Н. Пыстина
Т. Головко Научные интересы: физиологические и экологические аспекты дыхания, фотосинтеза растений Дыхание – неотъемлемое свойство и фундаментальная основа жизни любой клетки. Его биологическая роль состоит в трансформации восстановленного углерода в метаболиты (С-скелеты) и энергетические эквиваленты (НАДФЧН и АТФ), необходимые для клеточного обмена, поддержания целостности и упорядоченности клеточных структур, градиентов веществ и ионов на мембранах, внутриклеточного движения. Дыхательная сеть растений, сформировавшаяся и закрепившаяся в ходе эволюции, сложна и многокомпонентна (рис. 1). Первые этапы дыхания протекают в цитоплазме, а основной продукт гликолиза – пируват, диффундирует в митохондрии, где подвергается окислительному декарбоксилированию. Продуктами цикла трикарбоновых кислот (цикл Кребса) являются СО2, С-скелеты, восстановленные пиридиннуклеотиды (НАДЧН, ФАДЧН2) и АТФ. Далее НАДЧН и ФАДЧН2 окисляются в дыхательной цепи, где поддерживаемый током электронов протонный градиент обеспечивает энергию для фосфорилирования АДФ. Теоретически образование АТФ возможно в трех участках дыхательной цепи (комплексы I, III, IV). Однако, дополнительно к транспорту электронов через цианидчувствительную цитохромоксидазу у многих растений найден энергетически малоэффективный альтернативный путь (АП) с терминальной оксидазой, устойчивой к цианиду. АП начинается от убихинона, минуя два участка окислительного фосфорилирования. Представления о физиологической роли этого пути еще полностью не сформировались и остаются предметом дискуссий [7, 15]. В литературе имеются сведения об активации АП при повышении уровня сахаров в тканях. Считается, что АП ограничивает их избыточное накопление [10]. Некоторые авторы связывают АП с окислением избытка НАДЧН и поддержанием реакций цикла Кребса в условиях, когда активность основного цитохромного пути дыхания ограничена фосфат-акцепторным контролем [13]. Высказано также предположение, что АП снижает возможность образования активных форм кислорода, стабилизируя уровень восстановленности переносчиков электронов, в особенности пула убихинона [14, 16]. Для некоторых видов растений была показана активация АП при воздействии неблагоприятных факторов (низкая температура, дефицит элементов минерального питания, засоление). Это позволяет рассматривать АП растений как специфический адаптивный механизм, способствующий поддержанию клеточного гомеостаза в постоянно изменяющихся условиях среды [2]. Следует отметить, что большинство работ по изучению АП было выполнено на проростках и растениях в контролируемых условиях. При этом остается совершенно неясным, насколько выявленные закономерности применимы к растениям, произрастающим в природных условиях. Целью нашей работы было выяснение физиологической роли и механизмов регуляции АП дыхания в листьях теневыносливого растения Ajuga reptans L., представителя неморального флористического комплекса в подзоне средней тайги. В опытах использовали листья растений A. reptans L. (живучка ползучая, многолетнее зимне-летнезеленое растение из сем. Губоцветные). Исследовали дыхание молодых и зрелых листьев летней генерации, а также перезимовавших листьев растений A. reptans, произрастающих в естественных условиях (разнотравный осинник с одиночно стоящими хвойными деревьями) и выращенных на открытой делянке. Интенсивность поглощения О2 измеряли манометрически при 20 оС на аппарате Варбурга (Германия) [6]. Листья для опыта отбирали с 15-20 растений в утренние часы. В манометрические сосудики помещали по 200-300 мг растительного материала, отобранного как средняя проба. Интенсивность дыхания выражали в микролитрах (мкл) О2 на г сырой массы в час. Все определения дыхания проводили в 6-12-кратной биологической повторности. Активность дыхательных путей определяли с помощью специфических ингибиторов [9, 12]. В качестве ингибитора АО и цитохромоксидазы использовали бензгидроксамовую кислоту (БГК) и KCN соответственно. В предварительных экспериментах были выявлены оптимальные концентрации ингибиторов: 5 мМ для KCN и 25 мМ для БГК. Активность АП (valt) находили как разность между дыханием контрольных образцов и образцов, выдержанных в 25 мМ растворе БГК. Остаточное дыхание (vres) измеряли при совместном действии ингибиторов (БГК и KCN). Активность цитохромного пути (vcyt) рассчитывали как разность между дыханием, устойчивым к действию 25 мМ БГК, и остаточным поглощением О2. Содержание растворимых углеводов в листьях определяли в 2-3-кратной биологической повторности методом высокоэффективной нормальнофазовой жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с модификациями [1]. На рисунках представлены средние арифметические величины из биологических повторностей со стандартной ошибкой. Соотношение дыхательных путей в молодых и зрелых листьях растений. Обычно молодые листьях характеризуются повышенной скоростью дыхания, так как их рост сопряжен с большими энергетическими и пластическими затратами. Возрастные изменения дыхательной активности листьев обусловлены, главным образом, снижением ростовых процессов. Наши исследования показали, что молодые, интенсивно растущие листья A. reptans имели высокую скорость дыхания и были более чувствительны к действию специфического ингибитора АО (25 мМ БГК), чем зрелые листья (рис. 2А). Доля АП в дыхании молодых листьев составила 30-40 %, а у зрелых листьев была вдвое ниже. В присутствии 25 мМ БГК + 5 мМ KCN поглощение О2 молодыми и зрелыми листьями не превышало 10-20 % от контроля. Из этого следует, что вклад цитохромного пути в дыхание молодых листьев был не менее 50 %, а у зрелых несколько превышал 60 % (рис. 2Б). Считается, что возрастной ход дыхания листьев определяется, преимущественно, изменением (уменьшением) активности цитохромного пути. Наши данные показывают, что скорость и онтогенетический ход дыхания в определенной мере зависят и от активности АП. В литературе сведения о возрастных изменениях активности АП немногочисленны и довольно противоречивы. Так, например [5] листья бадана и плюща отличались более высокой долей АП в суммарном дыхании в молодом возрасте. Показано также, что изменения активности АП могут происходить не только в процессе роста и развития листа, но и у зрелого листа в ходе онтогенеза растения [8]. Утвердилось мнение, что АП зависит, главным образом, от уровня сахаров в тканях [10]. Однако наши данные показывают, что возрастной и сезонный ход активности АП не совпадает с динамикой содержания сахаров. Листья A. reptans содержали наибольшее количество сахаров весной и поздней осенью. Но, несмотря на значительные изменения концентрации растворимых углеводов в период с июля по октябрь, доля АП в дыхании сохранялась на уровне 20 %. Более того, перезимовавшие листья A. reptans хотя и отличались довольно высоким содержанием сахаров в тканях, не снижали скорости потребления О2 в присутствии 25 мМ БГК, что ставит под сомнение участие АП в их дыхании. Возможно, это связано с компартментацией сахаров в клетке и недоступностью отдельных пулов (например, вакуолярного) для дыхательного окисления. Вместе с тем, нельзя не отметить, что в начале сезона высокой активности АП в молодых листьях A. reptans соответствовало повышенное содержание углеводов. Мы полагаем, что для интенсивно растущих клеток, тканей и органов, которые хорошо снабжаются субстратом и более нуждаются в метаболитах для синтезов de novo, АП можно рассматривать как механизм, способствующий быстрому обеспечению синтезов метаболитами. Это согласуется с гипотезой [13] о том, что функционирование АП приводит к увеличению продукции промежуточных соединений гликолиза и цикла Кребса. При высокой активности цикла Кребса АП обеспечивает более быстрое окисление НАДЧН и предупреждает перевосстановление пула убихинона, приводящее к усилению образования свободных радикалов. Влияние световых условий произрастания растений на соотношение дыхательных путей. Для растений как фотосинтезирующих организмов большое значение имеют световые условия произрастания. Поэтому адаптация к световому режиму относится к числу наиболее важных реакций растений. Сравнительное изучение дыхания листьев A. reptans, произрастающих под пологом леса и выращенных на открытой делянке (теневые и световые растения соответственно), показало, что листья световых растений достоверно превышали листья теневых по интенсивности суммарного поглощения О2 (рис. 3А). Световые растения также характеризовались более высокой чувствительностью дыхания к специфическому ингибитору АО, чем теневые растения. Вклад АП в суммарное поглощение О2 зрелыми листьями световых растений A. reptans составлял 40 % (рис. 3Б). Увеличение доли АП у световых растений сопровождалось пропорциональным снижением доли основного цитохромного пути. Световые растения значительно превосходили теневые и по содержанию растворимых сахаров в листьях (30.1±1.7 и 7.3±0.3 мг/г сырой массы у световых и теневых растений соответственно). Следует отметить, что в отличие от лесных особей, для которых характерна сезонная ритмика роста, растения на делянке росли в течение всего вегетационного периода. Они накапливали больше биомассы и образовывали большее количество надземно-ползучих побегов (столонов), рост которых осуществлялся за счет ассимилятов, импортируемых из зрелых листьев розетки [4]. По-видимому, активный АП у световых растений способствует энергопластическому обеспечению путем поддержания реакций цикла Кребса, когда основной цитохромный путь