Адаптивное значение проламинов в эволюции злаков и при интродукции растений

Прусаков, Алексей Николаевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Адаптивное значение проламинов в эволюции злаков и при интродукции растений
ВАК РФ 03.00.05, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Адаптивное значение проламинов в эволюции злаков и при интродукции растений"

ПРУСАКОВ Алексей Николаевич

АДАПТИВНОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПРОЛАМИНОВ В ЭВОЛЮЦИИ ЗЛАКОВ И ПРИ ИНТРОДУКЦИИ РАСТЕНИЙ

Специальность 03.00.05 -Ботаника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Главном ботаническом саду им. Н.В. Цицина РАН

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, В.Ф. Семихов

доктор биологических наук, профессор А.П. Меликян доктор биологических наук, профессор, чл.-корр. РАН Н.Н.Цвелев

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский институт растениеводства им. Н.И. Вавилова РАСХН

Защита диссертации состоится "«-З " фв&^ёАр! 2005 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании Диссертационного совета Д. 002.0.28.01 в Главном ботаническом саду им. Н.В. Цицина Российской академии наук по адресу: 127276, Россия, г. Москва, ул. Ботаническая, 4, ГБС РАН, конференц-зал лабораторного корпуса, тел./факс (095) 977-91-72.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке Главного ботанического сада им. Н.В. Цицина РАН.

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь л

Диссертационного совета, / /

доктор биологических наук ) Ю.К. Виноградова

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы. Злаки являются одним из самых крупных семейств покрытосеменных растений. Они довольно равномерно распространены по всем континентам и всем климатическим зонам. В крайних условиях существования, например, в Арктике, а также в аридных условиях, злаки нередко выходят на первое место среди семейств покрытосеменных по числу видов. В результате техногенных воздействий в разных почвенно-географических зонах возникают экстремальные условия для произрастания растений. Именно злаки чаще всего проявляют себя как пионеры освоения малопригодных для растений территорий: вскрышных отвалов, шламохранилищ, карьеров. В процессе эволюции растения выработали многочисленные механизмы устойчивости к неблагоприятным условиям, в том числе, разнообразные физиолого-биохимические механизмы адаптации, например, физиолого-биохимические и структурные типы фотосинтеза. Злаки выработали еще и специфический механизм, обеспечивающий проросткам дополнительные возможности для приспособления к неблагоприятным условиям, способствовавший распространению злаков из тропического центра происхождения в зоны с более суровым климатом. Это накопление в белковом комплексе семян специализированных белков-проламинов (Семихов, 1980, 1982). В связи с этим, а также для целей интродукции растений изучение проламинов таксонов злаков, имеющих разное эколого-географическое распространение, является актуальным и важным.

Цели и задачи исследования. Были поставлены следующие цели:

- комплексная оценка биохимических свойств проламинов злаков, представляющих различные трибы и подсемейства злаков;

- установление закономерностей изменения свойств проламинов в зависимости от географического распространения таксонов.

В связи с поставленными целями решались следующие задачи.

- Изучение белкового комплекса семян злаков из разных триб и подсемейств, имеющих разное эколого-географическое распространение;

исследование биохимических свойств проламинов (иммунохимических, электрофоретических, аминокислотного состава);

- выявление возможности использования чужеродных проламинов растениями-реципиентами при их интродукции в более северные районы на основе разработанного представления о «северном» и «южном» типах проламинов.

Научная новизна. Проведены исследования аминокислотного состава семян проламинов, а также электрофоретических и иммунохимических свойств проламинов у представителей 52 родов из 22 триб злаков (по системе Н.Н. Цвелева, 1987). Полученные результаты показали высокую степень разнообразия у этих характеристик таксонов злаков. Впервые разработано представление об адаптивных типах проламинов, которое тесно увязаны с макроэкологическим распространением таксонов злаков. Выделено 7 адаптивных типов проламинов: Sasa-, Molinia-, Chloris-, Zingeria-, Poa-, Triticum- и Panicum-типы. Проведена экспериментальная - проверка гипотезы повышения адаптивного потенциала интродуцентов (Семихов, 1990) путем внедрения чужеродных проламинов в зерновки интродуцентов. Разработан прием внедрения чужеродных проламинов с целью выявления принципиальной возможности их использования растениями-интродуцентами. Установлено, что препараты чужеродных проламинов, внедренные в эндосперм кукурузы активно используются растением-реципиентом. Показано, что это происходит уже на стадии наклевывания семян и впоследствии оказывает положительный эффект на рост и развитие растения-реципиента.

Теоретическая и практическая ценность диссертации. Выявленные биохимические характеристики адаптивных типов проламинов коррелируют с эколого-географическим распространением злаков, и могут быть использованы при разработке вопросов систематики и филогении

i библиотека

| Cltarepi ' О»

Разработка

биохимических основ специфичного механизма адаптации злаков позволит внести определенный вклад в разработку проблем адаптации и в частности адаптации растений-интродуцентов. Предлагаемый прием внедрения чужеродных проламинов и экспериментальную проверку их воздействия на растение-реципиент следует рассматривать как первые практические шаги в области моделирования новых более устойчивых форм растений.

Апробация диссертации. Основные положения диссертации доложены на 4-ом Всесоюзном совещании по хемосистематике и эволюционной биохимии растений (Чебоксары, 1990); Всесоюзном совещании по систематике и эволюции злаков (Краснодар, 1991); Международном совещании по систематике и эволюции злаков (Краснодар, 1994); на Международном совещании «Проблемы интродукции растений и отдаленной гибридизации» (Москва, 1998); на Международных конференциях: «Физиология растений - наука третьего тысячелетия» (Москва, 1999), «Актуальные вопросы экологической физиологии растений в 21 веке» (Сыктывкар, 2001), «Ботанические сады: состояние и перспективы сохранения, изучения, использования биологического разнообразия растительного мира» (Минск, 2002), «Биологическое разнообразие. Интродукция растений» (С.-Петербург, 2003) и по отдаленной гибридизации (Москва, 2003).

Публикации по темедиссертации. Опубликовано 18 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав,

выводов, списка литературы, включающего_наименований, и приложения. Работа

изложена на_страницах текста, включая таблиц. Приложения содержат

рисунков и таблиц.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность и благодарность научному руководителю В.Ф.Семихову; Л.П. Арефьевой, ОА. Новожиловой А.С. Тимощенко, М.Н.Гринашу, ОА. Молкановой, B.C. Сидоренко за постоянные консультации и помощь в проведении исследований, сотрудникам лаборатории физиологии и биохимии растений ГБС.

Содержание диссертации. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Глава 1. ХАРАКТЕРИСТИКА СЕМЕЙСТВА ЗЛАКОВ

Систематика и распространение злаков. Злаки, одно из самых крупных семейств среди покрытосеменных растений, включает более 10000 видов и более 900 родов, относящихся к 41 трибе (Цвелев, 1987). Число подсемейств в системах разных авторов варьирует от 2 (Цвелев, 1987) до 13 (Саго, 1982). Злаки являются истинными космополитами, входящими в состав растительных сообществ от экватора до Арктики и Антарктики и от гор до морского побережья. В Арктике они нередко выходят на первое место среди семейств по числу видов (Толмачев, 1970). Злаки являются практически единственным семейством цветковых растений, представители которого доминируют в растительности на огромных территориях Земного шара (Good, 1953), причем являются доминантными видами для большинства классов растительности России (Миркин и др., 2001). Многие авторы (Толмачев, 1974; Цвелев, 1975; Good, 1947) считают, что способность злаков замещать другие виды, а также выступать в качестве пионеров можно рассматривать как проявление больших адаптивных возможностей злаков. Исследования географического распространения семейства показали довольно четкую привязанность триб и подсемейств злаков к макроэкологическим условиям существования, что связано в основном с двумя параметрами: температурой и влажностью (Hartley, 1950; Clayton, 1975). Признавая, что злаки имеют тропический центр происхождения, Клайтон рассматривает физиологическую адаптацию как основу при продвижении их на север и образовании новых таксономических-групп, и являющуюся фундаментальной основой таксономии семейства. Среди физиолого-биохимических механизмов, расширяющих

адаптивные возможности злаков (С4- типа фотосинтеза, галофильность и т.д.) выработка в процессе эволюции специализированных запасных белков (проламинов) является очень мощным механизмом, который обеспечивает определенные преимущества при освоении территорий с менее благоприятными условиями (Семихов, 1990).

Проламины - филогенетически молодые специализированные белки семян злаков, по гипотезе Семихова (1982) возникли в ходе эволюции семейства, в процессе специализации функции запаса азотистых веществ. Накопление в эндосперме злаков проламинов (составляющих иногда 60% и более от белкового комплекса) дает основание рассматривать этот процесс как один из физиолого-биохимических механизмов, присущих только злакам и существенно расширяющих их адаптационные возможности. Проламины, обеспечивающие проросток глютамином, пролином, лейцином и некоторыми другими функционально важными аминокислотами в легко усвояемой форме, выполняют роль адаптеров при освоении злаками территорий с неблагоприятными условиями произрастания. Тесно коррелируя с конкретными почвенно-климатическими условиями существования таксона, они резко отличаются по аминокислотному составу и биохимическим свойствам у злаков разных триб и подсемейств.

Глава 2. БИОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОЛАМИНОВ И ИХ АДАПТИВНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ.

Неспецифические механизмы адаптации. В процессе эволюции растения выработали разнообразные физиолого-биохимические механизмы адаптации. Некоторые из них являются универсальными. Такие как разнообразие биохимических и структурных типов фотосинтеза (Гамалей и др., 1992; Пьянков и др., 1992), синтез белков теплового шока (Коротаева и др., 2003) и холодового шока (Колесниченко и др., 2003), мембранные белки - аквапарины, накопление свободного пролина в тканях (Бритиков, 1975; Шевякова и др, 1994). Все живые организмы находятся в состоянии непрерывной адаптации, как в ходе индивидуального развития, так и филогенеза (Кузнецов, 2003). В.В. Кузнецов отмечает, что центральное место в проблеме адаптации занимает вопрос, как реализуются возможности организма в ответ на условия среды.

Специфический механизм адаптации злаков - биосинтез в семени специализированных белков проламинов. Злаки выработали специфический механизм, обеспечивающий проросткам дополнительные возможности по преодолению неблагоприятных условий, способствовавший их распространению из тропического центра происхождения в зоны с все более суровым климатом - накопление в белковом комплексе семян специализированных белков проламинов. Проламины, в первую очередь расходуются при прорастании. В проламинах некоторых таксонов злаков в количестве 40% и более от суммы аминокислот содержится глютаминовая кислота, большей частью амидированная. Это создает большие запасы аминного азота в наиболее легкоусвояемой форме, поскольку глютаминовая кислота и глютамин играют ключевую роль в азотном метаболизме, видимо, большинства покрытосеменных растений (Miflin et э1, 1981). В проламинах в значительном количестве, иногда до 20% от суммы аминокислот, накапливается пролин. Благодаря ряду уникальных физико-химических свойств пролин выполняет функции осморегулятора, стабилизирует белки, регулирует рН цитоплазмы в условиях стресса (Пахомова, Чернов, 1996). Появление проламинов в процессе эволюции семейства и их очень быстрое накопление в белковом комплексе семян (почти до 70% у представителей родов Phalaris, Cenchгus, Paгaneuгachne) можно рассматривать как дальнейшую специализацию функции запаса, выполняемую и глютелинами, расширяющую адаптационные возможности злаков. В тех условиях, где на этапе прорастания ослаблено напряжение неблагоприятных факторов, нет «экологического запроса», потенции злаков по биосинтезу этих белков практически не реализуются. Это, прежде всего относится к таксонам водных и теплых, влажных мест обитания, к злакам

тропического распространения, например, бамбукам. Однако у подавляющего большинства злаков внетропического распространения обнаружено высокое содержание (более 20%) проламинов в белковом комплексе семян. В процессе эволюции злаков адаптивная роль проламинов не могла не сказаться на их биохимических свойствах.

Глава 3. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для биохимических исследований были использованы семена представителей 52 родов злаков из 22 триб (по системе Н.Н. Цвелева, 1987). Материалом для исследований служили зрелые семена злаков, собранные в результате собственных экспедиционных сборов в различных регионах бывшего СССР, а также сборов сотрудников лаборатории физиологии и биохимии растений (Арефьевой Л.П., Вахромеева В.И., Семихова В.Ф., Шершневой А.Ф.), других отделов ГБС РАН (Беляниной Н.Б., Бочкина В.Д., Ворошилова В.Н., Гогиной Е.Е., Порубиновской Г.В., Проскуряковой Г.М., Русанович И.И., Скворцова

A.К. ) и других ботанических учреждений бывшего СССР (Абдурахманова АА., Алексеева Е.Б., Балвочюте Я.П., Буткуте Б.Л., Водолазской Н.Н., Габрилян Э.Ц., Гейдеман Т.С., Голубева В.Н., Кожевниковой С.К., Малышева Л.И., Михеева А.Д., Нагалевского

B.Я., Пименова М.Г., Сейфуллина Э.М., Танфильева В.Г., Чопанова П.И., Чопик В.И. Семена таксонов злаков, произрастающих вне СССР, получали в основном из коллекции ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова (С.-Петербург) и некоторых зарубежных ботаников: д-ра Conner (Новая Зеландия), д-ра P.Buneille (Франция), д-ра Pohl (США), д-ра R. Trujillio (Куба) и др. Всем специалистам, предоставившим материал для исследований автор выражает искреннюю благодарность.

Методы биохимических исследований

Для аминокислотного анализа навеску цельносмолотых семян подвергали гидролизу в 6 М НС1 особой чистоты, в течение 24ч при 110° С при барбатировании аргоном особой чистоты (Семихов и др., 1982). Аминокислотный анализ проводили на автоматических анализаторах аминокислот типа Hitachi-835 и Liqimat-4 .

Фракционирование белков по растворимости. Навеску семян (в двух повторениях) последовательно экстрагировали 10% NaCl; 72% (по объему) этанолом; 0,6% 2-меркаптоэтанолом в 72% этаноле; 0,2% NaOH. Содержание азота во фракциях определяли феноловым методом.

SDS- электрофорез белков проводили в денатурирующих условиях (в присутствии 2-меркаптоэтанола) по стандартной методике Леммли (Laemmli, 1970; Гааль и др., 1982).

Иммунохимические исследования. Использовати два варианта двойной иммунодиффузии: по Ухтерлони (Ouchterlony, 1965, 1967, цит. по Бем, 1979) - метод модифицированного 'креста' (Арефьева и др., 1993) и двойной иммунодиффузии в агарозном геле в микромодификации (Гусев и Цветков, 1961; Гусев, 1968).

Получение препаратов проламинов. Проламиновую фракцию извлекали путем 2-кратной экстракции 72% этанолом при 20°С (после тщательного удаления солерастворимых белков). Осевшие после диализа против 1 М NaCl на фосфатном буфере проламины центрифугировали, промывали водой и подсушивали ацетоном.

Методика внедрения чужеродных проламинов в семена кукурузы состояла в том, что в эндосперме кукурузы (предварительно отобранных по массе): высверливали углубления в 2 мм, куда вносили 4 мг препарата проламинов, уплотняли скальпелем, отверстие запаивали воском. Семена обрабатывали 0,1% диацидом в течение 5-7 мин, промывали 2 раза дистиллированной водой и подсушивали.

Методика модельных опытов. Эксперименты проводили в двух температурный режимах: а) в чашках Петри на влажном обеззоленном фильтре при 20±2°С (температура, близкая к оптимальной для прорастания кукурузы); б) в климокамере в ящиках с дерново-подзолистой почвой, при 12 ±1°С (предельно низкая температура для роста проростка кукурузы). Эксперимент проводили а) в лабораторных условиях, при естественной освещенности в апреле; б) в условиях климокамеры при длительности светового дня -

15ч, посев в мае. Схема опытов в обеих сериях была одинаковой: проращивали неповрежденные семена, поврежденные бором, запаенные воском семена, и семена с внедренными в них проламинами. Образцы для биохимических анализов брали через 7,12 и 26 сут.

Методика вегетационного опыта. Изучали внедрение чужеродных проламинов на увеличение вегетативной массы кукурузы. Испытывали следующие варианты: 1) семена с пустыми тремя маленькими отверстиями; 2) семена с тремя маленькими отверстиями и внедренными чужеродными проламинами; 3) семена с одним большим отверстием с повышенным содержанием чужеродных проламинов. Растения высевали в вегетационные сосуды с дерново-подзолистой почвой, в теплице. Плотность посева - 5 растений на сосуд в 5-кратной повторности. О развитии растений судили на основании фенологических наблюдений и биометрических измерений (высота растений, ширина листа, количество завязавшихся початков и т.д.). Растения выращивали в течение 60 дней.

Методика полевого опыта. Полевой опыт был заложен на выщелоченных черноземах, на экспериментальных полях ВНИИ зернобобовых и крупяных культур (г. Орел). В опыте использовали три сорта кукурузы: гибрид КНИИСХ № 629 (позднеспелый), Краснодарский 395 ВЛ (среднеспелый), Обский 150 СВ. Варианты опыта: без внедрения проламинов (контроль) и 4 варианта внедрения проламинов: проламинов Zеаmays, Secalecereale, BromopsisinermismPoapratensis. В каждом варианте высаживали по 40 зерновок. Посев проводили 8 мая 2002г. Плотность посева составляла 4 зерновки на 1м2, глубина заделки 8-10 см без уплотнения верхнего слоя почвы. Сроки взятия проб для биохимических исследований: 1 стадия - наклевывание семян; 2 стадия - появление всходов. На протяжении всего периода вегетации проводили фенологические наблюдения и морфометрические измерения. Проводили учет урожая и обработку данных.

Глава 4. БИОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОЛАМИНОВ ЗЛАКОВ

Содержание проламинов в семенах злаков. Злаки отличаются большим разнообразием по содержанию проламинов в белковом комплексе семян (от 1-3% до примерно 67,5% от белкового комплекса). Самое низкое содержание проламинов отмечено для видов, относящихся к трибам Arundinariae, Dendrocalameae, Meliceae, Diarrheneae, Oryzeae, Stipeae, Paniceae и Andropogoneae. По мнению многих авторов (Авдулов, 1931; Цвелев, 1976,1987 и др.), это трибы древние, которые предположительно находились у истоков семейства. Самое высокое содержание проламинов обнаружено у Phalaris minor - 67,5% (триба Phalarideae) и у представителей трибы Paniceae {Pennisetum purpureum - 53,3%, Cenchrus setigerus - 57,8%). Высокое содержание проламинов характерно для представителей триб Bromeae, Triticeae, Poeae, Danthonieae, Cynodonteae, Paniceae, Andropogoneae. Проламины в данном случае выступают как хорошо сформировавшийся класс белков, играющий существенную роль в онтогенезе будущего проростка.

Аминокислотный состав проламинов. Исследованы прсламины представителей 52 родов из 22 триб. Ранее было показано, что аминокислотный состав проламинов внутри рода стабилен и характеризуется исключительной несбалансированностью, т.е. две-три аминокислоты составляет 50% и более от суммы всех аминокислот (Семихов и др., 1981). При этом в разных систематических группах несбалансированность обеспечивается разными аминокислотами. Было установлено, что несмотря на большое разнообразие характерным признаком проламинов является значительно более высокое (в 2 раза и более) содержание глютаминовой кислоты по сравнению с содержанием других аминокислот (первый максимум). У паникоидных, оризоидных, хлоридоидных и арундиноидных злаков в проламинах обнаружено высокое содержание лейцина, а у всех остальных - пролина (второй максимум). Суммарное содержание этих трех аминокислот в проламинах злаков составляет от 36,5% (Glyceria) до 66,5% (Boissiera) от суммы аминокислот.

SDS - электрофорез. Методом SDS-электрофореза проанализированы проламины семян 44 видов, представляющих все основные группы злаков. Для исследованных видов отмечен разнообразный компонентный состав с широким диапазоном мол. масс от 5 до 66 кДа. У некоторых представителей фестукоидных злаков наблюдали минорные компоненты в области более тяжелой, чем 66 кДа. С возрастанием содержания проламинов в белковом комплексе спектр проламинов. становится значительно богаче, приобретает индивидуальность и черты, характерные для подсемейств. Самый богатый спектр наблюдался у фестукоидных. В отличие от других подсемейств фестукоидные крайне разнообразны, а спектр каждого рода имеет высокую степень индивидуальности.

Иммупохимические свойства. Для исследований использовано 11 антисывороток, полученных к спирторастворимой фракции (СФ) белков семян представителей разных триб злаков: Oryza sativa (Oryzeae); Triticum aestivum (Triticeae); Bromopsis inermis (Bromeae);Poapratensis, Poapalustris, Dactylisglomerata,Festucapratensis,Festucarubra (Poeae); Arrhenatherum elatius (Aveneae); В качестве антигенов (белки СФ) взято более 100 образцов, представляющих все подсемейства злаков (бамбузоидные, фестукоидные, арундиноидные, хлоридоидные, паникоидные).

Глава 5. БИОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПИРТОРАСТВОРИМОЙ ФРАКЦИИ БЕЛКОВ ДРУГИХ СЕМЕННЫХ РАСТЕНИЙ (НЕ ЗЛАКОВ)

До настоящего времени многие исследователи придерживаются мнения, что проламины - спирторастворимые белки семян - характерны лишь для злаков (Благовещенский, 1958; Munk, 1972; Hilu, Esen, 1988). Вместе с тем в семенах некоторых представителей Palmae и Polygonaceae, Cyperaceae, а также двудольных обнаруживается 13% спирторастворимых белков (Семихов и др., 1981,1982, Dormency et al., 1980, Collada et al, 1986; Duarte et al., 1986). Однако, только растворимость в крепких растворах спирта не является достаточным основанием для отнесения белков к проламинам (Miflin, Shewry, 1979). Для этого необходимо охарактеризовать спирторастворимые белки по аминокислотному составу, электрофоретическим и другим свойствам. Многолетними исследованиями было установлено, что в семенах лилейных и ирисовых спирторастворимая фракция составляет от 0,6 до 19,0% (Соколова, 1988). Нами была исследована спирторастворимая фракция семян 25 видов из 11 родов лилейных и ирисовых. Исследования показали неоднородность фракции, в т.ч. и наличие в ней азотистых веществ небелковой природы. В исследованной фракции обнаружены минорные компоненты, сходные по электрофоретической подвижности с проламинами. Аминокислотный состав спирторастворимых белков лилейных показал их существенное отличие от такового у исследованных таксонов злаков. В иммунохимических исследованиях с использованием антисывороток к проламинам семян Triticum aestivum, Oryza sativa и Festuca pratensis реакций не обнаружено. Следовательно, белки спирторастворимой фракции семян лилейных резко отличаются от проламинов злаков по таким характеристикам, как аминокислотный состав и иммунохимические свойства.

Глава 6. АДАПТИВНАЯ РОЛЬ ПРОЛАМИНОВ В ЭВОЛЮЦИИ И РАСПРОСТРАНЕНИИ СЕМЕЙСТВА ЗЛАКОВ

В ходе эволюционного процесса злаки выработали специфический механизм адаптации, обеспечивающий проросткам дополнительные возможности по преодолению неблагоприятных условий, способствовавший распространению злаков из тропического центра происхождения. в зоны с более суровым климатом, а именно, накопление в семенах специализированных белков-проламинов (Семихов, 1990). Проламины локализованы в эндосперме, но не были обнаружены ни в зародыше (Конарев, 1975; Семихов и др., 1977), ни в проростке (Reeves et al, 1986), ни в листьях (Соколов и др., 1985). В эндосперме проламины сосредоточены преимущественно в специальных образованиях - белковых телах (Higgins, 1984). Такая локализация может быть объяснена

тем, что проламины выполняют только функцию запаса. О специализированное™ свидетельствуют закономерности их биосинтеза и расходования при прорастании. Биосинтез проламинов в эндосперме начинается позже в сравнении с другими фракциями бежа семян (Конарев и др., 1974; Barthels, Thompson, 1986). В принципе - запасные белки должны удовлетворять ряду условий: прежде всего, легко подвергаться гидролизу и иметь максимальное содержание функционально наиболее важных аминокислот, быстро утилизируемых в процессе нового синтеза, и максимальное содержание аминогрупп. Проламины удовлетворяют этим условиям. Они в первую очередь расходуются при прорастании (Пашкарь и др., 1976; Folkes, Yemm, 1958; Tsai et al, 1975). В проламинах некоторых таксонов злаков в большом количестве (до 40% и более от суммы аминокислот) содержится глютаминовая кислота, которая, как показано на примере пшеницы и кукурузы, амидирована более, чем на 90% (Ewart, 1967; Righetti et al, 1977). Это создает большие запасы аминного азота в наиболее легкоусвояемой форме, поскольку глютаминовая кислота и глютамин играют ключевую роль в азотном метаболизме, видимо, большинства покрытосеменных растений (Кретович, 1987; Miflin et al, 1981). В проламинах в значительном количестве, иногда до 20% от суммы аминокислот накапливается пролин. Благодаря ряду уникальных физико-химических, свойств, обеспечивающих ему особую роль в жизнедеятельности растений, пролин выполняет функции осморегулятора, стабилизирует белки, полирибосомы и мембраны, защищает ферменты, регулирует рН цитоплазмы в условиях стресса (Шевякова, 1983; Пахомова, Чернов, 1996). Есть основания считать, что на начальных этапах эволюции семейства злаки не располагали проламинами как количественно хорошо выраженным классом белков. Появление проламинов в процессе эволюции семейства и их очень быстрое накопление в белковом комплексе семян (почти до 70% у представителей родов Phalaris, Cenchrus) можно рассматривать как дальнейшую специализацию функции запаса, выполняемую и глютелинами, расширяющую адаптационные возможности злаков. При неблагоприятных для прорастания условиях в запасающей ткани, эндосперме, отбираются белки с конформациями, наиболее легкими для усвоения, наиболее богатые аминогруппами на единицу углерода, с максимально возможным накоплением функционально важных для конкретных условий существования аминокислот. В тех условиях, где на этапе прорастания ослаблено напряжение неблагоприятных факторов, нет "экологического запроса", там потенции злаков по биосинтезу этих белков практически не реализуются. Это прежде всего относится к таксонам водных и теплых, влажных мест обитания, к злакам тропического распространения, например, бамбукам (Семихов, 1982; Новожилова и др., 1991; Соколова, Вышкова, 1991). Однако, у подавляющего большинства злаков внетропического распространения обнаружено высокое содержание (более 20%) проламинов в белковом комплексе семян (Соколова, 1981; Семихов, 1990). Адаптивная роль проламинов, их значение в качестве фонда функционально важных для проростка аминокислот, запасаемых в легкоусвояемой форме, не могли не сказываться на своеобразии аминокислотного состава проламинов у злаков разных климатических зон.

