Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Механизмы регуляции внутриклеточного рН в корнях злаков в условиях гипоксии и аноксии
ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений
Автореферат диссертации по теме "Механизмы регуляции внутриклеточного рН в корнях злаков в условиях гипоксии и аноксии"
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
ъ
КУЛИЧИХИН Константин Юрьевич
Механизмы регуляции внутриклеточного рН в корнях злаков в условиях гипоксии и аноксии
03 00 12 - физиология и биохимия растений
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
ООЗ160883
I_
Санкт-Петербург - 2007
003160883
Работа выполнена на кафедре физиологии и биохимии растений Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет» Федерального агентства по образованию и отделении биологии растений кафедры биологических и экологических наук университета г Хельсинки (Финляндия)
Научные руководители доктор биологических наук, профессор
Чиркова Тамара Васильевна
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук, Кислюк Ирина Марковна
кандидат биологических наук, Скобелева Ольга Викторовна
Ведущая организация Институт Физиологии Растений
Российской Академии наук имени К. А Тимирязева
Защита состоится «» СНапЯбрЯ 2007 г. в ^ часов на заседании диссертационного совета Д 212 232.07 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора биологических наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб 7/9, Биолого-почвенный факультет СПбГУ, аудитория 4 КвуеЭры физиологии и еиоЫМоо рдсмеяш
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке имени А. М Горького Санкт-Петербургского государственного университета. Для отзывов факс +7-(812)-7006585
Автореферат разослан с'гып>ЯьТ{> 2007 г
Ученый секретарь диссертационного совета
Е И. Шарова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одной из важных проблем физиологии устойчивости растений является изучение ответных защитно-приспособительных реакций на понижение парциального давления кислорода в среде (гипоксия и аноксия) Эта проблема является актуальной, поскольку в естественной среде растения часто оказываются в условиях пониженной аэрации (затопление, частичное или полное, прорастание семян, образование ледяной корки, асфальтовые покрытия в городах)
Одной из самых ранних реакций на снижение парциального давления кислорода в среде является закисление цитоплазмы клеток растений При этом считается, что степень закисления цитоплазмы представляет собой один из показателей чувствительности растений к условиям дефицита О2 Регуляция внутриклеточного pH (рНвнт) в условиях анаэробиоза является результатом комплексного взаимодействия биофизического и биохимического рН-статирующих механизмов (Greenway, Gibbs, 2003, Felle, 2005) Первый механизм включает в себя активный транспорт ионов Н; из цитоплазмы НГ-АТФазами на плазмалемме и тонопласте при одновременном поглощении других катионов или выбросе анионов для поддержания баланса зарядов, а также деятельность индуцируемой аноксией вакуолярной IT-пирофосфатазы (Carystinos et al, 1995) Второй механизм включает в себя буферную емкость цитоплазмы, а также биохимические реакции, в которых образуются или связываются ионы водорода Важным компонентом биохимического рН-стата клетки является обмен яблочной кислоты (Davies, 1980), а в условиях дефицита кислорода - восстановление пирувата в реакциях брожений (Roberts et al, 1984) В то время как биохимический рН-стат энергетически независим, работа биофизического рН-стата требует гидролиза макроэргических фосфатов (Felle, 2005) - АТФ и неорганического пирофосфата
Известно, что предобработка низкими концентрациями 02 (гипоксия) позитивно влияет на регуляцию рНвнт при последующем аноксическом воздействии Это явление считается одним из ключевых моментов индуцируемой устойчивости к аноксии у чувствительных к анаэробиозу растений, возникающей после гипоксической предобработки (Gibbs,
Greenway, 2003) Предыдущие исследования, посвященные изучению динамики рНвнт в условиях дефицита кислорода у растений, были посвящены преимущественно различиям в реакции предобработанных и непредобработанных гипоксией растений на условия аноксии (Xia, Roberts 1994, Xia et al 1995), тогда как само гипоксическое воздействие подробно не изучалось Таким образом, в настоящее время, мы не располагаем детальной информацией о динамике рН цитоплазмы (рНщп) и рН вакуоли (рН^) в условиях гипоксии у устойчивых и неустойчивых растений, о различиях ответной реакции на гипоксическое и аноксическое воздействие, а также о механизмах, участвующих в регуляции рНвнг
Дель и задачи исследования. Целью работы являлось выяснение взаимосвязи между характером изменений внутриклеточного рН (рНцих и рНвак) и динамикой уровня эндогенного малата, содержанием нуклеотидтрифосфатов (НТФ) а также активностью ферментов брожений и метаболизма яблочной кислоты в условиях кислородной недостаточности различной степени у растений, контрастных по устойчивости к анаэробному воздействию
В задачи исследования входило изучение в корнях растений пшеницы и риса в условиях гипоксии и аноксии
- изменений содержания эндогенного малата
- изменений величины рНцит и рНвак,
- изменений содержания НТФ,
- динамики активности ферментов спиртового и молочнокислого брожений (ПДК, АДГ, ЛДГ),
- динамики активности ферментов метаболизма яблочной кислоты (ФЭПК, НАДФ-МЭ, НАД-МДГ)
Научная новизна работы. В настоящей работе впервые исследована с высоким временным разрешением динамика рН„ит и рНвак в корнях злаков, отличающихся по устойчивости к анаэробному воздействию, в условиях гипоксии и аноксии Впервые изучены взаимосвязи между динамикой изменения содержания яблочной кислоты и динамикой рНцит, а также между содержанием АТФ и активностью ионов водорода в цитоплазме клеток
корней злаков в условиях аноксии и гипоксии Предложена концепция регуляции рНцих при анаэробиозе у растений, в которой предпринята попытка оценить вклад биофизической и биохимической систем регуляции кислотности цитоплазмы у растений, контрастных по чувствительности к недостатку кислорода, в условиях гипоксии и аноксии
Практическая ценность работы. Результаты, полученные в данном исследовании, дополняют существующие знания о регуляции рНвнт в условиях дефицита кислорода у растений Исследование динамики рНцит и рНвак в условиях аноксии может быть применено в качестве теста для оценки устойчивости растения к анаэробному воздействию Ряд данных может быть использован в курсах по физиологии устойчивости (адаптации) и экологической физиологии растений на кафедрах физиологии и биохимии растений высших учебных заведений Российской Федерации, а также Университета Хельсинки
Апробация работы. Результаты работы докладывались на IV Съезде Общества физиологов растений России (Москва, 4-9 октября 1999 года), XIX (Йоэнсуу, Финляндия, 21-24 июня 1999 года), XXI (Аллинг-Сандвиг, Борнхольм, Дания, 21-24 августа 2003 года) и XXII (Умео, Швеция, 16-19 июня 2005 года) Конгрессах Скандинавского Общества по физиологии растений (Scandinavian Plant Physiology Society), а также на заседании секции физиологии растений Русского Ботанического Общества (3 апреля 2007 года) Положения, выносимые на защиту;
- изменения рНвнг при гипоксии и аноксии затрагивают как цитоплазму, так и вакуоль При этом, характер изменений рНцят и рНвак при недостатке 02 определяется степенью устойчивости растения, а также силой анаэробного воздействия,
- регуляция рНщп- в условиях дефицита кислорода осуществляется при помощи биофизических и биохимических механизмов При этом функционирование биохимического рН-стата в первые часы анаэробного воздействия является определяющим для устойчивости к неблагоприятному фактору,
- различия устойчивых и неустойчивых растений наиболее ярко проявляются в условиях аноксии При шпоксии, неустойчивые растения сохраняют способность к регуляции рНвиг, что создает предпосылки для акклимации к кислородной недостаточности
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 2 статьи и 4 тезиса докладов на международных конференциях Одна статья сдана в печать
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов, изложения результатов, обсуждения, заключения, выводов, списка цитируемой литературы и приложения Работа изложена на 129 страницах и содержит 10 таблиц и 18 рисунков Список литературы включает 171 источник, в том числе 16 на русском и 155 на иностранных языках
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Объектами исследования являлись 7-дневные проростки пшеницы (Triticum aestivum L ) сорта Ленинградка и 10-дневные проростки риса (Oryza sativa L) сортообразца ВНИИР-17 В экспериментах с кончиками корней использовали 2,5-дневные этиолированные проростки пшеницы (Triticum aestivum L ) сорта Ленинградка и 4-дневные этиолированные проростки риса {Otyza sativa L ) сорта Лиман Кончики корней (2 мм) отрезали бритвой в стерильных условиях и помещали в инкубационную среду, содержащую 0,1 M глюкозы, 2 мМ K2S04, 0,1 мМ CaS04 и 10 мМ MES (рН 6 2, доведен ТРИСом) Инкубационная среда постоянно продувалась 100% кислородом
Для создания анаэробных условий в экспериментах с целыми растениями проростки опытных вариантов помещали в камеры, через которые 40 минут пропускали газообразный азот (содержание Ог - менее 0,01%), затем камеры герметично закрывали и ставили в темноту для предотвращения образования кислорода на свету Отсутствие 02 в камерах контролировали анаэробным индикатором Oxoid (Umpath Ltd, Великобритания) и оксиметром АНКАТ-7641-10 (Беларусь) Контрольные растения находились в темноте в нормальных условиях аэрации В
экспериментах с кончиками корней, образец помещали в инкубационную среду, насыщенную азотом (0% Ог) или воздухом (21% Ог) для создания условий аноксии или гипоксии, соответственно Контрольные образцы инкубировали в среде, насыщенной 100% кислородом
Зависимость интенсивности поглощения кислорода кончиками корней злаков от его концентрации во внешней среде исследовали с помощью кислородного электрода Кларка (Hansatech Instruments Ltd, Kings Lynn, Великобритания) при 25°C Измерения проводили в диапазоне концентраций кислорода от 45% до 0% По результатам измерений строили кривую зависимости интенсивности поглощения кислорода от его концентрации во внешней среде После обработки данных выводили эмпирическое уравнение интенсивности дыхания как функции концентрации кислорода
Уровень малата определяли энзиматически с использованием препарата НАД-МДГ по методу Хохорста (Hohorst, 1965), модифицированному применительно к исследуемым объектам (Чиркова и соавт, 1997)
Активность АДГ, ЛДГ, НАД-МДГ, НАДФ-МЭ, ПДК, ФЭПК измеряли спектрофотометрически, при 340 нм, по скорости восстановления НАДФ+ (для НАДФ-МЭ) или окисления НАДН (для остальных ферментов) на спектрофотометре Shimadzu UV-2100 (Shimadzu Corp , Япония)
Эксперименты по 31Р-ЯМР спектроскопии т vivo проводили на спектрометре Vanan 500 Unity (500 МГц, Vanan США) при 25°С в стандартной пробирке диаметром 10 мм Для обеспечения циркуляции среды и аэрации образца внутри пробирки ЯМР была сконструирована воздушно-лифтовая система, как описано Фоксом и соавторами (Fox et al 1989) В качестве внешнего стандарта использовали 0,2М раствор метилендифосфоновой кислоты (МДФ) в оксиде дейтерия (рН 8,9, подведен с помощью ТРИСа) находящийся в коаксиальном капилляре внутри пробирки ЯМР и дающей сигнал, имеющий химический сдвиг 16,86 м д относительно сигнала фосфора 85% Н3РО4 Спектры ЯМР обрабатывали при помощи программ VNMR (Varían Inc , Сан-Франциско, Калифорния, США) и MestreC
(версия 3 7 9, www mestrec com) Значения pH цитоплазмы и вакуоли определяли по величине химического сдвига сигнала неорганического фосфата соответствующего компартмента Калибровочную кривую зависимости рН от величины химического сдвига сигнала неорганического фосфата строили как описано Ли и Рэдклифом (Lee, Radcliffe, 1983) Содержание НТФ определяли по площади пика р-фосфатной группы по отношению к площади лика внешнего стандарта - МДФ
