Научная статья на тему 'Прикладные проблемы белкового маркирования растений. Аспекты биохимии, биометрии'

Прикладные проблемы белкового маркирования растений. Аспекты биохимии, биометрии Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
73
16
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МЕТОДЫ БИОХИМИИ / МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ / МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ / ВИДЫ / КУЛЬТИВАРЫ / METHODS OF BIOCHEMISTRY / MOLECULAR BIOLOGY / METHODOLOGICAL PROBLEMS / SPECIES / CULTIVARS

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Авдеев Владимир Иванович

В статье критически рассмотрены подходы, сопровождающие характеристику видов и культиваров по биохимическим признакам, в частности, связь синтеза белков-проламинов с белками-альбуминами. Есть все данные считать, что этот синтез обязан белкам-глютелинам. Во всяком случае, биохимики не располагают для своих утверждений необходимыми данными. Одна из причин этих проблем слабое использование (или вообще игнорирование) методов математико-статистического анализа. В этой связи не учитывается, являются ли достоверными данные по различию биохимических количественных признаков. В статье обращается внимание прикладных ботаников, селекционеров на использование при характеристике своих объектов тех показателей, которые давно используются в эволюционной биохимии (например, качество ферментов органов растений, прежде всего семян).

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

APPLIED PROBLEMS OF PLANTS PROTEIN MARKING. ASPECTS OF BIOCHEMISTRY AND BIOMETRY

The article critically examines the approaches accompanying the characterization of species and cultivars by biochemical characteristics, in particular, the relationship of the synthesis of prolamin proteins with albumin proteins. There is all the data to assume that this synthesis is due to glutelin proteins. In any case, biochemists do not have the necessary data for their statements. One of the causes of these problems is the weak use (or even neglect) of the methods of mathematical-statistical analysis. In this regard, it is not taken into account whether the data on the difference in biochemical quantitative traits are reliable. The article draws the attention of applied botanists, breeders to the use in characterizing their objects of those indicators that have been used for a long time in evolutionary biochemistry (for example, the quality of enzymes of plant organs, first of all seeds).

Текст научной работы на тему «Прикладные проблемы белкового маркирования растений. Аспекты биохимии, биометрии»

4. Володин А.Б., Капустин С.И., Капустин А.С. Сортовые культуры — источник кормов для овцеводства // Сборник научных трудов Всероссийского научно-исследовательского института овцеводства и козоводства. 2017. Т. 1. № 10. С. 54—59.

5. Капустин С.И. Полевые резервы / С.И. Капустин, А.Б. Володин, А.С. Капустин, А.В. Колодкин // Агробизнес. 2017. № 2 (42). С. 74-76.

6. Исаев С., Корзун О. Влияние сроков посева и норм высева на урожайность зеленой массы пайзы // Кормопроизводство. 2015. № 11. С. 52-54.

7. Федин М.А. Методика государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур. М.: Колос, 1985. 335 с.

8. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М.: Колос, 1985. 335 с.

9. Методические указания по производству семян элиты зерновых, зернобобовых и крупяных культур / Г.В. Гуляев, Г.Ф. Никитенко, И.Г. Строна [и др.]. М.: Колос, 1982. 28 с.

10. Система земледелия нового поколения Ставропольского края / В.В. Кулинцев, Е.И. Годунова, А.Б. Володин [и др.]. Ставрополь: АГРУС, 2013. 520 с.

11. Володин А.Б., Капустин С.И., Колодкин А.В. Эффективность использования однолетних яровых культур в Ставропольском крае // Бюллетень Ставропольского научно-исследовательского института сельского хозяйства. 2015. № 7. С. 40-46.

12. Володин А.Б., Капустин С.И. Потенциал развития полевого кормопроизводства в Ставропольском крае // Аграрная наука — сельскому хозяйству: сб. ст. XII междунар. науч.-практич. конф. Кн. 1. Барнаул, 2017. С. 150—152.

13. Шкодина Е.П. Агроэкологическое испытание однолетних кормовых культур в Новгородской области / Е.П. Шкодина, А.Б. Володин, С.И. Капустин [и др.] // Методы и технологии в селекции растений и растениеводстве: матер. IV междунар. науч.-практич. конф. Киров, 2018. С. 197—200.

