The Influence of carbohydrate status and low temperature on the respiratory metabolism of mitochondria from etiolated leaves of winter wheat

Journal of Stress Physiology & Biochemistry, Vol. 10 No. 4 2014, pp. 118-130 ISSN 1997-0838 Original Text Copyright © 2014 by Borovik, Grabelnych, Koroleva, Pobezhimova and Voinikov

ORIGINAL ARTICLE

The Influence of Carbohydrate Status and Low Temperature on the Respiratory Metabolism of Mitochondria from Etiolated Leaves of Winter Wheat

Olga A. Borovik1*, Olga I. Grabelnych1,2, Nina A. Koroleva1, Tamara P. Pobezhimova1, Victor K. Voinikov1

1 Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, PO 317, Irkutsk, 664033, Russia

2 Irkutsk State University, Irkutsk, Russia

*E-Mail: ol.borovik@mail.ru

Received November 19, 2014

The separate and combined effect of sucrose (12%, 7 days) and low temperature (2 °С, 7 days) on the growth of plants, the content of carbohydrates in the leaves and oxidative activity of mitochondria isolated from them has been studied on the etiolated plants of winter wheat (Triticum aestivum L.). It has been shown that sucrose and low temperature cause inhibition of the growth and increasing of the carbohydrates content. Using the different oxidation substrates (malate, malate + rotenone, succinate, NADH and NADPH) have been identified changes in the mitochondrial oxidative activity and the functioning of alternative oxidase and rotenone-insensitive NAD(P)H dehydrogenases. It has been determined that activity of the alternative oxidase and “external” rotenone-insensitive NAD(P)H dehydrogenases in the mitochondria of etiolated leaves depends on the carbohydrate status of the plant, regardless of the growth temperature.

Key words: alternative oxidase, carbohydrates, low temperature, rotenone-insensitive NAD(P)H dehydrogenases, winter wheat

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

119

The Influence of Carbohydrate Status...

ORIGINAL ARTICLE

Влияние углеводного статуса и низкой температуры на дыхательный метаболизм митохондрий из этиолированных листьев озимой пшеницы

О.А. Боровик1*, О.И. Грабельных1,2, Н.А. Королева1, Т.П. Побежимова1, В.К. Войников1

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 132, Россия

2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет», Иркутск, Россия

*E-Mail: ol.borovik@mail.ru

Поступила в редакцию 19 Ноября 2014 г.

На этиолированных растениях озимой пшеницы (Triticum aestivum L.) изучено раздельное и совместное действие сахарозы (12%, 7 суток) и низкой температуры (2 °С, 7 суток) на рост растений, содержание водорастворимых углеводов в листьях и окислительную активность изолированных из них митохондрий. Показано, что сахароза и низкая температура вызывают ингибирование роста и повышение содержания водорастворимых углеводов. С использованием различных субстратов окисления (малат, малат+ротенон, сукцинат, НАД^Н, НАДФ^Н) выявлены изменения в окислительной активности митохондрий и функционировании альтернативной оксидазы и ротенон-нечувствительных НАД(Ф)^Н-дегидрогеназ. Установлено, что активность альтернативной оксидазы и «внешних» ротенон-нечувствительных НАД(Ф)^Н-дегидрогеназ в митохондриях этиолированных листьев зависит от углеводного статуса растений независимо от температуры выращивания.

Key words: альтернативная оксидаза, водорастворимые углеводы, низкие

температуры, озимая пшеница, ротенон-нечувствительные НАД(Ф)*Н-дегидрогеназы

Митохондрии играют центральную роль в выступают в качестве сигнальных органелл, углеродном и энергетическом метаболизме клеток, участвующих в регуляции экспрессии ядерных

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

Borovik et al.

120

генов и обеспечении устойчивости растений к пшеницы на растворе сахарозы при температурах

различным стрессорам биотической и 22 и 2 °С приводило к активации АП в

абиотической природы (Jacoby et al., 2012; митохондриях, изолированных из листьев этих

Cvetkovska and Vanlerberghe, 2013; Li et al., 2013; растений (Borovik et al., 2013; Borovik, 2014).

Vanlerberghe, 2013). В митохондриях Альтернативный путь дыхания связан с

осуществляются процессы клеточного дыхания, функционированием альтернативной оксидазы

конечным этапом которого является (АО), которая является одной из терминальных

высвобождение свободной энергии, которая может оксидаз в дыхательной цепи митохондрий

быть использована для синтеза АТФ (Jacoby et al., растений. На альтернативный путь дыхания

2012; Vanlerberghe, 2013). Метаболизм дыхания электроны поступают с убихинон/убихинолового

зависит от действия различных факторов внешней пула, минуя протонтранслоцирующие комплексы III

среды, в том числе низкой температуры. Дыхание - и IV дыхательной цепи (Finnegan et al., 2004).

температурно-зависимый процесс - изменение Известно, что АО принимает участие в термогенезе

температуры приводит к быстрому изменению специализированных тканей некоторых ароидных

интенсивности дыхания (Armstrong et al., 2008). и лотосовых (Grant et al., 2008; Wagner et al., 2008).

Интермедиаты дыхания находятся на стыке Функционирование АО может предотвращать

процессов синтеза и распада различных образование АФК дыхательной цепью

соединений и играют ключевую роль в митохондрий (Maxwell et al., 1999; Blokhina and

жизнедеятельности растительного организма Fagerstedt, 2010), а также вносит важный вклад в

(Semikhatova, Chirkova, 2001). Основными регуляцию энергетического метаболизма клетки

субстратами дыхания являются сахара (Golovko, (Vanlerberghe, 2013). Функционирование АО может

1999). Углеводный статус влияет на скорость быть сопряжено с активностью ротенон-

дыхания листьев и корней растений (Noguchi, нечувствительных «внешних» и «внутренних»

2005). В зеленых листьях пшеницы обнаружена НАД(Ф)^Н-дегидрогеназ (Elhafez et al., 2006; Smith

прямая корреляция между содержанием сахаров и et al., 2011; Tan et al., 2012; Vanlerberghe, 2013),

скоростью дыхания и вкладом в дыхание что приводит к возможности свободного от

цианидрезистентного альтернативного пути (АП) фосфорилирования окисления НАД^Н и НАДФ^Н

при 22 °С (Azcon-Bieto et al., 1983). Наиболее (Finnegan et al., 2004; Smith et al., 2011;

сильное увеличение скорости дыхания Vanlerberghe, 2013). Такой путь транспорта

наблюдается при инкубации срезов листьев с электронов, по-видимому, необходим для

такими водорастворимыми углеводами, как поддержания оптимальной работы ферментов

сахароза, глюкоза и фруктоза (Azcon-Bieto et al., гликолиза, пентозофосфатного пути и цикла

1983). Выращивание зеленых растений озимой Кребса. Вероятно, в условиях действия низких

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

121

The Influence of Carbohydrate Status...

температур альтернативный путь дыхания через морозоустойчивого сорта Иркутская. Растения

ротенон-нечувствительные НАД

дегидрогеназы и АО может поддерживать на / раствора Кнопа при температуре 22±1 °С.

дыхательный метаболизм в клетках растений и Контрольные растения использовали в возрасте

повышать их устойчивость к низкой температуре. В 7.5 суток (К). Для обогащения сахарами растения

гетеротрофных тканях митохондрии являются выращивали на 12%-ом растворе сахарозы,

основным источником энергии и одним из концентрация которой является оптимальной для

основных источников образования АФК (M0ller, эффективного закаливания озимой пшеницы при

2001). На 3-х суточных этиолированных проростках низкой температуре (Tumanov, 1979). На

озимой пшеницы нами было показано, что при закаливание и обработку сахарами растения

действии низких закаливающих температур помещали в возрасте 7 суток (До обр). Растения

возрастает вклад в дыхание АО при окислении выращивали при 22 °С в течение 7 суток на 12%-

митохондриями экзогенного НАД^Н, и при этом ом растворе сахарозы (К+Сах) или закаливали в

повышается морозоустойчивость проростков темноте при 2 °С в течение 7 суток в отсутствие

(Grabelnych et al., 2014). Сохраняется ли (Зак) или в присутствии 12%-ой сахарозы

способность к активации АО при действии низких (Зак+Сах). Растения в возрасте 7.5 суток

температур в листьях этиолированных растений на соответствовали по ростовым параметрам

более поздних стадиях развития, когда закаленным 14-ти суточным растениям. В качестве

содержание сахаров истощается, неизвестно. В дополнительного контроля (для анализа скорости

литературе отсутствуют сведения о связи роста и содержания углеводов) использовали 14-

углеводного статуса растений с ти суточные растения (К,14), соответствующие по

функционированием ротенон-нечувствительных физиологическому возрасту закаленным

НАД(Ф)^Н-дегидрогеназ и АО в митохондриях при растениям и растениям, выращенным на растворе

действии низкой температуры. В связи с этим сахарозы. Ингибирование роста определяли с

целью работы явилось изучение влияния низкой помощью замера длины побегов 7-ми суточных

температуры и различной обеспеченности растений до закаливания и обработки сахарозой и

сахарами на функционирование «внешних» и через 7 суток после закаливания при 2 °С и/или

«внутренних» ротенон-нечувствительных выращивания на растворе сахарозы. Контролем

НАД(Ф)^Н-дегидрогеназ и АО в митохондриях из служили 14-ти суточные этиолированные растения,

этиолированных листьев озимой пшеницы. выращенные при 22+1 °С на / растворе Кнопа.

MATERIALS AND METHODS Для определения угнетения ростовых процессов

В работе использовали этиолированные определяли степень ингибирования роста побегов

растения озимой пшеницы (Triticum aestivum L.) (I, %) по формуле: (ALk - ALt)/ ALkx100%, где ALk -

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

Borovik et al.

122

средний прирост побегов, не подвергнутых обработке; ALt - средний прирост побегов, подвергнутых обработке (Ivanov, 1974).

Содержание водорастворимых углеводов в

этиолированных листьях определяли с

использованием 0.2% антрона в

концентрированной H2SO4 (Dishe, 1967). Для

анализа содержания водорастворимых углеводов использовали калибровочную кривую,

построенную по сахарозе.

Митохондрии из этиолированных листьев выделяли с помощью дифференциального центрифугирования и очищали в градиенте перколла по ранее описанной методике (Borovik et al., 2013) с изменением рН среды гомогенизации с 8.0 до 7.5. Для определения интактности выделенных митохондрий определяли проницаемость наружной мембраны митохондрий для экзогенного цитохрома с (Shugaev et al., 2012) в отсутствие и в присутствии детергента 0.04% Тритона Х-100.

Окислительную активность выделенных митохондрий регистрировали полярографически с платиновым электродом закрытого типа (электрод Кларка) в ячейке объемом 1.4 мл на полярографе ОН-105 (“Radelkis”, Венгрия) и Oxytherm system (“Hansatech Inst.”, Англия) при температуре 26 °С. Среда инкубации содержала 18 мМ КН2РО4 (рН 7.4), 300 мМ сахарозу, 125 мМ KCl, 5 мМ ЭДТА и 0.3% БСА. В качестве субстратов окисления использовали 10 мМ малат в присутствии 10 мМ глутамата, 8 мМ сукцинат в присутствии 5 мМ глутамата, 1 мМ НАД^Н и 1 мМ НАДФ^Н. Глутамат

добавляли для устранения оксалоацетатного ингибирования. При окислении НАД^Н и НАДФ^Н из среды инкубации исключали ЭДТА и вносили 3 мкМ ротенон (ингибитор транспорта электронов через комплекс I дыхательной цепи) и 0.06 мМ Ca2+ (активатор ротенон-нечувствительных НАД(Ф)^Н-дегидрогеназ). Конечная концентрация АДФ в ячейке была 100 мкМ. Способность АО к транспорту электронов оценивали как скорость поглощения кислорода в состоянии 3, резистентную к 1.2 мМ цианиду калия (KCN) и ингибируемую 3 мМ бензгидроксамовой кислотой (БГК). Транспорт электронов через цитохромоксидазу (ЦО) оценивали как скорость поглощения кислорода в состоянии 3, ингибируемую 1.2 мМ KCN.

Проводили не менее трех независимых экспериментов. Представлены средние арифметические значения и их стандартные отклонения.

RESULTS AND DISCUSSION

Ингибирование роста

Выращивание растений на 12%-ом растворе сахарозы при 22 °С приводило к ингибированию роста побегов на 20% (Рис. 1). Холодовое закаливание, как в присутствии, так и в отсутствие сахарозы, приводило почти к полному ингибированию роста растений (на 96.4 и 93.8%, соответственно). При этом закаленные растения по длине побегов соответствовали 7.5 суточным контрольным растениям (Рис. 1). Торможение ростовых процессов у растений в условиях низких температур определяет успешность формирования

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

123

The Influence of Carbohydrate Status...

устойчивости к низким температурам (Tumanov, Trunova, 1958). Однако ингибирование роста происходит не только в результате понижения температуры, но и за счет накопления в тканях сахаров (Tumanov, Trunova, 1958).

Содержание водорастворимых углеводов Содержание водорастворимых углеводов в листьях этиолированных растений озимой пшеницы при выращивании при 22 °С снижалось с возрастом растений (Рис. 2). Если у 7-ми суточных растений содержание сахаров в листьях составило 6.2%, то у 14-ти суточных всего 2.1%. Этиолированные растения в контрольных условиях выращивания обладали высокой способностью поглощать сахара из среды выращивания. Об этом свидетельствует повышение содержания водорастворимых углеводов в листьях при выращивании растений на растворе сахарозы (с 6.2% до 18%). Закаливание растений также характеризовалось увеличением содержания сахаров в листьях (Рис. 2). Наибольшее содержание водорастворимых углеводов наблюдали при закаливании на растворе сахарозы (18.4%), хотя при закаливании в отсутствие сахарозы также происходило накопление водорастворимых углеводов (до 10.6%), что вероятно, было связано с поступлением сахаров в листья в результате гидролиза крахмала эндосперма зерновки. Ранее было показано, что при закаливании на растворах сахарозы, рафинозы и мальтозы происходит их поглощение из наружного раствора, они проникают в клетки, превращаются в другие формы сахаров, благодаря

чему общий пул сахаров возрастает (Trunova,

1972). Повышение содержания водорастворимых

углеводов при закаливании является необходимым

условием для эффективного повышения

морозоустойчивости растений (Trunova, 1972).

Окислительная активность митохондрий и функционирование альтернативной оксидазы и ротенон-нечувствительных НАД(Ф)^Н-дегидрогеназ

Окислительную активность митохондрий и функционирование альтернативной оксидазы и ротенон-нечувствительных НАД(Ф)^Н-

дегидрогеназ изучали на очищенных в градиенте перколла митохондриях из этиолированных листьев озимой пшеницы. Выделенные митохондрии характеризовались высокой степенью интактности внешней митохондриальной мембраны (86-88%) и способностью окислять все используемые субстраты дыхания (малат, малат в присутствии ротенона, сукцинат, НАД^Н и НАДФ^Н) (Рис. 3). Наибольшая величина коэфициента дыхательного контроля по Чансу-Вильямсу (Chance and Williams, 1956) была характерна для митохондрий, изолированных из листьев контрольных растений, при окислении малата (1.90±0.04).

Как видно из Рис. 3, митохондрии из листьев контрольных растений с наибольшей скоростью окисляли малат и экзогенный НАД^Н и с наименьшей - малат в присутствии ротенона. Способность митохондрий окислять малат в присутствии ингибитора комплекса I дыхательной цепи - ротенона, свидетельствует об активности ротенон-нечувствительных «внутренних»

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

Borovik et al.

124

НАД(Ф)^Н-дегидрогеназ, а способность окисления сукцината (в 1.5 раза) было обусловлено

митохондрий окислять экзогенные НАД^Н или увеличением вклада в дыхание АО (в 2.6 раза).

