ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2007, том 43, № 3, с. 366-375
УДК 581.1
ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕКАЛЬЦИТРАНТНЫХ СЕМЯН (ОБЗОР)
© 2007 г. Н. А. Гумилевская*, М. И. Азаркович**
* Институт биохимии им. АН. Баха РАН, Москва, 119071 ** Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва, 127276; e-mail: M-Azarkovich@mail.ru
Поступила в редакцию 2.11.2006 г.
В обзоре суммированы и обсуждены результаты исследований физиолого-биохимических характеристик покоящихся и прорастающих рекальцитрантных семян, обладающих глубоким покоем, на примере семян конского каштана (Aesculus hippocastanum L.). Рассмотрены результаты анализа про-теома осевых органов и семядолей и оценено влияние стратификации. Исследована картина экспрессии генов на уровне синтеза белка; охарактеризована in vivo белоксинтезирующая способность клеток зародышевой оси и запасающей паренхимы семядолей зрелых и стратифицируемых семян. Показано наличие функционально активного аппарата трансляции в зрелых семенах, оценена степень его зависимости от транскрипции, установлена возможность синтеза белка в условиях стратификации. Продемонстрировано отсутствие собственного покоя у зародышевых осей покоящихся семян и показана различная чувствительность изолированных осей к экзогенной АБК и другим физиологически активным соединениям.
Семена представляют собой уникальное образование. Они одновременно являются и частью (или органом) целого растения, и носителями новой генерации. Покидая материнское растение, семена функционируют как самостоятельные единицы и служат сохранению видового разнообразия высших растений.
Чтобы выполнить свою физиологическую функцию и обеспечить успешное развитие проростка, семена должны прорасти, то есть возобновить метаболическую и ростовую активность зародыша и продолжить развитие индивидуального растения по новой генетической программе, предусматривающей превращение зародыша семени в проросток, а затем в самостоятельный ав-тотрофный организм.
Прорастание семян - сложный биологический процесс, включающий в себя комплекс морфологических, физиологических и биохимических изменений зародыша, в результате которых зародыш превращается в активно растущий и развивающийся организм. До сих пор нет полной ясности в том, какие молекулярные события, когда и в какой последовательности должны произойти в зародыше, чтобы началось и успешно завершилось прорастание. Определить, что такое прорастание, достаточно сложно, поскольку существует несколько аспектов проблемы прорастания: морфологический, физиологический и биохимический. Считается, что прорастание - это, в первую очередь, возобновление ростовой активности зародыша, возобновление растяжения и деления клеток. Наиболее широко используемым крите-
рием видимого прорастания является момент на-клевывания семян, когда зародышевый корешок пробивает семенные покровы и появляется на поверхности семени.
Семена обладают физиологическими и биохимическими механизмами, позволяющими им оставаться живыми длительное время, но избегать прорастания при отсутствии необходимых для этого условий, то есть находиться в состоянии покоя.
Покой является физиологическим состоянием, обеспечивающим растениям выживание в неблагоприятных условиях и свойственен не только семенам, но и почкам древесных растений, клубням и луковицам. У семян различают состояние вынужденного и глубокого органического покоя. Для прерывания вынужденного покоя достаточного простого контакта сухих семян с водой при благоприятной температуре, глубокий покой прерывается под воздействием тех или иных специфических факторов. Чаще всего состояние глубокого покоя преодолевается в ходе длительного выдерживания влажных семян при низких положительных температурах (2-10°С). Этот прием известен как стратификация [1-4]. Механизм выхода из покоя под влиянием стратификации пока остается непонятным. В свое время была выдвинута гипотеза, что охлаждение приводит к выходу из покоя через изменения в экспрессии генов [5]. К настоящему времени накоплены данные о происходящих при стратификации семян изменениях в гормональном балансе [6], метаболических путях [7], ультраструктуре клеток [8, 9], полипептидном составе белков [10, 11], их синтезе и
деградации [12-14] у семян различных видов. Предложена концепция общности физиологических механизмов подготовки к прорастанию у семян с различными типами покоя [15].
Тем не менее, несмотря на обширные исследования в этой области, в настоящее время нет единой концепции глубокого покоя, все еще остаются неясными причины и время возникновения состояния глубокого покоя, его биохимические механизмы и признаки, метаболические пути преодоления в ходе стратификации.
