CC BY
162
Влияние регуляторов роста на стресс-индуцируемое накопление свободных аминокислот в растениях пшеницы
О.И. Яхин, к.б.н., Институт биохимии и генетики Уфимского НЦ РАН; А.А. Лубянов, к.б.н., Уфимский филиал Оренбургского ГУ; З.Ф. Калимуллина, аспирантка, Р.А. Батраев, аспирант, Институт биохимии и генетики Уфимского НЦ РАН
Свободные аминокислоты (АК) играют важную роль в растениях, являясь структурными единицами вновь синтезируемых белков, участвуют в биосинтезе вторичных соединений и регулируют многие биохимические процессы. Они могут участвовать в формировании механизмов устойчивости растений к стрессам различной природы: водному дефициту, засолению, температурному стрессу, — участвуют в процессах детоксикации ксенобиотиков. Изучение влияния физиологически активных веществ на метаболизм АК является важной составляющей исследования механизмов их регуляторного и антистрессового действия.
Цель работы — оценка влияния регулятора роста стифуна-6М на содержание отдельных свободных аминокислот в нормальных условиях и в условиях токсического действия ионов кадмия.
Объекты и методы. Объект исследований — яровая пшеница (ТгШеыш аез1пыш L.) сорта Жница. В работе использовали улучшенную препаративную форму стифуна-6М (водорастворимый порошок), полученную по ранее описанной методике [1] с модификациями. Семена растений стерилизовали в 70%-ном этаноле. Растения выращивали в стеклянных стаканах с раствором регулятора роста (3,3 мг/л) и/или ацетата кадмия (50 мкМ), на воде (контроль) — в течение 14 суток на плотиках из пробкового материала с отверстиями (диаметр — 4 мм) для размещения проклюнувшихся семян, предварительно проращённых в термостате на воде в течение 24 часов при температуре 24 °С. Количественный анализ свободных АК проводили на аминокислотном анализаторе НИасЫ 835 (Япония).
Результаты исследований. Как показали результаты исследований, стифун-6М обладал ростстимулирующим действием: сухая масса корней и надземной части одного растения возрастала с 3,8 мг до 5,1 мг и с 13,3 мг до 15,4 мг соответственно. Уровень большинства АК повышался в корнях и надземной части (рис. 1).
Для понимания механизма действия регулятора роста необходимо обсудить выявленные изменения содержания АК в связи с путями их биосинтеза и функциями в растениях. К био-
синтетическому семейству аспарагиновой кислоты, образующейся из оксалоацетата цикла Кребса, относятся треонин, лизин, метионин, изолейцин [2]. Глутаминовая кислота (GLU), синтезируемая из а-кетоглутарата, участвует в биосинтезе таких аминокислот, как пролин (PRO), аргинин (ARG), гистидин (HIS). Пируват является предшественником аланина (ALA), из которого могут синтезироваться лейцин (LEU) и валин (VAL). Два других биосинтетических семейства включают цистеин (CYS), серин (SER), глицин (GLY) и триптофан, тирозин (TYR), фенилаланин (PHE). При действии стифуна-6М уровень глутаминовой кислоты уменьшался в надземной части (рис. 1), что могло быть связано с её участием в биосинтезе других аминокислот. Так, отмечался рост уровня пролина, который обладает осморегуляторным и стресс-протекторным действием, его защитный эффект может быть опосредован антиоксидант-ными свойствами [3]. Также возрастал уровень аргинина, из которого по орнитиновому пути может идти синтез пролина.
Увеличивались уровни лизина (LYS) и изолейцина (ILE), а содержание аспарагиновой кислоты несколько возрастало в надземной части растений. При действии регулятора роста уровень треонина (THR) был выше в корнях и ниже в надземной части, а метионина (MET) — значительно превышал контроль в надземной части и уменьшался в корнях. Метионин является одной из ключевых аминокислот, выполняя центральную роль в инициации трансляции мРНК. В растениях через его метаболит S-аденозилметионин осуществляется контроль уровня таких значимых метаболитов, как этилен, полиамины и биотин [4]. S-аденозилметионин — первичный донор метильной группы, регулирующей процессы клеточного деления, синтеза клеточной стенки, хлорофилла и др. Он участвует в реакциях синтеза различных ароматических соединений. Возрастание уровня метионина в целом растении при действии стифуна-6М, на наш взгляд, свидетельствует об активации метаболических процессов. При действии регулятора роста возрастало содержание другой серосодержащей аминокислоты — цистеина. Серин и глицин характеризовались близкими профилями изменений. Цистеин и глицин наряду с глутаминовой кислотой являются компонентами глутатиона, играющего важную роль в метаболизме и обладающего антиоксидантными свойствами. При
I корни II надземная часть
Рис. 1 - Влияние стифуна-6М на содержание свободных аминокислот в корнях и надземной части растений пшеницы
действии регулятора роста наблюдалось значительное возрастание аминокислот шикиматного пути (тирозина и фенилаланина). Они являются предшественниками многих фенольных соединений, обладающих антиоксидантными свойствами и участвующих в процессе лигнификации растительных клеток. Рассматривая группу, в которую входят аланин, лейцин и валин, следует отметить значительное увеличение уровня лейцина в надземной части при действии стифуна-6М. Существенно возрастал уровень аланина в корнях и надземной части. При действии стифуна-6М увеличивалось суммарное содержание АК как в надземной части, так и в корнях, что приводило к возрастанию их пула в растении на 33%. Его увеличение может быть результатом снижения либо активации биосинтеза белка, нарушений в транспорте АК и (или) в процессах, где они принимают участие [5]. Так как стифун-6М стимулировал ростовые процессы, то можно предполагать активацию синтеза аминокислот.
Повышение уровня свободных АК, активация их синтеза как результат применения физиологически активных веществ обсуждаются в литературе в связи с устойчивостью растений к стрессовым факторам [6]. Выявленное нами изменение уровней ряда аминокислот при применении стифуна-6М позволило предположить его протекторные свойства при стрессовых воздействиях. В настоящей работе в качестве модели стрессового действия мы рассмотрели токсическое влияние ионов тяжёлых металлов (ТМ). При использовании в опытах ацетата кадмия в ростингибирующей концентрации сухая масса и длина одного растения при действии стифуна-6М на фоне кадмия (Сё) возрастала с 7,6 мг (Сё) до 8,3 мг и с 6,7 см (Сё) до 7,8 см. При действии ацетата кадмия отмечалось возрастание уровня отдельных и суммарного содержания АК (рис. 2). Регулятор роста поддерживал более высокий по
сравнению с кадмием уровень аспарагиновой кислоты, серина, пролина, цистеина, валина, фенилаланина, гистидина, при этом возрастал пул АК. Отмечалась стабилизация уровней аланина и аргинина. Известно, что аспарагин, глутаминовая кислота, цистеин, метионин, гистидин и глицин обладают способностью связывать ТМ [7—9]. Метионин является предшественником никотинамина, участвующего в детоксикации ТМ и формировании устойчивости к стрессу, вызываемому металлами [8]. Цистеин — важный метаболит в антиоксидантной защите и секвестрации ТМ, так как необходим для синтеза метионина и глутатиона/фитохелатинов.
В данном эксперименте при действии кадмия значительно возросло содержание пролина. Металл-индуцированное накопление пролина рассматривается как прямое следствие поглощения металла. С другой стороны, его накопление может являться следствием вызываемого кадмием водного дефицита [8, 10]. Пролин может принимать прямое участие в детоксикации ТМ за счёт связывания или опосредованное (в качестве осмопротектора). Возрастание его содержания рассматривается в качестве механизма, отвечающего за повышение устойчивости растений к ТМ [8, 11]. Выявленное увеличение содержания пролина при действии кадмия могло быть связано с участием в биосинтезе хелатирующих пептидов [11].
