ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 5, с. 759-772
УДК 581.11:581.19
ОРИЗАЛИН-ИНДУЦИРОВАННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ВОДНОГО СТАТУСА И ЦИТОСКЕЛЕТНЫЕ БЕЛКИ ПРОРОСТКОВ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ ПРИ ЗАКАЛИВАНИИ К ХОЛОДУ И ДЕЙСТВИИ АБК
© 2004 г. Л. П. Хохлова, О. В. Олиневич, Н. Ю. Тараканова, О. А. Тимофеева
Биолого-почвенный факультет Казанского государственного университета, Казань
Поступила в редакцию 10.02.2004 г.
Исследовали влияние оризалина - специфического ингибитора полимеризации тубулиновых микротрубочек растительных клеток, на водоудерживающую способность листьев и корней проростков разных по морозоустойчивости сортов озимой пшеницы (ТгШеит aestivum Ь.) при закаливании к низким температурам (3°С, 3 и 7 сут) и действии экзогенной АБК. В контроле (без обработок) оризалин снижал водоудерживающую способность листьев и корней. Закаливание и АБК уменьшали влияние ингибитора на водоудерживающую способность листьев, а на реакцию водоудерживаю-щей способности корней действовали разнонаправленно (закаливание ослабляло, а АБК - усиливала эффект оризалина). Оризалин-индуцированное уменьшение водоудерживающей способности снижалось в ряду мало- —► средне- —► высокоморозоустойчивый сорт и было более выраженным в листьях, чем в корнях, которые характеризовались меньшими значениями водоудерживающей способности и морозоустойчивости. После 3-дневного закаливания растений обнаружено аддитивное действие гипотермии и АБК на вызываемое оризалином снижение водоудерживающей способности листьев и отсутствие этого эффекта у корней. Иммунохимический анализ состава и содержания цитоскелетных белков с использованием вестерн-блот-анализа показал, что в листьях соотношение актиновые/тубулиновые белки выше по сравнению с корнями. Обработка незакаленных растений АБК снижала количество а-, Р-тубулинов и актина в корнях, но не влияла на уровень актина в листьях. Закаливание снимало эффекты АБК на цитоскелетные белки. Наибольшее ин-гибирующее действие на водоудерживающую способность и повышение морозоустойчивости у АБК-обработанных растений оризалин оказывал в опытах с листьями маломорозоустойчивого сорта до и после закаливания. Предполагается, что органо-, сортоспецифическая и АБК-опосреду-емая зависимость водоудерживающей способности от цитоскелетных белков и образуемых ими структур (микротрубочек и микрофиламентов) обуславливается их влиянием на состояние клеточной воды (водный потенциал) и осмотическую водопроницаемость плазмалеммы. Эта зависимость в процессе закаливания растений к холоду и при обработке АБК полнее проявляется в листьях, чем в корнях, и особенно у маломорозоустойчивого сорта.
ТгШеит aestivum - листья - корни - разные сорта - закаливание к холоду - АБК - цитоскелет -водный обмен - морозоустойчивость
Значительное место в ответах клеток растений на внешние абиогенные и биогенные воздействия отводится цитоскелетным структурам, отличающимся высокой лабильностью и динамичностью [1, 2]. Охлаждение и промораживание многих видов растений вызывают деполимериза-
Сокращения: БСА - бычий сывороточный альбумин; ДМСО - диметисульфоксид; РМ8Б - фенилметилсульфо-нилфлуорид, РУБЁ - поливинилидендифлуорид, ЛТ50 - температура, при которой происходит выход 50% электролитов из тканей.
Адрес для корреспонденции: Хохлова Людмила Петровна. 420008 Казань, ул. Кремлевская, 18. Казанский государственный университет, биолого-почвенный факультет, кафедра физиологии и биотехнологии растений. Электронная почта: Ludmila.Khokhlova@ksu.ru
цию микротрубочек [3] и нередко их полную деструкцию вплоть до деградации тубулина [4, 5]. Была обнаружена обратная зависимость между способностью микротрубочек деполимеризо-ваться и уровнем холодостойкости разных видов растений [6]. Предполагается, что на холодостойкость табака влияет холодостабильность его пыльцевых трубок [7], а одной из причин холодо-вого повреждения растений моркови и хлопчатника может быть деструкция микротрубочек [4, 8]. В то же время в работе [9] показано отсутствие связи между деполимеризацией кортикальных микротрубочек и летальным повреждением суспензионной культуры клеток кукурузы.
Сведения о влиянии низкотемпературного закаливания на микротрубочки клеток озимых злаков немногочисленны и противоречивы. По дан-
ным [10], микротрубочки клеток кончиков корней незакаленных и закаленных (2 сут, 4°С) растений ржи не различались по индексу полимеризации, но при 0°С микротрубочки закаленных растений легче деполимеризовались, чем незакаленных. В то же время более половины клеток листьев этого же вида растений, закаленных в течение более продолжительного времени (14 сут, 4°С), после замораживания при -10°С сохраняли полимеризованные микротрубочки, тогда как в незакаленных клетках они полностью разрушались [5]. После холодового закаливания устойчивость к деполимеризующему действию криост-ресса (-7°С, 2 ч) и оризалина приобретали также кортикальные микротрубочки клеток корней зон растяжения и дифференцировки озимой пшеницы [11, 12].
