Особенности состава фосфолипидов живых тканей хвойных в условиях низкотемпературной адаптации

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Биология


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 577. 115 + 581. 81 В. А. Поваляева, Е. В. Алаудинова, П.В. Миронов
ОСОБЕННОСТИ СОСТАВА ФОСФОЛИПИДОВ ЖИВЫХ ТКАНЕЙ ХВОЙНЫХ В УСЛОВИЯХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ АДАПТАЦИИ__________________________________
В статье дано сравнительное изучение варьирования качественного и количественного состава фосфолипидов меристематических тканей почек трех видов хвойных семейства Pinaceae: лиственницы сибирской, сосны обыкновенной, ели сибирской, которые являются лесообразующими породами Сибири и отличаются высокой морозоустойчивостью, которая отчетливо проявляется в их географическом распространении.
Большая часть лесного фонда Красноярского края представлена хвойными (бореальными) лесами, которым принадлежит роль важнейшего фактора, обеспечивающего сохранение и оздоровление окружающей среды. Кроме того, бореальные леса составляют основу лесосырьевой базы и подвергаются широкой промышленной эксплуатации. Уровень продуктивности древесных растений определяется не только интенсивностью роста, но и приспособленностью к конкретным климатическим условиям. Одним из главных абиотических факторов, ограничивающих продуктивность и географическое распространение растений в условиях Центральной Сибири, являются низкие температуры.
Известно, что сезонное снижение температур растения переносят в состоянии покоя. Понятие покоя неразрывно связано с физиологическим состоянием зимующих почек. Изучая влияние низких зимних температур на процессы жизнедеятельности растительных организмов, особое внимание необходимо уделить исследованию меристематических тканей почек хвойных, успешно сохраняющих жизнеспособность и создающих потенциал для роста молодой хвои следующего года в условиях суровых сибирских зим. Обладая большей чувствительностью к условиям перезимовки, эти ткани, в конечном итоге, определяют выживание дерева в целом.
Ранее проведенные исследования [1] низкотемпературного поведения воды в жизненно важных тканях хвойных доказали существование у них двух адаптационных механизмов, обусловленных различной морфологией почек, одинаково обеспечивающих выживание при низких температурах. Совершенно очевидно, что эти механизмы связаны с адаптацией клеточных мембран и, в первую очередь, с изменением фосфолипидов. По мнению многих авторов научных публикаций [2−3], наиболее восприимчивыми к изменению температурных параметров являются липиды мембран, обеспечивающие взаимосвязь клетки с внешней средой. Исследование сезонных изменений фосфолипидов меристематических тканей вегетативных почек хвойных при адаптации к низкотемпературному стрессу до сих пор не проводились. Поэтому в задачу данной работы входило сравнительное изучение варьирования качественного и количественного состава фосфолипидов меристематических тканей почек 3-х видов хвойных семейства Pinaceae в ходе органогенеза.
Материалы и методика исследований. Сезонная динамика содержания фосфолипидов была прослежена с момента окончания формирования вегетативной почки (август) до распускания молодой хвои (начало мая). Повторность всех экспериментов была трехкратной.
В качестве объекта исследования использовались меристематические ткани вегетативных почек лиственницы сибирскойапх s^b^r^ca L.), сосны обыкновенной (Ртиз s^lvestr^s L.) и ели сибирской (РСеа obovata L.). Вышеперечисленные хвойные являются лесообразующими породами Сибири и отличаются высокой морозоустойчивостью, которая отчетливо проявляется в их географическом распространении [4]. Пробы отбирались с деревьев одинакового возраста (55−60 лет) в естественных древостоях пригородной зоны Красноярска.
Отбор меристематических тканей проводился следующим образом: с деревьев срезали побеги последнего года, после удаления коры вместе с почечными чешуями меристемы вегетативных почек срезали скальпелем по границе с ксилемой побега. Полученные образцы фиксировали смесью растворителей хлороформ — изопропиловый спирт в соотношении 1:2 по объему, проводили гомогенизацию и экстракцию липидов [5].
Общую фракцию липидов разделяли методом адсорбционной колоночной хроматографии, при этом фосфолипиды (ФЛ) элюировались после нейтральных и гликолипидов изопропиловым спиртом.
Определение индивидуального состава фосфолипидов проводили методом микротонкослойной хроматографии (МТСХ). Для этого применяли стеклянные пластинки размером 60×60 мм, которые предварительно обезжиривали и наносили слой силикагеля марки КСК 5−40 мкм с добавлением 8% гипса. Использовалась дву-
мерная система разделения: первое направление — хлороформ: метанол: 25%-й NH4OH (65: 35: 5) — второе направление — хлороформ: метанол: вода (65: 25: 4).
