Влияние раздельного и комбинированного действия засоления и гипертермии на полиаминсинтезирующую систему проростков кукурузы

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2005 Биология Вып. 6

УДК 581.1 : 632.122.1

ВЛИЯНИЕ РАЗДЕЛЬНОГО И КОМБИНИРОВАННОГО ДЕЙСТВИЯ ЗАСОЛЕНИЯ И ГИПЕРТЕРМИИ НА ПОЛИАМИНСИНТЕЗИРУЮЩУЮ СИСТЕМУ ПРОРОСТКОВ КУКУРУЗЫ

Л. А. Чудинова, В. И. Суворов, Е. Н. Тюмина

Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15

Установлено увеличение внутриклеточной концентрации полиаминов (путресцина, кадаверина, спермидина и спермина) в проростках кукурузы при засолении 1% №С1 и в условиях комбинированного действия гипертермии (40 и 45°С в течение 3 ч) и засоления. Можно предположить положительную роль этих соединений в приспособлении растений к данным факторам среды.

Биогенные полиамины - путресцин (ПТ), кадаверин (КД), спермидин (СД) и спермин (СМ) -представляют собой органические поликатионы, различающиеся только числом и положением в молекуле аминных групп. По биологическому действию они являются низкомолекулярными регуляторами физиологических процессов. Часто их действие сравнимо с гормональным. Так, ПТ и КД стимулируют растяжение клеток и корнеобразование (Шевякова, 1981), а СД и СМ регулируют клеточное деление, органогенез и старение (Smith, 1985).

В связи с этим особое значение приобретает изучение полиаминов в условиях действия на растения неблагоприятных факторов. Установлено, что полиамины играют немаловажную роль в адаптации растений к осмотическому стрессу, нарушениям минерального питания, засоления, гипертермии (Priebe, Jager, 1979; Шевякова, 1981; Чудинова, 1990; Кузнецов и др. 1991, Das Sankar et al., 1995).

Часто в природных условиях растения подвергаются комплексному действию негативных факторов. Отсюда логично предположить, что эволюци-онно сформировались общие системы устойчивости, позволяющие экономить энергетические и пластические ресурсы растительного организма.

Молекулярные системы устойчивости растений к одновременному действию высокой температуры и засоления практически не изучены. В то же время показано, что в изолированных клетках Nicotiana sylvestris защитную роль в условиях гипертермии и избыточного содержания соли выполняет пролин, а также, возможно, полиамины и бетаин (Шевякова и др., 1994). В растениях хлопчатника протекторный эффект гипертермии от последующего засоления был обусловлен быстрым и интенсивным выделени-

ем этилена, а также аккумуляцией пролина и ПТ, которая наблюдалась на более поздних этапах адаптационного процесса (Кузнецов и др., 1991).

Цель данной работы - выяснить, участвуют ли низкомолекулярные полиамины в адаптации растений к засолению и высокой температуре.

Объекты и методы исследований

Исследования проводились на проростках кукурузы (Zea mays L.) сорта Днепропетровская.

В первой серии опытов проростки кукурузы подвергали раздельному действию засоления и гипертермии по следующей схеме: вариант 1 - контроль (смесь Кнопа), варианты 2, 3 - тепловое воздействие температурами 40 и 45°С в течение 3 ч, варианты 4, 5 - засоление 1% раствором NaCl соответственно в течение 3 ч и 3 суток. Засолению и гипертермии подвергали 10-дневные проростки, которые выращивали методом водной культуры.

Вторая серия опытов (комбинированное действие засоления и гипертермии) включала: вариант 1 -контроль, вариант 2,3 - гипертермия 40°С в течение Зч и последующее засоление 1% раствором NaCl соответственно в течение 3 ч и 3 суток, вариант 4, 5 - гипертермия 45° в течение Зч и последующее засоление 1% раствором NaCl соответственно в течение 3 ч и 3 суток, вариант 6, 7 - засоление 1% раствором NaCl соответственно в течение 3 ч и 3 суток с последующей гипертермией 40°С в течение 3 ч, варианты 8, 9 - засоление 1% раствором NaCl соответственно в течение Зч и 3 суток с последующей гипертермией 45°С в течение 3 ч.

Ростовые параметры (высоту надземной части и объем корней) измеряли у 15-18-дневных проростков.

© JI. А.Чудинова, В. И. Суворов, Е. Н. Тюмина, 2005

71

72

JI. А. Чудинова, В. И. Суворов, Е. Н. Тюмина

некоторое снижение в условиях гипертермии. Трехчасовое воздействие NaCl вызвало особенно резкое увеличение содержания КД, а 3-суточное -содержания СД и СМ. Это согласуется с данными о том, что количество ПТ у солеустойчивых культур на протяжении всего солевого стресса сохраняется примерно на одном уровне, на фоне повышенного содержания остальных полиаминов (Krishnamurthy, Bhagmwat, 1989; Чудинова, 1990).

Комбинированное действие засоления и гипертермии вызвало существенный рост концентрации КД практически во всех вариантах. Заметное накопление ПТ, СМ и СД наблюдалось при сочетании непродолжительного засоления (3 ч) и гипертермии. Можно предположить, что повышенный уровень полиаминов связан с высокой активностью их биосинтетических ферментов - декарбоксилаз, обладающих сильной индуцибельностью и коротким по-лупериодом жизни молекул (10-12 мин) (Srivastava, Smith, 1982), что обеспечивает возможность быстрого увеличения содержгния полиаминов. Возможно, что при солевом и температурном стрессе повышенное содержание полиаминов может играть определенную протекторную роль. В настоящее время установлено, что эти соединения могут стабилизировать клеточные мембраны, меняя их проницаемость (Шевякова, 1981), способны образовывать комплексы с нуклеиновыми кислотами за счет водородных и электростатических взаимодействий, повышая при этом устойчивость нуклеиновых кислот к тепловой денатурации (Bagni et al., 1982). Было также показано (Serafini-Fracassini et al., 1984), что полиамины образуют комплексы с р-РНК и т-РНК, при этом увеличивается скорость включения аминокислот при синтезе белка, а также количество завершенных полипептидных цепей (Abraham et al., 1980).

Таблица 2

Содержание полиаминов в надземной части проростков кукурузы

Вариант Путресцин Кадаверин Спермидин Спермин

1-я серия

1 0,0358 0,0131 0,0253 0,0507

2 0,0255 0,0047 0,0106 0,0273

3 0,0300 0,0102 0,0173 0,0307

4 0,0423 0,0279 0,0271 0,0563

5 0,0162 0,0191 0,0154 0,0345

2-я серия

1 0,0358 0,0131 0,0253 0,0507

2 0,0523 0,0376 0,0533 0,0832

3 0,0502 0,0493 0,0306 0,0511

4 0,1126 0,0727 0,1182 0,1470

5 0,0629 0,0694 0,0543 0.0857

6 0,1544 0,0735 0,0596 0,1207

7 0,0251 0,0266 0,0268 0,0411

8 0,1689 0,0389 0,0404 0,0652

9 0,0553 0,0557 0,0536 0,0514

Содержание полиаминов определяли методом тонкослойной хроматографии (Чудинов и др., 1984) в трехкратной повторности.

Результаты и обсуждение

Анализ ростовых параметров показал, что засоление 1% раствором №С1 в течение Зч и особенно 3 суток ингибировало рост надземной части и корней. Ростингибирующий эффект засоления усугублялся последующей гипертермией, особенно при 45°С (табл. 1).

Таблица 1

Влияние засоления и гипертермии на ростовые параметры проростков кукурузы

Вариант Масса побегов Объем корней

1 0,38±0,03 0,35+0,03

2 0,36±0,04 0,35+0,02

3 0,23±0,02 0,26±0,03

4 0,17+0,09 0,32±0,02

5 0,11+0,01 0,16±0,01

1 0,38±0,03 0,35±0,03

2 0,62±0,07 0,48+0,04

3 0,24±0,02 0,26±0,02

4 0,30±0,04 0,19±0,02

5 0,17±0,01 0,13±0,01

6 0,35±0,02 0,19±0,01

7 0,27±0,01 0,18±0,01

8 0,29±0,03 0,16+0,01

9 0,16±0,02 0,16±0,01

Обработка проростков 40 и 45°С в течение 3 ч в меньшей степени подавляла их рост, при этом предварительная гипертермия (40°С, 3 ч) заметно снижала ростингибирующий эффект засоления.

Анализ содержания полиаминов (табл. 2) показал значительное их увеличение при засолении и

Влияние раздельного и комбинированного действия засоления и гипертермии.

73

Есть данные о том, что полиамины являются регуляторами топологического состояния ДНК (Ткаченко и др., 1998), что, возможно, изменяет активность промоторов индуцибельных генов в результате увеличения отрицательной суперскрученности ДНК. Установлено, что такие механизмы способствуют адаптации Е. coli ко многим видам стрессовых воздействий, в том числе и гипертермии (Ткаченко и др., 1998).

