CC BY
25
УДК 581.1
ФОТОИНДУЦИРОВАННЫЕ СДВИГИ ЖИРНОКИСЛОТНОГО СОСТАВА ПОЛЯРНЫХ ЛИПИДОВ ЛИСТЬЕВ Ficus benjamina L. В УСЛОВИЯХ ХЛОРИДНО-НАТРИЕВОГО ЗАСОЛЕНИЯ ГРУНТА
© 2010 г. В.С. Лысенко1, В.П. Краснов
2
1Педагогический институт Южного федерального университета, пер. Днепровский, 116, г. Ростов н/Д, 344065, [email protected]
2Ростовский государственный медицинский университет, пер. Нахичеванский, 29, г. Ростов н/Д, 344022, [email protected]
1Pedagogical Institute of Southern Federal University, Dneprovskiy Lane, 116, Rostov-on-Don, 344065, rspu@pi. sfedu.ru
2 Rostov State Medical University, Nakhichevanskiy Lane, 29, Rostov-on-Don, 344022, [email protected]
Рассмотрены вопросы формирования фотоиндуцированной адаптации растений к засолению грунта. Исследован жирнокис-лотный состав полярных липидов (ПЛ), а также содержание водорастворимых сахаров в нормальных и хлорофилл-дефицитных секторах листьев растений F. benjamina L. в условиях сниженного освещения и умеренного хлоридно-натриевого засоления грунта. В результате снижения освещенности происходило увеличение насыщенности ПЛ, снижение содержания сахаров в зеленых секторах листьев и увеличение в белых. Адаптация растений F. benjamina к умеренному хлоридно-натриевому засолению грунта, оцениваемая по исследуемым параметрам, была более выражена в условиях снижения уровня фотосинтеза, вне зависимости от вызвавших его причин — дефицита хлорофилла локальных участков листьев или снижения освещенности.
Ключевые слова: хлорофилл-дефицитная пестролистность, солеустойчивость, Ficus benjamina L., жирнокис-лотный состав, полярные липиды, водорастворимые сахара.
The problems related to the forming ofplant photonduced adaptation for NaCl-salinization are observed. Fatty acid composition (FAC) of the polar lipids (PL) and water-soluble carbohydrates content were researched in green and white leaf sectors of F. benjamina plants growing at NaCl-salinization. Lowered luminance resulted to the increasing of PL saturation, decreasing of carbohydrates content in green sectors and its increasing in white sectors. Salinity adaptation of F. benjamina was shown to be more expressed at lowered photosynthetic level whether it originated from local leaf chlorophyll deficite or from lowered luminance.
Keywords: chlorophyll-deficit variegation, salt tolerance, Ficus benjamina L., fatty acid composition, polar lipids, water-soluble carbohydrates.
Жирнокислотный состав (ЖКС) полярных (мембранных) липидов (ПЛ) фотосинтезирующих тканей растений является показателем, чувствительным к уровню фотосинтетически активной радиации (ФАР). Так, увеличение освещенности приводит к росту содержания линоленовой кислоты и снижению насыщенности липидов в развивающихся семядолях ипомеи [1]. Снижение уровня ФАР в результате затенения растений сои положительно коррелирует с увеличением линоленовой и снижением доли линолевой кислоты в мембранах тилакоидов клеток листьев [2]. От ФАР существенно зависит также десатурация ПЛ динофла-геллят [3]. Уровень насыщенных жирных кислот снижается при увеличении освещенности растений дио-
скореи [4]. С другой стороны, мутант Arabidopsis thaliana, почти полностью утративший способность к синтезу ненасыщенных жирных кислот, оказался неспособным к фототрофному росту, формируя в то же время хорошо развитые ткани на среде с сахарозой [5]. Хлоридно-натриевая солеустойчивость клеток такого мутанта понижена по сравнению с клетками дикого типа при выращивании в темноте [6].
На солеустойчивость может оказывать влияние снижение уровня фотосинтетической активности, вызываемое дефицитом хлорофилла. Светло-зеленые пластом-ные мутанты Chlorina имеют повышенную сульфатную и хлоридно-натриевую солеустойчивость [7, 8].
Вышеприведенные данные позволяют рассматривать сопряжение сдвигов величины ФАР с солеустой-чивостью как результат фотоиндуцированных изменений ЖКС ПЛ вегетативных тканей растений. Такая точка зрения хорошо согласуется с экспериментами В.А. Новикова [9], согласно которым снижение освещенности хлопчатника приводит к увеличению его солеустойчивости. Аналогичные результаты получены нами в экспериментах с затенением подсолнечника [10]. Роль сдвигов ЖКС ПЛ в формировании соле-устойчивости растений заключается, по-видимому, в изменении температурной точки фазового перехода мембранных структур клетки, что влияет на активность ряда мембранных ферментов [5] и мембранный транспорт засоляющих ионов [8].
Пестролистные хлорофилл-дефицитные растения могут служить мощным инструментом исследований фотозависимых сдвигов ЖКС ПЛ тканей. Сравнительное изучение нормальных зеленых и хлорофилл-дефицитных секторов листьев позволяет выявлять у таких растений самую разнообразную специфику биохимических процессов в зеленых тканях, в том числе относящуюся к метаболизму липидов.
Удобным объектом исследований физиологии хлорофилл-дефицитных состояний являются пестролистные растения фикуса Ficus benjamina L [11, 12]. Особый интерес представляет изучение реакции отличающихся по содержанию хлорофилла тканей листьев F. benjamina на засоление грунта и изменения уровня ФАР.
В задачу настоящей работы входил анализ сдвигов ЖКС зеленых и светло-зеленых секторов листьев F. benjamina, возникающих в результате воздействия на растения повышенных почвенных концентраций NaCl и сниженной освещенности.
Объект и методы
Объект. Использовали пестролистные растения F. benjamina, разновидность Kinki, высотой 18-22 см, несущие по 50^60 листьев. В течение 30 дней перед отбором проб для анализа растения выращивались в условиях ФАР 70 (сниженная освещенность) и 300 мкмоль фо-тонов/м2-с (нормальная освещенность), 12-часовом фоторежиме, температуре 25 °С, относительной влажности почвы 60 %. Каждое растение выращивалось в индивидуальном вегетационном сосуде объемом 0,4 л. Почво-грунт производства «Интеркол» (Россия, Краснодарский край), специализированный для пальм и фикусов. В эксперименты отбирали световые листья 35-45 мм длиной. В вариантах эксперимента с засоленным грунтом почву смачивали растворами хлористого натрия в концентрации 0,3 %, что считается умеренным засолением для F. benjamina. Один раз за 4 сут вегетационные сосуды промывали 0,5 л среды (вода или раствор засоляющего вещества). После промывок доводили влажность до 60 % весовым методом.
Жирнокислотный анализ. Немедленно после отбора листьев зеленые и светло-зеленые сектора разделяли, полученные пробы помещали в холодный (2-3 °С) ацетон из расчета 1 г сырой ткани на 10 мл. В ацетоне пробы выдерживали 24 ч с целью селективной экстракции большей части нейтральных липидов, согласно известной процедуре [13]. Ацетон удаляли, ПЛ (гликолипиды и фосфолипиды) экстрагировали из листьев по Фолчу [13], полученный экстракт упаривали в
токе азота, после чего остаток, содержащий около 1,5 мг липидов, омыляли обработкой 1 мл 1М раствора KOH в метаноле при температуре 70 °С в течение 30 мин. Далее к пробе добавляли 1 мл 1,5 н раствора серной кислоты в гексане. Смесь встряхивали, после расслаивания отбирали верхнюю фазу, содержащую свободные жирные кислоты, которые далее метилировали 1 мл раствора сухого HCl в метаноле с последующим упариванием в азоте и реэкстрацией гексаном.
Полученные таким путем метиловые эфиры жирных кислот (в гексане) вводили в газовый хроматограф Цвет-560. Использовали колонку с внутренним диаметром 3 м х 3 мм, заполненную Inerton-Super зернением 0,16-0,20 мм, содержащую 5 % полиэтиленгликоль-сукцината. Температура колонки 150 °С. Детектор -пламенно-ионизационный. Газ-носитель - азот. Сигнал детектора регистрировали с помощью 16-битного АЦП и обрабатывали, используя программу OriginPro 8. Определяли площадь пиков и время их удерживания. Идентификацию пиков осуществляли по данным времени удерживания метиловых эфиров жирных кислот в стандартной смеси.
Анализ содержания сахаров. Экстракцию водорастворимых сахаров в тканях листьев осуществляли по Ермакову [14], а их количественное определение - ан-троновым методом [15].
Результаты и их обсуждение
Анализ ПЛ листьев F. benjamina показал наличие в их составе 12 жирных кислот, в том числе крайне редкой паринаровой (табл. 1). В зеленых секторах при нормальном освещении ее содержание доминировало - до 50 %. В высоких концентрациях обнаружены также селахоле-вая и олеиновая кислоты. Белые сектора по сравнению с зелеными характеризовались более низким (в 10 раз) содержанием высоконенасыщенной паринаровой и более высоким (в 2,8 раза) содержанием олеиновой кислоты. Светло-зеленые сектора по уровню этих кислот занимают промежуточное положение. Содержание насыщенных жирных кислот - пальмитиновой и стеариновой в белых секторах растет в 2-3 раза. В целом насыщенность ПЛ листьев снижается с потерей хлорофилла локальными участками листовой пластинки.
Уменьшение уровня ФАР с 300 до 70 мкмоль фото-нов/м2-с оказывало понижающее влияние на содержание паринаровой кислоты и повышающее - на содержание олеиновой кислоты во всех типах секторов, причем различие между секторами в концентрации пари-наровой кислоты достигало 40 раз (табл. 1).
Аналогичные различия в содержании олеиновой кислоты, напротив, сглаживались с 3 до 2-кратных. Снижение освещенности приводило также и к росту уровня стеариновой кислоты. Фактически уменьшение ФАР оказывало на ЖКС листьев F. benjamina влияние такого же характера, как и дефицит хлорофилла.
Засоление грунта хлористым натрием вызывало в ПЛ зеленых секторов снижение паринаровой и увеличение содержания олеиновой кислоты (табл. 2).
В результате этих изменений насыщенность липидов снижалась. Аналогичные сдвиги ЖКС наблюдались и для белых секторов. Следовательно, характер воздействия засоления хлористым натрием на ЖКС липидов листьев F. benjamina имеет ту же направленность, что и влияние сниженной освещенности.
Максимальный разброс концентраций (63 раза) в течение эксперимента обнаруживала паринаровая кислота - от 50,4 % в зеленых секторах при нормальном освещении и незасоленном грунте до 0,8 в белых секторах при засолении №С1.
Таким образом, изменение соотношения олеиновой и паринаровой кислот является основной реакцией ЖКС ПЛ листьев F. benjamina на снижение освещенности и засоление грунта, причем направление этой реакции одинаково как в белых, так и в зеленых секторах.
Увеличение концентрации водорастворимых сахаров в вегетативных тканях часто служит механизмом адаптации растений к засолению почвы, что происходит благодаря увеличению вертикального градиента осмотического давления и сосущей силы растений. В этой связи представляют интерес данные, представленные в табл. 3.
На концентрацию сахаров в листьях (как в белых, так и в зеленых секторах) F. benjamina существенно влияло только засоление грунта, но не снижение освещенности. Различия по данному показателю между белыми и зелеными секторами наблюдались преимущественно у растений, произрастающих в незасоленном грунте и при нормальном освещении. Оба типа экспериментальных воздействий приводили к выравниванию этих различий. В результате снижения освещенности происходило снижение содержания сахаров в зеленых секторах листьев и увеличение в белых. Реакцию белых секторов в данном случае можно рассматривать как парадоксальную, поскольку синтез сахаров как первичных фотосинтетических продуктов обычно растет с увеличением уровня интенсивности фотосинтеза в диапазоне значений ФАР от пониженных до нормальных. Очевидно, что рост концентрации водорастворимых сахаров в хлорофилл-дефицитных секторах при снижении освещенности представляет собой осмотически зависимый фактор увеличения солеустойчивости тканей таких секторов.
Засоление грунта увеличивало концентрацию сахаров в секторах всех трех типов, однако этот эффект в белых секторах проявлялся сильнее, чем в зеленых -соответственно 3 и 1,7 раза по сравнению с незасо-ленным контролем.
Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что адаптация растений F. benjamina к умеренному хлоридно-натриевому засолению грунта более выражена в условиях снижения уровня фотосинтеза, вне зависимости от вызвавших его причин - дефицита хлорофилла локальных участков листьев или снижения освещенности.
Таблица 1
ЖКС* полярных липидов нормальных и хлорофилл-дефицитных секторов листьев F. benjamina, растущих в различных условиях освещения
300 мкмоль фотонов/(м2-с) 70 мкмоль фотонов/(м2-с)
Жирные кислоты Белые Светло- Зеленые Белые Светло- Зеленые
зеленые сектора зеленые сектора
Миристиновая 14:0 0,2 <0,1 1,1 <0,1 <0,1 0,7
Пальмитиновая 16:0 8,8 6,6 4,8 8,6 5,0 4,8
Стеариновая 18:0 2,5 1,5 0,7 7,3 2,3 1,9
Олеиновая 18:1 32,0 13,5 9,6 33,4 21,6 15,5
Линолевая 18:2 17,0 8,7 4,8 17,2 12,1 5,7
Линоленовая 18:3 8,1 6,9 5,2 10,5 6,7 5,9
Паринаровая 18:4 5,2 34,0 50,1 0,9 20,2 40,3
Арахиновая 20:0 1,6 <0,1 0,2 1,6 0,2 <0,1
Эйкозеновая 20:1 1,4 0,7 0,3 2,3 1,1 0,7
Бегеновая 22:0 1,1 0,7 0,1 2,1 1,1 0,5
Эруковая 22:1 4,5 2,4 1,9 4,4 3,3 2,0
Селахолевая 24:1 17,6 25,0 21,2 11,7 26,4 22,0
* - содержание отдельных жирных кислот дано в % от их общей суммы. Относительная ошибка не более 5 % при р=0,05, N = 8.
Таблица 2
Влияние засоления грунта 0,3%-м хлористым натрием на ЖКС* ПЛ нормальных и хлорофилл-дефицитных секторов листьев Е ЬещаШпа**
Жирные кислоты* Незасоленный грунт 0,3%-й NaCl
Белые Светло- Зеленые Белые Светло- Зеленые
зеленые сектора зеленые сектора
Миристиновая 14:0 0,2 0 2,2 0,2 0,2 1,9
Пальмитиновая 16:0 10,3 7,8 5,7 8,1 8,5 6,0
Стеариновая 18:0 7,6 5,5 2,1 8,7 5,3 2,7
Олеиновая 18:1 30,1 11,4 7,6 48,4 27,0 18,5
Линолевая 18:2 17,0 8,7 4,8 11,2 4,6 4,5
Линоленовая 18:3 8,1 6,9 5,2 7,7 7,2 3,6
Паринаровая 18:4 4,6 34,0 50,4 0,8 15,8 29,9
Арахиновая 20:0 1,6 0 0,2 1,3 0 0
Эйкозеновая 20:1 1,4 0,7 0,3 1,2 1,1 0,2
Бегеновая 22:0 1,1 0,7 0,1 3,2 1,7 1,0
Эруковая 22:1 5,4 4,2 2,2 3,5 6,1 4,7
Селахолевая 24:1 12,6 20,1 19,2 5,7 22,5 27,0
* - содержание отдельных жирных кислот дано в % от их общей суммы. Относительная ошибка не более 5 % при р=0,05, N = 8; **- уровень освещенности 300 мкмоль фотонов/(м2'с).
Таблица 3
Влияние пониженной освещенности и засоления грунта хлористым натрием на содержание водорастворимых сахаров в нормальных и хлорофилл-дефицитных секторах листьев Е. ЬещаШпа
Экспериментальное воздействие Содержание водорастворимых сахаров в различных секторах листьев*, мг/г сух. массы
Белые Светло-зеленые Зеленые сектора
Незасоленный грунт, 300 мкмоль фотонов/(м2-с) 78 109 142
Незасоленный грунт, 70 мкмоль фотонов/(м2-с) 111 114 120
0,3% NaCl, 300 мкмоль фотонов/(м2-с) 237 236 243
- относительная ошибка не более 6 % при p=0,05, N = 10.
*
По-видимому, механизм такой адаптации опосредован сдвигами ЖКС ПЛ и уровня водорастворимых Сахаров в листьях.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и образования РФ (гранты «Развитие научного потенциала высшей школы (20092010 годы)» № 2.1.1/5028; 5630).
Литература
1. Effects of light and temperature on linolenic acid biosynthesis in developing cotyledons of Farbitis nil / T. Francoise [et al.] // Physiol. veg. 1985. Vol. 23, № 4. P. 361-371.
2. Kent O.B., Richard F. W., Randy W. Effects of canopy shade on the lipid composition of soybean leaves // Physiologia Plantarum. 1997. Vol. 101, № 3. P. 591-598.
3. Zhukova N. V., Titlyanov E.A. Effect of light intensity on the fatty acid composition of dinoflagellates symbiotic with hermatypic corals // Botanica Marina. 2006. Vol. 49, № 4. P. 339-346.
4. Li H., Radunz A., He P., Schmida G. Influence of different light intensities on the content of diosgenin, lipids, caroteno-ids and fatty acids in leaves of Dioscorea zingiberensis // Z. Naturforsch. 2002. Vol. 57. P. 135-143.
5. McConn M., Browse J. Polyunsaturated membranes are required for photosynthetic competence in a mutant of Arabi-dopsis // Plant J. 1998. Vol. 15, № 4. P. 521-530.
6. Importance of unsaturated fatty acids on salt tolerance of NaCl-adapted tobacco cell cultures and Arabidopsis thaliana /
Поступила в редакцию
Y. Kobayashi [et al.] // J. of Agricultural Science. 2001. Vol. 46, № 2. P. 84-87.
7. Шевякова Н.И. Солеустойчивость пластомных хло-рофильных мутантов подсолнечника // Физиология растений. 1982. Т. 29, вып. 2. С. 317-324.
8. Лысенко В.С. Механизм формирования хлоридно-натриевой солеустойчивости у подсолнечника // Науч.-техн. бюл. ВНИИМК. Краснодар, 1991. Т. 113, вып. 2. С. 3-7.
9. Новиков В.А. Влияние интенсивности света на соле-устойчивость хлопчатника // Тр. Ин-та физиологии растений им. К.А. Тимирязева АН СССР. М., 1949. Т. 6. С. 85.
10. Лысенко В.С., Ефименко С.Г. Накопление засоляющих ионов и рост подсолнечника в условиях ограниченной освещенности // Масличные культуры. 2007. Вып. 1. С. 20-25.
11. Beardsell D., Norden U. Ficus rubiginosa 'Variegata', a chlorophyll-deficient сЫтега with mosaic patterns created by cell divisions from the outer meristematic layer // An. of Botany. 2004. Vol. 94. P. 51-58.
12. Лабунская Е.А., Жигалова Т.В., Чуб В.В. Анатомическое строение листа пестролистного Ficus benjamina сорта Starlight и взаимное влияние фотосинтезирующего и акцепторного компонентов химеры // Онтогенез. 2007. Т. 38, № 6. С. 1-10.
13. КейтсМ. Техника липидологии. М., 1975. 323 с.
14. Методы биохимического исследования растений / А.И. Ермаков [и др.]. Л., 1972. 456 с.
15. Методы биохимического исследования растений / А.И. Ермаков [и др.]. Л., 1987. 430 с.
_25 августа 2009 г.
