CC BY
194
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2011 БИОЛОГИЯ Вып. 1
УДК 581.1:632.122.1
РОЛЬ НЕКОТОРЫХ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В МЕХАНИЗМЕ ПЕРЕКРЕСТНОЙ АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ
Л. А. Чудинова, В. И. Суворов
Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15; [email protected]; (342)2396203
Показано, что ключевым механизмом кросс-адаптации является накопление разнообразных низкомолекулярных соединений (моносахариды, пролин, полиамины), которые отличаются полифункциональностью и могут обслуживать неспецифические реакции растений на стрессоры различной природы.
Ключевые слова: низкомолекулярные протекторы (пролин, глюкоза, полиамины); гипертермия; засоление; прогрев закаливающей температурой; перекрестная адаптация.
Введение
Эксперименты по перекрестной адаптации являются убедительным доказательством функционирования общих механизмов устойчивости растений к действию различных стрессоров.
Показано, что у ряда растений тепловой шок оказывает протекторный эффект к последующему тепло-, холодо-, солевому воздействию и водному дефициту (Кузнецов и др., 1992; Таланова и др., 1993; Акимова и др., 2001).
Нами в целой серии экспериментов с разными растениями (горох, пшеница, гречиха, кукуруза и др.) было показано, что предварительный прогрев закаливающей температурой 35-37°С в течение 1.5-3 ч. снижает рост ингибирующий эффект действия последующего засоления или гипертермии (Чудинова, Суворов, Тюмина, 2005; Чудинова, Суворов, 2008, 2009). Развитие устойчивости было зафиксировано уже через 1-3 ч. Эффекты, вызываемые кратковременным нагревом растений, могут сохраняться на протяжении длительного времени (Акимова и др., 2001).
Локальное воздействие повышенной температуры только на корень индуцировало рост тепло- и солеустойчивости непрогретых листьев. Это указывает на передачу сигнала о тепловом воздействии в пространственно удаленные органы, что вызывает в них развитие неспецифических изменений, направленных на повышение общей устойчивости.
В настоящее время основное внимание уделяется изучению биохимических и молекулярногенетических аспектов устойчивости растений к неблагоприятным факторам, в частности, к одно-
временному действию высокой температуры и засоления. Имеются указания на важное значение низкомолекулярных протекторов и осмопротекторов, таких как некоторые моносахариды, аминокислоты, полиамины. Однако в этом аспекте данный вопрос исследован недостаточно.
Целью нашей работы было изучение некоторых низкомолекулярных протекторов (НМП) растений в условиях комбинированного и раздельного действия засоления и гипертермии.
Объекты и методы исследований
Объект исследований - проростки пшеницы мягкой (Triticum aestivum L.) сорта Иргина. Трехдневные проростки неделю выращивали методом водной культуры на питательной смеси Кнопа (контроль), а затем подвергали их тепловому и солевому воздействиям.
Основные варианты опытов: 1) засоление 1.0% NaCl - 3 ч.; 2) тепловая обработка закаливающей температурой (37°С) - 3 ч.; 3) гипертермия (45°С) - 3 ч.
У 12-дневных проростков в надземной части и корнях анализировали: содержание пролина - по методу L.S. Bates (Bates, Waidren, Tear, 1973), полиаминов (путресцина и спермидина) - методом тонкослойной хроматографии (Чудинов, Чудинова, Коробов, 1984), содержание глюкозы определяли по методу Бертрана. Повторность эксперимента -трехкратная.
Результаты и их обсуждение
Считается, что среди всех наиболее вероятных кандидатов на участие в развитии устойчивости
© Чудинова Л. А., Суворов В. И., 2011
растительных клеток к засолению и гипертермии является пролин, обладающий преимущественно защитной функцией. Аккумуляция пролина является одной из неспецифических реакций растений на действие различных стрессоров. Содержание этой аминокислоты возрастает в десятки и сотни раз в условиях засухи, засоления, действия высоких и низких температур и других повреждающих факторов (Кузнецов, Шевякова, 1999; Hare, Cress, Sta-den, 1999).
Сложилось мнение, что свободный пролин при стрессе - осмопротектор, обладает полифункцио-нальным биологическим эффектом, является стабилизатором макромолекул и мембран, дополнительным источником энергии и азота, антиоксидантом и др. (Кузнецов, Шевякова, 1999).
Ранее нами также была показана аккумуляция пролина в побегах и корнях гороха под влиянием высокой температуры (45°C) и засоления (Чудинова, Суворов, 2009). Как показывают данные, представленные на рис. 1, наибольшая аккумуляция пролина (в 4-5 раз по сравнению с контролем) наблюдалась при одновременном действии гипертермии и засоления. При этом предварительный прогрев закаливающей температурой незначительно менял динамику пролина.
