Analysis of waysplant's hypobaric hypoxia adaptation .pdf Закономерности реагирования живых систем на внешние воздействия связаны с формированием неспецифических адаптационных перестроек, индуцирующих устойчивость организма. Среди таких неспецифических ответов известно множество реакций, характерных только для отдельных видов, но интересных для познания механизмов адаптации в целом [1-5]. Более полно в настоящее время исследовано действие дефицита кислорода на корневую систему растений. Остаются недостаточно изученными вопросы структуры и функции фотосинтетического аппарата в условиях корневой гипоксии и метаболические приспособления зеленых растений, попадающих в условия кислородного голодания. Моделировать состояние гипоксии для целого растения можно в барокамерах, устройство которых позволяет создавать необходимые условия - недостаток кислорода, углекислоты и изменение атмосферного давления, т.е. формировать модель гипобарической гипоксии. Изменения в ассимилирующих органах показывают, что при корневой гипоксии и аноксии у устойчивых и неустойчивых растений сначала уменьшается только число активных реакционных центров фотосистем. Более длительная аноксия в области корней приводит к тому, что в хлоропластах листьев увеличивается число осмиофильных глобул, т. е. имеет место частичная деструкция мембранной системы тилакоидов [6]. Исследования действия гипобарической гипоксии на целое растение выявили, что в зеленых листьях развиваются компенсаторные взаимоотношения фотосинтеза и дыхания, активируются анаплеротические механизмы накопления низкомолекулярных метаболитов и образования энергетических эквивалентов [7].В стресс-физиологии растений придается большое значение ядерно-цитоплазматическим отношениям, когда нормальный онтогенез пластид является необходимым условием для правильной экспрессии ядерных стрес-сорных генов. Показано, что в трансдукции стрессорного сигнала принимают участие такие эндогенные компоненты, как этилен, жасмоновая кислота, углеводы, полиамины и различные антиоксиданты, к числу которых относится и амарантин. Согласно современным представлениям, он играет важную роль в фотосинтетических, метаболических и защитных реакциях растений [8]. Повышенным содержанием амарантина обладают растения рода Amaranthus, особенно высокое количество его отмечается в листьях амаранта трехцветного сорта Валентина. В литературе есть данные об отношении видов рода Amaranthus к стрессу, в частности к гипоксии [9-10], действию водного стресса [11]. В связи с этим поиск эндогенных метаболитов, обеспечивающих устойчивость растений даже в пределах одного рода или вида, является новым и перспективным направлением стресс-физиологии.Цель работы - изучение направленности метаболизма в ассимилирующих тканях двух видов амаранта, различающихся содержанием бетацианина ама-рантина, в условиях гипобарической гипоксии.Объектами исследования являлись 24-суточные проростки двух видов амаранта: амарант тёмный (Amaranthus hypochondriacus L.) сорта Кизлярец и амарант трёхцветный (Amaranthus tricolor L.) сорта Валентина, который отличается высоким содержанием амарантина [8]. Амарант характеризуется высокой урожайностью, а благодаря его высокому адаптационному потенциалу обладает уникальной способностью приспосабливаться к различным условиям внешней среды. Зерно и зеленая масса амаранта могут широко использоваться в пищевых, кормовых и технических целях. По качественным показателям - содержанию белка, аминокислот, витаминов, макро- и микроэлементов, биологически активных веществ, масла - он превосходит основные традиционные кормовые и пищевые культуры [8-10].Растения выращивали на дерново-луговой почве под люминесцентными лампами (интенсивность 40 Вт/м2, фотопериод 12 ч) при температуре 25°С. Для создания анаэробных условий образцы помещали в барокамеры с пониженным парциальным давлением кислорода (Р = 8 кПа, РО2 = 2 кПа) на 16 ч в темноту (для исключения фотосинтеза). Контрольные растения находились в это время в условиях нормальной аэрации (Р = 101 кПа, РО2 = 21 кПа) и при нормальном атмосферном давлении в темноте. Особенности гипобарической среды характеризуются одновременным снижением парциального давления газов, среди которых наибольшее значение для растений имеют О2 и СО2 . В отличие от других типов гипо- и аноксии (затопление, вытеснение воздуха инертными газами и т. д.) действие гипобарической гипоксии можно изучать на автотрофных тканях, которые в условиях разреженной атмосферы непосредственно взаимодействуют с воздухом, обедненным кислородом.Эксперименты проводились в 4 биологических повторностях, были продублированы 4 раза. Для опытов использовали взрослые листья предпоследнего яруса 24-дневных растений амаранта. Гомогенизацию производили при пониженной температуре на льду в 8 мл охлажденной среды выделения следующего состава: трис-HCl буфер (pH 7,8) - 0,05 М, аскорбат натрия - 5 мМ, цистеин - 3 мМ, MgCl2 - 1 мМ и дитиотрейтол - 5 мМ [12]. Гомогенат отжимали через 4 слоя капрона и центрифугировали при 10 000 об./мин в течение 20 мин на холоде (центрифуга К-24, Германия). Состав среды выделения и реакционных сред для определения активности ферментов подбирали согласно специфике объекта. В работе использовали реактивы фирм «Sigma» (США) и «Реахим» (Россия).В листьях амаранта после 16-часового воздействия гипобарической гипоксии наблюдаются изменения содержания фотосинтетических пигментов (табл. 2). При этом у опытных растений сорта Валентина количество зеленых пигментов выше, чем в контроле, а содержание каротиноидов не изменяется.В то же время у амаранта сорта Кизлярец уровень зеленых пигментов при гипоксии не изменяется, но увеличивается количество каротиноидов. Подобное увеличение зеленых пигментов известно [20] и укладывается в представление о том, что при недостатке кислорода замедляется окисление хлорофилла. Обнаруженные особенности в содержании фотосинтетических пигментов являются, вероятно, результатом определенных метаболических изменений.Определение содержания бетацианина амарантина в листьях 24-дневных растений амаранта совпадает с данными о более высоком его количестве в растениях сорта Валентина [8]. Под действием 16-часовой гипоксии содержание амарантина в листьях амаранта темного сорта Кизлярец не изменяется и достоверно уменьшается в листьях амаранта трехцветного сорта Валентина (табл. 3). Такие количественные изменения амарантина с учетом его защитной функции дают основание для дальнейшего рассмотрения путей метаболизма у этих растений при действии кислородной недостаточности.В листьях растений на свету при недостатке кислорода тормозится работа цикла Кребса [7], что подтверждают и данные исследования. Активность НАД-МДГ уменьшается в листьях обоих видов амаранта (табл. 3). Заключительный этап обмена ди- и трикарбоновых кислот в листьях амаранта темного ингибируется на 22%, а в листьях амаранта трехцветного - на 41% в пересчете на 1 г сырой массы. Одновременное изучение преобразования глюкозы по окислительному пентозофосфатному пути показало, что активностьНАДФ-глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы в листьях амаранта трехцветного сорта Валентина возрастает на 33% по сравнению с контролем (табл. 4).В листьях амаранта темного сорта Кизлярец после гипоксической экспозиции активность фермента достоверно не изменяется как в пересчете на 1 г сырой массы, так и на 1 мг белка.Т а б л и ц а 3Влияние гипобарической гипоксии (Р = 8 кПа, Р О2 = 2 кПа, 16 ч) на содержание бетацианина амарантина в 24-дневных растениях двух видов амарантаТ а б л и ц а 4Изменение активности НАД-малатдегидрогеназы и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы в листьях 24-суточного амаранта под влиянием гипобарической гипоксии(Р=8 кПа, РО2=2 кПа, при 16 ч)Определение активности НАДН-зависимой алкогольдегидрогеназы, функционирующей в сторону восстановления ацетальдегида, выявило различный характер работы фермента у изучаемых сортов (табл. 5). В листьях сорта Кизлярец активность НАДН-АДГ уменьшается под действием 16-часовой гипоксии, а в листьях сорта Валентина в этих же условиях наблюдается резкая активация фермента, что косвенно может свидетельствовать о накоплении этанола. В то же время изменение активности НАД-АДГ имеет противоположный характер: возрастает при гипоксии в листьях сорта Кизлярец и уменьшается в ассимилирующих тканях сорта Валентина.