ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИИ, 2007, том 54, № 1, с. 144-147
КРАТКОЕ СООБЩЕНИЕ
УДК 581.11
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛАЗЕРНОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА МИКРОВЯЗКОСТЬ ВОДНОЙ СРЕДЫ В НАБУХШИХ СЕМЕНАХ КУКУРУЗЫ МЕТОДОМ СПИНОВОГО ЗОНДА
© 2007 г. Ф. Д. Самуилов, Р. Л. Гарифуллина
Казанская государственная сельскохозяйственная академия, Казань Поступила в редакцию 07.02.2006 г.
Методом спинового зонда исследовали микровязкость водной среды в зародышах и эндосперме семян кукурузы (Zea mays L.), облученных на лазерной установке "Львов-1 электроника". По параметрам спектров ЭПР нитроксильных радикалов (зондов), поглощенных семенами с водой при набухании, определены времена корреляции вращательной диффузии тс зонда в зародышах и эндосперме семян. Обнаружено уменьшение тс зондов в зародышах облученных семян по сравнению с необлу-ченными, установлена зависимость величины тс от времени набухания семян. Сделано заключение, что в клетках зародышей семян под действием лазерного облучения происходит уменьшение микровязкости водной среды, возрастание подвижности зондов. Влияние облучения на тс зондов в эндосперме семян проявляется в меньшей степени и также сопровождается увеличением подвижности зондов.
Zea mays - семена - зародыши - эндосперм - лазерное облучение - микровязкость водной среды -метод спинового зонда.
ВВЕДЕНИЕ
В многочисленных исследованиях установлено, что предпосевное облучение семян светом различных длин волн как от естественных источников света, так и от лазеров оказывает стимулирующее действие на рост и развитие растений [1, с. 333-345]. Предполагается, что основную роль при этом играет нефотосинтетическое преобразование энергии света при участии пигмента фи-тохрома. Фитохром является компонентом фото-рецепторной системы растительных клеток, который локализуется в плазмалемме, мембранах митохондрий и хлоропластов, эндоплазматиче-ском ретикулуме и, возможно, в клеточных ядрах.
Имеются данные об участии фитохрома в регуляции окислительного и фотосинтетического фосфорилирования, а также генерации мембранного потенциала [1, с. 83-86; 2; 3, с. 517].
В работах многих исследователей [1, 4] показана важная энергопреобразующая роль плазмалем-мы, тонопласта, мембран эндоплазматического ретикулума, в которых происходят фотоиндуциро-ванные изменения мембранного потенциала и преобразование энергии света в энергию трансмем-
Адрес для корреспонденции: Самуилов Феофан Дмитриевич. 420015 Казань, ул. К. Маркса, 65. Казанская государственная сельскохозяйственная академия, кафедра физиологии растений.
бранного электрохимического потенциала (ДцН+). Другими словами, наряду с поглощением энергии света фоторецепторами, в клетках функционирует взаимосвязанная система мембранных структур, которая ответственна за использование в клетке поглощенной световой энергии и влияет на ее преобразование [1, с. 242]. В то же время почти не изучен вопрос о влиянии светового и лазерного облучения на состояние и подвижность внутриклеточной воды, которая является важным компонентом цитоплазмы, всех клеточных органелл, их мембран и образует единую структуру с макромолекулами клетки.
В связи с вышеизложенным в настоящей работе была поставлена цель: изучить методом спинового зонда влияние лазерного облучения на микровязкость водной среды в набухших семенах кукурузы. Этот вопрос представляет особый интерес и в связи с проблемой взаимосвязи энергетических процессов с состоянием воды в клетках.
МЕТОДИКА
Семена кукурузы (Zea mays L.) сорта Воронежская облучали на установке "Львов-1 электроника". Перед облучением семена увлажняли в течение 12 ч, при этом количество воды составляло 50% от веса семян. Многократно (10-15 раз) проходя через желоб установки, семена последовательно облучались сначала светом лампы блока облучения, затем развернутым лазерным лучом.
Действие лазерного облучения на ЭПР-спектры нитроксильних радикалов (зондов) в зародышах семян кукурузы через 7 ч набухания.
а - зародыши облученных семян, б - зародыши необлученных семян.
Блок облучения создавал частично поляризованный поток красного света с длиной волны 630-650 нм, длина волны лазерного луча соответствовала 632.8 нм, общая мощность излучения составляла порядка 50 мВт. При однократном прохождении через установку время действия на семена светового потока равнялось 0.58-0.60 с, а лазерного луча - 25 мс.
После облучения семена помещали в дистиллированную воду с добавлением водорастворимого нитроксильного радикала 2,2,6,6-тетраметил-4-оксипиперидин-1-оксил:
OH
ИзсГ JXHs
N
I
O
в концентрации 3 х 10-3 М. Время набухания семян в воде варьировали от 7 до 24 ч.
