CC BY
13
УДК 577*632.4 Acnip. Н.1. Груник; тж. Ю.1. Шаловило;
ст. наук. ствроб. В.А. Ковальова, канд. бюл. наук; проф. Р. Т. Гут, д-р бюл. наук - НЛТУ Украти, м. Rbeie
Л1П1ДТРАНСФЕРН1 ПРОТЕ1НИ РОСЛИН: СТРУКТУРА, ФУНКЦ11 I Б1ОТЕХНОЛОГ1ЧН1 ПЕРСПЕКТИВИ
Розглянуто будову, функци i особливост експресп дшщтрансферного проте!ну рослин. Окреслено перспективи використання цього проте!ну в бютехнолопях 3i за-хисту рослин вщ фiтопатогенiв.
Ключовi слова: дшщтрансферш проте!ни (ЛТП), антимiкробнi пептиди (АМП).
Вступ. В умовах зростання негативного впливу антропогенного i природного чинниюв на л1сов1 екосистеми проблема бюлопчно! стшкост люоут-ворювальних деревних порщ набувае особливо! актуальность Усшшне !! ви-ршення пов'язане, насамперед, i3 впровадженням у практику люового госпо-дарства новггшх технологш захисту люу, як базуються на знаннях молеку-лярно-генетичних основ ф1то1мун1тету. Вщомо, що в складнш систем1 кон-ститутивних й шдукованих механ1зм1в захисту рослин вщ фггопатогешв, ключова роль належить антимжробним проте!нам/пептидам (АМП). АМП рослин подшяють на декшька груп: тюнши, лшщтрансферш проте!ни, кноти-ни, геве!ни, снейкши, дефензини та шшь Гени АМП е привабливими об'екта-ми для генетично! шженери у створенш культур, стшких до фггопатогешв. Зокрема, перспективним кандидатом для використання у нов^шх генно-ш-женерних технолопях захисту люу е лшщтрансферний проте!н, завдяки його ушкальним бюлопчним властивостям.
Виклад основного матерiалу. Лшщтрансферний протеш (ЛТП) рослин вщкрив Кадер у 1975 р. у насшш редьки. Так назвали цей протеш завдяки його здатност переносити лшщи м1ж мембранами in vitro [3]. У наступш роки ЛТП було виявлено в рiзних органах: у насшш, стручках, листках, паго-нах, фруктах, квггках i в коренях багатьох видiв рослин. Встановлено, ЛТП переносять рiзнi типи полярних лшщв (фосфатилилхолiн, фосфотидилетано-ламiн, тощо). Внаслiдок низько! специфiчностi до лшщв, рослиннi ЛТП та-кож називають Mнеспецифiчними лiпiдтрансферними проте!нами - нсЛТП". Рослиннi ЛТП подiляють на двi субродини з вiдповiдними молекулярними масами: 9 кДа (ЛТП1) та 7 кДа (ЛТП2), як вiдрiзняються за бiохiмiчними властивостями, а також i фiлогенетично [3, 7].
Структура ЛТП. ЛТП синтезуеться у виглядi пре-проте!ну з типовим N-кiнцевим сигнальним пептидом, який складаеться з 20-25 амшокислот i зршо! форми приблизно з 91-95 амшокислотних залишкiв [3]. Зрший поль пептид складаеться з а-сшралей (40 % вЫе! вторинно! структури), якi з,еднанi дисульфiдними мiстками (рис. А). Тривимiрна структура родини ЛТП (рис. Б) була встановлена з використанням методiв ЯМР та рентгенострук-турного аналiзу.
Проте!н мiстить чотири a-спiралi та С - кшцевий сегмент, що мае упо-рядковану структуру. Пдрофобна внутрiшня кишеня - це дшянка зв'язування мiж алiфатичними ланцюгами лiпiдiв та гiдрофобними залишками, розкида-ними у порожнинi [5]. Обидвi родини мають у структурi молекули вiсiм цис-
32
Збiрник науково-технiчних праць
Науковий тсиик НЛТУ Укра'1'ни. - 2011. - Вип. 21.8
те!нових MOTOBiB i характеризуються низькою подiбнiстю за амшокислотним складом (30 % гомологи) [7].
А "-1 «-'
___„ г» гС*2* Г^'Ы^50 С73 С7
ЛТП1 ** • • • ^ ■ > • V-' • • а V 1 > ... V^ ... ...
__ __ I-1 I-1
ЛТП2 П3 С11 С26 C3S РГ"7 Cei О"
• • V/ • • • • • • \_/ V__/ ■ • • V^ X • ф • V/ * * * V—/ ■ ■ *
Б 1-1 1-J
ЛТП1 ЛТП2
Рис. А — структурне зображення чотирьох дисульфiдних зв'язтврослинних ЛТП; Б — тривимiрна структура ЛТП1 та ЛТП2 (на прикладi ЛТП рису) [7]
Специфiчним для кожно! з родин ЛТП е характер утворення дисуль-фщних зв'язюв для п'ятого та шостого цисте1шв (С5 та С6), а саме: для роди-ни ЛТП1 С5 утворюе дисульфiдний мостик iз С8 i С6 iз С1, натомють у роди-ни ЛТП2 - С5 утворюе дисульфiдний зв'язок iз С1, а С6 - iз С8. Незважаючи на те, що гiдрофобна порожнина ЛТП1 е бшьшою, порожнина ЛТП2 е менш консервативною щодо структурно-конформацiйних змiн. Це забезпечуе мож-ливiсть розмiщення широкого спектра лшщв, зокрема стеролiв.
Бiологiчна роль ЛТП. На початкових етапах вивчення ЛТП було встановлено, що вони е потенцшними посередниками внутршньокштинного мембранного транспорту лшщв, що шдтверджено дослщами in vitro. По-дальшi дослщження лiпiдтрансферних проте!шв рiзних видiв рослин показали, що ЛТП залучеш у таких бюлопчних процесах, як:
• ембрюгенез та синтез кутину [12];
• захист проти бютичних чиннишв (антифунгальна та антимiкробна дiя) [3];
• адаптацй' рослин до умов зовтшнього середовища [9];
• рiст i розвиток рослин, зокрема ЛТП е модуляторами рослинного росту [12].
ЛТП та захист ввд патогешв. ЛТП е важливим фактором прямого за-хисту проти бактершних i грибкових збудникiв, що було показано на екстрактах проте!тв iз редиски (Raphanus sativus), ячменю (Hordeum vulgare), Arabidopsis thaliana, шпинату (Spinacia oleracea) та насшня цибулi (Allium cepa) в умовах in vitro [1]. Кожна з iзоформ ЛТП мае здатнiсть iнгiбувати рют бактерiйних i грибкових збудникiв в тш чи iншiй степенi залежно вiд iзофор-ми та патогена. Присутшсть iонiв кальцiю призводить до зниження антимж-робно! ефективностi в умовах in vitro. Про важливу роль ЛТП у захисних ме-хашзмах рослин свiдчать такi факти:
• зовтшньо-клггинна локал1защя ЛТП, що створюе захисний бар'ер на шляху
патогешв [11];
• висока активтсть in vitro проти ф1топатогенних грибшв та бактерш [11];
• ЛТП спричиняють пермеабшзащю штактних спор патогенного грибка Fusa-riun solani у дозозалежний спошб [6];
• експре^ гену nsltp ячменю у тютюну та арабвдопсису тдвищуе стшюсть до патогенного мшрооргатзму (Pseudomonas syringae) [4];
• щдукований характер експресй ltp гетв у вщповвдь на атаку бактерш грибшв та в1рус1в;
• участь ЛТП у сигнальних шляхах, зад1яних у формування набуто!' системно!' резистентност (НСР) [11];
• антоготстичне зв'язування з рецепторами фунгальних ел1ситор1в на мембра-m рослинно! клгтини [8].
• ЛТП входять до складу гвдрофобного захисного мембранного пол1меру - ку-тину [3].
Бттехнолопчш перспективи ЛТП. ЛТП були виявлеш як у покри-тонасшних рослин, так i в геномах голонасшних, зокрема у тиса, модрини, гшго та деяких видах сосни (Pinus taeda, P. sylvestris, P. strobus), де вони утво-рюють мультигенш родини. Нещодавно лiпiдтрансферний проте!н виявили у сосни звичайно! сшвробгтники лабораторi! молекулярно-генетичних рослин НЛТУ Укра!ни i з'ясували його антифунгальнi властивост [10].
ЛТП можуть бути використаш для пiдвишення стiйкостi лiсових культур до фгтозахворювань шляхом генетично! iнженерi!. Так, дослiджено, що тополя (Populus tomentosa Carr.) iз конститутивною експрешею ЛТП собачо! кропиви (Leonurus japonicus) виявилась стiйкою до ураження фгтопатогенни-ми грибами Alternaria alternata (Fr.) Keissler and Colletotrichum gloeosporioides (Penz.) [2]; у трансгенних рослинах тютюну та арабщопсису експресiя ЛТП2 з ячменю спричинила рiзке скорочення некротичних ефеклв, що вини-кають внаслiдок зараження бактерiями роду Pseudomonas.
Гени ЛТП можуть бути використаш як маркери в програмах тдви-щення бюлопчно! стшкосл лiсових порщ через селекцiю стiйких генотипiв, для розроблення новгтшх технологiй захисту люу на основi керування iмун-ною системою рослин.
Висновки. Отже, ЛТП рослин - це невелию проте!ни молекулярною масою 7-9 кДа, яю складаються з чотирьох a-спiралей, з'еднаних цисте!нови-ми мiстками. Вони функцюнують як природнi антипатогени, а також залуче-нi у процесах синтезу кутину, транспортування лiпiдiв мiж мембранами та адаптаци рослин до чинниюв навколишнього середовища. ЛТП - перспективы кандидати на використання у нов^шх технологiях захисту рослин.
Робота тдтримана грантом ДФФД Укра!ни (проект № Ф41.4 / 049).
Лггература
1. Franky R.G. In vitro antifungal activity of a Radish (Raphanus sativus L.) Seed protein homologous to Nonspecific Lipid Transfer Proteins / R.G. Franky Terras, J. Inge Goderis, F. van Leu-ven, J. Vanderleyden // Plant Physiol. - 1992. - P. 1055-1058.
2. Jia Zh. Enhanced resistance to fungal pathogens in transgenic Populus tomentosa Carr. by overexpression of an nsLTP-like antimicrobial protein gene from motherwort (Leonurus japonicus) / Zhichun Jia, Jiqing Gou, Yimin Sun, Li Yuan, Qiao Tang // Tree Physiology. - 2010. - Vol. 30. - P. 1599-1605.
3. Kader Jean-Claude. Lipid-transfer proteins in plants / Jean-Claude Kader // Plant Mol. Biol. - 1996. - Vol. 47. - P. 627-654.
34
Збiрник науково-техшчних праць
Науковий вкник НЛТУ Укра'1'ни. - 2011. - Вип. 21.8
4. Molina A. Lipid transfer proteins (nsLTPs) from barley and maize leaves are potent inhibitors of bacterial and fungal plant pathogens / A. Molina, A. Segura and F. Garcia-Olmedo // FEBS Lett. - 1993. - Vol. 316. - P. 119-122.
5. Nieuwland Jeroen. Lipid Transfer Proteins enhance cell wall extension in Tobacco / J. Ni-euwland, R. Feron, B.H. Huisman, A. Fasolino // The Plant Cell. - 2005. - Vol. 17. - P. 2009-2019.
6. Regente M.C. The cytotoxic properties of a plant lipid transfer protein involve membrane permeabilization of target cells / M.C. Regente, A.M. Giudici, J. Villalain and L. de la Canal // Lett. Appl. Microbiol. - 2005. - Vol. 40. - P. 183-189.
7. Samuel D. Solution Structure of Plant Nonspecific Lipid Transfer Protein-2 from Rice / D. Samuel, Y.-J. Liu, Ch. - Sh. Cheng, and P. - Ch. Lyu // The Journal of Biological Chemistry. -2002. - Vol. 277, No. 38. - P. 35267-35273.
8. Tassin S. Solution structure of Ace-AMP1, a potent antimicrobial protein extracted from onion seeds. Structural analogies with plant nonspecific lipid transfer proteins / S. Tassin, W.F. Bro-ekaert, D. Marion, D P. Acland, M. Ptak, F. Vovelle and P. Sodano // Biochemistry. - 1998. - Vol. 37. - P. 3623-3637.
9. Trevor H. The biochemistry and biology of extracellular plant lipid-transfer proteins (LTPs) / H. Trevor, K.C. Rose // Protein Science. - 2008. - Vol. 8. - P. 191-198.
10. Kovaleva V. Purification and molecular cloning of antimicrobial peptides from Scots pine seedlings / V. Kovaleva, R. Kiyamova, R. Cramer, H. Krynytskyy, I. Gout and el. // Peptides. -2009. - 30. - № 12. - P. 2136-43.
11. Wang Z. Identification of nonspecific lipid transfer protein-1 as a calmodulin-binding protein in Arabidopsis / Z. Wang, W. Xie, F. Chi and C. Li // FEBS Lett. - 2005. - Vol. 579. - P. 1683-1687.
12. Yubero-Serrano E. Identification of a strawberry gene encoding a non-specific lipid transfer protein that responds to ABA, wounding and cold stress / E.-М. : Yubero-Serrano, E. Moyano, N. Medina-Escobar // Journal of Experimental Botany. - 2003. - Vol. 54, No. 389. - P. 1865-1877.
ГруникН.И., ШаловилоЮ.И., КовалеваВ.А., ГутР.Т. Липидтран-сферные протеины растений: структура, функции и биотехнологические перспективы
Рассмотрены строение, функции и особенности экспрессии липидтрансферного протеина растений. Предложены перспективы использования этого протеина в биотехнологиях по защите растений от фитопатогенов.
Ключевые слова: липидтрансферные протеины (ЛТП), антимикробные протеины (АМП).
GrunykN.I., Shalovylo Yu.I., Kovaleva V.A., GoutR.T. Plant lipid transfer proteins: structure, function and biotechnological prospects
In this article we described structure, functions and expression specificities of the plant lipid transfer proteins. The application prospects of this protein in the plant protection biotechnology are discussed.
Keywords: lipid-transfer proteins , antimicrobial proteins (AMP).
Проаналiзовано ютор^ дослщження впливу освгглення мюць зростання та магштного поля Землi на види грибiв роду Russula S.F. Gray. Описано особливосп впливу св^лового потоку та магштного поля на рют, розмiри та розташування на пробнш площi плодових тш дослщжуваних видiв. Наведено цифровi даш морфомет-ричних параметрiв плодових тш Russula cyanoxantha (Secr.) Fr. та Russula aeruginea Lindbl. за рiзних дiапазонiв осв^лення.
Ключовi слова: гриб, плодове тшо, осв^лешсть, магштне поле, напрям росту.
УДК 630*892.5
Здобувач Т.В. Колодш - НЛТУ Украти, м. Льв1в
ВПЛИВ ОСВ1ТЛЕНОСТ1 М1СЦЬ ЗРОСТАННЯ ТА МАГН1ТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛ1 НА ПЛОДОВ1 Т1ЛА ВИД1В
РОДУ RUSSULA S.F. GRAY
