Индукция защитной системы в растениях гравилата городского под действием NaCl

ИНДУКЦИЯ ЗАЩИТНОЙ СИСТЕМЫ В РАСТЕНИЯХ ГРАВИЛАТА ГОРОДСКОГО ПОД ДЕЙСТВИЕМ ^С1

Иванов Ю.В., Карташов А.В., Радюкина Н.Л., Шевякова Н.И., Кузнецов Вл.В.

The induction of defense system in avens plants (Geum urbanum L.) (glycophyte) and ice plant (Mesembryantemum crystalinum L.) (galophyte) was investigated. The activities of defense system enzymes (peroxidase, superoxide dismutase), proline accumulation and contents of K+, Na+, Cl- ions were estimated. It was shown, that in avens plants the roots play minor role as comparison with halophyte plants.

Важной проблемой в физиологии растений является их устойчивость к различным стрессовым условиям. На протяжении всей жизни растения подвержены действию высоких и низких температур, тяжёлых металлов, засолению, нарушению водного режима и т.д. В настоящее время установлено, что действие любого стрессорного фактора сопровождается образованием активных форм кислорода (супероксид анион, гидроксил анион, перекись водорода), которые повреждают белки, нуклеиновые кислоты, липиды мембран и приводят к гибели клетки.

Деструкция супероксид аниона, первого из активных форм кислорода, осуществляется супероксиддисмутазой (СОД). В результате биохимической реакции образуется перекись водорода, которая также оказывает повреждающее действие на компоненты клетки. Для защиты клетки существуют различные пути, включающие как низкомолекулярные, так и ферментативные системы. Наиболее известны ферменты антиоксидантного действия (пероксидаза, каталаза, аскорбат перокси-даза, глутатион пероксидаза) и низкомолекулярные вещества - осмопротекторы (антиоксиданты): пролин, полиамины, токоферол, фенолы [1, 2]. Комплекс последовательно включающихся биохимических реакций, катализируемых вышеуказанными ферментами, и аккумуляция низкомолекулярных соединений составляют защитную систему растения.

В настоящее время интенсивно изучается индукция защитных систем и экспрессия генов, кодирующих образование соответствующих белков. В этих исследованиях используются модельные растения : Arabidopsis thaliana L., Mesembryan-themum crystallinum L., Thellungiella halophila L., и другие. Однако действие засоления на дикорастущие растения средней полосы России практически не изучалось. Предполагается, что их защитная система функционирует также как и в модельных растениях. В связи с этим представляет интерес выявление физиологических особенностей дикорастущих растений в ответ на действие NaCl. В качестве объекта исследования выбран гравилат городской (Geum urbanum L.) - многолетнее травянистое растение семейства Розоцветные (Rosaceae), широко распространённое в Европейской части России, Средней Азии и Западной Сибири. Гравилат растёт на лесных опушках, в изреженных лесах, зарослях кустарников, в населённых пунктах, по обочинам дорог. К условиям произрастания малотребователен, зимостоек и засухоустойчив.

Для сравнения использовали модельное растение Mesembryantemum

crystallinum L. - дикорастущий факультативный галофит семейства Аизовые (Aizoaceae), происходящий из Намибийской пустыни Южной Африки.

В настоящей работе изучалось влияние постепенного засоления (NaCl, 100400 mM) на растения гравилата Geum urbanum L. (гликофит) и хрустальной травы Mesembryanthemum crystallinum L. (галофит). Растения выращивали в водной культуре в камере фитотрона при температуре 23-25°C днём и 15-17°С ночью, при влажности воздуха 55% и 70% соответственно. В качестве питательного раствора применялась среда Джонсона (1957), модифицированная по Winter (1973). Концентрацию NaCl ежедневно увеличивали на 100 mM в течение недели. Растения фиксировали жидким азотом. В полученных образцах определялось содержание ионов Cl-, Na+, К+, (потенциометрический метод с применением ион-селективных электродов и пламенной спектрофотометрии), свободного пролина [3] и активность ферментов антиоксидантной защиты: супероксиддисмутазы [4] и гваякол-зависимой пероксидазы [5].

Полученные результаты показали, что первичной реакцией на стресс у гликофита и галофита является накопление свободного пролина сначала в корнях, а затем в листьях. У растений хрустальной травы аккумуляция пролина в корнях в два раза ниже, чем у растений гравилата, а в листьях различие составляет 5-6 раз (рисунок 1).

л о о

ей

«

О &

23

о

U

ч о

160

140

120

100

80

60

40

20

о

ON

о

CN

о\

о> т О

<4 (N

00 <3 о, ^н" о"

СП СП

00 CN СП

100

200 NaCl, mM

300

400

0

0

Geum u.

Рисунок 1 - Содержание свободного пролина в гликофитном и галофитном растениях

Сходная закономерность сохраняется и в содержании ионов С1- и №+, т.е. концентрация увеличивается в 5 и более раз по сравнению с контролем (рисунок 2). У обоих видов снижается уровень ионов К+, что согласуется с литературными

данными о конкуренции между этими двумя катионами.

о

о

(N

О,,_, ,-1

з"00„

ИЬ.

100

о

о

(N

200 NaCl, mM

300

00 о"

400

00 о

пг^ <Чо о

100

200 NaCl, mM

300

vu ON

«О

400

a

b

0

0

Geum и.

Geum u.

Рисунок 2 - Содержание ионов №+ (а), С1- (Ь), тмоль/г сырой массы в растениях гликофитного и галофитного типов

При действии засоления образуется супероксид анион, и, как правило, наблюдается повышение активности супероксиддисмутазы - фермента, играющего ключевую роль в нейтрализации его окислительного действия. Конститутивный уровень СОД у обоих видов сопоставим в корнях, но в листьях гравилата он был в 10 раз выше, чем у листьев хрустальной травы. При действии №С1 активность СОД в растениях повышается, но у хрустальной травы этот рост значительнее в корнях, а у гравилата - в листьях.

Пероксидаза (ПО) является одним из маркерных ферментов, и практически первой активируется в ответ на стресс. Этот мультифункциональный фермент в дополнение к антиоксидантной функции участвует в огромном числе биохимических реакций. Одна из них - «укрепление» клеточной стенки, играющая существенную роль в осморегуляции. В зависимости от локализации в растительных клетках различают растворимые (вакуоль, цитоплазма), ионсвязанные (мембраны, клеточная стенка) и ковалентносвязанные (клеточная стенка) формы пероксидазы [5]. В нашей работе исследована активность всех трёх форм пероксидазы.

Активность свободной ПО в листьях гравилата, по сравнению с контролем, была в несколько раз выше. В то же время, у хрустальной травы наибольшая активность наблюдалась в корнях. Для ковалентносвязанной и ионсвязанной ПО сохранялась та же тенденция, но активность ниже, чем у свободной. Таким образом, в растениях гравилата клеточная стенка в корнях не является полноценным барьером для осмотического действия N0, поэтому в листьях индукция защитных систем выше, чем в солеустойчивых растениях.

Полученные данные демонстрируют, что корни у хрустальной травы являются более сильным барьером для солевого стресса, чем у гравилата. Роль корней,

как первого барьера на пути стресса, также показана и для других галофитов, например Thellungiella halophila [6].

Следует отметить, что растения гравилата при тех же концентрациях NaCl, испытывали больший стресс, чем хрустальная трава, о чём свидетельствует увеличенный уровень аккумуляции пролина и высокие показатели активности антиок-сидантных ферментов ПО и СОД.

Таким образом, индукция защитного ответа в галофитах и гликофитах определяется активацией одних и тех же метаболических путей, но в гликофитах она сильнее и проявляется раньше, чем у галофитов, особенно в наземных органах.

Работа поддержана грантом 04-04-392 РФФИ, и грантом «Молекулярная биология клетки».

Литература

1. Galston A.W., Kaur-Sawhney R., Altabella T. and Tiburcio A.F. (1997) Plant polyamines in reproductive activity and response to abiotic stress. Bot. Acta. V. 110. P. 197-207.

2. Bouchereau A., Aziz A., Larher F., Martin-Tanguy J. (1999) Polyamines and environmental challenges: recent development. Plant Science. V. 140, P. 103-125.

3. Bates LS, Waldren RP, Teare ID 1973 Rapid determination of free proline for water stress studies. Plant & Soil 39: 205-207.

4. Аронова Е.Е., Шевякова Н.И., Стеценко Л.А., Кузнецов Вл. В. Индукция кадаверином экспрессии гена супероксиддисмутазы у растений Mesembryanthemum crystallinum L. // Доклады академии наук, 2005, Т. 403, №1, С.64-70.

5. Шевякова Н.И., Стеценко Л.А., Мещеряков А.Б., Кузнецов Вл. В. Изменение активности пероксидазной системы в процессе стресс-индуцированного формирования CAM // Физиология растений, 2002, т. 49, № 5, с. 670-677.

6. Zeng-lan Wang, Ping-hua Li, Mark Fredricksen, Zhi-zhong Gong, C.S. Kimd,Changquing Zhang, Hans J. Bohnert, Jian-Kang Zhu, Ray A. Bressan, Paul M. Hasegawa, Yan-xiu Zhaoa, Hui Zhang - Expressed sequence tags from Thellungiella halophila, a new model to study plant salt-tolerance //Plant Science 166 (2004), pp. 609-616.