Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Низкотемпературный контроль экспрессии генов растений

10.11.2018

Восприятие и сенсоры низкотемпературного сигнала. Природа первичного сенсора низких температур до сих пор не ясна. По некоторым данным, эту функцию могло бы выполнять изменение текучести мембран, являющееся самой быстрой реакцией плазматической мембраны на изменение температуры. Любое воздействие, снижающее текучесть мембраны, быстро индуцирует экспрессию гена десатуразы des A. Механизмы, с помощью которых снижение текучести мембран приводит к активации генов, пока неясны. Одним из возможных вариантов является связь между текучестью мембран и активностью кальциевых каналов.

Интересно, что как активация lti-генов (от англ. — low temperature induced), так и уровень холодоустойчивости после адаптации зависят от температуры акклимации или адаптации. Показана также тесная связь между последней и поступлением кальция в клетку растений арабидопсиса, что предполагает возможное участие модулируемых температурой Са2+-каналов в качестве сенсора температурных колебаний. Пространственно все известные рецепторы, включая идентифицированные рецепторы этилена, красного света, синего света, кальция расположены в мембранах. Один из классов хорошо охарактеризованных мембранных рецепторов представлен протеинкиназами, и передача сигнала осуществляется по протеинкиназному каскаду. Даже небольшое снижение водного потенциала клеток после холодового воздействия на растение тоже может быть достаточным для осмосенсора. У дрожжей двухкомпонентная гистидинкиназа выступает как осмосенсор, одновременно отслеживая механические изменения плазмалеммы во время осмотического стресса.

Температура также может вызывать конформационные изменения макромолекул. Различные компартменты клетки могут «чувствовать» температуру не только косвенно (благодаря событиям, происшедшим в плазмалемме), но и напрямую (через снижение своих температур), как показано на клетках люцерны. Сенсоры низких температур потенциально могут находиться также в ядре, вакуолях и в других органеллах. Важным инструментом, запускающим стресс-сигнализацию, может быть и рассмотренный ранее окислительный стресс.

Кальций как вторичный мессенджер. Концентрация Са2+ в клетке при холодовом шоке быстро возрастает, причем как у холодоустойчивого арабидопсиса, так и у чувствительного табака. При снижении температуры максимальная активность Са2+-каналов достигается при температуре 6—7 °C. Обработка клеток люцерны хелаторами Ca2+ предотвращало поступление его в клетку, а также экспрессию индуцируемых низкими температурами cas15-генов и приобретение холодоустойчивости.

При искусственном увеличении Ca2+ в цитозоле cas-гены индуцируются даже без Холодовой обработки. В аналогичных опытах на растениях арабидопсиса Ca2+ выступал в качестве посредника при холодовой индукции kin-геной, rd30 и lti78/rd29a-генов. При этом часть Ca2+ поступала в цитоплазму из внутриклеточных компартментов. Оба гена индуцировались низкими температурами независимо от АБК. Вместе с тем индукция rab75-гена АБК, экспрессия которого АБК-зависима, тоже опосредована кальцием внутриклеточного происхождения. Таким образом, не исключено, что поступление Ca2+ в цитоплазму из внутриклеточных компартментов важно как в АБК-зависимых, так и независимых сигнальных путях. Внеклеточные пулы кальция могут быть востребованы на ранних этапах восприятия сигнала холодового воздействия.

