Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Роль сахаров, липидов и белков в адаптации растений к морозам

10.11.2018

Сахара. Между морозостойкостью озимых культур и содержанием сахаров существует положительная корреляция, причем большая часть растворимых сахаров (около 90%) локализована в цитозоле, вакуоле и других органеллах клетки и около 10% — в межклетниках. При закаливании озимой ржи содержание сахаров в сухой массе листьев увеличилось в 3 раза, в 3—5 раз превышая содержание водорастворимых белков и в 8—9 раз — липидов.

Накопление большого количества сахаров в вакуоли препятствует образованию внутриклеточного льда, содействуя морозостойкости клеток. Видимо, именно поэтому содержащие большое количество воды зимующие травянистые растения содержат в клетках больше сахаров, чем менее оводненные морозостойкие кустарники и древесные растения. Для последних более эффективным оказалось не сохранение воды в клетках в незамерзшем состоянии, как у трав, а своевременный отток ее из протопласта в межклетники.

Накопление водорастворимых углеводов в клетке в значительной мере определяется принадлежностью растений к симпластным или апопластным видам. Для первых характерно преобладание транспорта ассимилятов через симпласт, высокое содержание крахмала в клетках и высокая чувствительность к низким температурам. Принципиальное отличие апопластных растений от симпластных заключается в их устойчивости к низким температурам, а также в высокой концентрации сахаров и других метаболитов в апопласте, увеличивающих морозостойкость растений в состоянии покоя. Содержание сахарозы в апопласте у апопластных растений в 7—12 раз выше, чем у симпластных, и в отличие от последних нарастает в течение дня.

Морозостойкость же зимующих злаков базируется в значительной мере на повышении водоудерживающей способности клеток, поскольку эти растения более чувствительны к обезвоживанию при отрицательных температурах. Это достигается в том числе и осмотическими силами растворов в результате накопления дополнительных количеств сахаров и других растворимых нетоксичных веществ. Так, увеличение содержания сахаров с 25 до 50% на сухую массу при промораживании озимой пшеницы (-10 °C) приводило к уменьшению количества льда по сравнению с контролем на 6—7%.

При формировании холодо- и морозостойкости растений, помимо осморегуляторной, сахара выполняют криопротекторную и защитную функции. Образование гликопротеидных комплексов предотвращает денатурацию белков, снижает их функциональную активность, повышая устойчивость. Кроме того, сахара служат основными субстратами для синтеза липидов и стресс-белков в процессе адаптации, а также при репарации после прекращения действия мороза.

Липиды. Липидные компоненты мембран наиболее чувствительны к действию отрицательных и низких положительных температур, в частности повышается общее содержание мембранных липидов, а также отношение полярных липидов к белкам. Так, в листьях озимой пшеницы и ржи отношения липиды/белки мембран увеличилось после закаливания растений в 1,2-1,3 раза. Увеличение отношения липиды/белки после закаливания отмечали также в листьях и узлах кущения озимой ржи, в листьях арабидопсиса, в культуре клеток люцерны, в мембранах митохондрий и хлоропластов озимой пшеницы, хлоропластов ячменя.

В процессе адаптации к низкотемпературному воздействию повышается содержание ненасыщенных жирных кислот мембранных липидов. Это достигается как синтезом de novo ненасыщенных жирных кислот, так и десатурацией насыщенных, которую осуществляют ациллипидные десатуразы. Образование двойных связей в жирных кислотах способствует повышению устойчивости мембран к действию низкой температуры. Среди жирных кислот преимущественно синтезируются длинноцепочечные ненасыщенные кислоты (преимущественно линоленовая), содержание которой, например, в листовой паренхиме озимых злаков достигает 72% от суммы всех жирных кислот. Известно, что температуры плавления жирных кислот С18-ряда: олеиновой (C18:1), линолевой (C18:2) и линоленовой (C18:3) равны 13,4, -5 и -11 °C соответственно. При закаливании озимой пшеницы и ржи в большей степени накапливалась именно линоленовая кислота, что находило отражение в увеличении соотношения С18:3/ (C18:1 + С18:2) в среднем с 4 до 6. У озимых злаков повышение содержания ненасыщенных жирных кислот было выявлено уже через 15 мин после действия закаливающей температуры 2 °C. Чтобы избежать повреждений и гибели растений при похолодании, температура, экспрессирующая гены десатураз, должна быть несколько выше температуры фазового перехода липидов из жидкокристаллического состояния в гель. В результате при действии холода, например в процессе закаливания озимых, предотвращается фазовый переход липидов.

Растения табака, трансформированные геном Д9 ациллипидной десатуразы, были более устойчивы к холоду, чем контрольные растения, за счет значительных изменений в липидных компонентах мембран, связанных с увеличением степени ненасыщенности жирных кислот. Контрольные растения были более чувствительны к холоду, чем растения, экспрессирующие ген des С. При краткосрочном воздействии на растения температуры -50 °C в течение 30 мин (когда нуклеации льда еще не наблюдалось) индекс повреждения контрольных растений, определенный по выходу электролитов, был около 50%, у des-C-трансформантов он достигал лишь 24—27%. Инкубация растений при этой же температуре в течение 60 мин, вызывающая частичную нуклеацию льда, приводила к увеличению индекса повреждения до 90% в контрольных растениях и до 75% у трансформантов.

Среди липидных форм, способствующих стабилизации бислойной структуры мембран при низких температурах, особенно важное значение имеют фитохелатины (ФХ) и дигалактозилдиацил глицерины (ДГДГ). Полярная головка ФХ обеспечивает более низкую температуру фазового перехода этого фосфолипида по сравнению с фосфатидилэтаноламином (ФЭ). Более того, преимущественное включение в мембрану сильногидратированного вещества (по сравнению с ФЭ) препятствует фазовому переходу при сильной дегидратации внутриклеточных мембран, вызванной внеклеточным льдообразованием.

Белки. Отрицательная температура, сопровождающаяся образованием льда и сильным обезвоживанием клетки, оказывает существенное влияние на растворимые и структурные белки вплоть до их денатурации и даже агрегации. Под влиянием сильного обезвоживания и действия самих низких температур гидрофобные связи распадаются.

Растворимые белки клеток имеют значительно меньшее число гидрофобных связей, чем структурные. При закалочной температуре в клетках морозостойких и холодостойких растений происходят существенные преобразования в ферментативных системах, обеспечивающих тончайшую самонастройку метаболизма и повышающих их устойчивость к действию холода и мороза. Поэтому денатурация отдельных ферментов не может служить первопричиной гибели растений.

В отличие от растворимых белков активность структурных белков, встроенных в мембраны, более чувствительна к действию низкой температуры. Система мембран стабилизируется гидрофобными связями липидных компонентов, электростатическими взаимодействиями, водородными связями между белками и водой. Удаление воды из клеток нарушает баланс между стабилизирующими силами, приводит к структурным нарушениям мембран, изменению их проницаемости и к инактивации белков.

Если контрольные закаленные растения пшеницы выдерживали промораживание при -16 °C, то обработанные ингибитором биосинтеза белка циклогексимидом погибали уже после действия температурой -7 °C даже на фоне высокого содержания сахаров. Это указывает на необходимость синтеза белка для низкотемпературной адаптации. Однако связать формирование устойчивости к гипотермии с какой-то конкретной группой белков пока не удалось, хотя и ясна их важность в этом процессе.

Среди белков, гены которых экспрессируются под действием низкой температуры, числятся прежде всего ферменты и изоферменты анаболизма и катаболизма, длительно поддерживающие в течение нескольких зимних месяцев базисный метаболизм растений при низких температурах, а также дегидрины, максимум экспрессии генов которых тоже приходится на зиму. Обнаруженный у озимой пшеницы дегидрин представлял собой периферический белок, накапливающийся в непосредственной близости от плазмалеммы и защищающий ее от дегидратации.

Для морозостойких растений важную роль играют антифризные белки, самым важным свойством которых является воспрепятствование разрастанию кристаллов льда до размеров, вызывающих летальный для клеток исход. Белки-антифризы обнаружены в апопласте озимой ржи и некоторых видов пшениц. В их числе и белки-криопротекторы клеточных мембран, эффективность которых в 1000 раз больше, чем у сахарозы. Это низкомолекулярные белки, для которых характерна гидрофильность и устойчивость к кипячению, поскольку они в основном состоят из полярных аминокислот, в частности аргинина и пролина. В их состав никогда не входят такие гидрофобные аминокислоты, как лейцин, фенилаланин, изолейцин, метионин, валин. К белкам-криопротекторам относят также некоторые низкомолекулярные гликопротеиды и галактоспецифичные лектины, накопление которых коррелирует с устойчивостью к низким температурам. С другой стороны, для начала образования льда в межклетниках нужны нуклеаторы. Выявлен бактериальный ген, связанный с образованием льда — inaZ, который при введении в трансгенные растения ускоряет нуклеацию льда при отрицательных температурах. При действии низких адаптирующих температур в растениях повышается содержание белков водных каналов — аквапоринов. При отрицательных температурах их функции выражаются в усилении выхода воды из клеток, характерном при внеклеточном льдообразовании, и способствует предотвращению нуклеации льда внутри клеток.

Снижению температуры начала нуклеации льда в растениях способствуют белки 310 кДа, которые относят также к белкам холодового шока. Эти белки разобщают окисление и фосфорилирование в митохондриях и вызывают выделение тепла во время гипотермии, что позволяет предположить их участие в низкотемпературной адаптации при помощи термогенеза. Выделение тепла временно затормаживает снижение температуры самого растения при небольших морозах, что может способствовать более медленному выходу воды из клеток в межклетники.

Таким образом, к настоящему времени накоплено большое количество данных о синтезе отдельных групп белков, гены которых экспрессируются низкой температурой. Это присуще многим, как холодостойким, так и морозостойким, растениям. Экспрессия некоторых генов является общим неспецифичным ответом растений на стресс.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: