CC BY
38
УДК 630*181.324
ХАРАКТЕРИСТИКА БЕЛКОВ МЕРИСТЕМ ПОЧЕК PINUS SYLVESTRIS L.
© Ю. С. Шимова, Е.В. Алаудинова, П.В. Миронов , С.М. Репях
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) e-mail:_repyakh@sibstu.kts.ru
Приведены результаты изучения сезонной динамики содержания и фракционного состава белков меристематических тканей вегетативных почек сосны обыкновенной.
Введение
В поддержании стабильного состояния биосферы, в сохранении и оздоровлении окружающей среды важная роль принадлежит северным лесам. Хвойные древесные растения, к которым относятся лиственница, ель, пихта, сосна обыкновенная и сосна сибирская (кедр), являются основными лесообразующими породами Сибири. Все они относятся к очень морозоустойчивым видам и в то же время по степени морозостойкости различаются между собой [1].
Исследования механизмов морозостойкости хвойных позволили установить, что разные породы, характеризующиеся специфическими морфофизиологическими особенностями, для достижения низкотемпературной устойчивости реализуют процессы биохимической адаптации различной направленности [2]. При этом важнейшая роль «белкового фактора» уже не подвергается сомнению, поскольку биохимическая адаптация растений к низким температурам прежде всего связана с белковым синтезом. Однако на сегодняшний день в литературе практически отсутствуют сведения о белках меристематических тканей почек хвойных. Исключение составляет лиственница сибирская [2], в почках которой для достижения состояния низкотемпературной устойчивости реализуется механизм внетканевого (внеорганного) льдообразования. Важнейшая роль в процессах обезвоживания тканей меристем, протекающих при относительно низких скоростях, принадлежит белкам-криопротекторам. В частности установлено, что в переохлаждении внутриклеточной воды меристем почек лиственницы большую роль играют водорастворимые цитоплазматические белки. Аналогичными свойствами обладают и периферические белки мембран.
Большой интерес также представляет исследование белков меристематических тканей почек сосны обыкновенной - породы, реализующей другой механизм низкотемпературной устойчивости: внеклеточное льдообразование, не требующее глубокого переохлаждения внутриклеточной воды [2]. Следовательно, присутствие белков криопротекторов (во всяком случае, в столь высоких концентрациях в цитозоле, как у лиственницы) весьма сомнительно. С другой стороны, механизм защиты клеточных мембран, подвергающихся деформации и дегидратации при образовании внеклеточного льда, может быть аналогичен установленному ранее в меристематических тканях почек лиственницы. В связи с изложенным целью данной работы являлось исследование белков меристематических тканей вегетативных почек сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.).
* Автор, с которым следует вести переписку.
Экспериментальная часть
Объектом исследования служили меристематические ткани вегетативных почек сосны обыкновенной. Методы, используемые при изучении белков меристематических тканей, описаны в работах [3-5].
Обсуждение результатов
Оценка структурно-химических изменений, возникающих в живых клетках при адаптации растений к низким температурам, была проведена путем исследования сезонной динамики содержания водорастворимых веществ, клеточных стенок и комплекса клеточных мембран меристематических тканей почек сосны (рис. 1). Как видно из приведенных результатов, содержание водорастворимых веществ в исследуемых тканях начинало увеличиваться в сентябре, достигая зимой максимальных значений (около 48% от абсолютно сухой массы (а.с.м.) ткани). Содержание комплекса клеточных мембран в этот период увеличивалось до 31%. Считается, что изменение содержания водорастворимых веществ является одной из основных реакций на действие низких температур. В связи с этим возникла необходимость анализа основных компонентов водорастворимых веществ, динамики их содержания в процессе формирования низкотемпературной устойчивости и при выходе из нее.
Данные таблицы 1 показывают, что в зимний период на высоком уровне (около 70% от суммы растворимых веществ) находилось содержание низкомолекулярных соединений: моносахаридов и свободных аминокислот. Известно, что низкомолекулярные вещества в большей степени обеспечивают связывание воды в клетке, переводя ее в состояние не замерзающей даже при очень низких температурах. Несмотря на достаточно высокое содержание низкомолекулярных веществ, в клетках остается достаточное количество свободной воды, замерзание которой в зимний период может привести к повреждению и даже гибели клеток. Полученные ранее данные [2] свидетельствуют о том, что к веществам, в большей степени снижающим температуру начала льдообразования в клетках, относятся белки.
Сезонная динамика содержания белка в основных фракциях, разделенных после гомогенизации ткани методом дифференциального центрифугирования, представлена на рисунке 2. Содержание общего белка начинало возрастать в сентябре и достигало максимума в ноябре (около 30% от а.с.м. ткани). В апреле содержание белка начинало снижаться и при распускании почек составляло около 20%. Несмотря на достаточно высокое содержание водорастворимых веществ в меристематических тканях почек сосны на протяжении исследуемого периода (рис. 1), содержание водорастворимого белка оказалось значительно ниже, чем в лиственнице [2]. При этом повышенное содержание водорастворимого белка отмечалось лишь в конце августа - начале сентября, при завершении периода вегетации и в конце апреля - начале мая, при распускании почек (около 6% от а.с.м. ткани). В зимний же период содержание водорастворимого белка находилось на низком уровне и составляло около 3%. Сезонная динамика содержания белка комплекса клеточных мембран у сосны имеет сходство с таковой у лиственницы [5]. Содержание общего мембранного белка начинало возрастать в октябре, наибольшего содержания достигало в середине ноября, оставалось на высоком уровне до середины марта и затем снижалось (рис. 2). Необходимо отметить отсутствие весеннего максимума содержания общего мембранного и водорастворимого белка в меристемах почек сосны, характерного для меристем почек лиственницы.
Результаты изучения сезонной динамики интегрального и периферического белка в меристемах почек сосны представлены на рисунках 3 и 4. Характер динамики содержания аналогичен таковой для лиственницы [5]. Это можно объяснить тем, что интегральные белки, выполняя структурную функцию, обеспечивают мембранам необходимую прочность при действии неблагоприятных факторов окружающей среды, позволяя клеткам благополучно пережить деформации при низкотемпературном обезвоживании. Весной при выходе из состояния покоя содержание интегрального белка резко снижалось, при этом содержание периферического белка кратковременно возрастало.
Таблица 1. Сезонная динамика содержания основных компонентов водорастворимых веществ цитоплазмы меристематических тканей почек сосны обыкновенной
Время отбора проб, месяц
Компонент ІІХ X XI II I II III IV
1.04 10.04 22.04 28.04
ВРБЦ* 13,8 8,5 6,3 5,4 5,4 5,3 6,1 7,33 8,6 9,4 10,9
САК** 20,4 22,1 20,8 19,5 18 17,2 17 20,5 23 25,6 29,1
Углеводы 27,4 35,7 44,8 50,3 49,2 50,2 57 32,7 33,1 32 32,8
* Водорастворимые белки цитоплазмы.
“Свободные аминокислоты.
с
60
40
20
U
1
А ■ ■ !■■■ ■■ ■ ? ■
1 ■ ■■ : А ► ♦ ** А
>1* А А 3 , А А к А
ГЖ іЛ Л. А АА
IX X XI ХП I П Ш IV Время отбора проб, месяц
Рис. 1. Сезонная динамика содержания растворимых и нерастворимых компонентов меристематических тканей почек сосны.
1 - водорастворимые вещества; 2 - комплекс клеточных мембран; 3 - комплекс клеточных стенок
Рис. 2. Сезонная динамика содержания белка меристематических тканей почек сосны обыкновенной. 1 - общий белок; 2 - общий мембранный белок; 3 - водорастворимый белок цитоплазмы
а
и
ц ю
VO ü
а ^ Е Е
о
О о О чо
о4
50
40
30
2 20
10
>♦ ♦ ■
Ü-1 1 ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 2 I"" ■ ■ * ♦,
IX X XI ХП I П Ш Время отбора проб, месяц
IV
Рис. 3. Сезонная динамика содержания интегрального и периферического белка меристематических тканей почек сосны обыкновенной. 1 - интегральный белок; 2 -периферический белок
Рис. 5. Сезонная динамика соотношения белок: липид в меристематических тканях сосны обыкновенной. 1 - белок; 2 - липид
Рис. 4. Сезонная динамика содержания интегрального и периферического белка меристематических тканей почек сосны обыкновенной. 1 - интегральный белок; 2 -периферический белок
75
Время отбора проб, месяц
Необходимо отметить, что соотношение белок / липид (рис. 5), характеризующее изменение структуры мембран в меристемах почек сосны в зимнее время, как и у лиственницы, возрастало.
Сравнение полученных результатов исследования белков меристематических тканей почек сосны с результатами, полученными для лиственницы сибирской [2], позволяет отметить, что сезонная динамика белков меристем почек указанных пород, наряду с определенным сходством, имеет ряд существенных отличий. Отмечается значительное увеличение содержания общего белка в меристемах почек обеих пород, которое у сосны обеспечивается за счет роста содержания белка комплекса клеточных мембран, а у лиственницы кроме того, значительным ростом содержания водорастворимого белка цитоплазмы. Сходство динамики содержания мембранных белков может свидетельствовать об идентичности функций, выполняемых этими белками в мембранах.
Несмотря на достаточно высокое содержание водорастворимых веществ в меристемах почек сосны в зимнее время, содержание водорастворимого белка в зимний период снижается до минимальных значений. Это свидетельствует о том, что наличие высоких концентраций водорастворимых белков, способствующих переохлаждению внутриклеточной воды в цитозоле, не требуется для реализации механизма внеклеточного льдообразования.
Список литературы
1. Хлебникова Н.А., Гирс Г.И., Коловский Р.А. Физиологическая характеристика хвойных растений Сибири в зимний период // Труды ИЛиД СО АН СССР. Красноярск, 1963. Т. 60. С. 5-16.
2. Миронов П.В., Алаудинова Е.В., Репях С.М. Низкотемпературная устойчивость живых тканей хвойных // Красноярск, 2001 221 с.
3. Миронов П.В., Алаудинова Е.В., Шимова Ю.С., Репях С.М. Характеристика белков меристематических тканей почек лиственницы сибирской. 1. Состав и сезонная динамика водорастворимых белков // Вестник СибГТУ. 1999. №2. С. 98-105.
4. Миронов П.В., Алаудинова Е.В., Шимова Ю.С., Репях С.М. Характеристика белков меристематических тканей почек лиственницы сибирской. 2. Состав и сезонная динамика белков мембранного комплекса // Вестник СибГТУ. 1999. №2. С. 64-74.
5. Миронов П.В., Алаудинова Е.В., Шимова Ю.С., Репях С.М. Характеристика мембранного комплекса живых тканей лиственницы сибирской // Химия растительного сырья. 2000. №4. С. 49-53.
Поступило в редакцию 11 августа 2002 г.
После переработки 5 декабря 2002 г.
