CC BY
24
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, БИОТЕХНОЛОГИЯ, МИКРОБИОЛОГИЯ
Известия ТСХА, выпуск 4, 2009 год
УДК 577.114:546.027:576.343
О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА УГЛЕРОДА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПУТЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ УГЛЕВОДНЫХ ФОНДОВ РАСТЕНИЙ И ИХ РОЛИ В МЕТАБОЛИЗМЕ
A.A. ИВЛЕВ, И.Г. ТАРАКАНОВ, A.C. ПИНАЕВ
(Кафедра неорганической и аналитической химии, кафедра физиологии растений)
Известны три пути образования углеводных фондов в растения х. Обосновываются разные функции этих фондов в метаболизме. Предлагается исследовать эти вопросы на примере пшеницы. Особый интерес представляет исследование фонда, ответственного за формирование колоса. Обсуждаются экспериментальные возможности исследования.
Ключевые слова: пшеница, продуктивность, фотосинтез, изотопное фракционирование углерода.
Углеводы я вля ются основными первичными фотоассимиля тами в растения х. Известно, что их синтез происходит в цикле Кальвина на свету, а сами они используются как источник углерода в последующих биосинтетических процессах и для обеспечения энергетики метаболизма. Однако, кроме этих общих утверждений, немногое известно о т ом, какие углеводные фонды возникают в растительной клетке, сколько их и каково назначение. Одними из первых предположение о существовании различных фондов углеводов в клетке выдвинули авторы [5], основываясь на суточном изотопном балансе листа С3-САМ растения Clusia minor, из которого следовало существование углеводов с отличающимс изотопным составом. Однако общеприн та модель изотопного фракционировани со стационарными потоками углеродных субстратов (балансовая модель) [8] не смогла объя снить их поя вление [10]. Новые возможности открылись с соз-
данием колебательной модели метаболических процессов в клетке [1—3]. Модель, основанная на реальной биохимии растительной клетки, не только указала на пути возникновения углеводов с разным изотопным составом, но и на возможное специфическое использование соответствующих углеводных фондов [2].
В настоя щей статье, опирая сь на вышеуказанную модель и на имею-щиес литературные данные по изотопному составу углерода метаболитов, делается попытка свя зать разные пути образовани углеводных фондов с их назначением, а также обосновать постановку работы по изучению роли резервных углеводных фондов растений пшеницы с формированием колоса и их возможную свя зь с продуктивностью.
В соответствии с колебательной моделью клеточного метаболизма углеводы в клетках растений образуютс тремя путя ми [1]. Два из них свя за-ны с фотосинтезом, один — с функ-
ционированием гликолитической цепи. Фотосинтез рассматривается как колебательный процесс, состоящий из двух фаз, в каждой из которых образуются углеводы.
В карбоксилазной фазе (рис. 1), отвечающей функционированию ключевого фермента фотосинтеза — Руби-ско в качестве карбоксилазы, образуется углеводный фонд, служащий дл питани углеродными субстрата-
ми гликолитической цепи в темновой период. Углеводы этого фонда, как и вся биомасса, обогащены легким изотопом 12С благодар изотопному эффекту в реакции ферментативного карбоксилировани РиБФ при фиксации СО2. Обогащенность фонда изотопом 12С подтверждается «легким» изотопным составом углерода липидных и белковых компонентов, для которых фонд вл етс источником углерода.
Рис. 1. Схема функционирования цикла Кальвина в карбоксилазную фазу (Кружочком отмечен узел фракционирования изотопов углерода в реакции карбоксилирования РиБФ)
В оксигеназной фазе, отвечающей соответствующей функции Рубиско, образуютс углеводные фонды с гораздо более «тя желым» (обогащенным изотопом 13С) изотопным составом.
Изотопное утяжеление происходит благодаря изотопному эффекту, возникающему в глициндегидрогеназной реакции гликолатного цикла, сопря-женного с циклом Кальвина (рис. 2).
Рис. 2. Схема функционирования цикла Кальвина в оксигеназную фазу (Кружочком отмечен узел фракционирования изотопов углерода в реакции декарбоксилирования глицина)
Источником углерода, снабжающего гликолатную цепь, является оставшаяся часть фонда глюкозы (Г6Ф), после того как друга его часть была использована на создание резервного фонда гликолитической цепи. В окси-геназную фазу глюкоза фонда превращается в сахарозу, которая, являясь одновременно главной транспортной формой [4], используется на создание фондов отдельных углеводов, точное назначение которых пока еще не вполне сно. Часть глюкозы тратитс на образование органических кислот, часть на образование фондов продуктов фотодыхани .
Третий путь синтеза углеводов связан с функционированием глико-литической цепи клетки. В ней также происход т колебани с изменением направлени потоков углеродных субстратов. При гликолизе, протекающем в темновой период функционирования цепи, поток углеводов из резервного фонда, образованного в карбоксилаз-ную фазу работы цикла Кальвина, идет «вниз» по гликолитической цепи. При этом углеводы последовательно превращаютс в липидные и белковые компоненты (рис. 3). В ходе гликолиза в пируватдегидрогеназной реакции возникает изотопный эффект, в результате которого липиды обогащаютс «легким», белки — «тя желым» изотопом углерода относительно углерода углеводов, питающих гликолитиче-скую цепь.