Количество белка в экстрактах растительных тканей определяли по методу Брэдфорд (Bradford, 1976)
Эксперименты по определению ферментативной активности проводили в 3-4-х повторностях, по определению уровня малата - в 3-х Содержание НТФ, если это не оговорено особо, рассчитывали по данным не менее трех независимых экспериментов По результатам опытов рассчитывали средние арифметические и стандартные ошибки средних арифметических, а также проверяли выборки на соответствие нормальному распределению (Маслов, 1978) Для оценки достоверности различия средних проводили однофакторный дисперсионный анализ Дисперсионное отношение сравнивали с критическим значением F-критерия для Р = 0,95 (Лакин, 1980)
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Эксперименты с целыми проростками. Динамика содержания эндогенного маната в корнях проростков злаков Определение уровня эндогенного малата показало, что под влиянием аноксии снижение содержания яблочной кислоты по сравнению с контрольным уровнем в корнях пшеницы в течение 24 ч происходило постепенно, тогда как в корнях риса уровень малата падал вдвое через 1,5 ч, почти в 6 раз через 6 ч анаэробного воздействия и в дальнейшем не менялся (Рис 1)
Эксперименты с кончиками корней злаков Интенсивность дыхания кончиков корней злаков количественная оценка гипоксического воздействия В экспериментах, где организм подвергается гипоксическому воздействию, степень гипоксии должна быть количественно
оценена Без подобной оценки невозможно определить, была ли степень кислородной недостаточности одинаковой или различной для пшеницы и риса
Пшеница
Рис
□контроль ■аноксия
экспозиция, ч
Рис. 1. Влияние аноксии на содержание малата в корнях проростков пшеницы ириса
Анализируя наши экспериментальные данные, мы обнаружили, что интенсивность поглощения кислорода кончиками корней пшеницы имеет гиперболическую зависимость от 02 кислорода в среде и может быть описано уравнением Михаэлиса — Ментен
V™ [О,] ,1Ч "Ьг^ (!)> гДе
v([02]) =
Кт+[02]
Утах = 2,30 мкМ гсв"1 мин"1 и Кт = 15,69 % (Рис 2)
Зависимость интенсивности поглощения кислорода кончиками корней риса от концентрации Ог во внешней среде описывается ассиметричной сигмовидной кривой (Рис 2) и не может быть выражена при помощи уравнения Михаэлиса - Ментен При концентрациях кислорода ниже 8,6% эта зависимость подчиняется уравнению степенной функции (4)
у([Ог]) =
[02
95,52
(2),
тогда как при концентрациях выше 8,6% она приобретает гиперболический характер и может быть описана уравнением, сходным с уравнением (1)
1,60 [02
у([02]) =-
(3)
12,17 + [02]
Преобразование уравнений (1) и (3), ведущее к уравнениям (4 1) и (4 2)
у([0;]) _ [О»] л. 1л Ч[02])_ [02]
Кт+[02]
(4 1),
1,60 12,17+ [02
(4 2),
позволяет количественно оценить степень кислородной недостаточности, т к левая часть уравнений (4 1) и (4 2) отражает степень насыщения кислородом процесса его поглощения
При концентрации Ог в инкубационной среде 21% скорость поглощения кислорода составляла 57,2% и 63,3% от теоретически рассчитанной максимальной скорости для пшеницы и риса, соответственно Таким образом, указанные условия можно считать гипоксическими для кончиков корней пшеницы и риса Факт индукции в исследуемых объектах ферментов спиртового брожения подтверждает это предположение Приведенные выше расчеты являются количественной оценкой степени гипоксического воздействия
Спектроскопия 31Р ядерного магнитного резонанса ДшОМ.ика_ _рНчт. _ в Шнчшах крр^щй злаков Аноксическое воздействие вызывало в кончиках корней риса быстрое падение рНцих с 7,60 до значений ниже 7,00 за первые 9 мин экспозиции, после чего наблюдалось частичное защелачивание цитоплазмы и стабилизация на уровне 7,15 через 35 мин (Рис 3) К 3 и 6 ч экспозиции в бескислородной среде рНщг составлял 7,10 и 7,20, соответственно При гипоксии рНцих снижался с 7,60 до 7,10 в течение 14 мин воздействия, после чего наблюдалось частичное защелачивание цитоплазмы и стабилизация рНцит на уровне 7,30 через 40 мин экспозиции К 3 ч гипоксического воздействия рНцит оставался на прежнем уровне, вслед за чем наблюдалось незначительное защелачивание до рН 7,35 через 6 ч экспозиции
0 3 6 12 18 21 27 33 39 Концентрация кислорода [02], % - пшеница —*—рис
Рис. 2. Зависимость интенсивности поглощения кислорода кончиками корней злаков от его концентрации во внешней среде Треугольниками
обозначены данные, полученные экспериментально Линии построены на основании уравнений, полученных в результате математической обработки эмпирических данных Представлены
данные репрезентативных экспериментов
данных
о
с:
У пшеницы аноксическое воздействие вызывало падение рНцит с 7,70 до значений ниже 7,00 за первые 15 мин экспозиции (Рис 3) Стадия частичного защелачивания отсутствовала, напротив, рНц^ продолжал снижаться, достигая 6,90 и 6,80 через 3 ч и через 6 ч анаэробного воздействия, соответственно Характер изменений рНцт в условиях гипоксии был сходен с таковым у риса
Старт РИС
2'90! >\/\
4/ \ .Л -Д.
18 27 36 45 54 63 72 81 экспозиция, мин
Старт
Пшеница
7,20 = 7,15 | 7,10 | 7,05 =Г
0 9 18 27 36 45 54 63 72 81 90 экспозиция, мин -д- контроль -о- гипоксия -о- аноксия
Рис. 3. Влияние гипоксии и аноксии на pHwr в кончиках корней риса. «Старт» отмечает точку отсчета времени анаэробного воздействия Линии построены по методу скользящего среднего (шаг = 2) с использованием программы Microsoft Excel® Представлены результаты репрезентативных экспериментов
После начального снижения рНцит с 7,70 до 7,15 в течение первых 18 мин воздействия, наблюдалось частичное защелачивание цитоплазмы и стабилизация рНцкгг на уровне 7,40 через 55 мин экспозиции Дальнейшая инкубация в условиях гипоксии приводила к слабому закислению цитоплазмы - до 7,35 и 7,30 через 3 ч и через 6 ч экспозиции, соответственно Таким образом, основное различие между исследуемыми объектами проявлялось в ответной реакции на аноксию у риса четко выражена отсутствующая у пшеницы стадия частичного защелачивания после начального резкого закисления Защелачивание совпадает по времени с быстрым распадом яблочной кислоты, отмеченным в корнях риса и отсутствующим в корнях пшеницы, что может свидетельствовать о различиях в эффективности работы биохимического рН-стата при аноксии у растений, контрастных по устойчивости к недостатку Ог
Динамика лН_в№ в_ коггчиках, корггей_злаков Среднее значение рНвак в кончиках корней риса в контрольном эксперименте составляло 5,20 (Таб 1) Гипоксическое воздействие не оказывало влияния на рНвак В условиях аноксии рНвак оставался неизменным в течение 3 ч экспозиции, а к 6 ч наблюдалось защелачивание вакуоли на 0,4-0,5 рН У пшеницы, среднее значение рНвак в контроле составляло 5,30 Гипоксическое воздействие приводило к повышению рНвак на 0,25 рН в течение 90 мин анаэробного воздействия В дальнейшем, защелачивание продолжалось и к 3 ч экспозиции составило 0,35 рН относительно исходного уровня С 3 до 6 ч гипоксии рНвак не изменялся Аноксия не приводила к изменениям рНвак в течение первых 90 мин экспозиции
Таблица 1. Влияние гипоксии и аноксии на изменения рНвак в клетках кончиков корней злаков Представлены данные репрезентативных экспериментов_
Экспозиция Огуга ваша Ь Тпйсит аеяШит Ь
Контроль Гипоксия Аноксия Контроль Гипоксия Аноксия
0ч 5,20 5,20 5,15 5,30 5,25 5,30
Зч 5,15 5,20 5,05 5,30 5,55 5,40
6ч 5,25 5,20 5,75 5,30 5,60 5,40
К 3 ч анаэробного воздействия происходило слабое защелачивание, составлявшее 0,1 рН, после чего изменений рНвак не наблюдалось Таким образом, если у устойчивого объекта защелачивание вакуоли наблюдалось в условиях отсутствия 02 в среде, у неустойчивого растения эта ответная реакция ■ была явно выражена при гипоксии, тогда как при аноксии практически не проявлялась
Содержание НТФ_ __в_ кончг(ках_ ко£>ней_ злаков Содержание НТФ в кончиках корней пшеницы и риса, находящихся в условиях аэрации, составляло 14 50±1 23 (п=7) и 14 95±0 44 (п=4) нмоль/мг белка, соответственно, и в контрольных образцах в течение эксперимента не изменялось Как гипоксия, так и аноксия приводили к сокращению количества НТФ у риса более, чем на половину через 3 ч экспозиции Тем не менее, к 6 ч наблюдалось частичное восстановление пула НТФ до 60-75% от первоначального уровня У пшеницы аноксическое воздействие приводило к снижению количества НТФ более чем в 3,5 раза через 3 ч и в 7,5 раз - через 6 ч анаэробиоза При гипоксии содержание НТФ составляло 65% от контрольного уровня через 3 ч экспозиции и в дальнейшем не менялось Таким образом, основные различия между исследуемыми объектами, как и в случае динамики рНцит, касаются ответной реакции на аноксию у риса в условиях отсутствия Ог в среде сохраняется способность поддерживать более высокий уровень НТФ, сопоставимый с таковым при гипоксии, тогда как у пшеницы эта способность отсутствует, и количество НТФ снижается почти на порядок
У обоих растений имели место параллельные изменения содержания НТФ и рНцщ. сокращение пула НТФ сопровождалось снижением рН11ИТ, в то время как увеличение уровня НТФ приводило к защелачиванию цитоплазмы Обнаружено, что коэффициенты корреляции между содержанием НТФ и активностью ионов водорода в цитоплазме ([Н+]цвт = 10 рНа" ), близки к -1,00 Для описания обнаруженной корреляции между [Н^]цит и содержанием НТФ в виде математического выражения мы применили регрессионный анализ Результаты анализа представлены на Рис 4 Выявленная зависимость может являться отражением работы биофизического рН-стата, зависимого от АТФ -
субстрата Н*-АТФаз на плазмалемме и тонопласте - и функционирующего постоянно у обоих растений как при гипоксии, так и при аноксии
Д контроль гипоксия -о- аноксия
Рис. 4. Зависимость между [Н4]^ и содержанием НТФ в кончиках корней пшеницы и риса при гипоксии и аноксии
Измерение ферментативной активности в кончиках корней злаков Активность, (Ьерментов брожений _в-ёончикдх_ корней_ злаков У пшеницы, активность АДГ ПДК и ЛДГ в контрольном варианте не изменялась в течение эксперимента В условиях гипоксии, происходила активация ферментов как спиртового, так и молочнокислого брожений, при этом активность ПДК превышала контрольный уровень уже через 6 ч, а АДГ и ЛДГ - через 12 ч анаэробного воздействия (Рис 5) В условиях аноксии активность ферментов брожений не отличалась от контрольной, хотя к 18 ч экспозиции для всех трех энзимов наблюдалась тенденция к ее увеличению У риса активность ферментов брожений в контрольном варианте не менялась в течение всего времени экспозиции Активность ферментов спиртового брожения возрастала как при гипоксии, так и аноксии через 6-12 часов воздействия При этом, после 18 ч активность АДГ и ПДК в аноксическом варианте была выше, чем в гипоксическом (Рис 5) Тенденция к повышению активности ЛДГ также проявлялась в обоих случаях, однако достоверные различия наблюдались только между гипоксическим вариантом после 6 ч экспозиции, по сравнению с соответствующим контрольным
АктЦвнрсть_^ермеьтрв_мета6рлмща_ яблочной шслоты_ в_ котиках, корней з_лаков_ Недостаток кислорода не оказывал влияния на активность МДГ,
ъ£ 75
СГ та
с с; 60
_D 01
5 да U, 45
о X 111 30
з; £ в Z 15
< 0
Пшеница
О 6 12 18
ЭКСПОЗИЦИЯ, ч
пдк
250 200 150 100 50 О
Рис
111Г íl
□ контроль ■ гипоксия ■аноксия
0 6 12 18
экспозиция, ч
! ! контроль
■ гипоксия
■ аноксия
О 6 12 18 О 6 12 18
экспозиция, ч экспозиция, ч
Рве. 5. Влияние гипоксии и аноксии на активность ферментов брожений в кончиках корней злаков. Каждое значение представляет среднее арифметическое ± стандартное отклонение результатов 3-4 независимых экспериментов. В случаях, где установлена достоверность отличия опытной величины от контрольной, столбцы помечены (*) звездочкой.
