CC BY
49
ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДОРАСТВОРИМЫХ БЕЛКОВ ЦИТОПЛАЗМЫ МЕРИСТЕМ НАБУХШИХ ПОЧЕК ПИХТЫ
СИБИРСКОЙ
Шимова Ю.С., Алаудинова Е.В. (СибГТУ, г.Красноярск, РФ)
This work is dedicated to a study of the dynamics of content and fractional composition of the water-soluble proteins of cytoplasm the meristem of the kidneys of the fir tree of Siberian upon transfer to the active vegetation and loss of low-temperature stability in spring.
Лесные экосистемы являются центрами биологического разнообразия, играют огромную роль в газовом балансе атмосферы и регулировании планетарного климата Земли. Лесные ресурсы являются достоянием всей планеты, так как играют важную роль в экологическом равновесии биосферы. Трудно переоценить значимость лесных экосистем в хозяйственной деятельности человека. На сегодняшний день перед человечеством стоит задача увеличения продуктивности и распространения лесов в регионы с более холодным климатом, поскольку бореальные леса являются легкими планеты. Для этого необходимы глубокие знания о процессах жизнедеятельности древесных растений, их зависимости от различных факторов окружающей среды.
К лесоизбыточным районам относится Сибирь, Дальний Восток и Север европейской части России, в которых хвойные древесные растения, такие как лиственница, ель и пихта являются основными лесообразующими породами. Несмотря на отдельные работы видных биологов, важные вопросы теории адаптации и устойчивости растений к неблагоприятным факторам недостаточно разработаны, а существующие модели не всегда служат научной основой для эффективного воздействия на растения.
Ранее нами было установлено, что белки играют важную роль в формировании низкотемпературной устойчивости хвойных древесных растений [1]. Подробно исследованы состав и свойства водорастворимых белков цитоплазмы меристем зимующих почек ели, пихты и лиственницы [2]. В зимний период в состоянии покоя меристематические ткани почек ели, пихты и лиственницы характеризуется повышенным содержанием белков.
Настоящая работа является продолжением исследования метаболизма меристем почек морозостойких хвойных видов древесных растений и посвящена, в частности, исследованию динамики содержания и фракционного состава водорастворимых белков цитоплазмы меристем почек пихты сибирской при переходе к активной вегетации и утрате низкотемпературной устойчивости весной.
В марте, когда вероятность возникновения сильных морозов уже невысока, содержание белков в меристемах почек, в условиях низкого водосодержания, снижается в полтора - два раза (от 27 % до 19 % от а.с.м. ткани). В апреле, при повышении температуры окружающей среды, количество белка в них вновь возрастает примерно до 34 %, что на 25 % выше среднезимнего содержания. Этот
период характеризуется значительным повышением содержания воды в клетке, а, следовательно, и вероятность повреждения клеток даже при небольших заморозках резко увеличивается. Вероятно, именно этим объясняется повышение содержания водорастворимого белка, обладающего способностью снижать температуру гомогенной нуклеации и тем самым способствовать переохлаждению внутриклеточных растворов [3]. В связи с особенностями строения почек пихты (рисунок 1), в которых реализуется внеорганный механизм льдообразования [1], водорастворимые белки выполняют роль криопротектора, предохраняющего меристематические ткани от низкотемпературных повреждений.
Рисунок 1 - Микрофотография продольного разреза вегетативной почки пихты (растровый электронный микроскоп; х70.1)
Для изучения фракционного состава белков и определения их молекулярных масс использовали метод электрофореза в полиакриламидном геле с додецилсульфатом натрия и Р-меркаптоэтанолом [4]. Фракционный состав водорастворимых белков цитоплазмы меристематических тканей почек пихты в весенний период представлен в таблице 1. Для сравнения приведены также данные, характеризующие зимующие почки.
Таблица 1 - Фракционный состав водорастворимых белков цитоплазмы меристематических тканей почек пихты_
Номер фракции ЯГ ММ, кД В процентах от суммы ВРБЦ****
зима* весна ** весна ***
1 0,03 300 2,5 - -
2 0,05 250 2,7 - -
3 0,07 210 2,6 - -
4 0,09 180 1,9 - 3,5
5 0,11 165 1,7 - -
6 0,13 145 1,8 - -
7 0,14 140 2,6 - -
8 0,17 120 3,1 - -
9 0,19 110 3,1 - 2,3
10 0,21 100 3,3 - -
11 0,24 85 2,7 4 3,6
12 0,26 80 2,9 4,9 -
13 0,29 65 2,9 - 2,2
14 0,32 55 2,7 6,1 -
15 0,35 50 3,3 2,7 -
16 0,38 40 3,1 2,7 4,8
17 0,39 37 3,2 - -
18 0,40 35 3,3 - 14
19 0,43 28 3 6 -
20 0,46 24 3,3 - 2,2
21 0,47 23 3,1 11,4 -
22 0,50 19 2 4,8 8,1
23 0,52 17 1,5 4,2 -
24 0,54 15 1,3 7,1 7,5
25 0,57 12 2,6 - -
26 0,59 11 6,1 1 -
27 0,63 8 - 7,7 4
28 0,67 7,5 3,4 3,6 -
29 0,68 7 4,9 - 13,5
30 0,71 4,5 6,1 11,4 15,4
31 0,74 4,0 - - -
32 0,76 3,5 2,4 5,2 6,1
33 0,79 3 1,2 2,1 -
34 0,82 2,5 - 1 8,8
35 0,84 2,2 2,8 3,7 -
36 0,88 2 - - -
37 0,91 1,8 3,4 - -
38 0,93 1,6 3,5 10,4 4
39 0,96 1,2 - - -
* - среднезимние значения (январь); ** - весенний максимум содержания белка; *** - перед распусканием почек; **** - водорастворимый белок цитоплазмы
Как видно из представленных данных, в зимний период водорастворимые белки цитоплазмы представлены значительно большим количеством фракций. Около 30 % водорастворимого белка цитоплазмы приходятся на фракции с молекулярной массой выше 65 кД. Весной, в момент весеннего максимума содержания водорастворимого белка количество фракций сокращается до 18. При этом в электрофоретическом спектре не удалось обнаружить белков с молекулярной массой свыше 100 кД, присутствующих в зимний период. В это
время отмечается увеличение количества фракций в средне- и низкомолекулярной областях (в основном с молекулярными массами от 30 до 5 кД), которые могут быть как продуктами распада высокомолекулярных белков, полностью исчезающих в этот период, так и вновь синтезированными белками, необходимыми для обеспечения процессов жизнедеятельности клетки.
Перед распусканием почек, на фоне резкого снижения содержания водорастворимого белка до 3 % от а.с.м. ткани происходит уменьшение количества фракций, доля низкомолекулярных фракций возрастает до 50 % от суммы водорастворимого белка.
Таким образом, проведенные исследования позволяют предположить, что водорастворимые белки цитоплазмы играют важную роль в формировании низкотемпературной устойчивости меристематических тканей почек пихты сибирской. Изученные количественные изменения и фракционный состав водорастворимых белков свидетельствуют о глубоких биохимических перестройках цитоплазмы меристематических клеток при утрате низкотемпературной устойчивости. Снижение почти на порядок содержания водорастворимого белка и его высокомолекулярных фракций, обладающих выраженным криозащитным действием, полностью согласуется с утратой меристемами низкотемпературной устойчивости, а появление новых фракций - с изменением фенологического состояния дерева.
Литература
1. Миронов П.В., Алаудинова Е.В., Репях С.М. Низкотемпературная устойчивость живых тканей хвойных. Красноярск, 2001.- 221 с.
2. Шимова Ю.С., Алаудинова Е.В., Миронов П.В., Репях С.М. Физико-химические свойства криозащитных белков меристем зимующих почек ели и пихты . //Лесной журнал, 2003 - № 6. -С. 75-82
3. Миронов П.В., лоскутов С.Р., Левин Э.Д. О фазовом переходе воды в зимующих побегах лиственницы сибирской. // Лесной журнал. - 1985. - № 5. - С. 9 - 12.
4. Функциональная биохимия клеточных структур. - М.: Наука, 1970. - С. 143-152.
