ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2015, том 62, № 3, с. 410-419
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1
АКТИВНОСТЬ САХАРОЗОСИНТАЗЫ В ТКАНЯХ СТВОЛА КАРЕЛЬСКОЙ БЕРЕЗЫ В ПЕРИОД КАМБИАЛЬНОГО РОСТА
© 2015 г. Н. А. Галибина*, Л. Л. Новицкая*, М. С. Красавина**, Ю. Л. Мощенская*
*Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт леса Карельского научного центра РАН, Петрозаводск
**Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва Поступила в редакцию 22.08.2014 г.
Изучали активность сахарозосинтазы (СС) и содержание крахмала в ксилеме и флоэме двух форм 40-летних деревьев Betula pendula Roth: обычной березы повислой (B. pendula var. pendula) и карельской березы (B. pendula var. carelica). Для выявления начальных признаков узорчатости использовали 8-летние деревья карельской березы, еще не имеющие видимых отклонений от нормального роста (безузорчатые) и уже приступившие к формированию структурных аномалий ствола (узорчатые). Исследование проводили в период камбиального роста: июнь — активный рост, июль — торможение роста погодными условиями. В июне в ксилеме 40-летних растений обычной березы обнаружили высокую активность СС. Торможение роста в июле у них сопровождалось уменьшением активности СС в ксилеме и накоплением крахмала, особенно во флоэме. У безузорчатых 8-летних растений карельской березы, по сравнению с обычной березой, активность СС в ксилеме была ниже, а содержание крахмала во флоэме — выше. В ксилеме узорчатых растений по сравнению с безузорчатыми максимальная активность СС была примерно в 2.5 раза ниже. Более низкая активность СС в ксилеме узорчатых растений не сопровождалась накоплением крахмала во флоэме. Высказано предположение, что низкая активность СС в период камбиального роста снижает акцепторные способности тканей ксилемы, приводя к существенному возрастанию содержания сахарозы во флоэме, что может быть причиной изменения программы развития клеток в камбиальной зоне карельской березы.
Ключевые слова: Betula pendula var. carelica — камбиальный рост — сахарозосинтаза — крахмал
DOI: 10.7868/S0015330315030057
ВВЕДЕНИЕ
Карельская береза (Betula pendula Roth var. carelica), форма березы повислой, представляет собой уникальный объект исследования для познания механизмов морфогенеза древесных растений. По сравнению с другими древесными породами, структурные аномалии тканей ствола выражены у нее наиболее ярко, характеризуются большим разнообразием проявления в онтогенезе и высоким уровнем эндогенной изменчивости [1].
Оригинальная текстура древесины карельской березы формируется в результате отклонений в деятельности камбия [1, 2]. В зонах развития структурных аномалий не запускается программа гибели клеток, приводящая к формированию сосудов и трахеид ксилемы и ситовидных трубок флоэмы, дифференцирующиеся камбиальные производ-
Сокращение: СС - сахарозосинтаза.
Адрес для корреспонденции: Галибина Наталия Алексеевна. 185910 Петрозаводск, ул. Пушкинская, 11. Институт леса КарНЦ РАН. Электронная почта: galibina@krc.karelia.ru
ные сохраняют протопласт и превращаются в клетки запасающей паренхимы, которые накапливают большие количества липидов и таннинов [2]. Визуально нарушение дифференцировки проводящих элементов ксилемы и флоэмы выражается в появлении крупных скоплений паренхимных клеток, образующих на спилах древесины характерный узор (рис. 1).
В результате многолетних исследований выявлен ряд физиолого-биохимических особенностей, связанных с формированием узорчатой древесины, на основании которых высказано предположение, что к нарушению деятельности камбия и развитию аномальных по строению проводящих тканей приводит повышенный уровень сахарозы в проводящей флоэме и камбиальной зоне [1]. Известно, что сахароза, в отличие от других сахаров, обладает сильным морфогенетическим эффектом: колебание ее уровня в камбиальной зоне переключает дифференцировку клеток с проводящих элементов ксилемы на элементы флоэмы, повышение содержания выше определенного уровня ингиби-
Рис. 1. Поперечные (а, б) и тангентальные (в, г) спилы ствола, демонстрирующие различия макроструктуры древесины двух форм березы.
а, в — обычная береза повислая (Betulapendula var. pendula); б, г — карельская береза (B. pendula var. carelica).
рует деятельность камбия и процессы дифференциации проводящих элементов [3, 4]. Сахароза и образующиеся при ее расщеплении моносахара влияют на функциональное состояние сахар-чувствительных белков клеточных мембран, что ведет к изменению модели экспрессии генов [5, 6].
Утилизация сахарозы в акцепторных тканях происходит при участии ферментов ее гидролиза -инвертазы и сахарозосинтазы ([5, 7, 8] и др.). Саха-розосинтаза (СС) присутствует в растении повсеместно, но наибольшая ее активность обнаружена в акцепторных тканях [9]. В клетке СС находится в свободном или связанном с плазматической мембраной состоянии [8, 10]. Мембраносвязанная форма сахарозосинтазы образует комплекс с цел-люлозосинтазой [8, 11, 12], что дает возможность прямого использования образуемой в результате активности СС УДФ-глюкозы для биосинтеза целлюлозы. Интенсивная метаболизация сахарозы с участием СС и последующая быстрая утилизация
УДФ-глюкозы поддерживают разгрузку сахарозы из ситовидных трубок, что создает градиент концентрации, необходимый для нормального осуществления флоэмного транспорта. Наряду с синтезом полисахаридов клеточной стенки, УДФ-глюкоза расходуется также на биосинтез крахмала [13, 14], образование которого можно рассматривать как регулятор уровня транспортной сахарозы.
Изучение активности сахарозосинтазы проводили в основном на травянистых растениях, данные по березе повислой в литературе отсутствуют. В настоящей работе приведены результаты изучения активности СС в тканях ствола двух форм березы повислой, различающихся по текстуре древесины, - обычной березы повислой и карельской березы - в период камбиального роста, когда изменения метаболического статуса клеток камбиальной зоны могут привести к появлению структурных аномалий ксилемы и флоэмы.
30
60
50
- 40
30 м
о 20 ^
10
19.6 Дата
Рис. 2. Динамика среднесуточной температуры (1) и суммарного количества осадков (2) в течение мая—июля 2010 г. в Петрозаводске.
Данные с сервера "Погода России" (http://meteo.infospace.ru). Метками (X) обозначены даты отбора образцов (21 июня и 19 июля).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Растительный материал и отбор образцов. Исследование проводили на двух формах взрослых 40-летних деревьев Betula pendula: обычной березы повислой (B. pendula Roth var. pendula, далее в тексте - обычная береза) и карельской березы (B. pendula var. carelica). Для выявления начальных признаков узорчатости использовали также 8-летние деревья карельской березы. Для карельской березы характерна широкая вариабельность по срокам начала формирования структурных аномалий ствола: признаки "карелистости" проявляются у нее в возрасте от 5-6 до 14-15 лет [1]. Для анализа отбирали 8-летние растения: (1) еще не имеющие видимых отклонений от нормального роста и развития и (2) уже приступившие к формированию структурных аномалий ствола. Восьмилетние растения карельской березы выращивали из семян, полученных в результате контролируемого опыления деревьев с ярко выраженными признаками узорчатости (Forelia OY, Финляндия). Все опытные деревья произрастали в одинаковых почвенно-климатических условиях на Агробиологической станции Карельского научного центра РАН в 2 км от Петрозаводска (61°45' с.ш., 34°20' в.д.).
Отбор тканей осуществляли в пределах нижней трети ствола, поскольку у "узорчатых" растений аномальность строения тканей в этой области выражена наиболее ярко. Отбор образцов проводили в июне (21.06) и июле (19.07) 2010 г. У березы повислой в условиях Карелии активное функционирование камбия происходит, начиная со второй декады июня и до конца июля [1]. В это
время основная масса ассимилятов тратится на новообразование клеток камбиальной зоны и рост клеточной стенки. В нашем исследовании в связи с отсутствием дождей и высокими температурами в июле (рис. 2) имело место преждевременное торможение деятельности камбия.
На стволе березы вырезали окошки 20 х 8 см и отделяли кору от древесины. С поверхности древесины соскабливали ткани ксилемы, куда входили материнские клетки ксилемы и наружные слои прироста ксилемы текущего года. С внутренней поверхности коры отделяли ткани флоэмы, которые включали камбиальную зону, проводящую флоэму и самые внутренние слои непроводящей флоэмы. Отбор образцов тканей ствола контролировали под световым микроскопом. Для анализа брали по пять растений каждой формы березы.
Биохимические исследования. Растительные ткани растирали в жидком азоте до однородной массы и гомогенизировали при 4°C в буфере следующего состава: 50 мМ Hepes-буфера (pH 7.5), 1 мМ ЭДТА, 1 мМ ЭГТА, 3 мМ ДТТ, 5 мМ MgCl2, 0.5 мМ PMSF. После 20-минутной экстракции го-могенат центрифугировали при 10000 g в течение 20 мин (центрифуга 2-16PK, "Sigma", Германия). Осадок троекратно промывали буфером. Объединенный супернатант диализовали при 4°C в течение 18-20 ч против буфера для гомогенизации, разбавленного в 10 раз. В полученных ферментативных препаратах определяли активность саха-розосинтазы (СС) после инкубации при 30°C в течение 30 мин. Инкубационная среда для определения активности сахарозосинтазы содержала 70 мМ Hepes (рН 7.4), 5 мМ MgCl2, 1 мМ УДФ,
0
1 мМ PPi, 1 мМ НАДФ, 50 мМ сахарозу, 1 U глю-козо-6-фосфатдегидрогеназы, 2 U фосфоглюко-мутазы [15]. Активность СС определяли в направлении распада сахарозы спектрофотометрически по восстановлению НАДФ при X = 340 нм (спектрофотометр СФ-2000, Россия) и выражали в мкмоль распавшейся сахарозы в расчете на г сырой ткани.
Крахмал из тканей флоэмы извлекали хлорной кислотой по методу Пьючера [16], его содержание определяли по количеству образованной в результате кислотного гидролиза глюкозы глюкозо-оксидазным методом.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Характеристика 40-летних растений B. pendula var. pendula и B. pendula var. carelica
У 40-летних растений обычной березы в конц
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.