CC BY
11DOI https://doi.org/10.47612/1999-9127-2022-33-38-46 УДК 577.218; 577.355.3
Т. Г. Курьянчик, Н. В. Козел
ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ И СОДЕРЖАНИЕ СТРУКТУРНЫХ БЕЛКОВ ФОТОСИСТЕМ В ЛИСТЬЯХ ЯЧМЕНЯ В УСЛОВИЯХ ПОЧВЕННОЙ
ЗАСУХИ
Государственное научное учреждение «Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси» Республика Беларусь, 220072, г. Минск, ул. Академическая, 27 e-mail: t.kuryanchyk@gmail.com
Показано существенное влияние почвенной засухи на экспрессию генов (psaA, psaB, lhca2, psbA, lhcb1, lhcb4), кодирующих ключевые структурные белки реакционных центров (РЦ) и светособирающих комплексов (ССК) фотосистем (ФС) в листьях растений ячменя. Наблюдаемое в условиях засухи изменение уровня экспрессии генов светозависимое: при нормальной освещенности происходит значительное увеличение экспрессии генов lhcb1 (в 1,6 раз), psaA (в 1,8 раз) и psaB (в 2,5 раз), кодирующих белки ФС I и II, а при низкой, наоборот, наблюдается снижение экспрессии генов, кодирующих белки ФС II (psbA, lhcb1, lhcb4) и белок А (psaA) РЦ ФС I. Установлено, что в условиях засухи многократно увеличивается экспрессия гена SOD3, кодирующего хлоропластную изоформу антиоксидантного фермента супероскиддисмутазы (СОД) — Fe-СОД. Полученные данные указывают на индукцию засухой окислительного стресса в хлоропластах листьев растений ячменя.
Ключевые слова: экспрессия генов, ячмень, почвенная засуха, абиотический стресс, фотосинтез, белки фотосистем, СОД.
Введение
В связи с глобальным изменением климата в настоящее время дефицит воды является одним из основных экологических стрессовых факторов, который негативно влияет на урожайность сельскохозяйственных культур во всем мире и признан серьезной проблемой, угрожающей мировой продовольственной безопасности. Стресс, индуцированный засухой, вызывает изменения физиологических, морфологических, биохимических и молекулярных признаков растений, развивающихся параллельно [1], что отрицательно сказывается на росте и развитии последних. При этом многие растения в ответ на стрессовые воздействия окружающей среды развили различные механизмы, при помощи которых увеличивается их устойчивость. Однако эти механизмы являются компонентами сложных сигнальных путей, запускаемых какими-либо неблагоприятными внешними воздействиями, и зависят от вида, сорта растений, а также интенсивности, продолжительности и скорости развития стресса [2]. Поэтому сегодня большое значение имеет разработка перспективных страте-
гий получения культур, способных адаптироваться и переносить дефицит воды и в то же время достигать максимальной урожайности в этих стрессовых условиях.
Реакция растений на недостаток воды включает в себя очень сложную сеть, состоящую из множества путей, которые взаимосвязаны друг с другом на многих уровнях, что приводит к адаптации к стрессовым условиям окружающей среды [3]. В ответ на засуху растения частично или полностью закрывают устьица, тем самым ограничивая транспирацию воды из клеток [4]. Этот процесс является наиболее быстрым водосберегающим механизмом, который происходит за счет ограничения ассимиляции С02, что чрезвычайно важно для производства органического вещества — крахмала, в процессе фотосинтеза [5-6]. Следовательно, более медленная или ингибирован-ная ассимиляция С02 уменьшает скорость фотосинтеза — ключевого процесса первичного метаболизма растительной клетки, и негативно влияет на активность ФС за счет образования активных форм кислорода (АФК), которые ингибируют восстановление ФС II
[7]. Ранее нами было показано, что в растениях ячменя засуха индуцирует окислительный стресс через ^О^независимый механизм [8]. Это указывает на инициацию окислительного стресса по пути образования синглетного кислорода 0О2), а не супероксидного радикала, являющегося предшественником H2O2. В связи с этим можно предположить, что хлоропла-сты играют ключевую роль в развитии окислительных процессов в растениях ячменя при засухе. Наиболее вероятным механизмом индукции окислительного стресса в таких условиях может быть запуск пигментами-фотосенсибилизаторами в хлоропластных мембранах фотодинамических реакций второго типа [9].
