CC BY
38
Серия «Биология. Экология» И З В Е С Т И Я
2008. Т. 1, № 1. С. 38-40 Иркутского
Онлайн-доступ к журналу: государственного
http://isu. ru/izvestia университета
УДК 581.1
Митохондриальная сигнальная система в клетках растений при температурных стрессах
В. К. Войников
Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, Иркутск E-mail: [email protected]
Аннотация. При температурных стрессах в клетках растений функционирует митохондриальный сигна-линг, который включает в себя взаимодействие информационной и энергетической систем клетки. Показано, что флуктуации температуры вызывают изменения в энергетической активности митохондрий растений. Эти изменения связаны с перестройкой в составе липидов митохондриальных мембран, что вероятно, является сигналом о начале действия температурного стресса. Происходит изменение редокс-состояния мито-
хондриальных мембран и формируется сигнал о стрессе. После трансдукции сигнала в ядро изменяется экспрессия стрессовых генов и происходит синтез стрессовых белков, которые попадают в различные компар-тменты клетки, изменяя ее метаболизм и устойчивость к стрессу.
Ключевые слова: температурный стресс, митохондрии, стрессовые белки.
Одной из центральных проблем современной фитобиологии является исследование механизмов генетической детерминации устойчивости растений к неблагоприятным факторам внешней среды, среди которых особая роль отводится температуре. Действительно, изменение внешних условий, в том числе действие стрессовых температурных факторов, вызывает значительные изменения в метаболизме растительных клеток. При этом реализуется программа избирательной экспрессии генов и осуществляются механизмы генетической детерминации устойчивости растений к стрессам. Осуществляется такая программа в системе целостной клетки и включает в себя множество этапов: рецепцию сигнала о действии стрессового фактора, трансдукцию сигнала в клетку и в геном, изменение экспрессии ряда генов, синтез белков (стрессовых белков) со специфическими функциями, функционирование этих белков, изменение метаболизма клетки. Протекают эти этапы согласованно, т. е. существует внутриклеточная интеграция, направленная на формирование устойчивости клетки к стрессу. Все указанные этапы вызывают значительный интерес, но в данной работе речь пойдет только о взаимодействии информационной и энергетической систем клетки при стрессах: об экспрессии стрессовых белков, о их функциях, о ядерно-митохондриальных взаимоотношениях при редокс-регуляции экспрессии генов во время низкотемпературного стресса.
Материал и методы
В работе использованы проростки и взрослые растения озимой пшеницы (Triticum aesti-vum L.) и ржи (Secale cereale L.), кукуруза (Zea mays L.), дрожжи (Saccharomyces cerevisiae), суспензионная и каллусная культура клеток арабидопсиса (Arabidopsis thaliana). Температурную обработку использованного в работе материала проводили как описано ранее [6; 7; 10; 11; 12]. Вся температурная обработка растительного материала была проведена в условиях контролируемого климата в климатических камерах фитотрона. Использовали ранее описанные методики для: выделения митохондрий [1], для анализа свободных жирных кислот [12], для выделения и изучения состава стрессовых белков [8; 9].
Результаты и обсуждение
Ранее было показано, что при флуктуациях температуры происходят сильные изменения в энергетической активности митохондрий и эти изменения генетически детерминированы [2]. Колебания температуры приводят к изменениям в составе липидов митохондриальных мембран и в количестве и степени насыщенности свободных жирных кислот [12]. Вероятно, эти события можно рассматривать как сигнал о действии стресса. Увеличение количества свободных жирных кислот приводит к изменению редокс-состояния внутренней митохондриаль-
МИТОХОНДРИАЛЬНАЯ СИГНАЛЬНАЯ СИСТЕМА В КЛЕТКАХ РАСТЕНИЙ
39
ной мембраны. Был определен механизм разобщающего действия свободных жирных кислот [5] и определена роль разобщающего белка PUMP и АДФ/АТФ антипортера в этом процессе. Показана координация работы комплексов дыхательной цепи и систем, разобщающих окислительное фосфорилирование [9].
При гипотермии начинают работать классические разобщающие белки, свободные жирные кислоты и неспецифическая пора. Все это приводит к снижению сопряженности окислительного фосфорилирования, к уменьшению уровня свободных форм кислорода и к локальному термогенезу в клетках [5]. Показано, что термогенез, как механизм защиты от низкотемпературного стресса, широко распространен в растительном царстве и является одним из способов защиты растений, неадаптированных к низкой температуре, от повреждения.
При флуктуациях температуры одновременно с изменениями в митохондриальной активности происходит синтез стрессовых белков. Например, при охлаждении растений синтезируются многие стрессовые белки (рис. 1).
1.10
15.10
2.11
17.11
22.01
кД
66
50 —-
24 —-
17 —-15 —-
Рис. 1. Стрессовые белки узлов кущения озимой пшеницы. Сверху указаны даты отбора проб сезона 2001-2002 гг.
Показана дифференциальная экспрессия стрессовых генов. Установлено, что экспрессия этих генов зависит от типа стресса. В то же время имеются гены, которые экспрессируются при любых стрессах [3].
Оказалось, что митохондрии принимают участие в регуляции активности ряда стрессовых генов. Например, установлена зависимость экспрессии генов стрессовых белков от редокс-состояния дыхательной цепи митохондрий дрожжей. Показано, что при тепловом шоке происходит гиперполяризация внутренней митохондриальной мембраны, индукция экспрессии генов белков теплового шока и повышение устойчивости клеток к гипертермии.
