CC BY
47
УДК 630*181.324
ХАРАКТЕРИСТИКА БЕЛКОВ МЕРИСТЕМ ЕЛИ И ПИХТЫ В УСЛОВИЯХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ
© П.В. Миронов , Е.В. Алаудинова, Ю.С. Шимова
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82,
Красноярск, 660049 (Россия) Е-mail: pavlov@sibstu.kts.ru
Приведены результаты изучения сезонной динамики содержания водорастворимых белков цитоплазмы (ВРБЦ) меристем тканей почек ели и пихты. Охарактеризован состав ВРБЦ и его изменения в ходе годового цикла. Отмечено сходство белкового обмена в меристемах почек хвойных, морфология которых одинакова.
Введение
Ранее [1] нами опубликованы результаты исследования ВРБЦ меристем лиственницы сибирской, морфология почек которой позволяет реализовать механизм низкотемпературной адаптации, связанный с переохлаждением внутриклеточной воды и её дальнейшей миграции во внеорганную зону льдообразования. Установлено, что именно ВРБЦ клеток обеспечивают глубокое переохлаждение внутриклеточной воды [2].
Однако до сих пор в литературе имеются лишь фрагментарные данные о сезонной динамике различных компонентов живых тканей хвойных, что не позволяет оценить влияние каждого компонента на формирование низкотемпературной устойчивости и, как следствие, на способность растений переносить неблагоприятное действие отрицательных температур. Почки ели и пихты, как и лиственницы, реализующие механизм внеорганного льдообразования, имеют в основании почки полость, которая является зоной выделения льда. Льдообразование происходит в результате притока воды по незамерзающим коммуникациям из клеток меристем, в которых она находится в переохлажденном состоянии. При этом фронт льдообразования не распространяется на зачаточные ткани, расположенные в виде кроны над полостью. В литературе сведения о белках меристем почек указанных выше пород и их роли в низкотемпературной устойчивости нам обнаружить не удалось. Особенности белкового обмена различных групп хвойных, морфология почек которых сходна, позволяют строить различные предположения о роли белков в реализации механизма низкотемпературной адаптации. В связи с этим возникла необходимость изучения сезонной динамики фракционного состава водорастворимых белков меристематических тканей почек ели и пихты.
Установлено [1], что формирование состояния низкотемпературной устойчивости у лиственницы сопровождается интенсивным синтезом белков меристематических тканей почек, при этом на фоне увеличения количественного содержания ВРБЦ происходит значительное расширение электрофоретического спектра белков и увеличение доли высокомолекулярных фракций. Сезонная динамика содержания ВРБЦ ели и пихты сходна с таковой для лиственницы [3]. В состоянии низкотемпературной устойчивости отмечается значительное накопление ВРБЦ в обеих породах. Его содержание в этот период достигает 47% от суммы водорастворимых веществ и определяет их динамику.
Экспериментальная часть
Исследование количественных и качественных характеристик белков меристематических тканей почек ели и пихты проводилось методами, принятыми в физиологии и биохимии растений [4, 5].
* Автор, с которым следует вести переписку.
Обсуждение результатов
Фракционный состав водорастворимых белков цитоплазмы меристематических тканей почек ели и пихты представлен в таблице.
Как видно из полученных данных, водорастворимые белки ели в зимнее время представлены 31 фракцией, которые условно были разделены на четыре группы. Первая группа представлена белками с молекулярными массами (ММ) от 65 до 300 кД и состоит из 10 фракций с массовой долей около 30% от суммарного водорастворимого белка цитоплазмы (ВРБЦ). Вторая группа, содержащая восемь фракций, представлена белками с ММ от 15 до 55 кД с массовой долей около 30% от суммарного белка. Третья группа, составляющая около 22 % от суммарного белка, содержит восемь фракций с ММ от 3 до 12 кД. Четвертая группа состоит из белков с ММ ниже 3 кД, содержит пять фракций и составляет около 18% от общего содержания белка. При этом следует отметить, что преобладающей является группа высокомолекулярных фракций (ММ от 65 до 300 кД) и фракций средней области спектра (ММ от 19 до 55 кД). Их содержание составляет около 60% от суммарного количества водорастворимого белка. Наибольшую долю в белковом спектре составляют белки с ММ 37 и 100 кД, доля которых около 6 и 5% от содержания белка.