Прикладные проблемы белкового маркирования растений. Аспекты биохимии, биометрии

В.И. Авдеев, д.с.-х.н, ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

Уже больше полувека у видов цветковых растений интенсивно исследуют фракционный состав белков и качество ферментов, затем электрофоретические спектры запасных белков семян. Среди учёных России основы таких работ заложены известными в мире школами А.В. Благовещенского и В.Г. Конарева [1—4 и др.]. Заметим, что изучение состава белков, качества ферментов выполнено в рамках наук филогения и систематика (теория эволюции), объектами же служили обычные особи разных видов растений. Кроме того, поскольку эти исследования оценивают в конечном счёте степень биоадаптации, и помня крылатое выражение Н.И. Вавилова, что «селекция есть эволюция, направляемая волей человека», то результаты изучения состава белков, качества ферментов могут быть полностью использованы в прикладных целях. Возможности широкого применения методов биохимии, молекулярной биологии обусловлены рядом следующих причин.

Во-первых, к концу XX века накоплен солидный фактический материал по содержанию в растениях различных веществ, прежде всего белков. Во-вторых, было понимание, что в основе жизненных процессов при формировании тканей, органов, облика растений лежат превращения химических веществ. В-третьих, биохимики пытались создать свою концепцию эволюции, отличную от ботаников. Но при этом они очень слабо использовали математико-статистический аппарат биометрии, что неизбежно приводило к недоучёту экологической изменчивости количественных признаков.

Задачи настоящей работы — выявить названные недостатки, показать возможность использования в прикладных целях данных и показателей, полученных в процессе становления эволюционной биохимии растений.

Привлечение белков у растений основано на ряде их важных преимуществ: максимальная их

близость к генам в ходе биосинтеза, уникальность и генная специфичность, роль белков как самого первичного продукта жизнедеятельности генетических систем, генетическая полиморфность многих (особенно запасных в семенах) белков. Кроме того, основанием для исследования белковых комплексов семян служит то, что в семени закладывается и развивается будущее растение с его специфическим обменом, белками, ферментами, нуклеиновыми кислотами, тканями [1]. Использование запасных белков семени связано также с тем, что они локализованы в однородных тканях — эндосперме злаков, семядолях двудольных растений. У них при семяобразовании сразу же экспрессируются гены ферментов метаболических путей синтеза белка, гены синтеза самих белков, а на последних стадиях — синтеза белков-глютелинов. В семени, уже начиная с его прорастания, функционирует ряд генов, сохраняющих свою экспрессию до конца онтогенеза, быстро расходуются запасные белки, позднее экспрессируются и другие гены, обеспечивающие создание биоструктуры и биохимического состава взрослого растения [3—5 и др.]. Из этих же сведений известно, что белки семян кодируются двумя десятками полиаллельных генов, которые локализованы лишь в нескольких хромосомах, что создаёт проблему «достаточного представительства» этих генов и белков не только для исследований по биохимической эволюции, но и для идентификации различных генотипов (сортов и форм). Этим и близким к ним проблемам посвящены научные совещания, монографии и т.д. Всё это создаёт впечатление разрешения многих вопросов. Но молекулярная биология, не говоря о генетике, не стояли на месте, а в самой биохимии растений неизбежно выявились рассмотренные ниже противоречия и недостатки.

Фракционный состав белков. Анализ собранных данных [1, 2, 6 и др.] свидетельствует, что по сравнению с двудольными растениями у злаков в

семенах в среднем снижены доли белков: альбуминов в 2,5—3 раза, глобулинов — в 3—4 раза, однако в 1,5—2 раза выше доля глютелинов, не говоря уже о наличии у злаков белков-проламинов. Даже если с ними сопоставлять семейства магнолиевых и анноновых (считающихся очень древними), то у злаков снижены в 2,5—3 раза доли альбуминов и глобулинов, как и выше в 2 раза доля глютелинов. Кстати, злаки — это не единственные таксоны однодольных, обладающих проламинами. В семенах родов лилейных содержится 1,0—6,4% проламинов (т.е. их в 5—7 раз меньше, чем у злаков), значительная доля альбуминов (23—42%), глютелинов в среднем в 1,5—2 раза меньше, чем у злаков, или их столько же, как у двудольных [6]. Но тогда лилейные биохимически стоят между двудольными растениями и злаками, ближе к первым.

