ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2013, том 74, № 3, с. 167-179
УДК 581.1
ВЛИЯНИЕ ДЕФИЦИТА ВОДЫ НА ФУНКЦИИ МИТОХОНДРИЙ И ПОЛИМОРФИЗМ ФЕРМЕНТОВ ДЫХАНИЯ У РАСТЕНИЙ
© 2013 г. З. Ф. Рахманкулова, Е. В. Шуйская, Е. С. Рогожникова
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений
им. К.А. Тимирязева РАН 127276Москва, ул. Ботаническая, 35 e-mail: zulfirar@mail.ru, evshuya@mail.ru Поступила в редакцию 11.09.2012 г.
Адаптационно-компенсаторные реакции в стрессовых ситуациях всегда сопряжены с дополнительными затратами энергии растений. Высказано предположение о наличии связи между генетической изменчивостью дыхательных ферментов и их функциональной значимостью у растений, произрастающих в условиях водного стресса. На примере Kochiaprostrata (L.) Schrad. был проанализирован генетический полиморфизм вида в условиях засухи с использованием типичных белковых маркеров, которые с функциональной точки зрения являются характерными дыхательными ферментами. Из восьми исследованных белковых маркеров были выделены четыре фермента, которые характеризовались доминирующим сочетанием генотипов Dia B (a), G6pd (a), Gdh (c) и Mdh A (a), частота встречаемости которых во всех популяциях полуаридной и аридной зоны равнялась 0.53-1.0, т.е. составляла более 50% от всего многообразия сочетаний. Данная комбинация генотипов, возможно, является "адаптивным сочетанием" для популяций K. prostrata, произрастающих в аридных условиях. Характерной особенностью выделенных ферментов является то, что все они НАД(Ф)+-зависимые оксидоредуктазы, занимающие ключевые позиции в функционировании и ре-докс-регуляции дыхательного метаболизма при адаптации к водному дефициту. Предполагается, что наличие таких сбалансированных коадаптированных сочетаний генотипов, важных с энергетической точки зрения ферментов, детерминирует формирование энергетического и редокс-балан-сов в процессе адаптации к водному стрессу.
В последние годы в результате глобального изменения климата во всем мире увеличивается частота и интенсивность засух, что в значительной степени сказывается на росте и выживании сельскохозяйственных культур и эндемичных видов растений. Понимание того, как растения реагируют на нехватку воды, имеет решающее значение для прогнозирования последствий изменения климата на продуктивность сельскохозяйственных культур и функционирования экосистем (АШп, МаЛеге1, 2009).
Биоэнергетические основы формирования продуктивности растений охватывают все уровни адаптивных реакций - от молекулярного, субклеточного до организменного и биоценоти-ческого. Представление о том, что поддержание энергетического баланса (отношение фотосинтеза и дыхания) служит основой процесса адаптации, возникло как один из ведущих принципов экологической физиологии растений еще полвека назад, но актуально до сих пор. Только имея достаточные запасы свободной энергии, аккуму-
лированной в процессе фотосинтеза, индивидуальные растения и биоценозы могут обеспечить высокую потенциальную продуктивность и экологическую устойчивость в варьирующих условиях внешней среды (Жученко, 2008). От баланса между дыханием и фотосинтезом зависит прежде всего рост биомассы и, как следствие, конечная продуктивность растений как в норме, так и при стрессе (Рахманкулова, 2002, 2009). В условиях засухи основным фактором, способствующим снижению продуктивности, является тормозящее действие дефицита воды на интенсивность ассимиляции углерода (Atkin, Macherel, 2009) в результате сокращения устьичной и мезофил-льной проводимости (Boyer, 1982; Flexas et al., 2006), падения активности ферментов С3 и С4 фотосинтетических циклов в сочетании с быстрыми изменениями в клеточном метаболизме (Lawlor, Cornic, 2002; Chaves et al., 2009). Вторым важнейшим фактором, определяющим влияние данного вида стресса на продуктивность растений, является реакция митохондриального
дыхания на недостаток воды, которая более разнообразна, чем фотосинтетическая, и зависит от типа ткани, вида и возраста растений, продолжительности и тяжести засухи. При этом, в отличие от большого числа исследований, оценивающих последствия воздействия засухи на фотосинтез, сравнительно мало внимания уделяется пониманию того, как митохондриальный дыхательный метаболизм меняется в условиях водного стресса (Atkin, Macherel, 2009). Известно, что дефицит воды почти всегда подавляет дыхание (R) в активно растущих корнях и в целых молодых растениях. В зрелых листьях реакция растений на недостаток воды более разнообразна: две трети исследований показали снижение интенсивности R, большая часть остальных не показали никаких изменений и только в нескольких исследованиях сообщалось об увеличении R листьев в жестких условиях дефицита воды. Аткин и Мачерел (Atkin, Macherel, 2009) предложили модель, согласно которой именно митохондриальное R играет решающую роль в выживании и быстром восстановлении продуктивности в условиях водного стресса. Кроме того, показано, что в функционировании митохондрий в растениях, особенно при стрессе, играет значительную роль редокс-регуляция (Giraud et al., 2011).
