Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эколого-физиологическое изучение цианидустойчивого дыхания и соотношения дыхательных путей в растениях

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Пыстина, Наталия Владимировна

Введение

Глава 1. Современные представления об альтернативном цианидустойчивом дыхании растений (обзор литературы)

1.1. Особенности дыхательной электронтранспортной цепи растительных митохондрий

1.2. Природа альтернативной цианидустойчивой оксидазы

1.3. Регуляция распределения электронов между альтернативным 12 и цитохромным путями

1.4. Физиологическая роль альтернативного пути дыхания

Глава 2. Объекты и методы

2.1. Характеристика объектов исследований

2.2. Измерение дыхания

2.3. Определение соотношения дыхательных путей

2.3.1. Метод специфических ингибиторов

2.3.2. Расчет активности и способности дыхательных путей

2.4. Определение содержания углеводов

2.5. Статистическая обработка результатов

Глава 3. Результаты

3.1. Разработка методики проведения экспериментов

3.1.1. Дыхание интактных и разрезанных на части листьев растений

3.1.2. Влияние продолжительности эксперимента на скорость поглощения 02 листьями растений

3.1.3. Влияние воды на дыхание листьев растений

3.1.4. Влияние концентрации специфических ингибиторов на дыхание

3.2. Активность АП и соотношение дыхательных путей в листьях разного возраста

3.2.1. Влияние ингибиторов на дыхание листьев разного возраста

3.2.2. Активность и способность дыхательных путей молодых и зрелых листьев растений

3.2.3. Сезонные изменения активности АП

3.3. Влияние температуры на дыхание и активность дыхательных путей листьев

3.4. Влияние световых условий произрастания растений на дыхание и соотношение дыхательных путей

3.4.1. Влияние ингибиторов на дыхание листьев световых растений

3.4.2. Изменение активности и способности дыхательных путей митохондрий в зависимости от условий произрастания растений

3.4.3. Суточный ход дыхания листьев световых и теневых растений

3.4.4. Влияние затемнения на дыхание и соотношение дыхательных путей в листьях

3.5. Углеводный статус растений

Глава 4. Обсуждение результатов

4.1. Разработка методики проведения экспериментов

4.2. Дыхание и соотношение дыхательных путей в листьях разного возраста

4.3. Влияние температуры на дыхание и активность дыхательных путей листьев

4.4. Влияние световых условий произрастания растений на дыхание и соотношение дыхательных путей

4.5. Активность АП и содержание углеводов в листьях 79 Выводы 85 Список литературы 87 Список сокращений

Введение Диссертация по биологии, на тему "Эколого-физиологическое изучение цианидустойчивого дыхания и соотношения дыхательных путей в растениях"

Актуальность темы

Выяснение механизмов регуляции дыхания растений является одним из приоритетных направлений физиологических исследований. В настоящее время особое внимание уделяется изучению дыхательных электронтранспортных путей растительных митохондрий, в частности, альтернативного цианидустойчивого пути дыхания (АП).

Способность осуществлять дыхание в присутствии цианида является одним из уникальных свойств растений. Цианидустойчивое поглощение О2 обусловлено функционированием в дыхательной цепи митохондрий, помимо цитохромоксидазы, альтернативной терминальной оксидазы (АО), устойчивой к действию цианида. В последние годы достигнуты значительные успехи в изучении природы, структурной организации и механизмов регуляции активности АО (Umbach, Siedow, 1993; Mcintosh, 1994; Millar et al., 1996). Хотя физиологическая роль АП остается до сих пор предметом дискуссий, важность АП для растений не вызывает сомнений (Wagner, Rrab, 1995; Vanlerberghe, Mcintosh, 1997; Шугаев, 1999).

Следует особо отметить, что абсолютное большинство опубликованных результатов по дыханию получены исключительно на растениях, выращенных в искусственных условиях. При этом остается совершенно неясным, насколько выявленные закономерности применимы к растениям, произрастающим в естественных условиях (Семихатова, 1998; 2000).

