Молекулярные основы термотолерантности растений

Термотолерантность и гормональная регуляция. Влияние высоких температур на рецепторы фитогормонов на уровне экспрессии генов и содержания белка изучено недостаточно. Между тем, лучшая термотолерантность может быть достигнута при оптимизации гормонального контроля процессов в растениях. Так, ABK участвует в реакции растений на осмотический стресс и является посредником при передаче сигналов дегидратации. В полевых условиях, где жара и засуха происходят зачастую одновременно, индукция с помощью ABK может быть возможным компонентом жаростойкости. Так, экзогенная обработка растений кукурузы ABK может имитировать водный стресс и соответствующее повышение термотолерантности ФС II. При дополнительном внесении кальция под кукурузу наблюдается синергизм действия с АБК. У сорго солевой стресс повышал жароустойчивость ФС II в листьях. Важно подчеркнуть, что синтез нескольких БТШ индуцируется АБК.

Влияние гиббереллинов на жароустойчивость противоположно действию АБК. Жароустойчивый генетически карликовый мутант ячменя с нарушением биосинтеза ГК становится восприимчивым к ТШ после обработки ГК. Последующая обработка триазолпаклобутразолом - антагонистом биосинтеза ГК вновь восстанавливала жароустойчивость у ячменя.

На томатах и редьке масличной показано повышение жароустойчивости в результате обработки брассиностероидами. Однако это не подтверждено на зерновых культурах. В целом представления о роли фитогормонов в обеспечении термотолерантности требуют дальнейших исследований.

Антиоксиданты. Повышение температуры вызывает окислительные повреждения растений из-за индуцированного жарой дисбаланса между фотосинтезом и дыханием. Антиоксидантный защитный механизм представляет собой неотъемлемый элемент адаптации к высокотемпературному стрессу, и его сила коррелирует с жароустойчивостью. В опытах с использованием большого числа сортов пшеницы показано, что жароустойчивость хорошо коррелирует с активностью каталазы, СОД, с более высокой концентрацией аскорбиновой кислоты и с меньшими окислительными повреждениями. Экзогенная обработка проростков горчицы и картофеля компонентами, сигнализирующими об окислительных повреждениях, и прежде всего салициловой и ацетилсалициловой кислотами, а также перекисью водорода повышала их жароустойчивость. Салициловая кислота и АФК, как правило, индуцируют транскрипцию БТШ, включая локализованные в митохондриях БТШ 22 и 70, поэтому их эффект на жароустойчивость может быть опосредован БТШ. По всей вероятности, кальций является вторичным мессенджером при передаче сигнала о действии ТШ, засухи и окислительного стресса, так как экзогенная обработка им повышала устойчивость к окислительным стрессам, в то время как обработка хелатирующими агентами или блокировка мембранного транспорта приводила к обратному эффекту.

Липиды. Степень насыщенности липидов мембран представляет собой важный элемент устойчивости при действии ТШ. У мутантных линий пшеницы с повышенной термотолерантностью ТШ повышал относительное содержание линоленовой кислоты среди галактолипидов по сравнению с диким типом. Однако окончательно не ясно, пониженная или повышенная степень насыщения липидов мембран благоприятна для обеспечения жароустойчивости. Изменение текучести мембран влияет на жароустойчивость. Так, мутанты сои и арабидопсиса, дефицитные по ненасыщенным жирным кислотам, поддерживали стабильную текучесть мембраны и повышенную жароустойчивость. Опыты на изолированных хлоропластах гороха, на которые в течение 5 мин воздействовал ТШ в диапазоне 20—55 °C, а затем химические соединения, изменяющие текучесть мембран, показали, что встраивание холестерина в мембраны тилакоидов снижало их текучесть на 50% в сравнении с контролем. Это, в свою очередь, приводило к повышению фотохимической активности ФС II на 50%. Повышение текучести тилакоидных мембран на 20% благодаря обработке бензиловым спиртом, напротив, ингибировало электронный транспорт на 10%. Приведенные примеры иллюстрируют важность текучести мембран в регуляции термотолерантности отдельных звеньев процесса фотосинтеза.