Метод спинового зонда использовали для изучения влияния облучения на микровязкость водной среды в зародышах и эндосперме набухающих семян [5, 6]. Регистрацию спектров ЭПР нит-роксильных радикалов (зондов), поглощенных семенами вместе с водой, проводили на ЭПР-спектрометре фирмы "Thomson" (Франция). После тщательного ополаскивания семян и просушивания их поверхности вырезали зародыш, помещали его целиком в кварцевую пробирку диаметром 5 мм, после чего пробирку помещали в резонатор. Поскольку сильно увлажненные объекты значительно уменьшают чувствительность
спектрометра, спектры были записаны при мощности 50 мВ и амплитуде модуляции 1 Г. ЭПР-спектры, наблюдавшиеся в зародышах семян кукурузы, представлены на рисунке. Для получения спектров молекул зондов в эндосперме в пробирку помещали только его часть, так как эндосперм кукурузы, заметно превышающий по размеру зародыш, целиком в пробирке не помещался.
Спектры интерпретировали на основе модели вращательной диффузии [7]. Для определения времени корреляции тС вращательной диффузии молекул зонда, пропорционального коэффициенту вязкости окружающей зонд среды, использовали формулу, приведенную в работе [8]:
т с=*а
где тС - время корреляции вращательной диффузии (с); К = 6.23 х 10-6 с/Т; АН - ширина центральной компоненты спектра (Т); ^ и - высоты между пиками (мм) первой производной линий поглощения с ядерными магнитными квантовыми числами с М = 0 и М = -1 соответственно (см. АН, ^ и на рисунке). Константы спинового гамильтониана, необходимые при расчете величины К для выбранного нами в качестве спинового зонда нитроксильного радикала, взяты из работы [9, с. 609]. Относительные ошибки в измерении интенсивности и ширины сверхтонких компонент не превышали 8%. Однако в наших опытах спектры были записаны при достаточно высокой амплитуде модуляции, и велика вероятность модуляционного уширения линий. Поэтому вычисленные значения тС следует рассматривать не как истинную величину времени корреляции враща-
146
САМУИЛОВ, ГАРИФУЛЛИНА
Влияние лазерного облучения на время корреляции вращательной диффузии молекул тс спиновых зондов в зародышах и эндосперме набухающих семян кукурузы
Вариант Время замачивания, ч Тс, нс
в зародышах в эндосперме
Контроль, 7 0.24 ± 0.02 0.96 ± 0.15
без облуче- 12 0.32 ± 0.03 0.86 ± 0.13
ния
20 0.18 ± 0.02 0.49 ± 0.06
24 0.15 ± 0.01 0.45 ± 0.05
Облученные 7 0.17 ± 0.02 0.63 ± 0.08
семена 12 0.23 ± 0.02 0.44 ± 0.05
20 0.15 ± 0.01 0.42 ± 0.05
24 0.11 ± 0.01 0.39 ± 0.04
Примечание. Приведены усредненные данные 8-10 повтор-ностей.
тельной диффузии, а как относительную величину, характеризующую микровязкость среды.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Найденные нами величины Тс для зондов в зародышах составляли от 1 х 10-10 до 3 х 10-10 с, в эндосперме - от 4 х 10-10 до 1 х 10-9 с. Эти величины в 10-100 раз больше, чем для чистой воды [6], и значительно больше времен тс, полученных для листьев [6] при использовании той же методики и тех же параметров при записи спектров на том же ЭПР-спектрометре. Это свидетельствует о том, что в первые сутки набухания семян спиновый зонд находится в более "жестком" окружении, чем в листьях, и на движение зонда в большей степени, чем в листьях, влияют молекулы и макромолекулы клеточных структур семян, находящиеся во взаимодействии с водой.
Величины тс в эндосперме в 2-4 раза больше, чем соответствующие величины в зародышах тех же семян, т.е. микровязкость водной среды в зародыше ниже, чем в эндосперме. Это согласуется с данными о том, что зародыш при набухании семян оводняется быстрее и по отношению к сухой массе поглощает воды больше, чем эндосперм [10, 11]. При этом в эндосперме разных семян одного и того же варианта наблюдался разброс величин тс, связанный либо с физиологическими особенностями каждого отдельного семени, либо с различиями в оводненности разных частей эндосперма (при измерениях в пробирке помещался не целый эндосперм, а его часть). В зародышах разных семян одного и того же варианта разброс значений времени вращательной диффузии радикалов был значительно меньше, чем в эндосперме, и составлял около 10%.
Величины тс зондов в зародышах облученных семян были заметно меньше, чем у необлученных семян. Это видно на рисунке, где представлены ЭПР-спектры зондов в зародышах облученных (верхний спектр) и необлученных (нижний спектр) семян после 7-часового замачивания в растворе, содержавшем нитроксильные радикалы. Для верхнего спектра отношение заметно меньше, чем для нижнего, что в соответствии с приведенным выше уравнением означает снижение величины тс в зародышах облученных семян по сравнению с необлученными.
Данные, приведенные в таблице, демонстрируют уменьшение ТС зондов в зародышах и эндосперме облученных семян при увеличении продолжительности их набухания. Результаты показывают, что в зародышах облученных семян окружение вблизи зонда менее стабильно, и молекулы зонда находятся в более интенсивном движении.
Некоторое увеличение микровязкости в зародышах семян после 12-часового замачивания можно объяснить тем, что начальный этап поглощения воды семенами связан с процессом набухания биоколлоидов (преимущественно белков) в зародышах, когда подвижность молекул воды не возрастает в силу их связывания биомакромолекулами в цитоплазме клеток зародыша. Как известно [10, с. 139], белки при набухании могут поглотить до 250% воды, а крахмал поглощает всего 35% воды. Соответственно, в клетках эндосперма, где преобладает крахмал, аб
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.