Ячмень (Hordeum vulgare L.) занимает четвертое место по производству зерновых культур во всем мире после кукурузы, риса и пшеницы. Он широко используется в качестве корма для животных, а также в качестве сырья для солода и последующего производства пива. Ячмень также становится ценным компонентом здорового питания благодаря высокому содержанию в нем бета-глюкана. К тому же эта культура хорошо приспособлена к экстремальным условиям окружающей среды и, таким образом, может служить модельным объектом для понимания и изучения ответных реакций растений на изменения климата [10]. Одним из возможных способов повышения урожайности ячменя в неблагоприятных климатических условиях является оптимизация его фотосинтетической активности, регуляция которой генетически детерминирована [11].
Целью данной работы являлось изучение влияния почвенной засухи на экспрессию генов, кодирующих ключевые структурные белки РЦ и ССК ФС, а также содержание отдельных структурных белков ФС в листьях растений ячменя. Исследования проводили при культивировании растений в условиях разной освещенности для оценки роли хлоропластов в стрессовом ответе. В качестве маркеров окислительного стресса, индуцированного засухой, в листьях растений ячменя анализировали уровни экспрессии генов, кодирующих изоформы антиоксидантного фермента СОД, локализованные в разных компартментах клетки.
Материалы и методы
В качестве объекта исследования в данной
работе использовали зеленые проростки ячменя (Hordeum vulgare L.) сорта Аванс, выращенные в строго контролируемых лабораторных условиях в режиме 14 ч света (нормальная интенсивность 6 000 люкс, низкая — 2 000 люкс) и 10 ч темноты под люминесцентными лампами Philips TD-36/765 при температуре 23 ± 1 °С и относительной влажности воздуха 35 ± 2% в нормальных условиях (ежедневный полив водопроводной водой из расчета 25 мл воды на 300 г влажного грунта) и при засухе (растения не поливали с момента посадки в почву). Семена растений ячменя предварительно проращивали на пластиковых асептически обработанных сетках при 23 ± 1 °С в течение 1 сут. Затем отобранные по размеру корней семена высаживали в сосуды, заполненные 300 г влажного почвогрунта «Восторг» (ООО «Ка-рио», Беларусь). Варианты эксперимента были следующими: «Контроль» (растения, выращенные в почве с поливом при нормальной интенсивности освещения); «Засуха» (растения, выращенные в почве без полива при нормальной интенсивности освещения); «Н2О + LL» (растения, выращенные в почве с поливом при низкой интенсивности освещения, low light); «Засуха + LL» (растения, выращенные в почве без полива при низкой интенсивности освещения).
Для определения уровня экспрессии генов, кодирующих белки ФС и изоформы СОД, из листьев растений ячменя выделяли общую РНК с помощью реагента TRItidy G™ (AppliChem, Германия) по протоколу фирмы. Для получения кДНК на матрице РНК использовали реакцию обратной транскрипции с применением обратной транскриптазы вируса мышиной лейкемии Молони. Синтез проводили по стандартному протоколу фирмы с помощью набора реагентов ProtoScript II Reverse Transcriptase (BioLabs, США) в амплификато-ре MJ Mini (Bio-Rad, США).
Расчет и дизайн праймеров, специфичных к генам, кодирующим основные структурные белки ФС и изоформы СОД растений ячменя, а также гена-нормализатора actin, проводили самостоятельно, используя последовательности мРНК выбранных генов, найденных в базе данных NCBI Nucleotide. Праймеры подбирали с наименьшим количеством шпилек, дуплексов, оптимальным соотношением GC-пар и минимальным различием в темпе-
ратурах плавления. Праймеры для гена-нормализатора ubiq (убиквитин) взяты из литературного источника [12]. Подобранные праймеры (табл. 1) были синтезированы ОДО «Праймтех» (Беларусь) (асйи, ¡ИсЬ1, SOD2), АО «ГенТерра» (Россия) рЬА, !ИсЬ4, psaA,
psaB, SOD1, SOD3), ООО «Синтол» (Россия) (lhca2, ubiq).
