ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2004, том 40, № 6, с. 659-667
УДК 581 132:577.175
ВЛИЯНИЕ ЦИТОКИНИНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ НА СТАБИЛЬНОСТЬ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА ДВУХ СОРТОВ ПШЕНИЦЫ ПРИ ВОДНОМ ДЕФИЦИТЕ
© 2004 г. О. Ф. Монахова*, И. И. Чернядьев**
*Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва, 127276,
e-mail: ifr@ippras.ru **Институт биохимии им. АН. Баха РАН, Москва, 119071 Поступила в редакцию 26.02.2004 г.
В условиях прогрессирующего водного дефицита у молодых проростков и листьев взрослых растений пшеницы Triticum aestivum L. сортов Мироновская 808 (более устойчивый) и Лютесценс 758 (менее устойчивый) сравнивали карбоксилирующую активность ключевого фермента углеродного метаболизма - рибулозобисфосфаткарбоксилазы/оксигеназы (РБФК/О, КФ 4.1.1.39), фосфоенолпи-руваткарбоксилазы (ФЕПК, КФ 4.1.1.31) и интенсивность фотосинтетической ассимиляции углекислоты. Негативное влияние водного стресса на все исследованные показатели фотосинтетического аппарата было более выражено у сорта Лютесценс 758. Проростки были более чувствительны к действию водного стресса. Соединения с цитокининовой активностью (6-бензиламинопурин, тидиазурон, картолин-2, картолин-4) играли защитную роль, повышая стабильность фотосинтетического аппарата в условиях водного дефицита. Максимальное защитное влияние оказывали препараты картолинов.
Водный дефицит является наиболее распространенным видом стрессового воздействия на сельскохозяйственные культуры. Адаптационные механизмы растений к низкому содержанию влаги и повышенным температурам изучены недостаточно [1-3]. Вместе с тем исследование стабильности и приспособительных возможностей генотипов и сортов, устойчивых к водному и другим видам стрессов, представляет несомненный теоретический и практический интерес. Появилось новое направление науки - биохимическая адаптация, изучающая механизмы, ответственные за стабильность структур и сохранение функциональной активности в стрессовых условиях [4]. Показано, что при возникновении стрессовой ситуации в растении включаются соответствующие сигнальные системы [3, 5] и формируется сложный многоуровневый ответ, позволяющий повысить толерантность к данному или ко всем видам стрессов [6, 7].
Фотосинтез чрезвычайно чувствителен к воздействию водного дефицита и повышенных температур. Даже небольшое падение водного потенциала вызывает закрытие устьиц, нехватку С02 в фотосинтезирующих тканях и снижение интенсивности фотосинтетической ассимиляции углекислоты как интегрального показателя процесса [1, 8-10]. По мере все большего снижения оводненности тканей происходят структурные и функциональные нарушения фотосинтетического аппарата [1, 3, 8-11].
На световой стадии фотосинтеза водный дефицит, по-видимому, более всего ингибирует фо-
тосистему (ФС) II, нарушение работы которой выражено в большей степени и предшествует ин-гибированию ФС I [1, 8, 10, 12]. Так, например, в листьях ячменя (Hordeum vulgare L.) обезвоживание и высокая температура приводили к нарушению электронного транспорта, главным образом, на акцепторной стороне ФС II [13]. Под действием засухи и высоких температур у пшеницы (Triticum aestivum L.) стресс часто сопровождался свертыванием листьев под контролем двух доминантных генов Rl 1 и Rl 2, введение которых методом беккроссов способствовало сохранению тургес-центного состояния листьев и лучшей адаптации растений [14]. У устойчивых к засухе сортов пшеницы обнаружено более быстрое и полное восстановление интенсивности фотосинтетической ассимиляции углекислоты после возобновления полива и меньшее падение ее во время стрессового воздействия [15, 16], сопровождавшееся меньшим снижением урожая [17, 18].
О причинах ингибирования фотосинтетической ассимиляции углекислоты нет единого мнения, поскольку они, по-видимому, многообразны и носят устьичный и неустьичный характер (см. обзоры [8-10]). К устьичным факторам относятся, например, возрастение устьичного сопротивления и падение интенсивности транспирации, а к неустьичным - нарушения энергетического баланса, нехватка АТФ, ингибирование АТФазы, снижение скорости регенерации рибулозо-1,5-био-фосфата, активности и количества ключевого
659
4*
фермента - рибулозобисфосфаткарбоксилазы/ок-сигеназы (РБФК/О, КФ 4.1.1.39).
При подавлении интенсивности фотосинтетической ассимиляции углекислоты в условиях водного стресса существенно изменяется фотосинтетический метаболизм углерода [1, 3, 8]. В первую очередь это касается реакций восстановительного пентозофосфатного цикла Кальвина-Бенсона. Качественные и количественные изменения продуктов фотосинтеза соответствуют падению кар-боксилирующей активности РБФК/О: снижалось содержание 3-фосфоглицериновой кислоты, фосфорных эфиров сахаров, а также нефосфорили-рованных сахаров, возрастало количество алани-на ("аланинный эффект"), по-видимому, за счет снижения отношения АТФ/НАДФН и уменьшения экспорта фосфотриоз [3]. Кроме того, при жестком водном дефиците, когда интенсивность фотосинтетической ассимиляции углекислоты ингиби-рована в значительной степени, в листьях пшеницы было обнаружено резкое нарастание относительного содержания целлюлозы. По-видимому, в отличие от других продуктов фотосинтеза пути биосинтеза этого полисахарида, составляющего главную массу клеточных стенок, более устойчивы к воздействию почвенной засухи [3].
О том, какие ферменты углеродного метаболизма больше всего повреждаются при водном стрессе, данные противоречивы (см. обзоры [8-10]). Сообщалось, что из десяти исследованных ферментов наиболее чувствительным к водному дефициту был комплекс НАДФ-глицеральдегидфосфатде-гидрогеназы, состоящий из фосфоглицераткина-зы (КФ 2.7.2.3) и глицеральдегидфосфатдегидро-геназы (КФ 1.2.1.13). По данным других авторов, в наибольшей мере водный стресс вызывал ингиби-рование карбоксилирующей активности РБФК/О и активность фруктозобисфосфатазы (КФ 3.1.3.11) [19-21]. Получены данные [8, 9] об отсутствии влияния водного дефицита на активность рибозо-фосфатизомеразы (КФ 5.3.1.6) из листьев ячменя, хотя этому ферменту принадлежит важная роль в образовании рибулозо-1,5-бисфосфата - субстрата РБФК/О. Активность фосфоенолпируваткар-боксилазы (ФЕПК, КФ 4.1.1.31), которая у С3-рас-тений играет роль анаплеротического карбоксили-рующего фермента, изменялась как в сторону снижения, так и повышения, но чаще всего в меньшей мере, чем активность РБФК/О и других ферментов восстановительного пентозофосфатного цикла [8, 9].
Одним из способов повышения стабильности фотосинтезирующих тканей к неблагоприятным факторам среды является обработка растений фиторегуляторами цитокининового типа. Цито-кинины, как известно, играют важную роль в регуляции многих физиологических процессов растений, в частности фотосинтеза [2, 8, 9, 11, 22, 23].
В самое последнее время вопреки сомнению скептиков в хлоропластах был не только обнаружен полный спектр цитокининов, но и продемонстрировано наличие белков, связывающих цитокини-ны, которые были специфичны для транскрипционной системы хлоропласта (см. обзор [24]).
Предпринятое нами изучение стабильности фотосинтетического аппарата двух генотипов растений пшеницы, отличающихся по засухоустойчивости, должно было ответить на вопрос, насколько велики различия между сортами и какова роль цитокининов в адаптации растений к водному стрессу. У проростков и взрослых растений пше-нипцы двух сортов - Мироновская 808 (более устойчивый) и Лютесценс 758 (менее устойчивый) - сравнивали карбоксилирующую активность ключевого фермента углеродного метаболизма РБФК/О, анаплеротического карбоксилирующего фермента ФЕПК и интенсивность фотосинтетической ассимиляции углекислоты при нормальном водном обеспечении, развитии водного дефицита и последующей регидратации.
В роли соединений с цитокининовой активностью использовали: высокоактивный синтетический аналог цитокининов 6-бензиламинопурин (БАЛ), тидиазурон (ТДЗ, ^фенил-№-1,2,3-тидиазолил-5-мочевина), являющийся стимулятором опадения листвы и применяющийся в качестве недорогого и экологически безопасного дефолианта под коммерческим названием "дропп", а также два препарата из группы картолинов - картолин-2 (К-изопропоксикарбонил-о-4-хлорфенилкарба-моил-этаноламин) и картолин-4 (о-изопропил-N-2-оксиэтилкарбамат).
По величине цитокининовой активности препараты соответствовали ряду: картолины > ТДЗ > > БАП. При этом в отличие от других соединений с цитокининовой активностью картолины снижали транспирацию листа, не влияя на величину открытия устьичных щелей. Более подробная характеристика различающихся по химической структуре и активности цитокининовых препаратов была представлена в обзорах [8, 9, 25].
Цель работы - исследование влияния цитокининовых препаратов на стабильность фотосинтетического аппарата (активность карбоксилирую-щих ферментов и интенсивность фотосинтетической ассимиляции углекислоты) проростков и листьев взрослых растений двух различных по устойчивости сортов пшеницы в условиях умеренного и жесткого водного стресса.
МЕТОДИКА
Объект исследования. Использовали растения пшеницы (Triticum aestivum L.) озимого сорта Мироновская 808, характеризующегося высокой урожайностью и относительно высокой степе-
нью толерантности к засухе, и ярового сорта Лю-тесценс 758, отличающегося слабой устойчивостью к обезвоживанию.
Выращивание растений. Предварительно стерилизованные в 0.02%-ном растворе марганцовокислого калия в течение 30 мин и промытые в дистиллированной воде семена выращивали до получения взрослых растений в естественных условиях в вегетационном домике в сосудах с 5 кг смеси, содержащей почву, песок и торф в соотношении 2 : 1 : 1 с добавлением основных элементов минерального питания из расчета 1.8 N, 1.6 Р и 1.2 К г действующего вещества/сосуд.
Для получения молодых проростков растения выращивали в течение 1 нед. в водной среде в климатических камерах. Стерилизованные в 0.02%-ном растворе марганцово-кислого калия в течение 30 мин и промытые в дистиллированной воде семена помещали для выращивания в климатические камеры на 14-часовой фотопериод, освещая проростки отечественными дуговым
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.