ФЭПК и НАДФ-МЭ в кончиках корней злаков. Исключение составляли кончики корней пшенины н условиях гипоксии, где после 12 и 18 ч экспозиции наблюдалось повышение активности НАДФ-МЭ при одновременном снижении активности ФЭПК. В целом, можно заключить, что изменения активности МДГ, ФЭПК и НАДФ-МЭ in vitro не могут объяснить изменения уровня яблочной кислоты и корнях злаков fí условиях аноксии, и ведущую роль в рефляции активности ферментов яблочной кислоты, по-видимому, играют условия in vivo.
Таким образом, наиболее ярко различия между устойчивым и неустойчивым объектами проявляются в условиях аноксии и касаются индукции ферментов спиртового брожения: если в кончиках корней риса при отсутствии кислорода в среде индукция ПДК и АДГ выше, чем при гипоксии, то в копчиках корней пшенины она отсутствует. Различиями в активности ферментов спиртового брожения, могут отчасти объясняться отличия в содержании НТФ в кончиках корней злаков в условиях аноксии, описанные
выше С другой стороны, блокада индукции ПДК и АДГ у пшеницы при аноксии может быть следствием энергетического кризиса, возникающего вследствие неэффективного биохимического рН-стата Это ведет к перегрузке биофизического механизма регуляции рНцит и недостатку АТФ для биосинтетических процессов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные результаты свидетельствуют о том, что регуляция внутриклеточного рН в условиях кислородной недостаточности осуществляется с помощью биофизических и биохимических механизмов Наиболее яркие различия между неустойчивым и устойчивым объектами проявились в условиях аноксии Функционирование у устойчивых растений биохимического механизма на начальных этапах аноксического воздействия позволяет снизить затраты АТФ на регуляцию внутриклеточного рН и перераспределить часть энергии на биосинтетические процессы У неустойчивого растения неэффективная работа биохимического рН-стата приводит к перегрузке биофизического рН-стата, энергетическому дефициту, прогрессирующему закислению цитоплазмы и отсутствию индукции активности ферментов спиртового брожения При гипоксии способность к биохимической регуляции рН цитоплазмы сохраняется у обоих видов, что создает предпосылки для акклимации к кислородной недостаточности
ВЫВОДЫ
1 Показано, что у устойчивого растения - риса, а также у неустойчивого растения - пшеницы гипоксия (21% 02) и аноксия (0% 02) приводили к закислению цитоплазмы клеток кончиков корней на 0,5-0,7 единицы рН за первые 9-15 мин воздействия У риса, как при гипоксии, так и при аноксии вслед за резким падением рН1ХИТ наблюдалось частичное защелачивание (в среднем 0,2 рН) цитоплазмы У пшеницы фаза защелачивания присутствовала только при гипоксии, тогда при аноксии закисление продолжалось, достигая 0,8-0,9 рН через 6 ч экспозиции
2 Обнаружено, что защелачивание вакуоли в клетках кончиков корней риса наблюдается только в условиях аноксии (0,5 рН через 6 ч), в то время
как у пшеницы возрастание рНвак проявляется лишь при гипоксии (0,35 рН через 3 ч), а при аноксии - почти не выражено (0,1 рН через 3 ч)
3 Установлено, что в корнях проростков риса в условиях аноксии, уже в первые 1,5 ч воздействия происходит снижение в 2 раза содержания яблочной кислоты К 6 ч анаэробной экспозиции уровень малата в корнях опытных растений риса был в 6 раз ниже, чем в контрольных В корнях проростков пшеницы распад малата протекал значительно медленнее, и аналогичное снижение уровня яблочной кислоты наблюдалось только через 24 часа экспозиции в бескислородной среде
4 Показано, что в кончиках корней пшеницы, после 6 часовой экспозиции при гипоксии, увеличивалась активность НАДФ-малик-энзима при одновременном снижении активности ФЭП-карбоксилазы В остальных случаях изменения активности НАДФ-МЭ и ФЭПК не имели четко выраженного характера Активность МДГ в корнях обоих растений не менялась под влиянием и гипоксии, и аноксии
5 Активация ферментов спиртового брожения - ПДК и АДГ - в кончиках корней риса выявлена как в условиях гипоксии, так и аноксии, а в кончиках корней пшеницы - только при гипоксии
6 В кончиках корней риса гипоксия и аноксия вели к сокращению содержания НТФ в среднем на одну треть после 6 ч экспозиции В кончиках корней пшеницы гипоксическое воздействие за аналогичный промежуток времени приводило к сокращению уровня НТФ также на треть, тогда как при аноксии пул НТФ сокращался более чем в 7 раз
7 Регуляция рН цитоплазмы в корнях обоих растений осуществляется при помощи биофизических механизмов, зависимых от АТФ Выражением этого является обнаруженная корелляция между концентрацией НТФ и активностью ионов водорода в цитоплазме На начальных этапах анаэробного воздействия важную роль в регуляции рН цитоплазмы играет также биохимический рН-стат Это проявляется в быстром распаде малата, который совпадает по времени с частичным защелачиванием цитоплазмы после начального резкого ее закисления Данный механизм работает у обоих
растений в условиях гипоксии, тогда как при аноксии - только у устойчивого вида По всей вероятности, именно взаимодействие обоих механизмов регуляции рНщт в клетках корней создает предпосылки для адаптации растений к недостатку кислорода во внешней среде
8 Полученные результаты позволяют предложить метод оценки устойчивости растений к дефициту 02, основанный на анализе изменений внутриклеточного рН в условиях аноксии Признаками, отличающими устойчивое растение, являются наличие частичного защелачивания цитоплазмы после начального резкого закисления, меньшая амплитуда закисления цитоплазмы, а также защелачивание вакуоли
Исследование поддержано грантами Академии Финляндии №№ 171978, 178918 и 1207898
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1 Konstantm Kulichikhin, Tamara Chirkova The influence of anoxia on endogenous malate content and NAD-malate dehydrogenase activity in roots of wheat and rice seedlings // Abstracts of XIX Congress of SPPS 21-23 of June 1999 Joensuu, Finland 1999 P 80
2 Куличгаин КЮ, Курчакова ЕВ, Чиркова ТВ Влияние аноксии на содержание эндогенного малата и активность НАД-малатдегидрогеназы в корнях проростков пшеницы и риса // Тезисы IV Съезда Общества физиологов растений России 4-9 октября 1999 года Москва, 1999 С 400
3 Куличгаин КЮ, Курчакова ЕВ, Чиркова ТВ Активность малатдегидрогеназ и содержание эндогенного малата в корнях злаков в условиях аноксии//Вестник СПбГУ 2000 СерЗ Вып 3 №19 С 70-76
4 Kulichikhin К Yu, Chirkova Т V, Fagerstedt К V The effect of normoxia, hypoxia and anoxia on cytoplasmic acidification and fermentative enzyme activities m rice (Oryza sativa L ) root tips //Abstracts of XXI congress of SPPS, Allmge-Sandvig, Denmark, 2Г'-24Л of August, 2003 Stress biology P 28
5 Konstantm Kulichikhin, Olh Aitio, Tamara Chirkova, Kurt Fagerstedt Relationship between cytoplasmic pH and intracellular nucleotide triphosphate content m cereal root tips under anoxic and hypoxic conditions // Abstracts of XXII Congress of SPPS 16th-19th of June 2005 Umea, Sweden 2005 P 24
6 Kulichikhin К Yu, Aitio О, Chirkova T V, Fagerstedt К V Effect of oxygen concentration on intracellular pH, glucose-6-phosphate and NTP content in rice {Oryza sativa) and wheat (Triticum aestivum) root tips in vivo 31P-NMR study // Physiologia Plantarum 2007. Vol 129 P 507-518
Подписано в печать 14 09 2007 Бумага офсетная Гарнитура Тайме Объем 1,25 п л, Тираж 110 экз Заказ Ка 01-09 - 2007
Отпечатано с оригинал-макета заказчика
в типографии ООО «Полигон» 198096, Санкт-Петербург, пр Стачек, 82 тел 784-13-35
Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Куличихин, Константин Юрьевич
Список сокращений.
1. Введение.
2. Обзор литературы.
2.1. Особенности кислородной недостаточности у растений: термины, определения, количественная оценка.
2.2. Пути адаптации растений к условиям гипоксии и аноксии.
2.2.1. Морфолого-анатомическая адаптация растений к гипоксии и аноксии.
2.2.2. Метаболические адаптации растений к гипоксии и аноксии.
2.2.2.1. Активация гликолиза.
2.2.2.2. Обеспеченность субстратами гликолиза.
2.2.2.3. Пути повышения энергетического выхода дыхания при анаэробиозе у растений.
2.2.2.4. Механизмы реокисления восстановленных коферментов.
2.2.2.5. Механизмы детоксикации конечных продуктов анаэробного обмена.
2.2.2.6. Механизмы регуляции анаэробного метаболизма.
2.3. Особенности регуляции внутриклеточного рН в растительной клетке.
2.3.1. Факторы, определяющие рН в компартменте.
2.3.1.1. Концентрация сильных электролитов.
2.3.1.2. Концентрация слабых электролитов.
2.3.2. Механизмы регуляции рН в клеточном компартменте.
2.3.2.1. Биофизический рН-стат.
2.3.2.2. Биохимический рН-стат.
2.3.3. Методы измерения внутриклеточного рН. Спектроскопия 31Р-ЯМР.
2.3.4. Динамика внутриклеточного рН в условиях дефицита кислорода.
2.3.4.1. Механизмы закисления цитоплазмы.
2.3.4.2. Степень закисления цитоплазмы в условиях дефицита кислорода.
2.3.4.3. Механизмы регуляции рНцит при анаэробиозе у растений
2.3.4.4. Динамика рНвак при анаэробиозе у растений.
2.3.5. Регуляторная роль изменений внутриклеточного рН при дефиците кислорода у растений.
3. Материалы и методы.
3.1. Эксперименты с целыми проростками.
3.1.1. Подготовка растительного материала.
3.1.2. Создание анаэробных условий.
3.1.3. Определение содержания яблочной кислоты.
3.2. Эксперименты с кончиками корней проростков.
3.2.1. Подготовка растительного материала.
3.2.2. Выделение кончиков корней.
3.2.3. Измерение интенсивности дыхания кончиков корней.
3.2.4. Создание анаэробных условий.
3.2.5. Получение экстракта из кончиков корней проростков злаков.
3.2.6. Спектрофотометрическое измерение активности ферментов.
3.2.7. Спектроскопия 31Р-ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
3.2.8. Измерение количества белка.
3.3. Статистическая обработка результатов.
4. Результаты.
4.1.Эксперименты с целыми проростками.
4.1.1. Динамика эндогенного малата в корнях проростков злаков.
4.2. Эксперименты с кончиками корней злаков.
4.2.1. Интенсивность дыхания кончиков корней злаков: количественная оценка гипоксического воздействия.
4.2.2. Спектроскопия 31Р ядерного магнитного резонанса.
4.2.2.1. Спектры in vivo 31Р-ЯМР кончиков корней пшеницы и риса в условиях гипоксии и аноксии.
4.2.2.2. Динамика рНцит в кончиках корней злаков.
4.2.2.3. Динамика рНвак в кончиках корней злаков.
4.2.2.4. Содержание нуклеотидтрифосфатов (НТФ) в кончиках корней злаков.
4.2.3. Измерение ферментативной активности в кончиках корней злаков.
4.2.3.1. Содержание белка и динамика сырой массы кончиков корней злаков.
4.2.3.2. Активность ферментов брожений в кончиках корней злаков.
4.2.3.3. Активность ферментов метаболизма яблочной кислоты в кончиках корней злаков.
5. Обсуждение.
5.1. Динамика эндогенного малата в конях проростков злаков.
5.2. Динамика активности ферментов метаболизма яблочной кислоты в кончиках коней злаков.
5.3. Динамика рНцит в кончиках корней злаков.
5.4. Содержание нуклеотидтрифосфатов в кончиках корней злаков.
5.5. Механизм закисления цитоплазмы.
5.6. Динамика активности ферментов брожений в кончиках коней злаков.
5.7. Динамика рНвак в кончиках корней злаков в условиях гипоксии и аноксии.
5.8. Механизм регуляции рНцит в кончиках корней злаков в условиях недостатка кислорода.
5.9. Устойчивость кончиков корней риса к аноксии.
Введение Диссертация по биологии, на тему "Механизмы регуляции внутриклеточного рН в корнях злаков в условиях гипоксии и аноксии"
Живые организмы постоянно подвергаются действию различных биогенных и абиотических факторов среды обитания. Поэтому способность адекватно реагировать на эти факторы с целью устранения их влияния или приспособления к ним является одной из основных для существования организма. Растения, в силу прикрепленного образа жизни, в большей степени, чем животные, зависят от этих факторов.
Одной из важных проблем физиологии устойчивости растений является изучение ответных защитно-приспособительных реакций на понижение парциального давления кислорода в среде (гипоксия и аноксия). Эта проблема является актуальной, поскольку в естественной среде растения часто оказываются в условиях пониженной аэрации. Дефицит 02 возникает, если растение оказывается частично или полностью затопленным, особенно стоячей водой (Vartapetian, Jackson, 1997; Gibbs, Greenway 2003). Важнейшей характеристикой состояния затопления является тот факт, что диффузия газов в воде происходит в 10000 раз медленнее, чем в воздушной среде (Armstrong 1979, Ponnamperuma 1984). В результате, газообмен между атмосферой и затопленным растением оказывается существенно затруднен. Это приводит к тому, что концентрация кислорода в затапливаемой воде может упасть до нулевой отметки (Blackwell, 1983), тогда как парциальное давление С02 возрастает до 5-50 кПа (Ponnamperuma 1984). Анаэробные условия возникают также при прорастании семян (Leblova, 1978), образовании ледяной корки (Crawford et al., 1994; Crawford, Braendle, 1996), асфальтовом покрытии. Гипоксия может возникать при неправильном хранении плодов и овощей (Knee, 1991).
Основным следствием дефицита кислорода для растений является энергетический дефицит. Продукция АТФ в условиях аноксии осуществляется только в реакциях субстратного фосфорилирования и составляет от 3,0 до 37,5% (Gibbs, Greenway, 2003) от количества, производимого нормально аэрируемыми тканями. Активация спиртового брожения - основного пути метаболизма углеводов при анаэробиозе у растений (ар Rees et al., 1987; Ricard et al., 1994) - обеспечивает реокисление образующегося в гликолизе НАДН, что позволяет поддерживать высокую интенсивность гликолиза в бескислородной среде.
Одной из самых ранних реакций на снижение парциального давления кислорода в среде является закисление цитоплазмы клеток растений. рН цитоплазмы (рНцит) стабилизируется на новом уровне, более низком, чем у аэрируемых клеток. Считается, что степень закисления цитоплазмы является одним из показателей чувствительности растений к условиям дефицита 02. Регуляция внутриклеточного рН (рНвнт) в условиях недостатка или отсутствия кислорода является результатом комплексного взаимодействия биофизического и биохимического рН-статирующих механизмов (Greenway, Gibbs, 2003; Felle, 2005). Первый механизм включает в себя активный транспорт ионов Н+ из цитоплазмы за счет работы Н+-АТФаз на плазмалемме и тонопласте при одновременном поглощении других катионов или выбросе анионов для поддержания баланса зарядов, а также деятельность индуцируемой аноксией вакуолярной Н+-пирофосфатазы (Carystinos et al., 1995). Второй механизм включает в себя буферную емкость цитоплазмы, а также биохимические реакции, в которых образуются или связываются ионы водорода. Важным компонентом биохимической регуляции рН цитоплазмы является обмен яблочной кислоты (Davies, 1980), а в условиях дефицита кислорода - путь метаболизма пирувата в реакциях брожений (Roberts et al, 1984). В то время как биохимический рН-стат энергетически независим, работа биофизического рН-стата требует гидролиза макроэргических фосфатов (Felle, 2005) - АТФ и, в меньшей степени, неорганического пирофосфата.
В большинстве работ, посвященных изучению динамики рНвнт в условиях дефицита кислорода у растений, применялось аноксическое воздействие, тогда как исследования влияния низких концентраций кислорода (гипоксии) немногочисленны (Fan et al., 1992). Состояние гипоксии вызывает повышенный интерес в связи с феноменом индукции устойчивости к аноксии у чувствительных к анаэробиозу растений низкими концентрациями кислорода (Gibbs, Greenway 2003). Тем не менее, предыдущие исследования концентрировались преимущественно на различиях в поведении предобработанных и не предобработанных гипоксией растений в условиях аноксии (Xia and Roberts 1994, Xia et al. 1995). Анализ влияния гипоксии на изменения белкового профиля (proteomix, Chang et al. 2000), а также профиля транскриптов (transcriptomix, Klok et al. 2002) позволяет получить новые данные о генах и белках, участвующих в ответной реакции растения на действие низких концентраций 02. Однако до сих пор мы не располагаем детальной информацией о динамике рНцит и рН вакуоли (рНвак) в условиях гипоксии у устойчивых и неустойчивых растений, а также о механизмах, участвующих при этом в регуляции рНвнт.
Цели и задачи. Целью работы являлось выяснение взаимосвязи между характером изменений внутриклеточного рН (рНцит и рНвак) и динамикой уровня эндогенного малата, содержанием нуклеотидтрифосфатов, а также активностью ферментов брожений и метаболизма яблочной кислоты в условиях кислородной недостаточности различной степени у растений, контрастных по устойчивости к анаэробному воздействию.
В задачи исследования входило изучение в корнях растений пшеницы и риса в условиях гипоксии и аноксии:
- изменений величины рНцит и рНвак>
- изменений содержания нуклеотидтрифосфатов
- динамики активности ферментов спиртового и молочнокислого брожений (ПДК, АДГ, ЛДГ).
- динамики активности ферментов метаболизма яблочной кислоты (ФЭПК, НАДФ-МЭ, НАД-МДГ)
Содержание нуклеотидтрифосфатов отражает степень обеспеченности клетки энергией и определяет возможность функционирования протонных помп на плазмалемме и тонопласте.
Интенсивность брожения (спиртового и молочнокислого в сумме) отражает интенсивность анаэробного гликолиза, а в условиях аноксии -интенсивность синтеза АТФ. С другой стороны, соотношение интенсивностей образования лактата и этанола определяет степень закисления цитоплазмы конечными продуктами анаэробного обмена и энергетические затраты, связанные с выведением избытка протонов из цитоплазмы.
Метаболизм яблочной кислоты играет важную роль в биохимической регуляции внутриклеточного рН.
Научная новизна работы. В настоящей работе впервые исследована с высоким временным разрешением динамика рНцит и рНвак в корнях злаков, отличающихся по устойчивости к анаэробному воздействию, в условиях гипоксии и аноксии. Впервые изучены взаимосвязи между динамикой изменения содержания яблочной кислоты и динамикой рНцит, а также между содержанием АТФ и активностью ионов водорода в цитоплазме клеток корней злаков в условиях аноксии и гипоксии. Предложена концепция регуляции рНцит при анаэробиозе у растений, в которой предпринята попытка оценить вклад биофизической и биохимической систем регуляции кислотности цитоплазмы у растений, контрастных по чувствительности к недостатку кислорода, в условиях аноксии и гипоксии.
Практическая значимость. Результаты, полученные в данном исследовании, дополняют существующие знания о регуляции внутриклеточного рН в условиях дефицита кислорода у растений. Исследование динамики рНцит и рНвак в условиях аноксии может использоваться в качестве теста для оценки устойчивости растения к анаэробному воздействию. Ряд данных может быть использован в курсах по физиологии устойчивости (адаптации) и экологической физиологии растений на кафедрах физиологии и биохимии растений высших учебных заведений Российской Федерации, а также Университета Хельсинки.
Апробация работы. Материалы работы представлены в 6 публикациях, в том числе 2 статьях. Результаты работы докладывались на IV Съезде Общества физиологов растений России (Москва, 4-9 октября 1999 года); XIX (Йоэнсуу, Финляндия, 21-24 июня 1999 года), XXI (Аллинг-Сандвиг, Борнхольм, Дания, 21-24 августа 2003 года) и XXII (Умео, Швеция, 16-19 июня 2005 года) Конгрессах Скандинавского Общества по физиологии растений (Scandinavian Plant Physiology Society). Одна статья подана в печать, также планируется представление результатов на 9 Конгрессе Международного Общества по анаэробиозу у растений (International Society for Plant Anaerobiosis) (Мацушима, Сендай, Япония, 18-23 ноября 2007 года).
