ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2013, том 60, № 2, с. 192-204
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1
РЕГУЛЯЦИЯ АБСЦИЗОВОЙ КИСЛОТОЙ СОДЕРЖАНИЯ ПОЛИАМИНОВ И ПРОЛИНА В РАСТЕНИЯХ ФАСОЛИ ПРИ СОЛЕВОМ СТРЕССЕ
© 2013 г. Н. И. Шевякова*, Л. И. Мусатенко**, Л. А. Стеценко*, Н. П. Веденичева**, Л. П. Войтенко**, К. М. Сытник**, Вл. В. Кузнецов*
* Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва ** Институт ботаники им. Н.Г. Холодного Национальной академии наук Украины, Киев
Поступила в редакцию 16.01.2012 г.
Исследовали влияние экзогенной АБК на физиологические параметры, содержание полиаминов (ПА) и пролина (Про) у растений гликофита Phaseolus vulgaris L. при адаптации к солевому стрессу. Проростки фасоли, выращенные в камере фитотрона на питательной среде Джонсона до 2-недель-ного возраста, подвергали засолению в течение 6 дней путем одноразового внесения в среду NaCl до конечных концентраций 50 и 100 мМ. В течение первых 3 дней засоления корневую систему ежедневно обрабатывали экзогенной АБК (1, 5, 10 или 50 мкМ) в течение 30 мин. Солевой стресс (100 мМ NaCl) вызывал повышение пула эндогенной АБК в корнях и листьях, в 14 раз увеличивал содержание Про, приводил к резкому снижению уровня свободных ПА (путресцина, спермидина, спермина и кадаверина) и накоплению содержания 1,3-диаминопропана - продукта окисления высокомолекулярных ПА. Обработка растений фасоли экзогенной АБК (1 мкМ) снижала негативное действие солевого стресса (100 мМ NaCl), что проявлялось в поддержании интенсивности роста растений, стимуляции накопления хлорофиллов (а и b) и каротиноидов, стабилизации водного и №+-баланса. После обработки проростков АБК отмечали ингибирование NaCl-индуцированного накопления Про и эндогенной АБК и восстановление уровня путресцина и спермидина. При этом содержание спермина в листьях растений, обработанных экзогенной АБК на фоне солевого стресса, примерно в 3 раза превышало его уровень у контрольных растений, а содержание кадаверина в тех же условиях возрастало более, чем в 5 раз. Одновременно с этим в проростках наблюдали снижение содержания 1,3-диаминопропана, малонового диальдегида и активности супероксиддисму-тазы, что свидетельствовало об ослаблении окислительного стресса — одной из возможных причин солезащитного действия АБК. Помимо этого, подавление экзогенной АБК накопления Про и стимуляция содержания ПА при солевом стрессе косвенно подтверждает высказанную нами гипотезу, согласно которой АБК вовлекается в координированную регуляцию двух биосинтетических путей — образования Про и ПА — которые используют единый предшественник глутамат и выполняют важную защитную роль при стрессе у растений.
Ключевые слова: Phaseolus vulgaris — солевой стресс - АБК - полиамины - пролин
DOI: 10.7868/S0015330313010077
ВВЕДЕНИЕ
Одной из ключевых стратегий адаптации растений к неблагоприятным условиям обитания, в том числе и к избыточному засолению, является стресс-индуцируемая регуляция качественного состава и количественного содержания низкомолекулярных органических осмолитов, обладаю-
Сокращения: Дап — 1,3-диаминопропан, Кад — кадаверин, Кар - каротиноиды, ПА — полиамины, Про - пролин, Пут — путресцин, Спд — спермидин, Спм — спермин, Хл - хлорофилл.
Адрес для корреспонденции: Стеценко Лариса Алексеевна. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Факс: 007 (499) 977-8018; электронная почта: larstet@mail.ru
щих функциями химических шаперонов, антиок-сидантов и сигнальных молекул. В этой связи, особая роль при засолении, которое в той или иной степени характерно для четверти почв земного шара, принадлежит полиаминам (ПА) и пролину (Про).
В настоящее время установлено, что алифатические полиамины (универсальные органические поликатионы с высокой биологической активностью [1]) и совместимый осмолит пролин [2] вовлекаются в регуляцию клеточного метаболизма и в реализацию протекторных реакций растения на действие повреждающих абиотических факторов. При этом большое внимание для выяснения
молекулярных механизмов стресс-зависимого накопления ПА и Про уделяется изучению сигнальной роли АБК [3]. В частности, недавно был проанализирован характер взаимодействия между ПА и фитогормонами у двух видов растений, контрастных по устойчивости к засолению: типичного гликофита Phasеolus vulgaris и факультативного галофита Mesembryanthemum crystallinum [4, 5].
Полученные результаты показали, что под действием 100 мМ NaCl, ингибировавшего рост растений, наблюдалось изменение гомеостаза ПА и гормонального статуса у солечувствительного вида Ph. vulgaris, а также обнаруживалась положительная корреляция между содержанием АБК в растениях фасоли и уровнем низкомолекулярного диамина кадаверина (Кад). Напротив, в листьях растений факультативного галофита M. crystallinum при засолении (400 мМ NaCl) было обнаружено кратковременное увеличение содержания АБК с одновременным накоплением в тканях высокомолекулярных ПА спермидина (Спд) и спермина (Спм). Более того, у растений хрустальной травки при засолении было найдено гораздо более значимое по сравнению с АБК накопление индолилуксусной кислоты (ИУК) и цито-кининов. Все это свидетельствует в пользу того, что у галофитов не только АБК, но и другие фито-гормоны активно вовлекаются в регуляцию содержания стресс-протекторных метаболитов, в частности ПА и Про. Однако наиболее надежно установлено проявление коррелятивных связей между системами аккумуляции АБК и Про в условиях солевого и водного стресса [2].
Важно отметить, что сравнительно недавно были получены прямые доказательства вовлечения АБК-зависимого сигнального пути в регуляцию транскрипции генов метаболизма ПА у модельного растения Arabidopsis thaliana при водном дефиците [6-8]. Кроме того, на этом же объекте было показано, что АБК дифференцированно регулирует экспрессию двух генов ключевого фермента синтеза Про пирролин-5-карбоксилатсин-тазы (P5CS) при солевом стрессе [9], однако, в отличие от ПА, регуляция биосинтеза пролина осуществляется не только на транскрипционном, но и на посттрансляционном уровнях [10].
Несмотря на то, что два универсальных стресс-протекторных метаболита ПА и Про различаются по размерам внутриклеточных пулов и ряду биологических функций, они используют в качестве прямого (пролин) или отдаленного (ПА) предшественника одно и то же соединение - глутамат [1, 2]. Нельзя исключать, что при стрессе между путями биосинтеза ПА и Про может существовать конкуренция за единый предшественник. Это обстоятельство, а также целый ряд известных литературных данных [6-10] позволяют высказать ги-
потезу, согласно которой АБК как стрессорный гормон вовлекается в координированную регуляцию внутриклеточного содержания ПА и Про в условиях избыточного засоления. В данной работе предпринята попытка экспериментальной проверки этого предположения.
В качестве объекта исследования использовали ювенильные растения фасоли, в которых, как следует из ранее полученных данных [4], существует некоторая корреляция между накоплением АБК в условиях солевого стресса и уровнем кадаверина. Растения фасоли, произраставшие в контрольных условиях или в условиях засоления, обрабатывали экзогенной АБК и определяли характер изменения в растениях уровней путресцина, спермидина, спермина, 1,3-диаминопропана, кадаверина, пролина и АБК, а также роста проростков, уровней фотосинтетических пигментов, баланса воды и содержания ионов натрия.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Объектом исследования служили растения фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris L.) сорта Белозерная. Семена стерилизовали 3% раствором перекиси водорода (2-3 мин), замачивали в дистиллированной воде (1-2 ч), помещали в чашки Петри и проращивали при температуре 25-27°C в течение 3-5 суток до появления первичного корня. Далее проростки доращивали в водной культуре на питательной среде Джонсона [11] в условиях фитотрона при 12-часовом фотопериоде (натриевые лампы Reflax-250, Россия) с освещенностью 200-210 мкЕ/(м2 с), температуре воздуха 23 ± 1°C/15 ± 1°C (день/ночь) и относительной влажности воздуха 55 и 70% днем и ночью соответственно. Питательную среду в сосудах меняли каждые 6 суток.
Растения, достигшие 2-недельного возраста, продолжали выращивать на питательной среде в контрольных условиях (без засоления) или при засолении (одноразовое внесение в среду NaCl до конечных концентраций 50 и 100 мМ). Половину растений, произраставших как в контрольных условиях, так и при засолении, подвергали 3-ра-зовой обработке экзогенной 2-цис,4-транс--АБК ("Aldrich Chem. Co.", США) в течение первых 3 дней эксперимента. Для этого корневую систему растений один раз в сутки погружали на 30 мин в питательный раствор с АБК (1, 5, 10 и 50 мкМ), после чего корни промывали питательным раствором, и растения продолжали выращивать на среде Джонсона в присутствии или в отсутствие NaCl в течение 6 дней, включая дни обработки АБК.
После окончания эксперимента в корнях и листьях растений измеряли содержание ПА, свободного Про и АБК, а также оценивали некоторые физиологические и биохимические парамет-
Изменения эндогенного содержания АБК в корнях проростков фасоли под влиянием обработки АБК и NaCl
Вариант Содержание АБК, нг/г сырой массы
свободная связанная общая
Контроль 3.1 ± 0.2 3.2 ± 0.2 6.3 ± 0.2
1 мкМ АБК 12.0 ± 0.4 6.3 ± 0.2 18.3 ± 0.4
5 мкМ АБК 7.3 ± 0.2 7.7 ± 0.4 15.0 ± 0.3
10 мкМ АБК 5.0 ± 0.3 21.5 ± 0.9 26.5 ± 0.5
50 мкМ АБК 1.7 ± 0.1 25.4 ± 1.2 27.1 ± 0.6
50 мМ NaCl 13.4 ± 0.5 2.0 ± 0.1 15.4 ± 0.3
100 мМ NaCl 34.1 ± 1.4 1.9 ± 0.1 36.0 ± 0.7
1 мкМ АБК + 50 мМ NaCl 8.3 ± 0.2 4.1 ± 0.2 12.4 ± 0.2
5 мкМ АБК + 50 мМ NaCl 9.0 ± 0.4 4.0 ± 0.2 13.0 ± 0.3
10 мкМ АБК + 50 мМ NaCl 4.1 ± 0.2 4.3 ± 0.1 8.4 ± 0.1
1 мкМ АБК + 100 мМ NaCl 1.2 ± 0.1 4.0 ± 0.2 5.2 ± 0.2
5 мкМ АБК + 100 мМ NaCl 1.8 ± 0.1 2.5 ± 0.1 4.3 ± 0.1
10 мкМ АБК + 100 мМ NaCl 3.3 ± 0.2 2.0 ± 0.1 5.3 ± 0.2
50 мкМ АБК + 100 мМ NaCl 5.8 ± 0.3 5.8 ± 0.3 11.1 ± 0.3
ры. Биомассу растений и содержание в них воды определяли общепринятым гравиметрическим методом. Образцы
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.