Изменения в текучести мембран могут быть результатом совместного действия степени насыщения и состава липидов в мембране, которые весьма чувствительны как к высоким, так и низким температурам. С повышением температуры насыщенность липидов, как правило, повышается, а ненасыщенность падает. Так, у арабидопсиса при высоких температурах как общее содержание липидов, так и соотношение ненасыщенных и насыщенных жирных кислот уменьшалось, причем последнее обусловлено повышением содержания насыщенных кислот, в частности в тилакоидных мембранах и плазмалемме. Повышение насыщенности мембранных липидов повышает температуру плавления и может затормозить увеличение текучести мембран при высоких температурах. Поэтому увеличение насыщенности жирных кислот способствует возрастанию термостабильности мембран. Однако не во всех опытах прослеживается тесная связь между насыщенностью липидов и жароустойчивостью. Так, например, растения трансгенного табака с низким содержанием ненасыщенных жирных кислот выдерживали высокие температуры в течение более длительного времени. Жароустойчивые сорта пшеницы отличались значительно более высоким содержанием насыщенных липидов в мембранах, чем чувствительные в условиях жары. Новый гербицидустойчивый мутант сои STR7 оказался гораздо устойчивее к жаре, чем дикая форма, что было обусловлено необычно высоким содержанием насыщенных (C16:0) и низким — ненасыщенных (C16:1 и C18:3) жирных кислот в мембране хлоропластов у жароустойчивых мутантов.

В других исследованиях, напротив, увеличение насыщенности липидов не коррелирует с повышенной жароустойчивостью, причем ее увеличение не защищало фотосинтетический аппарат в условиях жары. Жароустойчивые сорта картофеля характеризовались более высоким содержанием ненасыщенных липидов и меньшим содержанием - насыщенных.

У жароустойчивого и неустойчивого к жаре сортов пшеницы при 45 °C содержание нейтральных липидов повышалось, особенно в хлоропластах устойчивого сорта, а содержание фосфолипидов возрастало только у неустойчивого сорта. В листьях обоих сортов полярные липиды составляли 80—90% от общего содержания липидов. Количество галакто- и фосфолипидов, а также нейтральных липидов было выше в листьях растений в условиях жары, чем в контроле. Есть и другие данные, согласно которым доля и стабильность полярных липидов мембраны важны при адаптации растений в условиях жары.

Корни более чувствительны к жаре, чем листья. Показано, в частности, что содержание пальмитиновой кислоты при 30 °C не изменялось в корнях у восприимчивого к жаре сорта картофеля, но повышалось у жароустойчивого сорта по сравнению с контролем (при 20 °C), а содержание олеиновой кислоты уменьшилось при 30 °C у обоих сортов. Дифференцированное изменение липидного состава в условиях жары было обусловлено ингибированием или потерей активности десатуразы, ответственной за восстановление двойной связи в жирных кислотах.

Как изменения липидного состава и текучести мембран связаны с термотолерантностью корней, какие жирные кислоты играют более важную роль в ее обеспечении пока не известно.

Жароустойчивость листьев зависит от термоустойчивости фотохимических реакций в тилакоидных мембранах хлоропластов. Первичное место повреждения, как полагают, связано с ФС II. Высокие температуры индуцируют отделение от ФС II светособирающего белкового комплекса в тилакоидных мембранах, нарушая, таким образом, их стабильность.

Мутант арабидопсиса hot 2-1, дефицитный по приобретенной термотолерантности, отличался более интенсивным выходом электролитов из поврежденных жарой клеток. При этом выделялось в 7—10 раз больше K+, чем Ca2+ или Mg2+. Выход K+ осуществляется или путем диффузии через липидный бислой или каналы в мембранах. Калиевые каналы особенно чувствительны к изменению мембранного окружения. Свободные жирные кислоты (например, архидоновая) активируют калиевые каналы, стимулируя выход K+ из клетки. Предотвращение выхода K+ с помощью ингибиторов калиевых каналов соответственно предотвращает смерть клетки.