Полимеразную цепную реакцию проводили в режиме реального времени (ПЦР-РВ) с использованием набора реагентов для проведения ПЦР-РВ в присутствии EVA Green (Син-
Таблица 1
Праймеры для генов, кодирующих основные структурные белки ФС и изоформы СОД
в листьях растений ячменя
Ген Последовательность олигонуклеотида, 5' ^ 3' Длина продукта, п. н. Температура отжига праймеров, °С Количество циклов
actin F-TCGTTTGGATCTCGCTGGTC R-TGAGGAGCTGTTCTTGGCAG GeneBank: XM_045114375.1 176 53,9 40
ubiq F-GCAAGTAAGTGCCTGGTCATGA R-ACAACCAGACATGCTCCAACCT [12] 97 53,9 40
psbA F-GTTTCCGTCTGGGTATGCG R-TGTTGTGCTCTGCCTGGAAT GeneBank: XM_045107918.1 174 60 40
psaB F-CACATTATGGCAGGGCAACG R-AGAACATCCAAGCCCATACCG GeneBank: XM_045107913.1 155 58,3 40
psaA F-AACGGGAACTCCGAGCAAAT R-GCTCCTGGTGCAACAACAAG GeneBank: XM_045107864.1 193 58,3 40
lhcb1 F-CACAGAGCATCCTCGCCATC R-AGGCGTCCGTTCTTGATCTC GeneBank: XM_045127826.1 196 53,9 40
lhcb4 F-CTCCTACTTCGACCCGCTG R-AGGTGTCGAAGATGGTGGTG GeneBank: XM_045109424.1 200 56,3 40
lhca2 F-GAGACTTCGGCTTTGACCCA R-CGTGTTGAGGATGCCGATCT GeneBank: X84308.1 155 57,0 40
SOD1 F-GGCGACCTGGGAAACATACA R-AACAACAACTGCCCTTCCCA GeneBank: XM_045126450.1 114 52,0 40
SOD2 F-ACCTCATGGCAAACTTGGCT R-TGGTCACAAGAGGGTCCTGA GeneBank: XM_045112462.1 182 59,4 40
SOD3 F-TCTGGTTGGGTTTGGCTTGT R-TGTTCGTCTGTCGTCCTTGT GeneBank: XM_045105431.1 162 63,9 45
Примечание. асШ — актин, иЫд — полиубиквитин, psbA — D1-белок РЦ ФС II, psaB — В-белок РЦ ФС I, р&'сА — А-белок РЦ ФС I, 1НсЬ1 — белок внешней антенны ФС II, 1НсЬ4 — минорный белок антенны ФС II, Шса2 — белок ССК ФС I, SOD1 — изоформа Си/гп-СОД, SOD2 — изоформа Мп-СОД, SOD3 — изоформа Fe-СОД. Курсивом указан анализируемый ген, через знак «—» указано название белка, который кодирует ген
тол, Россия) на амплификаторе C1000 Touch c оптическим модулем CFX96 Touch (Bio-Rad, США). Реакционная смесь содержала 1 мкл dNTP 2,5 мМ, 1 мкл 10х ПЦР буфера Б, 1 мкл MgCl2, 10 пмоль праймеров, 0,1 мкл SynTaq ДНК-полимеразы 5 Е/млк, 1 мкл кДНК и воду, свободную от нуклеаз. Условия ПЦР-ана-лиза: 1 этап: предварительная денатурация
5 мин при 95 °С; 2 этап: (40-45 циклов): денатурация — 15 сек при 95 °С, отжиг и элонгация — 45 сек при температуре отжига праймеров (табл. 1), 3 этап: (при необходимости) плавление ампликонов путем ступенчатого повышения температуры от 70 до 98 °С с интервалом 0,5 °С через каждые 5 сек.
Нормализацию исследуемых генов проводили по генам actin и ubiq. Расчет уровня экспрессии исследуемых генов проводили, используя метод Ливак [13]. Для этого определяли Cq — число циклов ПЦР, после которого кривые накопления ампликонов пересекаются с пороговой линией. Относительные нормализованные уровни экспрессии генов рассчитывали, используя программу Bio-Rad CFX Maestro, а также Excel 2019 (Microsoft). В качестве стандарта (1,0) брали экспрессию генов ФС и изоформ СОД в листьях ячменя сорта Аванс, выращенных в почве с поливом при
6 000 лк (вариант Контроль) того же возраста, что и экспериментальные растения.
Выделение из растений белков и их элек-трофоретическое разделение в полиакрила-мидном геле и вестерн-блоттинг выполняли, как описано в работе [14]. Навеску листьев ячменя массой 0,1 г растирали в жидком азоте до порошка, переносили в пробирку типа Эп-пендорф, приливали среду выделения, содержащую 56 мМ дитиотреитола, 56 мМ Na2CO3, 12% сахарозы, 2 мМ этилендиаминтетрааци-лацетата, 2% додецилсульфата натрия и тщательно перемешивали, используя вортекс Vortex-Genie 2 (Scientific Industries, США). После этого пробы инкубировали в течение 10 мин при 80 °С на термошейкере TS-100 (SIA BIOSAN, Латвия). Затем снова перемешивали и центрифугировали в течение 5 мин при 17 000 g на центрифуге Biofuge PICO (Thermo Fisher Scientific, США). В полученном экстракте определяли содержание белка по методу Bredford [15] и при необходимости разбавляли пробы буфером для экстракции с целью вы-
равнивания в них содержания белка.
Разделение белков осуществляли с помощью денатурирующего гель-электрофореза. Форез проводили на установке для вертикального гель-электрофореза Mini-PROTEAN Tetra System (Bio RAD, США), используя коммерческие препараты разделяющего и концентрирующего гелей. После разделения белков осуществляли их электроперенос с геля на нитроцеллюлозную мембрану Bio RAD с порами О,45 мкм. Гель помещали на мембрану и укладывали на поверхность системы тур-боблоттинга Trans-Blit Turbo Transfer System (Bio RAD, США) между слоями хроматогра-фической бумаги, предварительно смочив их в анодном буфере.
Иммунохимическое окрашивание белков, иммобилизованных на нитроцеллюлозной мембране, проводили с помощью поликло-нальных антител фирмы Agrisera (Швеция) на белок D1 РЦ ФС II, а также на белки ССК ФС I: Lhca2 и ССК ФС II: Lhcb2, Lhcb4. Количество белков рассчитывали денситометрически в относительных единицах по площади и интенсивности полос после их визуализации, используя программу «TotalLab 2.О1».
Для статистической обработки экспериментальных данных и регистрации полученных результатов использовали программы Excel 2О19 (Microsoft) и Sigma Plot 12.5 (Systat software), а также статистические методы, принятые в области биологических исследований [16]. Основными статистическими характеристиками служили: средняя арифметическая величина (х), среднее квадратиче-ское отклонение (s), ошибка средней величины (Sx). Достоверность различий между вариантами определяли с учетом коэффициента Стьюдента (t), для принятого уровня значимости (p < О,О5) и данного числа степеней свободы (df). Все описанные в работе эксперименты проводили в 4-кратной биологической повторности на 7 сут после высадки в почву пророщенных семян.
Результаты и обсуждение
В ходе исследования была проанализирована экспрессия шести генов, кодирующих белки ФС: psaA и psaB, кодирующие наиболее важные белки РЦ ФС I — А (83 кДа) и B (82,4 кДа) соответственно; lhca2, коди-
рующий хлорофилл-а/Ь-связывающий белок Lhca2 ССК ФС I; psbA, кодирующий полипептид D1 (38,8 кДа) центрального ядра ФС II; ШсЬ1, кодирующий белок Lhcb1 (28 кДа) внешней светособирающей антенны ФС II; ШсЬ4, кодирующий низкомолекулярный минорный белок Lhcb4 антенны ФС II (29 кДа), а также трех генов, кодирующих изоформы СОД: Ют — Си^п-СОД, основная изо-форма СОД, локализованная практически во всех компартментах растительной клетки; ЮВ2 — Мп-СОД изоформа, локализованная в митохондриях и пероксисомах; 80Б3 — изоформа Fe-СОД, локализованная преимущественно в хлоропластах высших растений. Был осуществлен подбор праймеров, специфичных к генамpsaA, psaB, Шса2, psbA, ШсЬ1, ШсЬ4, 5001, ЮВ2, 80Б3 и генам-нормали-
заторам аеПп и ubiq (табл. 1), оптимизирован протокол ПЦР-анализа для указанных праймеров и проведен ПЦР-РВ указанных генов в листьях ячменя сорта Аванс, выращенных в условиях засухи при различной освещенности. Полученные средние уровней экспрессии генов, кодирующих белки ФС и изофор-мы СОД в листьях, представлены на рисунке 1 и 2. За единицу принят уровень экспрессии генов в листьях растений ячменя, выращенных в почве с поливом при нормальной освещенности (Контроль).
Как видно из представленных данных, в варианте «Засуха» наблюдается значительное увеличение экспрессии генов ШсЬ1 (увеличение экспрессии в 1,6 раз), psaA (увеличение экспрессии в 1,8 раз) и psaB (увеличение экспрессии в 2,5 раз), кодирующих белки ФС
Рис. 1. Относительные нормализованные уровни экспрессии генов, кодирующих белки ФС, в листьях ячменя сорта Аванс, выращенных в условиях засухи при различной освещенности * - различия по сравнению с контролем достоверны, р < 0,05
I и II, по сравнению с контрольным вариантом. Экспрессия остальных генов рЬА, ¡ЫМ, Шса2) недостоверно увеличивалась относительно контроля (рис. 1).
В варианте, выращенном при нормальном водообеспечении и низкой интенсивности света, также отмечено некоторое увеличение экспрессии генов, кодирующих белки ФС, но это увеличение статистически не отличается от контроля, за исключением гена psaA, коди-
рующего белок А РЦ ФС I, экспрессия которого достоверно увеличивается в 1,4 раза по сравнению с контролем. При этом в варианте «Засуха + ЬЬ» наоборот, наблюдалась тенденция к снижению экспрессии генов, кодирующих белки ФС II рЬА, ШсЬ1, ШсЬ4) и белка А (psaA) РЦ ФС I, уровеньpsaB и ¡hca2 не изменялся или изменялся незначительно в пределах погрешности (рис. 1).
Неблагоприятные факторы окружающей
среды, в том числе и засуха, активизируют в клетках растений образование высокореактивных и цитотоксичных молекул — АФК, что может приводить к нарушению структуры основных макромолекул и развитию окислительного стресса [17]. Одной из первых защитных реакций растений, направленных на нейтрализацию АФК и предотвращение окислительного стресса, является активизация работы антиоксидантной системы [18]. Среди множества высоко- и низкомолекулярных протекторных соединений особую роль в защите растений от окислительного стресса играет фермент СОД, так как именно он способен преобразовывать супероксидный анион-радикал с образованием молекулярного кислорода
и пероксида водорода.
В нашем исследовании показано, что в условиях засухи на 7 сут выращивания многократно (в 6-7 раз) увеличивается экспрессия гена SOD3, кодирующего хлоропластную изоформу Fe-СОД (рис. 2). Такое повышение активности Fe-СОД, возможно, является непосредственным ответом на развивающийся окислительный стресс и образование супероксидного анион-радикала в частности, и может указывать на участие данного фермента в процессах формирования повышенной устойчивости растений ячменя к дефициту воды в почве. Что касается двух других изоформ СОД — Си^п-СОД и Мп-СОД, то их экспрессия (SOD1 и SOD2) была значительно ниже, чем Fe-СОД, и оста-
Вариант
Рис. 2. Относительные нормализованные уровни экспрессии генов, кодирующих изоформы СОД в листьях ячменя сорта Аванс, выращенных в условиях засухи при различной освещенности * - различия по сравнению с контролем достоверны, р < 0,05
валась на уровне контроля (рис. 2).
