Особливості метаболізму злаків при дії низьких температур на рослини

Таблиця 4

Зміни інтенсивності поглинання кисню та активності цитохромного і
альтернативного шляхів транспорту електронів зародків насіння гібриду
кукурудзи Коллективний 100 СВ при 12°C у {мкM O2(г сух. речов.)-1 хвил.-1}

За цих умов спостерігається збільшення ступеня зайнятості альтернативного шляху в мітохондріях тканин ембріонів кукурудзи (табл. 4). В проведених дослідженнях відмічено максимум активності альтернативної оксидази у період 72 - 120 годин проростання при низьких температурах. Залишкове дихання складало біля 10% від загальго дихання і спостерігалось на всіх стадіях розвитку ембріонів. Результати проведених досліджень свідчать про індукцію альтернативного шляху дихання у тканинах зародків кукурудзи в процесі проростання насіння за умов дії низьких температур. В процесі дослідження молодих сім'ядолей і тканин осі сої показана залежність між підвищенням активності альтернативного шляху мітохондрій та збільшенням вмісту білка альтернативної оксидази в цих тканинах (Obenland et al., 1990).

Вплив низьких температур на регуляцію транспорту електронів у мітохондріях рослин. Виявлено активацію in vivo альтернативної оксидази тканин рослин при низьких температурах середовища. З метою з'ясування впливу низьких температур на функції мітохондрій рослин нами були проведені дослідження in vitro впливу холоду на параметри мітохондріальної активності. Як свідчать проведені дослідження, перенесення паростків рослин озимої пшениці із середовища з температурою 25 С на низьку температуру (3 С) викликають зміни параметрів мітохондріальної активності. Через 24 годи дії холоду на рослини відмічено зростання інтенсивності поглинання кисню препаратами мітохондрій в третьому (на 12%) та четвертому (на 34,7%) метаболічному станах органел (рис. 9).

Зростання інтесивності дихання ізольованих мітохондрій супроводжувалось зниженням дихального контролю та відношення АДФ:О. За вказаний проміжок часу відбулося зростання інтенсивності поглинання кисню в присутності азиду натрію (до 67,1%). Відмічено також підвищення ступеню інгібування поглинання кисню мітохондріями під впливом БГК (до 38%). Подальший вплив низьких температур на паростки пшениці на протязі 48 годин не викликає достовірних змін активності органел у третьому метаболічному стані, в той час як у четвертому метаболічному стані відбувається достовірне зниження іетенсивності поглинання кисню порівняно із рівнем, зафіксованим через 24 години дії холоду на рослини . Відмічено також підвищення чутливості дихання органел до дії азиду натрію, разом з тим спостерігадося поступове зниження чутливості окислювальної активності мітохондрій до дії інгібітора альтернативної оксидази - БГК.

Впродовж довготривалого витримування рослин при низьких температурах в органелах відмічено зростання енергетичної ефективності дихання та поступове підвищення дихального контролю мітохондрій. При більш довготривалій дії холоду (від 3 до 6 діб) відбувається подальше зниження інтенсивності поглинання кисню органелами у третьому та четвертому метаболічних станах порівняно із рівнем зафіксованим через 24 години дії низьких температур на рослини (рис. 9). Мітохондрії проявляли меншу чутливість до дії БГК і, навпаки у більшій мірі пригнічували інтенсивність дихиння при введенні в суспензію ізольованих органел азиду натрію. Вказані зміни супроводжувалися підвищенням енергетичної ефективності дихання.

Дослідження з ізольованими мітохондріями виявили активацію альтернативної оксидази при охолоджені рослин протягом 24 год. При більш довготривалій дії низьких температур спостерігається зниження активності альтернативного шляху траспорту електронів.

Таким чином, дослідження впливу низьких температур на дихальний енергообміну злаків, проведені на тканиному та субклітиному рівнях організації свідать про активацію альтернативної оксидази при дії холоду. Збільшення інтенсивності поглинання кисню через альтернативний шлях може бути обумовлене індукцією синтезу альтернативної оксидази [Ito et al., 1997], або ж її активацією органічними кислотами [Wagner et.al.,1995; Day, Wiskich, 1995] і/або внаслідок тиольної модифікації ферменту [Umbach, Siedow, 1993].

Значення альтернативного дихання може полягати в тому, що: 1) посилена теплопродукція в процесі транспорту електронів по альтернативному шляху здатна безпосередньо захищати клітини протягом певного часу [Moynihan et.al., 1995]; 2) потік електронів через альтернативний шлях знижує здатність до генерації високого рівня супероксидів та H2O2 (Purvis and Shewfelt , 1993), який зростає при блокуванні транспорту електронів по цитохромному ланцюгу у тканин, що зазнали впливу холоду (Anderson et al., 1995); 3)активація цього шляху сприяє функціонуванню циклу трикарбонових кислот за умов високого рівня відновленності компонентів цитохромного шляху [Wagner, Krab, 1995; Day, Wiskich, 1995].

Висновки

Поліфосфатидилінозитоли беруть участь у трансдукції сигналів, обумовлених різким пониженням температури середовища клітин рослин, що підтверджується індукцією гідролізу фосфатидилінозитол 4,5-біфосфату та формуванням вторинного посередника трансдукції сигналів: інозитол 1,4,5-трифосфату у клітинах рослин, під впливом короткочасного охолодження паростків кукурудзи та озимої пшениці.

На ранніх етапах розвитку зародків відбувається синтез білків, пов'язаних із реалізацією програми розвитку, як за оптимальних умов, так і при дії екстремальних температур; синтез “стресових білків” в клітинах рослин відбувається лише після проходження певних стадій їх розвитку.

Стійкість рослин до дії низьких температур тісно пов'язана із новоутворенням білків, представників молекулярних шаперонів, про що свідчить поява в спектрах новосинтезованих білків мітохондрій і цитоплазми проростків пшениці та кукурудзи, що зазнали впливу холоду білків, з молекулярними масами 90 і 70 кД з функціями молекулярних шаперонів, а також поліпептидів в ділянці 17-38 кД.

Дія низької температури на проростки кукурудзи викликає збільшення інтенсивності фосфорилювання у фракції білка як мітохондріального, так і загального у ділянці 90 кД, що може відповідати родині шаперонів cpn90.

Морозостійкі сорти озимої пшениці реагують на зниження температури новоутворенням специфічного до дії низької температури поліпептиду з молекулярною масою близько 120 кД , синтез якого слабо виражений у сортів з низьким рівнем морозостійкості; вказаний білок характеризується високою інтенсивністю фосфорилювання у спектрах мітохондріального і загального білка.

Реакція метаболізму клітин рослин на дію холоду тісно пов'язана зі змінами функцій мітохондрій, перш за все із активацією транспорту електронів по альтернативному шляху.

Формування альтернативного шляху транспорту електронів в мітохондріях, як і цитохромного, відбувається в клітинах меристеми, максимальна активність альтернативного шляху відмічена у клітин, що завершили ріст.

Розвиток зародків насіння кукурудзи при низьких температурах середовища тісно зв'язаний із активацією альтернативного дихання.

Високий рівень холодостійкості тісно пов'язаний із активацією альтернативної оксидази під впливом низьких температур в мітоходріях клітин стійких до дії холоду ліній кукурудзи.

Збільшення вмісту основних фосфоліпідів, в тому числі фосфатидилхоліну і фосфатидилетаноламіну в мітохондріях проростків озимої пшениці в процесі адаптації до низьких температур направлене на стабілізацію енергетичного статусу клітин рослин за несприятливих умов середовища.

Інтенсивність підвищення вмісту фосфоліпідів в процесі адаптації кукурудзи відповідає рівню холодостійкості окремих органів. Найбільш інтенсивні зміни відбуваються у більш стійких до холоду листках рослин.

Адаптація кукукрудзи до низьких температур середовища супроводжується зростанням рівня ненасиченості фосфоліпідів.

Основні публікації за темою дисертації

Кравец В.С. Развитие представлений об адаптации растений к низким температурам // Физиология и биохимия культ.растений.- 1996.- Т.28, N3.- С.167-182.