НАДФ^Н в присутствии ротенона и Ca2+ в При окислении НАД^Н и НАДФ^Н скорости

отсутствие в среде инкубации хелатирующего дыхания митохондрий увеличивались в 1.7 и 1.9

агента - о функционировании «внешних» НАД^Н- и раза, соответственно. Такое существенное

НАДФ^Н-дегидрогеназ (M0ller, 2001). С увеличение скоростей окисления происходило за

использованием ингибиторов ЦО и АО - KCN и счет активации и ЦО и АО, однако в большей

БГК, соответственно, показано, что в митохондриях степени АО (если вклад в дыхание ЦО

из этиолированных листьев озимой пшеницы увеличивался в 1.3 и 1.7 раза, то вклад в дыхание

функционирует цианид-резистентное дыхание, АО - в 2.9 и 2.5 раза, при окислении НАД^Н и

которое ингибируется БГК - ингибитором АО. Как НАДФ^Н, соответственно). Как следует из

оказалось, наибольший вклад в дыхание АО вносит полученных данных, функционирование

при окислении митохондриями малата и малата в «внутренних» НАД(Ф)^Н-дегидрогеназ в

присутствии ротенона (Рис. 3). митохондриях из листьев растений, выращенных в

Выращивание растений на растворе сахарозы контрольных условиях на растворе сахарозы, было

при 22 °С, а также закаливание при 2 °С в сопряжено с функционированием ЦО, а не АО. В

присутствии и в отсутствие сахарозы, влияло на то же время функционирование «внешних»

дыхательную активность митохондрий и изменяло ротенон-нечувствительных НАД(Ф)^Н-

вклад АО и ЦО в дыхание (Рис. 3). Наиболее дегидрогеназ в митохондриях в этих условиях в

существенные изменения наблюдали при большей степени сопряжено с активностью АО.

выращивании этиолированных растений на Можно сделать вывод, что активность АО и

растворе сахарозы в контрольных условиях (22 «внешних» НАД(Ф)^Н-дегидрогеназ в контрольных

°С). В этих условиях отмечено увеличение условиях выращивания растений озимой пшеницы

скоростей дыхания при окислении всех определяется углеводным статусом. Полученные

используемых субстратов и увеличение вклада в данные согласуются с имеющимися в литературе

дыхание как ЦО, так и АО. Увеличение скорости данными о положительной корреляции углеводного

дыхания при окислении малата (в 1.4 раза) статуса растений и скорости дыхания и вклада в

происходило за счет увеличения (в равной дыхание АО (Azcon-Bieto et al., 1983; Noguchi,

степени) вклада в дыхание путей, связанных с 2005). В дальнейшем необходимо было выяснить

функционированием ЦО и АО. При окислении сохраняется ли такая тенденция при действии на

малата в присутствии ротенона увеличение растения низких температур.

скорости дыхания (в 1.3 раза) происходило за счет Длительное действие на растения низкой

вклада в дыхание ЦО. Увеличение скорости положительной температуры

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

125

The Influence of Carbohydrate Status...

(холодовое закаливание) приводило к малата наблюдали увеличение дыхания через АО в

значительным изменениям в скорости дыхания 1.2 раза. При окислении сукцината увеличение

изолированных из листьев этих растений скорости дыхания через АО (в 2.1 раза) было

митохондрий. Закаливание растений в отсутствие связано со снижением скорости дыхания через ЦО

сахарозы в среде выращивания снижало скорости (на 31%), а при окислении НАД^Н вклад ЦО в

дыхания изолированных митохондрий при дыхание снижался на 25.6%, а вклад АО возрастал

окислении малата и малата в присутствии ротенона в 1.7 раза. Усиление дыхания при окислении

(на 19 и 16%, соответственно) (Рис. 3). НАДФ^Н было связано с увеличением вклада в

Функционирование «внутренних» НАД(Ф)^Н- дыхание АО (в 1.8 раза). Таким образом, в

дегидрогеназ в этих условиях снижалось за счет условиях низких температур при высоком

снижения активности АО (на 52%). Скорость содержании водорастворимых углеводов

окисления митохондриями сукцината, НАД^Н и активность «внешних» НАД(Ф)^Н-дегидрогеназ

НАДФ^Н не изменялась, однако при окислении сопряжена с активностью АО.

сукцината было отмечено некоторое снижение Известно, что гликолиз, цикл Кребса и

вклада в дыхание ЦО (на 22%). цитохромный путь транспорта электронов -

При закаливании растений на растворе основной путь дыхания в листьях растений

сахарозы дыхательная активность изолированных (Semikhatova, Chirkova, 2001). Показано, что при

из листьев митохондрий не изменялась при понижении внешней температуры снижается

окислении всех изученных субстратов дыхания, за скорость транспорта электронов через

исключением экзогенного НАДФ^Н, по сравнению цитохромный путь дыхания и активируется их

с митохондриями из листьев контрольных растений транспорт по альтернативному пути (Ribas-Carbo et

(Рис. 3). Однако если сравнивать скорости al., 2000; Armstrong et al, 2008; Mizuno et al., 2008).

дыхания митохондрий из листьев закаленных на Как следует из наших данных, обеспеченность

растворе сахарозы и контрольных растений, клеток сахарами - основными субстратами

выращенных на растворе сахарозы, то дыхания - влияет на дыхание митохондрий и

закаливание существенно снижало скорости транспорт электронов через цитохромный и

дыхания митохондрий (Рис. 3). В то же время альтернативный пути при низкой температуре. С

закаливание растений на растворе сахарозы использованием этиолированных растений озимой

сопровождалось перераспределением потока пшеницы нами выявлена зависимость

электронов между ЦО и АО в сторону увеличения функционирования АО и ротенон-

их транспорта через АО. Такую ситуацию можно нечувствительных НАД(Ф)^Н-дегидрогеназ в

наблюдать при окислении митохондриями малата, сукцината и НАД^Н (Рис. 3). Так, при окислении митохондриях листьев от содержания сахаров.

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

Borovik et al.

126

Рисунок 1. Влияние сахарозы и низкой температуры на рост этиолированных растений озимой пшеницы.

Обозначения: До обр - растения до закаливания и обработки сахарозой; К - контрольные

растения, выращенные при 22 °С в течение 7.5 суток; К,14 - растения, выращенные при 22 °С в течение 14 суток; К+Сах -растения, выращенные при 22 °С на 12%-ом растворе сахарозы; Зак - растения, закаленные при 2 °С; Зак+Сах - растения, закаленные при 2 °С на 12%-ом растворе сахарозы. n=3-5. M±S.D.

I

Зак+Сах

Рисунок 2. Влияние сахарозы и низкой температуры на содержание водорастворимых углеводов в листьях. n=3-8. M±S.D.

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

127

The Influence of Carbohydrate Status...

Рисунок 3. Влияние сахарозы и низкой температуры на скорость поглощения кислорода митохондриями в состоянии 3 и функционирование альтернативной оксидазы и ротенон-нечувствительных НАД(Ф) •Н-дегидрогеназ.

Обозначения: Малат - 10 мМ малат в присутствии 10 мМ глутамата; Малат+Ротенон - 10 мМ малат в присутствии 10 мМ глутамата и 3 мкМ ротенона; Сукцинат - 8 мМ сукцинат в присутствии 5 мМ глутамата и 3 мкМ ротенона, НАД^Н - 1 мМ НАД^Н в присутствии 3 мкМ ротенона и 0.06 мМ Ca2+; НАДФ^Н - 1 мМ НАДФ^Н в присутствии 3 мкМ ротенона и 0.06 мМ Ca2+. n=3-6. M±S.D.

Содержание водорастворимых углеводов контрольных условиях выращивания, так и при

влияло на функционирование в митохондриях закаливании растений в условиях низкой

«внешних» НАД(Ф)^Н-дегидрогеназ как в положительной температуры. Установлено, что

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

Borovik et al.

128

благодаря высокому содержанию сахаров, активность «внешних» НАД(Ф)^Н-дегидрогеназ и АО поддерживается на высоком уровне. Можно предположить, что в условиях доступности субстратов дыхания при действии на растения низкой температуры функционирование в митохондриях «внешних» НАД(Ф)^Н-дегидрогеназ и АО способствует поддержанию необходимого уровня НАД(Ф)+ в цитозоле, что позволяет нормально функционировать НАД(Ф)+-зависимым дыхательным ферментам и обеспечивать необходимый уровень устойчивости растений к низкой температуре.

REFERENCES

Armstrong A.F., Badger M.R., Day D.A., Barthet M.M., Smith P.M., Millar A.H., Whelan J. and Atkin O.K. (2008) Dynamic changes in the mitochondrial electron transport chain underpinning cold acclimation of leaf respiration. Plant, Cell and Envir., 31, 1156-1169.

Azcon-Bieto J., Lambers H. and Day D.A. (1983) Effect of photosynthesis and carbohydrate status on respiratory rates and the involvement of the alternative pathway in leaf respiration. Plant Physiol., 72, 598-603.

Blokhina O. and Fagerstedt K.V. (2010) Reactive oxygen species and nitric oxide in plant mitochondria: origin and redundant regulatory systems. Physiol. Plant., 138, 447-462.

Borovik O.A. (2014) The alternative enzymes of the mitochondrial respiratory chain are involved in the development of winter wheat frost-resistance. In

the World of Scientific Discoveries [In Russian], 8(56), 7-21.

Borovik O.A., Grabelnych O.I., Koroleva N.A., Pobezhimova T.P., Voinikov V.K. (2013) The relationships among an activity of the alternative pathway respiratory flux, a content of carbohydrates and a frost-resistance of winter wheat. J. Stress Physiol. & Biochem. [In Russian], 9, 241-250.

Chance B.W. and Williams V.R. (1956) The respiration chain and oxidative phosphorylation. Adv. Enzymol., 17, 65-152.

Cvetkovska M. and Vanlerberghe G.C. (2013) Alternative oxidase impacts the plant response to biotic stress by influencing the mitochondrial generation of reactive oxygen species. Plant Cell Envir., 36, 721-732.

Dishe Z. (1967) Obshhie cvetnye reakcii. pod red. Kochetkova N.K. Metodi himii uglevodov. M: Mir [In Russian], S. 21-24.

Elhafez D., Murcha M.W., Clifton R., Soole K.L., Day D.A. and Whelan J. (2006) Characterization of mitochondrial alternative NAD(P)H

dehydrogenases in Arabidopsis: interaorganelle location and expression. Plant Cell Physiol., 47, 43-54.

Finnegan P.M, Soole K.L. and Umbach A. (2004) Alternative mitochondrial electron transport proteins in the higher plants. In Day D.A., Millar A.H. and Whelan J. (ed.), Plant mitochondria: from genome to function. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, pp. 163-230.

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

129

The Influence of Carbohydrate Status...

Golovko T.K. (1999) Dykhanie rasteniy (fiziologicheskie aspekty). SPb.: Nauka [In

Russian], 204 s.

Grabelnych O.I., Borovik O.A., Tauson E.L., Pobezhimova T.P., Katyshev A.I., Pavlovskaya N.S., Koroleva N.A., Lyubushkina I.V., Bashmakov V.Yu., Popov V.N., Borovskii G.B. and Voinikov V.K. (2014) Mitochondrial energy dissipating systems (alternative oxidase, uncoupling proteins, and external NADH dehydrogenase) are involved in development of frost-resistance of winter wheat seedlings. Biochem. (Moscow), 79, 506-519.

Grant N.M., Miller R.E., Watling J.R. and Robinson S.A. (2008) Synchronicity of thermogenic activity, alternative pathway respiratory flux, AOX protein content, and carbohydrates in receptacle tissues of sacred lotus during floral development. J. Exp. Bot, 59, 705-714.

Ivanov V.B. (1974) Kletochnye osnovy rosta rasteniy. M.: Nauka [In Russian], 223 s.

Jacoby R.P., Li L., Huang S., Lee C.P., Millar A.H. and Taylor N.L. (2012) Mitochondrial composition, function and stress response in plants. J. Int. Plant Biol., 54, 887-906.

Li C.-R., Liang D.-D., Li J., Duan Y.-B., Li H., Yang Y.-C., Qin R.-Y., Li L., Wei P.-C. and Yang J.-B. (2013) Unravelling mitochondrial retrograde regulation in the abiotic stress induction of rice ALTERNATIVE OXIDASE 1 genes. Plant, Cell and Envir., 36, 775-788.

Maxwell D.P., Wang Y. and McIntosh L. (1999) The

alternative oxidase lowers mitochondrial reactive oxygen production in plant cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 8271-8276.

Mizuno N., Sugie A., Kobayashi F. and Takumi S. (2008) Mitochondrial alternative pathway is associated with development of freezing tolerance in common wheat. J. Plant Physiol., 165, 462-467.

M0ller I.M. (2001) Plant mitochondria and oxidative stress: electron transport, NADPH turnover, and metabolism of reactive oxygen species. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol., 52, 561-591.

Noguchi K. (2005) Effects of light intensity and carbohydrate status on leaf and root respiration. Plant Respiration: From Cell to Ecosystem, Springer, Hamburg, pp. 63-83.

Ribas-Carbo M., Aroca R., Gonzalez-Meler M.A., Irigoyen J.J. and Sanchez-Diaz M. (2000) The electron partitioning between the cytochrome and alternative respiratory pathways during chilling recovery in two cultivars of maize differing in chilling sensitivity. Plant Physiol., 122, 199-204.

Semikhatova O.A., Chirkova T.V. (2001) Fiziologiya dykhaniya rasteniy. SPb.: Izd-vo S.Peterb. un-ta [In Russian], 224 s.

Shugaev A.G., Lashtabega D.A., Belozerova N.S.,

Generozova I.P. (2012) Metody vydeleniya

mitokhondriy rasteniy i opredelenie ikh

intaktnosti. Pod red. Vl.V. Kuznetsova, V.V.

Kuznetsova, G.A. Romanova, Molekulyarno-geneticheskie i biokhimicheskie metody v

sovremennoy biologii. M.: BINOM. Laboratoriya

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014

Borovik et al.

130

znaniy [In Russian], S. 448-456.

Smith C., Barthet M., Melino V., Smith P., Day D. and Soole K. (2011) Alterations in the mitochondrial alternative NAD(P)H dehydrogenase NDB4 lead to changes in mitochondrial electron transport chain composition, plant growth and response to oxidative stress. Plant Cell Physiol., 52, 12221237.

Tan Y.-F., Millar A.H. and Taylor N.L.

Components of mitochondrial oxidative

phosphorylation vary in abundance following

exposure to cold and chemical stresses. J.

Proteome Res., 11, 3860-3879.

Trunova T.I. (1972) Sakhara kak odin iz faktorov,

povyshayushchikh morozoustoychivost' rasteniy. Izvestiya Akademii nauk SSSR. Seriya

biologicheskaya [In Russian], 2, 185-196.

Tumanov I.I. (1979) Fiziologija zakalivanija i morozostojkosti rastenij. M: Nauka [In Russian], 352 s.

Tumanov I.I., Trunova T.I. (1958) Vliyanie rostovykh protsessov na sposobnost' k zakalivaniyu tkaney ozimykh rasteniy. Fiziologiya rasteniy [In Russian], 5, 112-122.

Vanlerberghe G.C. (2013) Alternative oxidase: a mitochondrial respiratory pathway to maintain metabolic and signaling homeostasis during abiotic and biotic stress in plants. Int. Mol. Sc/., 14, 6805-6847.

Wagner A.M., Krab K., Wagner M.J. and Moore A.L. (2008) Regulation of thermogenesis in flowering Araceae: The role of the alternative oxidase. Biochim. Biophys. Acta, 1777, 993-1000.

JOURNAL OF STRESS PHYSIOLOGY & BIOCHEMISTRY Vol. 10 No. 4 2014