Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Изменения на уровне клеточных органелл и мембран

10.11.2018

Ультраструктура клетки. Различные клеточные элементы проявляют неодинаковую реакцию на охлаждение. Электронная плотность цитоплазмы уменьшается, в ядре происходит конденсация хроматина и просветление кариоплазмы, также в клетке уменьшается число рибосом, разрушаются микротрубочки, увеличивается вакуолизация, наблюдаются разрушение мембранной системы и потеря клеточной компартментации.

Особенно заметны изменения структуры митохондрий: набухание и дегенерация, просветление матрикса, укорачивание крист и уменьшение их числа, что может приводить к ослаблению окислительного фосфорилирования.

У хлоропластов при охлаждении происходит набухание и разрушение оболочки, дезинтеграция гран, уменьшение количества рибосом, образование периферического ретикулума (мелких везикул оболочки), накопление липидных капель, исчезновение крахмальных зерен, что можно рассматривать и в качестве защитно-приспособительных реакций.

В клетках семядольных листьев томата уже после 2 ч охлаждения отмечены небольшие изменения структуры митохондрий и пластид, затем происходили более тяжелые повреждения пластид, митохондрий, ЭПР, пероксисом и ядра. Повреждения тонопласта начинались после 4 ч охлаждения, тогда как плазмалемма оставалась неповрежденной в течение 16-часового охлаждения, т. е. структурные компоненты клетки отличаются разной холодоустойчивостью.

Клеточный рост. Клетки на разных фазах роста отличаются по чувствительности к холоду: самыми холодоустойчивыми оказались уже дифференцированные клетки, менее холодоустойчивыми — делящиеся клетки. Минимальная устойчивость обнаружена у клеток в фазе растяжения. Вместе с тем у последних была выше способность к повышению холодоустойчивости.

Устойчивые сорта при охлаждении сохраняют стационарность роста: равное замедление процессов деления и растяжения клеток. У них высока гетерогенность клеток апикальной меристемы по длительности клеточного цикла, выше темпы восстановления роста после окончания охлаждения.

Физико-химические свойства клетки. При охлаждении теплолюбивых растений происходит изменение вязкости цитоплазмы, которая уменьшается при небольшом охлаждении (вследствие увеличения дисперсности биоколлоидов и распада структурных образований) и увеличивается при сильном и продолжительном охлаждении (вследствие коагуляции структурных белков). Возрастание вязкости цитоплазмы в колеоптиле кукурузы после охлаждения было выражено сильнее у устойчивой линии, чем у чувствительной.

При пониженных температурах у теплолюбивых растений уменьшалось содержание водорастворимых белков, что приводило к сужению изоэлектрической зоны цитоплазмы (ИЭЗ). При выдерживании растений в условиях пониженных закаливающих температур ИЭЗ, напротив, расширялась. Отмечены также изменения положения ИЭЗ на шкале pH, определяющие холодоустойчивость растений: разность между внутриклеточным pH и верхним пределом ИЭЗ выше у устойчивых видов.

Охлаждение теплолюбивых растений приводило к смещению внутриклеточного pH как в сторону повышения, так и снижения в зависимости от вида и от pH клетки в обычных условиях (кислая или щелочная).

Очень чувствительным показателем состояния клетки является движение цитоплазмы, которое у устойчивых к холоду растений (морковь, редька) продолжалось при 0—5 °C, а у теплолюбивых (томаты, табак, тыквенные) прекращалось в течение нескольких минут после охлаждения до 10 °C.

Состав и свойства клеточных мембран. Нарушение структуры клеточных мембран при охлаждении и связанное с ним повышение их проницаемости, приводит к резкому увеличению скорости выхода растворенных веществ (ионов, аминокислот и др.) из тканей растений. Степень усиления выхода электролитов при охлаждении теплолюбивых растений зависит от температуры выращивания растений и интенсивности освещения, и особенно сильно — от относительной влажности воздуха.

Увеличение выхода растворенных веществ из клетки может быть обратимым, если растения охлаждали в течение непродолжительного времени, или необратимым, когда охлаждение было более длительным. При этом необратимого увеличения выхода электролитов не происходит до появления внешних признаков повреждения. Следовательно, увеличение проницаемости не является первичной ступенью холодового повреждения клеток.

Пониженные температуры снижают эластичность мембран и их растяжимость; уменьшают подвижность липидов, способствуя снижению активности ряда ферментов, в том числе Н+/АТФазы; повышают латеральную диффузию фосфолипидов, стеролов и белков в плазматических мембранах.

В результате действия низкой температуры возрастает потеря мембранами ионов кальция, в результате чего их количество в цитоплазме увеличивается. Одновременно нарушаются мембранные структуры и функции мембраносвязанных ферментов: Н+/АТФаза инактивируется, а фосфолипазы, наоборот, активируются, что вызывает утечку ионов и стимулирует деградацию мембранных липидов. В этом случае повреждения становятся необратимыми.

При пониженных температурах происходит физический фазовый переход структур мембран клеток теплолюбивых растений из эластичной жидкокристаллической в твердогелевую, что также изменяет свойства мембран и активность мембранно-связанных ферментов. У нескольких видов тропического происхождения температура фазового перехода была выше (15 °C), чем у растений умеренных зон (6—8 °C). Вместе с тем фазовые изменения мембранных липидов практически не играют роли в определении величины и скорости холодового повреждения.

Изменение состава липидной фракции мембран. Адаптация к охлаждению может происходить за счет изменения состава мембранных липидов, увеличивающих проницаемость мембран для воды. Мембраны с высоким содержанием ненасыщенных жирных кислот более текучие при пониженных температурах. Эти кислоты рыхло упакованы в мембранах, в результате чего сопротивление движению воды через мембрану снижается. Применительно к корням это может адаптировать гидравлическую проводимость и другие физиологические функции к пониженным температурам.

Фосфолипидный и жирнокислотный состав клеточных мембран корней хорошо изучен. Фосфатидилхолин и фосфотидилэтаноламин доминируют в составе мембранных липидов (70-80%) корней пшеницы, сои, озимой ржи и др. Жирные кислоты представлены главным образом пальмитиновой (25%), линолевой (50%) и линоленовой (20%) кислотами. Хотя доля ненасыщенных жирных кислот при охлаждении возрастает, значимость этого феномена в явлениях адаптации и устойчивости все еще остается неясной. Так, например, содержание линоленовой кислоты в корнях пшеницы при охлаждении возрастает, однако блокада этого процесса ингибитором заметно не сказывается на толерантности. Аналогично липиды в корнях холодоустойчивого брокколи были более ненасыщенными, чем у чувствительной к холоду сои, однако степень ненасыщенности жирных кислот в корнях брокколи возрастала при охлаждении значительно сильнее, чем в корнях сои.

Степень ненасыщенности и экспрессия генов ферментов десатураз, превращающих насыщенные жирные кислоты в ненасыщенные путем образования двойной связи, изучались как в корнях, так и в листьях. Экспрессия в трансгенных растениях генов десатуразы из более холодоустойчивых видов повышала холодоустойчивость у первых в нескольких случаях. Таким образом, например, были трансформированы растения табака с помощью десатуразы арабидопсиса, в результате чего возрастала доля ненасыщенных жирных кислот в листьях и холодоустойчивость по сравнению с диким типом. С другой стороны, мутант арабидопсиса fab1, содержащий более высокую долю фосфатидилглицерола в листьях, чем многие холодовосприимчивые виды, не повреждался при кратковременном холодовом воздействии. Однако 3-недельная экспозиция при 2 °C вызывала активное разрушение хлоропластов и резкое падение интенсивности фотосинтеза, что указывает на исключительную роль ненасыщенности в поддержании структуры и функции хлоропластов.

Что касается корней, повышение степени ненасыщенности в мембранах после снижения температуры свидетельствует о повышении экспрессии генов десатуразы при изменении температуры. Индуцированные холодом, мембраносвязанные десатуразы действуют на вновь сформированные или «старые» молекулы липидов. Несколько генов десатураз (fad) индуцируются низкими положительными температурами. При этом у арабидопсиса обнаружены как регулируемые температурой гены десатураз fad8 (в хлоропластах листьев), так и нерегулируемые fad2 и fad7 (в семенах и листьях). В корнях рапса содержание мРНК fad3 было в 6 раз выше при охлаждении, чем в контроле. Уровень транскриптов достаточно постоянен при охлаждении и уменьшается в темноте в контроле, что указывает на важность стабильности мРНК.

На степень ненасыщенности может повлиять дифференцированное воздействие температуры на разные этапы биосинтеза жирных кислот. Так, если синтез жирных кислот замедляется, а процесс десатурации продолжается, доля ненасыщенных жирных кислот увеличивается. В листьях и семенах десатурация продолжается даже тогда, когда синтез замедляется или останавливается, что в итоге приводит к повышению доли ненасыщенных жирных кислот и без повышения активности десатуразы. В частности, именно это явилось причиной индуцированного температурой повышения доли ненасыщенных липидов в семенах сафлора.

Кроме того, общий уровень ненасыщенности можно изменить путем модификации определенных классов липидов, если они различаются по составу жирных кислот. He исключаются также случаи, когда ацилтрансферазы, которые переносят жирные кислоты на глицеролипиды, могут выбирать различные жирные кислоты. Так, растения табака, трансформированные генами глицерол-3-фосфатацилтрансферазы разных видов, различались по уровню ненасыщенности фосфатидилглицерола в листьях и холодостойкости. Пока неизвестно, как этот механизм повышения ненасыщенности функционирует в корнях, а также как он может сказаться на холодостойкости или адаптации корней.

В большинстве случаев фосфолипидный состав корней не зависит от температуры выращивания, в то время как общее содержание липидов в корнях при выращивании в условиях холодового воздействия повышается, хотя скорость оборота липидов при 5 и 20 °C была примерно одинаковой. Опыты с меткой указывают, что скорость синтеза фосфолипидов при охлаждении повышается.

Стеролы могут влиять на текучесть мембран. При выращивании в условиях охлаждения содержание стеролов в корнях ржи снижалось, что повышало соотношение фосфолипиды/стерол и в свою очередь могло поддерживать целостность мембран. В плодах томатов состав и содержание стеролов менялись при охлаждении и последующем повышении температуры. Содержание фосфолипидов в листьях кормовых бобов при охлаждении снижалось, а соотношение фосфолипиды/стерол возрастало.

Охлаждение теплолюбивых растений вызывает деградацию галакто- и фосфолипидов с участием фосфолипаз, главная из которых — фосфолипаза D. При охлаждении активируются все формы этого фермента. В результате деацилирования фосфолипидов образуются свободные жирные кислоты (СЖК), что в сочетании с низкотемпературным накоплением фосфолипидных катаболитов в мембранах может способствовать холодовому повреждению.

Изменения белковых компонентов мембран. Пониженные температуры действуют на структуру белков, нарушая их четвертичную (разрыв высокомолекулярных мультимеров на мономеры) и третичную структуры (обратимая денатурация). Охлаждение приводит к высвобождению небелковых компонент ферментов, изменяет аллостерический контроль активности и кинетические параметры. Существенную роль в низкотемпературной инактивации ферментов играют также белок-липидные взаимодействия в мембране.

Синтез белков. Охлаждение ряда теплолюбивых растений (кукурузы, риса, маша, томата, огурца, арахиса, хлопчатника, подсолнечника) индуцирует синтез от 1 до 20 полипептидов с молекулярной массой от 14 до 94 кДа, сходных с индуцированными прогревом БТШ или отличных от них. У более холодостойких сортов изменения в наборе транслируемых при пониженной температуре белков выражены сильнее. Среди белков, усиление синтеза которых индуцировано пониженной температурой, убиквитин, алкогольдегидрогеназа, ферменты метаболизма фенилпропаноидов, альтернативные оксидазы, дегидрины, молекулярные шапероны семейства 70 D, Са2+-зависимые протеинкиназы. Некоторые из белков синтезируются после возврата охлажденных растений в тепло, возможно, участвуя в восстановлении после низкотемпературного стресса.

Индуцированные охлаждением изменения экспрессии генов могут быть общей реакцией растения на пониженные температуры, не связанной с холодоустойчивостью. Их можно рассматривать как cor-гены (от англ. cold regulated genes), экспрессия которых, приводящая к образованию БТШ, регулируется по-разному в условиях холодовых воздействий.

Холодовая акклимация теплолюбивых растений сопровождается также синтезом специфических белков, в котором участвуют митохондрии и хлоропласты. Так, в закаленных проростках кукурузы обнаружено большое количество транскриптов, соответствующих трем генам — саr333, саr30 и саr757 (от англ. chilling acclimation responsive). При этом саr333 идентифицирован как cat3, кодирующий изозим каталазы-3 митохондрий кукурузы. Подобные эффекты оказывает обработка нута экзогенной АБК, индуцирующая образование сходных транскриптов и синтез ряда белков.

Новые подходы к изучению роли генома в холодовом повреждении основаны на использовании не способных к закаливанию мутантов и трансгенных растений. Так, показано резкое изменение степени чувствительности к охлаждению у растений табака при введении генов из Arabidopsis thaliana или из цианобактерии Anacystis nidulans.

Изменения функций мембран. Изменения состояния мембран могут приводить к вторичным реакциям или необратимым изменениям. Последние могут вызвать потерю целостности мембран и компартментации, выход электролитов, снижение окислительной активности митохондрий, повышение энергии активации мембраносвязанных ферментов, остановку движения цитоплазмы, снижение содержания АТФ и интенсивности фотосинтеза, дезорганизацию и дисбаланс метаболизма, накопление токсических веществ и проявление симптомов холодового повреждения.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: