ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДОРАСТВОРИМЫХ БЕЛКОВ ЦИТОПЛАЗМЫ МЕРИСТЕМ НАБУХШИХ ПОЧЕК ПИХТЫ СИБИРСКОЙ
Шимова Ю.С., Алаудинова Е.В. (СибГТУ, г.Красноярск, РФ)
This work is dedicated to a study of the dynamics of content and fractional composition of the water-soluble proteins of cytoplasm the meristem of the kidneys of the fir tree of Siberian upon transfer to the active vegetation and loss of low-temperature stability in spring.
Лесные экосистемы являются центрами биологического разнообразия, играют огромную роль в газовом балансе атмосферы и регулировании планетарного климата Земли. Лесные ресурсы являются достоянием всей планеты, так как играют важную роль в экологическом равновесии биосферы. Трудно переоценить значимость лесных экосистем в хозяйственной деятельности человека. На сегодняшний день перед человечеством стоит задача увеличения продуктивности и распространения лесов в регионы с более холодным климатом, поскольку бореальные леса являются легкими планеты. Для этого необходимы глубокие знания о процессах жизнедеятельности древесных растений, их зависимости от различных факторов окружающей среды.
К лесоизбыточным районам относится Сибирь, Дальний Восток и Север европейской части России, в которых хвойные древесные растения, такие как лиственница, ель и пихта являются основными лесообразующими породами. Несмотря на отдельные работы видных биологов, важные вопросы теории адаптации и устойчивости растений к неблагоприятным факторам недостаточно разработаны, а существующие модели не всегда служат научной основой для эффективного воздействия на растения.
Ранее нами было установлено, что белки играют важную роль в формировании низкотемпературной устойчивости хвойных древесных растений [1]. Подробно исследованы состав и свойства водорастворимых белков цитоплазмы меристем зимующих почек ели, пихты и лиственницы [2]. В зимний период в состоянии покоя меристематические ткани почек ели, пихты и лиственницы характеризуется повышенным содержанием белков.
Настоящая работа является продолжением исследования метаболизма меристем почек морозостойких хвойных видов древесных растений и посвящена, в частности, исследованию динамики содержания и фракционного состава водорастворимых белков цитоплазмы меристем почек пихты сибирской при переходе к активной вегетации и утрате низкотемпературной устойчивости весной.
В марте, когда вероятность возникновения сильных морозов уже невысока, содержание белков в меристемах почек, в условиях низкого водосодержания, снижается в полтора - два раза (от 27 % до 19 % от а.c.м. ткани). В апреле, при повышении температуры окружающей среды, количество белка в них вновь возрастает примерно до 34 %, что на 25 % выше среднезимнего содержания. Этот период характеризуется значительным повышением содержания воды в клетке, а, следовательно, и вероятность повреждения клеток даже при небольших заморозках резко увеличивается. Вероятно, именно этим объясняется повышение содержания водорастворимого белка, обладающего способностью снижать температуру гомогенной нуклеации и тем самым способствовать переохлаждению внутриклеточных растворов [3]. В связи с особенностями строения почек пихты (рисунок 1), в которых реализуется внеорганный механизм льдообразования [1], водорастворимые белки выполняют роль криопротектора, предохраняющего меристематические ткани от низкотемпературных повреждений.
Рисунок 1 – Микрофотография продольного разреза вегетативной почки пихты (растровый электронный микроскоп; ×70.1)
Для изучения фракционного состава белков и определения их молекулярных масс использовали метод электрофореза в полиакриламидном геле с додецилсульфатом натрия и β-меркаптоэтанолом [4]. Фракционный состав водорастворимых белков цитоплазмы меристематических тканей почек пихты в весенний период представлен в таблице 1. Для сравнения приведены также данные, характеризующие зимующие почки.