Оценивая влияние регуляторов роста на метаболизм аминокислот, исследователи обсуждали выявленную ими активацию пролина в корнях гречихи как неспецифическую реакцию в связи с повышением устойчивости растений к стрессам [12]. Применение салициловой кислоты в условиях Си-стресса, приводившего к возрастанию содержания пролина в корнях, стеблях, листьях подсолнечника, уменьшало его накопление в стебле, но индуцировало в корнях, что
Рис. 2 - Влияние стифуна-6М на содержание свободных аминокислот в растениях пшеницы в условиях токсического действия ионов кадмия
могло являться одним из защитных механизмов её действия [13]. Повышение эпибрассинолидом засухоустойчивости растений могло быть обусловлено увеличением уровня свободных АК, участвующих в осморегуляции [6].
Вывод. Таким образом, установленное увеличение содержания отдельных аминокислот при действии стифуна-6М позволяет предполагать возможность активации регулятором роста неспецифических защитных реакций растений как фактора предадаптации к токсическому действию высокой концентрации кадмия при длительной экспозиции.
Литература
1. Яхин И. А., Вахитов В. А., Исаев Р.Ф. и др. Способ повышения урожайности сельскохозяйственных растений. Патент РФ № 2076603. 1997. Бюл. № 10.
2. Nikiforova1 V. J., Bielecka M., Gakiere B. et al. Effect of sulfur availability on the integrity of amino acid biosynthesis in plants //
Amino Acids. 2006. V. 30. P. 173-183.
3. Кузнецов В.В., Шевякова Н.И. Пролин при стрессе: биологическая роль, метаболизм, регуляция // Физиология растений. 1999. Т. 46. № 2. С. 321-336.
4. Amir R. Current understanding of the factors regulating methionine content in vegetative tissues of higher plants // Amino Acids.
2010. V. 39. P. 917-931.
5. Shtemenko N.I. Biochemical mechanisms that are involved in the process of adaptation of plants to environmental contaminants // Sixth Intern. Simp. Exhibit. Environm. Contamin. in Central Eastern Europe and the Commonwealth of Independent States. 2003. Prague. P. 444-447.
6. Пустовойтова Т.Н., Жданова Н.Е., Жолкевич В.Н. Повышение засухоустойчивости растений под воздействием эпибрассинолида // ДАН. 2001. Т. 376. № 5. С. 697-700.
7. Peer W.A., Baxter I.R., Richards E.L. et al. Phytoremediation and hyperaccumulator plants. In Molecular Biology of Metal Homeostasis and Detoxification // Topics in Current Genetics. 2005. V. 14. Springer, Berlin. P. 299-340.
8. Sharma S.S., Dietz K.-J. The significance of amino acids and amino acid-derived molecules in plant responses and adaptation to heavy metal stress // J. Exp. Bot. 2006. V. 57. № 4. P. 711-726.
9. Wierzbicka M.H., Przedpelska E., Ruzik R. et al. Comparison of the toxicity and distribution of cadmium and lead in plant cells // Protoplasma. 2007. V. 231. P. 99-111.
10. Sanita di Toppi L., Gabbrielli R. Response to cadmium in higher plants // Environ. Exp. Bot. 1999. V. 41. P. 105-130.
11. Wu F.-B., Chen F., Wei K., Zhang G.-P. Effect of cadmium on free amino acid, glutathione and ascorbic acid concentrations in two barley genotypes (Hordeum vulgare L.) differing in cadmium tolerance // Chemosphere. 2004. V. 57. P. 447-454.
12. Дёмина Е.А., Тищенко Л.Я., Шестак О.П. и др. Влияние синтетических циклопентановых в,в’-трикетонов на метаболизм аминокислот в корнях проростков гречихи (Fagopyrum esculentum Moench.) // Прикладная биохимия и микробиология. 2009. Т. 45. № 1. С. 97-103.
13. El-Tayeb M.A., El-Enany A.E., Ahmed N.L. Salicylic acid-induced adaptive response to copper stress in sunflower (Helianthus annuus L.) // Plant Growth Regul. 2006. V. 50. P. 191-199.