Показано, что экзогенная обработка АБК ("стрессовым" фитогормоном) повышает морозоустойчивость, как незакаленных, так и закаленных проростков озимой пшеницы [13]. Отмечено накопление эндогенной АБК у растений этого вида во время закаливания, и показана неспособность мутантных растений Arabidopsis с нарушенным биосинтезом АБК адаптироваться к холоду [14]. Тем не менее, высказано предположение о существовании зависимых и независимых от АБК путей повышения морозоустойчивости растений [15]. Имеется несколько сообщений о неоднозначном влиянии АБК на микротрубочки. Обработка растений хлопчатника и гороха АБК повышала устойчивость тубулинового ци-тоскелета к холоду, предотвращая вызванную охлаждением деструкцию микротрубочек [8] и способствуя их продольной [16] или наклонной [11] ориентации. В противоположность этому в опытах с суспензионной культурой клеток кукурузы экзогенная АБК не снижала индуцированную охлаждением деполимеризацию кортикальных микротрубочек [9].
Поскольку устойчивость растений к низким температурам зависит от важнейших физиологических процессов, то представляет интерес выяснение роли цитоскелета в этих процессах, в частности, в водном обмене. Имеются данные о матричной функции цитоскелетной сети, влияющей на состояние (степень связывания) и свойства клеточной воды [17], и на процессы ее внутри- и межклеточного транспорта [18-20], в том числе на гидравлическую проницаемость клеток растений [21]. Принимая во внимание эти сведения, мы исходили из гипотезы о том, что общей системой, воспринимающей сигналы, как от АБК, так и от низких температур, может быть цитоскелет, динамическая реорганизация которого оказывает влияние на морозоустойчивость растений через изменение водного обмена тканей и клеток.
Эффективным способом защиты озимых злаков от мороза, предотвращающим пороговое обезвоживание клеток внеклеточным льдом, является повышение их водоудерживающей способности, которое происходит у озимой пшеницы в период осеннего закаливания [22]. Представляя собой интегральный физиологический показатель внутриклеточного водообмена, водоудержи-вающая способность зависит от состояния многих клеточных структур. Однако ранее ничего не было известно о вкладе в водоудерживающую способность компонентов цитоскелета. Мы установили [23, 24], что обработка тканей проростков озимой пшеницы ингибиторами полимеризации тубулиновых и актиновых белков приводила к снижению водоудерживающей способности и усилению мембранного транспорта воды. Для углубления начатых исследований наряду с ингиби-торным анализом необходимо было использовать прямые иммунохимические подходы к изучению цитоскелета. В этой связи представляло интерес также выявление сходства и различий в реакции водоудерживающей способности на низкие температуры и АБК.
Цель настоящей работы заключалась в установлении зависимости водоудерживающей способности тканей от содержания и состава белков цитоскелета при раздельном и совместном действии на растения холодового закаливания и АБК. При этом мы стремились выяснить, существуют ли органо- и сортоспецифические особенности этой зависимости у растений с разным уровнем морозоустойчивости.
МЕТОДИКА
Объекты исследования - листья и корни 7-15-дневных проростков трех различающихся по морозоустойчивости сортов озимой пшеницы (Triti-cum aestivum): Безостой 1 - маломорозоустойчивого, Мироновской 808 - среднеморозоустойчивого и Альбидум 114 - высокоморозоустойчивого. Проростки выращивали в кюветах на водопроводной воде при освещенности 100 Вт/м2 и 12-часовом световом дне.
Схемы опытов. Опыты проводили по двум схемам (рис. 1), предусматривающим ступенчатое закаливание (в течение 3 и 7 сут) и разную продолжительность роста растений на среде с АБК. По первой схеме незакаленные растения выращивали при 23°С 7 сут, после этого часть из них закаливали при 3°С 3 сут в термокамере Т 25/1.1 фирмы "Monsator" (Германия). По второй схеме незакаленные растения выращивали при 23°С 9 сут, а затем часть из них в 7-дневном возрасте закаливали при 3°С 7 сут. К половине незакаленных 6-дневных (I схема) и 7-дневных (II схема) проростков в среду выращивания добавляли АБК до конечной концентрации 30 мкМ ("Serva", Германия), на кото-
I схема опытов
Незакаленные (23°C) 0 1 2 3 4 5 6 7сут
-АБК
_|_I_I_I_I_L
H2O, 23°С
0 1 2 3 4 5 6 7 8сут
+АБК
_|_I_I_I_L
H2O, 23°С
АБК
АБК
Закаленные (3°C, 3 сут) 0123456789 10сут
_|_I_I_I_I_L
H2O, 23°С
H2O, 3°С
0123456789 10сут
_|_I_I_I_L
H2O, 23°С
АБК, 3°C
АБК
II схема опытов
Незакаленные (23°C) 012345678 9сут
-АБК
J_I_I_I_I_I_I_L_
H2O, 23°С
0123456789 10сут
+АБК
_|_I_I_I_I_L
H2O, 23°С
АБК
АБК
Закаленные (3°C, 3 сут) 0123456789 1011121314сут
J_I_I_I_I_L_
H2O, 23°С
J_I_I_I_I_L_
H2O, 3°С
0123456789 101112131415сут
J_I_I_I_I_I___I_I_I_I_I_l_
H2O, 23°С
АБК, 3°C
АБК
Рис. 1. Схемы постановки опытов.
рой растения продолжали расти при 23°С соответственно 2 или 3 сут. В опытах с АБК и закаливанием к 6- или 7-дневным проросткам, выросшим при 23°С, за день до закаливания в среду добавляли АБК до концентрации 30 мкМ, а затем растения переносили в термокамеру при 3
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.