2.0бзор литературы 2.1. Кислородный дефициту растений: термины, определения, количественная оценка.
Кривая зависимости интенсивности поглощения кислорода от его концентрации во внешней среде имеет форму гиперболы (Рис. 1). При этом на кривой существует участок, где интенсивность поглощения кислорода не зависит от его концентрации. 1,5 о га т к X а. о £ 1,0 а> г
L. 0) о гч О г
S X
0) 3 о Е о с
0 10 20 30 40 50 75 100
Концентрация кислорода, %
Рис. 1. Зависимость интенсивности поглощения кислорода сегментами корней лука от концентрации 02 во внешней среде (Berry, Norris, 1949).
В условиях нормоксии интенсивность поглощения кислорода максимальна и не зависит от концентрации кислорода. Можно говорить, что процесс дыхания насыщен кислородом как субстратом и определяется только скоростью протекания ферментативных реакций. Критическое парциальное давление кислорода для дыхания (КДКд) - концентрация кислорода в среде, ниже которой интенсивность поглощения кислорода начинает зависеть от его концентрации. КДКд является рубежом, разграничивающим условия нормоксии и гипоксии. Определяющим фактором для протекания реакций окислительного фосфорилирования в условиях гипоксии становится концентрация кислорода. Интенсивность поглощения кислорода определяется здесь скоростью его диффузии из внешней среды к центрам потребления - митохондриям. Важным следствием этого является тот факт,
Тем f перат ура 2( °С г сегмент 0-5 мм • / f <■ сегмент /5-10 мм г сегмент 10-15 мм что КДКд зависит от агрегатного состояния среды, в которой находится исследуемый объект. Известно, что коэффициент диффузии кислорода (а, следовательно, и скорость его диффузии) в водной фазе в 10000 раз меньше такового в газовой фазе (Armstrong, 1979). Поэтому, КДКд для растительной ткани, инкубируемой в водной среде, будет существенно выше, чем при инкубации в газообразной среде при 100% влажности (Saglio et al., 1984).
Самой простой количественной характеристикой гипоксии может служить степень насыщения: отношение скорости поглощения кислорода при данной его концентрации во внешней среде к максимальной скорости его поглощения в условиях нормоксии. Переход из нормоксии к гипоксии сопровождается снижением количества АТФ в клетке, отношения [АТФ]/[АДФ], и аденилатного энергетического заряда (АЭЗ), которые коррелируют со снижением уровня кислорода во внешней среде и падением интенсивности его поглощения. По мере снижения концентрации кислорода во внешней среде большее значение приобретают реакции субстратного фосфорилирования, тогда как доля АТФ, синтезированной в митохондриях, убывает. Наблюдаемое с нарастанием силы анаэробного воздействия увеличение дыхательного коэффициента свидетельствует об активации в растительных тканях реакций спиртового брожения. Если активность брожений в тканях высока, корреляция между отношением [АТФ]/[АДФ] и интенсивностью поглощения кислорода нарушается. Использование неорганического пирофосфата (ПФН) вместо АТФ в некоторых гликолитических реакциях повышает энергетический выход гликолиза и в еще большей степени уменьшает зависимость энергетического состояния клетки от концентрации кислорода во внешней среде. В этом случае, для характеристики экспериментальных условий простого измерения интенсивности поглощения 02 и расчета степени насыщения может оказаться недостаточно, и потребуется определить соотношение [АТФ]/[АДФ] или АЭЗ.
В условиях аноксии концентрация кислорода во внешней среде равна нулю. Согласно более широкому определению, в условиях аноксии концентрация кислорода во внешней среде низка настолько, что синтез АТФ происходит почти исключительно в реакциях субстратного фосфорилирования, тогда как синтезом за счет окислительного фосфорилирования можно пренебречь.
В природных условиях точная количественная характеристика действующих на растение абиотических факторов, как правило, невозможна ввиду их вариабельности во времени и комплексного воздействия на организм. Тем не менее, можно с уверенностью говорить о том, что аноксические условия в природе если и возникают, то это происходит не внезапно, а после определенного периода гипоксии. Поэтому, многие исследователи используют в экспериментах гипоксическую предобработку растений перед аноксическим воздействием. Снижение парциального давления кислорода ниже КДКд является, как известно, сигналом к запуску морфогенетических и биохимических изменений, позволяющих растению увеличить время выживания в бескислородной среде. В этой связи, одним из аспектов таких исследований является влияние аноксии на растения после гипоксической предобработки по сравнению с теми, которые не имели таковой, т.е. подвергнутых аноксическому шоку - быстрому снижению концентрации кислорода в среде до нулевой отметки.
Другим экспериментальным подходом к изучению влияния недостатка кислорода на растения является применение дыхательных ингибиторов, например, азида и цианида. Эти вещества блокируют работу цитохром-с-оксидазы митохондрий и, таким образом, останавливают окислительное фосфорилирование. Основным источником АТФ в клетке становится субстратное фосфорилирование, начинает развиваться энергетический кризис. Такие условия, имитирующие отсутствие кислорода в среде, называют химической аноксией. Кислород, тем не менее, присутствует в среде и может восстанавливаться при участии альтернативной оксидазы. При этом возможен синтез АТФ, хотя и в значительно меньшей степени, чем при работе цитохром-с-оксидазы (Vanlerberghe and Mcintosh, 1997). Хотя внешне ответная реакция на дыхательные яды может иметь сходную картину с реальным аноксическим воздействием (падение энергетического заряда клетки, зачисление цитоплазмы, накопление продуктов анаэробного обмена), причины и механизмы этих явлений могут иметь совершенно иную природу.
Таким образом, при планировании эксперимента, при анализе и интерпретации собственных экспериментальных данных и их сравнении с данными из других литературных источников, все вышеуказанные моменты должны быть учтены.
Заключение Диссертация по теме "Физиология и биохимия растений", Куличихин, Константин Юрьевич
103 7. Выводы:
1. Показано, что у устойчивого растения - риса, а также у неустойчивого растения - пшеницы гипоксия (21% 02) и аноксия (0% 02) приводили к закислению цитоплазмы клеток кончиков корней на 0,5-0,7 единицы рН за первые 9-15 мин воздействия. У риса, как при гипоксии, так и при аноксии вслед за резким падением рНцит наблюдалось частичное защелачивание (в среднем 0,2 рН) цитоплазмы. У пшеницы фаза защелачивания присутствовала только при гипоксии, тогда при аноксии закисление продолжалось, достигая 0,8-0,9 рН через 6 ч экспозиции.
2. Обнаружено, что защелачивание вакуоли в клетках кончиков корней риса наблюдается только в условиях аноксии (0,5 рН через 6 ч), в то время как у пшеницы возрастание рНвак проявляется лишь при гипоксии (0,35 рН через 3 ч), а при аноксии - почти не выражено (0,1 рН через 3 ч)
3. Установлено, что в корнях проростков риса в условиях аноксии, уже в первые 1,5 ч воздействия происходит снижение в 2 раза содержания яблочной кислоты. К 6 ч анаэробной экспозиции уровень малата в корнях опытных растений риса был в 6 раз ниже, чем в контрольных. В корнях проростков пшеницы распад малата протекал значительно медленнее, и аналогичное снижение уровня яблочной кислоты наблюдалось только через 24 часа экспозиции в бескислородной среде.
4. Показано, что в кончиках корней пшеницы, после 6 часовой экспозиции при гипоксии, увеличивалась активность НАДФ-малик-энзима при одновременном снижении активности ФЭП-карбоксилазы. В остальных случаях изменения активности НАДФ-МЭ и ФЭПК не имели четко выраженного характера. Активность МДГ в корнях обоих растений не менялась под влиянием и гипоксии, и аноксии.
5. Активация ферментов спиртового брожения - ПДК и АДГ - в кончиках корней риса выявлена как в условиях гипоксии, так и аноксии, а в кончиках корней пшеницы - только при гипоксии.
6. В кончиках корней риса гипоксия и аноксия вели к сокращению содержания НТФ в среднем на одну треть после 6 ч экспозиции. В кончиках корней пшеницы гипоксическое воздействие за аналогичный промежуток времени приводило к сокращению уровня НТФ также на треть, тогда как при аноксии пул НТФ сокращался более чем в 7 раз.
7. Регуляция рН цитоплазмы в корнях обоих растений осуществляется при помощи биофизических механизмов, зависимых от АТФ. Выражением этого является обнаруженная корелляция между концентрацией НТФ и активностью ионов водорода в цитоплазме. На начальных этапах анаэробного воздействия важную роль в регуляции рН цитоплазмы играет также биохимический рН-стат. Это проявляется в быстром распаде малата, который совпадает по времени с частичным защелачиванием цитоплазмы после начального резкого ее закисления. Данный механизм работает у обоих растений в условиях гипоксии, тогда как при аноксии - только у устойчивого вида. По всей вероятности, именно взаимодействие обоих механизмов регуляции рНцит в клетках корней создает предпосылки для адаптации растений к недостатку кислорода во внешней среде.
8. Полученные результаты позволяют предложить метод оценки устойчивости растений к дефициту 02, основанный на анализе изменений внутриклеточного рН в условиях аноксии. Признаками, отличающими устойчивое растение, являются наличие частичного защелачивания цитоплазмы после начального резкого закисления, меньшая амплитуда закисления цитоплазмы, а также защелачивание вакуоли.
105
6. Заключение.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что регуляция внутриклеточного рН в условиях кислородной недостаточности осуществляется с помощью биофизических и биохимических механизмов. Наиболее яркие различия между неустойчивым и устойчивым объектом проявились в условиях аноксии. Функционирование у устойчивых растений биохимического механизма на начальных этапах аноксического воздействия позволяет снизить затраты АТФ на регуляцию внутриклеточного рН и перераспределить часть энергии на биосинтетические процессы. У неустойчивого растения неэффективная работа биохимического рН-стата приводит к перегрузке биофизического рН-стата, энергетическому дефициту, прогрессирующему закислению цитоплазмы и отсутствию индукции активности ферментов спиртового брожения. При гипоксии способность к биохимической регуляции рН цитоплазмы сохраняется у обоих видов, что создает предпосылки для их акклимации к кислородной недостаточности.
Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Куличихин, Константин Юрьевич, Санкт-Петербург
1. Гринева Г.М., Брагина Т.В. Структурные и функциональные параметры формирования адаптации к затоплению у кукурузы. // Физиология растений. 1993. Т. 40. №4. С. 662-667.
2. Куличихин К.Ю., Курчакова Е.В., Чиркова Т.В. Активность малатдегидрогеназ и содержание эндогенного малата в корнях злаков в условиях аноксии // Вестник СПбГУ. 2000. Сер 3. Вып. 3. №19. С. 70-76.
3. Лакин Г.Ф. Биометрия. М.: Высш. Школа, 1980. С. 215-231.
4. Магомедов И.М., Тищенко Н.Н. Методика исследования главных ферментов С4-фотосинтеза.// Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1978. Т.61. №3. С.105.
5. Макеев A.M., Землянухин А.А. Влияние газового состава среды на содержание органических веществ в листьях гороха и подсолнечника.// Труды Воронежского университета. 1971. Т.78. С.57-63.
6. Маслов Ю.И. Статистическая обработка данных биохимических исследований./ В книге: Методы биохимического анализа растений. Под ред. Полевого В.В., Максимова Г.Б. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1978. С.163-186.
7. Настинова Г.Э., Чиркова Т.В. О возможности синтеза алкоголь- и лактатдегидрогеназы при недостатке кислорода. // Физиология растений. 1978. Т. 25. №1. С. 55-63.
8. Чиркова Т.В., Баржинкова 3., Баркова И.Г., Магомедов И.М. Малатдегидрогеназа корней пшеницы и риса в условиях аэрации и после анаэробного воздействия.// Вестник ЛГУ. Сер. 3 "Биология". 1984, № 21, С. 59-68.
9. Чиркова Т.В., Баркова И.Г., Баржинкова 3., Магомедов И.М. Дикарбоновые органические кислоты корней пшеницы и риса в условиях аэрации и анаэробиоза. // Вестник ЛГУ. 1985. Т.24. С. 48-56.
10. Чиркова Т.В., Бенько Г.Н. Значение нитратов в дыхании корней в условиях временного анаэробиоза. // Сельскохозяйственная биология. 1973. T.VIII. №2. С. 258-262.
11. Чиркова Т.В., Верзилин Н.Н., Баржинкова З.И., Петряевская Т.Г. Влияние условий анаэробиоза на сдвиги рН в конях пшеницы и риса. II Физиология и биохимия культурных растений. 1981. Т. 13. №6. С. 587-593.
12. Чиркова Т.В., Иванова Т.И., Чулановская М.В. Определение содержания интермедиатов цикла Кребса. / В книге: Практикум по фотосинтезу и дыханию растений. Под ред. Полевого В.В., Чирковой Т.В. -СПб.: Изд-во С.-Петербург, ун-та, 1997. С. 97-102.
13. Чиркова Т.В., Настинова Г.Э. Особенности метаболизма 14С-глюкозы в корнях пшеницы и риса в различных условиях аэрации II Физиология растений. 1977. Т. 24. №2. С. 291-297.
14. Чиркова Т.В. (1988а) О путях приспособления растений к гипоксии и аноксии. //Физиология растений. 1988. Т. 35. №2. С. 393-411.
15. Чиркова Т.В. (19886) Пути адаптации растений к гипоксии и аноксии./Л.: Изд-во Ленинградского Университета, 1988. 244 с.
16. Armstrong W. Aeration in higher plants. //Adv. Bot. Res. 1979. Vol. 7. P. 225-332.
17. Armstrong W., Brandle R., Jackson M.B. Mechanisms of flood tolerance in plants. //Acta Bot. 1994. Vol.43. №4. P. 307-358.
18. Armstrong W. Oxygen diffusion from the roots of woody species. II Physiol. Plant. 1968. Vol. 21. P. 539-543. Цит. no: Armstrong et al., 1994.
19. Arpagaus S., Braendle R. The significance of a-amylase under anoxia stress in tolerant rhizomes (Acorus calamus L.) and nontolerant tubers (Solanum tuberosum L., van Desiree). II J. Exp. Bot. 2000. Vol. 51. №349. P. 1475-1477.
20. Bailey-Serres J., Kloekener-Gruissem В., Freeling M. Genetic and molecular approaches to the study of the anaerobic response and tissue specific gene expression in maize. II Plant Cell Environ. 1988. Vol. 11. №5. P. 351-.
21. Bates G.W., Goldsmith M.H.M. Rapid response of the plasma-membrane potential in oat coleoptiles to auxin and other weak acids. // Planta. 1983. Vol. 159. P. 231-237.
22. Berry L.J., Norris J.R. Studies of onion root respiration. Velocity of 02 consumption in different segments of root at different temperatures as a function of partial pressure of 02. // Biochim. Biophys. Acta. 1949. Vol. 3. P. 593-606.
23. Bertani A., Brambilla I. Effect of decreasing oxygen concentrations on some aspects of protein and amino acids metabolism in rice roots. // Z. Pflanzenphysiol. 1982. Vol. 107. P. 193-200.
24. Blackwell P.S. Measurement of aeration in waterlogged soils: some improvement of techniques and application to experiments using lysimeters. // J. Soil Sci. 1983. Vol. 34. P. 271-285.
25. Botrel A., Magne C., Kaiser W.M. Nitrate reduction, nitrite reduction and ammonium assimilation in barley roots in response to anoxia. // Plant Physiol. Biochem. 1996. Vol. 34. P. 645-652.
26. Bouny J.M., Saglio P.H. Glycolytic flux and hexokinase activities in anoxic maize root tips acclimated by hypoxic treatment. // Plant Physiol. 1996. Vol. 111. P. 187-194.
27. Bradford M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilising the principle of protein-dye binding. // Anal. Biochem. 1976. Vol. 22. P. 248-254.
28. Bucher M., Braendle R., Kuhlemeier C. Ethanolic fermentation in transgenic tobacco expressing Zygomonas mobilis pyruvate decarboxylase. // The EMBO Journal. 1994. Vol. 13. P. 2755-2763.
29. Bucher M., Brandle R., Kuhlemeier C. Glycolytic gene expression in amphibious Acorus calamus L. under natural conditions. // Plant and Soil. 1996. Vol. 178. P. 75-82.
30. Bucher M., Kuhlemeier C. Long-term anoxia tolerance. Multilevel regulation of gene expression in the amphibious plant Acorus calamus L. // Plant Physiol. 1993. Vol. 103. P. 441-448.
31. Campbell R., Drew M.C. Electron microscopy of gas space (aerenhyma) formation in adventitious roots of Zea mays L. subjected to oxygen shortage. // Planta. 1983.157. P. 350-357.
32. Carystinos G.D, Macdonald H.R., Monroy A.F., Dhinsda R.S., Poole R.J. Vacuolar H+-translocating pyrophosphatase is induced by anoxia or chilling stress in seedlings of rice. // Plant Physiol. 1995. Vol. 108. P. 641-649.
33. Crawford R.M.M., Braendle R. Oxygen deprivation stress in a changing environment.//J. Exp. Bot. 1996. Vol. 47 №295. P. 145-159.
34. Crawford R.M.M., Chapman H.M., Hodge H. Anoxia-tolerance in high-arctic vegetation. //Arctic and Alpine Research. 1994. №3. Vol. 26. P. 308-312.
35. Christopher M.E., Good A.G. Characterization of hypoxically inducible lactate dehydrogenase in maize. // Plant Physiol. 1996. Vol. 112. P. 1015-1022.
36. Das A., Nanda B.B., Sarkar R.K., Lodh S.B. Effect of complete submergence on the activity of starch phosphorylase enzyme in rice (Oryza sativa L.) leaves. // J. Plant Biochem. Biotechnol. 2000. Vol. 9. P. 41-43.
37. Drew M.C., He C.-J., Morgan P.W. Programmed cell death and aerenchyma formation in roots. // Trends in Plant Science. 2000. Vol. 5. № 3. P. 123-127.
38. Drew M.C., Jackson M. В., Giffard S. Ethylene promoting adventitious rooting and cortical air spaces (aerenchyma) in roots may be adaptive responses to flooding in lea mays L. II Planta. 1979. Vol. 147. P. 83-88. Цит. no: Armstrong et al., 1994.
39. Drew M.C. Oxygen deficiency and root metabolism: injury and acclimation under anoxia and hypoxia.// Annu. Rev. Plant. Physiol. Plant. Mol. Biol. 1997. Vol.48. P. 223-250.
40. Drew M.C., Saglio P.H., Pradet A. Higher adenylate energy charge and ATP/ADP ratios in aerenchymatous roots of lea mays in anaerobic media as a consequence of improved internal oxygen transport. // Planta. 1985. Vol. 165. P. 51-58. Цит. no: Drew, 1997.
41. Fan T.W.M., Higashi R.M., Frenkiel T.A., Lane A.M. Anaerobic nitrate and ammonium metabolism in flood-tolerant rice coleoptiles. // J. Exp. Bot. 1997. Vol.48. P. 1655-1666.
42. Fan T.W., Higashi R.M., Lane A.N. An in vivo 1H and 31P NMR investigation of the effect of nitrate on hypoxic metabolism in maize roots. // Arch. Biochem. Biophys. 1988. Vol. 266. №2. P. 592-606.
43. Fan T.W., Lane A.N., Higashi R.M. Hypoxia does not affect rate of ATP synthesis and energy metabolism in rice shoot tips as measured by 31P-NMR in vivo. //Arch. Biochem. Biophys. 1992. Vol. 294. P. 314-318.
44. Felle H., Bertl A. Light-induced cytoplasmic pH-changes and their interrelation to the activity of the electrogenic pump in Riccia fluitans. // Biochim. Biophys. Acta. 1986. Vol. 848. P. 176-182.
45. Felle H. Control of cytoplasmic pH under anoxic conditions and its implication for plasma membrane proton transport in Medicago sativa root hairs. // J. Exp. Bot. 1996. Vol. 47. P. 967-973.
46. Felle H. pH regulation in anoxic plants // Ann. Bot. 2005. Vol. 96. P. 519-532.
47. Fox G.G., Ratcliffe R.G., Southon Т.Е. Airlift systems for in vivo NMR spectroscopy of plant tissues. // J. Magn. Res. 1989. Vol. 82. P. 360-366.
48. Freeling M. Simultaneous induction by anaerobiosis or 2,4-D of multiple enzymes specified by two unlinked genes: Differential Adh1-Adh2 expression in maize. // Mol. Gen. Genet. 1973. Vol. 127. P.215-227.
49. Gerendas J., Schurr U. Physicochemical aspects of ion relations and pH regulation in plants a quantitative approach. II J. Exp. Bot. 1999. Vol. 50. № 336. P. 1101-1114.
50. Germain V., Ricard В., Raymond P., Saglio P.H. The role of sugars, hexokinase, and sucrose synthase in the determination of hypoxically induced tolerance to anoxia in tomato roots. // Plant Physiol. 1997. Vol.114. P.167-175.
51. Gibbs J., de Bruxelle G., Armstrong W., Greenway H. Evidence for anoxic zones in 2-3 mm tips of aerenchymatous maize roots under low 02 supply. //Aust. J. Plant Physiol. 1995. Vol. 22. P.723-730. Цит. no: Drew, 1997.
52. Gibbs J., Greenway H. Mechanism of anoxia tolerance in plants. I. Growth, survival and anaerobic catabolism. II Funct. Plant. Biol. 2003. Vol. 30 №1. P. 1-47.
53. Good A.G., Muench D.G. Long-term anaerobic metabolism in root tissue. Metabolic products of pyruvate metabolism.// Plant Physiol. 1993. Vol. 101. P. 1163-1168.
54. Gout E., Boisson A.M., Aubert S., Douce R., Bligny R. Origin of the cytoplasmic pH changes during anaerobic stress in higher plant cells. Carbon-13 and phosphorous-31 nuclear magnetic resonance studies. Plant Physiol. 2001. Vol. 125. P. 912-925.
55. Greenway H., Gibbs J. Mechanisms of anoxia tolerance in plants. II. Energy requirement for maintenance and energy distribution to essential processes II Funct. Plant. Biol. 2003. Vol. 30. P. 999-1036.
