научная статья по теме ВЛИЯНИЕ БЛОКИРОВАНИЯ ГЕНА АПОПЛАСТНОЙ ИНВЕРТАЗЫ НА ФОТОСИНТЕЗ В РАСТЕНИЯХ ТОМАТА Биология

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ БЛОКИРОВАНИЯ ГЕНА АПОПЛАСТНОЙ ИНВЕРТАЗЫ НА ФОТОСИНТЕЗ В РАСТЕНИЯХ ТОМАТА»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2015, том 62, № 1, с. 45-51

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 581.1

ВЛИЯНИЕ БЛОКИРОВАНИЯ ГЕНА АПОПЛАСТНОЙ ИНВЕРТАЗЫ НА ФОТОСИНТЕЗ В РАСТЕНИЯХ ТОМАТА

© 2015 г. В. И. Чиков*, Г. А. Ахтямова*, С. Н. Баташева*, А. Л. Михайлов**, Л. А. Хамидуллина*, О. А. Тимофеева**

*Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский институт биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН, Казань **Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань Поступила в редакцию 15.03.2014 г.

Исследовали фотосинтез томатов дикого типа (Lycopersicon esculentum L.) сорта Moneymaker и трансформантов, у которых экспрессия генов апопластной инвертазы в листьях была подавлена с помощью РНК-интерференции (форма Lin8-RNAi). Характер влияния генетической трансформации на фотосинтез зависел от запроса на ассимиляты со стороны потребляющих органов. При выращивании растений в сосудах с ограниченным объемом почвы на начальном этапе роста, когда ростовые процессы наиболее интенсивны, растения Lin8-RNAi отличались повышенным фотосинтезом по сравнению с растениями дикого типа. По мере исчерпания запасов минерального питания фотосинтез опытных растений снижался, при этом у формы Lin8-RNAi в большей степени. Анализ распределения 14С среди продуктов 3-минутной ассимиляции 14СО2 показал снижение у Lin8-RNAi включения 14С в гексозы и повышение включения в продукты гликолатного пути и аспартат. Почвенная подкормка растений нитратным азотом усиливала неуглеводную направленность фотосинтеза, но у трансформантов это было менее выражено. Одновременное измерение СО2-газообмена и выделения Н2О обнаружило малодостоверное увеличение у Lin8-RNAi фотосинтеза, транспирации и концентрации СО2 внутри листа. Однако после уменьшения освещенности со 1556 до 771 мкмоль/(м2 с) через 30-50 мин у растений обоих генотипов происходило снижение фотосинтеза, но при этом транспирация у растений дикого типа снижалась, а у формы Lin8-RNAi увеличивалась. Сделан вывод, что апопластная инвертаза регулирует фотосинтез и через изменение осмотич-ности апопластной жидкости, которая контролирует открытость устьиц.

Ключевые слова: Lycopersicon esculentum — апопластная инвертаза — фотосинтез — освещенность — транспирация — азотное питание

Б01: 10.7868/80015330315010042

ВВЕДЕНИЕ

Значение фермента инвертазы для регуляции углеводного обмена и транспорта ассимилятов отмечалось давно [1]. Распространение этого фермента в растительном мире всеобщее, так как с ее помощью утилизируется транспортируемый продукт фотосинтеза. При этом для экспорта и распределения ассимилятов по растению большое значение имеет именно внеклеточная (апопластная) инвертаза [2]. Изменение активности апопластной инвертазы может играть важную роль в реакции растений на повышение нитратного питания [3], а также на изменение освещенности при выращивании [4]. Растения картофеля,

Сокращение: ДАО — донорно-акцепторные отношения. Адрес для корреспонденции: Чиков Владимир Иванович. 420111 Казань, ул. Лобачевского, 2/31, а/я 30. Казанский институт биохимии и биофизики КазНЦ РАН. Электронная почта: vichikov@bk.ru

в которые был введен дополнительный ген апо-пластной инвертазы, имели пониженный фотосинтез, особенно при низкой освещенности [4]. Кроме этого инвертаза клеточной стенки может играть ключевую роль в ответных реакциях растений на действие различных биотических и абиотических факторов среды, а также в процессах прорастания, морфогенеза, цветения и старения [2, 5]. Было показано, что трансформированные растения с повышенной активностью инвертазы отставали в росте и больше страдали от атмосферной засухи [6]. Поскольку усиление инвертазной активности в апопласте существенно подавляло фотосинтез и продуктивность растений, можно предположить, что снижение активности инвер-тазы должно иметь положительное значение для фотосинтеза и продукционного процесса.

Существует большое число работ, посвященных изучению роли высокой активности инверта-

зы в ряде процессов: при холодовом закаливании [7], старении [8], защитных реакциях [9], фотосинтезе и росте [10, 11], в то время как исследование влияния снижения активности инвертазы еще только начинается [12-14]. Такое воздействие должно в первую очередь оказывать влияние на фотосинтез растений, поскольку предполагается, что моносахара, образуемые под действием апо-пластной инвертазы, могут участвовать в регуляции фотосинтеза по принципу обратной связи

[15]. В этой связи в данной работе было проведено исследование фотосинтеза у растений с пониженной активностью апопластной инвертазы в зависимости от освещенности, уровня азотного питания и возраста растений.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили на трансформированных растениях томата (Lycopersicon esculentum L.) сорта Moneymaker, у которых экспрессия генов апопластной инвертазы в листьях была подавлена с помощью РНК-интерференции. Семена томатов исходной (дикий тип) и генмодифицированной (Lin8-RNAi) формы были любезно предоставлены Dr. S. Sonnewald (Университет Эрлангена-Нюрн-берга, Германия).