□ Корень ■ Побег
Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4
Рис. 1. Накопление пролина в проростках пшеницы в ответ на комбинированное действие гипертермии и засоления (мг на г сухой массы):
вариант 1 - контроль; вариант 2 - гипертермия и засоление без предварительного прогрева; вариант 3 - предварительный прогрев корней (37°С 3 ч.) и последующее воздействие гипертермии и засоления; вариант 4 - предварительный общий прогрев растений (37°С 3 ч.) и последующее воздействие гипертермии и засоления
Существует мнение (Кузнецов и др., 1990), что тепловой шок сам по себе не индуцирует синтез пролина, а лишь делает растения компетентными ответить на последующее засоление накоплением данного осмолита.
Локальный предварительный прогрев корней положительно сказывается на аккумуляции проли-на в проростках пшеницы при последующем солевом и температурном воздействии, что, по-видимому, обусловлено развитием преимущест-
венно неспецифических реакций (Чудинова, Суворов, 2009).
До сих пор остается неизвестной природа рецептора, с помощью которого растительная клетка воспринимает температурный сигнал. Предполагают, что при изменении вязкости мембран может происходить открывание кальциевых каналов (Карпец, Колупаев, 2009) и активация кальций зависимых путей трансдукции сигнала в геном (Трунова, 2007). Важными интермедиатами могут быть также активные формы кислорода и продукты пе-рекисного окисления липидов.
Наши исследования показали (рис. 2), что предварительная обработка закаливающей температурой приводила к значительному возрастанию содержания глюкозы, особенно при высокой напряженности стрессового воздействия (вар. 4). Небольшое изменение количества глюкозы наблюдалось при монодействии засоления и гипертермии (вар. 5 и 6), однако при совместном действии этих стрессоров содержание глюкозы резко снижалось (вар. 7).
Варианты
Рис. 2. Содержание глюкозы в проростках пшеницы (мг на г сырой массы):
1 - контроль; 2 - 37°С и засоление; 3 - 37°С и гипертермия; 4 - 37°С с последующей гипертермией и засолением; 5 - засоление; 6 - гипертермия; 7 - гипертермиия и последующее засоление
Повышенный уровень глюкозы у опытных растений может выполнять важную протекторную роль и наряду с другими факторами позволяет растениям сохранить достаточную интенсивность роста в условиях стресса. Этому способствуют такие свойства моносахаридов, как способность повышать стабильность биомембран путем формирования слабых взаимодействий с кислородными атомами фосфатов фосфолипидов, их антиденатура-ционное влияние на белки и антиоксидантное действие (Карпец, Колупаев, 2009). Накапливающиеся углеводы могут также обеспечивать поддержание осмотического статуса, не оказывая вредного влияния на ферменты и мембраны (Кафи, Стюарт, Борланд 2003). С недавних пор, помимо протекторных
Роль некоторых соединений в механизме перекрестной адаптации растений
19
функций, некоторым углеводам отводят и сигнальную роль (Rolland, Sheen, 2005).
В настоящее время полиамины (путресцин, кадаверин, спермидин, спермин) рассматриваются в качестве низкомолекулярных мультифункциональ-ных регуляторов физиологических процессов, как новый класс вторичных посредников, а также маркеров центров с высокой метаболитической активностью. Установлено, что полиамины участвуют в дистанционной передаче стрессорного сигнала у растений (Ozturk, Demir, 200З; Кузнецов, Радюки-на, Шевякова, 200б).
Проведенный нами анализ содержания полиаминов в проростках пшеницы (рис. З) показал значительное увеличение их количества при засолении и некоторое снижение в условиях гипертермии. Предварительный прогрев проростков закаливающей температурой способствовал поддержанию повышенного уровня полиаминов. Возможно, что это определяется высокой активностью их синтетических ферментов - декарбоксилаз, которые характеризуются сильной индуцибельностью.
0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0
:МН
1
2
3
4
5
□ Путресцин ■ Спермидин
Рис. 3. Содержание полиаминов в проростках пшеницы (М-7 на г сух. массы):
1 - контроль; 2 - засоление; 3 - закаливающая температура (37°С, 3 ч.) и последующее засоление; 4 - гипертермия; 5 - (37°С, 3 ч.) и последующая гипертермия
В целом, полученные нами результаты и данные в литературе дают основание считать, что ключевым механизмом кросс-адаптации является накопление разнообразных низкомолекулярных соединений, которые отличаются полифункциональностью и могут обслуживать неспецифические реакции растений на стрессоры различной природы. Активность ферментов, ответственных за накопление низкомолекулярных протекторов, может возрастать в результате изменения экспрессии, кодирующих их генов под влиянием вторичных мессенджеров (АФК, ионов кальция) или стрессовых гормонов (абсцизовой и салициловой кислот, этилена).
Синтез стрессовых белков также относится к малоспецифическим реакциям, поскольку одни и те же стрессовые белки накапливаются при гипер- и
гипотермии, засолении, засухе и др. факторах, а изменение экспрессии генов стрессовых белков вызывают одни и те же посредники, в частности АФК (Суворов, Чудинова, 2009). Главная функция всех стресс-белков - это защита структуры функциональных белков, что важно при различных повреждениях. В то же время синтез определенных групп стресс-белков (например, поздних БТШ) может быть достаточно специфической реакцией на определенный фактор. В процессе адаптации соотношение между неспецифическими и специфическими реакциями изменяется в пользу последних.