Кравець В.С. Роль ліпідів в адаптації клітин рослин до несприятливих умов середовища // Актуальні проблеми фізіології водного режиму рослин та посухостійкості рослин: Зб.наук. праць Інституту фізіології рослин і генетики НАН України.- Київ, 1997.- С. 56- 59.

Kravets V. The alternative respiration of maize embryo tissues during germination of seeds at low temperatures // Responses of plant metabolism to air pollution and global change / Edited by L.J. De Kok and I.Stulen.- Backhuys Publishers, Leiden, 1998.- P.355-358.

Кравец В.С. Молекулярная биология альтернативной оксидазы растений// Биополимеры и клетка.-1999.- Т.15, N 2.- С.133-137.

Кравец В.С. Влияние низких температур на направленность потока электронов в митохондриях растений // Криобиология.- 1999.- № 2.- С. 34-37.

Кравець В.С.Вплив низьких температур на транспорт електронів дихального ланцюга мітохондрій рослин // Український біохімічний журнал.- 1999.- N5.- C. 23-28.

Kravets V.S., Morgun V.V. Effect of low temperatures on the alternative respiration of maize leaf tissues // Environment protection: Modern studies in ecology and microbiology.- Uzhgorod, 1997.- P. 291-297.

Кравец В.С., Войников В.К. Действие низких температур на активность растительных митохондрий (Методические аспекты) // Устойчивость растений к действию отрицательных температур: Зб.научн. работ Інститута физиологии растений и генетики НАН Украины.- Киев: Наук.думка.,1984.- С.79-90.

Кравець В.С., Нохріна К.П. Реакція метаболізму поліфосфатидилінозитолів на дію холодового шоку // Доповіді АН України.- 1998.- N 11.- С. 166-169.

Кравець В.С., Майор П.С., Половинкін І.Г. Синтез білків мітохондрій зародків кукурудзи при їх розвитку в умовах дії високих та низьких температур // Доповіді НАН України.- 1999.- N 7.- С.154-157.

Майор П.С.,Половинкін І.Г., Кравець В.С. Вплив низьких температур на затоплення та синтез білків етіольованих проростків озимої пшениці. // Физиол. и биохим. культ. растений.- 1999.- Т.31, N 2.- С.130-134.

Нохріна К.П., Кравець В.С. Жирнокислотний склад фосфоліпідів кукурудзи в процесі її адаптації до холоду на ранніх етапах онтогенезу // Физиол. и биохим. культ. растений. - 1998. - Т.30, N 4. - С. 288-293.

Нохріна К.П., Кравець В.С. Зміни фосфоліпідного складу проростків кукурудзи в процесі загартування до низьких температур // Физиол. и биохим. культ. растений. - 1998.- Т.30, N5.- C.368-373.

Комарницкий П.А., Лукьянов Л.С., Сизов С.С., Кравец В.С., Татаринов А.Г., Лебедев С.И. Дыхание, рост и морозостойкость почек черешни в условиях юга Украины // Физиол. и биохим. культ. растений.- 1981.- Т.13, N5.- С.501-506.

Майор П.С., Половинкін І.Г. Кравець В.С. Синтез загальних та мітохондріальних білків озимої пшениці при дії низьких температур та за умов гіпоксії // Доповіді НАН України.- 1999.- N8.- С.152-156.

Половинкін І.Г., Майор П.С., Кравець В.С. Синтез мітохондріальних білків кукурудзи за умов низькотемпературного впливу// Физиол. и биохим. культ. растений.- 1999.- Т.31, N4.- С.250-254.

Кравець В.С. Характеристика та функції білків, індукованих дією низьких температур // Физиол. и биохим. культ. растений.- 1999.- Т.31, N5.- С.323-332.

Кравец В.С., Колоша О.И., Семенюк В.Е., Веркиенко Р.С. Влияние абсцизовой кислоты и диметилсульфоксида на функции митохондрий и морозоустойчивость озимой пшеницы // Воодообмен и устойчивость растений.- Изд-во КазГУ, 1993.- С.110-116.

Богуш Н.В., Кравець В.С. Зміни фосфоінозитидів озимої пшениці у відповідь на температурний стрес // Збірник наукових праць Запорізького державного університету “Питання біоіндиксації та екології”.- 1998.- С. 14-21.

