ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 2, с. 228-233
УДК 581.1
РОСТ И СОДЕРЖАНИЕ РЯДА РАСТВОРИМЫХ МЕТАБОЛИТОВ У ДВУХ ВИДОВ ПШЕНИЦЫ, ПОДВЕРГНУТЫХ СОВМЕСТНОМУ ДЕЙСТВИЮ НЕСКОЛЬКИХ СТРЕСС-ФАКТОРОВ
© 2004 г. Ю. Келес, И. Онсел*
Университет Мерсина, Турция * Университет Анкары, Турция Поступила в редакцию 30.09.2002 г.
Изучали влияние совместного действия стресс-факторов на содержание растворимых метаболитов у нескольких сортов Triticum aestivum L. и T. durum Desf. Проростки, выращенные при оптимальной, низкой (НТ) или высокой (ВТ) температуре, подвергали затоплению, засухе или засолению (0.7% NaCl) в течение 6 сут. Оптимальная температура составляла 24/16°C (день/ночь), НТ была равна 5/-5°C и ВТ была равна 40/30°C. Затопление, засуха и засоление снижали сырой вес корней и побегов. Эффект был наибольшим в случае сильной засухи в сочетании с ВТ. Самое низкое относительное содержание воды также наблюдали при такой же обработке растений. Растворимые углеводы (РУ) накапливались при НТ, но их количество снижалось при ВТ. В случае засоления растений при ВТ растения T. aestivum содержали больше РУ, чем растения T. durum. При дефиците воды и засолении заметно увеличивалось содержание пролина, причем растения T. aestivum содержали меньше пролина, чем растения T. durum. Такие данные показывают, что биохимические ответные реакции проростков пшеницы на засуху, затопление и засоление различались при разных температурных условиях.
Triticum aestivum - Triticum durum - углеводы - засуха - фенольные соединения - пролин - белок -засоление - затопление
У растений, подвергнутых действию низкой температуры, развивается физиологическая и биохимическая устойчивость к ней [1]. Ответная реакция растительной клетки зависит от скорости охлаждения. Если температура снижается слишком быстро и за счет обезвоживания не успевает установиться равновесие, вода внутри клетки быстро переохлаждается и затем замерзает. Если же температура снижается медленно, вода успевает выйти из клетки и не замерзает внутри нее [2]. Растворимые углеводы, пролин, глицинбетаин и полиамины могут служить криопротекторами [1]. При охлаждении морозостойкой пшеницы менялся состав растворимых белков и синтезировалось, по меньшей мере, 8 новых белков [3]. Высокая температура плохо влияла на тилакоидные мембраны, РБФ-карбоксилазу и другие ферменты метаболизма углерода. Повышение температуры на 5°С или более по отношению к оптимальной подавляло синтез большинства клеточных
Сокращения: ВТ - высокая температура; НТ - низкая температура; ОСВ - относительное содержание воды; РБ - растворимые белки; РУ - растворимые углеводы. Адрес для корреспонденции: Y. Keles. Education Faculty. Mersin University, Yenisehir Campus, 33169 Mersin, Turkey. Fax: +90 324 3412823; e-mail: ykeles@mersin.edu.tr
белков и активировало синтез небольшого набора белков теплового шока [4].
При развитии выносливости к обезвоживанию накапливаются растворимые соединения, в частности сахара, что, по-видимому, очень важно для защиты растений от засухи [5]. У озимых злаков обезвоживание повышало холодоустойчивость [6]. Биохимия устойчивых и чувствительных к затоплению растений заметно различалась [7]. Повреждение и гибель корней обычно приписывают накоплению токсичных продуктов анаэробного метаболизма, снижению генерации энергии и отсутствию субстратов для дыхания [7, 8].
Основным механизмом адаптации клеток растений к солевому стрессу является регуляция осмотического давления [9]. Нейтральные органические растворимые соединения могут играть важную роль в поддержании осмотического равновесия между цитоплазмой и вакуолью. Глицинбетаин, пролин и сахароза - это соединения, накапливающиеся у многих видов растений при высокой концентрации соли в среде [10].
Целью данной работы было выяснить, как изменение температуры влияет на рост и состав растворимых соединений в проростках пшеницы, подвергнутых затоплению, засухе или засолению. Мы допускали, что сочетание температурного и водного стрессов приведет к дополнительным из-
менениям роста и состава растворимых метаболитов в проростках пшеницы. Вторая задача заключалась в том, чтобы установить, чем различались генотипы двух видов пшеницы, T. aestivum и T. durum, в ответных реакциях на разные сочетания температурного и водного стрессов. Всего мы сравнили 6 генотипов этих двух видов и проанализировали растворимые углеводы (РУ), свободный пролин, растворимые белки (РБ) и растворимые фенольные соединения.
МЕТОДИКА
Рост растений. Работу проводили с проростками Triticum aestivum L. (сорта Безостая-1 (холодостойкий), Seri-82 и Krag-66 (засухоустойчивый)) и T. durum Desf. (сорта Kzltan-91 (засухоустойчивый), Kunduru 414-44 (холодостойкий) и C.1252 (неустойчивый к засухе)). Растения выращивали из семян в камерах фитотрона в пластиковых сосудах диаметром 20 см в смеси почвы, навоза и песка (2 : 2 : 1) с полевой влагоемкостью 27%. NaCl (0.7% по весу) добавляли к почве для ее засоления, но семена высевали в верхний слой почвы, не содержащий NaCl, чтобы не подавить их прорастание. Сосуды поливали через день 100 мл дистиллированной воды в течение 6 сут. Проростки выращивали при 14-часовом фотопериоде и ФАР, составляющей на высоте посева 1040 мкмоль/(м2 с), при температуре 24°/16°C (день/ночь) и 50%-ной относительной влажности воздуха. Через 6 сут проростки переносили в условия НТ (5°/-5°C, день/ночь), оптимальной (24°/16°C) и ВТ (40°/30°C). При этих температурах проростки подвергали затоплению, засухе и засолению в течение 6 сут. Затопление создавали в течение 6-12 сут, покрывая поверхность почвы слоем воды.
