Научная статья на тему 'Низкотемпературная устойчивость тканей меристем почек хвойных: особенности распределения связанной воды в клетках'

Низкотемпературная устойчивость тканей меристем почек хвойных: особенности распределения связанной воды в клетках Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
118
19
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
LARIX SIBIRICA L / PICEA OBOVATA L / ABIES SIBIRICA L / PINUS SILVESTRIS L / PINUS SIBIRICA DU TOUR / МЕРИСТЕМАТИЧЕСКИЕ ТКАНИ ПОЧЕК ХВОЙНЫХ / ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ / ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ВОДЫ / ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ВЕЩЕСТВА ЦИТОПЛАЗМЫ / КОМПЛЕКС КЛЕТОЧНЫХ СТЕНОК И МЕМБРАН / MERISTEMATIC TISSUE OF BUDS OF CONIFERS / DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY / PHASE TRANSFORMATIONS OF WATER / WATER-SOLUBLE SUBSTANCES OF THE CYTOPLASM / THE COMPLEX CELL WALLS AND MEMBRANES

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Миронов П.В., Алаудинова Е.В., Лоскутов С.Р.

Приведены результаты изучения распределения воды в клетках зимующих меристем почек лиственницы сибирской (Larix sibirica L.), ели (Picea obovata L.), пихты (Abies sibirica L.), сосны обыкновенной (Pinus silvestris L.) и сосны кедровой (Pinus sibirica Du Tour) в состоянии низкотемпературной устойчивости. Методом дифференциальной сканирующей калориметрии исследованы особенности изменения теплоемкости образцов модельных систем в области фазовых превращений воды: целых тканей меристем, суммарных фракций водорастворимых веществ цитоплазмы клеток меристем, водорастворимых белков, низкомолекулярных растворимых веществ, комплекса клеточных стенок и мембран. Показано, что плавление льда начинается около-40 °С и для целых тканей меристем завершается около -3 °С при содержании воды в ткани ~1,4 г/г сухой ткани. Для указанных образцов установлены значения величин теплопоглощения при плавлении льда в диапазоне температур -40-0 °С, приведены зависимости теплопоглощения от температуры. На основе этих измерений определены значения содержания невымораживаемой (некристаллизующейся) при любых температурах воды в целых тканях, а также воды, контролируемой растворимыми и нерастворимыми компонентами клеток. Определено также содержание жидкой и твердой фазы в температурном диапазоне фазовых превращений воды. Приведены результаты определения равновесного содержания жидкой фазы со льдом. Показано, что обезвоживание клеток и клеточных структур в результате образования льда не может быть меньше значений равновесного содержания воды. Ткани меристем сохраняли жизнеспособность при остаточном содержании воды ~0,450,50 г/г сухой массы ткани. При этом комплекс клеточных стенок и мембран дегидратирован до содержания невымораживаемой воды ~0,25 г/г, т. е. поведение незамерзшей воды в области 4020 °С определяется преимущественно ее взаимодействием с низкомолекулярными растворимыми веществами цитоплазмы.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Миронов П.В., Алаудинова Е.В., Лоскутов С.Р.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The results of a study of water distribution in cells over-wintering Meri-stem buds of Siberian larch (Larix sibirica L.), spruce (Picea obovata L.), fir (Abies sibirica L.), Scotch pine (Pinus silvestris L.) and cedar (Pinus sibirica Du Tour) as the low-temperature stability. The method of differential scanning calorie-meter the features of the change of heat capacity of samples of model systems in the field of phase transformations of water: as much as the tissues of the meristem, the total fractions of water-soluble substances of the cytoplasm of cells of the meristem, water soluble proteins, niskama-molecular soluble substances, complex cell walls and membranes. It is shown that the melting of ice begins at about -40 °C and to entire tissues of the meristem terminates near -3 °C when water content of fabric~1.4 g/g of dry tissue. For these samples of set values of heat absorption during the melting of ice in the temperaturerange -40-0 °C, shows the dependence of absorption on temperature. Based on these from measurements the values of the content nevynashivanii (rekristallizatsiya) at any temperature of water in whole tissues and also water controlled by the solubility of the resources and insoluble components of cells. Also defines the content of the liquid and solid phases in the temperature range of phase transformations of water. The results of the determination of the equilibrium content of the liquid phase of ice. It was shown that the dehydration of cells and cellular structures due to ice formation may not be less than the values of equilibrium water content. Tissue meristem maintained, inespo-ability when the residual water content of about 0,45-0,50 g/g of dry weight tissue. The complex cell walls and membranes dehydration to nevynashivanii water content ~0.25 g/g, i. e. the behavior of unfrozen water in the region -40 to -20 °C was determined mainly by its interaction with low molecular weight soluble substances of the cytoplasm.

Текст научной работы на тему «Низкотемпературная устойчивость тканей меристем почек хвойных: особенности распределения связанной воды в клетках»

УДК 630*181.324

Хвойные бореальной зоны. Том XXXV, № 1-2. С. 117-122

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ТКАНЕЙ МЕРИСТЕМ ПОЧЕК ХВОЙНЫХ: ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВЯЗАННОЙ ВОДЫ В КЛЕТКАХ

П. В. Миронов1, Е. В. Алаудинова1, С. Р. Лоскутов2

1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: mpv@sibgtu.ru

2Институт леса имени В. Н. Сукачёва СО РАН - обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН Российская Федерация, 6600360, г. Красноярск, Академгородок, 50, стр. 28

Приведены результаты изучения распределения воды в клетках зимующих меристем почек лиственницы сибирской (Larix sibirica L.), ели (Picea obovata L.), пихты (Abies sibirica L.), сосны обыкновенной (Pinus silvestris L.) и сосны кедровой (Pinus sibirica Du Tour) в состоянии низкотемпературной устойчивости. Методом дифференциальной сканирующей калориметрии исследованы особенности изменения теплоемкости образцов модельных систем в области фазовых превращений воды: целых тканей меристем, суммарных фракций водорастворимых веществ цитоплазмы клеток меристем, водорастворимых белков, низкомолекулярных растворимых веществ, комплекса клеточных стенок и мембран. Показано, что плавление льда начинается около -40 °С и для целых тканей меристем завершается около -3 °С при содержании воды в ткани ~1,4 г/г сухой ткани. Для указанных образцов установлены значения величин теплопоглощения при плавлении льда в диапазоне температур -40-0 °С, приведены зависимости теплопоглощения от температуры. На основе этих измерений определены значения содержания невымораживаемой (некристаллизующейся) при любых температурах воды в целых тканях, а также воды, контролируемой растворимыми и нерастворимыми компонентами клеток. Определено также содержание жидкой и твердой фазы в температурном диапазоне фазовых превращений воды. Приведены результаты определения равновесного содержания жидкой фазы со льдом. Показано, что обезвоживание клеток и клеточных структур в результате образования льда не может быть меньше значений равновесного содержания воды. Ткани меристем сохраняли жизнеспособность при остаточном содержании воды ~0,45-0,50 г/г сухой массы ткани. При этом комплекс клеточных стенок и мембран дегидратирован до содержания невымораживаемой воды ~0,25 г/г, т. е. поведение незамерзшей воды в области -40-20 °С определяется преимущественно ее взаимодействием с низкомолекулярными растворимыми веществами цитоплазмы.

Ключевые слова: Larix sibirica L., Picea obovata L., Abies sibirica L., Pinus silvestris L., Pinus sibirica Du Tour, меристематические ткани почек хвойных, дифференциальная сканирующая калориметрия, фазовые превращения воды, водорастворимые вещества цитоплазмы, комплекс клеточных стенок и мембран.

