О.И. Яхин А.А. Лубянов З.Ф. Калимуллина ского НЦ РАН;
реклама
АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО 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 синтетическому семейству аспарагиновой кислоты, образующейся из оксалоацетата цикла Кребса, относятся треонин, лизин, метионин, изолейцин [2]. Глутаминовая кислота (GLU), синтезируемая из α-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 антиоксидантными 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. Cерин 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 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 (Triticum aestivum 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 мкM), 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 Hitachi 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 био38 АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО LEU 500 % от контроля 400 300 MET ALA CYS 200 ASP SER PRO GLY ILE TYR PHE ARG сумма АК LYS VAL 100 THR 0 HIS GLU корни 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 (Cd) возрастала с 7,6 мг (Cd) до 8,3 мг и с 6,7 см (Cd) 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 Cu-стресса, приводившего к возрастанию содержания пролина в корнях, стеблях, листьях подсолнечника, уменьшало его накопление в стебле, но индуцировало в корнях, что 39 АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО 500 PRO % от контроля 400 THR 300 200 GLU ASP PHE TYR MET CYS VAL SER 100 GLYALA ILE LEU HIS LYS 0 Cd Сумма АК ARG Cd+стифун-6М Рис. 2 – Влияние стифуна-6М на содержание свободных аминокислот в растениях пшеницы в условиях токсического действия ионов кадмия 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 acidinduced adaptive response to copper stress in sunflower (Helianthus annuus L.) // Plant Growth Regul. 2006. V. 50. P. 191–199. 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. Роль предшественника, удобрений, химических и биологических протравителей семян в защите яровой пшеницы от корневой гнили С.Г. Дюбина, аспирантка, Оренбургский ГАУ В формировании урожая пшеницы абиотические и биотические факторы часто наносят совместный ущерб. Характерно, что в засушливые годы, а на Южном Урале за 1966–2010 гг. засуха отмечалась 25 раз (56% лет), посевы яровой пшеницы поражаются корневой гнилью особенно сильно, до 100%. Объяснить это можно тем, что возбудитель корневой гнили В процессе онтогенеза растительные организмы подвергаются воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды: биотические факторы (грибные, бактериальные, вирусные болезни) и абиотические (температура, свет, влажность). 40
