ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2013, том 60, № 6, с. 784-792
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1
ВЛИЯНИЕ АБК НА СОДЕРЖАНИЕ ПРОЛИНА, ПОЛИАМИНОВ И ЦИТОКИНИНОВ В РАСТЕНИЯХ ХРУСТАЛЬНОЙ ТРАВКИ
ПРИ СОЛЕВОМ СТРЕССЕ
© 2013 г. Н. И. Шевякова*, Л. И. Мусатенко**, Л. А. Стеценко*, В. Ю. Ракитин*,
Н. П. Веденичева**, Вл. В. Кузнецов*
*Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва ** Институт ботаники им. Н.Г. Холодного НАНУкраины, Киев Поступила в редакцию 28.12.2012 г.
Исследовали влияние экзогенной АБК на содержание пролина, полиаминов (ПА) и цитокининов (ЦК) у факультативного галофита хрустальной травки (МезетЬгуаШкетыт сгу$(аШпыт Ь.) при солевом стрессе. Растения в возрасте 6 недель, выращенные в камере фитотрона на питательной среде Джонсона, подвергали засолению в течение 6 суток одноразовым внесением №С1. Ежедневно в первые три дня засоления в каждом варианте половину растений на 30 мин помещали в питательную среду, содержавшую 0, 100 или 300 мМ №С1 с добавлением АБК до концентрации 1 мкМ. Засоление тормозило накопление биомассы растений, снижало оводненность тканей и содержание хлорофилла. Это сопровождалось повышением в листьях уровней МДА, пролина и ионов натрия. АБК в условиях засоления способствовала аккумуляции биомассы и сохранению фотосинтетических пигментов, снижала интенсивность окислительного стресса и уровень индуцированной №С1 аккумуляции пролина. Обработка АБК увеличивала содержание путресцина (Пут) и спермидина (Спд) в листьях и корнях незасоленных растений, в присутствии 100 мМ №С1 уменьшала потери Пут в листьях и корнях и Спд в корнях, а при 300 мМ №С1 ингибировала аккумуляцию кадаверина (Кад) в корнях. Действие АБК в присутствии №С1 проявилось в снижении содержания зеатина, зе-атинрибозида и повышении уровня зеатин-О-глюкозида в корнях, а изопентениладенозина и изо-пентениладенина в листьях. Полученные данные свидетельствует о том, что протекторная роль АБК в условиях засоления может быть реализована за счет снижения окислительного стресса (уменьшения уровня МДА) через регуляцию метаболизма ПА, пролина и ЦК, имеющих большое значение в процессе адаптации растений к повреждающим факторам.
Ключевые слова: МезетЬгуаШкетыт сгу$(аШпыт — цитокинины — абсцизовая кислота — полиамины — пролин — солевой стресс
БО1: 10.7868/80015330313060122
ВВЕДЕНИЕ
Изучение солеустойчивости является одной из актуальных задач современной физиологии растений, поскольку площади засоленных территорий прогрессивно возрастают в связи с аридиза-цией почвы, вызываемой как природными, так и антропогенными причинами, и потеплением климата, а также с техногенным давлением чело-
Сокращения:Кад — кадаверин, ПА — полиамины, ПДГ — пролиндегидрогеназа, Пут — путресцин, Спд — спермидин, Спм — спермин, ЦК — цитокинины, 1Ра — изопентениладе-нозин, 1Р — изопентениладенин, Z — зеатин, ZG — зеатин-О-глюкозид, ZR - зеатинрибозид.
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: 1arstet@mai1.ru
века на окружающую среду, что отрицательно влияет на продуктивность и стабильность агро- и фитоценозов. В основе солеустойчивости растений лежат физиологические и биохимические механизмы, связанные с регуляцией ионного го-меостаза, аккумуляцией в клетках совместимых осмолитов, антиоксидантных соединений и макромолекул с защитными функциями [1-3].
По отношению к солям все растения условно подразделяют на две группы: гликофиты, растения произрастающие на незасоленных почвах, и галофиты, способные завершать онтогенез на почвах с относительно высокими концентрациями солей [4, 5]. Изучение механизмов адаптации обеих групп растений к засолению весьма важно для решения фундаментальных проблем и при-
кладных задач. Особый интерес представляют факультативные галофиты, которые могут расти в условиях как низкого, так и высокого засоления почв. Классическим модельным объектом подобного вида растений является факультативный га-лофит хрустальная травка (Mesembryanthemum crystaШшm), способная переходить с С3-типа на водосберегающий САМ-тип фотосинтеза. Причем этот переход находится под стрессорным и онтогенетическим контролем [2, 4].
Важную роль в адаптации к условиям засоления играют гормоны, в частности АБК, концентрация которой у многих видов растений возрастает в ответ на дегидратацию. Было показано, что при засолении транзиторно повышалась концентрация АБК в ростовых зонах растений ячменя [6]. У хрустальной травки наблюдалось повышение содержания АБК в листьях в течение 5 суток засоления (400 мМ №С1), после чего уровень АБК снижался до исходных значений. При этом экзогенная АБК ускоряла формирование САМ-типа фотосинтеза [4]. Закрывание устьиц, которое является одной из наиболее быстрых реакций растения на осмотический стресс, непосредственно связано с АБК, участвующей в межорганной трансдукции сигнала водного дефицита [2, 7]. В качестве показателя интенсивности водного стресса может служить содержание в растении аминокислоты пролина, обладающей осмо-регуляторным и стресс-протекторным действием [1]. Показано, что у арабидопсиса при солевом стрессе АБК регулирует экспрессию двух генов ключевого фермента синтеза пролина - пирро-лин-5-карбоксилатсинтазы [8].