Kravets V. Relationship between inhibition of respiration and frost resistance of winter wheat // XVIII Congress of the Scandinavian Society for Plant Physiology.- Uppsala, Sweden, 12-17 June 1997.- P.125.

Kravets V. The effect of cold stress on the respiration of cereals in vitro and in situ // International Workshop. Plant respiration: physiological and ecological aspects.- Syktyvkar, 1995.- P.80-82.

Кравец В.С. Функционирование альтернативной оксидазы митохондрий растений в норме и при холодовом стрессе // Тезисы III съезда Всеросийского общества физиологов растений.- Санкт-Петербург, 1993.- 2 .- С.137.

Kravets V. Effect of low temperature stress on plants: physiological and molecular aspects // Biological Bulletin of Poznan.- 1997.- 34(suppl.).- P. 76-77.

Kravets V.S., Semenyuk V.E. Response of plant mitochondria in situ to extreme temperatures// International conference “Achievements and prospects in cryobiology and cryomedicine”.- Kharkov, 1988.- P.154.

Кравец В.С., Чугай О.Ю., Паламарчук С.М. Цианидрезистентное дыхание фотосинтезирующих тканей растений // Тезисы ХХV Юбилейного Междунар.совещ. и симпозиума на тему: “Исследование биогенеза, структуры и функции фотосинтетического аппарата в связи с преобразованием солнечной энергии” (10-15 октября 1988г.).-Болгария,Толбухин, 1988.- С.75.

Кравец В.С., Голубничая Т.А., Ермоленко И.М. Цианидрезистентное дыхание растений // Второй съезд Всесоюзного общества физиологов растений (24-29 сентября 1990 г. Минск): Тезисы докладов.- Минск, 1990.- С.132.

Кравец В.С., Олейник И.О., Ярошенко Н.В. Влияние холодового шока на цианидрезистентное дыхание холодоустойчивых и чувствительных к холоду линий кукурузы // Всесоюзная конференция "Генетические механизмы устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды (8-12 июля 1991 г., Иркутск): Тезисы докладов.- Новосибирск, 1991.- С.75.

Kravets V.S., Boreyko V., Yaroshenko N., Oleynik I. The effects of sodium aride and benzylhydroxamic acid on the respiration of growing tissues of roots of mayze (Zea mays L) // Physiologia Plantarum.- 1992.-Vol.85(3) Part 2:A53.

Кравець В.С, Борейко В.С., Ярошенко М.В. Вплив низьких температур на активність альтернативного шляху мітохондрій ліній і гібридів кукурудзи // Тези ІІ з'їзду Товариства фізіологів України.-Київ, 1993.- С. 115-116.

Bucolova T.P., Volovik N.V., Kravets V.S. A possible role of phosphatidylinositols in transduction of temperature signal in winter // Biol. plant.- 1994.- 36.- P.45.

Кравець В.С., Половинкин И.Г., Майор П.С. Сравнительное исследование синтеза митохондриальных белков в проростках пшеницы при действии высоких и низких температур // Актуальні питання фізіології рослин в аспекті екологічних проблем України.- Київ, 1995.- С.43.

Кравец В.С., Половинкин И.Г., Майоор П.С. О возможной роли молекулярных шаперонов в реакции проростков кукурузы на действие холода // I з'їзд Українського товариства кріобіології і кріомедецини: тези доповідей.- Харків, 1995.- С.116-118.

Kravets V.S Polovinkin I.G., Major P.S. A possible of chaperones in the cold stress response of maize seedlings mitochondria // J.Plant Physiology and Biochemistry, Special iss.- 1996.- P.227.

Kravets V.S., Bucolova T.P., Volovik N.V. Phosphatidylinositols changes in winter wheat in response to cold shock // Fifth International Plants Cold Hardiness Seminar.- Oregon, USA, 5-8 Aug. 1996.- 1996.- P. 42.

Kravets V.S., Polovinkin I.G., Major P.S. A possible of chaperones in the cold stress response of maize seedlings mitochondria // J.Plant Physiology and Biochemistry, Special iss.- 1996.- P.227.

Krfvets V.S., Major P.S., Polovinkin I.G. Protein synthesis in maize seedlings mitochondria under low temperature conditions // International symposium on stress and inorganic nitrogen assimilation & the 2nd fohs biostress symposium. - Moscow, 1996.- P.59.

Yankes E.P., Kravets V.S.- Effect of low-temperature stress on phosphatidylinositol metabolism of chilling sensitive plants. // International symposium on stress and inorganic nitrogen assimilation & the 2nd fohs biostress symposium.- Moscow, 1996.- P.122.

Анотації

Кравець В.С. “ Особливості метаболізму злаків при дії низьких температур на рослини” - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню доктора біологічних наук за спеціальністю 03.00.04- “Біохімія”. Чернівецький державний університет ім.Ю. Федьковича, Чернівці, 1999.

Дисертацію присвячено дослідженню короткотермінового та тривалого впливу низької температури на склад поліфосфатидилінозитолів тканин проростків кукурудзи та озимої пшениці, синтез білків та активність цитохромного та альтернативного шляхів транспорту електронів в мітохондріях злаків.

Отримані результати свідчать, що короткочасовий вплив низьких температур знижує в тканинах проростків рівень радіоактивності у фракціях інозитолфосфоліпідів ФІФ та ФІФ2 , в той час як рівень радіоактивності у фракції інозитолфосфатів зростає.

Встановлено, що вплив як низьких так і високих температур на проростки злаків обумовлює підвищення рівня синтезу групи білків в діапазоні (17-35 та 58-120 кД), включаючи БТШ70 і БТШ90. З'ясовано, що індукований зміною температури синтез білків мітохондрій більш чітко виражений в клітинах, які завершили ріст, порівняно з апікальною меристемою.

Показано, що адаптація кукурудзи до низьких температур середовища супроводжується накопиченням в її тканинах групи фосфоліпідів та підвищенням рівня ненасиченості їх жирних кислот.

Зниження температури збільшує зайнятість альтернативного шляху транспорту електронів мітохондрій кукурудзи.

Обговорюється роль фосфатидилінозитольної системи в трансдукції сигналів в реакції клітин рослин та значення молекулярних шаперонів в клітинах рослин при дії низьких температур.

Ключові слова: низькі температури, трансдукція сигналів, поліфосфатиділінозитоли, адаптація до холоду, шаперони, мітохондрії, дихання.

Кравец В.С. “Особенности метаболизма злаков при действии низких температур на растения ”. -Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук по специальности- 03.00.04- “Биохимия”. Черновицкий государственный университет им.Ю. Федьковича, Черновцы, 1999.

Диссертация посвящена исследованию кратковременного и продолжительного воздействия низкой температуры на состав полифосфатидилинозитолов тканей проростков кукурузы и озимой пшеницы, синтез белков и активность цитохромного и альтернативного путей транспорта электронов в митохондриях злаков, а также влияние низких температур на поглощение кислорода тканями зародышей корней кукурузы, находящихся на различных стадиях развития.

Автором сформулирована концепция последовательности развития событий в клетках растений при понижении температуры среды, основанная на впервые полученных фактах формирования вторичных посредников в клетках злаков при действии холода и их роли в индукции адаптационных изменений направленности и интенсивности метаболизма клеток, которые включают новообразование белков из класса молекулярных шаперонов, синтез липидов и активацию десатураз.

Впервые выявлены изменения пула полифосфатидилинозитолов под влиянием кратковременного охлаждения проростков гибридов кукурузы и озимой пшеницы, показан гидролиз фосфатидилинозитол 4,5-бифосфата на инозитол 1,4,5-трифосфата и диацилглицерол при действии холодового шока.

Установлен характер формирования альтернативного пути транспорта электронов в клетках меристемы, показано увеличение его участия в транспорте электронов к кислороду у завершивших рост клеток растений.

Прослежено динамику изменений активности цитохромного и альтернативного дыхания в процессе развития зародышей в семенах кукурузы при низких температурах среды. Выявлено активацию альтернативной оксидазы в митохондриях клеток устойчивых к действию холода линий кукурузы под влиянием низких температур. Получены результаты, которые свидетельствуют о том, что активация альтернативного дыхания осуществляется за счет синтеза белка альтернативной оксидазы.