Устранение гиперполяризации мембраны с помощью разобщителей окислительного фос-
форилирования или протонофоров приводит к прекращению экспрессии гена Н8Р 104 и к потере клетками устойчивости к действию температуры [10]. Следовательно, редокс-состояние внутренней митохондриальной мембраны регулирует экспрессию генов белков теплового шока и определяет уровень термотолерантности клеток (рис. 2).
Рис. 2. Редокс-регуляция экспрессии генов теплового шока
С использованием суспензионных клеток и культур тканей трансгенных линий арабидоп-сиса со смысловой и антисмысловой последовательностью гена стрессового белка Н8Р 101 (растительный аналог белка Н8Р 104) показана зависимость термоустойчивости растительных клеток от синтеза этого белка [11]. Таким образом, при флуктуациях температуры в клетках растений функционирует связанная с митохондриями сигнальная система (рис. 3). Эта система воспринимает начало действия температурного стресса, передает сигнал о нем в геном и изменяет экспрессию соответствующих генов, контролирующих синтез стрессовых белков.
Рис. 3. Митохондриальная сигнальная система
Серия «Биология. Экология». 2008. Т. l, № l
40
В. К. ВОЙНИКОВ
Литература
1. Войников В. К. К вопросу о выделении ин-тактных растительных митохондрий / В. К. Войников // Изв. Сиб. отд. АН СССР, Сер. биол. наук. -1980. - № 10. - С. 121-125.
2. Войников В. К. Температурный стресс и митохондрии растений / В. К. Войников. - Новосибирск : Наука, 1987. - 142 с
3. Войников В. К. Стрессовые белки растений /
B. К. Войников, Г. Б. Боровский, А. В. Колесниченко и др. - Иркутск : Арт-пресс, 2004. - 129 с.
4. Колесниченко А. В. Белки низкотемпературного стресса растений / А. В. Колесниченко, В. К. Войников. - Иркутск : Арт-пресс, 2003. - 196 с.
5. Колесниченко А. В. Стрессовый белок БХШ 310: характеристика и функции в растительной клетке / А. В. Колесниченко, В. К. Войников, О. И. Грабельных и др. - Иркутск : Изд-во ин-та географии СО РАН, 2004. - 225 с.
6. Мишарин С. И. Влияние холодового шока на антигенный состав озимой ржи и пшеницы /
C. И. Мишарин, А. И. Антипина, В. К. Войников // Физиол. и биохим. культ. растений. - 1997. - Т. 29. -№ 3. - С. 215-219.
7. Побежимова Т. П. Термоустойчивость и функциональная стабильность отдельных комплексов
дыхательной цепи митохондрий кукурузы, инкубируемых in vitro / Т. П. Побежимова, В. К. Войников, Н. Н. Варакина // Физиол. растений. - 1997. - Т. 44, № 6. - С. 873-878.
8. Borovskii G. B. Accumulation of dehydrin-like-proteins in the mitochondria of cold-treated plants / G. B. Borovskii, I. A. Stupnikova, A. I. Antipina et al. // J.Plant Physiol. - 2000. - Vol. 156. - P. 797-800.
9. Kolesnichenko A. V. Non-phosphorylating bypass of the plant mitochondrial respiratory chain by stress protein CSP 310 / A. V. Kolesnichenko, O. I. Grabelnych, T. P. Pobezhimova et al. // Planta. - 2005. - Vol. 221. -P. 113-122.
10. Rikhvanov E. G. Do mitochondria regulate the heat-shock response in Saccharomyces cerevisiae? / E. G. Rikhvanov, N. N. Varakina, T. M. Rusaleva et al. // Curr Genet. - 2005. - 48(1). - Р. 44-59.
11. Rikhvanov E. G. Nuclear-mitochondrial crosstalk during heat shock in Arabidopsis cell culture / E. G. Rikhvanov, K. Z. Gamburg, N. N. Varakina et al. // The Plant Journal. - 2007. - Vol. 52. - P. 763.
12. Vojnikov V. K. The composition of free fatty acids and mitochondrial activity in seedlings of winter cereals under cold shock / V. K. Vojnikov, G. Luzova, A. M. Korzun// Planta.. - 1983. - Vol. 158. - P. 194-198.
Mitochondrial signal system in plant cells under temperature stresses
V. K. Voinikov
Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry, SB RAS, Irkutsk
Abstract. A mitochondrial signal system has been found in plant cells during temperature stresses. Interaction energetic and information systems of cells take part when this system is functioned. Changes in energetic activity of plant mitochondria under temperature fluctuations were shown. These changes are connected with reorganizations of composition of mitochondrial membrane lipids and it is caused signal about temperature stress. Energetic-state mitochondrial membranes is modified and formed stress-signal for change of expression of stress-genes which determine thermotolerance of cell.
Key words: temperature stress, mitochondria, stress-proteins.
Войников Виктор Кириллович
Сибирский институт физиологии и биохимии
растений СО РАН
664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 132 доктор биологических наук, профессор тел.: (3952) 42-67-21, факс (3952) 51-07-54 Е-шаП: [email protected]
Voinikov Viktor Kirillovitch Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS 664033, Irkutsk, 132, Lermontova St.
D.Sc. in Biology, Prof.
phone: (3952) 42-67-21, fax: (3952) 51-07-54 Е-mail: [email protected]
Известия Иркутского государственного университета