Conifers of the boreal area. Vol. XXXV, No. 1-2, P. 117-122

LOW-TEMPERATURE RESISTANCE OF TISSUES MERISTEMS OF THE BUDS OF CONIFERS: FEATURES DISTRIBUTION OF BOUND WATER IN THE CELLS

P. V. Mironov1, E. V. Alaudinova1, S. R. Loskutov2

:Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: mpv@sibgtu.ru 2Sukachev Institute of Forest of the Siberian Branch of the RAS 50, bil. 28, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

The results of a study of water distribution in cells over-wintering Meri-stem buds of Siberian larch (Larix sibirica L.), spruce (Picea obovata L.), fir (Abies sibirica L.), Scotch pine (Pinus silvestris L.) and cedar (Pinus sibirica Du Tour) as the low-temperature stability. The method of differential scanning calorie-meter the features of the change of heat capacity of samples of model systems in the field of phase transformations of water: as much as the tissues of the meristem, the total fractions of water-soluble substances of the cytoplasm of cells of the meristem, water soluble proteins, niskama-molecular soluble substances, complex cell walls and membranes. It is shown that the melting of ice begins at about -40 °C and to entire tissues of the meristem terminates near -3 °C when water content of fabric ~1.4 g/g of dry tissue. For these samples of set values of heat absorption during the melting of ice in the temperature

range -40-0 °C, shows the dependence of absorption on temperature. Based on these from measurements the values of the content nevynashivanii (rekristallizatsiya) at any temperature of water in whole tissues and also water controlled by the solubility of the resources and insoluble components of cells. Also defines the content of the liquid and solid phases in the temperature range ofphase transformations of water. The results of the determination of the equilibrium content of the liquid phase of ice. It was shown that the dehydration of cells and cellular structures due to ice formation may not be less than the values of equilibrium water content. Tissue meristem maintained, inespo-ability when the residual water content of about 0,45-0,50 g/g of dry weight tissue. The complex cell walls and membranes dehydration to nevynashivanii water content ~0.25 g/g, i. e. the behavior of unfrozen water in the region -40 to -20 °C was determined mainly by its interaction with low molecular weight soluble substances of the cytoplasm.

Keywords: Larix sibirica L., Picea obovata L., Abies sibirica L., Pinus silvestris L., Pinus sibirica Du Tour, meristematic tissue of buds of conifers, differential scanning calorimetry, phase transformations of water, water-soluble substances of the cytoplasm, the complex cell walls and membranes.

ВВЕДЕНИЕ

Состояние низкотемпературной устойчивости живых тканей зимующих древесных растений достигается в результате сложной биохимической адаптации, включающей блокирование процессов жизнедеятельности, формирование устойчивой структуры клеточных мембран, накопление в клетках веществ, обладающих криопротекторными свойствами, снижение в клетках содержания воды или перераспределение в сторону ее связанных форм и другие процессы. Особенности взаимовлияния клеточных компонентов на структуру и свойства связанной воды, а также воды на структуру и свойства биополимеров и надмолекулярных структур, тесно связаны с проблемой сохранения жизнеспособности биологических объектов при воздействии экстремальных условий и в том числе низких температур [3; 10-12].

Таким образом, целью адаптации к низким температурам, в первую очередь, является такое изменение состояния воды в клетках, при котором обеспечивается минимизация опасных для клетки последствий ее внутри- и внеклеточной кристаллизации, в том числе и связанного с этими процессами обезвоживания клеток и клеточных структур.

Ранее нами было установлено, что в процессе адаптации к зимним условиям содержание воды в тканях меристем почек хвойных снижалось почти вдвое и в состоянии вынужденного покоя составляло 1,3-1,4 г Н2О/г сухой массы ткани [1; 2; 6-8]. Было также показано, что меристемы почек хвойных способны к переохлаждению внутриклеточной воды, причем в большей степени эта способность характерна для меристем почек лиственницы, пихты и ели, и в несколько меньшей степени для сосны и кедра. При снижении температуры и образовании льда в прилегающих тканях меристемы претерпевали обезвоживание в результате миграции воды по незамерзающим коммуникациям к центрам льдообразования, расположенным вне клеток и тканей меристем. При этом достигалось остаточное содержание воды - около 0,45-0,50 г Н2О/г сухой массы ткани. Кроме того, методами термического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии было измерено содержание связанной, невыморажи-ваемой при любых температурах воды, которое оказалось близким для всех исследованных пород - около 0,35 г/г сухой массы тканей меристем [8].

В модельных экспериментах было также установлено, что в случае достижения указанного остаточно-

го содержания воды в меристемах при относительно медленном снижении температуры до -12...-15 °С их жизнеспособность сохранялась даже при последующем замораживании вплоть до температуры жидкого азота (-196 °С). На основании этих экспериментов был сделан вывод об относительной устойчивости тканей меристем к внутриклеточной кристаллизации воды. В связи с изложенным представляет интерес дальнейшее изучение механизмов устойчивости, в том числе вопросы о локализации воды в клетках, способной к кристаллизации при низких температурах, о растворимых и нерастворимых клеточных структурах, контролирующих низкотемпературное поведение воды и распределении между ними связываемой воды. В данной работе предпринята попытка ответить на эти и другие вопросы на основе изучения особенностей фазовых превращений воды в области температур ее кристаллизации и плавления в различных модельных системах: целых тканях, выделенных из них нерастворимых и растворимых компонентов клеток, включая суммарные фракции комплекса клеточных стенок и мембран, водорастворимых белков цитоплазмы и низкомолекулярных соединений.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования являлись зачаточные (ме-ристематические) ткани, выделенные из вегетативных почек, распространенных в Красноярском крае хвойных древесных растений: лиственницы сибирской (Larix sibirica L.), ели (Picea obovata L.), пихты (Abies sibirica L.), сосны обыкновенной (Pinus silvestris L.) и сосны кедровой (Pinus sibirica Du Tour). Побеги последнего года срезали зимой (декабрь-февраль) с деревьев 50-60-летнего возраста, произрастающих в пригородной зоне г. Красноярска на территории Мининского лесничества. Побеги хранили в полиэтиленовых пакетах в морозильной камере при -15 °С.

Гомогенизацию тканей меристем с целью получения препаратов нерастворимых клеточных компонентов (комплекса клеточных стенок и мембран), а также водорастворимых веществ клеток для калориметрических и сорбционных исследований проводили в ступке вручную с добавлением охлажденной до 0 °С дистиллированной воды в соотношении 1 : 20 без защитных добавок. Комплекс клеточных стенок и мембран в виде осадка отделяли посредством центрифугирования разбавленного водой гомогената в течение 30 мин при 22 000 g. Полученный осадок промывали водой и

центрифугировали при тех же условиях. Надосадоч-ные жидкости объединяли и концентрировали в ротационном вакуумном испарителе до необходимого содержания растворенных веществ.

Разделение фракции водорастворимых веществ на высокомолекулярную (белки) и низкомолекулярную фракции осуществляли методом гель-проникающей хроматографии с использованием сефадекса в-25 [5]. Препараты модельных систем «растворимые вещества цитоплазмы», «высокомолекулярные растворимые вещества цитоплазмы», «низкомолекулярные вещества цитоплазмы», «комплекс клеточных стенок и мембран», а также целых тканей меристем с различным содержанием воды для калориметрических исследований получали путем подсушивания в лабораторном лиофилизаторе без замораживания образцов.

Исследование особенностей состояния и поведения воды области отрицательных температур в полученных образцах проводили методом дифференциальной сканирующей калориметрии [9] с использованием прибора фирмы «КБТ28СИ» (Германия) и сканирующего микрокалориметра типа Кальве, сконструированного и изготовленного в проблемной лаборатории СибГТУ. Величину тепловых эффектов, сопровождающих фазовые переходы, определяли по площади пиков выделения и поглощения тепла на калориметрических кривых.

Измерение температурной зависимости теплоемкости образцов в области фазовых переходов проводили методом непрерывного нагрева [9]. Удельную теплоту плавления льда находили как тангенс угла наклона зависимости теплового эффекта, рассчитанного на 1 г сухой массы образца, от содержания воды, выраженного в г воды на 1 г сухой массы. Количество невыморажи-ваемой воды устанавливали по пересечению этой линии с осью водосодержания [4]. Скорость изменения температуры при этих измерениях составляла 10-20 °С/ч.

Значения равновесного (со льдом) содержания воды в образцах при отрицательных температурах определяли как содержание воды в них после длительного выдерживания (две недели) в герметичных бюксах в присутствии льда.

Инструментальная погрешность при определении теплового эффекта по площади, ограниченной кривой изменения теплоемкости или тепловой мощности, не превышала 3 %; погрешность при измерении температуры образца составляла ±0,2 °С. Погрешность при определении равновесного содержания воды составляла не более 5 %.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 в качестве примера приведены зависимости изменения теплоемкости образцов тканей меристем почек лиственницы в области фазовых переходов воды, а на рис. 2 - кривые изменения теплоемкости образцов низкомолекулярных растворимых веществ цитоплазмы, водорастворимых белков и нерастворимых клеточных компонентов с одинаковым содержанием воды (0,6 г/г с. м.).

Из рисунков следует, что плавление в тканях меристем начинается около -40 °С и происходит в широком диапазоне температур.

Приведенные данные позволяют сделать вывод о том, что в области температур -40...-20 °С фазовый переход претерпевает вода, связанная низкомолекулярными растворимыми веществами, а при температурах выше -20 °С - вода, контролируемая нерастворимыми компонентами клеток - клеточными стенками и мембранами. Промежуточное положение занимают высокомолекулярные соединения (преимущественно водорастворимые белки) - фазовый переход воды в образцах растворимых белков начинался около -30 °С.

Таким образом, кривые изменения теплоемкости свидетельствуют о том, что жидкая фаза воды в клетках появлялась при нагреве с температуры около -40 °С. Кроме того, ход кривых изменения теплоемкости для образцов различной влажности указывает на то, что при отрицательных температурах в области фазового перехода состояние воды характеризовалось определенным соотношением жидкой и твердой фаз.

¡3 5

о 4

С

с

£

Ф 3

5

14

/ Г

1 1\

-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Температура, °С

Рис. 1. Температурная зависимость изменения теплоемкости в области фазового перехода воды в тканях меристем почек лиственницы:

1 - 0,4 г Н2О/г сухой массы; 2 - 0,45 г/г; 3 - 0,52 г/г; 4 - 0,62 г/г; 5 - 0,72 г/г

Пики изменения теплоемкости свидетельствуют о поглощении тепла при плавлении льда. На рис. 3 приведены кривые зависимостей количества поглощенной теплоты при плавлении льда от температуры, а на рис. 4 - соответствующие зависимости теплопо-глощения от содержания воды в образцах. Количество поглощенной теплоты при плавлении льда на данных рисунках рассчитано на 1 г сухой массы образцов, а содержание воды - в г Н2О/г сухой массы. Тангенсы углов наклона прямых в этих координатах на рис. 4 соответствуют удельной теплоте плавления, которая приблизительно равна величине 310±8 Дж/г Н2О для всех представленных образцов.

Точки пересечения этих прямых с осью содержания воды определяют количество незамерзающей (не-кристаллизующейся) воды в образцах. Наименьшее количество такой связанной воды (0,25 г Н2О/г сухой массы) содержалось в нерастворимых компонентах клеток, наибольшее (около 0,55 г/г) - в образцах низкомолекулярных растворимых веществ.

8

7

6

е2

0

Если сопоставить количества поглощенной теплоты с температурами плавления и содержанием воды, используя рис. 3 и 4, то можно построить графики зависимостей температур плавления от содержания воды в образцах.

20 18

и ]| 16

5 14

¡3

| 12

ф

£ 10 с

ф

Р 8

ф

I 6

х

1 4

гс

2 0

3

2 /

/

/ /

1

/ ^ 1 --

-50

-40

-30 -20

Температура,

-10

10

Рис. 2. Температурные зависимости изменения теплоемкости образцов низкомолекулярных растворимых веществ цитоплазмы, водорастворимых белков и нерастворимых клеточных компонентов с одинаковым содержанием воды (0,6 г/г с. м.):

1 - фракция низкомолекулярных растворимых веществ;

2 - водорастворимые белки цитоплазмы; 3 - комплекс клеточных стенок и мембран

Такие зависимости приведены на рис. 5. Каждая точка на кривых соответствует температуре плавления при данном содержании воды. Ниже температуры -40 °С значения содержания воды соответствуют количеству незамерзающей, некристаллизующейся воды. Даже после замораживания в жидком азоте при -196 °С количество такой невымораживаемой воды не изменялось.

Следует отметить, что рис. 5 помимо информации о содержании невымораживаемой воды, о соотноше-

нии твердой и жидкой фаз в области фазового перехода воды, о температуре плавления демонстрирует также характеристики равновесного распределения воды между комплексом клеточных стенок и мембранных структур и растворимыми веществами цитоплазмы клеток при отрицательных температурах.

На рис. 5 дополнительно приведены результаты определения равновесного содержания воды в присутствии льда при температурах -10 и -20 °С (квадратные метки на кривых). Эти значения совпадают с содержанием воды при соответствующих температурах плавления. Равновесное распределение воды между компонентами клеток доказывается также тем, что общее содержание воды в ткани меристем при соответствующей температуре может быть довольно точно вычислено с учетом количества воды, связываемой при данной температуре растворимыми и нерастворимыми компонентами клеток и доли этих компонентов в клетках (в приводимом примере у зимующих тканей меристем почек лиственницы доля растворимых веществ составляла 0,52, а доля нерастворимых клеточных компонентов, в основном клеточных стенок и мембран - 0,48.

Ранее нами было показано, что при снижении температуры ткани меристем в почках лиственницы, ели и пихты способны к переохлаждению внутриклеточной воды и к последующему обезвоживанию вследствие миграции воды по незамерзающим коммуникациям к зонам льдообразования, расположенным вне тканей меристем (внеорганное льдообразование) [6; 7]. При этом жизнеспособность тканей меристем при охлаждении побегов вплоть до -100 °С и ниже сохранялась в том случае, когда остаточное содержание воды в тканях меристем в начальный период охлаждения до -12.. .-15 °С не превышало 0,5 г Н2О/г сухой массы. Следует также отметить, что содержание невыморажи-ваемой воды в меристемах всех исследованных пород составляло около 0,35±0,02 г Н2О/г сухой массы [8].

, т

/

/

/

/5/

/ /4 / '

/3 /

/ 2

/ • / /1

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

260

240

220

ы

200 с с

са

180

*

160 у с

г

140 г/ж

120 ,е

ин

100 ен

а

80 о л

г

о

60 п

о

40 еп

и

20

0

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Содержание воды, г/г сух. массы

Рис. 3. Зависимость количества поглощенной теплоты в образцах модельных систем от температуры: 1 - комплекс клеточных стенок и мембран; 2 - водорастворимые белки цитоплазмы; 3 - целые ткани меристем; 4 - суммарная фракция водорастворимых веществ цитоплазмы; 5 - суммарная фракция низкомолекулярных водорастворимых веществ цитоплазмы

0

С

260

240

ы 220

с

сса 200

м

.х 180

у

с г 160

г/ж « 140

,е 120

ин

е 100

и

о л 80

г

о

с 60

о

[3 40

е

н 20

0

/ / /

/у /

/ / / у

/\ / / / /

/ /г/ / / /

/ / / з / /

/ // //4 /

/ ' // / / / 5

/ / / У /

/ // / /

/ /У / / /

// / /

/ // ' / /

0,2 0,4 0,6 0,8

Содержание воды, г / г сух. массы

1,2

Рис. 4. Зависимость количества поглощенной теплоты в образцах модельных систем от содержания воды: 1 - комплекс клеточных стенок и мембран; 2 - водорастворимые белки цитоплазмы; 3 - целые ткани меристем; 4 - суммарная фракция водорастворимых веществ цитоплазмы; 5 - суммарная фракция низкомолекулярных водорастворимых веществ цитоплазмы

С

о

,а р

£

р

е

н

-10 -15 -20 -25 -30 -35 -40

1 1 У* 2

у з • • 4 , Г 5

1 / / /

11 1 1 ы /

/ /

II и

0,2 0,4 0,6 0,8

Содержание воды, г/г сух. массы

1,2

1,4

Рис. 5. Содержание связанной незамерзшей воды в образцах при различных отрицательных температурах (обозначения те же, что и на рис. 4)

Приведенные результаты позволяют сделать вывод о том, что при остаточном содержании воды в тканях меристем около 0,5 г/г и менее (до 0,35 г/г) способная к кристаллизации вода практически полностью локализована в растворимой фазе цитоплазмы. Это, в частно -сти, следует из того, что при температурах ниже -15.-20 °С и остаточном содержании воды менее 0,5 г/г сухой ткани ее клеточные стенки и мембраны практически не содержат воды, способной к кристаллизации.

Отсюда также следует, что при остаточном содержании воды в ткани меристем около 0,5 г/г фазовый переход способна претерпевать только гидратацион-ная вода растворимых веществ цитоплазмы, а его характеристики, такие как температурный интервал,

температура плавления, характер изменения теплоемкости, определяются, главным образом, взаимодействием воды с растворимыми веществами и влиянием последних как на структуру воды, так и на структуру образующегося льда.

Очевидно также, что обезвоживание тканей меристем при отрицательных температурах, а также сопутствующая этому процессу дегидратация надмолекулярных образований и молекул растворимых веществ клеток вследствие образования льда, не может быть ниже значений равновесного содержания воды (со льдом) при соответствующих температурах.

Таким образом, полученные результаты позволяют сделать следующие выводы о свойствах клеток мери-

0

0

1

стем, лежащих в основе механизма их устойчивости к низким температурам:

во-первых, свойства клеток обеспечивают возможность переохлаждения внутриклеточной воды при снижении температуры. При резких изменениях температуры это дает время, необходимое клеткам для обезвоживания до безопасного уровня остаточного содержания воды в результате миграции переохлажденной воды к зонам льдообразования (до 0,450,50 г Н2О/г сухой массы);

во-вторых, ткани вегетативных почек могут обладать относительной устойчивостью к образованию внутриклеточного льда. При остаточном содержании воды менее 0,5 г/г в клетках еще находится способная к кристаллизации вода вплоть до содержания 0,35 г Н2О/г сухой массы (этот уровень соответствует содержанию неымораживаемой, некристаллизующейся воды).

В условиях частичного обезвоживания клеток до уровня остаточного содержания воды, при котором они выживают при низких температурах, состояние воды и характер ее фазовых превращений при этом преимущественно определяется взаимодействием с растворимыми веществами цитоплазмы. В этом случае практически вся способная к кристаллизации вода локализована в жидкой фазе цитоплазмы (цитозоле), а клеточные стенки и мембраны уже не удерживают воду, способную при замерзании вызывать повреждения мембран.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

БИБЛИОГРФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ

1. Алаудинова Е. В., Миронов П. В. Особенности низкотемпературной адаптации хвойных Сибири: изменение содержания водорастворимых и нерастворимых компонентов клеток // Хвойные бореальной зоны. 2015. № 1-2. С. 90-94.

2. Алаудинова Е. В., Симкина С. Ю., Миронов П. В. Сезонные изменения содержания воды в меристема-тических тканях Picea obovata L. и Pinus silvestris L. и ее распределение в клетках // Хвойные бореальной зоны. 2007. № 4-5. С. 481-489.

3. Голдовский А. М. Анабиоз и его практическое значение. Л. : Наука, 1986. 169 с.

4. Деодар С., Лунер Ф. Измерение содержания связанной (незамерзающей) воды методом дифференциальной сканирующей калориметрии // Вода в полимерах : пер. с англ. М. : Мир, 1984. С. 273-287.

5. Кочетов Г. А. Практическое руководство по эн-зимологии. М. : ВШ, 1980. 210 с.

6. Миронов П. В., Левин Э. Д. Переохлаждение и обезвоживание хвойных зачатков в зимующих почках лиственницы сибирской // Физиол. растений. 1985. Т. 32, № 4. С. 695-701.

7. Миронов П. В., Лоскутов С. Р., Левин Э. Д. О фазовом переходе воды в зимующих побегах лиственницы сибирской // Лесной журн. 1985. № 5. С. 9-12.

8. Миронов П. В., Алаудинова Е. В., Репях С. М. Низкотемпературная устойчивость живых тканей хвойных / СибГТУ. Красноярск, 2001. 221 с.

9. Привалов П. Л., Мревлишвили Г. М. Исследование состояния воды в растворах калориметрическим методом // Биофизика. 1966. Т. 11. С. 951-957.

10. Трунова Т. И. Растения и низкотемпературный стресс. М. : Наука, 2007. 54 с.

11. Холодостойкость растений / под ред. Г. А. Са-мыгина : пер. с англ. М. : Колос, 1983. 318 с.

12. Sakai A., Larcher W. Frost survival of plants. Berlin, N. Y. : Springer-Verlag, 1987. 338 p.

REFERENCES

1. Alaudinova E. V., Mironov P. V. Osobennosti niz-kotemperaturno-y adaptatsii khvoynykh Sibiri: izmeneni-yye soderzhaniya vodorastvorimykh i nerastvorimykh komponentov kletok // Khvoynye boreal'noy zony. 2015. № 1-2. S. 90-94.

2. Alaudinova E. V., Simkina S. Yu., Mironov P. V. Sezonnye izmeneniya soderzhaniya vody v meristemati-cheskikh tkanyakh Picea obovata L. i Pinus silvestris L. i eye raspredeleniye v kletkakh // Khvoynye boreal'noy zony. 2007. № 4-5. S. 481-489.

3. Goldovskiy A. M. Anabioz i ego prakticheskoye znacheniye. L. : Nauka, 1986. 169 s.

4. Deodar S., Luner F. Izmereniye soderzhaniya svya-zannoy (nezamerzayushchey) vody metodom different-sial'-noy skaniruyushchey kalorimetrii // Voda v polimerakh : per. s angl. M. : Mir, 1984. S. 273-287.

5. Kochetov G. A. Prakticheskoye rukovodstvo po en-zimologii. M. : VSH, 1980. 210 s.

6. Mironov P. V., Levin E. D. Pereokhlazhdeniye i obezvozhivaniye khvoynykh zachatkov v zimuyushchikh pochkakh listvennitsy sibirskoy // Fiziol. rasteniy. 1985. T. 32, № 4. S. 695-701.

7. Mironov P. V., Loskutov S. R., Levin E. D. O fa-zovom perekhode vody v zimuyushchikh pobegakh list-vennitsy sibirskoy // Lesnoy zhurn. 1985. № 5. S. 9-12.

8. Mironov P. V., Alaudinova E. V., Repyakh S. M. Nizkotemperaturnaya ustoychivost' zhivykh tkaney khvoynykh / SibGTU. Krasnoyarsk, 2001. 221 s.

9. Privalov P. L., Mrevlishvili G. M. Issledovaniye sostoyaniya vody v rastvorakh kalorimetricheskim metodom // Biofizika. 1966. T. 11. S. 951-957.

10. Trunova T. I. Rasteniya i nizkotemperaturny stress. M. : Nauka, 2007. 54 s.

11. Kholodostoykost' rasteni-y / pod red. G. A. Sa-mygina : per. s angl. M. : Kolos, 1983. 318 s.

12. Sakai A., Larcher W. Frost survival of plants. Berlin, N.Y. : Springer-Verlag, 1987. 338 s.

© Миронов П. В., Алаудинова Е. В., Лоскутов С. Р., 2017

Поступила в редакцию 05.07.2016 Принята к печати 28.12.2016

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.