений стратегии I на дефицит железа тесно связаны с морфологическими и анатомическими изменениями в клетках корня, такими как утолщение кончиков корней, образование корневых волосков и ризодермальных клеток-переносчиков в апикальной зоне. Утолщение кончиков корней, вызванное Fe-стрессом, связано с увеличением объема и количества клеток коры в антиклинальном направлении. Такое временное прекращение роста клеток не имеет ничего общего с деформациями, наблюдаемыми при дефиците бора или избытке алюминия. Образование корневых волосков усиливается не только при недостатке железа, но и под влиянием других факторов (дефицит фосфора и кислорода, повышенная температура и плотность почвы и др.). Дифференциация клеток корневых волосков при дефиците железа происходит, как и в нормальных условиях, с участием этилена и ауксина. У некоторых видов растений (Proteaceae) в условиях дефицита железа появляются кластеры корней, состоящие из множества боковых корней, богатых корневыми волосками. Ничего подобного не наблюдается при дефиците бора. Клетки-переносчики характеризуются интенсивным развитием выступов клеточной стенки, плотной цитоплазмой с множеством митохондрий, шероховатым ЭР и амебоидными пластидами. У некоторых растений (род Plantago) выросты клеточных стенок клеток-переносчиков имеют простую форму, у других (род Capsicum, Helianthus) — более сложную, лабиринтообразную, похожую на выступы. В нормальных условиях клетки-переносчики обнаруживаются в вегетативных и генеративных частях растений, где происходит интенсивный транспорт питательных веществ. В корнях клетки-переносчики обнаружены в перицикле бобовых растений, прилегающем к клубенькам, в сосудистой паренхиме, в местах образования боковых корней. Образование клеток-переносчиков в апикальной зоне корня в ответ на дефицит железа связано с дифференциацией клеток в центральном цилиндре. У многих растений стратегии I клетки-переносчики формируются в зоне корневых волосков со зрелыми элементами ксилемы; возможно, клетки-переносчики участвуют в дальнем транспорте железа. В зоне растяжения клетки-переносчики могут распространяться до гиподермы при гибели внешних клеток ризодермы. Клетки-переносчики встречаются также в зоне коры корня. В пределах одной корневой системы образование ризодермальных клеток-переносчиков отмечено только в тех частях корня, которые испытывали дефицит железа. Следовательно, образование клеток-переносчиков в корне в большей степени зависит от локальных условий среды, чем 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 Fe-дефицит, тем не менее зависело от обеспеченности среды железом. Все эти данные свидетельствуют о реальном существовании локальных механизмов адаптации растений к изменяющимся условиям внешней среды. Образование клеток-переносчиков — адаптивный механизм, направленный на усиление транспорта железа из апопласта в симпласт. Во многих случаях эти клетки отвечают за усиление выделения корнями протонов## Чувствительность растений к недостатку железа Формирование новых листьев, особенно у подсолнечника, более чувствительно к недостатку железа, чем синтез хлорофилла в уже сформировавшихся 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, быстро растущих 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 рост и развитие Одной из причин подавления роста меристем листьев при дефиците железа является снижение активности рибонуклеотидредуктазы. Этот железосодержащий фермент катализирует восстановление рибозы до дезоксирибозы, необходимой для синтеза ДНК. Нарушение снабжения молодых листьев железом приводит к подавлению синтеза ДНК и, как следствие, к замедлению роста. Симптомы хлороза наиболее ярко проявляются при одновременном присутствии в питательной среде нитрата и бикарбоната. Интересно, что видовые и сортовые различия в азотном обмене и активности нитратредуктазы, вероятно, связаны с генетически детерминированной спецификой адаптации к железу. ### Влияние фосфата на усвоение железа Влияние фосфата на усвоение железа растениями неоднозначно. В полевых опытах с длительным и интенсивным применением фосфорных удобрений не выявлено корреляции между содержанием фосфора в почве и степенью проявления хлороза у растений. Однако в водных культурах повышенная концентрация фосфата в питательном растворе может вызывать типичные признаки хлороза. Одна из причин иммобилизации железа – образование малорастворимого в воде фосфата железа. При этом возможно подавление активности Fe(III)-редуктаз корня. В естественных условиях этот эффект практически не наблюдается, вероятно, из-за низкого содержания фосфата вблизи корней и пространственного разделения зон поглощения этих элементов на поверхности корня. ### Влияние тяжелых металлов на усвоение железа Подавление активности Fe(III)-редуктаз корней происходит и под влиянием тяжелых металлов (медь, никель, молибден, цинк, марганец). Наибольший ингибирующий эффект оказывают медь и никель. Растения, использующие стратегию I адаптации к дефициту железа, с высокой активностью Fe(III)-редуктаз, более толерантны к действию тяжелых металлов. ### Стратегии адаптации растений к дефициту железа Существуют две основные стратегии адаптации растений к дефициту железа: Стратегия I. Характерна для двудольных растений. В ответ на дефицит железа растения увеличивают активность Fe(III)-редуктаз на поверхности корней и кислотность ризосферы. Стратегия II. Характерна для однодольных растений (злаки). Дефицит железа индуцирует синтез фитосидерофоров (мугеневой кислоты и ее производных), а также ускоряет работу транспортирующей их комплексы с Fe(III) системы за счет дополнительного синтеза транспортного белка YS1 (Yellow Stripe 1). ### Регуляция ответа на дефицит железа Регуляция ответа на дефицит железа может происходить как на локальном уровне (в корне), так и с участием побега. Образование