Для выяснения роли АБК при стрессе зачастую изучают ответ растения на действие экзогенного гормона. Установлено, что обработка АБК листьев арабидопсиса [9], проростков риса [10] или корней фасоли [11] повышала устойчивость растений к солевому стрессу. Показано также, что при действии экзогенной АБК у многих генов, отвечающих за адаптацию к засухе, засолению и низкотемпературному стрессу, изменялся уровень экспрессии в оптимальных условиях произрастания растений [12].
Если сигнальная роль АБК при водном дефиците в настоящее время ни у кого не вызывает сомнений, то роль цитокининов (ЦК) при стрессе не установлена. ЦК контролируют морфогенез растений, активируют синтез РНК и белков, задерживают процессы старения, совместно с ауксинами стимулируют деление клеток [13, 14]. Растения содержат множество различных форм ЦК, которые подразделяют на ЦК зеатинового тип) и изопентенильного ряда (1Р-тип) [15]. ЦК синтезируются в корнях и листьях и транспортируются по ксилеме и флоэме, создавая определенный градиент концентраций вдоль вертикаль-
ной оси растения и, тем самым, передавая информацию по всему организму [14]. При стрессе происходят изменения в содержании отдельных форм ЦК. Так, в корнях кукурузы при действии NaCl содержание зеатинрибозида (ZR) значительно увеличивалось, а зеатина (Z) — снижалось, тогда как у гороха происходило увеличение содержания изопентенильных форм ЦК [16]. В листьях томата при засолении на фоне суммарного снижения концентрации ЦК наиболее выражено было изменение уровня ZR [17].
Среди многих вторичных мессенджеров, участвующих в трансдукции гормональных сигналов, особое внимание уделяется полиаминам (ПА) — универсальным органическим поликатионам с высокой биологической активностью, которые наряду с фитогормонами способны включаться в инициацию деления и растяжения клеток, морфогенез и цветение [2]. Синтез ПА, очевидно, находится под гормональным контролем. Были получены прямые доказательства вовлечения АБК-зависимого сигнального пути в регуляцию транскрипции генов метаболизма ПА у растения Arabidopsis thaliana при водном дефиците [18]. Растения M. crystallinum способны накапливать в стрессовых условиях алифатические ПА путресцинового ряда, а также редко встречающийся диамин кадаверин (Кад) [19]. Исследование влияния засоления на уровень гормонов и ПА у типичного гликофита Phaseolus vulgaris и факультативного галофита M. crystallinum выявило стресс-зависимые различия в изменении содержания этих метаболитов. Так, у солечувствитель-ного вида P. vulgaris при действии 100 мМ NaCl в листьях возрастало содержание АБК и ПА, а также обнаруживалась положительная корреляция между содержанием АБК и уровнем диамина Кад [20]. Напротив, в листьях растений M. crystallinum при засолении (400 мМ NaCl) происходило кратковременное увеличение содержания АБК с одновременным снижением содержания путресци-на (Пут), спермидина (Спд) и увеличением уровня спермина (Спм), а также обнаружено накопление ИУК и ЦК [21, 22]. Однако вопрос о том, вовлекается ли АБК в регуляцию содержания ЦК и ПА у галофитов при солевом стрессе, остается открытым.
Цель работы заключалась в исследовании участия АБК в адаптации хрустальной травки к засолению NaCl, в частности, в ослаблении эффекта окислительного стресса посредством регуляции содержания протекторных соединений - ПА, пролина и фитогормонов цитокининового ряда.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Семена Mesembryanthemum crystallinum L. проращивали во влажном перлите, который смачива-
«
св &
3
и
(a)
§
I
Ж
« «
о л
Ч О
ч % s §
о «
& о g £
й °
<D J-1
IS s ^
Й +
Контроль 1 мкМ АБК
100 мМ 100 мМ 300 мМ 300 мМ NaCl NaCl + NaCl NaCl + 1 мкМ АБК 1 мкМ АБК (б)
Контроль 1 мкМ АБК
д о
д 600 £ ,s 500 g & 400 £ Й 300
^ 200
S £ 100
оо п
и
100 мМ 100 мМ 300 мМ 300 мМ NaCl NaCl + NaCl NaCl + 1 мкМ АБК 1 мкМ АБК
(в) „ т
Контроль 1 мкМ АБК
100 мМ 100 мМ 300 мМ 300 мМ NaCl NaCl + NaCl NaCl +
1 мкМ АБК 1 мкМ АБК
Рис. 1. Влияние экзогенной 1 мкМ АБК на биомассу (а), суммарное содержание хлорофиллов а и Ь (б) и содержание ионов натрия (в) в листьях растений хрустальной травки в отсутствие (контроль) или в присутствии в среде МаС! (100 или 300 мМ, 6 суток).
ли разбавленной в 2 раза питательной средой Джонсона в модификации Winter и Holtum [23].
Проростки в возрасте 2 недель рассаживали по одному в сосуды с 0.5 л питательной среды Джонсона нормальной концентрации и выращивали при барботировании воздухом (50 мл/мин) в фитотроне при 12-часовом фотопериоде (натриевые лампы Reflax-250, Россия), освещенности 200210 мкЕ/(м2 с), температуре воздуха 23 ± 1/15 ± ± 1°C (день/ночь) и относительной влажности воздуха 55/70% (день/ночь). Питательную среду в сосудах меняли каждые 5-6
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.