Известно также, что семена могут различаться не только по типу покоя, но и по степени их устойчивости к высыханию. Семена, развитие которых на завершающем этапе созревания сопровождается генетически детерминированным высыханием (снижением влажности до 10%) без потери жизнеспособности, относят к ортодоксальному типу, а семена, созревание которых не сопровождается глубоким обезвоживанием и которые утрачивают жизнеспособность при снижении влажности ниже определенного уровня (30-50%), относят к рекальцитрантному типу [16-18]. Причина устойчивости к высыханию ортодоксальных семян, как и механизмы, ответственные за неустойчивость к дегидратации рекальцитрантных семян, пока остаются не вполне понятными. Тем не менее состояние глубокого покоя может быть свойственно семенам обоих типов, то есть ортодоксальным и рекальцитрантным. Физиолого-биохимические механизмы, обеспечивающие состояние покоя и его преодоление при стратификации, исследованы преимущественно на семенах ортодоксального типа. Рекальцитрантные семена с глубоким покоем исследованы очень мало. В отличие от ортодоксальных семян они уходят в покой с высоким уровнем влажности и сохраняют при этом метаболическую активность и неизмененную ультраструктуру клеток, но лишены способности прорастать.
Цель исследований, проведенных в группе физико-химических методов анализа Института биохимии им. А.Н. Баха РАН совместно с лабораторией роста и развития им. М.Х. Чайлахяна Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН и поддержанных РФФИ, - изучение физио-лого-биохимических изменений в рекальцитрантных семенах с глубоким покоем во время стратификации и прорастания. Мы полагали, что получение новой информации в этой области может способствовать пониманию механизмов поддержания и преодоления глубокого покоя при стратификации у мало изученной группы рекальцитрантных семян. Объектом исследования служили семена конского каштана (Aesculus hippocastanum L.), которые сохраняют высокую влажность (более 50%) после опадения и нуждаются в длительной (около 100 дней) холодной стратификации для
успешного прорастания [15, 19-22]. Мы стремились получить ответ на следующие вопросы: 1) каковы основные характеристики протеома рекальцитрантных семян конского каштана и как они соотносятся с особенностями физиологического состояния; 2) функционален ли аппарат трансляции в тканях зародыша покоящихся семян и возможен ли синтез белка во время стратификации; 3) обладают ли осевые органы покоящихся семян собственным покоем и какова их чувствительность к экзогенным фитогормонам.
БЕЛКИ СЕМЯН КОНСКОГО КАШТАНА
Важным этапом в исследовании физиолого-биохимических особенностей рекальцитрантных семян с глубоким покоем является анализ их белкового комплекса. Тем не менее о свойствах, состоянии и метаболизме белков в зародышах покоящихся и проклюнувшихся семян конского каштана известно очень мало.
Семена конского каштана следует отнести к семенам небелкового типа. По нашим данным, содержание белка в осях и семядолях в расчете на сырой вес составляет около 4% и 0.5% соответственно [23]. По другим данным, количество белка в целых семенах не превышало 8% на сухой вес [24]. Нами был проведен анализ характера внутриклеточного распределения, растворимости, полипептидного состава и отношения к тепловой денатурации белков осевых органов и запасающей паренхимы семядолей в зрелых и стратифицируемых рекальцитрантных семенах конского каштана [23, 25-28].
Полученные результаты показали, что в семенах каштана белки локализованы преимущественно в цитозоле, а на долю фракции клеточных структур, осаждаемых в интервале 1000-20000 g, приходится лишь незначительная часть суммарного белка. В осях она составляет 14-17%. Содержание белка в этой фракции оставалось постоянным в ходе стратификации и не изменялось при прорастании, что может косвенно указывать на отсутствие в клетках осевых органов каких-либо специфических структур, содержащих запасные белковые отложения, которые мобилизуются при прорастании. В клетках запасающей паренхимы семядолей на долю фракции клеточных структур приходится незначительная часть (около 5%) суммарного белка ткани. Среди белков этой фракции отсутствуют мажорные компоненты, которые могли бы претендовать на роль запасных белков. Можно предположить, что в семядолях рекальцитрантных семян конского каштана типичные белковые тела либо совсем не образуются, либо их очень мало. Это предположение хорошо согласуется с данными о сходстве структуры клеток зародышевой оси и семядолей у семян конского каштана и об отсутствии в них белко-
вых тел [24]. Возможно, что источником азота в период гетеротрофного роста зародышевой оси служат небелковые соединения, или же в роли запасных белков выступают некоторые фракции растворимых цитозольных полипептидов. В рекальцитрантных семенах авицении (Avicenia marina), которые, в отличие от семян конского каштана, не имеют глубокого покоя и прорастают сразу после опадения, также не обнаружены белковые тела и запасные белки [29]. Предполагается, что источником азота в них служат аминокислоты или нуклеотиды. По-видимому, вопрос о присутствии запасных белков в рекальцитрантных семенах достаточно сложен и нуждается в дальнейшем исследовании.
Другая характерная особенность белкового комплекса семян конского каштана состоит в очень низком содержании в них глобулинов. Так, в семядолях глобулины составл
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.