Эколого-физиологический подход, предполагающий исследование растений из природных биоценозов, позволяет не только корректировать закономерности, выявленные в лабораторных условиях, но и существенно углубить понимание механизмов регуляции процессов жизнедеятельности при взаимодействии растений со средой (Заленский, 1977). Предлагаемая работа является попыткой проверки и уточнения существующих представлений о механизмах регуляции и возможной физиологической роли АП на основе экспериментов, проведенных на растениях, произрастающих в естественных условиях.

Цель и задачи исследования

Целью работы было выявить закономерности изменения активности дыхательных путей и вклада альтернативного цианидустойчивого пути под влиянием различных факторов в листьях растений, произрастающих в природных условиях.

В задачи работы входило:

1. Изучить зависимость активности АП от возраста листьев и физиологического состояния растений.

2. Выявить влияние световых условий произрастания на соотношение дыхательных путей растений.

3. Рассмотреть действие температурного фактора на активность АП.

4. Определить содержание растворимых Сахаров и проанализировать зависимость АП листьев от углеводного статуса.

Научная новизна

Впервые выявлен активный АП в листьях растений, произрастающих в естественных условиях: Rhodiola rosea L., Ajuga reptans L., Calla palustris L. и Achillea millefolium L. Установлено, что вклад АП в поглощение 02 варьирует в пределах 15-40% в зависимости от возраста листьев, условий произрастания и вида растений. Показано, что активность АП выше в молодых интенсивно растущих листьях Rhodiola rosea L., Ajuga reptans L. и у теневыносливых растений Ajuga reptans L., произрастающих в условиях избыточной инсоляции.

На основании проведенных эколого-физиологических исследований уточнены и в значительной мере дополнены представления о регуляции АП и его роли в адаптации растений к условиям существования. Сделано заключение о том, что высокая доля АП в дыхании соответствует интенсивному росту, а одним из условий активации АП является обеспеченность дыхательным субстратом. Практическая значимость

Полученные данные существенно расширяют представления о дыхании и механизмах регуляции дыхательных путей растений в естественных фитоценозах и могут быть использованы для комплексной э кол ого-физиологической характеристики видов. Выявленные закономерности регуляции АП могут иметь важное значение при оценке устойчивости видов к стрессу.

Результаты работы используются при чтении курса лекций по физиологии растений в Коми государственном педагогическом институте, Сыктывкарском лесном институте, Сыктывкарском филиале Вятской сельхозакадемии. Апробация работы

Материалы диссертации были представлены на молодежных научных конференциях "Актуальные проблемы биологии" (Сыктывкар, 1996; 1998); Тринадцатой Коми республиканской молодежной научной конференции (Сыктывкар, 1997); молодежной конференции ботаников в Санкт-Петербурге (1997; 2000); Третьем ежегодном симпозиуме "Физико-химические основы физиологии растений и биотехнология" (Москва, 1997); научном семинаре лаборатории экологии фотосинтеза БИН (Санкт-Петербург, 1999); Четвертом съезде общества физиологов растений России "Физиология растений - наука III тысячелетия" (Москва, 1999); заседании секции экологической физиологии растений Русского ботанического общества (Санкт-Петербург, 2000); Двенадцатом конгрессе федерации европейских обществ физиологов растений (Будапешт, 2000).

Работа выполнена в лаборатории экологической физиологии растений Института биологии Коми научного центра УрО РАН в период прохождения курса аспирантуры (1997-2000 гг.).

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю проф. Тамаре Константиновне Головко (Институт биологии Коми НЦ УрО РАН). Автор также искренне признателен к. б. н. Тамаре Исаковне Ивановой (БИН РАН, Санкт-Петербург) за ценные советы и замечания при планировании исследований и обсуждении результатов.

Заключение Диссертация по теме "Физиология и биохимия растений", Пыстина, Наталия Владимировна

Выводы

Результаты проведенных эколого-физиологических исследований позволяют заключить, что в дыхании растений участвовала альтернативная цианидустойчивая оксидаза. Вклад альтернативного пути в поглощение 02 листьями варьировал в пределах 15-40% в зависимости от возраста, вида и условий произрастания растений:

1. Установлено, что доля альтернативного пути в дыхании молодых интенсивно растущих листьев была в 1,5-2 раза выше, чем у зрелых листьев. С возрастом листьев вклад альтернативной оксидазы в суммарное поглощение 02 снижался от 30 до 15% у Rhodiola rosea и от 40 до 20% у Ajuga reptans

2. Выявлено существенное влияние световых условий произрастания растений Ajuga reptans на скорость поглощения 02 и вклад альтернативного пути в дыхание. Зрелые листья растений, произрастающих на делянке при полном освещении, характеризовались максимальными значеними АП (40-50%). По сравнению с деляночными, растения из естественных мест обитания отличались низкой активность АП, содержали вдвое меньше неструктурных углеводов и накапливали меньшую биомассу.

3. В условиях естественного фотопериода не было выявлено достоверных суточных изменений дыхания и соотношения дыхательных путей в листьях световых растений Ajuga reptans, тогда как продолжительное затемнение (24-48 ч) растений приводило к существенному снижению скорости общего дыхания и способствовало уменьшению вклада альтернативного пути вдвое.

4. Сравнительное изучение углеводного статуса растений показало наибольшее содержание растворимых Сахаров (>30 мг/г) в молодых листьях теневых растений Ajuga reptans, в зимнезеленых листьях перезимовавших теневых и световых растений Ajuga reptans, в зрелых листьях световых и теневых растений Ajuga reptans, исследованных после заморозков, и в зрелых листьях летней генерации световых растений Ajuga reptans. Низким содержанием Сахаров (<10 мг/г) отличались зрелые листья Rhodiola rosea, Achillea millefolium и листья летней генерации теневых растений Ajuga reptans. Умеренное количество Сахаров (около 20 мг/г) имели зрелые листьях Calla palustris L.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Пыстина, Наталия Владимировна, Сыктывкар

1. Акименко В. К. Альтернативные оксидазы микроорганизмов. М.: Наука, 1989. 263 с.

2. Алексеева JI.B., Лафон Р., Володин В.В., Лукша В.Г. Экдистероиды Ajuga reptans // Физиология растений. 1998. Т.45. №3. С. 372-377.

3. Головко Т.К. Дыхание растений: физиологические аспекты. СПб.: Наука, 1999. 204 с.

4. Гродзинский А.М., Гродзинский Д.М. Краткий справочник по физиологии растений. Киев: Наукова думка, 1973. С. 212. Джеймс В. Дыхание растений. М., 1956. 295 с.

5. Дымова О.В., Головко Т.К. Адаптация к свету фотосинтетического аппарата теневыносливых растений (на примере Ajuga reptans) П Физиология растений. 1998а. Т. 45. С. 521-528.

6. Дымова О.В., Головко Т.К. Морфофизиологические аспекты вегетативного размножения Ajuga reptans L. // Репродуктивная биология растений / Под ред. Фролова Ю.М. и др. Сыктывкар, 1998b. С. 72-83.

7. Дымова О.В. Экофизиология трех редких видов неморальных травянистых растений на северной границе ареала: Автореф. дис. . канд. биол. наук. СПб., 1999.28 с.

8. Жукова И., Долинка И. Палитра почвопокровных // Цветоводство. 1999. №1. С. 20-21.

9. Заленский O.B. Эколого-физиологические аспекты изучения фотосинтеза // Тимирязевские чтения. Т. 37. JI.: Наука. 1977. 56 с.

10. Иванова Т.И., Семихатова O.A. Альтернативный транспорт электронов в дыхании растений разных климатических зон // Физиология растений. 1990. Т. 37. С. 258-262.

11. Иванова Т.И., Кирпичникова О.В., Юдина О.С., Семихатова O.A. Дыхание и его регуляция у некоторых представителей травянистых растений лесной зоны // Физиология растений. 1996. Т. 43. № 6. С. 826-832.

12. Иванова Т.И., Кирпичникова О.В., Шерстнева O.A., Юдина О.С. Годичный цикл дыхания листьев вечнозеленых растений // Физиология растений. 1998. Т. 45. С. 906-913.

13. Куперман И.А., Хитрово Е.В. Дыхательный газообмен как элемент продукционного процесса. Новосибирск, 1977. 181 с.

14. Починок Х.Н. Определение крахмала объемным и колориметрическим иетодом // Методы биохимического анализа растений / Под ред. A.C. Оканенко. Киев: Наукова Думка, 1976. С. 134-138.

15. Семихатова О. А. Методы оценки энергетической эффективности дыхания растений. Л.: Наука. 1967. 95 с.

16. Семихатова О. А. Показатели, характеризующие дыхательный газообмен растений // Ботанический журнал. 1968. Т. 53. № 8. С. 1069-1084. Семихатова О. А. Смена дыхательных систем. Л.: Наука. 1969. 123 с.

17. Семихатова О. А. Энергетика дыхания растений в норме и при экологическом стрессе // XLVIII Тимирязевские чтения. JT.: Наука. 1990. 37 с.

18. Семихатова O.A., Чулановская М.В. Манометрические методы изучения дыхания и фотосинтеза растений. JL: Наука, 1965. 168 с.

19. Семихатова O.A., Иванова Т.И., Леина Г.Д., Васьковский М.Д. Воздействие температуры на дыхание растений острова Врангеля // Ботанический журнал. 1976. Т. 61. №6. С. 848-858.

20. Скулачев В.П. Кислород в живой клетке: добро и зло // Соросовский образовательный журнал. 1996. Т.З. №4. С. 4-10.

21. Стрижев А.Н. Русское разнотравье: Справочник. М.: Дрофа, 1995. С. 128-131. Флора Северо-Востока европейской части СССР. Л., 1976-1977. Т. 1-4. Фролов Ю.М., Полетаева И.И. Родиола розовая на европейском северо-востоке. Екатеринбург, 1998. 192 с.

22. Azcon-Bieto J., Lambers H., Day D.A. The Effect of Photosynthesis and Cabohydrate Status on Respiratory Rates and the Involvement the Alternative Pathway in Leaf Respiration // Plant Physiol. 1983b. V. 72. P. 598-603.

23. Bergen van der C.W.M., Wagner M.J., Krab K., Moore A.L. The Relationship Between Electron Flux and the Redox Poise of the Ubiquinone Pool in Plant Mitochondria// Europ. J. Biochem. 1994. V. 226. P. 1071-1078.

24. Boveris A., Sanches R. A., Beconi M. T. Antimycin- and Cyanide-Resistant Respiration and Superoxide Anion Production in Fresh and Aged Potato Tuber Mitochondria // FEBS Lett. 1978. V. 92. P. 333-338.

25. Chauveau M., Dizengremel P., Lance C. Thermolability of Alternative Electron Transport Pathway in Higher Plant Mitochondria // Physiol. Plant. 1978. V. 42. P. 214220.

26. Collier D.E. No Difference in Leaf Respiration Rates Among Temperate, Subarctic and Arctic Species Grown Under Controlled Conditions // Can. J. Bot. 1996. V. 74. P. 317320.

27. Day D.A., De Vos O.C., Wilson D., Lambers H. The Regulation of Respiration in the Leaves and Roots of Two Lolium perenne Populations with Contrasting Mature Leaf Respiration Rates and Crop Yields // Plant Physiol. 1985. V. 78. P. 678-683.

28. Day D. A., Millar A. H., Wiskich J. T., Whelan J. Regulation of Alternative Pathway Activity by Pyruvate in Soybean Mitochondria II Plant Physiol. 1994. V. 106. P. 14211427.

29. Day D. A., Whelan J., Millar A. H., Siedow J. N., Wiskich J. T., Regulation of Alternative Oxidase in Plants and Fungi // Aust. J. Plant Physiol. 1995. V. 22. P. 497509.

30. Day D.A., Krab K., Lambers H., Moore A.L., Siedow J.N., Wagner A.M., Wiskich J.T. The Cyanide-Resistant Oxidase: to Inhibit or not to Inhibit: That is the Question // Plant Physiol. 1996. V. 110. P. 1-2.

31. Douce R., Neuburger M. The Unequeness of Plant Mitochondria // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1989. V. 40. P. 371-414.

32. Grover S.D., Laties G.G. Disulfiram Inhibition of the Alternative Respiratory Pathway in Plant Mitochondria // Plant Physiol. 1981. V. 68. P. 393-400.

33. Hemrike-Wagner A. M., Vesschoor E. J., van der Plass L. H. W. Alternative Pathway Respiration in vivo of Potato Tuber Callus Grown at Various Temperatures // Physiol. Plant. 1983. V. 59. P. 369-374.

34. Henry M. F., Nyns E.J. Cyanide-Insensitive Respiratory: an Alternative Mitochondrisl Pathway// Sub-Cell. Biochem. 1975. V. 4. P. 5-65.

35. Mitichondria // Encycl. of Plant Physiology. V. 18. 1985. P. 202-247.1.rcher W. Physiological Plant Ecology / Berlin: Springer. 1995. 506 pp.1.ties G. G. The Cyanide-Resistant Alternative Path in Higher Plant Respiration // Ann.

36. Rev. Plant Physiol. 1982. V. 33. P. 519-555.

37. Maxwell D.P., Wang Y., Mcintosh L. The Alternative Oxidase Lowers Mitochondrial Reactive Oxygen Production in Plant Cells // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1999. V. 96. P. 8271-8276.

38. Mcintosh L. Molecular Biology of the Alternative Oxidase // Plant Physiol. 1994. V. 105. P. 781-786.

39. McNulty A.K., Cummins W.R. The Relationsheep between Respiration and Temperature in Leaves of the Arctic Plant Saxifraga cernua II Plant, Cell, Environ. 1987. V. 10. P. 319-325.

40. Meeuse B.J.D. Thermogenic Respiration in Aroids // Annu.Rev.Plant Physiol. 1975. V. 26. P. 117-126.

41. Millar A.H., Wiskich J.T., Whelan J., Day D.A. Organic Acid Activation of the Alternative Oxidase of Plant Mitochondria // FEBS Lett. 1993. V. 329. P. 259-262.

42. Millar A.H., Atkin O.K., Lambers H., Wiskich J.T., Day D.A. A Critique of the Useof Inhibitors to Estimate Partitioning of Electrons Between Mitichondrial Respiratiry Pathway in Plants // Physiol. Plant. 1995. V. 95. P. 523-532.

43. Millar A.H., Hoefnagel M.H.N., Day D.A., Wiskich J.T. Specificity of the Organic Acid Activation of Alternative Oxidase in Plant Mitochondria // Plant Physiol. 1996. V. 111. P. 613-618.

44. Millenaar F. The Alternative Oxidase in Roots of Poa species: in vivo Regulation and Function. Utrecht University, 2000. 131 pp.

45. Minkov I.N., Jahoubjan G.T., Denev I.D., Toneva V.T. Photooxidative Stress in Higher Plants // Handbook of Plant and Crop Stress /Ed. Pessarakli M. N.Y. etc.: Marcel Dekker, Inc, 1999. P. 499-528.

46. Moller I.M., Berczi A., Plas van der L.H.W., Lambers H. Measurement of the

47. Activity and Capacity of the Alternative Pathway in Intact Plant Tissues: Identificationof Problems and Possible Solution // Physiol. Plant. 1988. V. 72. P. 642-649.

48. Moore A.L., Ricn P.R. Organization of the Respiratory Chain and Oxidative

49. Phosphorylation// Higher Plant Cell Respiration. Berlin, 1985. P. 134-172.

50. Moore A. L., Siedow J. N. The Regulation snd Nature of the a Cyanide-Resistant

51. Alternative Oxidase of Plant Mitochondria// Biochem. Biophys. Acta 1991. V. 1059. P.178.191.

52. Moyniham M.R., Ordenttlich A., Raskin I. Chilling Induced Heat Evolution in Plants // Plant Physiol. 1995. V. 108. P. 995-999.

53. Ordentlick A., Linzer R., Raskin I. Alternative Respiration and Heat Evolution in Plants // Plant Physiol. 1991. V. 97. P. 1545-1550.

54. Plas van der L.H.W., Wagner M.J. Influence of Ethanol on Alternative Oxidase in Mitochondria from Callus-Forming Potato Tuber Discs // Physiol. Plant. 1980. V. 49. P. 121-126.

55. Purvis A. C., Shewfelt R. L. Superoxide Production by Mitochondria Isolated from Green Bell Fruit // Physiol. Plant. 1994. V. 94. P. 743-749.

56. Respiration Using Oxygen Isotope Discrimination // Aust. J. Plant Physiol. 1995. V. 22. P. 487-496.

57. Rychter A.M., Ciesla E., Kasperska A. Participation of Cyanide-Resistant Pathway in Respiration of Winter Rape Leaves as Affected by Plant Cold Acclimation // Physiol. Plant. 1988. V. 73. P. 299-304.

58. Sesay A., Stewart C.R., Shibles R.M. Effects of KCN and Salicylhydroxamic Acid on Respiration of Soybean Leaves at Different Ages // Plant Physiol. 1986. V. 82. P. 443447.

59. Shonbaum G.R., Bonner W.D.Jr., Storey B.T., Bahr J.T. Specific Inhibition of the Cyanide-Resistant Respiratory Pathway in Plant Mitochondria by Hydroxamic Acids // Plant Physiol. 1971. V. 47. P. 124-128.

60. Siedow J.N., Umbach A. L., Moore A.L. The Active Site of the Cyanide-Resistant Oxidase from Plant Mitochondria Contains a Binuclear Iron Center // FEBS Lett. 1995b. V. 362. P. 10-14.

61. Spreen-Brouwer K., van Valen T., Day D.A., Lambers H. Hydroxamate-Stimulated 02 Uptake in Roots of Pisum sativum and Zea mays, Mediated by a Peroxidase // Plant Physiol. 1986. V. 82. P. 236-240.

62. Stewart C.R., Martin B.A., Reding L., Cerwick Sh. Respiration and Alternative Oxidase in Corn Seedling Tissues During Germination at Different Temperatures // Plant Physiol. 1990. V. 92. P. 755-760.

63. Theologis A., Laties G.G. Relative Contribution of Cytochrome Mediated and Cyanide-Resistant Electron Transport in Fresh and Aged Potato Slices // Plant Physiol. 1978. V. 62. P. 232-237.

64. Tomas J., Camps F., Claveria E., Coll J., Mele E., Messeguer J. Composition and Location of Phytoecdisteroids in Ajuga reptans in Vivo and in Vitro // Phytochemistry. 1992. V.31.P. 1585-1591.

65. Uemura S., Ohkawara K., Kudo G., Wada N., Higashi S. Heat-Production and Crosspolination of the Asian Skunk Cabbage Symplocarpus renifolius (Araceae) // Americal Journal of Botany. 1993. V. 80. P. 635-640.

66. Umbach A. L., Siedow J. N. Covalent and Noncovslent Dimers of the Alternative Oxidase Protein of Higher Plant Mitochondria and their Relationship ti Enzyme Activity // Plant Physiol. 1993. V. 103. P. 845-854.

67. Umbach A. L., Wiskich J. T., Siedow J. N. Regulation of Alternative Oxidase Kinetics by Pyruvate and Intermolecular Disulfide Bond Redox Status in Soybean Seedling Mitochondria// FEBS Lett. 1994. V.348. P. 181-184.

68. Vanlerberghe G.G., Mcintosh L. Lower Growth Temperature Increases Alternative Pathway Capacity and Alternative Oxidase Protein in Tobacco // Plant Physiol. 1992a. V. 100. P. 115-119.

69. Valenberghe G. C., Mcintosh L. Signals Regulating the Expression of the Nuclear Gene Enconding Alternative Oxidase of Plant Mitochondria // Plant Physiol. 1996. V. 11 LP. 587-595.

70. Valenberghe G. C., Valenberghe A. E., Mcintosh L. Molecular-Genetic Evidence of the Ability of Alternative Oxidase to Support Respiratory Carbon Metabolism // Plant Physiol. 1997. V. 113. P. 657-661.97

71. Vanlerberghe G.G., Mcintosh L. Alternative Oxidase: From Gene to Function // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1997. V. 48. P. 703-734.

72. Wagner A. M., van der Bergen C. W. M., Wincenjusz H. Stimulation of the Alternative Pathway by Succinate and Malate // Plant Physiol. 1995. V. 108. P. 10351042.

73. Wagner A. M., Wagner M. J. Measurements of in vivo Ubiquinone Reduction Levels in Plant Cells // Plant Physiol. 1995. V. 108. P. 277-283.

74. Wagner A.M., Krab K. The Alternative Respiration Pathway in Plants: Role and Regulation // Physiol. Plant. 1995. V. 95. P. 318-325.98