ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 2, с. 211-216
УДК 581.1
НАСЫЩЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФОНДОВ НИТРАТА В ЛИСТЬЯХ ГОРОХА И САХАРНОЙ СВЕКЛЫ
© 2004 г. С. Ф. Измайлов
Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 05.05.2002 г.
Выявлены основные периоды в насыщении клеток листьев растений гороха (Pisum sativum L.) и сахарной свеклы (Beta vulgaris L.) нитратом при его поглощении корнями. У гороха первые 14 ч весь поступивший в клетки листа нитрат сосредоточивался в метаболическом фонде (в цитозоле). Во втором периоде (14-62 ч) наряду с продолжавшимся заполнением метаболического фонда начиналось поступление нитрата в запасной фонд (в вакуоль). К концу этого периода (62 ч) происходило насыщение метаболического фонда. В третьем периоде (62-110 ч) дальнейшее возрастание общего содержания нитрата в клетке происходило только за счет пополнения запасного фонда. Его насыщение, как и клетки в целом, наступало через 86 ч после начала поглощения. В клетках листа сахарной свеклы к концу первого периода (0-14 ч) были насыщены как метаболический, так и запасной фонды нитрата. Во втором периоде (14-86 ч) величины метаболического и запасного фондов не менялись. При перенесении растений на безазотную среду начинался отток нитрата из запасного фонда, продолжавшийся у гороха в течение 3 сут вплоть до полного истощения. У сахарной свеклы спустя 4 сут после перенесения на безазотную среду нитрат в запасном фонде еще присутствовал. Отток нитрата из запасного фонда у обеих культур был направлен на поддержание оптимального уровня нитрата в метаболическом фонде и, соответственно, сохранение активности нитратредукта-зы. Полученные результаты обсуждаются с точки зрения функциональной разнокачественности процесса компартментации нитрата в клетках разных растений.
Pisum sativum - Beta vulgaris - нитратредуктаза - метаболический и запасной фонды нитрата
Нитрат, поступающий в растительную клетку, распределяется между двумя ее основными ком-партментами - цитозолем и вакуолью (метаболическим и запасным фондами) [1, 2]. Использование различных методических приемов как косвенного, так и прямого определения концентрации нитрата в компартментах показало, что основной зоной их запасания является вакуоль [3-8]. Между тем, нитратредуктаза в клетке локализуется в цитозоле [2, 9, 10]. Поэтому изучение взаимодействия метаболического и запасного фондов является важным аспектом в понимании регуляции активности нитратредуктазы с целью возможного использования всего потенциала растения, направленного на эффективное усвоение нитрата и предотвращения его избыточного накопления в сельскохозяйственной продукции.
Несмотря на более чем 30-летний период изучения этого вопроса, до сих пор недостаточно изучены механизмы, определяющие взаимодействие указанных фондов, природа их генетичес-
Адрес для корреспонденции: Измайлов Станислав Федорович. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35, Институт физиологии растений РАН. Факс: 07(095) 977-80-18; электронная почта: ifr@ippras.ru
кой детерминированности и зависимость от действия различных абиотических факторов. Общим же выводом, вытекающим из проведенных исследований, является то, что импорт в вакуо-лярный компартмент и особенно экспорт из него нитрата осуществляется с гораздо более низкими, чем в случае с метаболическим фондом, скоростями [11]. Однако эти показатели, по-видимому, отличаются у разных культур.
Цель данной работы - изучение кинетических параметров насыщения и истощения метаболического и запасного фондов нитрата у разных культур (гороха и сахарной свеклы), различающихся по специфике метаболизма (белковый или углеводный тип обмена) и солеустойчивости, а также функциональная характеристика этих процессов.
МЕТОДИКА
Объектом исследования служили вторые листья растений гороха (Pisum sativum L., сорт Ульяновский 68) и первые настоящие листья растений сахарной свеклы (Beta vulgarig L. сорт Ялтушков-ская). У растений гороха вторые листья появлялись в возрасте 7-8 сут и увядали в возрасте 20-24 сут. У растений сахарной свеклы первые листья появлялись в возрасте 12 сут и продолжали расти в те-
211
4*
чение месяца. Растения росли в кондиционированных камерах фитотрона при температуре 22/20°С (день/ночь) 16-часовом фотопериоде, освещении ксеноновыми лампами интенсивностью 15-20 клк и относительной влажности 70%. Растения выращивали в водной культуре в сосудах объемом 4 л (100 растений гороха и 84 растения сахарной свеклы на сосуд).
С целью изучения динамики поступления нитрата в различные компартменты клеток листа 5.5-дневные (от начала замачивания семян в воде) растения гороха и 14.5-дневные растения сахарной свеклы (до 6-дневного возраста выращиваемые на воде, а с 6-дневного - на растворе Кнопа, содержащем 0.1 мМ КК03) были перенесены в
20:00 на раствор Кнопа, содержащий 4.2 мМ К03 (недостаток К и Са компенсировали внесением К2Б04 и СаС12 в эквимолярных концентрациях). Далее растения выращивали на этом растворе в течение всего экспериментального периода. Отбор образцов проводили в 10:00. В опытах по использованию запасного нитрата 8-дневные растения гороха, выращенные первые 6 сут на воде, а затем на полном растворе Кнопа, содержащем 12.6 мМ К03, и 17-дневные растения сахарной свеклы, выращенные до 14-дневного возраста на 0.1 дозы раствора Кнопа, а затем на полном растворе Кнопа, были перенесены на безнитратный раствор с той же концентрацией остальных элементов питания. Отбор образцов проводили в 10:00.
Мы определяли размер фондов нитрата путем инкубации целых срезанных листьев в анаэробной газовой среде в отличие от обычно используемых измельченных листьев в анаэробной жидкой среде [9]. Размер общего пула нитрата определяли как содержание нитрата в клетках до инкубации. Размер метаболического пула определяли по количеству нитрита, образующегося путем восстановления эндогенного нитрата за время инкубации. Одновременно измеряли исчезновение нитрата и накопление нитрита. Измерения производили после достижения равновесия между концентрациями нитрита и нитрата. Размер запасного пула определяли как разность между общим и метаболическим фондом.
Активность нитратредуктазы определяли без внесения нитрата в инкубационную среду [9]. Нитрат определяли с салициловой кислотой [12].
Точки на графиках представляют собой средние арифметические из 3-6 биологических по-вторностей. Ошибка средней не превышала во всех опытах 7%.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Поступление нитрата в различные фонды
клетки и активность нитратредуктазы
Поступление нитрата в различные фонды клеток листа в условиях эксперимента происходило при его поглощении корнями. В этом случае нитрат, прежде чем достичь клеток листа, должен пройти длительный по времени и расстоянию путь, а именно - ион должен сначала транспортироваться в радиальном направлении от эпидер-мальных клеток до трахеидных элементов ксилемы корня и затем преодолеть дальние расстояния в корне, стебле и листе. Вследствие этого измеряемое нами время насыщения нитратных фондов листа включало и то время, которое затрачивалось на транспорт нитрата от питательного раствора до клеток листа. Такой подход позволяет судить о процессе поступления нитрата в клетку в условиях естественного питания целостного растительного организма на основе взаимодействия двух его основных полярных органов - корней и листьев.
Общее содержание нитрата (общий фонд). Поступление нитрата в клетки листьев гороха характеризовалось почти линейной зависимостью в период 0-86 ч (рис. 1а). Затем происходил выход на плато, т.е. насыщение клеток листа нитратом происходило через 4 сут от начала его поглощения корнями.
В клетках листьев сахарной свеклы (рис. 2а) поступление нитрата останавливалось через 14 ч. Таким образом, в отличие от гороха насыщение клеток листа нитратом у сахарной свеклы происходило значительно быстрее и, как видно при сравнении данных графиков на рис. 1а и 2а, общее содержание нитрата в листьях сахарной свеклы в 2 раза превышало его содержание в листьях у гороха.
Метаболический фонд. Временной ход поступления нитрата в метаболический фонд (рис. 1а) клеток листьев гороха характеризовался близкой к линейной зависимостью в период 0-50 ч. После 62 ч поглощения абсолютная величина этого фонда достигала максимума и не изменялась в последующие 48 ч вплоть до полного насыщения клетки нитратом (110 ч). Доля метаболического фонда в общем фонде клетки снижалась по мере заполнения последнего со 100 до 40% (рис. 1в).
Поступление нитрата в метаболический фонд у сахарной свеклы (рис. 2а) происходило в период 0-14 ч, после чего его величина практически не менялась. Доля метаболической составляющей в общем фонде клетки достигала 25% (рис. 2в). Таким образом, метаболический фонд у сахарной свеклы, в отличие от такового у гороха, насыщался одновременно с общим фондом, и его доля в процентном выражении была почти в 2 раза ниже, чем у гороха.
500 г
ГО |_0
л 3
Н О
М л
о =к
& о
н &
л &
н к к
250-
о ^ о
к я к н
м <
0 14 38 62 86 110
Время после переноса на нитраты, ч
0 14 38 62 86 110
Время после переноса на нитраты, ч
О
г
е и н а
* Я
е
н о с е о н
л
л е т и с о н т
О
120 г |100
80 604020-
о
и
е
Ш
ю
о т о
0 14 38 62 86 110
Время после переноса на нитраты, ч
Рис. 1. Накопление нитрата (а), активность нитратредуктазы (б) и относительное содержание нитрата в метаболическом и запасном фондах (в) в клетках вторых листьев гороха, выращенного с 5.5-дневного возраста в присутствии
4.2 мМ N0
3 •
1 - общий фонд, 2 - метаболический фонд, 3 - запасной фонд.
Запасной фонд. Поступление нитрата в запасной фонд клеток листьев гороха (рис. 1а) начиналось через 14 ч после перенесения растений на среду, содержащую нитрат, и протекало параллельно с продолжающимся заполнением метаболического фонда вплоть до полного насыщения последнего через 62 ч. После этого весь прирост содержания нитрата в клетке происходил только за счет пополнения запасного фонда. Его насыщение, так же как и общего фонда, заканчивалось через 86 ч. Доля запасного фонда от общего содержания нит
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.