насыщен. В пользу предположения о насыщении цитохромного пути могут служить результаты опытов с затемнением растений, которые показали, что снижение скорости общего дыхания световых растений происходило в основном за счет уменьшения БГК-чувствительного альтернативного дыхания, а скорость цитохромного пути оставалась постоянной (рис. 4). Важно отметить, что затемнение световых растений приводило к двукратному снижению содержания неструктурных углеводов в листьях, тогда как у теневых растений уровень сахаров снижался незначительно. Мы полагаем, что активация АО у A. reptans, произрастающих на делянке, способствовала адаптации теневыносливых растений к высокой инсоляции и защите клеток от окислительного стресса. Косвенно об этом свидетельствуют наблюдавшиеся признаки фотоингибирования при выращивании растений теневыносливого вида A. reptans на открытой делянке [3]. Недавно было показано, что клетки растений с генетически низкой концентрацией белка АО отличались повышенным образованием свободных радикалов [11]. По-видимому, высокая активность АО у световых растений, ведущая к меньшему образованию свободных радикалов, способствует тем самым более быстрому росту. Итак, нами выявлено, что вклад АП в дыхание листьев теневыносливого растения A. reptans варьировал в зависимости от возраста тканей и условий произрастания. У молодых, интенсивно растущих листьев его доля была вдвое выше, чем у зрелых. Высокую долю АП (40 %) имели листья деляночных растений, которые существенно превышали лесные растения по накоплению биомассы и содержанию углеводов. На основании полученных данных можно заключить, что высокая активность АП дыхания молодых листьев соответствует интенсивному росту. У растений, произрастающих в условиях избыточной радиации, АП способствует интенсивному росту, защищая клетки от образования свободных радикалов.
ЛИТЕРАТУРА 1. Гляд В.М. Определение моно- и олигосахаридов в растениях методом нормально-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии. Сыктывкар, 1999. 16 с. – (Сер. Новые науч. методики / Коми науч. центр УрО РАН; Вып. 55). 2. Годичный цикл дыхания листьев вечнозеленых растений / Т.И. Иванова, О.В. Кирпичникова, О.А. Шерстнева и др. // Физиол. растений, 1998. Т. 45. С. 906-913. 3. Головко Т.К. Дыхание растений: физиологические аспекты. СПб.: Наука, 1999. 204 с. 4. Дымова О.В., Головко Т.К. Адаптация к свету фотосинтетического аппарата теневыносливых растений (на примере Ajuga reptans) // Физиол. растений, 1998. Т. 45. С. 521-528. 5. Дымова О.В., Головко Т.К. Морфофизиологические аспекты вегетативного размножения Ajuga reptans L. // Репродуктивная биология растений. Сыктывкар, 1998. С. 72-83. 6. Семихатова О.А., Чулановская М.В. Манометрические методы изучения дыхания и фотосинтеза растений. Л.: Наука, 1965. 168 с. 7. Шугаев А.Г. Альтернативная CN-резистентная оксидаза митохондрий растений: структурная организация, механизмы регуляции активности, возможная физиологическая роль // Физиол. растений, 1999. Т. 46. С. 307-320. 8. Шугаев А.Г., Выскребенцева Э.И., Шугаева Н.А. Сезонные изменения активности митохондриальных оксидаз в высечках из взрослых листьев сахарной свеклы, определяемые с помощью традиционных методов ингибиторного анализа // Физиол. растений, 1998. Т. 45. С. 670-678. 9. Bahr J.T., Bonner W.D. Cyanide-insensitive respiration // J. Biol. Chem., 1973. Vol. 248. P. 3441-3450. 10. Lambers H. Cyanide-resistant respiration: a non-phosphorylating electron transport pathway acting as an energy overflow // Physiol. Plant., 1982. Vol. 55. P. 478-485. 11. Maxwell D.P., Wang Y., McIntosh L. The alternative oxidase lowers mitochondrial reactive oxygen production in plant cells // Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1996. Vol. 96. P. 8271-8276. 12. Measurement of the activity and capacity of the alternative pathway in intact plant tissues: identification of problems and possible solution / I.M. Moller, A. Berczi, L.H.W. van der Plas et al. // Physiol. Plant. 1988. V. 72. P. 642-649. 13. Palmer I.M. The organization and regulation of electron transport in plant mitochondria // Ann. Rev. Plant Physiol. 1976. Vol. 27. P. 133-157. 14. Purvis A.C., Shewfelt R.L. Does the Alternative pathway ameliorate chilling injury in sensitive plant tissues? // Physiol. Plant. 1993. Vol. 88. P. 712-718. 15. Vanlerberghe G.G., McIntosh L. Alternative oxidase: from gene to function // Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol., 1997. Vol. 48. P. 703-734. 16. Wagner A.M., Krab K. The alternative respiration pathway in plants: role and regulation // Physiol. Plant., 1995. Vol. 95. P. 318-325. v
Логотип -
Начало -
Общие
сведения -
Структура -
Научная деятельность 4108 посещений с 15.07.2001 |