Можно предположить, что вклад различных изоформ фермента в общую активность СОД неодинаков. Учитывая, что Fe-СОД преимущественно локализован в хлоропластах, большая экспрессия гена SOD3, кодирующего Fe-СОД, может быть связана с необходимостью увеличения активности данного изофермента для обеспечения защиты хлоропластов и одного из важнейших и наиболее стрессочув-ствительных процессов — фотосинтеза [19].
Также в ходе работы был проведен анализ
содержания структурных белков пигмент-белковых комплексов ФС II ^ЬА, Lhcb2, Lhcb4) и ФС I (Ь^а2). Достоверных различий между вариантами по сравнению с контролем не обнаружено, однако в варианте «Засуха + ЬЬ» наблюдается некоторое снижение количества белков пигмент-белковых комплексов ФС, за исключением белка внешней антенны Ь^Ь2 ФС II (рис. 3). При этом отметим, что если для варианта «Засуха + ЬЬ» наблюдалась тенденция к снижению количества структурных белков ФС, то для варианта «Засуха», наоборот,
регистрировали тенденцию к увеличению содержания исследованных белков, в частности белков Lhcb4 и Lhca2, что соответствует в целом результатам анализа уровня экспрессии генов, кодирующих белки ФС. Отсутствие прямой корреляции между уровнем экспрессии
проанализированных генов и содержанием отдельных структурных белков фотосинтетического аппарата, видимо, связано с неодинаковой чувствительностью последних к окислительному воздействию и, соответственно, неравномерной деградацией их в условиях стресса.
Засуха 11,01 Засуха+ЬЬ
Вариант
Рис. 3. Содержание белков ФС I и ФС II в листьях растений ячменя, выращенных в условиях почвенной засухи при различной освещенности. Контроль принят за 1 и представлен базовой линией
Таким образом, полученные данные демонстрируют индукцию засухой окислительного стресса в хлоропластах листьев растений ячменя. На это указывает существенное увеличение уровня экспрессии гена SOD3, кодирующего хлоропластную изоформу СОД — Fe-СОД, по сравнению с SOD1 и SOD2, а также свето-зависимое изменение уровня экспрессии проанализированных генов, кодирующих белки ФС, и количества отдельных структурных белков ФС в условиях засухи. Увеличение уровня экспрессии генов и содержания белков комплексов ФС может приводить к увеличению размера светособирающей антенны, что потенциально опасно развитием деструктивных процессов в хлоропластных мембранах, так как хлоропластная электрон-транспортная цепь является основным поставщиком АФК в растительной клетке при абиотическом стрессе. Активация фотосинтеза в стрессовых условиях приводит к увеличению продукции АФК. Для сорта Аванс это может быть ключевым фактором, определяющим его относи-
тельно низкую засухоустойчивость [20].
На основании представленных данных, а также результатов, полученных нами ранее, демонстрирующих Н202-независимый механизм индукции окислительного стресса [8], мы предполагаем, что стресс, вызванный засухой в листьях растений ячменя, запускается в хлоропластах пигментами-фотосенсибилизаторами продуцирующими 1О2 [21]. Образованию Ю2 в фотосинтетической мембране при засухе может способствовать нарушение переноса электронов в электронтранспортной цепи вследствие ограничения ассимиляции С02 и/или снижения интенсивности работы кис-лород-выделяющего комплекса из-за дефицита Н20. Согласно современным представлениям, 1О2 является высокореакционной АФК, приводящей к окислительному повреждению клеточных компонентов. Кроме того, в сублетальных концентрациях 1О2 также участвует в сигнализации, инициируя передачу сигнала от хлоропласта в ядро [21, 22]. Соответственно, наблюдаемое нами изменение экспрессии
генов, кодирующих ключевые структурные белки ФС, а также хлоропластную изоформу антиоксидантного фермента СОД — Fe-СОД, в листьях растений ячменя может быть связано с 1О2-зависимой сигнализацией.