Показано, что действие низких температур обуславливает увеличение альтернативного и цитохромного дыхания тканей корней участка 10-20 мм. Отсутствие изменений в активности исследуемых характеристик дыхания клеток меристемы под влиянием низких температур свидетельствует о том, что в период интенсивного деления клеток, их метаболизм, в том числе дыхательный, направлен на реализацию процессов роста клеток.

Этиолированные 2,5 суточные проростки озимой пшеницы охлаждали при 3С в течение 24-144 часов. После 24 часов действия низких температур на растения, интактные митохондрии показывали высокую степень активации альтернативной оксидазы, которую определяли как устойчивое к действию азида, чувствительное к бензгидроксамату дыхание органелл с сукцинатом в качестве субстрата.

Результаты исследований дыхательного энергообмена in vivo и in vitro позволили выявить механизм регуляции потока электронов в митохондриях, обеспечили развитие представлений о путях формирования энергетического статуса злаков под действием холодового шока. Обсуждается роль альтернативной оксидазы в снижении уровня формирования реактивных форм кислорода в тканях растений, которые были подвергнуты действию стресса.

Установлено, что растения реагируют на постепенное снижение температур индукцией или повышением уровня синтеза стрессовых белков, в том числе специфических на действие холода. Обсуждается роль низкомолекулярных БТШ, БТШ70, БТШ90 в процессах адаптации растений к действию холода. Показана роль молекулярных шаперонов в поддержании функций клеток в процессе роста и развития растений при низких температурах, обеспечении устойчивости клеток к действию холода.

Автор делает заключение о том, что молекулярные шапероны играют ключевую роль в устойчивости клеток растений к действию холода и замораживающих температур.

Впервые установлено новообразование специфического к действию низкой температуры полипептида с молекулярным весом около 120 кД в тканях проростков морозостойких сортов озимых пшениц, синтез, которого был слабо выражен у сортов с низким уровнем морозоустойчивости.

Увеличение интенсивности фосфорилирования во фракции как митохондриального, так и общего белка проростков кукурузы выявлено, прежде всего, в участке 90 кД, что может соответствовать семейству шаперонов cpn90.

Ключевые слова: низкие температуры, трансдукция сигналов, полифосфатидилинозитолы, адаптация к холоду, шапероны, митохондрии, дыхание.

Kravets V.S. “Features of metabolism of cereal plants under low temperature conditions”. Dissertation thesis as manuscript is presented for academic degree the Doctor of sciences (Biology) on specialty 03.00.04- “Biochemistry”, Yu.Fedkovych Chernivtsy State University, Chernivtsy, 1999.

Dissertation thesis is devoted to the investigations the effects of short-term and prolonged period of low temperature on polyphosphatidylinositol phospholipids composition of maize and winter wheat seedlings tissues, synthesis of polypeptides and activity of cytochrome and alternative pathway of electron transport of cereals mitochondria.

The results obtained show that under low temperature stress the level of radioactivity in inositolphospholipids PIP and PIP2 sharp decreased, while the level of radioactivity in inositol phosphates increased during 10 min. incubation of seedlings. The results show that polyphosphoinositides take part in early responsible reactions of plant cells to cold stress.

The study has revealed that exposure of seedlings both to cold and to heat caused the increasing of level synthesis of a common group of proteins (17-35 and 58-120 kD) including heat shock protein 70 and 90kD. Presented results of in vivo radiolabeling experiments indicate that the temperature-induced changes in mitochondrial newly synthesized proteins are more expressed in the whole stems than in the apical meristem.

It has been found that low temperature acclimation of maize was accompanied by the accumulation in the tissues of the main groups of phospholipids and increasing the unsaturation of their fatty acid chains. Lower temperatures increased the degree of engagement of the alternative pathway of electron transport in maize mitochondria.

The role phosphoinositide system in the transduction of temperature signals into cellular reactions of plant cells and signification of molecular chaperones in the plant cells under low temperature stress is discussed.

Key words: low temperature, signal transduction, polyphosphatidylinositols, cold acclimation, chaperones, mitochondria, respiration.

Размещено на Allbest.ru