Полученные результаты позволяют выявить механизмы изменения метаболизма в ассимилирующих органах растений амаранта, находящихся в темноте в условиях гипобарической гипоксии. При недостатке кислорода в листьях амаранта количество амарантина уменьшалось только у одного из изучаемых видов - амаранта трехцветного сорта Валентина. Этот сорт отличался повышенным содержанием амарантина (300-500 мкг/г сырой массы) по сравнению с амарантом темным сорта Кизлярец (90-130 мкг/г сырой массы).Т а б л и ц а 5Соотношение путей дыхательного метаболизма при кратковременной гипоксии у амаранта трехцветного сорта Валентина заключается в снижении энзиматической активности цикла Кребса и увеличении активности АДГ по восстановлению ацетальдегида в этанол. Это сопровождается усилением доли альтернативного пентозофосфатного пути окисления углеводов, что вместе с высоким содержанием биологически активного алкалоида амарантина может обеспечивать его устойчивость к недостатку кислорода. Пентозофос-фатный путь поставляет НАДФН, который используется как восстановитель в биосинтетических процессах, в условиях, когда не происходит образование НАДФН при фотосинтезе. Поэтому он имеет особенно большое значение в нефотосинтезирующих тканях, прорастающих семенах, а также в часы тем-нового периода. При функционировании этого пути окисления углеводов образуется рибозо-5-фосфат, необходимый для синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот. При недостатке кислорода количество амарантина уменьшается только у сорта Валентина, что, по-видимому, может восполняться также через продукты, образующиеся в окислительном пентозофосфатном пути. Известно, что синтез амарантина происходит через образование шикимовой кислоты путем конденсации эритрозо-4-фосфата из пентозофосфатного пути и фосфоэнолпирувата из гликолиза [21]. Способность бетацианина амаранти-на образовывать комплексы с ионами переменной валентности, в частности с железом, медью, цинком, которые регулируют и катализируют свободнора-дикальные процессы [8], активизирующиеся в растениях при гипоксическом стрессе [3, 22], приводит к его расходованию и обеспечивает устойчивость к гипоксии растений сорта Валентина. Усиление работы окислительного пен-тозофосфатного пути, которое отмечается в исследовании, характерно для более приспособленных к дефициту кислорода растений [3].В листьях растений сорта Кизлярец, судя по активности НАД-АДГ, при недостатке кислорода происходит усиление работы фермента, а следовательно, имеет место обращение конечных этапов спиртового брожения и окисление образующихся восстановленных коферментов, необходимых для поддержания высокой скорости гликолитического пути. Одновременно в листьях амаранта сорта Кизлярец в условиях гипобарической гипоксии снижается активность малатдегидрогеназы, работающей на заключительных этапах цикла ди- и три-карбоновых кислот и не происходит активация окислительного пентозофос-фатного пути, судя по активности глюкозо-6-фосфатдегидро-геназы.Таким образом, выявлены особенности функционирования отдельных этапов дыхательного обмена в ассимилирующих тканях в темноте при гипобари-ческой гипоксии у двух видов амаранта, отличающихся по содержанию анти-оксиданта амарантина. Выполняя протекторную функцию в растениях, ама-рантин обеспечивает наряду с другими защитными реакциями устойчивость сорта Валентина к кислородной недостаточности. Он снижает уровень свобод-норадикальных процессов в клетках, а одновременное усиление использования глюкозы по окислительному пентозофосфатному пути повышает устойчивость этих растений к недостатку кислорода, обеспечивает восполнение амарантина и восстановление коферментов. Устойчивость растений сорта Кизлярец при неизменном, но более низком содержании амарантина в условиях недостатка кислорода обеспечивается усилением окисления продуктов брожения за счет активации алкогольдегидрогеназы, работающей от этанола.

Скачать электронную версию публикации