Процесс накопления и отложения лигнина в клеточных стенках

В настоящее время появляются все новые работы по изучению процес­сов образования лигнина в древесине и отложения его в клеточных стенках древесных и других растительных волокон. Путем тщательных и остро­умных экспериментов освещаются вопросы о химической природе про­межуточных веществ, из которых лигнин образуется, а также о том, каким образом эти предшественники лигнина, присутствие которых об­наруживается в зоне камбия (в камбиальном соке), диффундируют и отлагаются в виде высокомолекулярного и нерастворимого лигнина в клеточных стенках древесных пород. Возникает также естественный вопрос, не образуются ли предшественники лигнина внутри самих древес — неющих клеток?

Первые наблюдения в этом направлении были сделаны Класоном [21], высказавшим гипотезу об образовании лигнина хвойных пород из конифе — рилового альдегида, источником которого предполагался глюкозид к о н и — ф е р и н, открытый еще в 1874 г. Тиманом и Хаарманом в камбиальном соке сосны. Гидролиз этого вещества действием ферментов камбиаль­ного сока должен приводить к получению кониферилового спирта С6Н3-(СН=СН—СН2ОН) • (ОСН3) • (ОН) с положением заместителей 1,3,4 и глюкозы. Близость строения этого ароматического продукта к основ­ным пропилфенольным единицам (С6—С3), из которых построен высоко­молекулярный лигнин, дала в двадцатых годах возможность к некото­рому обоснованию гипотезы Класона.

Кониферин позднее был обнаружен в камбиальном соке голосеменных растений и другими авторами. Фрейденберг [17] нашел, что аналогичный кониферину другой глюкозид •— сирингин — присутствует в камбиальном соке некоторых покрытосеменных. Фрейденбергом и его сотрудниками было показано, что ферменты (глюкозидаза), способные гидролизовать кониферин, и пероксидазы, могущие превращать копифериловый спирт в лигниноподобное вещество, находятся в зоне камбия. Мечен­ный радиоактивным углеродом конифериловый спирт, введенный в кам­биальную зону, усваивается, и его можно затем обнаружить в лигнине спелой древесины. Этот результат в значительной степени поддерживал гипотезу о способности к диффузии предшественников лигнина из области камбия в прилежащие клетки ксилемы (древесины). Независимо от Фрей — денберга Кратцль [18] провел ряд опытов с меченым кониферином,[2] содер­жавшим радиоактивный углерод С14. Из радиоактивной древесины были им получены активные продукты расщепления (этанолиза) лигнина, строение которых указывало на то, что усвоенный кониферин действительно использовался и откладывался в клеточных стенках в виде лигниноподоб — ного вещества.

Гибберт считал еще в конце 30-х годов, что вещества типа конифери — лового спирта являются катализаторами растительного дыхания, окисляю­щимися и подвергающимися ряду сложных превращений (дегидратации, конденсации и полимеризации), в результате чего образуется и откла­дывается лигнин. Манская в 1948 г. выдвинула гипотезу о том, что образование лигнина в древесине происходит вследствие необратимого окисления фенольных соединений под действием окислительных ферментов: фенолоксидазы и пероксидазы [19]. Продукты этого окисления подвергаются конденсации в отмирающих клетках древесины. Манская показала, что количества пероксидазы, находимые в камбиальной зоне, меняются в течение всего вегетационного периода обратно пропорционально коли­чествам находящегося там кониферина. Из этого можно было заключить, что кониферин как бы является для перексидазы субстратом в процессе образования лигнина. Вацек и сотрудники [20] культивировали ткань луба ели в среде агар-агара, содержащей 1% кониферина, и наблю­дали его усвоение. Об этой работе, также как и об исследованиях Бардин — ской по искусственной культуре и лигнификации растительной ткани моркови в присутствии кониферина и фенил ал анина, будет сказано в гл. XX. Там же, в главе о лигнине, приведены работы Зигеля по изуче­нию искусственного образования лигнина из ароматических соединений типа эвгенола, наблюдения Корчемкина, исследования Норда и его сотруд­ников, а также работы Сергеевой и Крейцберг по искусственному введе­нию в древесину тополя радиоактивных моносахаридов (см. гл. XX). При­рода предшественников лигнина тесно связана с биогенезисом аромати­ческих веществ в растениях. Уордроп считает на основании своих опы­
тов по кольчатому окорению древесного ствола, что эти вещества возни­кают в зоне меристемы [3] или внутри самих лигнифицирукицихся клеток.

Первые следы лигнификации клеточных стенок обнаруживаются, по данным Уордропа, непосредственно после завершения роста поверхности обособляющейся молодой клетки, при начале образования ее вторич­ной стенки. На рис. 20 видно, что лигнин прежде всего можно различить не в межклетном слое, а в первичных стенках, в местах, ближайших к угловым утолщениям межклетного вещества.

Лигнификация затем распространяется в межклетный слой (средин­ную пластинку) и по всей первичной стенке. Утолщение клеточной стенки

(синтез углеводов) и отложение лигнина яв­ляются как бы почти одновременно идущими процессами, но, как видно из рис. 21, лигнификация заметно отстает от синтеза целлюлозы и других полисахаридов.

На рис. 21, взятом из работы Уордропа, показаны серии клеток хвойной древесины, последовательно удаляющихся от камбия по направлению к центру ствола. В верхней части рисунка клетки видны на темном фоне, так как они были сфотографированы при рассматривании в поляризационном микро­скопе со скрещенными николями. В нижней части для сравнения помещены фотографии тех же рядов клеток в ультрафиолетовом свете, показывающем вследствие большой его абсорбции лигнином хорошо видимые отло­жения последнего в различных частях кле­точных стенок. На рис. 21 видно, что в клет­ках 10 и 11 слой уже вполне образовался, но лигнификацию можно наблюдать только в углах клеток. В клетках 31 и 32 отложе­ние лигнина (потемнение) уже распростра­нилось на межклетный слой, первичную стенку, слой sx, но только отчасти на слой s2. В начале образования слоя s3 (клетки 39 и 40) лигнификация слоя s2 еще выражена неполно, и только в клетках 44 и 45 процесс оказался закончен­ным в слое S2 и лигнификация распространилась на внутренний слой S3.

Процесс накопления и отложения лигнина в клеточных стенках

Рис. 20. Поперечный срез через группу неспелых клеток сосны (Pinus ra­diata), сфотографированный в ультрафиолетовом свете, показывающий начало лиг­нификации в углах клеток (по Уордропу) [4].

Параллельные определения пероксидазы показали Уордропу, что последняя присутствовала в тех областях клеток, в которых еще от­сутствовал лигнин. Например, в сосне Pinus Radiata, пероксидаза присутствовала лишь в зоне камбия и частично обособленных новых клеток, а также в сердцевинных лучах и смоляных ходах спелой дре. весной ткани (ксилемы).

Вопрос о том, в каких частях древесных растений возникают исход­ные ароматические фенольные вещества, из которых формируется природ­ный лигнин, продолжает весьма интересовать исследователей. До сего времени нельзя вполне определенно утверждать, что предшественники лигнина возникают в зоне камбия и затем диффундируют к лигнифици — рующимся слоям клеток. Некоторые авторы полагают, что необходимые
для синтеза лигиина вещества возникают в самих лигнифицирукяцихся клетках. Уордроп видит возможность примирения этих двух различных гипотез. На основании всего имеющегося экспериментального материала, по его мнению, можно принять, что исходные вещества образуются в зоне камбия и оттуда диффундируют в направлении к центру, синтез же слож­ного вещества лигнина из мономерных единиц, может быть, осуществляется внутри цитоплазмы (клеточной плазмы). Указанный автор подчеркивает,, что отложение лигнина в клеточных стенках представляет жизнен­ный процесс, коренным образом отличающийся, например, от пассив-

Процесс накопления и отложения лигнина в клеточных стенках

Рис. 21. Сравнительные фотографии, полученные в ультрафиолетовом свете и со скрещенными николями, показывающие отношения между формированием клеточных стенок и прогрессом процесса лигнификации. Числа относятся к номерам клеток, отсчитанных от камбия. Увели — нение X ^30 (по Уордропу) |4].

Ного процесса импрегнации (пропитывания) ядерными веществами мертвых древесных тканей при образовании ядра у древесных пород.

Мертвая клетка, лишенная клеточного содержимого, не может под­вергаться процессу лигнификации. Вместе с тем клетка, имеющая одре­весневшую оболочку, не всегда теряет протопласт. В таких тканях, как древесная паренхима и сердцевинные лучи, одревеснение стенок не лишает клетки их жизнедеятельности. В других тканях, как например в сосудах, формирование одревесневшей оболочки заканчивается гибелью прото­пласта [22].

Выше уже говорилось, что нелигпифицированная целлюлоза обнару­живает сильный дихроизм после окрашивания раствором хлорцинкйода или конго красным красителем, в то время как лигнифицированные цел­люлозные волокна оказываются монохроичными и окрашенными в бурый цвет. На основании этого Уордроп указывает, что лигнин в древесных волокнах, по-видимому, находится в тесной связи с целлюлозной струк­турой. В лигнифицированных клетках глубокое проникновение дихроич — ных красителей невозможно, по-видимому, потому, что тонкие простран­ства, в которые могла бы проникать краска, заняты лигнином. Кристал­лики восстановленного золота, образующиеся в пропитанных раствором хлорного золота клеточных стенках, оказываются меньшего размера в лигнифицированных волокнах по сравнению с волокнами нелигнифи — цированными. Согласно мнению Уордропа, лигнификация древесины может отчасти рассматриваться как процесс стабилизации объема дре­весины в природных условиях. Выдвигая предположительную гипотезу о частичном проникновении лигнина внутрь микрофибрилл целлюлозы, автор отмечает, что подобное внедрение может влиять на химическую реакционную способность кристаллической части целлюлозы.

Соображения о существовании непосредственной связи лигнина со скелетным веществом клеточных стенок, целлюлозой, не должны, однако, ставить в тень химические исследования о несомненной и тесной связи лигнипа с частью гемицеллголоз. Этот вопрос обсуждается в главе о лигнине (гл. XX). Постепенное отложение лигнина в клеточных стенках приводит к изменению их свойств. Это особенно проявляется в реакциях окрашивания, которые, по современным взглядам, не опре­деляют местоположения (локализации) тех или иных химических состав­ных частей в клеточных стенках, но как бы отражают физическую струк­туру последних (Уордроп). Эффект окрашивания дихроичным или мета — хромными красителями зависит от проникновения их в нелигнифициро — ванные клеточные стенки и от ориентированной фиксации мицелл красителей в междумицеллярных пространствах целлюлозы.

Наблюдения Керра и Бэйли [3], показали, что, например, рутениевым красным окрашиваются не только пектины, но и другие вещества клеточ­ных стенок, содержащие свободные карбоксильные группы. Другими авторами было показано, что для древесных тканей обыкновенной сосны окраска рутениевым красным слабеет по мере усиле­ния лигнификации. Отсюда делается вывод, что лигнин, по-видимому, связан и с нецеллюлозными «полиуронидными» веществами клеточных стенок (см. гл. XX), свободные карбоксильные группы которых связаны по типу сложных эфиров с лигнином. Гидролиз древесных тканей, рас­щепляя эти связи, увеличивает окраску рутениевым красным. В про­цессе искусственного отложения лигниноподобного вещества из эвгенола окраска клеток рутениевым красным и конго красным заметно ослабляется, из чего можно предположить, что искусственный лигнин из эвгенола также способен блокировать карбоксильные группы уроновых кислот, находящихся в клеточных стенках.

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить отзыв