В фазу глюконеогенеза, совпадающую со световым периодом фотосинтеза, углеродный поток идет «вверх». Он снабжается продуктами деструкции преимущественно липидов, но частично и белков. При этом происходит ресинтез углеводов. Эти углеводы используются на образование углеводной части полинуклеотидных цепей, на синтез акцептора СО2 в цикле Кальвина и есть основание полагать, что из глюкозы ресинтеза образуютс так называемые фонды роста у деревьев [6, 7]. Они помогают растения м
поддерживать свой функциональный статус в осенне-зимний период, а в начале нового вегетационного периода снабжают растения субстратом, обеспечива рост побегов и листьев (хвои).
Все три фонда углеводов имеют разный изотопный состав углерода. Наиболее «тяжелый» изотопный состав углерода имеют углеводы, синтезируемые в оксигеназной фазе фотосинтеза, по степени обогащенности изотопом 12С, за ними идут углеводы, синтезируемые в карбоксилазной фазе фотосинтеза, наиболее «легкими» являются углеводы ресинтеза. Изотопный состав последних определ -етс (в пределе) изотопным составом липидов — самой «легкой» фракции биомассы. Поскольку потоки, образуемые фондами углеводов, свя заны с различными пут ми метаболизма, и в клеточной организации разнесены во времени и пространстве (по разным компартментам), поя вля ется возможность, используя различия в изотопном составе углерода углеводов и метаболитов, исследовать источник образования тех или иных фондов и их назначение.
Известно, что в стеблях и клетках паренхимы пшеницы и сахарного тростника имеютс резервные фонды растворимых углеводов [4, 9]. Причем утверждается [9], что фонд из стебля пшеницы ответственен за формирование колоса, а качественный и количественный состав сахаров характеризует генотип пшеницы. В этой свя зи выделение данного фонда из стебл пшеницы и изучение изотопного состава углерода углеводов на разных этапах онтогенеза может дать ценную информацию о динамике формирования колоса, особенно в сопоставлении с изотопным составом зерновок. Знание, как и когда возникает углеводный фонд, влия ющий на формирование колоса, даст в руки иссле-довател инструмент воздействи на урожайность пшеницы.
Рис. 3. Схема функционирования гликолитической цепи в темновую стадию при гликолизе (сплошные линии), в световую стадию при глюконеогенезе (штриховые линии). (Кружочек, обозначенный пунктирной линией, отмечает узел фракционирования изотопов углерода в реакции декарбоксилирования пирувата на разных стадиях исчерпывания фонда субстрата)
Библиографический список
1. Ивлев A.A. Изотопные эффекты углерода и клеточные механизмы углеродного метаболизма в фотосинтезирующей клетке. М.: РГАУ - MCXA, 2008.
2. Ивлев A.A. Изотопный эффект в глициндегидрогеназной реакции — причина внутримолекуля рной изотопной неоднородности углерода глюкозы крахмала, синтезируемого при фотодыхании // Биофизика, 2005. Т. 50. № 6. C. 1079-1086.
3. Ивлев А.А. О потоках «лёгкого»и «тяжёлого»углерода при сопряжении фотосинтеза и фотодыхания // Физиология растений, 1993. Т. 40. С. 872-880.
4. Курсанов А.Л. Транспорт ассимилятов в растении. М.: Наука, 1976.
5. Borland A.M., Griffiths H., Broadmeadow M.S., Fordham M.C., Maxwell C. Carbon Isotope Composition of Biochemical Fractions and the Regulation of Carbon Balance in Leaves of the C3-Crassulenean Acid Metabolism Intermediate Clusia minor L. Growing in Trinidad // Plant Physiol., 1994. V. 105: P. 493-501.
6. De Wit C.T., Brower R., Penreing de Vries F.W.T. The simulation of photosynthetic systems // Prediction and measurement of photosynthetic productivity. Wageningen: Pudoc, 1970. P. 47-70.
7. De Wit C.T., Gouderian J. Simulation of ecological process. Wageningen: Pudoc, 1974.
8. Farquhar G.D., O’Leary M.H., Berry J.A. On the relationship between carbon isotope discrimination and intercellular carbon dioxide concentration in leaves // Aust. J. Plant Physiol., 1982. V. 9. P. 121-137.
9. Ruuska S. A.,Rebetzke G. J, van Herwaarden A. F., Richards R. A , Fettell Neil A., Tabe L., Jenkins C. L. D. Genotypic variation in water-soluble carbohydrate accumulation in wheat // Funct Plant Biology, 2006. V. 33. N 9. P. 799-809.
10. Tcherkez G., Farquhar G., Badeck F., Ghashghaie J. Theoretical consideration about carbon isotope distribution in glucose of C3-plants // Funct. Plant Biol., 2004. V. 31. P. 857-877.
Рецензент — д. х. н. Н.М. Пржевальский
SUMMARY
Results of Vivi parous-1 gene allele condition analysis of two series of spring triticale sister lines, obtained by selecting both stable and unstable plants is F3, are provided in the article. It has been discovered that in lines — progeny of unstable forms — most plants — 83/3% have Vp-1Ba allele. Among lines — progeny of stable plants 35% lines are characterized by Vp-1Bc allele presence, 45% — Vp-1Ba allele presence, 25% are heterozygotes according to this gene, which is probably due to dominant resistance nature and selection in F3 along with homozygotes of heterozygotes in accordance with this gene. The results obtained are evidence of STS-marker Vp-1B likely use in selection of resistance to on root germination in triticale.
Key words: triticale, germination on root, substitutions of chromosomes, STS-marker, selection with molecular markers (MAS) use.
Ивлев Александр Андреевич — д. б. н., РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева. Тел. 976-16-28. Эл. почта: [email protected]
Тараканов Иван Германович — д. б. н., РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева. Тел. 976-20-54.
Пинаев Александр Сергеевич — асп. кафедры неорганической и аналитической химии РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева.