Концепция о редокс-контроле и редокс-сигна-линге в клеточном метаболизме является одной из важных парадигм современной физиологии растений (Foyer, Noctor, 2009; Giraud et al., 2011). Клеточный редокс- или окислительно-восстановительный (НАД(Ф)/НАД(Ф)Н) гомеостаз считается "интегратором" информации о метаболизме, росте растений и их акклиматизации в зависимости от условий окружающей среды, а также о программированной клеточной смерти. Важную сигнальную функцию в редокс-регуляции выполняют активные формы кислорода (АФК), которые также играют многогранную роль в организации и регуляции экспрессии генов и реализации генетической программы у растений. Низкомолекулярные антиоксиданты (например, аскорбиновая кислота, глутатион) не только ограничивают время жизни АФК, но и участвуют в широком спектре других регуляторных функций и редокс-сигналинге. В отличие от них, фотосинтетические редокс-компоненты, такие, как пластохинон, участвуют в быстрых реакциях на разнообразные формы стрессовых воздействий. Оба типа компонентов редокс-регуляции связаны между собой через тиоредоксины, пероксиредоксины и пири-диннуклеотидный пул и действуют независимо друг от друга для достижения общего энергетического баланса между процессами, производя-
Nucleus
Gene expression
SH/SS?
NADPH redox state "
Respiration Photorespiration . Cytosolic substrate
Mitochondrion^^ oxidation
,o2
ROS
Рис. 1. Схема редокс-сигналинга и редокс-регуляции в растительной клетке (Foyer, Noctor, 2009). Пояснения и сокращения см. в тексте.
щими энергию и энергию потребляющими (Foyer, Noctor, 2009) (рис. 1). Цитозольный НАД(Ф)Н редокс-статус зависит от окисления субстрата в цитоплазме, а также от поступления восстановителя из хлоропластов и митохондрий с участием редокс-транслокаторов, которые особо активны на свету. Помимо биосинтетических процессов НАД(Ф)Н необходим для регуляции активности RBOH (respiratory burst oxidase homolog - гомолог оксидазы дыхательного взрыва), который является аналогом НАД(Ф)Н-оксидазы, локализован на плазмалемме и связан с пероксидазным (PX) восстановлением Н2О2 (ROS - reactive oxygen species - активные формы кислорода). Установлено, что альтернативные митохондриальные де-гидрогеназы (altDH), окисляющие цитозольную НАД(Ф)Н, также влияют на редокс-статус клетки. Кроме того, важным элементом редокс-сигналинга при стрессе является тиолдисульфидная система (SH/SS), участвующая в регуляции экспрессии ядерных генов (Foyer, Noctor, 2009).
В энерготрансформирующие процессы вовлечено огромное количество ферментов, значительная часть которых представлена генетически детерминированными множественными молекулярными изоформами, функционирующими в различных клеточных компартментах. Показано, что эти изоферменты часто проявляют внутривидовой полиморфизм и широко применяются в популяционно-генетических исследованиях в качестве молекулярно-генетических маркеров (аллозимов), поскольку их гораздо легче обнаружить, чем другие белки, по катализируемой ими реакции (Koch, Bernhardt, 2004). В част-
ности, в качестве таких маркеров часто используют дыхательные ферменты (Vertleij, Koniuszek, 1981; Айала, 1984; Созинов, 1985; Soltis, Soltis, 1990).
Накоплено немало фактов, свидетельствующих о селективности данных маркеров, т.е. давлении на них условий окружающей среды (стресса) (Айала, 1984; Berry, Kreitman, 1993; Hudson et al., 1994; Krieger, Ross, 2002; Алтухов, 2003; Spooner 2005). Появилось множество работ по выявлению локусов с четкой корреляцией между частотами аллелей и различными экологическими условиями, которая позволяет интерпретировать данные локусы как вовлеченные в локальную адаптацию (Joost et al., 2007; Coop et al., 2010; Manel et al., 2010a,b; Poncet et al., 2010). Подобная корреляция может быть объяснена либо сцеплением с адаптивно значимыми генами, либо действием отбора именно на этот ген. Так как маркерами являются продукты генов белки, возникает вопрос о функциональной значимости белков, находящихся под давлением отбора. Ранее было установлено, что энзимы, прямо связанные с энергетическим метаболизмом, менее изменчивы по сравнению с другими водорастворимыми - менее специализированными и функционально менее нагруженными белками (Gillespie, Kojima, 1968). На основе анализа полиморфизма белков и их функциональной значимости, проведенных на дрозофиле, млекопитающих и человеке, Джонсоном было сформулировано предположение, что ферменты, занимающие ключевые позиции в основных метаболических путях, должны быть наименее полиморфными (Johnson, 1974, 1976; Алтухов, 2003). Подобный анализ генетического полиморфизма ферментов у растений на сегодняшний день практически отсутствует. Хотя именно растения могут послужить удобной моделью для изучения взаимодействия в цепочке "стресс -функция - фермент - ген" в естественных условиях. Популяционный подход к изучению адаптивной изменчивости ферментов, вовлеченных в энергетический метаболизм, с учетом их функциональной значимости позволит понять механи
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.