Повышенная концентрация полиаминов в клетке может иметь адаптивное значение, очевидно, лишь в том случае, если она не превышает физиологически допустимых пределов. Так, у растений с белковым типом обмена веществ (бобовые) при сильном и резком засолении накопление полиаминов достигало токсического порога из-за глубоких нарушений в белковом обмене и вызывало появление некрозов (Строгонов и др., 1972).

Таким образом, выявленные особенности раздельного и комбинированного действия засоления и гипертермии на содержание полиаминов дают возможность считать, что эти соединения играют положительную роль в приспособлении растений к этим факторам среды.

Библиографический список

Кузнецов В.В., Ходырев Б. Т., Шевякова Н.И., Ра-китин В.Ю. Индукция тепловым шоком соле-устойчивости хлопчатника: участие полиаминов, этилена и пролина // Физиол. раст. 1991. Т. 38, вып.6. С. 1203-1210.

Строгонов Б.П., Шевякова Н.И., Кабанов В.В. Диамины в обмене веществ у растений в условиях засоления // Физиол. раст. 1972. Т. 19, вып. 5. С. 1098-1104.

Ткаченко А.Г, Пшеничное М.Р., Сапахетдинова О.Я., Нестерова Л.Ю. Роль транспорта путресцина и калия в регуляции топологического состояния ДНК в процессе адаптации Escherichia coli к температурному стрессу // Микробиология. 1998. Т. 67, №5. С. 601-606.

Чудинов А.А., Чудинова Л.А., Коробов В.П. Метод определения низкомолекулярных олигоаминов в

различном биологическом материале // Вопр. мед. химии. 1984. Т. 30, вып. 4. С. 127-132.

Чудинова Л.А. Влияние засоления на содержание полиаминов у растений разного уровня солеустой-чивости // Физиол. раст. 1990. Т. 37, вып. 3. С. 586-590.

Шевякова И. И. Метаболизм и физиологическая роль ди- и полиаминов в растениях // Физиол. раст. 1981. Т. 28, вып. 5. С. 1052-1060.

Шевякова Н.И., Рощупкин Б.В., Парамонова Н.В., Кузнецов Вл.В. Стрессорный ответ клеток Nicoti-ana sylvestris L. на засоление и высокую температуру. 1. Аккумуляция пролина, полиаминов, бетаинов и сахаров // Физиол. раст. 1994. Т. 41, вып. 4. С. 558-565.

Abraham Fbraham К., Olsnes Sjus., Pihl Alexander. Variable Rate of elongation in vitro. Effect of spermidine // Eur. J. Biochem. V. 106, № 1. P. 257-262.

Bagni N., Serafini-Fracassini D., Torrigiani P. Polyamines and cellular growth processes in higher plants // The Proceedings of 11th International Conference on plant growth Substances, held in Aberyswyth from 12Ato 16* July. 1982. P. 451-461.

Das Sankar, Bose Anindita, Ghosh Bharati. Effect of salt stress on poliamine metabolism in Brassica campes-tris // Phytochemistry. 1995. V. 39, № 2. P. 283-285.

Krishnamurthy R, Bhagmwat K.A. Polyamines as modulators of salt tolerance in rice cultivars // Plant Physiol. 1989. V.91,№2. P. 500-504.

Priebe A., Jager H. J. Effect of NaCl on the levels putrescine and related poliamine in plant differing in salt tolerance // Plant Sci. Lett. 1978. V. 12, № 3-4. P. 365-369.

Serafini-Fracassini D., Torrgiani P., Pranca C. Po-liamine bound to nucleic acid guring gormancy and activation of tuber cell of Heliantus tuberosus II Plant Physiol. 1984. V. 60. P. 351-357.

Smith T.A. Polyamines // Ann. Rev. Plant Physiol. 1985. V. 36. P. 117.

Srivastava S.K., Smith T.A. The effective some oligo-amines and diamines on membrane permeability in higher plants // Phytochtmistry. 1982. V. 21, № 5. P. 997-1008.

Поступила в редакцию 14.10.2005

Influence of the separate and combined operation of salinization and hypertermia on of polyamine synthethesizing system germ of corn

L.A. Chudinovsa, V.I. Suvorov, E.N. Tiumina

The magnification of incellular of concentration polyamines (putrescine, cadaverine, spermidine and spermine) in germ of com is established with salinization 1% NaCl and in conditions of the combined operation of hypertermia (40 and 45°C during 3 hours) and salinization. It is possible to assume a positive role of these junctions in accommodating plants to data’s to the factors of a medium.