Фракционный состав водорастворимых белков цитоплазмы меристематических тканей почек ели и пихты
Номер фракции Rf ММ, кД Ель, % от суммы ВРБЦ*** Пихта, % от суммы ВРБЦ***
зима весна * весна ** зима весна * весна **
1 2 3 4 3 6 7 8 9
1 0,03 300 - - - 2,3 - -
2 0,03 230 3,1 - - 2,7 - -
3 0,07 210 2,9 - - 2,6 - -
4 0,09 180 2,1 - 3,3 1,9 - 3,3
3 0,11 163 1,9 - - 1,7 - -
6 0,13 143 2,3 - - 1,8 - -
7 0,14 140 2,8 - - 2,6 - -
8 0,17 120 3,1 - - 3,1 - -
9 0,19 110 - - 2,8 3,1 - 2,3
10 0,21 100 3,1 1,3 - 3,3 - -
11 0,24 83 - 1,0 6,3 2,7 4 3,6
12 0,26 80 3,3 3,0 - 2,9 4,9 -
13 0,29 63 2,3 4,3 - 2,9 - 2,2
14 0,32 33 2,4 2,3 3,4 2,7 6,1 -
13 0,33 30 3,1 - - 3,3 2,7 -
16 0,38 40 3,1 1,7 4,3 3,1 2,7 4,8
17 0,39 37 6,1 - - 3,2 - -
18 0,40 33 3,2 4,0 8,1 3,3 - 14
19 0,43 28 - - - 3 6 -
20 0,46 24 3,9 7,0 4,3 3,3 - 2,2
21 0,47 23 3,7 3,2 - 3,1 11,4 -
22 0,30 19 1,8 6,7 - 2 4,8 8,1
23 0,32 17 - 3,6 - 1,3 4,2 -
24 0,34 13 2,7 4,2 3,4 1,3 7,1 7,3
23 0,37 12 - - - 2,6 - -
26 0,39 11 4,2 3,0 - 6,1 1 -
27 0,63 8 4 4,1 3,3 - 7,7 4
28 0,67 7,3 3,9 3,9 - 3,4 3,6 -
29 0,68 7 3,7 3,7 14,6 4,9 - 13,3
30 0,71 4,3 3,2 4,4 18,0 6,1 11,4 13,4
31 0,74 4,0 - 7,3 - - - -
32 0,76 3,3 2,1 - 3,6 2,4 3,2 6,1
1 2 3 4 3 6 7 8 9
33 0,79 3 1,2 - - 1,1 2,1 -
34 0,82 2,3 - - 10,8 - 1 8,8
33 0,84 2,2 3,3 14,2 - 2,8 3,7 -
36 0,88 2 3,2 - 7 - - -
37 0,91 1,8 3,4 - - 3,3 - -
38 0,93 1,6 4,2 14,6 - 3,3 10,3 4
39 0,96 1,2 4,1 - - - - -
* Весенний максимум содержания белка; ** Перед распусканием почек; ***Водорастворимый белок цитоплазмы
В момент максимального весеннего содержания белка (весеннего максимума) при содержании ВРБЦ около 33% от а.с.м. ткани фракционный состав водорастворимых белков резко изменяется, количество фракций уменьшается до 20, из белкового спектра практически исчезают высокомолекулярные фракции с ММ выше 100 кД. В момент весеннего максимума содержания белка водорастворимые белки цитоплазмы представлены четырьмя группами фракций; преобладающими при этом являются белки со средними и низкими значениями молекулярных масс. Содержание белков с ММ ниже 5 кД возрастает практически в два раза и составляет около 40%, что, вероятно, связано с распадом высокомолекулярных белков, присутствующих в спектрах в период низкотемпературной устойчивости. Происходит увеличение содержания белка во фракциях с ММ 2.2 и 1.6 кД до 14% от ВРБЦ; доля фракции с ММ 4.5 кД увеличивается незначительно, наблюдается появление новой фракции с ММ 4 кД, содержание которой составляет около 7% от суммы водорастворимых белков. Другие низкомолекулярные белки (ММ ниже 5 кД), присутствующие в образцах зимующих почек, во время весеннего максимума исчезали. Увеличение содержания белка в этот период сопровождается также увеличением количества белковых фракций с ММ от 5 до 100 кД.
При этом наблюдается незначительное увеличение содержания белков с ММ 65 и 35 кД. Содержание белка с ММ 24 кД повышается почти в два раза, с ММ 19 кД - в четыре раза, появляется белок с ММ 85 кД.
Перед распусканием почек, на фоне общего уменьшения содержания водорастворимого белка до 3% от а.с.м. ткани, наблюдается и уменьшение числа фракций до 14. Высокомолекулярные фракции, представленные двумя фракциями (с ММ 180 и 110 кД), составляют около 6% от содержания водорастворимого белка. Заметно увеличивается доля белков с ММ ниже 15 кД (низкомолекулярные белки), содержание которых в этот период составляет около 60% от суммы водорастворимого белка.
Динамика фракционного состава водорастворимого белка меристем почек пихты имеет сходство с таковой для ели. В зимний период водорастворимые белки цитоплазмы представлены 34 фракциями. В этот период весь спектр белковых фракций можно разделить, как и для ели, на четыре группы. Следует отметить, что распределение белка в этих группах имеет значительное сходство с электрофоретическими спектрами водорастворимого белка цитоплазмы ели. Группа фракций с ММ выше 65 кД представлена 13 фракциями и составляет около 30% от суммы ВРБЦ. Вторая группа фракций с ММ от 15 до 55 кД включает 11 фракций и составляет около 30% от суммы водорастворимого белка. Третья группа фракций с ММ от 3 до 15 кД составляет около 30% от содержания водорастворимого белка и представлена семью фракциями. Группа фракций с ММ ниже 3 кД представлена тремя фракциями, на которые приходится около 10% от водорастворимого белка. Максимальную долю в белковом спектре занимают фракции с ММ 11 и 4.5 кД, каждая из которых составляет около 6% от содержания ВРБЦ.
Весной, в момент весеннего максимума, водорастворимые белки, содержание которых достигает в это время 35% от а.с.м. ткани, представлены 18 фракциями. При этом в электрофоретическом спектре не удалось обнаружить белков с ММ 100 кД и выше. Так же, как и у ели, на фоне увеличения содержания белка в этот период происходит увеличение доли фракций со средними и низкими молекулярными массами. Следует также отметить, что в это время происходит увеличение доли белков с ММ 80, 55, 28, 4,5 и 3 кД в два раза; с ММ 23, 19, 3.5 и 1.6 кД в три раза и с ММ 15 кД - в шесть раз. Кроме того, происходит синтез фракций, отсутствующих в зимний период (появляются белки с ММ 8 и 2.5 кД). Возрастание содержания белка сопровождается в основном увеличением доли фракций с ММ от 30 до 5 кД, которые могут быть как продуктами распада высокомолекулярных белков, полностью исчезающих в этот период из электрофоретического спектра, так и вновь синтезированными белками, необходимыми для обеспечения процессов жизнедеятельности клетки.
Перед распусканием почек на фоне общего снижения содержания белка до 3% от а.с.м. ткани происходит уменьшение количества фракций. В электрофоретическом спектре пихты присутствуют две фракции с ММ выше 100 кД, содержание которых составляет около 6% от суммы белка. Доля низкомолекулярных белков с ММ ниже 15 кД существенно возрастает и составляет свыше 50% от суммы водорастворимого белка.
Выводы
Сравнение электрофоретических спектров водорастворимых белков цитоплазмы почек ели и пихты позволяет отметить определенное сходство их фракционного состава, а также молекулярных масс в различные периоды года. Сравнение полученных данных с фракционным составом водорастворимых белков лиственницы [1] также дает возможность отметить определенное сходство динамики изменения фракционного состава и молекулярных масс и, как следствие, предположить, что в меристемах почек пихты и ели, как и лиственницы, во-
дорастворимые белки выполняют функции, связанные с предотвращением низкотемпературных повреждений клеток. Изучение изменения фракционного состава, происходящего в период потери низкотемпературной устойчивости и при переходе к активной вегетации, показывает, что, вероятно, важную роль в адаптации растений играют высокомолекулярные фракции белков, обнаруженные в зимний период и полностью исчезающие из спектров весной.
Показано, что в меристемах почек ели и пихты при низкотемпературной адаптации происходит значительное увеличение содержания водорастворимых белков цитоплазмы, что связано с реализацией механизма глубокого переохлаждения цитоплазмы при низких температурах.
Характерной особенностью фракционного состава водорастворимых белков цитоплазмы меристем почек ели и пихты зимой является наличие фракций с молекулярными массами выше 100 кД, практически полностью исчезающих весной с потерей низкотемпературной устойчивости.
Сравнение полученных результатов исследования белков меристематических тканей почек пихты и ели с результатами исследования белков лиственницы сибирской [1] позволяет отметить, что белковый обмен в меристемах почек пихты, ели и лиственницы, морфология которых одинакова, имеет сходный характер.
Список литературы
1. Миронов П.В., Алаудинова Е.В., Шимова Ю.С. Изменения состава и свойств белков меристем хвойных в процессе адаптации к низким зимним температурам // Производство экологически безопасной продукции. Проблемы и пути решения. Сборник статей. Приложение к «Вестнику КрасГАУ». Вып. 1. Красноярск, 2005. С. 29-33.
2. Миронов П.В., Алаудинова Е.В., Репях С.М. Низкотемпературная устойчивость живых тканей хвойных: монография. Красноярск, 2001. 221 с.
3. Шимова Ю.С., Алаудинова Е.В., Миронов П.В. Исследование водорастворимых веществ меристематических тканей почек сосны и ели // Химико-лесной комплекс - проблемы и решения: Сборник статей по материалам Всероссийской научно-практической конференции. Красноярск, 2002. Т. III. С. 3-6.
4. Бузун Г.А., Джемухадзе К.Н., Милешко Л.Д. Определение белка в растениях с помощью амидо-черного // Физиология растений. 1982. Т. 29. Вып. 1. С. 198-204.
5. Методы биохимического анализа растений / под ред. В.В. Полевого. Л., 1978. 192 с.
Поступило в редакцию 9 марта 2006 г