Специфичность кальциевого сигнала. Концентрация Са2+ в цитозоле изменяется в ответ на действие целого ряда раздражителей (свет, регуляторы роста, xолодовой шок, атака патогенов, ветер, механический контакт). Возникает вопрос, как проявляется специфичность сигнала в ответ на тот или иной раздражитель. Возможно, эта информация закодирована в амплитуде, частоте и пространственной локализации изменений концентрации Ca2+ в клетке. Так, механическое прикосновение, ветер и xолодовой шок вызывают быстрое (в течение 15 с) повышение Са2+[цит] в проростках табака, окислительный и солевой стресс — менее значительное и более медленное (в течение нескольких минут), аноксия — в течение нескольких часов. Подобные разноскоростные типы реакций и могут позволить клеткам растений отличать один стрессор от другого и индуцировать экспрессию разных генов для адаптации к тем или иным стрессорам. Если исходить из различной временной и пространственной локализации изменений Са2+[цит], нельзя исключить, что отдельные зоны цитоплазмы дифференцированно реагируют на разные факторы. По существу, речь идет о том, что клетки растений могут различать природу раздражителя, вызывающего повышение концентрации цитозольного кальция. Так, на трансгенных проростках табака показано, что кратковременный ТШ индуцировал некий период, в течение которого повторный ТШ не повышал Са2+[цит], а холодовой шок, напротив, повышал. В последнем случае кинетика повышения была одинаковой как у холодочувствительного табака, так и у холодоустойчивого арабидопсиса. Вместе с тем растения табака полностью восстанавливали способность реагировать на повторный холодовой шок через 30 мин после первого, а растения арабидопсиса не восстановили совсем. Видимо, измененная реакция на повторный холодовой шок важна в процессе холодовой адаптации. Интересно, что H2O2 имитировала холодовую адаптацию, повышая холодоустойчивость, что указывает на общность действия холодового шока и H2O2.

Гормональный статус. При пониженных температурах уменьшается синтез фитогормонов и негормональных стимуляторов роста, увеличивается образование ингибиторов роста, что изменяет соотношение между ними, приводя к подавлению роста растения. Однако при охлаждении содержание свободных форм фитогормонов может не только уменьшаться, но и увеличиваться за счет освобождения их из связанных форм, что является своего рода защитной реакцией на повреждающее действие пониженных температур. Так, резкое увеличение активности ауксинов в тканях теплолюбивых растений в первые часы холодовой акклимации связывают с биосинтезом белка, тем самым предполагая важную физиологическую роль этих гормонов в процессе температурной адаптации растений. Содержание цитокининов после выдерживания растений при пониженной температуре снижалось, в результате чего повышалось отношение ИУК/цитокинины.

Что касается содержания гиббереллинов и подобных им веществ, отмечено их снижение при действии пониженных температур для многих теплолюбивых растений, причем в разной степени и в зависимости от фазы развития.

Повышенная концентрация АБК коррелирует с холодоустойчивостью, а также с устойчивостью к другим стрессорам. Так, эндогенное содержание АБК в корнях увеличивалось в течение нескольких часов после начала холодового воздействия на корни, равно как и в ксилемном соке и листьях холодоустойчивого, но не у восприимчивого к холоду сорта кукурузы. Видимо, повышенная концентрация АБК в ксилемном соке могла привести к закрыванию устьиц. Возрастание всех форм АБК (свободной, связанной, суммарной) в этих условиях свидетельствует о синтезе гормона de novo, который предшествовал обезвоживанию и соответственно не зависел от изменений водного режима. Интересно, что обработка проростков риса ингибитором биосинтеза АБК снижала ее содержание и выживание растений при пониженных температурах. Однако эти эффекты снимались обработкой экзогенной АБК. Холодовое закаливание растений огурца приводило к повышению содержания АБК, что не наблюдалось на кукурузе.

Вопрос о том, каким образом АБК вовлечена в толерантность и адаптацию корней к низким положительным температурам, все еще остается невыясненным.

Пониженные температуры инициируют повышение концентрации АБК в растительных клетках, что в свою очередь индуцирует гены холодоустойчивости. Это отмечено на диком картофеле (Solanum commersonii), пшенице, шпинате, арабидопсисе. В картофеле АБК синтезировалась в период холодовой адаптации de novo. В арабидопсисе 3-кратное транзитное увеличение уровня АБК отмечено в течение первых суток (12—24-часовая экспозиция) с последующим возвратом к исходному уровню. Интересно, что у нечувствительного к АБК мутанта арабидопсиса аЫ1 в отличие от дикой формы содержание АБК увеличивалось при холодовом воздействии и оставалось на этом уровне до окончания действия стрессора. Эти данные указывают на возможное отсутствие у данного мутанта регуляции концентрации АБК по механизму обратной связи.

Известно, что контролируемые АБК процессы необходимы в системе передачи сигналов, нацеленных на повышение холодоустойчивости. Обработка растений АБК при нормальной температуре имитирует низкотемпературное воздействие и индуцирует повышение холодоустойчивости растений нескольких видов. Несколько lti-генов, чья экспрессия коррелирует с повышением холодоустойчивости, реагируют также на экзогенную обработку АБК. Далее, как АБК-дефицитные, так и нечувствительные к АБК мутанты арабидопсиса, соответственно aba1 и аbi1, теряли способность к холодовой адаптации. Обработка экзогенной АБК мутанта аbi1 не индуцирует у него холодовую адаптацию в отличие от растений дикого типа и мутанта abal.

Анализ экспрессии генов у мутантов aba1 и аbi1 показывает, что некоторые lti-гены реагируют независимо на положительные температуры и АБК. Эти мутации не имеют никакого (или незначительное) влияния на индуцируемое низкими температурами накопление транскиптов таких генов, как lti78/rd29a, соr47, lti29 и lti30. Это предполагает, что АБК и пониженные температуры могут регулировать эти гены через разные пути трансдукции сигналов. У этих мутантов, напротив, не было обнаружено низкотемпературной индукции rab18-гена, что косвенно указывает на АБК-зависимость его экспрессии на холоде.

Наличие как АБК-зависимого, так и независимого сигнальных каскадов подтверждается данными, что только небольшому набору lti-генов для холодовой индукции абсолютно необходима АБК. Другая группа lti-генов совсем не реагирует на АБК, что указывает на наличие специального низкотемпературного АБК-зависимого пути активации генов. Разные пути несомненно взаимодействуют и сигнальные каскады могут рассматриваться как сеть. Разные схемы этих взаимодействий и будут определять специфику реакций клеток.

Образование этилена в листьях, плодах и соцветиях часто повышается после или непосредственно при охлаждении. Причем степень активации синтеза определяется продолжительностью охлаждения и вторичными факторами (поражение патогенами, старение). Однако наряду с усилением отмечено и ингибирование его синтеза. Подавление синтеза этилена значительно снижало чувствительность растений теплолюбивой дыни к холодовому повреждению, а повышение его синтеза у томата при холодовом закаливании коррелировало с повышением устойчивости растений. Видимо, этилен, взаимодействуя с другими фитогормонами, участвует в приобретении холодоустойчивости сельскохозяйственными культурами.

Фосфорилирование белков. Фосфорилирование белков участвует в трансдукции сигнала в процессе холодовой адаптации. Так, изменения динамики фосфорилирования существующих белков установлены у люцерны в период холодового воздействия. Ингибиторы протеинкиназ тормозят процесс приобретения свойства холодоустойчивости у арабидопсиса и люцерны. Пока не ясно, является ли увеличение индуцированного холодом фосфорилирования белка результатом повышенной активности киназы или ингибирования активности протеинфосфатазы. В клетках люцерны ингибитор последней индуцировал cas15-ген при 25 °C и не оказывал влияния при 4 °C. Вместе с тем ингибитор протеинкиназы не оказывал никакого влияния на неактивное состояние cas15-гена при 25 °C, но предотвращал его индукцию при низкой температуре. Кроме того, при 4 °C активность протеинфосфатазы 2А (РР2А) практически отсутствовала, что дало основание предположить, что холодовая активация cas15-гена опосредована его дерепрессией. Поскольку ингибитор протеинкиназы препятствует холодовой индукции cas15, предполагаемый белок-репрессор, видимо, должен быть инактивирован при фосфорилировании. Повышение температуры ингибирует РР2А, действующую на репрессор — протеинкиназу. Благодаря повышенному фосфорилированию киназа становится активной и фосфорилирует репрессор, инактивируя его.

Как было отмечено выше, АБК-нечувствительные мутанты арабидопсиса характеризуются нарушениями в Холодовой адаптации. Ген аbi1, как и неаллельный ген abi2, кодирует белки, связанные с протеинфосфатазой 2С (РР2С). Кроме того, опыты с микроинъекцией поддерживают гипотезу, согласно которой процессы фосфорилирования и дефосфорилирования вовлечены в активацию стресс-индуцируемых генов. Ингибитор фосфатазы активизировал экспрессию генов, указывая на участие фосфатазы в АБК-сигнализации. При этом фосфатаза в сигнальной цепи располагается раньше Ca2+. Интересно, что ингибитор протеинкиназы К2Г2а блокирует экспрессию АБК-индуцируемых генов и экспрессию генов, индуцируемых, в частности, Ca2+. Это указывает на то, что указанные киназы в сигнальной цепи находятся ниже (после) кальциевого сигнала.

Кальций-зависимые протеинкиназы (CDPK). Фосфорилирование белков очевидно связано с Са2+-сигнализацией. У арабидопсиса идентифицировано несколько CDPK. Эти белки имеют регуляторный Са2+-связующий домен. Таким образом, CDPK в растениях способен как чувствовать увеличение концентрации свободного кальция в цитозоле, так и быть посредником изменений в клеточном метаболизме. Обработка культуры клеток как блокатором кальциевых каналов, так и ингибитором CDPK препятствовала индуцируемому холодом фосфорилированию белков, а также холодовой адаптации и экспрессии генов ответа на холод. Дополнительным доказательством участия CDPK в холодовой адаптации является накопление транскриптов, кодирующих CDPK при холодовом воздействии. Первым исследователем, связавшим CDPK с регуляцией экспрессии генов, был Шин.

Другие протеинкиназы также участвуют в трансдукции сигналов, ведущих к повышению холодоустойчивости. Так, ген пшеницы PKABAl, кодирующий индуцируемую АБК протеинкиназу, также индуцируется пониженной температурой. Аналогично этому уровни транскрипции генов АТРК19 и АТРК6 у арабидопсиса, кодирующих белки схожие с серин/треонинкиназами, быстро и существенно увеличиваются при холодовой обработке. Митогенактивируемые протеинкиназы (МАРК) также участвуют в передаче сигналов в ответ на холодовой стресс.

Профилирование метаболитов. Классическим объектом для изучения данного вопроса является арабидопсис. Изменение метаболизма удалось проследить на двух экотипах арабидопсиса: Cvi-1 с низкой и Ws-2 с высокой адаптационной способностью. Из 434 определенных метаболитов 75% у растений дикого типа Ws-2 увеличивали уровень сигнала при адаптации к холоду, в то время как у растений Cvi-1 — лишь 62%. При этом обнаружено значимое перекрывание в изменении уровня сигнала у растений Cvi-1 и Ws-2 в процессе адаптации к холоду. Так, из 269 метаболитов, концентрация которых возрастала в ответ на холодовое воздействие у растений Cvi-1, содержание 244 (91%) в аналогичных условиях повышалось и у растений Ws-2.

При холодовом стрессе повышается содержание аминокислоты пролина и сахаров: глюкозы, фруктозы, сахарозы и раффинозы, а также трекаллозы, путресцина и аскорбата. Одновременно увеличивается содержание аспартата, орнитина и цитруллина, что может привести к активации цикла мочевины, а также целого ряда органических кислот цикла Кребса. Вместе с тем число метаболитов, содержание которых возрастало в 5 и более раз, у Ws-2 оказалось 114, а у Cvi-1 только 47, т. е. диапазон изменений метаболизма в ответ на холодовой стресс у последнего экотипа оказался намного уже.

Видимо, у растений арабидопсиса Cvi-1 по сравнению с Ws-2 потенциал холодоустойчивости ниже. Эти выводы по экотипу Cvi хорошо воспроизводились и в другом опыте. Вместе с тем экотипы С24 или Co, у которых тоже отмечено незначительное изменение холодоустойчивости, при всем этом обнаруживали более сильное изменение в метаболизме, соответствующее образцам с лучшей адаптацией. Видимо, диапазон изменений метаболизма растений в ответ на непродолжительную холодовую экспозицию не обязательно коррелирует с их холодоустойчивостью.

В этом опыте из 497 метаболитов содержание около 63% изменилось в ответ на низкую температуру и только 50% метаболитов в листьях растений обнаружили статистически значимые отклонения лишь после 49-дневного воздействия температуры 4 °C. При этом листья, сформировавшиеся в условиях холодового стресса, проявили различные метаболические фенотипы независимо от того на какой день развития (28-й или 49-й) растения поместили в эти условия. Однако различия по фенотипу у этих листьев проявлялись заметнее, если листья помещали при температуре 4 °C на более длительный период. Метаболизм листьев, перенесенных в условия холодового стресса после своего формирования, никогда не достигал уровня, соответствующего листьям, изначально развивавшимся при пониженных температурах, что однозначно указывает на существование фундаментальных различий в обмене веществ между этими двумя типами листьев.

Таким образом, перепрограммирование метаболизма гораздо более глобальный по своей природе процесс, чем предполагалось ранее. Действительно, удалось обнаружить метаболиты и метаболические регуляторные сети, которые раньше никак не ассоциировались с холодовой адаптацией. При этом центральную роль в перепрограммировании метаболизма при холодовом воздействии играет углеводный обмен. Из 15 метаболитов, сильно коррелирующих с холодоустойчивостью у различных форм арабидопсиса, в основной углеводный метаболизм вовлечены следующие: ксилоза, глюкоза, фруктоза, галактоза, сахароза и раффиноза, причем сахароза, глюкоза и фруктоза играют доминирующую роль. Подобная корреляция ранее была выявлена также между содержанием раффинозы и холодоустойчивостью у различных генотипов арабидопсиса.

Количественно реакция на холодовой стресс представляет собой нелинейную зависимость уровня метаболитов от длительности экспозиции. В частности, размеры гексозофосфатного пула и пула свободных гексоз сильно увеличились через несколько часов холодовой экспозиции растений и оставались высокими на протяжении исследования. Концентрация дисахаров, напротив, увеличивалась с одинаковой скоростью, достигая максимума через 24 ч. Таким образом, метаболизм углерода в фотосинтезирующих органах перепрограммируется в ответ на Холодовой стресс на синтез сахарофосфатов и свободных сахаров.

Результаты транскриптомного анализа показывают, что из 1000 наиболее значимых транскриптов в процессе холодовой акклимации обнаружено значительное доминирование среди активируемых — транскриптов вторичного метаболизма, мембранных транспортеров и основного метаболизма, а среди ингибируемых — транскриптов фотосинтеза, липидного, нуклеотидного, гормонального и окислительно-восстановительного метаболизмов. Это потверждается также изучением белков хлоропластов арабидопсиса при холодовой акклимации. Относительное содержание практически всех энзимов цикла Кальвина (активаза РБФК/о, фосфоглицеролкиназа, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, фруктозо-1,6-дифосфатаза, рибулозо-5-фосфат-3-эпимераза и фосфорибулокиназа) значительно уменьшилось по сравнению с общим протеиновым пулом стромы. Скоординированное увеличение активности некоторых энзимов цикла Кальвина в расчете на сырую массу ткани и содержания большинства промежуточных продуктов цикла после переноса растений на низкую температуру на фоне снижения относительного содержания белка указывает на повышенную роль активации энзимов в метаболической адаптации.

Установлена тесная связь между изменениями метаболизма и динамикой экспрессии генов синтеза ключевых энзимов, причем обнаружены четыре типа взаимосвязей относительного содержания транскриптов и метаболитов:

• увеличение уровня транскриптов энзимов некоторых путей биосинтеза, например, раффинозы и у-аминомасляной кислоты (ГАМК) предшествовало увеличению уровня метаболитного сигнала, что обусловлено регуляцией активации транскриптов;

• увеличение уровня метаболитного сигнала при синтезе глицина, аланина, треонина, лейцина, сахарозы и продуктов цикла Кребса предшествует увеличению уровня относительного содержания транскриптов;

• снижение уровня транскриптного сигнала генов биосинтеза лизина, метионина, триптофана, тирозина, аргинина, цистеина, полиамина и фенилпропаноида на фоне увеличения интенсивности сигнала связанных с ними метаболитов;

• постоянство уровня транскриптов для некоторых энзимов при значительном увеличении содержания связанных с ними метаболитов.