передаточных клеток в корне больше зависит от условий среды, чем от общего минерального статуса растений. Однако предполагается, что побег также может участвовать в регуляции ответа корней на дефицит железа. Например, мутанты гороха brz и dgl формировали в побеге сигнал неизвестной природы, который регулировал активность Fe-хелатредуктазы и H+ -АТФазы в корнях. Предполагается, что в передаче сигнала могут быть задействованы фитогормоны, Fe-связывающие соединения (напримерУсиление выделения кислот щитком проростков кукурузы с низкой эффективностью усвоения железа (Fe-неэффективные) в условиях дефицита железа приводит к увеличению скорости поступления железа из эндосперма, максимально – на 26%. Выделение щитком кислых продуктов – важный биологический феномен, обеспечивающий транспорт железа в растущие органы злаков. Интересно, что такая реакция щитка на дефицит железа не сопровождается изменениями в его способности восстанавливать Fe3+ до Fe2+ (Fe3+-редуктазной способности), причем это восстановление происходит вне клетки, в отличие от корней двудольных растений. Таким образом, для щитков злаков характерен специфический ответ на дефицит железа – усиление выделения кислых продуктов, что свойственно и корням двудольных растений (стратегия I). Вторая специфическая реакция двудольных на дефицит железа – усиление Fe(III)-редуктазной способности корней – у щитков злаков (кукурузы) не наблюдается. Возможно, Fe3+-редукция у двудольных не является критическим фактором, определяющим устойчивость растений к недостатку железа, так как она происходит на клеточной мембране и не может способствовать растворению соединений железа в среде. Есть данные, что, как и у корней двудольных, Fe3+-редуктаза в щитке играет незначительную роль в адаптации кукурузы к дефициту железа, несмотря на внеклеточную локализацию. Возможно, это связано с изначально высокой скоростью Fe3+-редукции в щитке, о чем свидетельствуют результаты её определения у проростков, получавших железо в достаточном количестве (+Fe-ЭДТА). Поэтому регуляция интенсивности восстановления Fe3+ у проростков в условиях дефицита железа нецелесообразна, так как скорость этого процесса не лимитирует мобилизацию железа из эндосперма. Пока неясно, функционирует ли в зерновке злаков механизм стратегии II (выделение щитком фитосидерофоров). Однако показано, что подавление подкисления среды щитком с помощью буфера полностью блокировало транспорт железа в растущие органы кукурузы из агаровой среды, имитирующей эндосперм. Поэтому нет оснований полагать, что возможное выделение щитком фитосидерофоров – специфический механизм, способный в полной мере обеспечить потребности растущего проростка злаков в железе. Таким образом, у щитков злаков проявляется нехарактерный для них специфический ответ на дефицит железа – усиление выделения кислых продуктов (H+). Эта адаптивная реакция происходит на определенной стороне щитка и сопровождается увеличением скорости поступления железа из эндосперма. Эволюция механизмов адаптации. Реакция щитка злаков на дефицит железа удивительно похожа на одну из ключевых реакций, характерных для корней двудольных растений (стратегия I). У злаков также описаны физиологические реакции, облегчающие поглощение железа, сходные со стратегией I: Fe3+-редукция, подкисление среды вокруг корней, выделение восстановителей.

Однако в корнях, в отличие от щитка, эти реакции не активируются недостатком железа, следовательно, их нельзя классифицировать как специфические реакции на Fe-стресс. Таким образом, у проростков злаков обнаружены ответы на дефицит железа по типу стратегии I (в щитке) и по типу стратегии II (в корнях), характерные для разных групп растений (двудольных и злаков). Этот факт подтверждает предположение об эволюции механизма стратегии II от механизма стратегии I, имеющегося у двудольного предка. Некоторые ученые считают, что зародыш однодольных растений эволюционировал из зароды## Железо и растения: механизмы устойчивости Способность растений усваивать железо (Fe) из почвы, особенно карбонатных, напрямую влияет на их рост и развитие. Разные виды и сорта демонстрируют разную устойчивость к недостатку этого важного микроэлемента. У растений выделяют две стратегии адаптации к дефициту железа. Растения стратегии I (в основном двудольные) в ответ на дефицит железа активируют механизмы, направленные на повышение растворимости Fe3+ в ризосфере и усиление его поглощения корнями. Стратегия II характерна для злаков и включает синтез и выделение в ризосферу фитосидерофоров – низкомолекулярных соединений, способных связывать Fe3+ с образованием растворимых комплексов. ### Стратегия I Эффективность усвоения железа растениями стратегии I связана с активностью нескольких адаптивных реакций, таких как: Выделение органических кислот в ризосферу*: Кальцефилы, растения, адаптированные к росту на карбонатных почвах, выделяют больше органических кислот, чем кальцефобы. Это повышает растворимость Fe3+ в ризосфере. Активность Fe3+-редуктазы*: Этот фермент восстанавливает Fe3+ до Fe2+, который легче усваивается растениями. Устойчивые к Fe-дефициту сорта сои и персика демонстрируют более высокую активность Fe3+-редуктазы. Накопление апопластных форм железа в корнях*: Эффективные сорта яблони и сои накапливают больше апопластного железа, что важно для его транспорта в побег. Содержание железа в семенах*: Высокое содержание железа в семенах, как у гороха, обеспечивает лучшую устойчивость к его дефициту на ранних стадиях развития. Однако, не всегда существует прямая зависимость между активностью адаптивных реакций и устойчивостью к недостатку железа. Например, у устойчивых сортов Vigna radiata отмечена высокая ацидофицирующая способность корней, но низкая редуктазная активность. ### Стратегия II У растений стратегии II устойчивость к недостатку железа связана с: Выделением фитосидерофоров*: Злаки выделяют фитосидерофоры, связывающие Fe3+ в ризосфере. Активность выделения фитосидерофоров у злаков варьирует: пшеница > ячмень > рожь, овес > кукуруза > сорго. Сроками выделения фитосидерофоров*: У эффективных сортов ячменя пик выделения фитосидерофоров наступает раньше, чем у неэффективных. Активностью ризосферных микроорганизмов*: Микроорганизмы также могут продуцировать сидерофоры, способствуя усвоению железа растениями. ### Сравнение стратегий В условиях карбонатных почв злаки (стратегия II) часто усваивают железо эффективнее, чем двудольные растения (стратегия I). Возможно, это связано с меньшей зависимостью механизмов поглощения железа у злаков от уровня pH. ### Генетические модификации Внедрение генов, ответственных за синтез фитосидерофоров (например, гена NAS), в растения стратегии I может улучшить их снабжение железом. ### Заключение Эффективность усвоения железа растениями определяется комплексом адаптивных реакций. Чем больше реакций задействовано, тем эффективнее растение будет усваивать железо в условиях его дефицита. Понимание этих механизмов важно для разработки стратегий повышения устойчивости растений к недостатку железа и улучшения их продуктивности.## Железо и растения: от дефицита к избытку Разные виды и сорта растений демонстрируют различную устойчивость к недостатку железа (Fe). Например, виды люпина по-разному реагируют на щелочные почвы и Fe-дефицит. Lupinus albus* считался более устойчивым к щелочным почвам благодаря высокой способности корней подкислять среду. Однако, этот вид оказался наименее устойчивым к Fe-дефициту, а формирование клубеньков на его корнях сильно зависело от уровня pH. Интересно, что сорт L. albus P27486 продемонстрировал высокую Fe-эффективность, что связали с его способностью подкислять ризосферу, улучшая доступность железа. Горох, по сравнению с люпином, более устойчив к Fe-дефициту из-за большего запаса железа в семенах. Аналогичная закономерность наблюдается у нута (Cicer arietinum L.), который более эффективно усваивает железо по сравнению с чечевицей (Lens culinaris L.)*. В целом, Fe-эффективность растения определяется комплексом адаптивных реакций на дефицит железа. Чем больше таких реакций активируется, тем эффективнее растение будет усваивать железо. ### Стратегия устойчивости к хлорозу Устойчивость злаков к карбонатному хлорозу, связанному с Fe-дефицитом, может определяться их способностью выделять фитосидерофоры. По активности выделения фитосидерофоров злаки можно расположить в ряд: пшеница > ячмень > рожь, овес >> кукуруза >>> сорго. Корни риса в условиях затопления выделяют незначительное количество сидерофоров. Эффективность усвоения железа связана не только с количеством, но и со временем выделения фитосидерофоров. Например, у эффективного сорта ячменя (Steptoe) пик выделения приходился на период до появления симптомов Fe-дефицита, а у неэффективных сортов (Dicktoo, Morex) – после. При этом неэффективные сорта выделяли фитосидерофоры в 1,3–1,6 раза быстрее. Различия в эффективности усвоения железа могут быть обусловлены также разной интенсивностью продукции сидерофоров ризосферными микроорганизмами. ### Избыток железа: обратная сторона медали Избыток железа характерен для гидроморфных почв, особенно рисовых чеков. В переувлажненных почвах концентрация растворимого железа может увеличиваться с 0,1 до 50–100 мг/кг. Критическая концентрация железа в листьях превышает 500 мг Fe/кг сухой массы. Последствия избытка железа: * Образование гидроксильных радикалов (реакция Фентона), повреждающих клетки. * Снижение активности оксалатоксидазы. * Замедление роста, разрыхление тканей, снижение устойчивости к патогенам (на примере каллусов пшеницы). * Дефицит фосфора, калия и цинка в листьях риса (гидроксиды железа сорбируют эти элементы). Визуальные признаки избытка железа: * Оранжевый налет на кончиках корней (осадок железа). * Слабое ветвление корней. * Низкорослость побегов. * Бронзовые пятна на листьях. Животные более устойчивы к избытку железа. Однако, рацион с высоким содержанием сернокислого закисного железа (5000 мг/кг сухого вещества) может вызывать: * Двигательные нарушения. * Мышечные спазмы. * Одышку. * Конвульсии.Железо занимает второе место по распространенности среди металлов на нашей планете, уступая только алюминию. Оно составляет значительную часть земной коры – около 4%. В естественных условиях железо практически не встречается в чистом виде, его можно обнаружить лишь в составе метеоритов. Гораздо чаще железо представлено в форме различных химических соединений, таких как оксиды, сульфиды и силикаты. Среди многообразия железных руд выделяются несколько наиболее важных для промышленности: Магнитный железняк* (Fe₃O₄) Красный железняк* (Fe₂O₃) Бурый железняк* (2Fe₂O₃•3Н₂О) Шпатовый железняк* (FeCO₃) Пирит, или железный колчедан* (FeS₂) – этот минерал служит сырьем для производства серной кислоты. Россия обладает обширными месторождениями высококачественных железных руд. Значительные залежи расположены на Урале, в Курской области, на Кольском полуострове, а также в Западной и Восточной Сибири и на Дальнем Востоке.## Железо: незаменимый микроэлемент для растений Железо, серебристо-белый металл, относящийся к VIII группе периодической системы химических элементов, встречается в природе в виде четырех стабильных изотопов. Способность атома железа легко терять электроны обусловливает слабую связь его внешних электронов с ядром, положительную валентность в соединениях и характерные металлические свойства. Как и другие переходные элементы, железо способно проявлять различную валентность (Fe2+/Fe3+) и легко образовывать комплексы. Эти химические особенности определяют его важнейшую роль в жизни растений. Железо принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях, входя в состав как гемовых, так и негемовых соединений. Гем – широко распространенный кофактор в биологических системах. ### Гемовые соединения Гем является важной частью многих белков, таких как цитохромы, пероксидазы, каталазы и леггемоглобин. Синтез гема неразрывно связан с синтезом хлорофилла. На заключительном этапе биосинтеза фермент феррохелатаза встраивает Fe2+ в протопорфирин IX. Этот белок, состоящий из одной цепи с молекулярной массой около 40 кДа, осуществляет реакцию без участия дополнительных кофакторов. Пластиды являются основным местом синтеза гемовых соединений в клетках как фотосинтезирующих, так и нефотосинтезирующих тканей. Однако гемы могут синтезироваться и в митохондриях. Ферритин, запасной белок, находящийся в пластидах и митохондриях, служит потенциальным источником железа для синтеза гема. Электронтранспортная цепь (ЭТЦ) фотосинтеза, расположенная в мембране тилакоидов, состоит из трех пигмент-белковых комплексов: фотосистемы II (ФС II), фотосистемы I (ФС I) и цитохромного b6/f-комплекса. В дыхательной ЭТЦ митохондрий направление переноса электронов определяется окислительно-восстановительным потенциалом цитохромов. ### Роль гемовых белков Пероксидазы, содержащиеся во всех наземных растениях, катализируют восстановление пероксида водорода с окислением различных молекул-доноров (фенольные соединения, предшественники лигнина, ауксин, вторичные метаболиты). В реакциях с участием пероксидаз образуется промежуточный продукт Fe4+=O. Функции пероксидаз: * Участие в разнообразных физиологических процессах. * Образование активных форм кислорода, влияющих на интенсивность различных процессов и передачу сигналов. * Защита семян от патогенов. * Регуляция роста клеток растяжением. * Участие в реакциях полимеризации, например, в биосинтезе лигнина и суберина. * Регуляция уровня ауксинов. Каталаза – фермент класса оксидоредуктаз, катализирующий разложение пероксида водорода на кислород и воду. Существуют гемовые и марганцевые каталазы. Гемовые каталазы – тетрамеры, содержащие гем d. Они находятся в пероксисомах растений, где обезвреживают пероксид водорода, образующийся в процессе фотодыхания. Леггемоглобин – красный белок с молекулярной массой около 16 кД, содержащий железо в форме гема. Он образуется в клубеньках бобовых растений при симбиозе с клубеньковыми бактериями. Леггемоглобин связывает свободный кислород (O2), создавая анаэробные условия, необходимые для фиксации азота. ### Негемовые белки Часть железа в растениях входит в состав негемовых белков, где оно связывается с...Железо-серные (Fe–S) кластеры – это важные компоненты многих белков, участвующих в процессах окисления-восстановления, переноса электронов и катализе. Они состоят из атомов железа, связанных с серосодержащими группами цистеина и/или неорганической серой. К атомам железа также могут присоединяться дополнительные лиганды, такие как кислород и азот. Формирование Fe–S-кластеров происходит в митохондриях и пластидах растений. Важную роль в этом процессе играет белок фратаксин, который может служить донором железа. ## Роль негемового железа в ферментах Ферменты с негемовым железом играют ключевую роль в биологических системах, используя окислительный потенциал кислорода. Атомы железа в таких ферментах непосредственно участвуют в активации кислорода. Обычно окружение атомов железа в таких белках богато кислородом и азотом. В семействе негемовых ферментов есть группа, катализирующая реакции с образованием высоковалентных интермедиатов железа (Fe+4, Fe+5). Примеры включают α-кетоглутарат- и птеринзависимые ферменты, Риске-подобные диоксигеназы и 1-аминоциклопропан-1-карбоксилазу (рис. ). Последний фермент участвует в синтезе фитогормона этилена у высших растений. Рис. Активация кислорода 1-аминоциклопропан-1-карбоксилазой, содержащей железо в негемовой форме. Некоторые негемовые белки участвуют в окислении серных эфиров до оксидов серы. В целом, негемовые формы железа в белках отличаются от гемовых белков большей гибкостью окружения атома металла. ## Примеры Fe–S-белков растений ### Ферредоксин Ферредоксин – белок, обнаруженный у цианобактерий, в хлоропластах водорослей и высших растений. Он представляет собой мономер с молекулярной массой около 11 кДа. Все ферредоксины содержат один кластер [2Fe–2S], который участвует в переносе одного электрона при низком окислительно-восстановительном потенциале. Ферредоксин служит конечным акцептором электронов в электрон-транспортной цепи фотосинтеза. Большая часть восстановленного ферредоксина, образующегося в световых реакциях фотосистемы I, используется для восстановления НАДФ+ в реакциях, катализируемых ферредоксин-НАДФ-редуктазой.## Важность железа для растений Железо – это незаменимый элемент, необходимый растениям для нормального роста и развития. Оно участвует во множестве важных физиологических процессов, таких как фотосинтез, дыхание, фиксация азота и устойчивость к стрессовым условиям. ### Как растения усваивают железо Растения выработали сложную систему поглощения, транспортировки и использования железа. Одним из ключевых этапов метаболизма железа является преобразование индола в мочевую кислоту, затем в аллантоин и, наконец, в аллантоиновую кислоту. Фермент ксантиндегидрогеназа играет важную роль в этом процессе, катализируя первые две стадии. Интересно, что этот фермент также способен генерировать кислородные и супероксидные радикалы, которые участвуют в защите растений от патогенов и в процессах старения. ### Ферменты с железом в составе Многие ферменты, необходимые для жизнедеятельности растений, содержат железо в качестве кофактора. Липоксигеназы* – это группа ферментов, которые катализируют присоединение кислорода к ненасыщенным жирным кислотам. Они играют важную роль в метаболизме липидов, сигнальных путях и защите от стресса. Липоксигеназы можно обнаружить в различных частях растительной клетки, включая цитоплазму, вакуоли, хлоропласты, митохондрии и мембраны. Ферритин* – это белок, который запасает железо в клетках. Он защищает клетку от токсичного воздействия свободного железа и обеспечивает его постепенное высвобождение по мере необходимости. Ферритин находится в пластидах, цитоплазме и митохондриях. ### Роль железа в фотосинтезе Железо является неотъемлемой частью электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) фотосинтеза. Оно входит в состав фотосистем I и II, ферредоксина и цитохромного b6/f комплекса. Недостаток железа приводит к снижению содержания хлорофилла и нарушению фотосинтеза, что визуально проявляется в хлорозе листьев. ### Влияние железа на цветение Железо необходимо для нормального цветения растений. Оно участвует в синтезе и транспорте никотианаминовых комплексов, необходимых для развития цветков. Мутации в генах, контролирующих эти процессы, приводят к нарушениям развития цветков, которые можно исправить добавлением никотианаминовых комплексов железа. ### Железо и стрессоустойчивость Ферритин играет важную роль в защите растений от окислительного стресса, вызванного неблагоприятными условиями окружающей среды. Он накапливает железо в нетоксичной форме, предотвращая образование свободных радикалов. В условиях избытка железа в клетках может происходить трансформация ферритина в фитосидерин – нерастворимую форму хранения железа. Это предотвращает токсическое действие избытка железа и поддерживает его баланс в клетке. ### Заключение Железо играет ключевую роль в жизни растений, участвуя в фотосинтезе, дыхании, метаболизме, цветении и устойчивости к стрессам. Понимание механизмов поглощения, транспортировки и использования железа растениями имеет важное значение для разработки стратегий повышения устойчивости культурных растений к неблагоприятным факторам среды и повышения урожайности.## Жизненно важное железо для растений Железо - микроэлемент, концентрация которого в растительных тканях превышает содержание других микроэлементов. Как правило, корни растений накапливают железа значительно больше, чем побеги. В среднем, растения содержат около 200 мг железа на килограмм сухой массы. Интересно, что содержание железа может варьироваться в зависимости от вида растения и условий его произрастания. Например, исследования показали, что степные растения содержат в среднем 182 мг/кг железа, злаковые растения лугов - 130 мг/кг, а растения рапса - целых 301 мг/кг. Для нормального развития животным, питающимся растениями, необходимо получать с кормом 50-80 мг/кг железа. ### Роль железа в фотосинтезе Около 80% железа, содержащегося в листьях, находится в хлоропластах, причем большая часть сосредоточена в тилакоидах, а не в строме. В тилакоидных мембранах около 20 атомов железа на одну фотосистему II и фотосистему I непосредственно участвуют в электронтранспортной цепи (ЭТЦ), играющей ключевую роль в процессе фотосинтеза. ### Механизмы поглощения железа растениями У растений развились две основные стратегии поглощения железа корнями: Стратегия I Используется двудольными растениями и однодольными, не относящимися к злакам. Включает три основных этапа: 1. Выделение протонов (H+): Активация H+ -АТФазы на плазмалемме корневых клеток приводит к выделению протонов в окружающую среду, что подкисляет ее и увеличивает растворимость соединений железа Fe3+. 2. Восстановление Fe3+ до Fe2+ : Фермент Fe3+-хелатредуктаза, расположенный на плазмалемме, восстанавливает Fe3+ до Fe2+, который лучше усваивается растениями. 3. Транспорт Fe2+ : Белки-переносчики, такие как AtIRT1 (Iron Regulated Transporter), транспортируют Fe2+ через плазмалемму внутрь клетки. Стратегия II Используется злаками. Включает выделение корнями фитосидерофоров - низкомолекулярных хелатирующих веществ, образующих стабильные комплексы с Fe3+. 1. Синтез фитосидерофоров: Синтезируются из метионина, трансформирующегося в никотианамин - универсальный хелатор, способный связывать железо. 2. Секреция фитосидерофоров: Механизм секреции до конца не изучен, но предполагается участие везикулярного транспорта. 3. Поглощение комплекса фитосидерофор-Fe3+: Корни злаков обладают высокоэффективной системой поглощения комплекса фитосидерофор-Fe3+. Регуляция поглощения железа Обе стратегии активируются в условиях дефицита железа. Экспрессия генов, кодирующих белки-переносчики, ферменты и фитосидерофоры, усиливается при недостатке железа. ### Заключение Железо играет важнейшую роль в жизни растений, особенно в процессе фотосинтеза. Разные виды растений выработали эффективные механизмы поглощения этого важного микроэлемента из почвы.Железо, образуя в прикорневой зоне комплекс с сидерофорами, транспортируется в растение особой системой, расположенной в мембране клеток корня. При нарушении работы этой системы у растений кукурузы наблюдается хлороз, проявляющийся в изменении окраски листьев. Транспортная система представляет собой белок-переносчик, принадлежащий к семейству олигопептидов и имеющий двенадцать трансмембранных доменов. Интересно, что гены, кодирующие эту систему, активны не только в корнях, но и в побегах, что может указывать на участие этих белков в переносе железа на значительные расстояния внутри растения. Однако, у ячменя, например, аналогичный белок синтезируется только в корнях и, вероятно, участвует только в усвоении железа из почвы. Растения, использующие сидерофорный механизм для усвоения железа, могут поглощать его и в виде двухвалентного иона. Например, рис способен транспортировать железо как в комплексе с фитосидерофорами, так и в форме Fe²⁺ с помощью специфического белка. При недостатке железа экспрессия генов, отвечающих за синтез этого белка, в корнях риса возрастает, как и у арабидопсиса. В то же время, в корнях риса не обнаружена активность генов, отвечающих за восстановление железа. Предполагается, что в анаэробных условиях, характерных для среды обитания риса, образуется достаточно восстановленного железа, не требуя дополнительной активации процесса восстановления Fe³⁺. Поглощение железа растениями, как и других микроэлементов, начинается с клеточной стенки корневых клеток. Сначала железо диффундирует к клеточной мембране, но только часть его проникает внутрь клетки. В присутствии кислорода большая часть железа окисляется и выпадает в осадок в виде гидроксида или нерастворимых солей (например, фосфата), образуя так называемый апопластный пул. В этом пуле может концентрироваться до 95% всего железа в корне. При дефиците железа в окружающей среде апопластный пул может быть частично использован растением, по крайней мере, в условиях гидропоники. ## ЭЛЕМЕНТЫ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ В ПОЧВЕ ## ФОРМЫ И СОДЕРЖАНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ Железо – один из основных элементов земной коры, составляющий около 5% её массы. По распространенности он занимает четвертое место после кислорода (49,4%), кремния (28,6%) и алюминия (8,3%). Встречается железо преимущественно в магматических и ультраосновных породах. Содержание общего железа в почвах колеблется от 0,02 до 3,8% от их массы. Выделяют силикатные и несиликатные (свободные) формы железа. Силикатные формы входят в состав кристаллических решеток минералов. К основным почвенным минералам железа относятся: гематит (α-Fe₂O₃), маггемит (γ-Fe₂O₃), гетит (α-FeOOH), лепидокрокит (γ-FeOOH), пирит (FeS₂), сульфид железа (FeS) и ярозит (KFe₃(SO₄)₂(OH)₆). Несиликатные формы железа подразделяют на окристаллизованные, аморфные и подвижные (обменные, водорастворимые). Последние наиболее важны для питания растений. В почвах подвижные формы железа представлены в основном органоминеральными соединениями и ионами. Подвижность железа в почве определяется растворимостью его соединений, зависящей от реакции среды (pH), окислительно-восстановительного потенциала (Eh), а также от процессов комплексообразования.  Рис. Фотохимическое восстановление хелатированного Fe(III) до Fe(II) в водных растворах  
Например, при соотношении Fe : L = 1 : 2, достаточном для хелатирования всех металлов, наблюдается значительное торможение фотохимического восстановления Fe(III) в присутствии меди и марганца, особенно в начале облучения. Скорость фотовосстановления железа может снижаться на 50–80% при эквимолярном соотношении этих металлов с Fe(III) по сравнению с контролем. Влияние цинка на фотохимические реакции железа менее выражено, чем влияние меди и марганца.
 Рис. Эффективность некорневого питания огурца соединениями железа (СFe = 2·10–3 моль/л; рН 5,5)  
Важно отметить, что при эквимолярном соотношении Fe : L, недостаточном для хелатирования всех присутствующих микроэлементов, подавления фотовосстановления Fe(III) ни марганцем, ни цинком не наблюдалось. Добавление меди к эквимолярным комплексам железа может привести к разрушению Fe-хелатов и образованию нерастворимых в воде гидроксидов железа из-за высокой комплексообразующей способности меди. Фотохимические эффекты микроэлементов изучаются.Железо – незаменимый элемент для нормального роста и развития растений. Его дефицит широко распространен, особенно на карбонатных почвах, занимающих значительную часть поверхности Земли. Низкая доступность железа в таких условиях приводит к развитию карбонатного хлороза – заболевания, которое негативно сказывается на продуктивности сельскохозяйственных культур и может привести к гибели растений. Недостаток железа может быть вызван не только особенностями почвы, но и избытком в ней таких элементов, как марганец, цинк, медь, а также чрезмерным внесением фосфора и извести. Содержание железа в листьях растений варьируется в зависимости от вида и составляет в среднем 15–150 мг/кг сухой массы. При снижении этого уровня нарушаются важные физиологические процессы, и появляются видимые признаки дефицита железа. Особенно чувствительны к нехватке железа меристематические и активно растущие клетки, где его критический уровень составляет около 200 мг/кг сухой массы. Хлороз связан с нарушениями как дальнего транспорта железа от корней к побегам, так и его распределения внутри листьев. В условиях хлороза железо накапливается в апопласте листьев в неактивной форме, что делает его недоступным для растения. Причины нарушений дальнего транспорта железа до конца не ясны и вызывают дискуссии среди ученых. Некоторые исследователи связывают их с повышением pH ксилемного сока под действием бикарбонат-ионов, что может разрушать транспортные формы железа. Другие ученые не наблюдают влияния бикарбоната на содержание железа в ксилеме и предполагают наличие иных причин. Более того, существуют данные о том, что бикарбонат может даже слегка снижать pH ксилемного сока и апопласта листьев. Интересно, что концентрация железа в пожелтевших (пораженных хлорозом) листьях может не отличаться от концентрации в здоровых зеленых листьях. Это подтверждает гипотезу о том, что при хлорозе большая часть железа становится недоступной для растения, накапливаясь в апопласте. Физиологически активная фракция железа участвует в окислительно-восстановительных реакциях (Fe2+/Fe3+). Оценка содержания «активного железа» в листьях с помощью разбавленных кислот или хелаторов позволяет точнее определить обеспеченность тканей растений доступным железом. К сожалению, данные о составе и локализации этих форм в клетках пока ограничены. Важно подчеркнуть, что дефицит железа сильнее влияет на рост растений, чем на содержание в них хлорофилла. На карбонатных почвах нарушения роста возможны даже без видимых симптомов хлороза. Одной из причин замедления роста меристем листьев, вызванного нитратом (накапливается в карбонатных почвах), является снижение активности рибонуклеотидредуктазы – железосодержащего фермента, катализирующего восстановление рибозы до дезоксирибозы. Недостаток железа в молодых листьях подавляет синтез ДНК, что приводит к замедлению роста. Симптомы хлороза наиболее ярко проявляются при одновременном присутствии в питательной среде нитрата и бикарбоната. Дефицит железа вызывает каскад изменений в пластидном аппарате листьев. Пластиды мельчают, система тилакоидов сокращается, наблюдаются нарушения в их структуре. На фоне низкой концентрации железа в тилакоидах, в хлоропластах появляются пузырьки. Снижение активности рибонуклеотидредуктазы, вызванное дефицитом железа, препятствует синтезу ДНК и росту меристем. При недостатке железа синтез белка в хлоропластах подавляется сильнее, чем в цитоплазме. Дефицит железа приводит к снижению концентрации хлорофилла и каротиноидов в листьях, а также к подавлению активности фотосистем. Уменьшение содержания зеленых пигментов обусловлено главным образом недостатком хлорофилла b. При нехватке железа тормозится синтез δ-аминолевулиновой кислоты – предшественника хлорофилла и гемовых соединений. Железодефицитный стресс также приводит к уменьшению содержания ферредоксина в растениях.## Адаптация растений к недостатку железа На фотографиях показаны примеры, как проявляется дефицит железа у растений: Фото 1. Признаки дефицита железа у персика (Prunus persica). Хинянг, Китай. 2005 [Изображение персика с признаками дефицита железа] Фото 2. Симптомы недостатка железа у груши (Pyrus communis). Болонья, Италия, 2001 [Изображение груши с признаками дефицита железа] ### Устойчивость растений к дефициту минеральных элементов ### Адаптация к недостатку микроэлементов #### Реакции корней Наиболее изучена реакция корней растений на недостаток железа. Она обусловлена комплексом адаптивных механизмов. Химические способы: * Восстановление Fe(III) до Fe(II) * Снижение кислотности (рН) ризосферы * Выработка растением хелатирующих соединений Различают два типа адаптивных реакций растений на дефицит железа: стратегию I и стратегию II. #### Реакции корней растений стратегии I Для растений этой группы характерны две реакции на дефицит железа: 1. Усиление выведения протонов из клеток корней: * Осуществляется H+-АТФазами в плазмалемме корня. * Активность H+-АТФаз увеличивается на 18-100%. * Кислотность (рН) в ризосфере снижается на две единицы и более. * Способствует растворению оксидов железа. * Создает условия для работы Fe(III)-редуктаз. * Ген, отвечающий за H+-АТФазу, пока не найден, но выявлены задействованные гены семейства AHA (H+-АТФаза Arabidopsis). 2. Активация Fe3+-хелатредуктаз: * В клетках ризодермы корней Arabidopsis обнаружена экспрессия генов FRO2, кодирующих Fe(III)-хелатредуктазу. * Увеличение редуктазной активности ведет к интенсивному восстановлению растворимых Fe(III)-хелатов. * Возрастает скорость расщепления Fe(III)-хелатов, что необходимо для поглощения железа корнями. * Экспрессия генов семейства FRO в условиях дефицита железа происходит не только в ризодерме, но и в сосудах центрального цилиндра корня. * Fe-редуктазы участвуют как в усвоении железа из почвы, так и в ксилемной загрузке железа. #### Регуляция экспрессии генов при недостатке железа * Для экспрессии генов AtFRO2 необходима транскрипция генов AtBHLH29, кодирующих белок BHLH. * Транскрипция AtIRT1, кодирующих транспортеры Fe-HATS, не связана с AtBHLH29. * Регуляция ответных реакций растений стратегии I происходит с участием генов семейства FER, кодирующих транскрипционный фактор bHLH. * Мутант томата fer не может запускать механизмы стратегии I в ответ на дефицит железа. * Экспрессию генов FER наблюдали как в клетках коры кончиков корней, так и в области сосудов в зоне корневых волосков. * Белок FER участвует не только в регуляции поглощения железа из почвы, но и в распределении усвоенного железа в растении. * Содержание белка FER в растениях зависит от обеспеченности железом. * В трансгенных растениях томата белок FER обнаруживался при концентрации железа от 10 до 100 мкмоль/л. #### Роль корневых экссудатов * Реакции растений стратегии I сопровождаются выделением низкомолекулярных корневых экссудатов. * В их состав входят: * Соединения фенольной природы * Рибофлавин * Органические кислоты * Корневые экссудаты: * Подкисляют ризосферуАзуют формируют с железом прочные комплексы, что делает его более доступным для усвоения растениями. Компьютерное моделирование показывает, что концентрация комплексов железа (Fe(III)) с цитратом в ризосфере колеблется от 0,1 до 50 мкмоль/л. При этом предполагается, что реальная концентрация органических кислот в ризосфере может быть значительно выше — до 90 ммоль/л. Рибофлавин (рибофлавин-3’(5’)-сульфат) – слабый восстановитель окисленных форм железа, и его роль в мобилизации этого микроэлемента пока не изучена. Известно, что рибофлавин обладает антимикробным действием, поэтому возможно, что он способен подавлять рост микроорганизмов, конкурирующих с растениями за доступные формы железа. Растения, использующие стратегию I для борьбы с дефицитом железа, демонстрируют ряд морфологических и анатомических изменений в структуре клеток корня. К таким изменениям относятся: утолщение кончиков корней, усиленное образование корневых волосков и появление ризодермальных передаточных клеток в апикальной зоне. Утолщение кончиков корней, индуцированное стрессом от недостатка железа, связано с увеличением объема и количества клеток коры в антиклинальном направлении. Важно отметить, что такое временное прекращение роста клеток в длину не имеет ничего общего с деформациями, наблюдаемыми при недостатке бора или избытке алюминия. Образование корневых волосков усиливается не только в ответ на дефицит железа, но и под влиянием других факторов, таких как: дефицит фосфора и кислорода, высокая температура и плотность почвы. Дифференциация клеток корневых волосков при недостатке железа происходит с участием этилена и ауксина, как и в обычных условиях. У некоторых видов растений, например, Proteaceae, в условиях дефицита железа наблюдается формирование кластеров корней. Эти кластеры состоят из множества боковых корней с большим количеством корневых волосков. Важно отметить, что подобные структуры не образуются при недостатке бора. Передаточные клетки характеризуются интенсивным развитием протуберанцев клеточной стенки, плотной цитоплазмой с большим количеством митохондрий, развитым шероховатым ЭР и амебоидными пластидами. Форма выростов клеточных стенок передаточных клеток может варьировать у разных видов растений: от простых у Plantago до сложных, лабиринтообразных у Capsicum и Helianthus. В нормальных условиях передаточные клетки встречаются в вегетативных и генеративных частях растений, где происходит интенсивный транспорт питательных веществ. В корнях передаточные клетки обнаруживаются в перицикле, прилегающем к клубенькам бобовых растений, в сосудистой паренхиме и местах формирования боковых корней. Образование передаточных клеток в апикальной зоне корня в ответ на дефицит железа связано с дифференциацией клеток центрального цилиндра. У многих растений, использующих стратегию I, передаточные клетки формируются в зоне корневых волосков со зрелыми элементами ксилемы. Предполагается, что эти клетки участвуют в дальнем транспорте железа. В зоне растяжения передаточные клетки могут достигать гиподермы, если наружные клетки ризодермы погибают. Также передаточные клетки встречаются в зоне коры корня. Важно отметить, что в пределах одной корневой системы формирование ризодермальных передаточных клеток наблюдается только в тех частях, которые испытывают дефицит железа. Это говорит о том, что образование передаточных клеток в корне зависит, в первую очередь, от локальных условий среды, а не от общего минерального статуса растения. Интересно, что у мутанта Arabidopsis man1/frd3, который накапливает железо в побеге из-за конститутивной экспрессии генов, отвечающих за реакцию на дефицит железа, образование корневых волосков все равно зависело от содержания железа в среде. Все эти данные подтверждают существование локальных механизмов адаптации растений к изменяющимся условиям## Влияние железа на рост и развитие растений Железо – незаменимый элемент, играющий ключевую роль в жизненно важных процессах растений, таких как фотосинтез, дыхание и метаболизм азота. Его дефицит приводит к хлорозу, который особенно заметен на молодых листьях, и замедлению роста. ### Чувствительность к дефициту железа Образование новых листьев, например, у подсолнечника, более чувствительно к недостатку железа, чем синтез хлорофилла в уже сформировавшихся листьях. Интересно, что потребность в железе у подсолнечника, растущего на нитратной среде, значительно выше, чем у растений на аммонийной среде. В молодых, быстро растущих листьях определенная часть апопласта (пространство между клеточными стенками) характеризуется высоким уровнем pH. Исследования демонстрируют тесную обратную связь между уровнем pH апопласта или сока листьев и концентрацией хлорофилла в них. ### Влияние на синтез ДНК Одной из причин замедленного роста листовых меристем при дефиците железа является снижение активности рибонуклеотидредуктазы. Этот железосодержащий фермент катализирует превращение рибозы в дезоксирибозу, необходимую для синтеза ДНК. ### Факторы, усугубляющие хлороз Симптомы хлороза наиболее ярко проявляются при наличии в питательной среде нитрата и бикарбоната. Различия в чувствительности к недостатку железа у разных видов и сортов растений, вероятно, связаны с особенностями их азотного обмена и активности нитратредуктазы, а также генетически обусловленными адаптивными реакциями. ### Влияние фосфата Влияние фосфата на усвоение железа неоднозначно. В полевых условиях длительное и интенсивное внесение фосфорных удобрений не всегда коррелирует со степенью хлороза у растений. Однако в водных культурах высокая концентрация фосфата может вызывать типичные признаки хлороза. Это связано с образованием малорастворимого фосфата железа, что снижает доступность железа для растений. Кроме того, фосфат может подавлять активность Fe(III)-редуктаз корня, которые восстанавливают Fe(III) до Fe(II), более доступной для растений формы. В природных условиях этот эффект менее выражен из-за низкого содержания фосфата вблизи корней и пространственного разделения зон поглощения железа и фосфата. ### Влияние тяжелых металлов Тяжелые металлы, такие как медь, никель, молибден, цинк и марганец, также могут подавлять активность Fe(III)-редуктаз корней. Наиболее сильное ингибирующее действие оказывают медь и никель. Растения, использующие стратегию I адаптации к дефициту железа (с высокой активностью Fe(III)-редуктаз), более толерантны к тяжелым металлам. ### Стратегии адаптации растений к дефициту железа Существует две основные стратегии адаптации растений к недостатку железа. #### Стратегия I Эта стратегия характерна для двудольных растений. В ответ на дефицит железа увеличивается активность Fe(III)-редуктаз на поверхности корней и подкисляется ризосфера (зона вокруг корней) за счет выделения протонов и органических кислот. #### Стратегия II Эта стратегия характерна для злаков. Недостаток железа индуцирует синтез фитосидерофоров – низкомолекулярных соединений, связывающих и транспортирующих железо. У злаков основными фитосидерофорами являются мугеновая кислота и ее производные. Дефицит железа также ускоряет работу транспортной системы, переносящей комплексы фитосидерофоров с Fe(III), за счет дополнительного синтеза транспортного белка YS1 (Yellow Stripe 1). #### Роль микроорганизмов Недостаток железа стимулирует синтез сидерофоров не только у растений,