УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2004, том 124, № 2, с. 185-196
УДК 581.522.4
О ВОСПРИЯТИИ РАСТЕНИЕМ ХОЛОДОВОГО СИГНАЛА
© 2004 г. Ф. Р. Гималов, А. В. Чемерис, В. А. Вахитов
Институт биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН, Уфа
Исследован круг вопросов, связанных с развитием устойчивости растений к низким температурам, включая процессы восприятия и передачи холодового сигнала и активации экспрессии регулируемых холодом генов. Рассмотрены возможные модели температурных сенсоров растений.
Приспособление растений к условиям произрастания предполагает наличие эффективного механизма восприятия и трансформации раздражений окружающей среды. Существенным фактором внешней среды является температура, характеризующаяся очень высокой изменчивостью и значительными перепадами. В силу своей при-крепленности к месту обитания растения вынуждены приспосабливаться к этим перепадам, поскольку температурный режим среды обитания оказывает значительное воздействие на их метаболизм, рост, развитие и продуктивность [25]. Одна из наиболее хорошо охарактеризованных ответных реакций растений на изменения температуры - повышение их холодостойкости при росте в течение определенного времени в условиях низких положительных температур. Во время этого процесса происходят различные изменения в метаболизме и морфологии растений, в том числе ограничение или прекращение роста, временное увеличение концентрации абсцизовой кислоты (АБК), изменения в липидном составе мембран, накопление совместимых осмолитов (пролина, бетаина, полиолов и растворимых сахаров), а также увеличение уровня антиоксидантов [28]. Понижение температуры приводит к индукции экспрессии определенных генов.
За последние годы накоплен достаточно большой объем сведений о структуре и организации подобных генов, их регуляции и вкладе в развитие стрессового ответа растений [47, 95]. Многочисленные исследования показали, что развитие холодостойкости - комплексный признак, проявляющийся при слаженном действии различных систем растительного организма. В настоящее время интенсивно исследуются отдельные этапы развития стрессового ответа (трансдукция сигнала, активация транскрипции генов, посттранскрипционные процессы). Получено достаточно много данных о гормональном и транскрипционном контроле регуляции активности генов холодового ответа. В исследованиях последних лет большое внимание уделяется также выяснению механизмов изменения генной экспрессии в расти-
тельных клетках при понижении температуры окружающей среды, в частности, возможности получения устойчивых к холоду сортов с помощью технологии переноса тех или иных генов. Настоящая работа посвящена обобщению накопленных сведений о молекулярных механизмах развития холодостойкости растений, в том числе процессам восприятия и передачи холодового сигнала и активации экспрессии регулируемых холодом генов.
Следствием первичных нарушений, вызванных воздействием неблагоприятных условий окружающей среды на растения, является индукция синтеза стрессовых белков и отдельных присущих норме белков на фоне подавления тотального синтеза белка [3]. Понижение температуры произрастания также вызывает значительные изменения в составе растворимых белков различных видов растений [9, 39, 61, 62, 76, 78]. Показано, что растения могут приобретать свойства морозостойкости, проходя несколько этапов закаливания, во время которых активизируется весь комплекс защитных средств растения. В мембранах возрастает содержание ненасыщенных жирных кислот, позволяющих поддерживать высокую проницаемость мембран при замораживании, повышается устойчивость плазматических мембран к разрывам, снижается точка замерзания цитоплазмы, отмечается некоторое уменьшение количества внутриклеточной воды, что тормозит образование внутриклеточного льда [4, 8, 85, 98]. При пониженных температурах останавливается рост, в клетках накапливаются соединения, выполняющие защитную функцию. К ним относятся прежде всего полимеры, способные связывать значительные количества воды, моно- и олигосахариды, некоторые аминокислоты, гидрофильные белки [47, 101]. Чем выше их содержание, тем больше способность клетки к выживанию в условиях низких температур.
ФУНКЦИИ БЕЛКОВ ХОЛОДОВОГО ШОКА
Один из подходов к изучению функциональной значимости вновь индуцированных холодом белков подразумевает выделение и анализ свойств соответствующих мРНК и аминокислотных последовательностей. Для многих из них еще не определена точная роль. Возможное исключение составляют некоторые ферменты, участие которых в метаболических процессах уже исследовано [45]. Например, при низких температурах усиливается синтез десатуразы насыщенных жирных кислот и предполагаемого белка-переносчика липидов, кодируемых, соответственно, геном fad8 у арабидопсиса [38] и геном ЪН4 ячменя [47]. Они, вероятно, увеличивают холодостойкость клеток, изменяя состав липидов мембран.
У томата индуцируемые холодом транскрипты идентифицированы как имеющие высокую гомологию с тиоловыми протеазами [88]. По всей видимости, увеличение активности тиоловых протеаз, обеспеченное индукцией экспрессии протеазного гена, необходимо для деградации полипептидов, денатурированных низкими температурами.
Кальций-зависимая протеинкиназа, митоген-активируемая протеинкиназа, синтез которых также регулируется холодом, могут способствовать усилению холодостойкости, контролируя экспрессию генов, участвующих в ответе растений на холод, или регулируя активность белков, вовлеченных в развитие устойчивости к низким температурам [47].
Обнаружено, что при холодовой акклимации некоторых растений индуцируется синтез хити-наз [18, 85]. Включение РЯ-белков в клеточный ответ при холодовом воздействии не совсем понятно, однако, есть предположение, что при инфекции или выдерживании растений при низкой температуре включаются биохимические процессы, приводящие к модификации клеточной стенки растений [84]. При этом может быть синтезирован набор молекул, включающий и РЯ-белки.
Стрессовая реакция растений на действие экстремальных температур сопровождается синтезом также и белков теплового шока (БТШ), относящихся к классу шаперонов. У проростков рапса при холодовом закаливании синтезируется БТШ ИБР 90 [60]. Этот белок, вероятно, действует в комплексе с другими БТШ и участвует в переносе полипептидов, синтезированных во время холо-дового закаливания, Другой возможной функцией этих белков является обеспечение восстановления белков, денатурированных при стрессе.
Выведенные аминокислотные последовательности некоторых белков показывают, что часть индуцируемых холодом генов кодирует белки, сходные с белками, накапливаемыми во время водного стресса и воздействия АБК [86]. Это так называемые дегидрины - белки, синтезируемые в
ответ на дегидратацию. Показано, что они обычно накапливаются у растений при действии низкой незамораживающей температуры и стимулов внешней среды, имеющих обезвоживающий компонент, включая засуху, засоление, высушивание созревающих семян и замораживание [33, 110]. Их конкретная роль неизвестна, но иммунолока-лизации и изучения очищенных дегидринов согласуются с предположением об участии этих белков в стабилизации различных коллоидов и макромолекул в цитоплазме и ядре. Некоторые из индуцированных холодом белков, обладающие значительной гомологией с актин-связывающи-ми белками, вероятно, участвуют в динамической реорганизации цитоскелета при закаливании [32].
Интересным фактом стало обнаружение того, что растения, подобно некоторым рыбам [65] и насекомым [36], синтезируют так называемые "антифризные" белки (АФБ) в ответ на действие низких температур [100]. Эти протеины обладают активностью, вызывающей температурный гистерезис: снижают температуру, при которой образуется лед, но не влияют на точку плавления. Это вызвано тем, что "антифризные белки" связываются с поверхностью растущего кристалла льда и тормозят его дальнейший рост. "Антифризные белки" также влияют на форму кристаллов льда, которые образуются при снижении температуры ниже точки замерзания раствора, и являются сильными ингибиторами рекристаллизации льда, т.е. тормозят объединение малых кристаллов в большие [100].
Температурный гистерезис был обнаружен в клеточном соке многих закаленных однодольных и двудольных растений [18]. Показано, что злаки, включая озимую и яровую рожь, озимую и яровую пшеницу, озимый ячмень и яровой овес, накапливают "антифризные белки" в апопластной жидкости во время холодовой акклимации. "Антифризные белки" не накапливаются в обработанных холодом кукурузе и табаке, которые являются теплолюбивыми растениями и не способны к холодовой акклимации. Более того, АФБ детектируются не у всех способных к холодовой акклимации растений [18]. Интересно, что наряду со способностью модифицировать рост кристаллов льда, эти белки проявляют глюканазную и хитиназную активность, а часть из них является тауматин-подобными белками, что позволило сделать заключение о двойственной роли анти-фризных белков прошедших акклиматизацию растений ржи, участвующих в становлении устойчивости к низким температурам и патогенезу. Один из АФБ был очищен, и оказалось, что он обладает как эндохитиназной, так и антифризной активностью. Этот белок изменял форму кристаллов льда и проявлял относительно низкий уровень температурного гистерезиса. В то же время, очищенная эндохитиназа табака, теплолюбивого
растения, не обладает антифризной активностью, как и эндохитиназа, глюканаза и тауматин-подоб-ные белки, выделенные из клеточного экстракта неакклиматизированной ржи. Таким образом, ан-тифризная активность не является неотъемлемым свойством этих белков.
В растениях арабидопсиса и рапса были обнаружены белки, обогащенные аланином или глицином, имеющие а-спиральную структуру [61, 80]. Эти белки характеризуются определенной гомологией с антифризными белками арктических рыб. Конформационное соответствие данных молекул антифризных белков кристаллографической решетке льда позволяет им адсорбироваться на поверхности эмбриональных кристаллов вдоль оси их преимущественного роста путем конкурентного образования водородных связей.
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.