Совместно эти типы взаимосвязи между транскриптами и метаболитами во времени демонстрируют различные типы связи ген-метаболит при реакции растений на холодовой стресс, которые одновременно и зависимы, и независимы от наличия транскриптного сигнала. Примеры разнообразия динамики реакций на пониженные температуры включают модулирование относительного содержания транскриптов, которого было бы недостаточно для объяснения динамики уровня, например, пролина. Транзитное увеличение содержания ГАМК через 24 ч было тесно связано с согласованной динамикой уровней транскриптов декарбоксилазы глутаминовой кислоты (ДГК) и дегидрогеназы сукцинилового альдегида (ДСА) и ранним увеличением уровня сахарозы, которое предшествовало увеличению уровня транскриптов сахарозо-фосфатазы. Итак, отмеченное увеличение содержания сахарозы зависело от увеличения уровня транскриптов. Эти исследования показывают, что регуляторные процессы, иногда даже независимые от уровня транскриптов, играют ключевую роль в метаболической адаптации к холоду.

Одним из путей регуляции основного углеродного метаболизма является контроль транспорта метаболитов через мембраны органелл. Показано, что ключевую роль в восстановлении потока углерода в условиях холодового стресса играет распределение метаболитов между хлоропластами и цитозолем. У арабидопсиса модуляция экспрессии AtTPT (триозофосфатный транспортер) обеспечивала сбалансированное распределение углерода между хлоропластом и цитозолем вслед за снижением температуры. При этом транскрипты, кодирующие транспортные белки, были представлены лишь ненамного больше среди быстро регулируемых генов после кратковременной, но не длительной холодовой экспозиции.

Кроме того, стимулирование экспрессии ряда генов, вовлеченных в реакции на окислительный стресс, и энзимов метаболических путей «тушения» свободных радикалов показывает, что растения активируют механизмы, защищающие мембраны клеток от фотоокислительного повреждения на сильном свету при низких температурах. Кроме того, индуцирование транскрипции генов, кодирующих гликолитические энзимы, показывает, что активация этого пути может служить удовлетворению увеличивающейся потребности в энергии для формирования углеродного скелета в процессе холодовой закалки.

Интересно, что после экспозиции растений арабидопсиса при 4 °C на протяжении 14 сут в листьях большинства экотипов, даже у образцов со слабой акклимацией к холоду, таких, как Cvi, стал накапливаться крахмал (рис. 4.3).

Очевидно, что после достаточно длительного периода адаптации не недостаток энергии, а другие, видимо, генетически детерминированные факторы, ограничивают приобретение свойств холодоустойчивости. Идентификация этих факторов может быть весьма важна для повышения холодоустойчивости растений.

Общность и различие реакций на гипо- и гипертермию. Реакция растений на низкие положительные температуры (холод) и ТШ неодинакова: под действием холода метаболизм изменяется значительно сильнее, чем при действии ТШ. Если изменения метаболизма в условиях низкотемпературного стресса распределены равномерно между короткой, средней и длинной экспозицией, основная часть изменений метаболизма при высоких температурах происходит в первые 30 мин после начала действия ТШ на фоне увеличения термоустойчивости. Вместе с тем указанные изменения в обоих случаях были однотипными. С другой стороны, около 60% метаболитов, изменение содержания которых зависит от действия пониженных температур, никак не реагировали на ТШ. Кроме того, аминокислоты, промежуточные продукты цикла Кребса и многие метаболиты углеводного цикла реагировали как на низко-, так и на высокотемпературный стрессы. В качестве примера можно привести увеличение пула аминокислот — производных оксалоацетата и пирувата, ряда ароматических аминокислот (триптофана, фенилаланина и тирозина), следующее за увеличением пула промежуточных продуктов синтеза фенилпропаноидов. При обеих формах проявления температурного стресса отчетливо наблюдается значительный сдвиг метаболизма сахаров, связанный с аккумуляцией ди- и трисахаридов и изменением уровня глюкозы, фруктозы, глюкозо-6-фосфата, фруктозо-6-фосфата, миоинозитол-фосфата, маннозо-6-фосфата, галактинола, сахарозы и раффинозы. Как при ТШ, так и при холодовой акклимации установлена совершенно четкая стимуляция путей превращения крахмала в растворимые сахара в фотосинтезирующих органах растения, что вносит определяющий вклад в изменения основного углеводного метаболизма.

Представляются интересными размышления о роли раффинозы в приобретении холодоустойчивости. С использованием линий арабидопсиса со сверхэкспрессией трансгена галактинолсинтазы огурца установлено, что концентрация раффинозы у этих растений в 20 раз превышала аналогичный показатель у дикого типа, а у линий, где ген раффинозосинтазы, встроенный в тДНК, инактивирован, раффинозы не выявлено вообще. В то же время не было значительных различий по холодоустойчивости между растениями с гипераккумуляцией раффинозы дикого типа и с низким содержанием раффинозы. Если аккумуляция раффинозы при тепловом и холодовом стрессе не является фактором, положительно влияющим на устойчивость к этим стрессорам, то в чем тогда ее роль и почему синтез раффинозы так тесно связан с температурным стрессом? Возможно ли, что изменения уровня раффинозы на генетическом уровне антагонистически действуют на метаболизм? Какую роль играют другие растворимые сахара и метаболиты в повышении термоустойчивости в случае сверхаккумулирования раффинозы? Увеличивается ли в равной мере концентрация других растворимых сахаров, если синтез раффинозы блокирован? Ответ на эти вопросы особенно важен для понимания процессов в мутантных растениях, дефицитных по раффинозе и накапливающих галактинол при холодовой акклимации. Вышесказанное в очередной раз показывает трудность анализа значения единственного гена, белка или метаболита для таких мультигенных признаков, как приобретенная устойчивость.

Стресс-устойчивость растений в значительной мере может определяться сигналлинговыми и регуляторными метаболитами. Например, для салициловой кислоты характерно быстрое (в течение 5 мин) увеличение концентрации в ответ на ТШ, аналогичное тому, что происходит в условиях пониженных температур, но в течение более продолжительного периода времени. Таким образом, сигналы салициловой кислоты при холодовом и тепловом стрессе перекрываются. Скорость роста растений арабидопсиса в условиях пониженных температур тоже связана с уровнем салициловой кислоты. При температуре 5 °C у растений начинал экспрессироваться ген NahG, отвечающий за снижение уровня салициловой кислоты. Одновременно у этих растений увеличивались темпы роста по сравнению с диким типом. При низких температурах у растений дикого типа начинает накапливаться свободная салициловая кислота и ее гликозил-конъюгаты, в то время как у растений с геном NahG — только последние. Видимо, салициловая кислота тормозит рост в условиях, при которых отмечена отрицательная корреляция роста и холодоустойчивости. He исключено также влияние салициловой кислоты на перепрограммирование метаболизма в условиях пониженных температур.

Также получены доказательства возможной роли сигналинга салициловой кислоты в детерминации базовой (исходной) термоустойчивости. На растениях дикого типа, дефицитных по салициловой кислоте (с геном NahG) и аккумулирующих салициловую кислоту (с геном срr5) показано, что предстрессовый (исходный) эндогенный уровень салициловой кислоты связан с базовой термоустойчивостью. Растения с наибольшим и наименьшим содержанием салициловой кислоты обладали наибольшей и наименьшей термоустойчивостью соответственно. Салициловая кислота способствует также приобретению термоустойчивости в условиях ТШ и последующего репарационного периода. Во время восстановительного периода после ТШ вероятно начинает действовать NPRl-зависимый путь синтеза, но это не отражается на термоустойчивости. У растений мутанта (с геном NahG), дефицитных по салициловой кислоте, также обнаружен дефект в приобретении термоустойчивости. Видимо, биосинтез салициловой кислоты может вносить вклад в приобретенную термоустойчивость, однако это требует дальнейших исследований.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: