БИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ

БИОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ

ПЕЧАТНАЯ ВЕРСИЯ

ЭЛЕКТРОННАЯ ВЕРСИЯ

КАРТА САЙТА

НА ГЛАВНУЮ

Сельскохозяйственная биология, 2010, № 5, с. 106-111.

УДК 582.663:581.13:58.056

ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЧЕСКОЙ АДАПТАЦИИ У РАСТЕНИЙ АМАРАНТА В УСЛОВИЯХ ГИПОБАРИЧЕСКОЙ ГИПОКСИИ

С.А. ВОЙЦЕКОВСКАЯ, Н.В. СОТНИКОВА, Г.С. ВЕРХОТУРОВА, Т.А. ЗАЙЦЕВА, Г.В. БОРОВИКОВА, Т.П. АСТАФУРОВА

На 24-суточных проростках двух видов амаранта Amaranthus hypochondriacus L. и A. tricolor показано, что у амаранта сорта Валентина в условиях 16-часовой экспериментальной гипобарической гипоксии в ассимилирующих тканях активируется окислительный пентозофосфатный путь и уменьшается содержание амарантина, обладающего антиоксидантными свойствами. В то же время у амаранта сорта Кизлярец при недостатке кислорода резко повышается активность алкогольдегидрогеназы, перерабатывающей этанол. Обсуждаются различные механизмы биохимической адаптации к недостатку кислорода у растений рода Amaranthus.

Ключевые слова: амарант, гипобарическая гипоксия, дыхательный метаболизм, адаптация.

 

Аноксия и гипоксия возникают при постоянном или временном переувлажнении почвы, образовании ледяной корки, при строительстве дорожных покрытий в городах, в условиях высокогорий и, наконец, при полетах в космических аппаратах. Способность растительных организмов выживать в таких условиях обусловлена уникальными приспособительными механизмами, из которых наиболее интересна способность к трансформации метаболизма (1-5).

Более полно в настоящее время исследовано действие дефицита кислорода на корневую систему растений. Вопросы структуры и функции фотосинтетического аппарата в условиях корневой гипоксии изучены недостаточно, еще менее известны метаболические приспособления зеленых растений при недостатке кислорода. Экспериментально моделировать состояние гипоксии для целого растения можно в барокамерах, где одновременно создается недостаток кислорода, углекислоты и меняется атмосферное давление, то есть возникает гипобарическая гипоксия.

Изменения в ассимилирующих органах показывают, что при корневой гипоксии и аноксии у устойчивых и неустойчивых растений сначала уменьшается число активных реакционных центров фотосистем. Более длительная корневая аноксия приводит к увеличению числа осмиофильных глобул в хлоропластах листьев, то есть имеет место частичная деструкция мембранной системы тилакоидов (6). При изучении влияния гипобарической гипоксии на целое растение выявлено, что в зеленых листьях развиваются компенсаторные взаимодействия между процессами фотосинтеза и дыхания, активируются анаплеротические механизмы накопления низкомолекулярных метаболитов и образования энергетических эквивалентов (7). В этой связи в физиологии стресса растений придается большое значение ядерно-цитоплазматическим отношениям, когда нормальный онтогенез пластид представляет собой необходимое условие для правильной экспрессии ядерных стрессорных генов. Показано, что в трансдукции стрессорного сигнала принимают участие эндогенные компоненты — этилен, жасмоновая кислота, углеводы, полиамины и различные антиоксиданты, к числу которых относится и амарантин. Согласно современным представлениям, он играет важную роль в фотосинтетических, метаболических и защитных реакциях растений (8). Повышенным содержанием амарантина обладают растения рода Amaranthus, особенно высокое количество отмечается в листьях Amaranthus tricolor L. (сорт Валентина). В литературе есть данные о реакции разных видов амаранта на стресс, в частности на гипоксию (9). Отмечено также, что после действия водного стресса растения амаранта способны к быстрому восстановлению тургора листьев и интенсивности фотосинтеза (10). Поэтому поиск эндогенных метаболитов, обеспечивающих устойчивость растений даже в пределах одного рода или вида, — перспективное направление физиологии стресса.

Амарант — интродуцированная культура, относится к семейству Амарантовые (сем. Аmaranthaceae), порядок Гвоздичные, класс Двудольные. Он характеризуется высокой урожайностью и обладает большим адаптационным потенциалом. Амарант — это однолетнее пурпурно-зеленое или зеленое (с разными оттенками) травянистое растение, высота которого может достигать 2,5-4,0 м. Метелка в зрелом состоянии имеет длину 50 см и более и диаметр 15 см. Зерно и зеленая масса амаранта широко используются на пищевые, кормовые и технические цели. По качественным показателям (содержание белка, аминокислот, витаминов, макро- и микроэлементов, биологически активных веществ, масла) он превосходит основные традиционные кормовые и пищевые культуры (8, 11). Для амаранта (подобно кукурузе, просо и сорго) характерен С4-тип фотосинтеза, то есть он относится к аспартатным С4-растениям с высоким содержанием лизина в биомассе, большой скоростью фиксации углекислоты в расчете на единицу поверхности листа и высокой продуктивностью при условии интенсивной инсоляции, необходимой тепло- и влагообеспеченности.

Цель работы — изучить влияние гипобарической гипоксии на содержание бетацианина амарантина в ассимилирующих тканях двух видов амаранта и по активности некоторых дегидрогеназ оценить особенности метаболизма у этих растений в условиях кислородной недостаточности.

Методика. Объектами исследования были 24-суточные проростки двух видов амаранта — Amaranthus hypochondriacus L. (сорт Кизлярец) и A. tri-color L. (сорт Валентина селекции ВНИИССОК), последний имеет высокое содержание бетацианина амарантина (8). Растения выращивали на дерново-луговой почве под люминесцентными лампами (40 Вт/м²) с фотопериодом 12 ч при температуре 25 °С. Для создания анаэробных условий образцы помещали в барокамеры с пониженным парциальным давлением кислорода (Р = 8 кПа, РО₂ = 2 кПа) на 16 ч в темноту (для исключения фотосинтеза). Контрольные растения находились в темноте в условиях нормальной аэрации (Р = 101 кПа, РО₂ = 21 кПа) и при нормальном атмосферном давлении.

Эксперименты выполняли 4-кратно в 3-4 биологических повторностях. Взрослые листья предпоследнего яруса 24-суточных растений гомогенизировали на льду в 8 мл охлажденной среды выделения (Трис-HCl буфер, pH 7,8 — 0,05 М, аскорбат натрия — 5 мМ, цистеин — 3 мМ, MgCl₂ — 1 мМ, дитиотреитол —  5 мМ) (12). Гомогенат отжимали через 4 слоя капрона и центрифугировали при 10 000 об/мин в течение 20 мин на холоду (центрифуга К-24, Германия). Использовали реактивы фирмы «Sig-

ma» (США) и «Реахим» (Россия).

Ферментативную активность алкогольдегидрогеназы (К.Ф.1.1.1.1, НАД-АДГ и НАДН-АДГ) определяли в окислительно-восстановительных превращениях НАД⁺ или НАДН⁺ в реакционных средах, содержащих Трис-HCl буфер, рH 7,5 — 0,2 М, НАДН — 2 мкМ, ацетальдегид — 50 мкМ (или НАД — 15 мМ) и этанол — 50 мМ (13); активность НАД-малатдегидро-геназы (К.Ф. 1.1.1.37, НАД-МДГ) — по восстановлению НАД в присутствии малата (Трис-HCl, рН 9,1 — 0,1 М, малат Na — 1,93 М и НАД — 11 мМ) (12); НАДФ-глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (К.Ф. 1.1.1.49; НАДФ-ГФДГ) — в среде, содержащей Трис-HCl, рH 7,4 — 0,03 М, натриевую соль глюкозо-6-фосфата — 0,12 мМ, MgCl₂ x 6H₂O — 0,25 М и HAДФ — 11 мМ (14). Активность ферментов оценивали спектрофотометрически (Shimadzu UV-2100, «Shimadzu Corp.», Япония) по изменению оптической плотности при l = 340 нм в расчете на 1 мг белка и на 1 г сырой массы. Содержание растворимого белка определяли по Бредфорду (15), количество амарантина — по поглощению при l = 537 нм (16, 17).

Результаты обрабатывали статистически, различия между сравниваемыми средними рассчитывали при р < 0,05 (18).

Результаты. Особенности гипобарической среды характеризуются одновременным снижением парциального давления газов, среди которых наибольшее значение для растений имеют О₂ и СО₂. Действие гипобарической гипоксии в отличие от других типов гипо- и аноксии (затопление, вытеснение воздуха инертными газами и т.д.) можно изучать на автотрофных тканях, которые в условиях разреженной атмосферы непосредственно взаимодействуют с воздухом, обедненным кислородом.

Сравнительный анализ содержания бетацианина амарантина в листьях 24-суточных растений амаранта подтвердил имеющиеся в литературе данные о более высоком его количестве в растениях сорта Валентина (8). Под действием 16-часовой гипоксии содержание амарантина в листьях у сорта Кизлярец не изменялось, у сорта Валентина — достоверно уменьшалось (табл. 1).

Учитывая защитную функцию амарантина, такие количественные изменения дают основание предполагать различия в типе метаболизма у этих растений при действии гипобарической гипоксии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение активности НАДН-зависимой алкогольдегидрогеназы, восстанавливающей ацетальдегид, выявило неодинаковый характер функционирования фермента у изучаемых сортов (табл. 2). Под действием 16-часовой гипоксии у сорта Кизлярец активность НАДН-АДГ в листьях уменьшалась, тогда как у сорта Валентина наблюдалась резкая активация фермента, что косвенно может свидетельствовать о накоплении этанола. В то же время активность НАД-АДГ, наоборот, возрастала при гипоксии в листьях у сорта Кизлярец и уменьшалась — в ассимилирующих тканях у сорта Валентина.  

Активность НАД-малатдегидрогеназы, функционирующей на одном из завершающих этапов цикла Кребса, при 16-часовом гипоксическом воздействии уменьшалась в листьях обоих видов амаранта (табл. 3): на 22 % — у сорта Кизлярец и на 41 % — у сорта Валентина, то есть реакции цикла ди- и трикарбоновых кислот замедлялись. В то же время активность НАДФ-глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (преобразование глюкозы по окислительному пентозофосфатному пути) у сорта Валентина возрастала на 33 % по сравнению с контролем, у сорта Кизлярец — достоверно не изменялась (в пересчете как на 1 г сырой массы, так и на 1 мг белка) (табл. 3).

Отмеченные выше закономерности позволяют предположить следующие механизмы трансформации метаболизма в ассимилирующих органах растений амаранта, находящихся в темноте в условиях гипобарической гипоксии. В этом варианте опыта количество амарантина уменьшалось только у сорта Валентина, который характеризовался повышенным содержанием амарантина — 300-500 мкг/г сырой массы; у сорта Кизлярец анализируемый показатель составил 90-130 мкг/г сырой массы. Судя по активности НАД-АДГ, у растений сорта Кизлярец при недостатке кислорода происходит усиление работы этого фермента, а следовательно, имеет место переработка этанола и, возможно, переключение биохимических процессов с его образования на синтез других соединений и окисление восстановленных коферментов, необходимых для поддержания высокой скорости реакций гликолитического пути метаболизма. Одновременно у сорта Кизлярец в условиях гипобарической гипоксии снижалась активность НАД-малатдегидрогеназы — фермента заключительных этапов цикла ди- и трикарбоновых кислот. При этом не происходила активация окислительного пентозофосфатного пути, о чем свидетельствовала величина активности НАДФ-глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы в расчете на 1 мг белка.