А.В. Благовещенский [7] посчитал, что альбумины, имея в своём составе множество протеоли-тических ферментов, резко повышают показатели качества этих ферментов (это ц — коэффициент Аррениуса и рКакт). Однако у злаков все эти показатели при резком падении долей альбуминов, глобулинов в среднем не изменились по сравнению с самыми древними двудольными растениями. Это связано и с тем, что показатели получены в опытах [7], где значительно варьируют их параметры (условия года, возраст растения и т.д.), так что различия средних значений всех показателей на 10—20% не могут считаться достоверными. К тому же для оценки различий используют уровень достоверности P = 0,99 и даже выше, но тогда недостоверными могут быть различия до 25—30%. Приведём примеры.

При изучении белков в семенах маша (бобовые) их значения двух растущих рядом образцов отличались в 2 раза. Два отборных местных образца из Европы (бывшие Югославия и ФРГ) бородачёвника алеппского (злак) различались по белкам от 24% (глютелины) до 4,1 раз (проламины). Из тех же злаков отличия между образцами у сорго двуцветного из СССР и ФРГ были от 4 (глобулины) до 17% (альбумины), а между образцами проса волосовидного из Западной Европы — от 4 (глобулины) до 25% (проламины) [8]. Эти данные отражают изменчивость генотипов (образцов) по регионам мира, их нужно всегда принимать во внимание, давая для характеристики растений известные в науке показатели (рКакт и др.).

В связи с изложенным выше возникают следующие вопросы: за счёт каких фракций белка у злаков, богатых глютелинами, появилась фракция пролами-нов, и почему в сравнении с двудольными резкое снижение доли альбуминов у злаков не привело к ожидаемому снижению качества их ферментов?

Сейчас сведений о составе и биохимии белков стало намного больше [3, 9—11 и мн. др.]. Глютелины — это самые высокоагрегатированные белки с огромной молекулярной массой, с присущими

макромолекулам различными химическими связями. Молекулы нативного глютелина имеют массу от 50—100 до нескольких тыс. килодальтон (кДа), огромную рабочую поверхность. Глютелины по составу ближе к проламинам, однако включают молекулы альбумина, глобулина. Так что глютелины — это не просто «архаичные, древние белки» [7], а исходные и очень важные в эволюции молекулы. Альбумины различны по массе, но в целом их молекулы на порядок меньше. Среди них много ферментов-протеиназ, массой 30—67 кДа. Из глобулинов более изучены белки двудольных растений. Так, нативные молекулы легумина обладают массой 360—400, конвицилина — 280, а вицилина — 140—225 кДа. Самые малые молекулы — проламинов, 11,4—145 кДа, но среди них есть и низкомолекулярные глютелины (НМГ), их масса — от 104 до 125 кДа. Они, как показано ниже, играют важную роль в культигенной эволюции злаков.

Было предположение [12], что синтез прола-минов связан с одновременным падением доли неэкстрагируемых белков (остатка, или склеро-протеинов) у семян. Но строгих расчётов для этого не проводили. Выше сказано, что глюте-лины очень близки к проламинам, поэтому есть основания полагать, что древние глютелины и стали источником синтеза молодых проламинов. Взяв имеющиеся данные [2, 12] по видам злаков с наибольшей выборкой по числу объектов (8 или 9 видов), были исчислены коэффициенты ранговой корреляции (г) белковых фракций. Так, для видов костра, овсяницы получены значения г между глютелинами и проламинами от -0,6 до -1,0, т.е. при падении глютелинов происходит накопление проламинов. В отношении других белков (альбумины, глобулины, остатка) достоверной связи нет. Сложнее с изучением г у просовых. У видов щетинника г = -0,6, у сорго г был недостоверным. То, что фракции белков легко взаимопревращаемы, показывает целый ряд данных, в т.ч. в монографии А.В. Благовещенского [7, 12 и др.].