Таблица 1 – Фракционный состав водорастворимых белков цитоплазмы меристематических тканей почек пихты
|
Номер фракции |
Rf |
ММ, кД |
В процентах от суммы ВРБЦ**** |
||
|
зима* |
весна ** |
весна *** |
|||
|
1 |
0,03 |
300 |
2,5 |
- |
- |
|
2 |
0,05 |
250 |
2,7 |
- |
- |
|
3 |
0,07 |
210 |
2,6 |
- |
- |
|
4 |
0,09 |
180 |
1,9 |
- |
3,5 |
|
5 |
0,11 |
165 |
1,7 |
- |
- |
|
6 |
0,13 |
145 |
1,8 |
- |
- |
|
7 |
0,14 |
140 |
2,6 |
- |
- |
|
8 |
0,17 |
120 |
3,1 |
- |
- |
|
9 |
0,19 |
110 |
3,1 |
- |
2,3 |
|
10 |
0,21 |
100 |
3,3 |
- |
- |
|
11 |
0,24 |
85 |
2,7 |
4 |
3,6 |
|
12 |
0,26 |
80 |
2,9 |
4,9 |
- |
|
13 |
0,29 |
65 |
2,9 |
- |
2,2 |
|
14 |
0,32 |
55 |
2,7 |
6,1 |
- |
|
15 |
0,35 |
50 |
3,3 |
2,7 |
- |
|
16 |
0,38 |
40 |
3,1 |
2,7 |
4,8 |
|
17 |
0,39 |
37 |
3,2 |
- |
- |
|
18 |
0,40 |
35 |
3,3 |
- |
14 |
|
19 |
0,43 |
28 |
3 |
6 |
- |
|
20 |
0,46 |
24 |
3,3 |
- |
2,2 |
|
21 |
0,47 |
23 |
3,1 |
11,4 |
- |
|
22 |
0,50 |
19 |
2 |
4,8 |
8,1 |
|
23 |
0,52 |
17 |
1,5 |
4,2 |
- |
|
24 |
0,54 |
15 |
1,3 |
7,1 |
7,5 |
|
25 |
0,57 |
12 |
2,6 |
- |
- |
|
26 |
0,59 |
11 |
6,1 |
1 |
- |
|
27 |
0,63 |
8 |
- |
7,7 |
4 |
|
28 |
0,67 |
7,5 |
3,4 |
3,6 |
- |
|
29 |
0,68 |
7 |
4,9 |
- |
13,5 |
|
30 |
0,71 |
4,5 |
6,1 |
11,4 |
15,4 |
|
31 |
0,74 |
4,0 |
- |
- |
- |
|
32 |
0,76 |
3,5 |
2,4 |
5,2 |
6,1 |
|
33 |
0,79 |
3 |
1,2 |
2,1 |
- |
|
34 |
0,82 |
2,5 |
- |
1 |
8,8 |
|
35 |
0,84 |
2,2 |
2,8 |
3,7 |
- |
|
36 |
0,88 |
2 |
- |
- |
- |
|
37 |
0,91 |
1,8 |
3,4 |
- |
- |
|
38 |
0,93 |
1,6 |
3,5 |
10,4 |
4 |
|
39 |
0,96 |
1,2 |
- |
- |
- |
|
* - среднезимние значения (январь); ** - весенний максимум содержания белка; *** - перед распусканием почек; **** – водорастворимый белок цитоплазмы |
|||||
Как видно из представленных данных, в зимний период водорастворимые белки цитоплазмы представлены значительно большим количеством фракций. Около 30 % водорастворимого белка цитоплазмы приходятся на фракции с молекулярной массой выше 65 кД. Весной, в момент весеннего максимума содержания водорастворимого белка количество фракций сокращается до 18. При этом в электрофоретическом спектре не удалось обнаружить белков с молекулярной массой свыше 100 кД, присутствующих в зимний период. В это время отмечается увеличение количества фракций в средне- и низкомолекулярной областях (в основном с молекулярными массами от 30 до 5 кД), которые могут быть как продуктами распада высокомолекулярных белков, полностью исчезающих в этот период, так и вновь синтезированными белками, необходимыми для обеспечения процессов жизнедеятельности клетки.
Перед распусканием почек, на фоне резкого снижения содержания водорастворимого белка до 3 % от а.c.м. ткани происходит уменьшение количества фракций, доля низкомолекулярных фракций возрастает до 50 % от суммы водорастворимого белка.
Таким образом, проведенные исследования позволяют предположить, что водорастворимые белки цитоплазмы играют важную роль в формировании низкотемпературной устойчивости меристематических тканей почек пихты сибирской. Изученные количественные изменения и фракционный состав водорастворимых белков свидетельствуют о глубоких биохимических перестройках цитоплазмы меристематических клеток при утрате низкотемпературной устойчивости. Снижение почти на порядок содержания водорастворимого белка и его высокомолекулярных фракций, обладающих выраженным криозащитным действием, полностью согласуется с утратой меристемами низкотемпературной устойчивости, а появление новых фракций – с изменением фенологического состояния дерева.
Литература
1. Миронов П.В., Алаудинова Е.В., Репях С.М. Низкотемпературная устойчивость живых тканей хвойных. Красноярск, 2001.- 221 с.
2. Шимова Ю.С., Алаудинова Е.В., Миронов П.В., Репях С.М. Физико-химические свойства криозащитных белков меристем зимующих почек ели и пихты . //Лесной журнал, 2003 - № 6. – С. 75-82
3. Миронов П.В., лоскутов С.Р., Левин Э.Д. О фазовом переходе воды в зимующих побегах лиственницы сибирской. // Лесной журнал. – 1985. - № 5. – С. 9 – 12.
4. Функциональная биохимия клеточных структур. – М.: Наука, 1970. – С. 143-152.