ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2004, № 1, с. 31-37
УДК 630*181.2:581.13
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
МЕТАБОЛИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ СЕЯНЦЕВ ЛИСТВЕННИЦЫ СИБИРСКОЙ НА ЗАТОПЛЕНИЕ КОРНЕЙ*
© 2004 г. Л. И. Романова
Институт леса им. ВН. Сукачева СО РАН 660036 Красноярск, Академгородок Поступила в редакцию 17.09.2001 г.
В органах сеянцев лиственницы изучали изменение активности дегидрогеназ, связанных с различными путями дыхательного метаболизма: алкогольдегидрогеназы, малатдегидрогеназы, пируват-киназы, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, лактатдегидрогеназы, а также активности пероксидазы и ИУК-оксидазы, в зависимости от длительности затопления. Обсуждается вопрос о возможности метаболической адаптации сеянцев лиственницы сибирской к корневому анаэробиозу на уровне изменения активности ферментов.
Лиственница сибирская, гтоксический стресс, активность ферментов.
Затопление как в экспериментальных, так и естественных условиях индуцирует развитие анаэробиоза в корнеобитаемом горизонте почвы. В этих условиях дефицит кислорода сказывается на протекании физиолого-биохимических процессов не только в корнях, но и в тканях надземных органов растений из-за изменения в них кислородного режима. Как отмечают многие исследователи, в первую очередь недостаток кислорода ведет к ингибированию аэробного дыхания и связанного с ним окислительного фосфорилирова-ния. Ограничение окислительного фосфорилиро-вания в условиях аноксии - очень типичный результат, сопровождающийся снижением уровня АТФ в тканях растений [16]. Одним из основных источников энергии у растений, испытывающих кислородный стресс, является гликолиз, несмотря на то что у большинства высших растений в нормальных условиях интенсивность гликолиза не обеспечивает всех необходимых энергозатрат. Однако приведение скорости гликолиза в соразмерность с АТФ-потребляющими процессами является важнейшим признаком биохимической адаптации растительного организма к анаэробному стрессу [1].
Поскольку дыхание находится, с одной стороны, в центре катаболических и метаболических реакций организма, а с другой, промежуточные продукты и энергоемкие соединения, получаемые в процессе дыхания, необходимы не только для биосинтезов, но и поддержания целостности и упорядоченности клеточных структур и тканей
растительного организма [5], то его нарушения
*
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ
(01-04-48172).
приводят к многочисленным изменениям физиологических и обменных процессов у растений.
Так, в ответ на затопление у саженцев тополя, ивы, эвкалипта, вяза, дуба, жимолости быстро закрываются устьица, подавляется рост корней, изменяется морфология стебля и корня, а также накапливается этилен [30]. Такая реакция отмечена для 12-13-недельных сеянцев американского вяза [28] и других лиственных и хвойных пород. Затопление почвы не только замедляло рост сеянцев лиственницы американской, но и угнетало процесс фотосинтеза [20].
Изучение реакции растительного организма на условия аэрации имеет большое значение в начальные этапы роста растений, поскольку анок-сия лимитирует, вероятно, значительную часть метаболических реакций растений, что подавляет их ростовые функции, особенно в ювенильной фазе развития.
Цель настоящей работы - изучение активности ряда ферментов, связанных с ключевыми реакциями основных дыхательных путей, в зависимости от срока затопления корней сеянцев лиственницы сибирской.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Для выяснения адаптивных возможностей сеянцев лиственницы сибирской в условиях корневого анаэробиоза был проведен вегетационный опыт, в котором изучали влияние затопления корней растений на активность малатдегидрогеназы (МДГ), (К.Ф. 1.1.1.37.), алкогольдегидрогеназы (АДГ), (К.Ф.1.1.1.1.), лактатдегидрогеназы (ЛДГ) (К.Ф. 1.1.1.27.), пируваткиназы (ПК)
700 >,600 Eg 500 к 400
о
4= 300
J 200
К 100
0
t
01 □ 2
Корни Хвоя Ствол
10
Корни Хвоя Ствол
Корни Хвоя Корни Хвоя Ствол Ствол
16 28 Число дней
35
Рис. 1. Активность малатдегидрогеназы в органах сеянцев лиственницы сибирской в зависимости от периода затопления: 1 - контроль; 2 - опыт.
(К.Ф.2.7.1.40), глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Г6ФДГ), (К.Ф.1.1.1.49), пероксидазы (ПО) (1.11.1.7), ИУК-оксидазы (ИУКО).
Объектом исследования служили сеянцы лиственницы сибирской, выращенные в обычном вегетационном опыте. В опытных сосудах корни 15-дневных проростков были полностью затоплены на протяжении всего опыта. В качестве контрольных использовали растения, выросшие при 60-70%-й влажности от полной влагоемкости почвы. Опыт проводился в условиях естественного освещения. Активность ферментов определяли спектрофотометрически в соответствующих буферных экстрактах тканей, предварительно очищенных методом гель-фильтрации на колонках с сефадексом G-50. Основой для изучения активностей АДГ, ПК, ЛДГ, Г6ФДГ послужили приспособленные для работы с растительными тканями методы [9]. Активность МДГ определяли по [10], активность гваякол-специфичной пероксидазы - модифицированным методом по [31], активность ИУКО - по [12]. Концентрацию спирта в экстрактах тканей устанавливали энзи-матическим методом с использованием кристаллической АДГ фирмы Merck [9]. Содержание белка в очищенных экстрактах тканей определяли по [25].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
При исследовании особенностей превращения дыхательного материала в органах сеянцев лиственницы в условиях затопления их корней была изучена активность ключевых ферментов основных путей дыхания - аэробного, анаэробного и пентозофосфатного.
Разные пути дыхания отличаются друг от друга по количеству освобождаемой при окислении глюкозы энергии. Наиболее эффективным с энергетической точки зрения является окислительное фосфорилирование конечного продукта
гликолиза - пирувата в цикле Кребса. При затоплении корней сеянцев лиственницы во всех органах опытных растений отмечено изменение активности МДГ - фермента, катализирующего заключительную стадию цикла трикарбоновых кислот. После 10-дневного затопления активность МДГ в корнях была выше по сравнению с контролем в 2.2 раза, в стволиках на 15% и в хвое в 3.1 раза (рис. 1). По мере увеличения периода затопления активность фермента в корнях и стволиках сеянцев закономерно снижалась, в то время как в хвое к концу эксперимента возрастала в 4.1 раза. Значительный всплеск активности МДГ (в 11.7 раза по сравнению с контролем) в те же сроки обнаружен и в затопленных корнях сеянцев сосны обыкновенной [3], но в отличие от лиственницы надземные органы и, в особенности, хвоя сеянцев сосны на протяжении всего равноценного по длительности опыта проявляли очень низкую активность фермента по сравнению с контрольными растениями.
Одним из способов адаптации растений к анаэробному стрессу является переключение окислительного метаболизма углеводов на анаэробное дыхание. Показателем, определяющим интенсивность протекания гликолиза, служит активность АДГ - фермента, катализирующего образование этанола после перехода гликолиза в брожение. В литературе встречаются многочисленные данные о том, что в тканях как травянистых, так и древесных растений, испытывающих корневой анаэробиоз, в большинстве случаев активность АДГ может возрастать даже у видов, обитающих в естественных переувлажненных местообитаниях [14, 15].
В корнях сеянцев лиственницы через 10 дней действия корневого анаэробиоза активность АДГ была выше по сравнению с контролем в 6.3 раза, в стволиках на 19%, а в хвое практически не отличалась от контроля. По мере удлинения периода затопления активность фермента в стволиках и хвое опытных растений закономерно снижалась, в то время как в корнях она была в 2.2-2.6 раза выше, чем в контроле (рис. 2). Высокая скорость реакции восстановления ацетоальдегида, катализируемой АДГ, приводит к образованию повышенного количества этанола в корнях и стволиках растений, испытывающих гипоксический стресс (табл. 1).
Повышенное содержание этанола при затоплении наблюдается в корнях и стволах многих древесных видов. Так, помещенные в неаэрируе-мую водную культуру сеянцы сосны скрученной и ели ситхинской немедленно реагировали на анаэробиоз увеличением содержания спирта в корнях [19]. У затопленных сеянцев псевдотсуги Мензиеза корни также очень быстро начали синтезировать этанол, при этом его концентрация в
корнях и стволиках была в 6-16 раз больше, чем в хвоинках [22]. Значительное количество этанола было обнаружено в тканях сеянцев сосны желтой, сосны скрученной, сосны Ламберта и пихты миловидной уже после 24 ч пребывания в бескислородной среде [23].
Многие исследователи считают, что накопление спирта в тканях растений при анаэробиозе характерно для неустойчивых растений, поскольку в больших концентрациях он является токсичным продуктом и может приводить к повреждению тканей или даже гибели растений. Другие, напротив, отмечают, что устойчивые растения способны накапливать большие количества продуктов брожения, активируя при этом определенные эн-зиматические системы, позволяющие оптимизировать дыхательные и обменные процессы [16, 18]. Освобождаясь от избытка спирта, растение частично выделяет его в наружную среду, причем особенно интенсивно это происходит в корнях [22]. Наряду с диффузией этанола устойчивые растения способны включать под действием стресса регуляторные механизмы, обеспечивающие его метаболизацию.
Было показано, что спирт может окисляться АДГ, каталазой и НАДФ-Н зависимой оксидазой до ацетоальдегида [6]. Кроме того, устойчивые к недостатку кислорода виды способны переключать метаболизм от этанола к яблочной кислоте [26] и осуществлять ряд реакций, приводящих к усиленному синтезу других органических кислот [32]. Таким образом, этиловый спирт не является пассивным продуктом гликолиза, а активно включается в систему гипоксического обмена растительной клетки [8].
На возможность вторичной переработки спирта растениями, испытывающими анаэробиоз, указывает Т.В.Чиркова [13], поскольку в корнях устойчивого к затоплению риса усиливалась активность АДГ, связанная не с восстановлением ацетоальдегида, а с окислением этанола. При этом значительная часть его может превращаться в другой продукт брожения - лактат. Накопление л
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.