Говоря о качестве ферментов, можно не всегда выявить постулируемую [7] достоверную связь с долей альбуминов. Дело опять-таки в том, что эти показатели экологически сильно варьируют. В этом можно убедиться, сопоставив в семенах значения рКакт, доли белков, азота у целого ряда видов лютиковых, розанных. Из имеющихся на сегодня данных можно заключить, что для поддержания качества ферментов важную роль играет фракция глютелинов. Для них у злаков г выше, чем для других белков, в 1,6 раза, а для двудольных, богатых глобулинами, г по глютелинам и глобулинам приближается к 1,0 [1, 7].

Белковые маркёры двудольных растений. Наиболее широкое использование белков семян в систематике цветковых растений начато с 70-х гг. XX в. Тогда же стали применять ещё не очень совершенный метод электрофореза запасных белков,

а до этого — очень известный иммунохимический метод. Позже с 1990 г. на большом наборе видов растений стали активнее использовать метод электрофореза белков, прежде всего массовых глобулинов, проламинов, который позволял маркировать практически любые генные системы [4, 9, 11—13]. В результате выявлено, что как эволюционно молодые виды, так и новые селекционные особи содержат на электрофореграммах гораздо больше компонентов, чем старые. Это подтверждает данные С. Оно [14], что в процессе биоэволюции идёт неуклонный рост массы ДНК, т.е. усложнение генома. Кроме того, опять подтверждено, что у цветковых растений нет прямой связи показателей качества ферментов с долей альбуминов. Для первого вывода приведём пример из практики становления в Оренбуржье культуры абрикоса [15]. Так, местные формы, росшие 25 лет назад, содержали на электрофореграммах 44—46 компонентов, довольно однотипных. Позднее в процессе бурной культигенной эволюции число компонентов увеличилось более чем вдвое.

Белки злаков. Выше приведён ряд сведений по биохимии злаков. Самые важные из них — у злаков по сравнению с двудольными высока доля глютелинов, но снижены доли альбуминов и глобулинов. Как у двудольных, у злаков наблюдается значительное экологическое варьирование количественных признаков и показателей. Это были средние значения, по трибам же злаки довольно сильно различаются.

Изучение биохимии злаков с середины 60-х гг. XX в. велось школой А.В. Благовещенского. Объектами были 140 видов, входившие в 20 родов злаков разного систематического положения, в основном у них определяли содержание в семенах азота, что на тот период и позднее является важным показателем. Так, наименьшая доля азота (1,7%) оказалась у видов полевички (триба свинороевых), максимальная (4,6%) — у трясунки (мятликовых). У других родов изучали также состав белков семян, качество ферментов. У видов овса (овсовых) оказалось очень мало альбуминов (1%) и глютелинов (5%), немного проламинов (10—15%), очень много глобулинов (80%), а значение рКакт= 15,8, т.е. высокое у злаков (но среднее для видов цветковых). Тогда как у ржи (пшеницевых) глютелинов и проламинов было в среднем по 40%, альбуминов и глобулинов — по 5—10%, но значения рКакт те же [7]. Из этих данных видно, что доля альбуминов и качество ферментов не имеют прямой связи. Обращает внимание и уже названный выше факт, что все эти показатели сильно варьируют по местам выращивания.

С 70-х гг. XX в. изучение злаков этой школой сильно расширилось [2, 6 и др.], а в школе В.Г. Конарева были начаты исследования по имму-нохимическому и электрофоретическому анализу злаков, больше триб пшеницевых, мятликовых,

рисовых, растущих в условиях природы и культуры, в школе А.А. Созинова — по электрофоретическому изучению сортов пшеницы, ячменя [3, 4, 9, 11]. Интерес к показателям качества ферментов в это время стал заметно падать.

