ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2008, том 55, № 3, с. 355-361
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1
ВЫДЕЛЕНИЕ ЭТИЛЕНА, СОДЕРЖАНИЕ АБК И ПОЛИАМИНОВ
В Arabidopsis thaliana ПРИ УФ-В СТРЕССЕ
© 2008 г. В. Ю. Ракитин, О. Н. Прудникова, В. В. Карягин, Т. Я. Ракитина, П. В. Власов,
Т. А. Борисова, Г. В. Новикова, И. Е. Мошков
Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 09.07.2007 г.
Исследовали действие однократного облучения 14-дневных растений Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. расы Columbia (Col-0) низкой (3 кДж/м2), умеренными (6-9 кДж/м2), высокой (18 кДж/м2) и летальной (27 кДж/м2) дозами УФ-В радиации на рост, состояние мембран, выделение этилена, содержание АБК и свободных полиаминов. УФ-В вызывал дозозависимое угнетение роста. Уже через час после облучения было обнаружено повреждение мембран, определяемое по степени выхода электролитов. После низкой и умеренных доз облучения наблюдали транзиторный подъем выделения этилена и содержания путресцина - предшественника спермидина и спермина, с максимумами соответственно через 5 и 24 ч. Высокая и летальная дозы вызывали меньший по интенсивности подъем выделения этилена со слабовыраженной тенденцией к снижению, особенно после летальной дозы. Высокая и летальная дозы тормозили накопление путресцина и вызывали расходование пула спермидина и спермина, а также значительные повреждения или гибель растений. Содержание АБК возрастало в течение первых суток пропорционально полученным дозам. На вторые сутки накопление АБК продолжалось после облучения умеренной дозой. После высокой дозы накопление АБК прекращалось, а после летальной - снижалось на 45%. Представленные данные свидетельствуют об участии этилена, АБК и полиаминов в УФ-В-индуцированных реакциях растений.
Ключевые слова: Arabidopsis thaliana - УФ-В - этилен - АБК - путресцин - спермидин - спермин.
ВВЕДЕНИЕ
УФ-В радиация вызывает многочисленные ответные реакции в растениях, характер которых зависит от дозы радиации. Низкие дозы вызывают экспрессию ряда генов, участвующих в защите от УФ-В [1-3], модифицируя морфологию, развитие и биохимический состав растений [4]. Например, происходит утолщение эпидермиса и накопление в нем флавоноидов и других феноль-ных соединений, что приводит к созданию защитного экрана, поглощающего ультрафиолетовый свет [5-7]. Свободные радикалы, образующиеся под влиянием УФ-В, вызывают активацию транскрипции генов каталазы, глютатионпероксида-зы, аскорбатпероксидазы, супероксиддисмутазы, халконсинтазы - ферментов, определяющих ан-тиоксидантную активность и участвующих в уничтожении активных форм кислорода [8-10]. Высокие дозы УФ-В, кроме того, вызывают некрозы, обезвоживание листьев, подавление роста побегов, т.е. повреждения, характерные для действия многих других стрессоров, таких как высокая температура, засуха, некоторые патогены [4].
Адрес для корреспонденции: Ракитин Виктор Юрьевич. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 007 (495) 977-80-18; электронная почта: rakit@ippras.ru
Механизмы восприятия, трансдукции сигнала и ответные реакции, обеспечивающие выживание растений при различных уровнях УФ-В радиации остаются весьма далеки от понимания, несмотря на интенсивные исследования. Однако достаточно убедительно установлено, что в ответных реакциях участвуют такие соединения, как ионы кальция, активные формы кислорода, салициловая кислота, полиамины и, в первую очередь, фитогормоны: жасмоновая кислота, этилен и АБК [11-14].
Данная работа ограничена изучением влияния УФ-В радиации на выделение этилена, содержание АБк и полиаминов в растениях ЛгаЫёор818 ЛаНана. Этилен участвует практически во всех физиологических процессах, в том числе и в стрессовых ответах растений, регулируя синтез и катаболизм других фитогормонов и, прежде всего, АБК [15, 16]. АБК служит медиатором таких физиологических ответов на действие стрессоров, как закрытие устьиц при засухе и осмотическом стрессе, индукция устойчивости к засолению, засухе, гипоксии и температурным стрессам, а также в реакциях на поранения и атаки патогенов. В отсутствие стресса АБК используется как эндогенный сигнал и регулирует многие аспекты развития растений, включая созревание, покой и
355
3*
прорастание семян, контролирует переход от вегетативного роста к репродуктивной фазе, а также определяет чувствительность к другим гормонам, таким как этилен и жасмоновая кислота [17, 18]. Полиамины (спермидин, спермин и диамин путресцин) вовлечены во множество клеточных процессов, включая конденсацию хроматина, поддержание структуры ДНК, процессинг РНК, трансляцию и активацию протеинов. Полиамины участвуют в регуляции таких жизненно важных процессов, как клеточное деление, дифференциация, формирование корней и побегов, инициация цветения, завязывание, рост и созревание плодов, старение и адаптация растений к изменяющимся условиям окружающей среды [19-22]. Предположительно увеличение содержания полиаминов, особенно путресцина, в тилакоидных мембранах при повышенном уровне УФ-В представляет собой один из первичных механизмов, защищающих фотосинтетический аппарат от УФ-В радиации [23]. Полиамины осуществляют защитные функции при окислительном стрессе, связывая свободные радикалы, активные формы кислорода, предотвращая перекисное окисление липидов [21].