Для создания условий засухи растения не поливали в течение 6 сут. Для измерения роста образцы растительного материала брали через 6 сут после наложения водного и теплового стрессов. Пробы для измерения сырого веса корней и побегов состояли из 5 растений. Листья разрезали на 3-сантиметровые сегменты, которые взвешивали. После выдерживания листьев на дистиллированной воде для их регидратации в течение 2 ч при 20°C листья обсушивали и взвешивали. Те же образцы листьев высушивали при 110°С в течение ночи и снова взвешивали. Относительное содержание воды (ОСВ) подсчитывали как (сырой вес - сухой вес)/(вес при насыщении водой - сухой вес) х 100.
Растворимые углеводы. Количество РУ определяли в этанольных экстрактах корней и побегов. Образец лиофилизованной ткани (0.1 г) экстрагировали 10 мл 80% (по объему) этанола при непрерывном встряхивании. Нерастворившийся материал промывали 5 мл 80%-ного этанола. Все растворимые фракции центрифугировали при
5000 g в течение 10 мин. Супернатант хранили при 4°C. Содержание глюкозы и фруктозы анализировали при добавлении 0.5 мл экстракта к 2.5 мл свежеприготовленного антрона (150 мг антрона + + 100 мл H2SO4). Для определения глюкозы смесь помещали в кипящую водяную баню на 5 мин, а для определения фруктозы - в баню с температурой 40°C на 30 мин [11]. После охлаждения измеряли поглощение при 625 нм на спектрофотометре Cecil 5000 ("Cecil Instrument," Англия).
Пролин. Для экстракции и определения свободного пролина использовали лиофилизован-ный материал [12]. Образец листьев (0.1 г) гомогенизировали в 10 мл 3%-ной 5-сульфосалициловой кислоты. Гомогенат пропускали через фильтровальную бумагу Ватман N 1. Пролин определяли, смешивая 2 мл экстракта с 2 мл ледяной уксусной кислоты и 2 мл раствора нингидрина. Смесь инкубировали в кипящей водяной бане в течение 1 ч. После охлаждения приливали 4 мл толуола и сильно встряхивали. Поглощение перешедших в толуол соединений определяли при 520 нм на спектрофотометре Cecil 5000.
Растворимый белок. Образец лиофилизован-ных листьев (0.1 г) экстрагировали при встряхивании с 10 мл холодного 80%-ного ацетона 10 мин. Взвесь центрифугировали при 10000 g в течение 10 мин. Процедуру повторяли с осадком, встряхивая его с 5 мл 80%-ного ацетона. Осадок суспендировали в 2 мл 0.1 М Трис-HCl, рН 8.0, перемешивали в течение 5 мин и центрифугировали при 3000 g 5 мин. Супернатант собирали и хранили при -20°C для определения РБ методом Lowry с соавт. [13].
Растворимые фенольные соединения. Замороженный материал листьев (0.5 г) быстро погружали в 20 мл 80%-ного этанола и кипятили 5 мин. После фильтрования через Ватман N 1 этанол испаряли под вакуумом. Сумму фенольных соединений в водной фазе определяли спектрофотоме-трически с реагентом Folin-Ciocalteu, разбавленным вдвое дистиллированной водой, используя хлорогеновую кислоту в качестве стандарта [14].
Статистика. Результаты были подвергнуты дисперсионному анализу (ANOVA) и был вычислен уровень достоверности (P < 0.05 или P < 0.01). Представлены средние величины и их стандартные отклонения.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Сырой вес побегов проростков пшеницы заметно уменьшался при НТ и ВТ (P < 0.01). У сортов Kunduru и Q.1252 сырой вес уменьшался меньше как при НТ, так и при ВТ (рис. 1). Сочетание ВТ и затопления снижало сырой вес побегов более, чем на 60%. Засуха приводила к уменьшению их сырого веса независимо от температуры. При
е и н
е
сте
а /р
г/ £
а,
г
е
VO
о п с
е
я
й
о р
ы
С
200 160 120 80 40 0
200 160 120 80 40 0
200 160 120 80 40 0
1
56 1
(а)
I
(б)
34
(в)
3 5 2з4.
её®
У/
Контроль Затопление
Засуха Засоление
200 160 120 80 40 0
(а)
е и н е ст
рас 200
160 120 80 40 0
й
е
н р
о к с
е
я й
ыро 200 О 160 120 80 40 0
2 4 <
(б)
1
Hl
(в)
36 2 45
I
Контроль Затоп- Засуха Засоление ление
3
6
6
5
1
6
1
Рис. 1. Сырой вес побегов проростков 6 сортов пшеницы, выращенных при сочетании различных температур и затопления, засухи или засоления (п = 5). Температура (день/ночь): а - 24/16°С; б - 5/-5°С; в -40/30°С.
1 - Безостая-1; 2 - 8еп-82; 3 - Кга?-66; 4 - Кг11ап-91; 5 - Кипёиги 414-44; 6 - £.1252.
засолении потеря сырого веса составляла 40% при оптимальной температуре, 60% при НТ и 75% при ВТ (рис. 1). Сырой вес корней возрастал при НТ (Р < 0.01), но снижался при ВТ. Такой эффект не был связан с водным или солевым стрессом. Самую большую потерю сырого веса корней наблюдали при Вт у сорта Безостая-1 (рис. 2).
Охлаждение мало влияло на ОС
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.