Характеристика водорастворимых белков цитоплазмы меристем набухших почек пихты сибирской

ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДОРАСТВОРИМЫХ БЕЛКОВ ЦИТОПЛАЗМЫ МЕРИСТЕМ НАБУХШИХ ПОЧЕК ПИХТЫ

СИБИРСКОЙ

Шимова Ю.С., Алаудинова Е.В.

This work is dedicated to a study of the dynamics of content and fractional composition of the water-soluble proteins of cytoplasm the meristem of the kidneys of the fir tree of Siberian upon transfer to the active vegetation and loss of low-temperature stability in spring.

Лесные экосистемы являются центрами биологического разнообразия, играют огромную роль в газовом балансе атмосферы и регулировании планетарного климата Земли. Лесные ресурсы являются достоянием всей планеты, так как играют важную роль в экологическом равновесии биосферы. Трудно переоценить значимость лесных экосистем в хозяйственной деятельности человека. На сегодняшний день перед человечеством стоит задача увеличения продуктивности и распространения лесов в регионы с более холодным климатом, поскольку бореальные леса являются легкими планеты. Для этого необходимы глубокие знания о процессах жизнедеятельности древесных растений, их зависимости от различных факторов окружающей среды.

К лесоизбыточным районам относится Сибирь, Дальний Восток и Север европейской части России, в которых хвойные древесные растения, такие как лиственница, ель и пихта являются основными лесообразующими породами. Несмотря на отдельные работы видных биологов, важные вопросы теории адаптации и устойчивости растений к неблагоприятным факторам недостаточно разработаны, а существующие модели не всегда служат научной основой для эффективного воздействия на растения.

Ранее нами было установлено, что белки играют важную роль в формировании низкотемпературной устойчивости хвойных древесных растений [1]. Подробно исследованы состав и свойства водорастворимых белков цитоплазмы меристем зимующих почек ели, пихты и лиственницы [2]. В зимний период в состоянии покоя меристематические ткани почек ели, пихты и лиственницы характеризуется повышенным содержанием белков.

Настоящая работа является продолжением исследования метаболизма меристем почек морозостойких хвойных видов древесных растений и посвящена, в частности, исследованию динамики содержания и фракционного состава водорастворимых белков цитоплазмы меристем почек пихты сибирской при переходе к активной вегетации и утрате низкотемпературной устойчивости весной.

В марте, когда вероятность возникновения сильных морозов уже невысока, содержание белков в меристемах почек, в условиях низкого водосодержания, снижается в полтора - два раза (от 27 % до 19 % от а.с.м. ткани). В апреле, при повышении температуры окружающей среды, количество белка в них вновь возрастает примерно до 34 %, что на 25 % выше среднезимнего содержания. Этот

период характеризуется значительным повышением содержания воды в клетке, а, следовательно, и вероятность повреждения клеток даже при небольших заморозках резко увеличивается. Вероятно, именно этим объясняется повышение содержания водорастворимого белка, обладающего способностью снижать температуру гомогенной нуклеации и тем самым способствовать переохлаждению внутриклеточных растворов [3]. В связи с особенностями строения почек пихты (рисунок 1), в которых реализуется внеорганный механизм льдообразования [1], водорастворимые белки выполняют роль криопротектора, предохраняющего меристематические ткани от низкотемпературных повреждений.

Рисунок 1 - Микрофотография продольного разреза вегетативной почки пихты

Для изучения фракционного состава белков и определения их молекулярных масс использовали метод электрофореза в полиакриламидном геле с додецилсульфатом натрия и Р-меркаптоэтанолом [4]. Фракционный состав водорастворимых белков цитоплазмы меристематических тканей почек пихты в весенний период представлен в таблице 1. Для сравнения приведены также данные, характеризующие зимующие почки.

Таблица 1 - Фракционный состав водорастворимых белков цитоплазмы меристематических тканей почек пихты_

Номер фракции ЯГ ММ, кД В процентах от суммы ВРБЦ****

зима* весна ** весна ***

1 0,03 300 2,5 - -

2 0,05 250 2,7 - -

3 0,07 210 2,6 - -

4 0,09 180 1,9 - 3,5

5 0,11 165 1,7 - -

6 0,13 145 1,8 - -

7 0,14 140 2,6 - -

8 0,17 120 3,1 - -

9 0,19 110 3,1 - 2,3

10 0,21 100 3,3 - -

11 0,24 85 2,7 4 3,6

12 0,26 80 2,9 4,9 -

13 0,29 65 2,9 - 2,2

14 0,32 55 2,7 6,1 -

15 0,35 50 3,3 2,7 -

16 0,38 40 3,1 2,7 4,8

17 0,39 37 3,2 - -

18 0,40 35 3,3 - 14

19 0,43 28 3 6 -

20 0,46 24 3,3 - 2,2

21 0,47 23 3,1 11,4 -

22 0,50 19 2 4,8 8,1

23 0,52 17 1,5 4,2 -

24 0,54 15 1,3 7,1 7,5

25 0,57 12 2,6 - -

26 0,59 11 6,1 1 -

27 0,63 8 - 7,7 4

28 0,67 7,5 3,4 3,6 -

29 0,68 7 4,9 - 13,5

30 0,71 4,5 6,1 11,4 15,4

31 0,74 4,0 - - -

32 0,76 3,5 2,4 5,2 6,1

33 0,79 3 1,2 2,1 -

34 0,82 2,5 - 1 8,8

35 0,84 2,2 2,8 3,7 -

36 0,88 2 - - -

37 0,91 1,8 3,4 - -

38 0,93 1,6 3,5 10,4 4

39 0,96 1,2 - - -

* - среднезимние значения (январь); ** - весенний максимум содержания белка; *** - перед распусканием почек; **** - водорастворимый белок цитоплазмы

Как видно из представленных данных, в зимний период водорастворимые белки цитоплазмы представлены значительно большим количеством фракций. Около 30 % водорастворимого белка цитоплазмы приходятся на фракции с молекулярной массой выше 65 кД. Весной, в момент весеннего максимума содержания водорастворимого белка количество фракций сокращается до 18. При этом в электрофоретическом спектре не удалось обнаружить белков с молекулярной массой свыше 100 кД, присутствующих в зимний период. В это

время отмечается увеличение количества фракций в средне- и низкомолекулярной областях (в основном с молекулярными массами от 30 до 5 кД), которые могут быть как продуктами распада высокомолекулярных белков, полностью исчезающих в этот период, так и вновь синтезированными белками, необходимыми для обеспечения процессов жизнедеятельности клетки.

Перед распусканием почек, на фоне резкого снижения содержания водорастворимого белка до 3 % от а.с.м. ткани происходит уменьшение количества фракций, доля низкомолекулярных фракций возрастает до 50 % от суммы водорастворимого белка.

Таким образом, проведенные исследования позволяют предположить, что водорастворимые белки цитоплазмы играют важную роль в формировании низкотемпературной устойчивости меристематических тканей почек пихты сибирской. Изученные количественные изменения и фракционный состав водорастворимых белков свидетельствуют о глубоких биохимических перестройках цитоплазмы меристематических клеток при утрате низкотемпературной устойчивости. Снижение почти на порядок содержания водорастворимого белка и его высокомолекулярных фракций, обладающих выраженным криозащитным действием, полностью согласуется с утратой меристемами низкотемпературной устойчивости, а появление новых фракций - с изменением фенологического состояния дерева.

Литература

1. Миронов П.В., Алаудинова Е.В., Репях С.М. Низкотемпературная устойчивость живых тканей хвойных. Красноярск, 2001.- 221 с.

2. Шимова Ю.С., Алаудинова Е.В., Миронов П.В., Репях С.М. Физико-химические свойства криозащитных белков меристем зимующих почек ели и пихты . //Лесной журнал, 2003 - № 6. -С. 75-82

3. Миронов П.В., лоскутов С.Р., Левин Э.Д. О фазовом переходе воды в зимующих побегах лиственницы сибирской. // Лесной журнал. - 1985. - № 5. - С. 9 - 12.

4. Функциональная биохимия клеточных структур. - М.: Наука, 1970. - С. 143-152.