У сорта Валентина характер дыхательного метаболизма при кратковременной гипоксии был иным. Снижение энзиматической активности цикла Кребса и увеличение активности АДГ (восстановление ацетальдегида в этанол) сопровождалось усилением роли пентозофосфатного пути окисления углеводов, что в сочетании с высоким содержанием биологически активного алкалоида амарантина может обеспечивать устойчивость растений этого рода к недостатку кислорода.

Окислительный пентозофосфатный путь поставляет НАДФН, который используется как восстановитель в биосинтетических процессах, когда не происходит образования НАДФН при фотосинтезе. Этот путь имеет особенно большое значение в нефотосинтезирующих тканях, прорастающих семенах, а также в течение темнового периода. При этом в результате окисления углеводов образуется рибозо-5-фосфат, необходимый для синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот. В условиях гипоксии количество амарантина уменьшалось только у сорта Валентина, но, по-видимому, это снижение может восполняться за счет продуктов, образующихся в реакциях окислительного пентозофосфатного пути. Так, известно, что синтез амарантина происходит через образование шикимовой кислоты конденсацией эритрозо-4-фосфата, синтезируемого по пентозофосфатному пути, и фосфоенолпирувата — по гликолитическому (19).

Способность бетацианина амарантина образовывать комплексы с ионами железа, меди, цинка, обладающими переменной валентностью, которые регулируют и катализируют свободнорадикальные процессы (8), активизирующиеся в растениях при гипоксическом стрессе (3, 20), приводит к его расходованию и обеспечивает устойчивость к гипоксии у растений сорта Валентина. Отмеченное нами усиление роли окислительного пентозофосфатного пути характерно для более приспособленных к дефициту кислорода растений (3).

Таким образом, у двух относящихся к разным видам сортов амаранта с неодинаковым содержанием антиоксиданта амарантина выявлены особенности дыхательного обмена в ассимилирующих тканях в темноте при гипобарической гипоксии. Выполняя протекторную функцию, амарантин обеспечивает (наряду с другими защитными реакциями) устойчивость растений сорта Валентина к кислородной недостаточности. Он снижает интенсивность свободнорадикальных процессов в клетках, а одновременное усиление использования глюкозы по окислительному пентозофосфатному пути обеспечивает восполнение амарантина и восстановление коферментов. Устойчивость растений сорта Кизлярец при неизменном, но более низком содержании амарантина в условиях недостатка кислорода достигается за счет усиления процессов окисления продуктов брожения при активации алкогольдегидрогеназы, использующей этанол в качестве субстрата.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Ч и р к о в а  Т.В. Пути адаптации растений к гипоксии и аноксии. Л., 1988.  
2. С r a w f o r d  R.M.M. Metabolic adaptation to anoxia plant life in anaerobic environments. Ann. Arbor. Sci., 1978: 119-136.
3. Ч и р к о в а  Т.В. Физиологические основы устойчивости растений. Л., 2002.
4. В а р т а п е т я н  Б.Б. Учение об анаэробном стрессе растений — новое направление в экологической физиологии, биохимии и молекулярной биологии растений. Физиол. раст., 2005, 52: 931-953.
5. Е р ш о в а  А.Н. Метаболическая адаптация растений к гипоксии и повышенному содержанию диоксида углерода. Воронеж, 2007.
6. Л а д ы г и н  В.Г. Влияние корневой гипоксии и аноксии на функциональную активность и структуру хлоропластов листьев Pisumsativum и Glycinemax. Физиол. раст., 1999, 6(2): 246-258.
7. А с т а ф у р о в а  Т.П. Взаимосвязь фотосинтеза и дыхания при адаптации растений к условиям гипобарической гипоксии. Автореф. докт. дис. Томск, 1997.
8. Г и н с  М.С. Биологически активные вещества амаранта. Амарантин: свойства, механизмы действия и практическое использование. М., 2002.
9. Ч и р к о в а  Т.В.,  Б е л о н о г о в а  В.А.,  М а г о м е д о в  И.М. Оценка устойчивости различных видов амаранта к недостатку О2. Вест. Санкт-Петербургского университета. Серия 3, 1992, 3(17): 79-82.
10. Г о л и к  К.Н.,  Г у л я е в  Б.И.,  З у б ц о в а  А.Я.,  А н т о н е ц  А.Н. Обмен СО2 у амаранта при различном водообеспечении. Физиол. и биохимия культурных растений, 1993, 25(6): 540-545.
11. Ж е л е з н о в а  Н.Б.,  Ю д и н а  Р.С.,  Ж е л е з н о в  А.В. Изменчивость и корреляционные связи некоторых признаков у амаранта печального AmaranthushypochondriacusL. С.-х. биол., 2008, 1: 40-47.
12. Ю з б е к о в  А.К. Спектрофотометрические способы определения активности ключевых ферментов фотосинтетического метаболизма у С3- и С4-растений: Метод. пос. Киев, 1990.
13. Методы биохимического анализа растений. Л., 1978.
14. Г а в р и л е н к о  В.Ф.,  Л а д ы г и н а  М.Е.,  Х а н д о б и н а  Л.М. Определение активности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. В кн.: Большой практикум по физиологии растений. М., 1975.
15. B r a d f o r d  M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-due binding. Analyt. Biochem., 1976, 72: 248.
16. М у р а в ь е в а  Д.А.,  Б у б е н ч и к о в а  В.Н.,  Б е л и к о в  В.В. Спектрофотометрическое определение суммы антоцианов в цветках василька синего. Фармация, 1984, 36(5): 28-29.
17. Г и н с  М.С.,  К о н о н к о в  П.Ф.,  Г и н с  В.К.,  Л ы с е н к о  Г.Г.,   Д э с а л е н ь  Т.Л.,  Б р а в о в а  Г.Б. Физико-химические свойства и биологическая активность амарантина из растений Amaranthustricolor L. Прикладная биохимия и микробиология, 1998, 34: 450-454.
18. К у з н е ц о в  В.К. Ускоренный метод статистической обработки результатов наблюдений при сравнении средних. Социально-гигиенические исследования. Тр. II Московского медицинского института, 1973, 19(3): 253.
19. Г у д в и н  Т.,  М е р с е р  Э. Введение в биохимию растений. М., 1986.
20. E r s h o v a  A.N. Enzyme activity of antioxidative system in plants with different tolerance under hypoxia and CO2-media. Acta Physiology Plantarum, 2004, 26: 224-225.

 

FEATURES OF METABOLIC ADAPTABILITY IN AMARANTH PLANTS IN THE CONDITIONS OF HYPOBARIC HYPOXIA

S.A. Voitsekhovskaya, N.V. Sotnikova, G.S. Verkhoturova, T.A. Zaitseva, G.V. Borovikova, T.P.Astafurova

On 24-day seedlings of two species of amaranth: Amaranthus hypochondriacus L. and A. tricolor, the authors shown, that the Valentina variety in the conditions of 16-hour experimental hypobaric hypoxia in assimilating tissues activates the oxidative pentose-phosphate pathway and reduces amaranthine content, having antioxidant properties. At the same time the Kizlyarets amaranth variety during deficiency in oxygen deeply raising the activity of alcohol dehydrogenase processing an ethanol. The different mechanisms of biochemical adaptability to deficiency in oxygen in plants of Amaranthus genus are discussed.

Key words: Amaranthus, hypobaric hypoxia, respiratory metabolism, adaptation.

Обособленное структурное подразделение НИИ биологии и биофизики Томского государственного университета, 634050 г. Томск, просп. Ленина, 36, e-mail: euvit@bk.ru

Поступила в редакцию 16 декабря 2007 года

 

Оформление электронного оттиска

От эксперимента — к практике Всероссийский НИИ селекции и семеноводсва овощных культур Всероссийский селекционно-технологический институт садоводства и питомниководства Всероссийский НИИ cельскохозяйственной биотехнологии РАСХН Биотехнический научно-экспериментальный комплекс "ГосНИИсинтезбелок"