Полиморфизм и несбалансированность проламинов. Исследования внутривидовой вариабельности аминокислотного состава проламинов Dactylis glomerata, Festuca valesiaca и Роаpratensis в зависимости от года репродукции и географического пункта произрастания дают основание характеризовать ее как слабую, а в пределах рода этот показатель достаточно стабилен и характерен для рода (Семихов и др., 1981, 1982). Сравнение аминокислотного состава проламинов и целого семени дает существенную информацию как о типах проламинов, так и характере процессов, происходящих в белковом комплексе семян.

Таблица 1. Характеристика адаптивных типов проламинов по аминокислотному составу

Таксон Лиз Гис Арг Асп Тре Сер Глу Про Гли Ала Цис Вал Мет Иле Лей Тир Фен

Sasa-тип

8аза-подтип Sasa senanensis проламины 3.5 2.0 5.9 5.9 3.9 4.6 25.9 8.4 5.0 4.4 2.2 4.4 3.2 3.2 6.3 3.3 4.2

4 9 2.3 9.2 9.4 3.7 4.3 19 5 5.3 5 2 5.7 1.4 5.9 2.1 4.1 7.2 3.6 5.6

Огу2а-подтип Oryza sativa проламины 1.7 1.3 3.4 7.8 3.2 5.6 20.9 6.2 5.1 7.7 1.1 6.4 1.3 4.2 10.7 5.1 5.1

целое семя 4.4 2.5 9.2 9.6 3.7 4.8 18.1 5.1 5.3 6.3 1.2 4.8 1.9 4.1 8.2 4.3 4.5

Molima-тип

Molinia coerulea проламины 0.9 1.8 4.5 4.4 2.6 4.9 25.3 6.6 3.2 7.2 2.8 5.9 2.8 5.0 9.1 6.0 4.8

целое семя 2.3 2.2 5.8 6.8 3.6 4.5 23.4 5.6 3.3 7.4 3.0 5.4 2.0 4.2 8.8 4.7 5.5

CЫoris-тип

СЫоП8-подтип Chloris gayana проламины 0.4 1.4 1.1 3.5 2.7 3.5 45.3 4.3 1.1 4.0 0.7 5.8 2.0 4.3 8.5 2.9 5.2

целое семя 2.6 2.1 4.3 6.3 3.3 3.9 30.1 5.3 3.2 5.7 1.6 5.4 3.4 4.1 7.9 2.9 5.2

Лг18Йда-подтип Aristida проламины 0.4 1.6 1.7 3.4 2.4 3.4 35.7 10.5 1.2 5.0 1.2 4.6 2.3 4.0 13.0 2.0 5.8

adscensionis целое семя 1.5 2.3 3.7 4.8 3.0 4.0 29.9 6.5 2.9 5.3 3.2 4.4 3.0 3.7 11.4 3.2 5.8

Zingeгia-тип

Zingeria проламины 2.3 2.1 6.2 4.4 4.0 4.5 26.3 10.1 4.8 4.2 3.5 4.8 0.8 3.6 7.3 2.3 6.0

biebersteiniana целое семя 4.4 2.4 9.0 8.2 3.8 4.5 20.0 5.2 5.3 4.7 2.9 5.0 2.1 3.9 6.9 3.7 5.4

Роа-тип

Роа-подтип Poapratensis проламины 0.7 1.5 3.6 2.8 2.9 3.5 34.6 7.9 2.8 3.1 3.2 5.2 1.9 4.0 7.1 2.8 10.1