МЕТОДИКА
Выращивание растений. Объектом исследования служили 14-дневные, выращенные в стерильных условиях, растения Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. расы Columbia (Col-0). Семена были получены из Центра биологических ресурсов араби-допсиса (Arabidopsis Biological Resource Center, Огайо, США).
Перед посевом семена стерилизовали, смачивая их на фильтровальной бумаге смесью равных объемов 3%-ного раствора пероксида водорода и 96%-ного этанола. Для определения эффектов УФ-В на рост, повреждение мембран, содержание АБК и полиаминов, растения выращивали по 50 штук в стеклянных чашках Петри диаметром 100 и высотой 15 мм, на 50 мл агаризованной среды Велиминского-Гихнера [24]. В экспериментах по изучению влияния УФ-В на выделение этилена растения выращивали по 10 штук на 5 мл агаризованной среды в сцинтилляционных флаконах объемом 23 мл ("Wheaton Scientific", США), пропускающих свет с длиной волны выше 280 нм. Для поддержания стерильности и газообмена флаконы закрывали фильтровальной бумагой и алюминиевой фольгой. Растения выращивали при температуре воздуха 23°С днем и 18°С ночью, 16-часовом фотопериоде и освещенности 150 мкМ/(с м2). В качестве источника света использовали люминесцентные лампы ЛБ-80 (Россия). Интенсивность света контролировали измерителем света LI-189 ("LI-COR", США).
Облучение растений УФ-В светом. Облучение растений проводили в интенсивно вентилируемой
камере с люстрой из 10 эритемных ламп ЛЭ-30 (Россия). Интенсивность облучения измеряли УФ-радиометром ("ТКА-АВС", Россия). На уровне растений она составляла 5 ± 0.5 Вт/м2 в области УФ-В диапазона (280-320 нм). Дозу УФ-В радиации регулировали продолжительностью облучения. По степени воздействия на растение (торможение роста, повреждения, летальный исход) были использованы следующие дозы УФ-В радиации: низкая 3 кДж/м2 (10 мин), умеренные 6-9 кДж/м2 (20-30 мин), высокая 18 кДж/м2 (60 мин) и летальная 27 кДж/м2 (90 мин). Перед облучением с чашек Петри и флаконов снимали крышки и для предотвращения завядания растений закрывали их стрейтч-пленкой, прозрачной для УФ-В (пленка для пищевых продуктов "Pa-clan", Польша).
Было обнаружено, что во время облучения агаризованная среда образует этилен. Из поверхностного слоя среды этилен быстро диффундирует в заполняющий флакон воздух, откуда его удаляли во время проветривания после облучения, поэтому он практически не мешал определению выделения этилена растениями. Однако этилен, образующийся в пристенном слое среды, не имеющем непосредственного контакта с воздухом, выветривается лишь в течение нескольких часов, что не позволяет определять выделение этилена непосредственно растениями. Пристенный слой среды защищали, закрывая флаконы непроницаемыми для УФ-В экранами. Использованные чашки Петри были изготовлены из стекла, не пропускающего УФ-В, поэтому при их облучении не было необходимости в защитных экранах.
Определение выделения этилена. Этилен определяли на газовом хроматографе Цвет 106 с пламенно-ионизационным детектором (Россия) и устройством для концентрирования углеводородов, позволяющим в десятки раз повысить чувствительность определения. Одновременно методом газоадсорбционной хроматографии контролировали содержание двуокиси углерода и кислорода [25]. Содержание двуокиси углерода не превышало 0.5%, а кислорода - не опускалось ниже 20.5%.
Для того, чтобы избежать ошибок, связанных с раневой реакцией, определение выделения этилена проводили на неповрежденных растениях непосредственно в тех флаконах, где их выращивали.
После облучения флаконы закрывали крышками из фильтровальной бумаги и оставляли для проветривания на 1 ч при свете люминесцентных ламп (150 мкМ/(с м2)). Затем флаконы с растениями герметично закрывали пробками из самоуплотняющейся резины (Suba seal red rubber septa, "Aldrich", США) и на 2 ч помещали в темноту при температуре 23°C. Так же закрывали флаконы с
агаризованной средой без растений, атмосферу которых использовали в качестве контроля за содержанием этилена в воздухе и этилена, выделяющегося из агаризованной среды после УФ-В облучения, т.е. в качестве контроля для каждой дозы облучения использовали флаконы со средой, облученной соответствующей дозой УФ-В. После анализа флаконы проветривали в течение 1 мин и опять герметично закрывали пробками для следующего измерения уровня выделяемого этилена.
Определение выхода электролитов из тканей.
Выход электролитов из растений как показатель степени повреждения пограничных мембран определяли у 14-дневных растений арабидопсиса через 1 ч после облучения УФ-В по увеличению электропроводности деионизированной воды, в которой 20 мин находились розетки облученных УФ-В растений (200 мг растений в 20 мл воды). Измерения проводили на рассеянном свету
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.