Библиографический список
Акимова Т.В. и др. Повышение теплоустойчивости листьев при локальном прогреве проростков // Физиол. раст. 2001. Т. 48, № 4. С. 584-588. Карпец Ю.В., Колупаев Ю.Е. Ответ растений на гипертермию: молекулярно-клеточные аспекты // Вестн. Харьков. нац. аграр. ун-та. Сер. биология. 2009. Вып. 1 (16). С. 19-38.
Кафи М., Стюарт В.С., Борланд А.М. Содержание углеводов и пролина в листьях, корнях и апексах пшеницы, устойчивых и чувствительных к засолению // Физиол. раст. 2003. Т. 50, № 2. С. 174-182.
Кузнецов Вл.В. и др. Общие системы устойчивости хлопчатника к засолению и высокой температуре: факты и гипотезы // Физиол. раст. 1990. Т. 37, № 5. С. 987-996.
Кузнецов Вл.В. и др. Стрессовые белки и фитогормоны при адаптации растений Cucumis sativus L. к почвенной засухе // Докл. АН СССР. 1992. Т. 322. С. 204-207.
Кузнецов Вл.В., Радюкина Н.Л., Шевякова Н.И. Полиамины при стрессе: биологическая роль, метаболизм и регуляция // Физиол. раст. 2006. Т. 53, № 5. С. 658-683.
Кузнецов Вл.В., Шевякова Н.И. Пролин при стрессе: биологическая роль, метаболизм, регуляция // Физиол. раст. 1999. Т. 46, № 2. С. 321-336. Суворов В.И., Чудинова Л.А. Влияние раздельного и комбинированного действия гипертермии и засоления на активность некоторых антиокси-дантных ферментов в проростках гороха // Экология в высшей школе: синтез науки и образования: материалы Всерос. науч.-практ. конф. Челябинск, 2009. Ч. 1. С. 115-118.
Таланова В.В. и др. Раздельное и комбинированное действие засоления и закаливающих температур на растения // Физиол. раст. 1993. Т. 40, № 4. С. 584-588.
Трунова Т.И. Растение и низкотемпературный стресс. М.: Наука, 2007. 55 с.
Чудинов А.А., Чудинова Л.А., Коробов В.П. Метод определения низкомолекулярных олигоаминов
в различном биологическом материале // Вопр. мед. химии. 1984. Т. 30, вып. 4. С. 127-132.
Чудинова Л.А., Суворов В.И., Тюмина Е.Н. Влияние раздельного и комбинированного действия засоления и гипертермии на полиаминсинтези-рующую систему проростков кукурузы // Вестн. Перм. ун-та. 2005. Вып. 6. Биология. С. 71-73.
Чудинова Л.А., Суворов В.И. Влияние гипертермии на устойчивость проростков растений к последующему засолению // Материалы регион. на-уч.-практ. конф. «Проблемы экологии и экологического образования Уральского Федерального округа». Челябинск, 2008. С. 120-125.
Чудинова Л.А., Суворов В.И. Влияние предварительного прогрева на аккумуляцию пролина в проростках гороха при последующем засолении и гипертермии // Ботанические исследования на
Урале: материалы регион. науч. конф. Пермь, 2009. С. 377-380.
Bates L.S., Waidren R.P., Tear J.D. Rapid determination of free proline for water stress studies // Plant and soil. 1973. Vol. 39, № 1. P. 205-210.
Hare P.D., Cress W.A., Staden J.V. Prolin synthesis and degradation: a model for elucidating stress-related signal transduction // J. Exp. Bot. 1999. Vol. 50. Р. 413-434.
Ozturk L., Demir Y. Effects of putrescine and ethephon on some oxidative stress enzyme activates and prolin content in stressed spinach leaves // Plant Growth Regul. 2003. Vol. 40. Р. 89-95.
Rolland F., Sheen J. Sugar sensing and signalling networks in plants // Biochemical Society Transaction. 2005. Vol. 33. Р. 269-271.
Поступила в редакцию 12.11.2010
Role of some low-molecular compounds in the mechanism of cross adaptation of plants
L. A. Chudinova, candidate of biology, associate professor V. I. Suvorov, candidate of biology, associate professor
Perm State University. 15, Bukirev str., Perm, Russia,614990; [email protected]; (342)2396203
The accumulation of various low-molecular compounds (monosaccharides, proline, polyamines) which differ polyfunctionality is a mechanizm of cross-country-adaptation and can by nonspecific reactions of plants on stressors the various nature.
Key words: low-molecular protectors (proline, glucose, polyamines); hyperthermia; salinity; warming up in the tempering temperature; cross adaptation.
Чудинова Лариса Алексеевна, кандидат биологических наук, доцент
Суворов Василий Иванович, кандидат биологических наук, доцент ГОУВПО «Пермский государственный университет»