В листьях томатов имеются две изоформы ин-вертаз клеточной стенки Lin6-RNAi и Lin8-RNAi

[16]. Поскольку последовательности этих генов высоко гомологичны, удалось подавить экспрессию обеих изоформ с помощью одной векторной конструкции, при этом активность апопластной инвертазы подавлялась в основном в донорных листьях (активность составляла 10-15% от активности в листьях растений дикого типа [14]). Растения выращивали в марлевом изоляторе [4], в вегетационных сосудах, заполненных смесью торфа и речного песка (0.5 кг/сосуд) в соотношении 2 : 1 с добавлением биогумуса 50 г/кг грунта, а также в сосудах емкостью 9 кг, заполненных темно-серой бедной по минеральным веществам почвой. В последнем случае растения использовали для изучения влияния нитратной подкормки на фотосинтез, транспирацию и 14С-углеродный метаболизм.

Измерение интенсивности 3-минутной ассимиляции 14СО2 (после подкормки растений в замкнутой системе с 10-литровым газгольдером) и распределения 14С среди меченых продуктов фотосинтеза проводили при 0.03% СО2, удельной радиоактивности 14СО2 4 мБк/л, естественном освещении, концентрации О2 21% и температуре в день опыта 26° С. Для оценки реакции фотосинтеза растений на дополнительный нитратный азот часть растений одноразово поливали раствором Ca(NO3)2 (1 г/л) по 0.5 л/сосуд. Через 4 ч после полива раствором нитрата измеряли интенсивность фиксации 14СО2 листьями опытных рас-

тений. Для определения включения 14С в растворимые меченые продукты фотосинтеза использовали бумажную двумерную хроматографию [3, 4].

В опыты брали нативную концевую пластинку сложного листа среднего яруса, которую помещали в листовую камеру. Для измерения СО2-газо-обмена и транспирации листьев опытных растений использовали газометрическую установку Walz GFS-3000 (Германия), работающую в проточной системе и позволяющую определять фотосинтетическое поглощение СО2 и транспи-рацию при одновременной регистрации освещенности и температуры опытного листа вне и внутри листовой камеры. На основании этих параметров прибор выдает показатели устьичной проводимости для воды и СО2, а также концентрации углекислоты внутри листа. Все опыты с меченым углеродом 14С проводили в 5-6 биологических и 2 аналитических повторностях. Газометрические опыты проводили в 7 биологических и 10 аналитических повторениях.

Полученные результаты обработаны статистически в программе Microsoft Excel. В таблицах представлены средние значения и их стандартные ошибки. Достоверность различий между средними оценена по i-критерию Стьюдента при Р < 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Поскольку активность апопластной инверта-зы влияет на экспортную функцию листа, то очевидно, что ее участие в этом процессе будет более выражено, когда изменяется взаимодействие между донорными и акцептирующими ас-симиляты органами. Донорно-акцепторные отношения (ДАО) меняются либо в ходе онтогенетического развития растений, либо в связи с изменением уровня минерального питания или освещенности. Размноженные in vitro растения исходного типа (дикий тип) и трансформированные (Lin8-RNAi) высаживали в пластиковые сосуды небольшого размера (по 0.5 кг грунта). Спустя 30 дней была высажена еще одна партия растений. Еще через 30 дней сформировалось две партии растений, из которых первые (более старые и исчерпавшие минеральное питание) в отличие от более молодых характеризовались заторможенным темпом роста. Таким образом, мы имели две группы растений, находящихся в стадии вегетативного роста, но одна группа уже исчерпала запас минерального питания в сосуде и перестала расти, а другая еще росла активно. На этой стадии измеряли интенсивность фотоассимиляции 14СО2 верхушечных долей листьев среднего яруса. Как показали опыты (табл. 1), влияние блокирования гена апопластной инвертазы на фотосинтез листьев-доноров было прямо проти-

Таблица 1. Влияние подавления гена апопластной ин-вертазы на фотосинтез (кБк/(см2 мин)) листьев у растений томатов дикого типа и трансформанта разного возраста

Возраст растений Отношение молодые/старые

Вариант молодые (30 дней) старые (60 дней)

Дикий тип 10.2 ± 0.6 5.6 ± 0.3 1.82

Ьт8-ЯМА1 14.1 ± 1.4 4.2 ± 0.2 3.36

Ш8-:ША1/ Дикий тип 1.38 0.75 —

воположным у молодых и старых растений. Если ростовые процессы в растении протекали активно (молодые растения — 30 дней после посадки), то блокирование гена апопластной инвертазы у формы Ып8-ЯМА1 стимулировало фотосинтез. И наоборот, исчерпание питательных веществ в почве (через 60 дней после посадки) приводило к торможению ростовых процессов, и в этом случае фотосинтез трансформированных растений Ып8-ЯЫА1 снижался в большей степени, чем у растений дикого типа.

Из элементов минерального питания сильное влияние на фотосинтетический метаболизм и экспортную функцию листа оказывает азот в нитратной форме [17, 18]. Поэтому был проведен опыт по влиянию нитратной подкормки на фотосинтез растений, выращенных на бедной по минеральным веществам почве. Через 4 ч после полива растений раствором Са(М03)2 в концентрации 1 г/л верхушечную пластинку лист

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.

Показать целиком