Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние температурных особенностей и уровня освещенности в среде обитания на состав липидов лишайников и бриофитов

ВАК РФ 03.00.04, Биохимия

Автореферат диссертации по теме "Влияние температурных особенностей и уровня освещенности в среде обитания на состав липидов лишайников и бриофитов"

г ь ш 1В9ь

санкт - петербургский государственный университет

На правах рукописи

бычек ирина анатольевна

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ И УРОВНЯ ОСВЕЩЕННОСТИ В СРЕДЕ ОБИТАНИЯ НА СОСТАВ ЛИПИДОВ ЛИШАЙНИКОВ И БРИОФИТОВ

03.00.04 - биохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

санкт - петербург 1995

Работа выполнена в лаборатории химии природных соединений Института экологии Волжского бассейна Российской Академии Наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор биологических наук, с.н.с. В.Б.МАТЮШИЧЕВ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор биологических наук, профессор В.С.СИДОРОВ

кандидат биологических наук, с.н.с. Н.Ф.СИНЮТИНА

Ведущая организация - Ботанический Институт им. В.А.Комарова РАН.

Защита состоится 1995 г. в и час.

на заседании Специализированного Совета К.063.57.09 по присуждению ученой степени кандидата биологических наук в Санкт-Петербургском государственном университете.

Адрес: 199034, г.Санкт - Петербург, Университетская наб., 7/9.

Автореферат разослан

"¿Г" 1995 г.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета.

Ученый секретарь Специализированного Совета

А.Г.Марков.

-1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

Традиционно в биохимии растений основное внимание уделялось высшим цветковым растениям. Поэтому информация по биохимии таких представителей растительного царства, как лишайники и бриофиты, весьма отрывочна. Это в первую очередь относится к определенным классам липидов, которые, являясь основными структурными компонентами биомембран, выполняют и ряд регуляторных функций: участвуют в мембранном транспорте, в передаче информации в клетке (Бурлакова, 1981), функционировании ДНК (Алексенко, 1981; Стручков и Страгиевская, 1993), влияют на активность мембраносвязанных ферментов (Конев, 1987). Общеизвестно, что проявление фотосинтетической активности хлоропластов тесно связано с формированием основы функциональных комплексов тилакоидных мембран - липид-белковых комплексов. Именно они, по современным представлениям, являются носителями нативных форм хлорофилла, обеспечивая за счет пигмент-пигментных и пигмент-липидных взаимодействий надлежащие межмо^екулярные расстояния в агрегатах молекул хлорофилла (Кочубей, 1986; Трусова с соав., 1988; Трусова и Молчанов, 1992).

Липидам мембран и их жирнокислотному составу отводится ведущая роль в регулировании текучести мембраны как одного из механизмов биохимической адаптации растений к условиям окружающей среды ( Родионов, 1983; Хочачка и Сомеро, 1988).

Лишайники, являясь симбиотическими ассоциациями между грибом и водорослью, представляют собой своеобразную группу организмов с новыми морфологическими, физиолого-биохимическими и экологическими свойствами. В реализации последних немаловажная роль отводится вторичным лишайниковым соединениям - лишайниковым кислотам -, которые выполняют светозащитную, аллелопатическую и ряд других экологических функций (Равинская, 1984; Вайнштейн с -

соав., 1990; Fahselt, 1994). Большинство исследований в области биохимии лишайников посвящено именно этим продуктам их метаболизма.

Бриофиты, или моховидные - представители высших криптогамных растений и образуют среди них древнюю и наиболее обособленную группу, являясь, как и лишайники, слепой ветвью эволюции растений.

Обычно бриофиты живут там же, где и лишайники, и иногда напоминают их по формам и экологии, поселяясь в местах, труднодоступных для других растений, и отличаясь крайней степенью выносливости к неблагоприятным факторам внешней среды. Липиды бриофитов также изучены весьма слабо.

Как известно, экологические границы существования организмов в значительной мере определяются стабильностью их мембран, от 1/3 до 1/2 сухого вещества которых составляют липиды (Родионов, 1983). Это позволяет предположить, что липидный состав лишайников и бриофитов должен иметь специфические особенности, определяя способность их мембран функционировать в суровых условиях существования.

В последнее время лишайники и бриофиты благодаря повышенной чувствительности и индивидуальности реакций видов на контакт с фи-тотоксикантами широко используются в лихено- и бриоиндикации загрязнения внешней среды (Мартин, 1982; 1985; Трасс, 1985; Burton, 1990). Но механизмы реализации их индикаторных способностей на биохимическом уровне практически не изучены, хотя некоторые авторы подчеркивают, что у лишайников наиболее чувствительны к действию загрязнителей мембраны (Malhotra and Khan, 1983; Инсаров и Инсарова, 1986) - возможно, в силу некоторых особенностей в строении их липидов и жирных кислот. Таким образом, и с этой точки зрения исследования в области липидологии лишайников и бриофитов являются актуальными.

Цель и задачи исследования.

Цель настоящей работы состояла в изучении качественного распределения липидов лишайников и бриофитов как представителей эво-

люционно-обособленных групп растений и определении вариабельности липидного состава в зависимости от факторов среды обитания - в условиях наблюдения и эксперимента. В соответствие с этим были поставлены следующие задачи:- . ...

1. Исследовать основные классы липидов (нейтральные, глико- и фосфолипиды) у представителей различных таксономических групп лишайников и бриофитов.

2. Установить структуру ранее неидентифицированного полярного липида, обнаруженного во фракции фосфолипидов лишайников.

3. Проанализировать состав и содержание жирных кислот как в общем липидном экстракте, так и в основных липидных фракциях лишайников.

4. Сравнить лишайники и бриофиты из различных регионов для выявления тенденций в качественном изменении состава липидов в процессе адаптации к среде обитания.

5. Изучить тенденции сдвигов качественного и количественного

состава липидов лишайников в сезонном аспекте с целью выяснения вариабельности данных показателей при изменении условий обитания видов.

6. Проследить реакцию липидного и жирнокислотного состава лишайников на изменение условий освещенности.

Научная новизна работы.

В настоящей работе впервые осуществлен качественный анализ нейтральных липидов и более детальный анализ фосфолипидов лишайников. Установлена структура бетаинового липида серинового типа, неидентифицированного ранее в лишайниках, и проведена его количественная оценка в различных видах лишайников и бриофитов. Исследования жирных кислот позволили обнаружить в некоторых видах лишайников целый ряд новых для данных организмов длинноцепочечных жирных кислот. Впервые прослежены тенденции изменения липидов лишайников в весенний период и определена роль

различных липидов и их жирных кислот в процессе адаптации лишайников к различным условиям освещенности.

Практическая значимость исследований.

Полученная в работе новая информация о распределение жирных кислот в лишайниках важна для решения задач таксономии этих растений. Информативным в этом плане может быть также распределение необычного липида диацилглицерилтриметилгомосерина (ДГТС) в различных видах бриофитов. Определенные классы липидов рекомендованы в качестве элементов биотестирования, что поможет созданию эффективной системы ранней диагностики воздействия химических загрязнителей на природные экосистемы.

Положения, выносимые на защиту:

1. Как и другие криптогамные растения, лишайники и бриофиты синтезируют бетаиновый липид серинового типа диацилглицерилтри-метилгомосерин, который является основным во фракции полярных липидов. Распределение его в бриофитах имеет таксономическое значение.

2. Определенные виды лишайников, где в качестве водорослевого симбионта выступают синезеленые водоросли, синтезируют длинноцепочечные жирные кислоты.

3. С увеличением температуры среды обитания растет количество насыщенных и снижается число ненасыщенных ЖК лишайников.

4. Условия пониженной освещенности приводят к снижению содержания основных мембранных липидов лишайников: фосфо- и гликолипидов, а также нейтральных липидов. Исключение составляют лишь воска, количество которых при затемнении возрастает. В этих условиях значительно изменяется и ЖК состав лишайника.

Апробация работы.

Материалы диссертации доложены на II Научно- Практической конференции "Экологические и социально- практические проблемы региона Самарской Луки" (Самара, 1990 г.), Всесоюзной конференции "Теоретические проблемы эволюции и экологии" (Тольятти, 1991 г.) и

Международной конференции "Проблемы бассейнов крупных рек" (Тольятти, 1993 г.), на заседании отдела лихенологии и бриологии БИН РАН им.В.А.Комарова, на расширенном заседании лаборатории энзимологии ФНИИ им. А.А.Ухтомского СПбГУ.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов и их обсуждения, заключения, выводов, приложения. Работа изложена на 162 страницах машинописного текста, включая 10 рисунков, 30 таблиц и список литературы из 188 наименований.

Публикации. Основные материалы диссертации отражены в 4 печатных работах.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Исследования проводили на 30 видах лишайников и 38 видах бриофитов, собранных в основном в июле - августе в период с 1988 по 1993

год. Образцы были отобраны в следующих регионах: Среднее Поволжье; Прибайкалье, район биостанции Большие Коты; Прииссыккулье, предгорье хребта Кунгей-Алатау и гидрологическая станция "Ламмин-Суо", Ленинградская область. Собранные виды лишайников были отнесены к следующим семействам: Cladoniaceae, Lecanoraceae, Umbilicariaceae, Parmeliaceae, Aspiciliaceae, Physciaceae, Peltigeraceae, Thelotremataceae, Theloschistaceae, а бриофиты: Marchantiaceae, Riccia-ceae, Pelliaceae, Sphagnaceae, Polytrichaceae, Ditrichaceae, Dicranaceae, Bryaceae, Aulacomniaceae, Thuidiaceae, Hypnaceae, Hylocomniaceae, Amblystegiaceae, Mniaceae, Climaciaceae, Bartramiaceae.*)

Образцы трех эпифитных видов лишайников Xanthoria parietina, Physcia stellaris и P. dubia с целью изучения динамики липидов в весенний период были собраны в Жигулевском госзаповеднике в марте (-7° С), апреле (+7° С) и мае (+23° С) 1992 г.

Эксперимент по изучению влияния различной освещенности в среде обитания на состав липидов лишайника Parmelia tinctina

проводили в Долонату- Чолпон- Атинском регионе с 6 по 12 августа 1993 года. Были заложены 3 равноценные площадки, где лишайник находился соответственно в условиях естественного освещения, 3-х и 6-ти дневного искуственного затемения. При затемнении уровень освещенности объектов снижался на три порядка.

Собранный материал (талломы лишайников и зеленые части брио-фитов - каждая проба лишайников объединяла 20-30 талломов, а проба бриофитов 30-40 растений ) фиксировали в смеси хлороформ-метанол (1:2 по объему). Липиды экстрагировали по модифицированному методу Блайя и Дайера (Bligh and Dyer, 1959).

Полученные липидные экстракты разделяли методом колоночной хроматографии на силикагеле 100/250 меш на основные классы нейтральных, глико- и фосфолипидов ( НЛ, ГЛ, ФЛ) ( Кейтс, 1975; Beutelmann etal., 1988). Индивидуальные липидные компоненты НЛ, ГЛ и ФЛ анализировали с помощью тонкослойной хроматографии (ТСХ) на пластинках фирмы "Хаапсалу" (Эстония) с закрепленным слоем сили-кагеля.

Для количественного определения ФЛ использовали метод Васьковского (Vaskovsky et al., 1975), НЛ и ГЛ определяли модифицированным методом Кабара и Чена ( Kabara and Chen, 1976).

Получали метиловые эфиры жирных кислот (ЖК) общих липидных экстрактов и индивидуальных липидных классов (Кейтс, 1975). Разделение проводили на хроматографе "Chrom-5" с пламенно-ионизационным детектором в стеклянных набивных колонках с внутренним диаметром 3 мм. В качестве стационарной фазы использовали 10% ПЭГА на хроматоне N-AW-DMCS (100-160 mesh). Скорость потока газа носителя (гелий) составляла 30 мл/мин.

*) Видовое определение растений выполнено к.б.н. Шустовым М.В., к.б.н. Байбулатовой Н.Э., к.б.н. Макаровой И.И., д.б.н. Бардуновым Л.В., к.б.н. Афониной О.М. Пользуясь случаем, автор выражает им свою благодарность.

Разделение проводили в изотермическом режиме при температуре термостата колонок 180° С. Полученные пики идентифицировали в сравнении с метчиками, относительное содержание ЖК рассчитывалось на интеграторе " Computing integrator CI-100".

Диацилглицерилтриметилгомосерин выделяли из фосфолипидной фракции с помощью ТСХ. Его структуру устанавливали методом ИК-спектроскопии. ИК-спектр получали на спектрофотометре "Specord-М82" (Zeiss, Германия) в диапазоне от 400 до 4000 см""1 в четы-реххлористом углероде.

Статистическую обработку результатов проводили с использованием ПК "IBM PC/IT- 286". Вычисляли стандартные отклонения и ошибки средних арифметических. Достоверность различий средних оценивали по t- критерию при р, равном 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

Содержание общих липидов и соотношение их основных классов в лишайниках *) и бриофитах.

Исследуя содержание общих липидов в 27 типах лишайников произрастающих в различных регионах, мы пришли к выводу, что этот показатель сильно варьирует в зависимости от местообитания вида. В лишайниках Прииссыккулья содержание липидов колебалось от 20.1 (Cladonia furcata) до 43.5 мг/г (Parmelia comtschadalis), а наибольшими значениями этого показателя отличались Прибайкальские виды: 129.5 и 133.3 мг/г липидов обнаружены в Xanthoparmelia taractica и Flavoparmelia caperata соответственно. Подобные вариации содержания общих липидов в клетках лишайников, вероятно, отражают различия в уровнях аккумуляции ими не только липидов, но и лишайниковых кислот, которые экстрагируются в большинстве случаев вместе с липидами.

*) Автор благодарит к.б.н. Дембицкого В.М. за содействие в организации исследований.

-8В соотношении основных классов липидов лишайников у пяти видов, собранных в Среднем Поволжье, доминирующей была фракция НЛ, их содержание варьировало от 46.6% (РЬуэаа дпэеа) до 62.6% (Нуро-дутп'|а р1пузос1ез); содержание ГЛ - от 24.3% (Н.рЬузос^э) до 38.9% (С1ас1оша АтЬгЫа), а доля ФЛ составляла от 8.1% (РеШдега эр.) до 27.0% (Хап№опа рапейпа).

У лишайников, собранных в районах Байкала и Иссык-Куля, основной была фракция ГЛ. Это отмечено для родов РагтеНа, ХапИюпа, Lecanora. Содержание ФЛ во всех видах лишайников, за исключением Х.рапейпа, было минимальным по отношению к другим классам липи-дов.

Анализ 38 видов бриофитов из различных регионов показал, что содержание общих липидов, так же как и у лишайников, сильно изменяется в зависимости от таксономического положения и от местообитания вида. Так, в Ро^псИит ¡ипфеппит, произрастающем в Среднем Поволжье и собранном в мае, содержание липидов выше ( 53.7 мг/г сухого веса), чем у этого же вида, собранного в Прибайкалье в августе (28.8 мг/г). Заметных различий в соотношении НЛ, ГЛ и ФЛ у данных видов не выявлено.

Как и у лишайников, в большинстве видов бриофитов основной была фракция НЛ. В ряде видов из Среднего Поволжья доминировали ГЛ. По-видимому, это связано с тем, что бриофиты из Среднего Поволжья были собраны в мае, когда особенно интенсивны процессы фотосинтеза, что требует появления дополнительных ламеллярных образований, структурными единицами которых и являются ГЛ.

Распределение нейтральных липидов в лишайниках и бриофитах. Среди НЛ лишайников нами выявлены следующие соединения: стерины, свободные ЖК (СЖК), триацилглицеролы (ТАГ), эфиры стеринов (ЭС), воска, а также неидентифицированные компоненты, вероятно, пигменты и лишайниковые кислоты. Неизменно присутствовали четыре основных компонента: ТАГ, СЖК, ЭС и воска. Виды родов РагтеНа, С1ас1оп1а, РеШдега, 1.есапога содержали стерины в

количестве от 8.6±0.6 % (1_есапога ^изШ1оза) до 22.3±0.8 % (1_ер1од1ит 5а1игптит) от суммы НЛ.

ТАГ, являясь основным классом НЛ практически у всех изученных видов лишайников, варьировали в наших наблюдениях от 10.1+ 0.1% у РагтеПа оПуасеа до 28.8±0.5% у 1_есопога й-изМова. Воска, в состав которых, как обнаружено ранее, входят эфиры восков, углеводороды, кетоны, изменялись от 8.3+0.8% у Хап^орагтеПа 1агасйса до 20.5+1.2% у 1_есапога frustulosa. Известно, что воска входят в состав поверхностных липидов и образуют наружный кутикулярный слой, что обусловливает их защитную функцию.

Содержание СЖК отличалось большой вариабельностью, изменяясь от 8.9+1.4% у Еуегта езогесИоза до 23.9±1.3% у 1_есапога ^иэ-1и1оэа. Возможно, эти различия связаны с различиями в активности синтетазы ЖК у фикобионтов и микобионтов лишайников, которые относятся к различным типам водорослей и базидиомицетов.

Анализ индивидуальных компонентов НЛ в 31 виде бриофитов выявил стерины, свободные ЖК, триацилглицеролы, эфиры стеринов и воска. Обнаружено также соединение неизвестной природы с Р^ большей, чем у стеринов.

Интересно, что четыре вида семейства Оюгапюеае из Прибайкалья и три вида рода □¡сгапит из Ленинградской области имели сходный спектр НЛ, но последняя группа бриофитов отличалась повышенным содержанием СЖК и пониженным содержанием триацилглицеролов, а также способностью к синтезу неизвестного X - липида.

Наименьший спектр НЛ выявлен у четырех представителей водных бриофитов. В них обнаружены эфиры стеринов, воска, триацилглицеролы, свободные ЖК и стерины.

ЖК-состав нейтральных липидов был изучен у пяти видов лишайников. Идентифицированы 25 ЖК с длиной углеродной цепи от С12:0 до С22:0, включая изо-С12:0, изо-С15:0 и изо-С17:0 кислоты. Лишайники РеШдега Бр., РИуэаа дпэеа и ХапУюпа рапейпа содержали наибольший спектр ЖК в то время как НЛ видов Нуродутта рМузос1ез и

Cladonia fimbriata насчитывали по 11 кислот. Во всех изученных видах доминировали кислоты С16:0 ( от 29.2% у Cladonia fimbriata до 69.1% у Xanthoria parietina) и С18:2 (до 37.4% у С. fimbriata). В С. fimbriata кислота С18:1 составила 27.6%, хотя у других видов лишайников ее процентный вклад был небольшим.

Для перечисленных пяти видов лишайников изучен и состав ЖК индивидуальных НЛ. Среди СЖК основной была С16:0 кислота, содержание которой равнялось 38.8% у Cladonia fimbriata и 74.8% у Xanthoria parietina. Кислоты С18:0, С18:1 и С18:2 также обнаружены в значительных количествах. Для СЖК изученных лишайников характерны следовые количества длинноцепочечных полиненасыщенных кислот.

Гликолипиды лишайников и бриофитов и их ЖК- состав. Гликолипидные фракции как лишайников, так и бриофитов содержали два основных липида фотосинтетических мембран, характерных и для высших растений, - моногалактозилдиацилглицерол и дигалак-тозилдиацилглицерол (МГДГ, ДГДГ). У большинства видов лишайников преобладал МГДГ, который, например, в Xanthoria elegans составил 62.1 ±2.5% от суммы ГЛ. У бриофитов часть видов содержала МГДГ в доминирующих концентрациях, например печеночники Pellia sp. и Rieda fluitans (73.2±0.1% и 68.4±2.3% соответственно). Остальные виды характеризовались доминированием ДГДГ: у двух видов рода Sphagnum обнаружено 56.6+0.1% и 60.3±0.5% ДГДГ.

ЖК-состав гликолипидной фракции проанализирован нами у пяти видов лишайников. Обнаружено, что ГЛ Physcia grisea и Xanthoria parietina содержат в основном кислоты с 18 углеродными атомами: 20.0% и 16.6% кислоты С18:0; 19.8% и 14.8% кислоты С18:2; 33.7% и 64.5% кислоты С18:3 соответственно. Hypogymnia physodes и Peltigera sp. характеризовались доминированием в их ГЛ кислоты С 16:0 (52.7% и 31.4% соответственно) и незначительными количествами кислот С18:0, С18:1 и С18:2.

Фосфолипиды лишайников и бриофитов и их жирнокислотный состав.

Установлено, что в каждом виде лишайника неизменно присутствуют фосфатидилхолин (ФХ), фосфатидилэтаноламин (ФЭ), фосфатидилглицерин (ФГ), фосфатидилинозит (ФИ) и лизо-формы фосфолипмдов; некоторые виды содержали дифосфатидилглицерин (ДФГ) и фосфатидилсерин (ФС) как минорные компоненты. Преобладали при этом ФХ, ФЭ и ФГ. Содержание ФХ варьировало от 11.510.6% от суммы ФЛ у Ramaüna pollinaria до 54.2±3.0% у Leptogium saturninum; ФЭ - от 12.1±0.9% у Parmelia tinctina до 23.3±1.2% у Cladonia furcata, а количество ФГ - от 6.0±0.5% у Acorospora gobiensis до 21.6+0.5% у Parmelia saxatilis. В четырех видах обнаружены ФС, ФИ и ДФГ.

Исследования липидов пяти видов лишайников, выполненные ранее (Dertien et al., 1977), показали присутствие лишь трех ФЛ: ФХ, ФС и ФГ. Количественные анализы при этом не проводились, но отмечены

значительные количества ФС, который вообще обнаруживается в растениях в незначительных концентрациях.

Еще при анализе липидов лишайников из Средневолжского региона мы обратили внимание на присутствие среди ФЛ соединения, не дающего реакции не неорганический фосфор и по своим хромато-графическим свойствам подобного ДГТС. С помощью ИК-спектрометрии он был нами идентифицирован. Это соединение первоначально было обнаружено в хризофите Ochromonas danica, а позднее в зеленых водорослях, папоротникообразных, грибах и в бриофитах, то есть в большинстве криптогамных растений (Sato, 1992). ДГТС является производным гидроксиаминокислоты и диацилглицерола и локализуется как в плазматической мембране, так и в мембранах хлоропластов.

Для других криптогамных растений установлен интересный факт: организмы, аккумулирующие в больших концентрациях ДГТС, или совсем не содержат ФХ, или содержат его в небольших количествах. Это

интерпретируется в том плане, что ДГТС в процессе эволюции зеленых растений постепенно заменяется ФХ.

Как видно из наших результатов, лишайники, за исключением двух видов, содержат как ДГТС, так и ФХ. То есть подтверждается предположение о взаимозаменяемости ДГТС и ФХ - виды, содержащие более 25% ДГТС, содержат наименьшие количества ФХ, и наоборот.

Что касается бриофитов, то состав их ФЛ качественно практически не отличался от ФЛ лишайников. Среди ФЛ бриофитов также во всех исследованных видах обнаружены ФХ, ФЭ, ФГ, ФИ, лизо-формы; некоторые виды как минорные компоненты содержали ФС, ДФГ и неидентифицированное соединение фосфолипидной природы с R( , близкой к Rf ФХ.

Бриофиты, подобно другим низшим растениям, способны синтезировать бетаиновый липид ДГТС. Это продемонстрировано для таких видов, как Marchantía polymorpha, М. paleacea, Pleurocium schreberi, Dicranum scoparium, Polytrichum formosum, Bazzania yoshinagana. Ha культуре клеток M. polymorpha с помощью меченого метионина прослежен путь биосинтеза ДГТС (Sato et al.,1988). Для этих видов бриофитов также характерен факт взаимозаменяемости ДГТС и ФХ, но отмечается доминирование ФХ над ДГТС.

Однако наши исследования, основанные на анализах гораздо большего количества видов, выявили, что преобладание ФХ над ДГТС свойственно все же не всем бриофитам. Так, три вида рода Sphagnum и Bryum, а также водные бриофиты, за исключением Calliergon cordifolium, Polytrichum juniperinum, Marchantía polymorpha и Phylonotis fontana, отличаются преобладающими количествами ДГТС.

Исследования ЖК фосфолипидов пяти видов лишайников показали, что ФЛ этерифицированы главным образом кислотой С18:2. Содержание этой кислоты варьировало от 55.0% до 96.7% от суммы ЖК ФЛ у Cladonia fimbriata и Physcia grísea соответственно. Отмечены значительные количества кислот С16:0 (до 22.2% у Peltigera sp.) и С18:1 (4.9% у C.fimbriata и Hypogymnia physodes).

- 13-

Сезонная динамика липидов у лишайников.

Учитывая отрывочность информации о сезонных изменениях липидов лишайников, мы исследовали динамику содержания общих липидов, соотношения основных классов липидов, содержания ЖК и соотношения индивидуальных фосфолипидов у трех эпифитных видов Xanthoria parietina, Physcia stellaris и Physcia dubia.

Установлена тенденция к снижению содержания общих липидов у X.parietina и увеличению их у двух видов Physcia с марта по май (сезон июля - августа для гораздо большего числа видов косвенно учтен нами выше). Анализ соотношения основных липидных классов показал, что снижение содержания общих липидов у Xanthoria parietina происходит за счет значительного уменьшения фракции НЛ - от 44.4 до 20.8 мг/г сухого веса, а увеличение данного показателя у видов рода Physcia - за счет возрастания либо ГЛ ( Ph. stellaris), либо НЛ ( Ph.dubia ). Содержание ФЛ у X. parietina и Р. stellaris увеличивалось, особенно у первого вида, а у Р. dubia уменьшалось с 8.4 до 5.9 мг/г. Увеличение содержания ФЛ, вероятно, связано с усилением фотосинтетических и метаболических процессов в клетках в весенний период, что требует образования дополнительных мембранных структур, основными компонентами которых и являются фосфо- и гликолипиды.

Особенно интересной оказалась динамика содержания ЖК из фракций мембранных липидов. На рис.1 представлена картина изменения числа насыщенных (Н), моно-(М), ди-(Д) и полиеновых (П) ЖК из фракции ГЛ.

ЖК гликолипидной фракции отличаются большей степенью ненасыщенности, что обусловливает "экстремальную текучесть" мембран хлоропластов ( Молчанов с соавт., 1991). У X.parietina и P.dubia увеличивается число насыщенных и моноеновых кислот при значительном снижении диеновых и полиеновых ЖК. Однако Р.stellaris при значительном снижении полиеновых кислот отличалась и снижением насыщенных ЖК. Также была прослежена динамика содержания гидроксикислот, обнаруженных нам и впервые для лишайников в ГЛ

фракции. Во всех лишайниках их количество возрастало в весенний период.

Рис. 1. Динамика изменения ЖК фракции ГЛ в весенний период у лишайников Xanthoria parietina (A), Physcia stellaris (Б) и P. dubia (В).

Динамика содержания ЖК фосфолипидов - основных структурных единиц биомембран - наиболее отчетливо проиллюстрировала известный механизм адаптации мембран к повышению температуры окружающей среды: с увеличением температуры растет количество насыщенных и снижается число ненасыщенных, особенно полиеновых, ЖК (рис.2).

Что касается моноеновых кислот, то их содержание во всех изученных видах возрастало с увеличением температуры. По-видимому, в лишайниках вязкость мембран регулируется главным образом путем изменения числа полиненасыщенных ЖК. Исследования сезонной динамики индивидуальных ФЛ выявили широкую вариабельность фосфолипидных компонентов в весенний период. В X.parietina нами отмечено достоверное увеличение содержания ДГТС с 9.3±0.8 до 16.8±2.5%, снижение уровня ФС с 13.7+2.9% до 7.2±0.7%, ФИ. У P.stellaris достоверно возрастает количество ДГТС, лизоформ, но доли ФС, ФИ и ФГ значительных изменений не претерпевают.

Рис. 2. Динамика содержания ЖК фракции ФЛ лишайников в весенний период ( см. рис.1 ).

В апреле статистически значимо уменьшается содержание ФЭ - с 21.5± 1.5% до 9.8±.1.2%. При этом происходит увеличение ФХ с 24.4±2.5% до 40.1 ±3.7% с последующим его снижением в мае до исходных значений. У P.dubia содержание ФХ и ФЭ достоверно увеличиваются с марта по май при снижении уровня ФГ (р<0.01), ФС (р<0.01) и ФИ. Количество ДГТС уменьшалось с 27.4±2.3% до 13.5±5.1% Неизменным у данного вида был лишь уровень лизо-форм липидов.

Таким образом, содержание индивидуальных липидов в той или иной степени варьирует в зависимости от даты сбора, а характер самих вариаций видоспецифичен. Наибольшим изменениям подвергаются, как оказалось, ФХ, ФЭ и ДГТС. Вероятно, именно эти основные компоненты мембран лишайников в большей степени реагируют на воздействия факторов внешней среды и поэтому играют важную роль в адаптации данных организмов к среде обитания.

Влияние различных условий освещенности на липидный и жирно-кислотный состав лишайника Parmelia tinctina.

Полученные результаты позволяют заключить, что изменения метаболических процессов, приводящие к уменьшению количества общих липидов, имеют место в лишайнике Parmelia tinctina уже на третий день

существования в условиях пониженной освещенности. Мы обнаружили аккумуляцию общих НЛ, которые, вероятно, не расходовались в условиях затемнения. Интересно, что подобное увеличение уровня НЛ было отмечено для мха 1_ер1оЬгуит ругйогте на пятый день культивирования в темноте (\Zandekerkhove е1 а1., 1984). Уменьшение количества ГЛ, которые играют основную роль при встраивании светособирающих компонентов фотосистем I и II в структуру мембран тилакоидов (Трусова с соавт., 1990), могут свидетельствовать о частичной деградации . хлоропластных мембран лишайника при воздействии низкой освещенности. Это предположение подтверждается значительным снижением (от 0.115±0.008 мг/г до 0.025±0.002 мг/г) уровня ФГ, который, как известно, является основным фосфолипидом светособирающего комплекса и реакционного центра фотосистемы II, определяющей места связывания и пространственную организацию взаимодействующих молекул хлорофилла (Трусова с соавт., 1990), а также уменьшением содержания МГДГ и ДГДГ - основных хлоропластных гликолипидов. В условиях пониженной освещенности соотношение МГДГ/ДГДГ изменялось от 1.2 до 1.3 (табл.1).

Таблица 1.

Влияние различных условий освещенности на содержание индивидуальных гликолипидов в лишайнике РагтеПа ИпсИпа, мкг галактозы на г сухого веса ( М±^ п = 4)

Условия освещенности МГДГ ДГДГ

Естественная освещенность 420.9±20.1 357.7±31.2

Затемнение 3 дня 456.1 ±17.7 342.4±30.7

Затемнение 6 дней 304.2±26.2 246.3±23.6

Среди полярных липидов РагтеПа йпсйпа был обнаружен не только ДГТС (бетаиновый липид серинового типа), но и, согласно предварительным оценкам, диацилглицерилтриметилаланин (бетаиновый

липид аланинового типа), что в случае подтверждения при уточняющей идентификации также явится фактом, новым для лишайников.

Анализ индивидуальных НЛ показал, что увеличение их общего количества происходит за счет значительного роста содержания восков. Доля остальных НЛ, включая ТАГ, уменьшалась. Снижение уровня ТАГ при уменьшении освещенности было отмечено ранее в мхе Dicranum elongatum (Karunen et al., 1988). Относительно восков известно, что эти соединения являются основными поверхностными липидами (Karunen, 1990) и увеличение их синтеза представляет собой, вероятно, адаптивную реакцию лишайникового метаболизма к условиям пониженной освещенности. Следует заметить, что ЖК состав фракции НЛ не изменялся к третьему дню затемнения, но в изменении ЖК состава фракций ФЛ и ГЛ некоторые особенности были отмечены. Известно, что на свету МГДГ высших растений может содержать до 98% линоленовой кислоты, которой отводится важная роль в фотосинтетических процессах (Клячко-Гурвич и Семенова, 1976). МГДГ некоторых водорослей характеризуется меньшим содержанием этой кислоты (около 50%) (Nichols and Appleby, 1969). Как видно из наших результатов (табл. 2), ГЛ фракция лишайников отличается еще более низким уровнем линоленовой кислоты ( 24.5%). Причем количества ее в Parmelia tinctina в условиях пониженной освещенности увеличивались, что, вероятно, компенсировало уменьшение уровня как МГДГ, так и ДГДГ.

Возможно, проявление подобного эффекта отражает адаптивную реорганизацию тилакоидных мембран лишайника в условиях затемнения. Необходимо заметить, что противоположный компенсаторный эффект наблюдался у водоросли Chlorella sp.: при понижении освещенности уменьшение количества линоленовой кислоты сопровождалось увеличением уровня МГДГ (Клячко-Гурвич и Семенова, 1976).

Таблица 2.

Влияние различных условий освещенности на ЖК состав гликолипидов лишайника Parmelia tinctina, % от суммы ЖК (М±<Сп=3)

ЖК Естественная освещенность Затемнение 3 дня Затемнение 6 дней

16:0 14.7±1.3 9.7+0.1 14.8±0.7

16:1 1.6±0.1 2.0+0.3 2.0+0.2

17:0 2.4±0.5 2.5±0.2 2.8±0.1

18:0 15.0±0.4 16.1 ±0.2 12.9±0.3

18:1 10.0±0.4 6.8±1.4 6.1 ±0.1

18:2 30.5±1.0 26.4Í1.5 23.8Í1.1

18:3 24.5±0.2 32.4±0.3 32.1 ±0.9

Как показали наши исследования, повышение содержания линоленовой кислоты в гликолипидах Parmelia tinctina происходит на фоне сильного уменьшения количеств кислот С18:1 и С18:2. Это позволяет предположить, что данные кислоты также играют важную роль в регуляции активности фотосинтетических процессов.

Для ЖК состава фосфолипидов нами было отмечено, что, во-первых, лишайниковые ФЛ не содержат трансгексадеценовой кислоты в противоположность высшим растениям и некоторым водорослям, где эта кислота является основной кислотой ФГ и играет важную роль в процессах фотосинтеза (Hitchcock and Nichols, 1971). Во-вторых, условия затемнения приводят к увеличению степени ненасыщенности ЖК в основном за счет увеличения уровня С18:2 кислоты и уменьшения количества С18:0 и С16:0 кислот. Так как основными в этой фракции были ДГТС и ФГ, которые локализуются в тилакоидных мембранах, увеличение степени ненасыщенности ЖК этих липидов, приводящее к изменению текучести хлоропластных мембран, видимо, является необходимым условием для их функционирования в условиях пониженной освещенности.

Таким образом, лишайники, где фотосинтетические процессы в отличие от других растений могут протекать при экстремальных условиях существования (1_агс11ег, 1975), характеризуются целым рядом особенностей изменения липидного состава в зависимости от условий освещенности.

ВЫВОДЫ.

1. В состав нейтральных липидов лишайников и бриофитов входят эфиры стеринов, воска, триацилглицеролы, стерины, свободные жирные кислоты. Отмечается доминирование эфиров стеринов, восков и три-ацилглицеролов.

2. При детальном анализе фосфолипидов лишайников и бриофитов идентифицированы фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилглицерин, фосфатидилинозит, фосфатидилсерин, дифосфатидилглицерин и лизо-формы фосфолипидов.

3. Для лишайников установлена структура неидентифицированного

ранее бетаинового липида серинового типа диацилглицерилтриметил-гомосерина и проведено количественное его определение во всех изучавшихся видах лишайников и бриофитов. Показано, что для проанализированных видов бриофитов распределение этого липида имеет таксономическую значимость.

4. В некоторых видах лишайников, в частности относящихся к роду РеШдега, обнаружен целый ряд длинноцепочечных жирных кислот, что обусловлено в большей степени таксономической принадлежностью водорослевого симбионта лишайника: принадлежность либо к зеленым, либо к синезеленым водорослям.

5. Соотношение основных классов липидов лишайников и бриофитов изменяется в зависимости от местообитания видов не так значительно, как соотношение индивидуальных липидных компонентов и содержание общих липидов. У лишайников наибольшим изменениям подвергаются эфиры стеринов и воска, а у бриофитов -триацилглицеролы и стерины.

Во фракции фосфолипидов наиболее вариабельны фосфатидилэтаноламин и его лизо-форма, фосфатидилинозит и диацилглицерилтриметилгомосерин.

6. При исследовании сезонной динамики липидов лишайников обнаружено, что все изученные липидные показатели в той или иной мере изменяются под действием абиотических факторов. С повышением температуры окружающей среды растет доля насыщенных и снижается содержание ненасыщенных ЖК и изо-кислот. Количество присутствующих во фракции гликолипидов гидроксикислот увеличивается по мере роста температуры.

7. Снижение освещенности в среде обитания приводит к уменьшению содержания общих липидов лишайников. При этом значительно снижается доля фосфо- и гликолипидов на фоне аккумуляции общих нейтральных липидов. Последняя происходит исключительно за счет резкого увеличения количества восков при падении содержания остальных индивидуальных нейтральных липидов. Уменьшается количество линолевой и арахидоновой кислот при увеличении концентрации пальмитолеиновой и линоленовой кислот.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Dembitsky V.M., Bychek I.A., Kaschin A.G. Chemical constituents of some lichens species // J. Hattori Bot. Lab. 1992. N71. P.255 - 262.

2. Бычек И.А. Изменение липидного состава лишайников в весенний период // Химия природных соединений . 1993. N5. С.660-664.

3. Бычек И.А. Изучение биоиндикационных свойств лишайников Среднего Поволжья // Тез. Междунар. конф."Проблемы крупных рек". Тольятти. 1993. С.267.

4. Бычек И.А. Особенности распределения липидов в бриофитах: экологический и таксономический аспекты И Биохимия. 1994. N11. С. 1646-1662.