56. Guglielminenti L., Wu Y., Boschi E., Yamaguchi J., Favati A., Vergara M., Perata P., Apli A. Effect of anoxia on sucrose degrading enzymes in cereal seeds. II J. Plant Physiol. 1997. Vol. 150. P. 251-258.
57. Guglielminetti L, Yamaguchi J., Perata P., Apli A. Amylolytic activity activities in cereal seeds under aerobic and anaerobic conditions. II Plant Physiol. 1995. Vol. 109. P. 1069-1076.
58. Gupta K.J., Stoimenova M., Kaiser W.M. In higher plants, only root mitochondria, but not leaf mitochondria reduce nitrite to NO, in vitro and in situ. H J. Exp. Bot. 2005. Vol. 56. P. 2601-2609.
59. Hageman R.H., Flesher D. The effect of anaerobic environment on the activity of alcohol dehydrogenase and other enzymes of corn seedlings.// Arch. Biochem. Biophys. 1960. Vol. 87. P. 203-207.
60. He C.-J., Morgan P.W., Drew M.C. Transduction of an ethylene signal is required for cell death and lysis in the root cortex of maize during aerenchyma formation induced by hypoxia. II Plant Physiol. 1996. Vol. 112. P. 463-472.
61. Hochachka P.W., Mommsen T.P. Protons and anaerobiosis.// Science. 1983. Vol. 219. P. 1391-1397.
62. Hoffman N.E., Bent A.F., Hanson A.D. Induction of lactate dehydrogenase isozymes by oxygen deficit in barley root tissue II Plant Physiol. 1986. Vol. 82. P. 658-663.
63. Hohorst H.J. Determination of L-malate with MDH and DPN./ In: Bergmeyer H.U. Methods of enzymatic analysis. N-J-Z AP. 1965. P. 328.
64. Howard E.A., Walker J.C., Dennis E.S., Peacock W.J. Regulated expression of an alcohol dehydrogenase chimeric gene introduced into maize protoplasts II Planta. 1987. Vol. 170. P. 535-540.
65. Huq E., Hodges Т.К. An anaerobically inducible early (a/'e) gene family from rice. II Plant Mol. Biol. 1999. Vol. 40. P. 591-601.
66. Joly C.A., Crawford R.M.M. Variation in tolerance and metabolic responses to flooding in some tropical trees. // J. Exp. Bot. 1982. Vol. 33. N235. P. 799-809.
67. Kawase M. Effect of ethylene on aerenchyma formation.// Amer. J. Bot. 1981. Vol. 68. P. 651-658. Цит. no: Armstrong, 1994
68. Kawase M. Role of cellulase in aerenchyma development in sunflower. //Amer. J. Bot. 1979. Vol. 66. P. 651-658.
69. Kawase M. Role of ethylene in induction of flooding damage in sunflower.// Physiol Plant. 1974. Vol. 31. P. 29-38.
70. Keiley P.M., Freeling M. Anaerobic expression of maize fructose-1,6-diphosphate aldolase. //J. Biol. Chem. 1984. Vol. 259. №22. P. 14180-14183.
71. Kinoshita Т., Nishimura M., Shimazaki K. Cytosolic concentration of Ca2+ regulates the plasma membrane H+-ATPase in guard cells of Fava bean. II Plant Cell. 1995. Vol. 7. P. 1333-1342.
72. Klok E.J., Wilson I.W., Wilson D., Chapman S.C., Ewing R.M., Somerville S.C., Peacock W.J., Dolferus R., Dennis E.S. Expression profile analysis of the low-oxygen response in Arabidopsis root cultures. // Plant Cell. 2002. Vol. 14. P. 2481-2494.
73. Knee M. Fruit metabolism and practical problems of fruit storage under hypoxia and anoxia. // In: Plant life in oxygen deprivation. Ecology, physiology and biochemistry. / Eds.: Jackson M.B., Davies D.D., Lambers H. The Hague: SPB Academic. P. 229-243.
74. Koch K.E., Ying Z., Wu Y., Avigne W.T. Multiple paths of sugar-sensing and sugar/oxygen overlap for genes of sucrose and ethanol metabolism. // J. Exp. Bot. 2000. Vol. 51. GMP Special issue. P. 417-427.
75. Kurkdijan A., Guern J. Intracellular pH: measurement and importance in cell activity. // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1989. Vol. 40. P. 271303.
76. Laan P., Berrovoets M.J., Lythe S„ Armstrong W., Blom C.W.P.M. 1989(a) Root morphology and aerenchyma formation as indicators of flood-tolerance Rumex species.11 J. Ecol. 1989. Vol. 77. P. 693-703.
77. Laan P., Smolders A., Blom C.W.P.M., Armstrong W. 1989(b) The relative role of internal aeration, radial oxygen losses, iron exclusion and nutrient balances in flood-tolerance of Rumex species.11 Acta Bot. Neerl. 1989. Vol. 38. P.131-145.
78. Laszlo A., Lawrence P.St. Parallel induction and synthesis of PDC and ADH in anoxic maize roots. // Mol Gen Genet. 1983. Vol. 192. P. 110-117.
79. Leblova S. Pyruvate conversion in higher plants during natural anaerobiosis. // In: plant life in anaerobic environment. / Eds: Hook D.D., Crawford R.M.M. Ann Arbor Science, Ann Arbor, Ml 1978. P. 155-168.
80. Lee R.B., Ratcliffe R.G. Development of an aeration system for use in plant tissue NMR experiments.//J. Exp. Bot. 1983. Vol. 34. P. 1213-1221.
81. Libourel I.G.L., van Bodegom P.M., Flicker M.D., Ratcliffe R.G. Nitrite reduces cytoplasmic acidosis under anoxia. // Plant Physiol. 2006. Vol. 142. P. 1710-1717.
82. Linchart J.В., Baker J. (ntrapopulation differentiation of physiological response to flooding in a population of Veronica peregrina L // Nature. 1973. Vol. 242. №5395. P.275-276.
83. Loreti E., Poggi A., Novi G., Alpi A., Perata P. A genome-wide analysis of the effects of sucrose on gene expression in Arabidopsis seedlings under anoxia. // Plant Physiol. 2005. Vol. 137. P. 1130-1138.
84. Manjunath S., Lee C.-H.K., VanWinkle P., Bailey-Serres J. Molecular and biochemical characterization of cytosolic phosphoglucomutase in maize. // Plant Physiol. 1998. Vol. 117. P. 997-1006.
85. Marre M.T., Romani G., Marre E. Transmembrane hyperpolarisation and increase of K+ uptake in maize roots treated with permeant weak acids. // Plant Cell Environ. 1983. Vol. 6. P. 617-623.
86. Mattana M., Corragio I., Bertani A., Reggiani R. Expression of the enzymes of nitrate reduction during the anaerobic germination of rice. II Plant Physiol. 1994. Vol. 106. P. 1605-1608.
87. Maurino V.G., Saigo M., Andreo C.S., Drincovich M.F. Non-photosynthetic "malic-enzyme" from maize: a constitutively expressed enzyme that responds to plant defence inducers // Plant. Mol. Biol. 2001. Vol. 45. P. 409-420.
88. McElfresh K.C., Chourey P.S. Anaerobiosis induces transcription but not translation of sucrose synthase in maize. // Plant Physiol. 1988. Vol. 87. P. 542-546.
89. McMonmon M., Crawford R.M.M. A metabolic theory of flooding tolerance: the significance of enzyme distribution and behaviour. // New Phytol. 1971. Vol. 70. №2. P. 299-306.
90. Mendelssohn I.A., McKee K.L., Patrik W.H. Oxygen deficiency in Spartina alterniflora roots: metabolic adaptation to anoxia.// Science. 1981. Vol. 214. №4519. P.439-441.
91. Mendelssohn I.A., McKee K.L. Root metabolic response of Spartina alterniflora to hypoxia. // In: Plant Life in Aquatic and Amphibious Habitats. 1987.
92. British Ecological Society. Special publications. №5. P. 239-253. Цит. no: Drew, 1997.
93. Menegus F., Cattaruzza L, Mattana M., Beffagna N., Ragg E. Response to anoxia in rice and wheat seedlings. Changes in pH of intracellular compartments, glucose-6-phosphate level and metabolic rate // Plant Physiol. 1991. Vol. 95. P. 760-767.
94. Mimura Т., Reid R.J., Smith F.A. Control of phosphate transport across the plasma membrane of Chara corallina. II J. Exp. Bot. 1998. Vol. 49. P. 13-19.
95. Mohanty M., Wilson P.M., ap Rees T. Effect on anoxia on growth and carbohydrate metabolism in suspension cultures of soybean and rice. // Phytochemistry. 1993. Vol. 34. №1. P. 75-82.
96. Monk L.S., Crawford R.M.M., Braendle R. Fermentation rates and ethanol accumulation in relation to flooding tolerance in rhizomes of monocotyledonous species. // J. Exp. Bot. 1984. Vol. 35. P. 738-745.
97. Mujer C.V., Rumpho M.E., Lin J.-J., Kennedy R.A. Constitutive and inducible aerobic and anaerobic stress proteins in the Echinochloa complex and rice. // Plant Physiol. 1993. Vol. 101. P. 217-226.
98. Mustroph A., Albrecht G. Tolerance of crop plants to oxygen deficiency stress: fermentative activity and photosynthetic capacity of entire seedlings under hypoxia and anoxia // Physiol Plant. 2003. Vol. 117. P. 508-520.
99. Nobel P.S. Physicochemical and environmental plant physiology. / Academic Press, San Diego. 1999. xxiv+474 p.
100. Olson D.C., Oetiker J.H., Yang S.F. Analysis of LE-AC53, a 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid synthase gene expressed during flooding in the roots of tomato plants. II J. Biol. Chem. 1995. Vol. 270. P. 14056-14061.
101. Peeters A.J.М., Сох M.C.H., Benshop J.J., Vreeburg R.A.M., Bou J., Voesenek L.A.C.J. Submergence research using Rumex palustris as a model; looking back and going forward. II J. Exp. Bot. 2002. Vol. 53. №368. P. 391-398.
102. Peng H.-P., Chan C.-S., Shin M.-C., Yang S. F. Signalling events in the hpoxic induction of alcohol dehydrogenase gene in Arabidopsis. II Plant Physiol. 2001. Vol. 126. P. 742-749.
103. Perata P., Apli A. Ethanol induced injuries to carrot cells: the role of acetaldehyde. II Plant Physiol. 1991. Vol. 95. P. 748-752.
104. Perata P., Guglielminetti L, Apli A. Mobilization of endosperm reserves in cereal seeds under anoxia. //Ann. Bot. 1997. Vol. 79. Suppl. A. P. 4956.
105. Plaxton W.C. Organization and regulation of plant glycolysis. II Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1996. Vol. 47. P. 185-214.
106. Polyakova Li, Vartapetian B.B. Exogenous nitrate as a terminal acceptor of electrons in rice (Oryza sativa) coleoptiles and wheat (Triticum aestivum) roots under strict anoxia. II Russ. J. Plant Physiol. 2003. Vol. 50. P. 808812.
107. Ponnamperuma F.N. Effect of flooding on soils. II In: Flooding and plant growth. / Ed.: Kozlowski T.T. Academic Press, London. 1984. P. 10-45.
108. Reggiani R., CantCi C.A., Brambilla I., Bertani A. Accumulation and interconversion of amino acids under anoxia. // Plant Cell Physiol. 1988. Vol. 29. P. 981-987.
