научная статья по теме ВЛИЯНИЕ САХАРОВ НА РАЗВИТИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА, ВЫЗВАННОГО ГИПОТЕРМИЕЙ (НА ПРИМЕРЕ РАСТЕНИЙ КАРТОФЕЛЯ, ЭКСПРЕССИРУЮЩИХ ГЕН ИНВЕРТАЗЫ ДРОЖЖЕЙ) Биология

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ САХАРОВ НА РАЗВИТИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА, ВЫЗВАННОГО ГИПОТЕРМИЕЙ (НА ПРИМЕРЕ РАСТЕНИЙ КАРТОФЕЛЯ, ЭКСПРЕССИРУЮЩИХ ГЕН ИНВЕРТАЗЫ ДРОЖЖЕЙ)»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 1, с. 39-46

УДК 581.1

ВЛИЯНИЕ САХАРОВ НА РАЗВИТИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА,

ВЫЗВАННОГО ГИПОТЕРМИЕЙ (НА ПРИМЕРЕ РАСТЕНИЙ КАРТОФЕЛЯ, ЭКСПРЕССИРУЮЩИХ ГЕН ИНВЕРТАЗЫ ДРОЖЖЕЙ)

© 2007 г. Ä. Н. Дерябин, М. С. Синькевич, И. М. Дубинина, Е. Ä. Бураханова, Т. И. Трунова

Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва

Поступила в редакцию 04.04.2006 г.

Исследовали влияние Сахаров на развитие окислительного стресса, индуцированного гипотермией, в листьях растений двух генотипов картофеля (Solanum tuberosum L.), выращенных in vitro на MC-среде с 2%-ной сахарозой. В работе использовали нетрансформированные растения картофеля сорта Дезире и растения картофеля, экспрессирующие ген инвертазы дрожжей, находящийся под контролем пататинового промотора В33 класса I и содержащий последовательность лидерного пептида ингибитора протеиназы II для апопластной локализации фермента. При оптимальной для роста температуре 22°C экспрессия гена инвертазы дрожжей в листьях трансформантов привела к изменению углеводного метаболизма, которое выразилось в увеличении активности кислых форм инвертазы и внутриклеточного содержания сахаров (в основном, сахарозы, из-за ее ресинтеза). Экспозиция растений на свету в условиях длительной гипотермии (5°C, 6 суток) вызывала повышение в листьях активности всех форм инвертазы (в наибольшей степени кислой инвертазы) и накопление сахаров. В листьях картофеля, экспрессирующего ген инвертазы дрожжей, эти процессы происходили интенсивней. При гипотермии активность супероксиддисмутазы и интенсивность перекисного окисления липидов в листьях исследованных генотипов картофеля зависели от количества накопленных внутриклеточных сахаров. Сделан вывод о важной роли сахаров как стабилизаторов клеточных мембран и перехватчиков активных форм кислорода, тормозящих процессы свободнорадикального окисления биомолекул при развитии окислительного стресса, индуцированного гипотермией.

Solanum tuberosum - ген инвертазы дрожжей - гипотермия - перекисное окисление липидов - промотор пататина В33 - супероксиддисмутаза

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что синтез сахарозы происходит в цитозоле клеток мезофилла листа на свету. Далее основной ее поток поступает из фотосинтези-рующих клеток в русло дальнего транспорта (флоэму) апопластным или симпластным путем. Часть сахарозы, распадаясь на глюкозу и фруктозу, используется в процессе метаболизма и, наконец, оставшаяся сахароза поступает во временное депо ассимилятов - вакуоль. Реакцию распада сахарозы до глюкозы и фруктозы катализирует фермент из класса гидролаз - инвертаза ф^-фруктофуранозид-фруктогидролаза, КФ 3.2.1.26) [1, 2]. В растениях она представлена тремя фор-

Сокращения: АФК - активные формы кислорода; МДА -малоновый диальдегид; ПОЛ - перекисное окисление липидов; СОД - супероксиддисмутаза.

Адрес для корреспонденции: Дерябин Александр Николаевич. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 007 (495) 977-80-18; электронная почта: trunova@ippras.ru.

мами, которые различаются по биохимическим характеристикам и субклеточной локализации. Инвертазы с оптимумом рН 4.5-5.0 находятся во внеклеточном пространстве - апопласте и связаны с клеточной стенкой, а также содержатся в виде растворимых белков в вакуоли. Инвертазы с оптимумами рН 7.0-7.8 представлены растворимыми цитоплазматическими белками [1].

Внеклеточная инвертаза является ключевым ферментом, катализирующим распад транспортной сахарозы [3, 4]. При поступлении сахарозы, предназначенной для дальнего транспорта, в апо-пласт в количестве, превосходящем производительность переносчиков флоэмных клеток, она дольше находится в контакте с внеклеточной кислой инвертазой и, следовательно, больший ее процент подвергается распаду. В результате возникает поток образующихся гексоз внутрь клеток, который приводит к удалению избытка сахарозы (в виде гексоз) из свободного пространства и к ее ресинтезу в клетках мезофилла [5].

Видимо, именно этот процесс наблюдали многие исследователи, работавшие с растениями,

трансформированными конструкциями, содержащими ген инвертазы дрожжей. Например, в трансформированных растениях арабидопсиса, томата и картофеля экспрессия чужеродного гена инвертазы дрожжей (апопластный вариант локализации фермента), находящегося под контролем конститутивного 35S-промотора CaMV, приводила к увеличению активности кислой инвертазы, нарушению экспорта сахарозы из клеток мезофилла во флоэму, ее накоплению в листьях и ингибированию процесса фотосинтеза по принципу обратной связи [6-8].

Исследования с растениями картофеля, у которых встроенный ген инвертазы дрожжей находится под контролем клубнеспецифичного промотора пататина В33 класса I (апопластный вариант локализации фермента), выявили увеличение активности кислой инвертазы и содержания сахаров в клубнях. При этом число клубней на одном растении было меньше, а их вес больше по сравнению с ^трансформированными растениями дикого типа [9]. Эти трансформанты имели сниженный порог концентрации (1-2%) сахарозы, необходимой для инициации клубнеобразования. Процесс образования клубней у них усиливался с увеличением содержания сахарозы в среде выращивания вплоть до 10%. В то же время для растений дикого типа оптимальная для инициации клубнеобразования концентрация сахарозы в среде выращивания составляла 8%, и ее дальнейшее увеличение резко тормозило этот процесс [10]. Наши исследования с трансформантом показали, что экспрессия гена инвертазы дрожжей привела к уменьшению числа и размеров структурных элементов хлоропластов, а после длительной гипотермии (5°С, 6 суток) - к усилению ксероморфизма клеток мезофилла [11]. Кроме того, листья трансформантов характеризовались высокой активностью всех форм инвертазы (особенно кислой формы), повышенным содержанием сахаров и имели большую устойчивость к действию низких температур, по сравнению с растениями, содержащими лишь маркерный ген GUS, находящийся под контролем 35S-промотора CaMV. Мы предположили, что повышенная холодоустойчивость трансформанта - результат влияния измененного соотношения сахаров в клетках мезофилла под действием чужеродной инвертазы [12, 13].

Давно известно, что внутриклеточное накопление низкомолекулярных растворимых сахаров в растениях происходит в ответ на абиотические стрессы, в том числе гипотермию [14, 15]. Накопление сахаров при действии гипотермии рассматривается исследователями как процесс, имеющий защитно-адаптационное значение [14, 16]. В последние годы получила признание гипотеза о неспецифической реакции растений на стрессоры, выражающейся в интенсификации внутрикле-

точных окислительных процессов с участием активных форм кислорода (АФК) и именуемой "окислительный стресс" [17, 18]. Накопление АФК - основа для инициирования цепных реакций перекисного окисления ненасыщенных ЖК фосфолипидов мембран [17]. Эти реакции приводят к накоплению одного из наиболее стабильных конечных продуктов - малонового диальде-гида (МДА). МДА используют для оценки интенсивности перекисного окисления липидов (ПОЛ) и в качестве одного из индикаторов окислительного стресса [19, 20]. Необходимо отметить, что в живой клетке поддерживается физиологически нормальный уровень свободнорадикальных процессов и ПОЛ, который регулируется сложной многокомпонентной системой защиты, состоящей из антиоксидантных ферментов и низкомолекулярных антиоксидантов [21]. Основная роль в элиминации АФК при действии стрессора принадлежит супероксиддисмутазе (СОД, КФ 1.15.1.1), которая ускоряет реакцию взаимодействия супероксидных анионов, приводящую к образованию молекулярного кислорода и пероксида водорода. Важно отметить, что супероксидный анион как первичный продукт восстановления молекулярного кислорода имеет относительно высокое время жизни и является источником других, более активных АФК, например, перекиси водорода [17]. Последняя в определенных условиях может служить источником гидроксильного радикала, обладающего высокой окислительной способностью и инициирующего цепные реакции ПОЛ. Удельная активность СОД, которая увеличивается в клетках при возрастании уровня супероксидных анионов [22], также служит одним из индикаторов окислительного стресса [20].

Предполагают, что сахара выполняют в клетке не только хорошо известные функции - метаболическую, энергетическую, криопротектор-ную, осморегуляторную [23], но могут служить и перехватчиками АФК. Как показано на модельной •ОН-генерирующей системе, протекторные свойства низкомолекулярных углеводов (сахарозы, фруктозы, глюкозы, маннозы, маннита) обусловлены их способностью перехватывать гид-роксильный радикал, тем самым предотвращая вызываемые этим радикалом повреждения биомолекул [24].

Основываясь на вышеизложенном, была сформулирована цель работы - изучить влияние сахаров на развитие окислительного стресса, индуцированного гипотермией, при использовании трансформанта картофеля с измененным углеводным метаболизмом.

МЕТОДЫ

Объектом исследования служили растения картофеля (Solanum tuberosum L., сорт Дезире),

экспрессирующие ген инвертазы дрожжей, находящийся под контролем пататинового промотора В33 класса I и содержащий последовательность лидерного пептида протеиназы II для апопласт-ной локализации фермента. Трансформанты также содержали маркерный ген устойчивости к ка-намицину nptII. Контролем служили ^трансформированные растения картофеля сорта Дезире (дикий тип). Растения были отобраны из коллекции клонов, полученных в результате совместной работы сотрудников Института молекулярной физиологии растений им. Макса Планка (Гольм, Германия) и Лаборатории роста и развития им. М.Х. Чайлахяна (ИФР РАН).

Растения размножали микрочеренкованием in vitro и выращивали в камере фитотрона ИФР РАН при 22°С и 16-часовом освещении люминесцентными лампами белого света (освещенность 4 клк) в течение 5 нед. в пробирочной культуре на агаризованной (0.7%) МС-среде, содержащей 2%-ную сахарозу и витамины (мг/л): тиамин - 0.5, пиридоксин - 0.5, мезоинозит - 60.0. Для изучения влияния гипотермии растения в возрасте 5 нед. поме

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.

Показать целиком