Идентификацию отдельных групп ФЛ проводили с помощью общих и специфических обнаружителей, позволяющих осуществлять характерные цветные реакции. В качестве общих обнаружителей применяли пары иода, 50%-й раствор серной кислоты, 10%-й раствор фосфорномолибденовой кислоты. Для специфического окрашивания различных ФЛ пластинки последовательно обрабатывали нингидрином, реагентом Дрегенгорфа и реагентом Васьковского [6]. Кроме того, дополнительную идентификацию отдельных пятен ФЛ осуществляли сравнением значений Rf, полученных пятен с литературными данными и с помощью свидетелей — стандартов фирмы & lt-^егоа" (Германия).
Определение содержания ФЛ проводили колориметрическим методом по количеству неорганического фосфора в пятнах, полученных при МТСХ. Для получения контрольной пробы с той же пластинки соскабливали область чистого силикагеля, равную по размерам среднему пятну ФЛ, и проделывали те же операции. Содержание фосфора определяли по калибровочной кривой, построенной как в работе [7].
Результаты и их обсуждение. В предыдущих работах [8−9] было показано, что практически на протяжении всего периода исследования фосфолипиды являлись компонентом, преобладающим среди общих липидов. При формировании состояния низкотемпературной устойчивости в живых тканях исследуемых пород происходило накопление ФЛ. Зимой их содержание в меристематических тканях почек лиственницы возрастало до 7,4%, в ели — до 7,9, в сосне — до 8,9% от абсолютно сухой массы ткани (а.с.м. ткани), что свидетельствует об участии ФЛ в зимней выносливости живых тканей растений в условиях низких температур. Следует отметить, что в научной литературе ранее информации о таком высоком содержании фосфолипидов в растительных тканях нами не обнаружено.
Результаты определения индивидуального состава ФЛ меристематических тканей почек лиственницы сибирской, ели сибирской и сосны обыкновенной в различные периоды годового цикла приведены в таблице.
В составе фосфолипидов были идентифицированы: фосфатидилхолины (ФХ), фосфатидилэтанола-мины (ФЭ), фосфатидилсерины (ФС), фосфатидилглицерины (ФГ), фосфатидилиназиты (ФИ) и фосфатид-ные кислоты (ФК).
Все обнаруженные группы ФЛ характеризовались индивидуальной динамикой содержания, свидетельствующей о том, что в течение исследуемого периода в живых клетках протекали процессы их биосинтеза и катаболизма.
Результаты исследований показали, что основной группой ФЛ меристем почек лиственницы, ели и сосны в течение всего анализируемого периода являлись ФХ, причем их содержание в лиственнице было выше, чем в ели и в сосне. Осенью, когда завершаются ростовые процессы, снижается интенсивность метаболизма и количество ФХ увеличивается. Преимущественный синтез этой липидной формы при формировании криозащищенного состояния живых растительных клеток представляет собой один из механизмов, позволяющих избежать перехода липидного бислоя отдельных участков мембраны в инвентированную гексагональную фазу. Наличие полярной головки сильногидратированного ФХ обеспечивает более низкую температуру его фазового перехода при дегидратации, вызванной внеклеточным льдообразованием [10]. С ноября по февраль содержание ФХ в меристематических тканях почек исследуемых пород оставалось стабильно высоким. Во второй половине марта содержание ФХ начинало снижаться, достигая минимального содержания в апреле. В мае содержание ФХ в пересчете на абсолютно сухую массу ткани несколько возрастало, что, видимо, связано с необходимостью дополнительного синтеза этой группы фосфолипидов для формирования клеток фотосинтетического аппарата.
Своеобразную динамику содержания в исследуемых породах имели ФЭ. В меристемах почек лиственницы максимальное содержание наблюдалось в августе в сформированных почках — около 2% от а.с.м. ткани. После некоторого снижения в сентябре в октябре содержание вновь увеличивалось и оставалось стабильным в течение всего периода низкотемпературной устойчивости. В период подготовки к вегетации количество ФЭ снижалось и в апреле отмечалось минимальное значение (около 1% от а.с.м. ткани). В мае перед распусканием молодой хвои наблюдалось накопление содержания ФЭ до 1,34%. В меристематических тканях почек ели после снижения в сентябре, когда содержание данного компонента достигало минимума (1,16% от а.с.м. ткани), происходило накопление ФЭ до максимального значения в декабре (2,69% от а.с.м. ткани). В меристемах почек сосны накопление ФЭ начиналось в августе в сформированных почках (август). Максимальное содержание ФЭ наблюдалось в декабре — 2,99% от а.с.м. ткани. Далее содержание ФЭ постепенно снижалось, а весной, в марте, темпы снижения существенно возрастали. В апреле содержание ФЭ было уже в два раза ниже зимнего перед распусканием молодой хвои, так же как в лиственнице и ели, наблюдалось некоторое увеличение содержания ФЭ.
Состав фосфолипидов меристематических тканей почек лиственницы, ели и сосны,
% от а.с.м. ткани
Время отбора проб, месяц Лиственница
ФК ФЭ ФГ ФХ ФИ ФС
Август 0,44 1,95 0,21 2,40 0,12 0,13
Сентябрь 0,29 1,40 0,10 2,68 — 0,37
Октябрь 0,37 1,59 0,21 3,67 — 0,48
Ноябрь 0,21 1,82 0,22 4,28 — 0,67
Декабрь 0,13 1,79 0,20 4,32 — 0,73
Январь 0,16 1,74 0,18 4,14 — 0,65
Февраль 0,18 1,72 0,14 4,15 — 0,64
Март 0,43 1,83 0,39 3,58 0,36 0,29
Апрель 0,29 1,03 0,31 1,57 0,29 0,11
Май 0,16 1,34 0,79 1,78 0,48 0,11
Ель
Август 0,61 1,52 0,32 2,56 0,11 0,22
Сентябрь 0,53 1,16 0,28 2,23 0,06 0,30
Октябрь 0,62 2,43 0,39 3,08 0,04 0,49
Ноябрь 0,59 2,69 0,38 3,72 0,05 0,50
Декабрь 0,50 2,69 0,33 3,77 0,05 0,55
Январь 0,58 2,47 0,29 3,69 0,07 0,54
Февраль 0,77 2,24 0,21 3,75 0,05 0,47
Март 0,85 2,04 0,26 3,50 0,15 0,25
Апрель 0,33 1,38 0,47 1,99 0,16 0,23
Май 0,22 1,56 0,95 2,01 0,28 0,19
Сосна
Август 0,34 1,05 0,65 1,53 0,11 0,12
Сентябрь 0,24 2,39 0,58 2,56 0,14 0,21
Октябрь 0,39 2,56 0,85 3,12 0,21 0,38
Ноябрь 0,48 2,77 0,83 3,60 0,23 0,49
Декабрь 0,43 2,99 0,79 3,80 0,33 0,58
Январь 0,33 2,76 0,68 3,69 0,34 0,39
Февраль 0,45 2,69 0,72 3,53 0,44 0,31
Март 0,99 2,25 0,65 2,90 0,35 0,19
Апрель 0,77 0,98 0,46 1,12 0,11 0,13
Май 0,15 1,06 0,63 1,41 0,25 0,38
Осенью в сформированных почках лиственницы, ели и сосны начинался активный синтез ФС. С августа по декабрь их содержание в меристематических тканях почек лиственницы увеличилось примерно в 5 раз, в ели примерно в 2 раза, а в сосне практически в 4 раза. Максимум содержания ФС наблюдался в декабре и составлял в лиственнице 0,73%, ели — 0,55, в сосне — 0,58% от а.с.м. ткани. В конце февраля в лиственнице и ели начиналось снижение содержания ФС, которое продолжалось вплоть до распускания хвои. В живых тканях почек сосны снижение содержания начиналось на месяц раньше — в январе. Следует отметить, что после снижения во всех породах происходило вновь накопление данного компонента до среднезимнего значения.
Динамика Ф Г в лиственнице и ели была схожей- весной с пробуждением почек, в липидном матриксе мембран наблюдалось значительное увеличение количества ФГ. В мае доля ФГ в лиственнице и ели достигала максимального значения — 0,79 и 0,95% от а.с.м. ткани. Осенне-зимний период характеризовался невысоким содержанием ФГ — около 0,2% от а.с.м. ткани в лиственнице и 0,3% - в ели. Минимум содержания ФГ в обеих породах отмечался в феврале — 0,14 и 0,21% соответственно. В сосне, в отличие от лиственницы и ели, осеннее-зимний период характеризовался повышенным содержанием ФГ. В апреле наблюдалось резкое снижение содержания до 0,46% от а.с.м. ткани, после чего перед распусканием хвои происходило вновь увеличение.
