Исследование детергент-устойчивых структур клеточных мембран растений эугалофитов

DOI: 10.24411/9999-010A-2019-10086 В.Н. НЕСТЕРОВ, О.А. РОЗЕНЦВЕТ, Е.С. БОГДАНОВА

Институт экологии Волжского бассейна РАН, г. Тольятти, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕТЕРГЕНТ-УСТОЙЧИВЫХ СТРУКТУР КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН РАСТЕНИЙ ЭУГАЛОФИТОВ

Растения галофиты, составляющие 2% от всех видов континентальной флоры, способны осуществлять полный жизненный цикл на почвах с высоким содержанием солей. Галофиты в процессе эволюции выработали специальные механизмы устойчивости, позволяющие им справляться с осмотическим, токсическим и окислительным стрессом, вызванным действием солей (Lokhande, Suprasanna, 2012). Известно, что механизмы адаптации живых организмов сопряжены с процессами, происходящими на биологических мембранах, играющих ключевую роль, как в структурной организации, так и в функционировании клеток (Геннис, 1997). Фундаментальной основой адаптации растений к солевому стрессу является способность клеток контролировать транспорт соли через мембраны (Розенцвет и др., 2017). Эугалофиты отличаются от других типов солеустойчивых растений тем, что способны накапливать соли внутри клеток. У данной группы растений потоки Na+ и Cl-из корней в листья, по сравнению с их потоками в других направлениях, являются преобладающими. В результате эти растения аккумулируют Na+ и Cl- в листьях и стеблях значительно больше, чем в корнях. Согласно современным представлениям, поступление Na+ в растительную клетку осуществляется с помощью ионных каналов и транспортеров. Роль разных изоформ NHX антипортеров в осморегуляции, росте и развитии клетки в различных условиях среды активно исследуется. Антипортеры Na+/H+ перемещают ионы натрия против градиента электрохимического потенциала за счет протон-движущей силы, генерируемой Н+-АТФазой. У некоторых галофитов гены, кодирующие эти белки, активны только в корнях, у других - в листьях, а у гликофитов активируются только при стрессе (Lv et al., 2012).

Все больше появляется сведений о том, что мембраны представляют собой мозаику дискретных микродоменов. Известно, что данные микродомены являются своеобразными областями мембраны, плавающими на поверхности фосфолипидного бислоя (Pike, 2006). Они устойчивы к действию детергентов, так как отличаются большой стабильностью и плотностью упаковки благодаря специфическому составу липидов, в сравнении с остальными участками мембран. Микродомены (или мембранные рафты или DRM (detergent-resistant membranes)) обогащены стеринами (СТ) и сфинголипидами/цереброзидами (ЦЕР).

Одной из первых функций микродоменов считалось участие в мембранном обмене (Lingwood, Simons, 2010). В настоящее время известно, что DRM, с которыми связаны конкретные классы белков, участвуют в широком спектре биологических процессов (Cacas, 2012). Так, исследования мембран животных клеток показали непосредственное участие DRM в таких процессах как мембранная поляризация, клеточный транспорт и ответ на воздействие патогенов (Pike, 2006).

Далеко не все функции микродоменов известны, однако на основании существующих экспериментальных данных можно утверждать, что они регулируют биологическую активность клеточных и субклеточных мембран, а значит и клетки в целом (Cacas, 2012; Lingwood, Simons, 2010; Mongrand et al., 2010). В ответных механизмах клетки на стресс участвует не только белки входящие в состав рафтов, но и липиды, являющиеся его основой (Нестеркина и др., 2018).

© 2019 Нестеров Виктор Николаевич, nesvik1@mail.ru; Розенцвет Ольга Анатольевна, olgarozen55@mail.ru; Богданова Елена Сергеевна, cornales@mail.ru

Целью работы было исследование качественного и количественного состава детергент-устойчивых структур мембран хлоропластов и митохондрий листьев эугалофитов в условиях засоления.

В модельных экспериментах, проведенных в лаборатории экологической биохимии ИЭВБ РАН, исследовалось влияние засоления NaCl в концентрациях 0 (Контроль) и 1000 мМ на DRM хлоропластных и митохондриальных мембран фотосинтезирующих органов растений эугалофитов Suaeda salsa (L.) Pall. и Salicornia perennans Willd. (сем. Chenopodiaceae). Хлоропласты и митохондрии являются органеллами, ответственными за энергетические процессы в растительной клетке. Методические приемы по выделению клеточных фракций, их DRM, экстракции и анализу липидов описаны ранее (Нестеров и др., 2017).

Было установлено, что рафтовые структуры клеточных органелл способны реагировать на засоление среды. При этом у S. salsa больший отклик был обнаружен у митохондриальных DRM: при 1000 мМ - на порядок увеличивалась доля растительного сфинголипида (СФЛ) в составе мембранных липидов МЛ. Хлоропластные DRM оказались более чувствительными к NaCl у S. perennans, чем у S. salsa. Так, в сравнении с контролем, при 1000 мМ NaCl 75% от состава мембранных липидов DRM пришлось на СФЛ. Необходимо отметить, что СФЛ является воскоподобным веществом, способным заполнять отверстия, разрывы в мембране, что снижает потерю воды, восстанавливает мембранную структуру, однако ухудшает и проницаемость мембраны.

Таким образом, DRM хлоропластных и митохондриальных мембран эугалофитов реагируют на повышение засоленности среды, возрастанием доли рафтоспецифичных липидов, таких как СФЛ и ЦЕР. В целом, в общую картину биохимического состава DRM вносят вклад видовые особенности растений, а так же условия их произрастания.

Авторы выражают благодарность д.б.н. Озолиной Н.В., к.б.н. Нестеркиной И.С. (СИФИБР СО РАН) за помощь в освоении современных методов исследования.

Список литературы

Геннис Р. Биомембраны: Молекулярная структура и функции. М.: Мир, 1997. 624 с.

Нестеров В.Н., Нестеркина И.С., Розенцвет О.А., Озолина Н.В., Саляев Р.К. Обнаружение липид-белковых микродоменов (рафтов) и изучение их функциональной роли в хлоропластных мембранах галофитов // Доклады Академии наук. 2017. Т. 476, № 3. С. 350-352.

Нестеркина И.С., Озолина Н.В., Спиридонова Е.В., Гурина В.В., Нурминский В.Н., Третьякова А.В., Нестеров В.Н. Роль липидных рафтов в защитных механизмах растительной клетки // Сб. материалов Всерос. науч. конф. Механизмы устойчивости растений и микроорганизмов к неблагоприятным условиям среды. Иркутск, 2018. С. 554-548.

Розенцвет О.А., Нестеров В.Н., Богданова Е.С. Структурные и физиолого-биохимические аспекты солеустойчивости галофитов // Физиология растений. 2017. Т. 64. № 4. С. 251265.

Cacas J-L., Furt F., Le Guedard M., Schmitter J-M., Bure C., Gerbeau-Pissot P., Moreau P., Bessoule J-J., Simon-Plas F., Mongrand S. Lipids of plant

membrane rafts // Progress in Lipid Research. 2012. Vol. 5. Pp. 272-299.

Lingwood D., Simons K. Lipid rafts as a membrane-organizing principle // Science. 2010. Vol. 347. Pp. 46-50.

Lokhande V.H., Suprasanna P. Prospects of Halophytes in Understanding and Managing Abiotic Stress Tolerance. In: P. Ahmad and M.N.V. Prasad (eds.), Environmental Adaptations and Stress Tolerance of Plants in the Era of Climate Change. Springer Science+Business Media, LLC, 2012. Pp. 29-57.

Lv S., Jiang P., Chen X., Fan P., Wang X., Li Y. Multiple compartmentalization of sodium conferred salt tolerance in Salicornia europaea // Plant Physiol. Biochem. 2012. Vol. 51. Pp. 47-52.

Mongrand S., Stanislas T., Bayer E.M.F., Lherminier J., Simon-Plas F. Membrane rafts in plant cells // Trends in plant science. 2010. Vol. 15. Pp. 656-663.

Pike L.J. Rafts defined: a report on the keystone symposium on lipid rafts and cell function // J. Lipid Res. 2006. Vol. 47. Pp. 1597-1598.