Как считают, проламины отражают специализацию злаков, больше всего накапливаясь в семенах таксонов, растущих в холодных и умеренных зонах или же в горах тропиков, где условия нетропические. Проламинов мало (0,7—3,3% от белкового азота) в семенах видов пальм, из злаков (0,5—7,0%) — в трибах рисовых, бамбуковых, многих родов просовых, кроме самого проса, и, как особенность, у ковылевых (включая род ковыль). Кстати, ковыль является главенствующим по доле глютелинов (84—91%), проламинов — в среднем 1,8%, глобулинов — 4,4%, альбуминов — 2,0%. Из важнейших аминокислот у ковыля мало глю-таминовой кислоты (ГК, 20,8%), пролина (4,6%), однако высоки доли метионина, валина, лейцина [2]. То, что у ковыля сохраняется рекордное количество глютелинов, говорит об их очень важной роли в эволюции злаков. Например, у рода овёс немного больше ГК (22,6%), метионина (2,9%), пролина (6,1%), лизина (3,8%), но значительно меньше (7,3%) лейцина, доли других вышеназванных аминокислот близки. Если взять для сравнения род рожь, то у него, представителя довольно древних пшеницевых, чем у ковыля, в 1,5—2,5 раза больше ГК, пролина, меньше на 10—40% других показателей [6]. По этим же данным в спирторастворимой фракции белка (типа проламинов) у карифоидных видов пальм, сравниваемых с ковылём, близки доли ГК, на 10—30% выше доли пролина и валина, на 70% — лизина, но на 40—50% ниже доли метио-нина и лейцина.

Работы по злакам в рамках других названных выше школ молекулярных биологов были направлены на наиболее подробное изучение отдельных триб, прежде пшеницевых, имеющих большое практическое значение. Отметим, что в школе В.Г. Конарева примерно до 1997 г. первый по времени и значительный упор делали на иммуно-химические исследования белков злаков, изучая родство их видов как родоначальников сортов. Затем перешли на электрофоретические методы, выделяя белковые маркёры признаков. Полученные тогда результаты и возникшие проблемы достаточно освещены в ряде работ [3, 4, 9, 11, 13, 16 и др.]. Можно кратко сказать, что решались проблемы происхождения сортов пшеницы, других злаков, их генетического родства, что практически позволяет выполнить синтез новых сортов путём гибридизации, а в будущем — за счёт биотехнологии.

Известно [11 и др.], что в верхней ю-зоне электрофореграммы злаков всегда расположены высокомолекулярные белки, в составе которых есть так называемая высокомолекулярная фракция глютелина (ВМГ), а в нижней же её зоне нахо-

дятся низкомолекулярные фракции проламинов с низкомолекулярным глютелином [НМГ]. В настоящее время известно, что во фракцию НМГ пшеницы входят, в частности, белки а1, кодируемые хромосомой 6А, а во фракцию ВМГ — белки ю8191, кодируемые хромосомой 1Б. Эти белковые компоненты обеспечивают соответственно упругость клейковины зерна (семени) и высокие хлебопекарные качества. Также установлено, что представители пшеницевых (как, например, пырей) имеют подобную же организацию проламинов [4, 9 и др.]. Ранее уже отмечалось, что наличие компонентов а1 и а61, ю8191 и др. обнаружено у многих злаков, не только у пшеницевых [16]. Всё это говорит о генетической близости злаков, общности их эволюции. Наличие же маркёров ю8191, являющихся частью глютелинов, говорит о древности злаков. Кроме того, в спектрах целого ряда видов злаков есть так называемые быстрые полипептиды (БП), образующие свою зону, что ещё ниже а-зоны. БП-зона содержится и у других изученных злаков, очевидно, играя важную роль в процессе адаптации этих растений [3, 9, 13 и др.].

В заключение отметим следующее. Обычно виды, формы, сорта растений характеризовали по показателям небелковых химических веществ, т.е. вторичного синтеза (содержание витамина С, каротина, масла и т.д.). Практика показывает, что их содержание в органах сильно колеблется в зависимости от условий среды. Поэтому с помощью этих показателей трудно выявить роль генов в развитии того или иного признака. Из них А.В. Благовещенский [1, 17 и др.] посчитал наиболее стабильным долю общего азота в семенах. Этот автор ещё в первой половине XX века и особенно позднее указал, что адаптацию растений лучше характеризовать с помощью показателей качества белков-ферментов (ц, рКакт). Как выше отмечено, использование белков, особенно запасных в семенах, затем дало большой стимул для биохимического и молекулярно-биологического исследования видов и сортов растений, познания их генетической структуры.

Но на этом поприще, естественно, возникли новые научные проблемы. В данной статье обращено внимание на то, что биохимики в своих выводах были не совсем правы, ибо не опирались на биометрические методы анализа полученных данных. В частности, сомнительно, что показатели качества ферментов связаны с функционированием белков-альбуминов, а не глютелинов. Во всяком случае, это не подтверждается на ряде таксонов злаков. Необходимых статистических данных для своих выводов у биохимиков пока что явно недостаточно.

В статье для характеристики видов не даны эволюционные показатели, как-то подвинутости, или молодости таксонов (Ae), их специализации (Is) и т.д. [1, 2], хотя они основаны на сопоставлении фракций белков в семенах. Эти показатели расчётные, но не все они, судя по отзывам [2 и др.], являются безупречными.

Литература

1. Благовещенский А.В., Александрова Е.Г. Биохимические основы филогении высших растений. М.: Наука, 1974. 106 с.

2. Биохимические аспекты филогении высших растений. М.: Наука, 1981. 126 с.

3. Конарев В.Г. Белки пшеницы. М.: Колос, 1980. 352 с.

4. Конарев В.Г. Морфогенез и молекулярно-биологический анализ растений. СПб.: ВИР, 1999. 376 с.

5. Лутова Л.А. Генетика развития растений / Л.А. Лутова, Н.А. Проворов, О.Н. Тиходеев [и др.]. СПб.: Наука, 2000. 539 с.

6. Филогения и систематика растений. М.: Наука, 1991. 148 с.

7. Благовещенский А.В. Биохимическая эволюция цветковых растений. М.: Наука, 1966. 328 с.

8. Проблемы филогении высших растений. М.: Наука, 1974. 196 с.

9. Теоретические основы селекции / под ред. акад. В.Г. Конаре-ва // Т. 1. Молекулярно-биологические аспекты прикладной ботаники, генетики и селекции. М.: Колос, 1993. 448 с.

10. Вакар А.Б. Белковый комплекс клейковины // Растительные белки и их биосинтез. М.: Наука, 1975. С. 31-38.

11. Созинов А.А. Полиморфизм белков и его значение в генетике и селекции. М.: Наука, 1985. 272 с.

12. Биохимия и филогения растений. М.: Наука, 1972. 240 с.

13. Авдеев В.И. Изменчивость и биосистематика растений. Оренбург: Издат. центр ОГАУ, 2016. 316 с.

14. Оно С. Генетические механизмы прогрессивной эволюции. М.: Мир, 1973. 228 с.

15. Авдеев В.И. Запасные белки семян как молекулярные маркёры (на примере культивируемого абрикоса Оренбуржья) // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2016. № 6 (62). С. 51-55.

16. Авдеев В. И. К проблеме происхождения видов пшеницы (Triticum L.) // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 2 (70). С. 53-56.

17. Эволюционная биохимия растений. М.: Наука, 1964. 144 с.

Влияние чистых и смешанных посевов житняка гребневидного на биологическую активность почвы

Г.К. Марковская, к.б.н., профессор, С.А. Гусева, аспирантка, И.В. Карлова, аспирантка, ФГБОУ ВО Самарский ГАУ

Почва является неотъемлемой частью любой наземной экосистемы и играет важную роль в поддержании устойчивости биосферы. Её бесконтрольное использование приводит к разрушению почвенного покрова. Деградация почв

носит глобальный характер и является одной из самых главных причин экологического кризиса. В современном земледелии важное значение приобретает развитие агротехнологий возделывания сельскохозяйственных культур, ориентированных на биологизацию систем земледелия, которые предусматривают разумное сочетание экологически безопасных приёмов агротехники с агрохимическими и биологическими средствами [1, 2].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.