109. Reggiani R., Laoretti P. Evidence for the involvement of phospholipase С in the anaerobic signal transduction. // Plant Cell Physiol. 2000. Vol. 41. № 12. P. 1392-1396.
110. Reggiani R., Nebuloni M., Mattana M., Brambilla I. Anaerobic accumulation of amino acids in rice roots: role of glutamine synthetase/glutamate synthase cycle. //Amino Acids. 2000. Vol. 18. P. 207-217.
111. Reid R.J., Loughman B.C., Ratcliffe R.G. 31P NMR measurement of cytoplasmic pH changes in maize root tips. II J. Exp. Bot. 1985. Vol. 36. P. 889897.
112. Reid R.J., Smith F.A. The cytoplasmic pH stat. // In: Handbook of plant growth: pH as the master variable in plant growth. / Ed. Rengel Z. Marcel Dekker, New York. 2002. P. 49-71.
113. Reid R.J., Smith F.A., Whitington J. Control of intracellular pH in Chara corallina during uptake of weak acid. // J. Exp. Bot. 1989. Vol. 40. P. 883891.
114. Ricard В., Couee I., Raymond P., Saglio P.H., Saint-Ges V., PradetA. Plant metabolism under hypoxia and anoxia. // Plant Physiol. Biochem. 1994. Vol. 32. P.1-10.
115. Ricard В., Rivoal J., Spiteri A., Pradet A. Anaerobic stress induces the transcription and translation of sucrose synthase in rice. // Plant Physiol. 1991. Vol.95. P. 669-674.
116. Ricard В., VanToai Т., Chourey P., Saglio P. Evidence for the critical role of sucrose synthase for anoxic tolerance of maize roots using a double mutant. // Plant Physiol. 1998. Vol.116. P. 1323-1331.
117. Ridge I. Ethylene and growth control in amphibious plants. // In: Plant life in aquatic and amphibious habitats. / Ed. Crawford R.M.M., Blackwell, Oxford. 1987. P. 53-76.
118. Rivoal J., Hanson A.D. Evidence for a large and sustained glycolytic flux to lactate in anoxic roots of some members of the halophytic genus Limonium. // Plant Physiol. 1993. Vol. 101. P. 553-560.
119. Rivoal J., Richard В., Pradet A. Lactate dehydrogenase in Oryza sativa L. seedlings and roots // Plant Physiol. 1991. Vol. 95. P. 682-686.
120. Roberts J.K.M., Andrade F.N., Anderson I.C. Further evidence that cytoplasmic acidosis is a determinant of flooding intolerance in plants.// Plant Physiol. 1985. Vol. 77. P. 492-494.
121. Roberts J.KM., Callis J., Jardetzky O., Walbot V., Freeling M. (1984a) Cytoplasmic acidosis as a determinant of flooding intolerance in plants. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. Vol. 81. P. 6029-6033.
122. Roberts J.K.M., Callis J., Wemmer D., Walbot V., Jardetzky O. (1984b) Mechanism of cytoplasmic pH-regulation in hypoxic maize root tips and its role in survival under hypoxia. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. Vol. 81. P. 3379-3383.
123. Roberts J.K.M., Wemmer D., Ray P.M., Jardetzky 0. Regulation of cytoplasmic and vacuolar pH in maize (Zea mays) root tips under different experimental conditions. // Plant Physiol. 1982. Vol. 69. P. 1344-1347.
124. Rumpho M.E., Kennedy R.A. Anaerobic metabolism in germinating seeds of Echinochloa crus-galli (Barnyard grass). Metabolite and enzyme studies. //Plant Physiol. 1981. Vol .68. №1. P.165-168.
125. Sachs M.M., Freeling M., Okimoto R. The anaerobic proteins of maize. // Cell. 1980. Vol. 20., P. 761-767.
126. Sachs M.M., Subbaian C.C., Saab I.N. Anaerobic gene expression and flooding tolerance in maize. //J. Exp. Bot. 1996. Vol. 47. № 294. P. 1-15.
127. Saglio P.H., Rancillac M., Bruzau F., Pradet A. Critical oxygen pressure for growth and respiration of excised and intact roots. // Plant Physiol. 1984. Vol. 76. P. 151-154.
128. Saglio P.H., Raymond P., Pradet A. Metabolic activity and energy charge of excised maize root tips under anoxia. // Plant Physiol. 1980. Vol. 66. P.1053-1057.
129. Sakano K., Kiyota S., Yasaki Y. Acidification and alkalinization of culture medium by Catharantus roseus cells Is anoxic production of lactate acause of cytoplasmic acidification?// Plant Cell Physiol. 1997, Vol.38. № 9. P. 1053-1059.
130. Sakano K. Revision of biochemical pH-stat: Involvement of alternative pathway metabolism. // Plant Cell Physiol. Vol. 3. P. 466-472.
131. Sauter M. Rice in deep water: how to take heed against a see of troubles. // Naturwissenschaften. 2000. Vol. 87. P. 289-303.
132. Smith A.M., ap Rees T. (1979a) Effect of anaerobiosis on carbohydrate oxidation by roots of Pisum sativum. II Phytochemistry. 1979. Vol. 18. №9. P. 1453-1458.
133. Smith A.M., ap Rees T. (1979b) Pathways of carbohydrate fermentation in the roots of marsh plants.// Planta. 1979. Vol. 146. P. 327-334.
134. Subbaiah C.C., Bush D.S., Sachs M.M. 1994(a) Elevation of cytosolic calcium precedes anoxic gene expression in maize suspension-cultured cells. // Plant Cell. 1994. Vol. 6. №12. P. 1747-1762.
135. Subbaiah C.C., Bush D.S., Sachs M.M. Mitochondrial contribution to the anoxic Ca2+ signal in maize suspension-cultured cells. // Plant Physiol. 1998. Vol.118. P. 759-771.
136. Subbaiah C.C., Zhang J., Sachs M.M. 1994(b) Involvement of intracellular calcium in anaerobic gene expression and survival of maize seedlings.// Plant Physiol. 1994. Vol. 105. №1. P. 369-376.
137. Su P.-H., Lin C.-H. Metabolic responses of luffa roots to long-term flooding. // J. Plant Physiol. 1996. Vol. 148. P. 735-740.
138. Swartz D. An example of gene fixation resulting from selective advantage in suboptimal conditions.//American Naturalist. 1969. Vol. 103. P. 479481.
139. Thomson C.J., Greenway H. Metabolic evidence for stelar anoxia in maize root s exposed to low 02 concentrations. // Plant Physiol. 1991. Vol. 96. P.1294-1301. Цит. no: Drew, 1997.
140. Ulrich C.I., Novacky A.J. Extra and intracellular pH and membrane potential changes induced by к+,сг,н2ро; and no3 uptake and fusicoccin in roothairs of Limonium stoloniferum. II Plant Physiol. 1990. Vol. 94. P. 1561-1567.
141. Umeda M., Uchimiya H. Differential transcript level of genes associated with glycolisis and alcohol fermentation in rice plants (Oryza sativa L.) under submergence stress.// Plant Physiol. 1994. Vol. 106. P. 1015-1022.
142. Vanlerberghe G.C., Feil R., Turpin DM. Anaerobic metabolism in the N-limited green alga Selenastrum minimum. I. Regulation of carbon metabolism and succinate as a fermentation product.// Plant Physiol. 1990. Vol. 94. P. 11161123.
143. Vanlerberghe G.C., Mcintosh L. Alternative oxidase: from gene to function. //Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1997. Vol. 48. P. 703-734.
144. Vatrapetian B.B., Andreeva I.N., Kozlova G.I., Agapova LP. Mitochondrial ultrastructure in roots of mesophytes and hydrophytes at anoxia and after glucose feeding. // Protoplasma. 1977. Vol. 91. P. 243-256.
145. Vatrapetian B.B., Andreeva I.N., Kozlova G.I. The resistance to anoxia and the mitochondrial fine structure of rice seedlings. // Protoplasma. 1976. Vol. 88. P. 215-224.
146. Vartapetian B.B., Jackson M.B. Plant adaptation to anaerobic stress. //Ann. Bot. 1997. Vol. 79. Suppl A. P. 3-20.
147. Vergata B.S., Jackson В., de Datta S.K. Deep-water rice and its responses to deep water stress. // In: Climate and Rice. / International Rice Research Institute. Los Banos. The Philippines. 1976. P. 301-320.
148. Vriezen W.H., de Graaf В., Marian! C., Voesenek L.A.C.J. Submergence induces expansin gene expression in flooding-tolerant Rumex palustris and not in floodinf intolerant Rumex acetosa. II Planta. 2000. Vol. 210. P. 956-963.
149. Warncke J., Slayman C.L. Metabolic modulation of stoichiometry in a proton pump. II Biochim. Biophys. Acta. 1980. Vol. 591. P. 224-233.
150. Webb Т., Armstrong W. The effect of anoxia and carbohydrates on the growth and viability of rice, pea and pumpkin roots. // J. Exp. Bot. 1983. Vol. 34. P. 579-603.
151. Webster C., Kim C.-Y., Roberts J.KM. Elongation and termination reactions of protein synthesis on maize root tip polyribosomes studied in a homologous cell-free system. // Plant Physiol. 1991. Vol. 91. P. 418-425.
152. Xia J.-H., Saglio M. Lactic acid efflux as a mechanism of hypoxic acclimation of maize root tips to anoxia // Plant Physiol. 1992. Vol. 100. P. 40-46.
153. Xia J.-H., Saglio P., Roberts J.K.M. Nucleotide levels do not critically determine survival of maize root tips acclimated to a low-oxygen environment. II Plant Physiol. 1995. Vol. 108. P. 589-595.
154. Xie Y., Wu R. Rice alcohol dehydrogenase genes: anaerobic induction, organ specific expression and characterization of cDNA clones. // Plant Mol. Biol. 1989. Vol. 13. P. 53-68.
155. Zarembinski T.I., Theologis A. Anaerobiosis and plant growth hormones induce two genes encoding 1-amonocyclopropane-1-carboxylate synthase in rice (Oryza sativa L.). // Mol. Biol. Cell. 1993. Vol. 4. P. 363-373.1211. Благодарности
156. Я хочу выразить огромную благодарность научным руководителям -Чирковой Тамаре Васильевне и Курту Фагерстедту за неоценимый вклад в проведении этой работы.
157. Отдельное спасибо Третьякову Георгию Ивановичу (Кубанский Государственный Аграрный Университет) за помощь с семенами риса.
158. Отдельное спасибо Олли Аитио (факультет Факмакологии, университет г. Хельсинки), благодаря которому были осуществлены ЯМР эксперименты.
159. Проведение этого исследования поддержано грантами Академии Финляндии №№ 171978, 178918 и 1207898.
-
Куличихин, Константин Юрьевич
-
кандидата биологических наук
-
Санкт-Петербург, 2007
-
ВАК 03.00.12
- Участие системы циклического аденозинмонофосфата в реакциях нейронов коры головного мозга на аноксию
- Гормональный статус растений в условиях недостатка кислорода
- Роль антиоксидантной энзиматической системы в адаптации растений к условиям аноксии и постаноксической аэрации
- ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ НА УСЛОВИЯ КОРНЕВОЙ ГИПОКСИИ
- Кальций-зависимые механизмы реакций коры головного мозга на гипоксию
