ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2013, том 60, № 5, с. 700- 711
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1.547.426.23:582.866
ЖИРНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ ЛИПИДОВ ВЕГЕТАТИВНЫХ ОРГАНОВ ГАЛОФИТА Suaeda altissima ПРИ РАЗНОМ УРОВНЕ ЗАСОЛЕНИЯ
© 2013 г. В. Д. Цыдендамбаев, Т. В. Иванова, Л. А. Халилова, Е. Б. Куркова,
Н. А. Мясоедов, Ю. В. Балнокин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва Поступила в редакцию 13.11.2012 г.
Изучены качественный и количественный состав жирных кислот (ЖК) липидов вегетативных органов галофита Suaeda altissima (L.) Pall., выращенного при разных концентрациях NaCl в питательном растворе. Наряду с этим, определяли биомассу этих органов S. altissima, содержание в них воды, ионов Na+, Cl— и K+; исследовали ультраструктуру клеток корней и листьев. Растения были способны поддерживать рост и оводненность органов как при низких (1 мМ), так и при высоких (750 мМ) концентрациях NaCl в питательном растворе, демонстрируя заметное увеличение содержания сухой массы и незначительный рост оводненности при 250 мМ NaCl. Измерение содержания ионов в органах показало, что в тканях S. altissima поддерживается относительно высокое содержание K+ при всех концентрациях NaCl в питательном растворе. Показано, что значительный вклад в повышение осмотического давления в клетках, т.е. в снижение их водного потенциала, в условиях засоления вносят ионы Na+ и Cl—, а при отсутствии засоления — ионы К+. В клетках как корней, так и листьев выявлена стимуляция хлористым натрием эндоцитоза и экзоцитоза, предположительно участвующих в везикулярном транспорте веществ. При 750 мМ NaCl наблюдался плазмолиз, а также изменения в структуре мембран, которые можно интерпретировать как деградационные процессы. При оптимальной концентрации NaCl в среде (250 мМ) содержание липидов в надземных органах растений в расчете на сырую массу было более, чем в 2.5 раза выше, чем при выращивании при 1 или 750 мМ NaCl, тогда как в корнях имела место обратная картина. При выращивании растений в неоптимальных условиях наблюдали значительные изменения качественного и количественного состава ЖК липидов как в надземных органах, так и в корнях. Наблюдавшиеся изменения обсуждаются в связи с процессами, лежащими в основе солеустойчивости S. altissima, а также с процессами дезинтеграции, происходящими при высокой наружной концентрации NaCl (750 мМ).
Ключевые слова: Suaeda altissima — корни — надземные органы — мембранные липиды — жирные кислоты — индекс ненасыщенности — солеустойчивость
DOI: 10.7868/S001533031305014X
ВВЕДЕНИЕ
Изменения качественного и количественного состава жирных кислот (ЖК) мембранных липидов играют важную роль в адаптации растений к изменяющимся условиям окружающей среды. Наиболее хорошо изучены изменения ЖК-соста-ва липидов при адаптации растений к резким изменениям температуры. Способность растительных клеток быстро изменять ЖК-состав липидов своих мембран позволяет им за счет изменения температуры фазового перехода поддерживать те-
Сокращения: ИН - индекс ненасыщенности; МЭЖК - метиловые эфиры жирных кислот.
Адрес для корреспонденции: Цыдендамбаев Владимир Дылы-кович. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Факс: 007 (499) 977-80-18; электронная почта: vdt@ippras.ru
кучесть липидных бислоев на уровне, сохраняющем мембранные белки в функционально-активном состоянии в широких температурных диапазонах [1]. В литературе описаны механизмы, лежащие в основе индуцируемых температурными сдвигами изменений ЖК-состава и ферменты, вовлеченные в этот процесс [1, 2].
Другим фактором среды, обусловливающим изменения ЖК-состава клеточных липидов, является дегидратация клеток в условиях низкотемпературного стресса. Вода гидратирует полярные липиды и белки, участвуя этим в формировании мембранной структуры [3, 4]. Недостаток воды приводит к фазовым переходам липидов. Устойчивые к низким температурам растения способны сохранять структуру теряющих воду мембран за счет изменений ЖК-состава мембранных ли-
пидов, поддерживая тем самым функции локализованных в мембранах белков. Намного меньше исследован состав ЖК липидов клеточных мембран растений в условиях засоления, хотя именно мембраны играют важнейшую роль в формировании свойства солеустойчивости растений. Устойчивость растений к засолению обусловливается интегральными белками мембран, функции которых зависят от липидного окружения. К их числу относятся катионные и анионные каналы, Na+- и С1--транспортеры, использующие протонные градиенты в качестве источника энергии для переноса ионов; генераторы протонных градиентов, Н+-АТФазы и Н+-транслоцирующая пирофосфатаза тонопласта, белки хлоропластов и митохондрий, участвующие в синтезе АТФ. Все они включены в систему ионного гомеостатиро-вания как на клеточном уровне, так и на уровне целого растения.
Поддержание водного статуса растений в условиях засухи и засоления также является функцией мембран. Осмос, на котором основывается водный обмен организмов, возможен только при наличии мембран, а проницаемость мембран для воды зависит как от локализованных в липидном бислое водных каналов (аквапоринов), так и непосредственно от состава липидов, образующих бислой [5, 6].
У растений ряда семейств, в частности, сем. Chenopodiaceae, липидный обмен связан с биосинтезом осмолитов — веществ, выполняющих осморегуляторную и протекторную по отношению к биополимерам функции. К таким соединениям относятся бетаины — четвертичные соединения аммония [7, 8]. Биосинтетическим предшественником глицин-бетаина является холин, который может образовываться из фосфатидил-холина хлоропластных мембран [7].
У растений изменения концентрации NaCl в питательном растворе приводят к изменению активности ион-транспортирующих белков [9] и ферментов биосинтеза осмолитов [10], что не может не сопровождаться изменениями липидного обмена и состава ЖК липидов мембран. В связи с этим, большой интерес представляет ЖК-состав клеточных липидов у галофитов — растений, эво-люционно сформировавшихся на засоленных почвах. Некоторые из галофитов выдерживают чрезвычайно высокие концентрации NaCl и других солей в почве и потому могут рассматриваться как модельные объекты для исследования механизмов, лежащих в основе солеустойчивости растений. Одним из таких модельных растений является Suaeda altissima (L.) Pall. (сведа высокая) — представитель сем. Chenopodiaceae (маревые).
Сведа высокая способна расти на питательном растворе с концентрацией NaCl до 1 M [11]. На близком виде S. maritima показано, что даже в
условиях сильного засоления в цитоплазме ее клеток поддерживаются относительно низкие концентрации Na+ и Cl-, что позволяет растениям избегать токсического действия соли. Поступающие в цитоплазму ионы Na+ и Cl- транспортируются в вакуоли, где их концентрации могут достигать значений более высоких, чем в питательном растворе [12]. Механизмы транспорта Na+ и Cl- у сведы высокой в настоящее время интенсивно изучаются [13, 14]. В качестве основного осмолита в цитоплазме клеток сведы высокой синтезируется глицин-бетаин. Водный потенциал клеток поддерживается на более низком уровне, чем в питательном растворе, прежде всего, за счет накопления Na+ и Cl- в вакуолях и глицин-бетаина в цитоплазме, а благодаря градиентному распределению ионов в растениях поддерживается градиент водного потенциала в системе почва— корень—побег—атмосфера, что позволяет им поглощать воду из сильно засоленной среды и транспортировать ее в надземные органы даже в отсутствие транспирации [15].
Можно было предположить, что изменения в транспорте ионов, водном обмене и биосинтезе глицин-бетаина в условиях засоления сопровождаются изменениями липидного обмена, в частности, ЖК-состава липидов. В настоящей работе мы определили качественный и количественный состав ЖК в липидах вегетативных органах S. al-tissima при разных концентрациях NaCl в среде культивирования. Наряду с этим, исследован рост растений сведы высокой, а в ее органах определено содержание воды и ионов Na+, Cl- и K+. Кроме того, для оценки влияния NaCl на состояние мембран изучена ультраструктура клеток.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Растительный материал. Семена Suaeda altissima (L.) Pall. были собраны с растений, произраставших на берегу соленого озера Эльтон в Волгоградской области. Семена проращивали во влажном песке при комнатной температуре, через три недели проростки пересаживали в 3-литровые стеклянные сосуды (4 растения на сосуд) на аэрируемый питательный раствор Robinson и Downton [16], в который был добавлен NaCl в конечной концентрации 1, 250 или 750 мМ. Дальнейший рост S. altissima проходил в факторостатной камере при 24°С в условиях водной культуры. Растения освещали натриевыми лампами высокого давления ДНаЗ-400 ("Reflux", Россия) 16 ч в сутки при интенсивности света 150 Вт/м2. Смену питательного раствора проводили еженедельно. В экспериментах использовали растения 60-65-дневного возраста.
Определение содержания ионов. Для определения содержания Na+, K+ и Cl- в органах измель-
2.5
2.0
1.5
св о о св
о
и
VO «
св
1.0
£0.5
и
i
1
1 250 750
Концентрация NaCl в среде, мМ
Рис. 1. Сухая биомасса корней (1) и надземных органов (2) Б. аМтша в зависимости от концентрации №С1 в среде культивирования.
ченныи растительный материал подвергали водной экстракции при 100° С в течение 1 ч. Концентрации Na+ и K+ в экстрактах органов измеряли с помощью пламенного фотометра FP640 ("LEKI", Финляндия), концентрацию Cl- путем титрования экстрактов ионами ртути по ГОСТ Р 4245-72, используя полуавтоматический титратор Top Buret H Eppendorf (Германия).
Исследования ультраструктуры. Ультраструктуру клеток листьев и корней изучали с помощью электронной микроскопии. Образцы подготавливали в соответствии со стандартной методикой. Растительный материал фиксировали в 3% глута-ровом альдегиде с последующей дофиксацией в 1% OsO4. Фиксирующие растворы готовили на 0.05 М какодилатном буфере, рН 7.0, с добавлением NaCl в таких концентрациях, чтобы фиксирующие растворы был
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.