Заключение
Показано существенное влияние почвенной засухи на экспрессию генов (psaA, psaB, lhca2, psbA, lhcb1, lhcb4), кодирующих ключевые структурные белки РЦ и ССК ФС в листьях растений ячменя. Наблюдаемое в условиях засухи изменение уровня экспрессии генов светозависимое — при нормальной освещенности происходит значительное увеличение экспрессии генов lhcb1 (в 1,6 раз), psaA (в 1,8 раз) и psaB (в 2,5 раз), кодирующих белки ФС I и II, а при низкой, наоборот, наблюдается снижение экспрессии генов, кодирующих белки ФС II (psbA, lhcbl, lhcb4) и белок А (psaA) РЦ ФС I. Выявлена тенденция к увеличению количества отдельных структурных белков ФС для варианта «Засуха», а для варианта «Засуха + LL», наоборот, регистрировали тенденцию к снижению содержания исследованных белков. Установлено, что в условиях засухи многократно увеличивается экспрессия гена SOD3, кодирующего хлоропластную изоформу Fe-СОД, при незначительном изменении уровня экспрессии SOD1 и SOD2. Полученные данные указывают на индукцию засухой окислительного стресса в хлоропластах листьев растений ячменя.
Список использованных источников
1. Chaves, M. M. Photosynthesis under drought and salt stress: regulation mechanisms from whole plant to cell / M. M. Chaves, J. Flexas, C. Pinhei-ro // Ann. Bot-London. - 2009. - Vol. 103, № 4.
- P. 551-560.
2. Knight, H. Abiotic stress signaling pathways: specificity and cross-talk / H. Knight, M. R. Knight // Trends Plant Sci. - 2001. - Vol. 6, № 6.
- P. 262-267.
3. Genetic and physiological dissection of photosynthesis in barley exposed to drought stress / A. Daszkowska-Golec [et al.] // J. Mol. Sci. -2019. - Vol. 20. - Art. 6341.
4. Xu, Z. Responses of leaf stomatal density to water status and its relationship with photosynthesis in a grass / Z. Xu, G. Zhou // J. Exp. Bot.
- 2008. - Vol. 59. - P. 3 317-3 325.
5. Mesophyll ABA restrains early growth and flowering but does not directly suppress photosynthesis / Negin, B. [et al.] // Plant Physiol. -2019. - Vol. 180. - P. 910-925.
6. Lawson, T. Speedy stomata, photosynthesis and plant water use efficiency / T. Lawson, S. Vi-alet-Chabrand // New Phytol. - 2019. - Vol. 221.
- P. 93-98.
7. Gururani, M. A. Regulation of photosynthesis during abiotic stress-induced photoinhibition / M. A. Gururani, J. Venkatesh, L. S. P. Tran // Mol. Plant. - 2015. - Vol. 8. - P. 1 304-1 320.
8. Курьянчик, Т. Г. Н202-независимый механизм индукции окислительного стресса в листьях растений ячменя в условиях засухи / Т. Г. Курьянчик, Н. В. Козел // Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем. К 100-летию белорусской академической науки [Электронный ресурс] : тез. докл. междунар. науч. конф., Пятнадцатого съезда Белорус. обществ. об-ния фотобиологов и биофизиков, Респ. Беларусь, Минск, 1517 июня 2022 г. / Белорус. гос. ун-т ; редкол.: И. Д. Волотовский (гл. ред.) [и др.]. -Минск : БГУ, 2022. - 34 с.
9. Фотодинамические процессы с участием триплетного состояния порфириновых сенсибилизаторов / А. П. Лосев [и др.] // Фотобиология и мембранная биофизика / Н. Г. Аверина [и др.]; под ред. И. Д. Волотовского. - Минск: «Технопринт», 1999. - Гл. 15. - С. 268-285.
10. Tansley review barley: a translational model for adaptation to climate change / I. K. Daw-son [et al.] // New Phytol. - 2015. - Vol. 206. -P. 913-931.
11. Genome-wide associations of chlorophyll fluorescence OJIP transient parameters connected with soil drought response in barley / M. Rapacz [et al.] // Front. Plant. Sci. - 2019. - Vol. 10. - Art. 78.
12. Технология ДНК-типирования генов устойчивости ячменя к засухе : методические указания / И. Н. Доманская [и др.]. - Минск : Право и экономика, 2011. - 31 с.
13. Livak, K. J. Analysis of relative gene expression data using realtime quantitative PCR and the 2-AACT Method / K. J. Livak, T. D. Schmittgen // Methods. - 2001. - P. 402-408.
14. Antenna protein composition of PS I and PS II in thylakoid sub-domains / S. Jansson [et al.] // Biochim. Biophys. Acta. - 1997. - Vol. 1 320,
№ 3. - P. 297-309.
15. Bradford, M. A rapid and sensitive method for the quatitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding / M. Bradford // Anal. Biochem. - 1976. - Vol. 72.
- P. 248-254.
16. Рокицкий, П. Ф. Биологическая статистика / П. Ф. Рокицкий. - Минск, 1973.
- С. 28-50.
17. Secondary metabolites in the drought stress tolerance of crop plants: A review / B. Ya-dav [et al.] // Gene Reports. - 2021. - Vol. 23.
- Art. 101040. https://doi.org/10.1016/j.gen-rep.2021.101040.
18. Demidchik, V. Mechanisms of oxidative stress in plants: From classical chemistry to cell biology / V. Demidchik // Environmental and Experimental Botany. - 2015. - Vol. 109. - P. 212-228.
19. Динамика активности супероксиддисму-тазы и экспрессии кодирующих ее генов в ли-
стьях пшеницы при холодовой адаптации / Н. С. Репкина [и др.] // Труды Карельского научного центра российской академии наук. — 2017. - № 5. - С. 89-98
20. Курьянчик, Т. Г. 5-аминолевулино-вая кислота как протектор фотосинтетического аппарата растений ячменя при засухе / Т. Г. Курьянчик, // Новости науки в АПК. - 2021. - № 2. - С. 323-330. https://doi. org/10.25930/2218-855x/090.2.2021.
21. Dmitrieva, V. A. Singlet Oxygen in Plants: Generation, Detection, and Signaling Roles / V. A. Dmitrieva, E. V. Tyutereva, O. V. Voitsek-hovskaja // Int J Mol Sci. - 2020. - Vol. 21, №. 9. -Art. 3237. https://doi.org/10.3390/ijms21093237.
22. Dogra, V. Singlet Oxygen Metabolism: From Genesis to Signaling / V. Dogra, C. Kim // Front Plant Sci. - 2019. - Vol. 10. - Art. 1640. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.01640.
T. G. Kuryanchyk, N. V. Kozel
GENE EXPRESSION AND THE CONTENT OF STRUCTURAL PROTEINS OF PHOTOSYSTEMS IN BARLEY LEAVES UNDER SOIL DROUGHT
State Scientific Institution "Institute of Biophysics and Cell Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus" 27 Akademicheskaya St., 220072 Minsk, Republic of Belarus e-mail: t.kuryanchyk@gmail.com
A significant effect of soil drought on the gene expression (psaA, psaB, lhca2, psbA, lhcb1 and lhcb4) encoding key structural proteins of reaction centers (RC) and light harvesting complexes (LHC) of photosystems (PS) in barley leaves was shown. A change in the level of gene expression observed under drought conditions is light-dependent—in normal light, there is a significant increase in the expression of lhcb1 (1.6 times), psaA (1.8 times) and psaB (2.5 times) genes, encoding PS I and II proteins, and in the dim light, on the contrary, there is a decrease in the expression of genes encoding the proteins PS II (psbA, lhcb1 and lhcb4) and protein A (psaA) of the PS I RC. It was found that under drought conditions the expression of the gene SOD3 encoding the chloroplast isoform of the antioxidant superoxide dismutase (SOD) enzyme Fe-SOD increases multiple times. The data obtained indicate the induction of oxidative stress by drought in the chloroplasts of the leaves of barley plants.
Keywords: gene expression, barley, soil drought, abiotic stress, photosynthesis, photosystem proteins, SOD.
Дата поступления в редакцию: 29 июля 2022 г.