Среди фосфолипидов ФИ занимают особое место. В живых тканях почек лиственницы ФИ присутствовали только весной и осенью. Ранее аналогичная динамика содержания ФИ была установлена для камбиальной зоны Lar^x s^b^r^ca L [11]. Минимальное содержание данного компонента было отмечено в августе
— 0,12% от а.с.м. ткани, а максимальное перед распусканием хвои — 0,48%. С сентября по февраль данный компонент обнаружить не удавалось. Динамика содержания ФИ в меристемах ели имела схожий характер с таковой у лиственницы. С сентября по февраль наблюдалось следовое количество (менее 0,1%) ФИ, в марте происходил рост и в мае зафиксировано максимальное содержание ФИ — 0,28% от а.с.м. ткани.
В живых тканях почек сосны Фи присутствовали на протяжении всего периода исследования. Причем их содержание в период покоя (осень, зима) увеличивалось, максимум наблюдался в феврале и составлял 0,44% от а.с.м. ткани. В дальнейшем характер динамики этой липидной формы имел сходство с динамикой других форм: содержание снижалось в апреле и увеличивалось перед распусканием хвои.
В течение исследуемого периода в составе ФЛ присутствовали ФК. Количество их изменялось от
0,13 до 0,44% от а.с.м. ткани в лиственнице, от 0,22 до 0,85% - в ели, от 0,15 до 0,99% - в сосне. Максимальное содержание ФК в лиственнице наблюдалось в августе месяце, после чего в меристемах наблюдалось снижение, достигая минимума в декабре. В период выхода из состояния низкотемпературной устойчивости в меристемах лиственницы наблюдалось увеличение количества ФК. В сосне и ели после некоторого снижения в сентябре при формировании низкотемпературной устойчивости содержание ФК начинало увеличиваться. Максимальное содержание в обеих породах отмечалось в марте. Перед распусканием хвои (начало мая) доля ФК во всех породах снижалась, вероятно, потому что они, являясь промежуточным продуктом биосинтеза всех групп ФЛ, активно расходовались на построение клеточных мембран молодой хвои. Необходимо отметить, что в меристемах ели в течение всего периода исследования наблюдалось повышенное содержание ФК по сравнению с лиственницей и сосной.
Результаты исследования показывают неоднозначную картину ответной реакции ФЛ меристематиче-ских тканей почек морозоустойчивых хвойных пород на сезонное снижение температуры.
Формирование криозащищенного состояния живых тканей почек лиственницы, ели и сосны сопровождается активным биосинтезом ФХ, ФС и ФЭ в лиственнице и ели- их сумма увеличивается примерно в 1,5 раза, в сосне — в 2,7 раза. Такое изменение липидного матрикса клеточных мембран можно рассматривать как типичную адаптивную реакцию на снижение температуры, свойственную различным растительным организмам и способствующую сохранению их жидкостности.
Особенностью состава фосфолипидов лиственницы и ели при формировании низкотемпературной устойчивости является, во-первых, сокращение количества групп ФЛ за счет исключения ФИ, во-вторых, низкое и относительно стабильное ФГ.
Установлено, что ФЛ, согласно двум различным путям биосинтеза [12], можно разделить на две группы. В первую группу входят ФХ и ФЭ, образующиеся в результате присоединения к sn-1,2-диацилглицеролу CDP-холина или CDP-этаноламина. Во вторую — ФИ, ФГ и ФС, биосинтез которых идет через CDP-диацилглицеролы и ФК.
Накопившаяся информация по динамике индивидуальных групп ФЛ позволяет, исходя из установленных на сегодняшний день основных направлений их биосинтеза, сделать следующие предположения:
1. Биосинтез Ф Л в меристемах почек сосны при формировании низкотемпературной устойчивости протекает, вероятно, одновременно как по первому, так и по второму пути. Об этом свидетельствует, во-первых, увеличение содержания ФХ, ФЭ и ФС, во-вторых, относительно высокое содержание ФГ, ФК и ФИ.
2. Анализ динамики содержания отдельных групп ФЛ в живых тканях почек лиственницы и ели позволяет предположить, что их биосинтез в период адаптации к низким зимним температурам протекает по первому пути. Вероятно, второй биосинтетический путь в это время заблокирован, а образование ФС может протекать по вспомогательной реакции обмена из ФЭ. Особенность метаболизма ФЛ в условиях сезонного снижения температуры, по всей вероятности, связана с тем, что ФИ через фосфатидилинозит-4,5-дифосфат являются источником вторичных мессенджеров, активирующих протеинкиназу [13]. В активной форме этот фермент катализирует фосфорилирование многих белков, в том числе и принимающих участие в митозе,
модулируя их функциональную активность. Запуск процесса митоза зимой (например, во время оттепели или аномально теплой зимы) катастрофичен. В этой связи отсутствие в меристематических клетках наиболее морозостойких хвойных пород в условиях зимней гипотермии ФИ можно рассматривать в качестве дополнительной защиты. Тогда относительно низкое содержание ФГ и отсутствие ФИ в зимний период в меристемах этих пород, нетипичное для растительных объектов, становится вполне объяснимо.
Литература
1. Миронов, П. В. Низкотемпературная устойчивость живых тканей хвойных: моногр. / П. В. Миронов, Е. В. Алаудинова, С. М. Репях. — Красноярск: Изд-во СибГТУ, 2001. — 221 с.
2. Somerville, C. Plant Lipids: Metabolism, Mutants, and Membranes / С. Somerville, J. Browse // Science. — 1991.
— Vol. 252. — P. 80−87.
3. Osamu, M. Trienoic Fatty Acids and Stress Responses in Higher Plants / М. Osamu, К. Iba // Plant Biotechnology. — 2005. — Vol. 22. — P. 423−430.
4. Хлебникова, Н. А. Физиологическая характеристика хвойных растений Сибири в зимний период / Н. А. Хлебникова, Г. И. Гирс, Р. А. Коловский // Тр. ИЛиД СО АН СССР. — Красноярск, 1963. — С. 5−16.
5. Bligh, E.G. A rapid method of total lipid extraction and purification / E.G. Bligh, W.J. Dyer// J. Amer. Oil Chem. Soc. — 1970. — Vol. 47. — № 7. — P. 256−258.
6. Исамухаметов, А. Ш. Использование реагента Васьсковского-Светашева для комплексного обнаружения фосфолипидов и при их препаративном разделении методом ТСХ / А. Ш. Исамухаметов, Ф. Ю. Газизов // Химия природных соединений. — 1988. — № 1. — С. 40−42.
7. Препаративная биохимия липидов / Л. Д. Бергельсон, Э. В. Девятловская, Ю. Л. Молотковский [и др.]. -М.: Наука, 1982. — 256 с.
8. Алаудинова, Е. В. Характеристика липидов меристем почек Larix sibirica / Е. В. Алаудинова, П. В. Миронов, С.М. Репях// Химия природных соединений. — 2002. — № 4. — С. 259−262.
9. Поваляева, В. А. Сезонная динамика липидов меристематических тканей почек сосны / В. А. Поваляева, П. В. Миронов, Е. В. Алаудинова // Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы регион. науч. -практ. конф.
— Красноярск, 2006. — С. 90−92.
10. Климов, С. В. Пути адаптации растений к низким температурам / С. В. Климов // Успехи современной биологии. — 2001. — Т. 121. — № 1. — С. 3−22.
11. Рубчевская, Л. П. Фосфолипиды камбиальной зоны Larix sibirica / Л. П. Рубчевская, Е. В. Игнатова, С. М. Репях // Химия природных соединений. — 1998. — № 4. — С. 549−550.
12. Гудвин, Т. Введение в биохимию растений: пер. с англ. / Т. Гудвин, Э. Мерсер. — М.: Мир, 1986. — 393 с.
13. Ленинджер, А. Основы биохимии: в 3-х т. / А. Ленинджер. — М.: Мир, 1985. — 367 с.
---------¦-----------
УДК 630. 11 Е.В. Авдеева
СПЕЦИФИКА РОСТА ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ
Система озеленения является основным звеном экологического каркаса города, поэтому изучение процессов роста, как отдельных деревьев, так и их совокупностей в его среде, является актуальной задачей. Урбанизированная среда характеризуется многообразными факторами, влияющими на процессы роста древесных растений, с учетом которых построена система рядов роста. Градорастительные условия оказывают значительное воздействие на рост лиственницы сибирской, что сказывается на дифференциации биометрических параметров.
Введение. На современном этапе развития урбанизированных территорий важно полное использование разносторонних полезных свойств зеленых насаждений. Поэтому целью ведения зеленого строительства в городах должно быть выращивание долговечных насаждений, устойчивых к особым условиям среды. Система озеленения города является основным звеном его экологического каркаса, поэтому изучение процессов роста как отдельных деревьев, так и их совокупностей в городской среде, является актуальной зада-

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой