научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ВОДНОГО ДЕФИЦИТА НА ДЫХАНИЕ ПРОВОДЯЩИХ ПУЧКОВ ЛИСТОВОГО ЧЕРЕШКА САХАРНОЙ СВЕКЛЫ Биология

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ВОДНОГО ДЕФИЦИТА НА ДЫХАНИЕ ПРОВОДЯЩИХ ПУЧКОВ ЛИСТОВОГО ЧЕРЕШКА САХАРНОЙ СВЕКЛЫ»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 3, с. 373-380

УДК 581.1

ВЛИЯНИЕ ВОДНОГО ДЕФИЦИТА НА ДЫХАНИЕ ПРОВОДЯЩИХ ПУЧКОВ ЛИСТОВОГО ЧЕРЕШКА САХАРНОЙ СВЕКЛЫ

© 2007 г. Н. А. Шугаева, Э. И. Выскребенцева, С. О. Орехова, А. Г. Шугаев

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

Поступила в редакцию 15.06.2006 г.

Изучали влияние долговременной засухи на скорость поглощения кислорода и активность митохон-дриальных оксидаз: цитохромоксидазы и альтернативной CN-резистентной оксидазы (АО), чувствительной к салицилгидроксамовой кислоте (СГК), в сосудисто-волокнистых пучках, изолированных из черешков донорных листьев сахарной свеклы (Beta vulgaris L.) и борщевика (Heracleum sos-novskyi L.). В условиях нормальной влажности почвы (70% от полной влагоемкости, ПВП) поглощение кислорода проводящими пучками сахарной свеклы характеризовалось высокой интенсивностью (более 700 мкл О^г сырой массы ч)) и выраженной цитохромоксидазной природой терминального окисления (до 80% ингибирования дыхания в присутствии 0.5 мМ KCN). Долговременный водный дефицит (40% ПВП) не оказывал существенного влияния на скорость дыхания пучков, но сопровождался увеличением степени его CN-резистентности. На раннем этапе засухи (10 суток) снижение активности цитохромного пути окисления компенсировалось в основном активацией АО митохондрий, тогда как более длительное обезвоживание растений сопровождалось активацией дополнительных окислительных систем, нечувствительных к действию KCN и СГК. Аналогичные, но более яркие изменения активности терминальных оксидаз были обнаружены в проводящих пучках листьев дикорастущего борщевика в условиях длительной естественной засухи. Высказывается предположение, что торможение цитохромного, сопряженного с синтезом АТФ, пути окисления в клетках донорных листьев растений сахарной свеклы должно оказывать негативное влияние на скорость передвижения и накопления ассимилятов в корнеплоде и может являться важной причиной резкого снижения урожайности этой сельскохозяйственной культуры в условиях недостатка влаги.

Beta vulgaris - листовые черешки - проводящие пучки - дыхание - ингибиторы - терминальные оксидазы - водный дефицит

ВВЕДЕНИЕ

Влияние водного дефицита на растения представляет традиционный интерес, поскольку из практики растениеводства известно, что в условиях длительной или повторяющейся засухи общая продуктивность растений, в частности, сахарной свеклы, резко снижается [1, с. 80; 2]. Накопленные на протяжении многих десятилетий данные

Сокращения: АО - альтернативная оксидаза митохондрий; АФК - активные формы кислорода; ДЭДТК - диэтилдитио-карбамат; ПВП - полная влагоемкость почвы; СГК - сали-цилгидроксамовая кислота; ЦРД - цианид-резистентное дыхание; ЭТЦ - электрон-транспортная цепь; Кальт - максимальная активность АО; ^льт - реальный вклад АО в дыхание; УцШ - активность цитохромного пути окисления; Уост - скорость остаточного дыхания.

Адрес для корреспонденции: Шугаев Александр Григорьевич. 126276 М осква, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 007 (495) 977-80-18; электронная почта: ag_shugaev@ippras.ru

указывают, что это может быть связано с нарушением целого ряда функций растений, включая рост, дыхание, фотосинтез и транспорт ассимилятов.

Давно известно, что изменение содержания воды в растениях оказывает сильное влияние на дыхание. В частности, показано, что в условиях длительного водного дефицита происходит резкое снижение энергетической эффективности дыхания листьев, корней и других органов растений [3; 4, с. 196]. Причины и молекулярные механизмы этого явления стали понятными только в настоящее время, когда была установлена важная роль процессов свободного окисления и разобщения в митохондриях животных и растений в предотвращении окислительного стресса [5, 6]. В соответствии с современными представлениями, действие на растения различных неблагоприятных факторов, включая засуху, нарушает перенос электронов по основному (цитохромному) пути окисления, который сопряжен с синтезом АТФ

и терминальной оксидазой которого является чувствительная к цианиду цитохромоксидаза. В результате происходит резкое ускорение генерации митохондриями супероксида и других активных форм кислорода (АФК), развивается окислительный стресс, активирующий защитные механизмы, среди которых важную роль, по-видимому, играет альтернативная CN-резистентная, чувствительная к салицилгидроксамовой кислоте (СГК), оксидаза митохондрий [6-9]. Функционирование альтернативной оксидазы (АО) митохондрий не связано с транспортом протонов, а при окислении субстратов с ее участием шунтируются два (второй и третий) из трех пунктов энергетического сопряжения в электрон-транспортной цепи (ЭТЦ и, таким образом, резко снижается энергетическая эффективность дыхания. В то же время, активация при абиотическом стрессе этого пути свободного окисления, по-видимому, предотвращает избыточную генерацию АФК митохондриями растений, снижая степень восстановленности переносчиков электронов дыхательной цепи, в первую очередь, пула убихинона [5-8].

Данные о влиянии засухи на дальний транспорт ассимилятов достаточно противоречивы, тем не менее, большинство авторов полагают, что длительное нарушение водного режима замедляет этот процесс [10, с. 470; 11]. Причины этого точно не установлены, а предположения весьма разнообразны - от торможения фотосинтеза до понижения скорости роста растений в условиях водного дефицита [10, с. 473]. По нашему мнению, важную роль может играть и прямое воздействие водного дефицита на функционирование митохондрий в клетках лептома проводящих пучков, активируя в них процессы разобщения и/или свободного окисления, ведущие к снижению энергетической эффективности дыхания проводящих тканей.

Исходя из этого, целью данной работы было изучение влияния долговременной засухи на дыхание и активность митохондриальных оксидаз изолированных проводящих пучков донорных листьев растений.

МЕТОДИКА

Основным объектом исследований в данной работе были растения сахарной свеклы (Beta vulgaris L.) сорта Верхнячская 031, которые выращивали в сосудах в условиях оранжереи. Сосуды содержали 5 кг абсолютно сухой почвы. Растения поливали водой по весу, оптимальные условия полива (контроль) составляли 70% от полной влаго-емкости почвы (ПВП). На 30-е сутки после появления всходов для части растений создавали условия засухи путем снижения влажности почвы до 40% ПВП. В экспериментах использовали как контрольные, так и опытные растения, выдер-

жанные в условиях недостаточного увлажнения почвы в течение 30 суток. Используемый режим полива на протяжении экспериментального периода не приводил к заметному изменению внешнего вида опытных растений по сравнению с контрольными. Серия опытов была проведена с дикорастущими растениями борщевика (Негас1еит sosnovskyi L.), произрастающими в течение месяца в условиях естественной засухи.

Поглощение кислорода тканью определяли полярографически, используя электрод конструкции Шольца и Островского [12]. Обсушенные фильтровальной бумагой сосудисто-волокнистые пучки, выделенные из донорных листьев растений, с суммарной массой 20-30 мг помещали в термостатируемую (25°С) ячейку, содержавшую дистиллированную воду (1.5 мл) при постоянном перемешивании. Между пучками и магнитиком помещали тефлоновую сеточку. После 3-5 мин определения скорости дыхания в ячейку вносили ингибиторы.

Оптимальные концентрации ингибиторов, достаточные для полного подавления активности соответствующих ферментов, были выявлены в предварительных опытах путем титрования. Были использованы следующие концентрации ингибиторов: KCN - 0.5 мМ, СГК - 5 мМ, антимицина А - 40 мкМ, диэтилдитиокарбамата (ДЭДТК) -1 мМ. Ингибирующее влияние KCN на поглощение кислорода проводящими пучками проявлялось через 2-3 мин, для выявления максимального эффекта других ядов требовалось больше времени. В предварительных экспериментах было также показано, что в отсутствие ингибиторов скорость дыхания тканей оставалась постоянной не менее 3 ч.

Активность цитохромного пути митохондри-ального окисления (Кцит) определяли по степени чувствительности дыхания к цианиду. Максимальную активность (мощность) альтернативного пути митохондриального окисления (^альт) определяли по степени чувствительности дыхания к СГК в присутствии Кс^ а остаточного дыхания (Кост) - по скорости поглощения кислорода тканью в присутствии ингибиторов основного и альтернативного пути митохондриального окисления [13].

В таблице приведены средние арифметические не менее, чем из 15 биологических повторно-стей и их стандартные отклонения. На рис. 1 приведены данные характерного опыта, имеющего 5-кратную биологическую повторность. Каждая точка на рис. 2-4 представлена усредненными данными 3-10 определений с их стандартными отклонениями. На рис. 5 представлены усредненные данные из 3-5 определений.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Характеристика дыхания проводящих пучков листьев сахарной свеклы в условиях нормального увлажнения почвы

Известно, что характерной особенностью дыхания сосудисто-волокнистых пучков листовых черешков растений, включая сахарную свеклу и борщевик, является его высокая интенсивность и чувствительность к цианиду [10, с. 446; 14; 15]. В наших опытах было обнаружено (таблица), что интенсивность дыхания проводящих пучков донорных листьев контрольных растений сахарной свеклы, выращиваемых в условиях нормальной увлажненности почвы (70% ПВП), на протяжении исследуемого периода роста растений оставалась высокой и в среднем составляла 850 мкл 02/(г сырой массы ч).

На протяжении экспериментального периода развития контрольных растений сахарной свеклы изолированные проводящие пучки обладали высокой и практически неизменной чувствительностью к цианиду (таблица). Предварительное исследование, проведенное нами на полевых растениях сахарной свеклы показало (рис. 1), что максимальная степень подавления дыхания цианидом достигалась уже при 0.3 мМ КС№ Использование низких концентраций KCN (0.3-0.5 мМ) практически исключало возможное влияние ингибитора на пероксидазу и полифенолоксидазу (облада

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