целое семя 2.8 2.2 5.4 5.4 3.3 4.2 28.4 7.3 4.1 3.9 2.2 5.0 1.7 3.8 7.1 3.2 8.1

Ауепа-подтип МШит vernale проламины 1.0 1.5 5.1 3.5 3.2 3.7 30.2 6.9 3.0 3.9 2.6 4.8 3.1 3.5 8.2 2.4 11.0

целое семя 4.3 2.4 7.8 8.1 3.4 4.0 22.4 6.0 4.7 5.0 1.0 5.9 1.8 3.9 7.1 3.3 6.6

Tгitlcum-тип

ТгШсиш-подтип ТпПсиш иеяШиш проламины 0.8 2.1 2.8 2.6 1.8 3.6 40.0 13.9 1.8 2.1 3.1 3.7 1.5 3.7 6.4 2.9 5.2

целое семя 2.7 2.3 4.5 5.6 3.1 4.6 29.8 10.5 4.0 3.6 3.1 4.5 1.5 3.7 6.8 2.3 4.7

РеБШса-подтип Festucapratensis проламины 1.9 1.5 3.7 2.8 1.9 2.8 36.3 14.9 3.0 2.3 1.7 3.3 1.5 3.2 5.8 2.2 9.9

целое семя 4.0 2.4 5.2 6.0 3.3 3.9 25.8 10.0 5.4 4.0 1.8 4.4 1.4 3.6 6.4 3.5 7.2

Panicum-тип

Digitaria проламины 0.4 1.5 2.1 4.6 2.9 5.1 27.7 8.1 1.6 10.3 0.9 5.1 2.1 4.3 11.8 3.4 6.2

sanguinalis целое семя 1.5 1.9 3.2 5.3 3.4 4.8 25.2 6.9 2.5 9.2 10.1 5.0 3.3 4.0 11.1 3.2 5.8

На основании данных таблицы 1 можно составить представление о соотношении содержания отдельных аминокислот в проламинах и семенах. Это позволяет говорить о том, что в случае проламинов несбалансированность заметно возрастает.

У большинства таксонов содержание аспарагиновой кислоты существенно выше в целом семени, чем в проламинах, а у паникоидных злаков, как правило, равное. Содержание аланина в большинстве случаев выше в целом семени или близкое к их содержанию в проламинах, но у некоторых родов (Glyceria, Oryza, Zea, Cymbopogon) выше в проламинах. Содержание лейцина выше в проламинах, чем в целом семени у паникоидных и арундиноидно-хлоридоидных злаков, тогда как у большинства фестукоидных наоборот. Содержание же фенилаланина у большинства фестукоидных злаков выше в проламинах, а у большинства арундиноидно-хлоридоидных и паникоидных злаков и представителей ряда других триб равное, или даже выше в семенах, чем в проламиновой фракции (например, в трибе Stipeae).

Максимальное различие по содержанию глютаминовой кислоты в проламинах исследованных таксонов составляет 24.4% , а в целом семени - 14.9% (табл. 2). Во всех без исключения случаях содержание глютаминовой кислоты в проламинах выше, чем в целом семени. Надо отметить, что в целом семени не только злаков, но и большинства других исследованных однодольных (Семихов и др., 1998) и двудольных (Семиков и др., 2000) в процессе эволюции наиболее резко увеличивается содержание именно глютаминовой кислоты, что объясняется ключевой ролью глютамина и глютаминовой кислоты в метаболизме азота у растений. Отметим также, что такого высокого содержания , глютаминовой кислоты в проламиновой фракции как у Chloris gayana (45,3%) нами не обнаружено в целом семени среди представителей более, чем 250 родов исследованных злаков. Это косвенно подтверждает, что проламины являются основным источником запаса глютаминовой кислоты в белках семян. В проламиновой фракции более изменчиво также содержание треонина, серина, пролина, глицина, аланина, валина, лейцина, тирозина и фенилаланина.

Таблица 2. Минимальное и максимальное содержание аминокислот в проламинах и

целом с емени исследованных злаков (% от сум мы аминокислот)

Амино- Проламины Целое семя

кислота

минимальное максимальное минимальное максимальное

содержание содержание содержание содержание

Лиз Zea 0.1 Sasa 3.5 Sieglingia 1.1 Ehrharta 5.1

Гис Sorghum 0.8 Dendrocalamus 2.6 Brachyaria 1.7 Critesion 2.9

Apr Cymbopogon 0.8 Sasa 5.9 Cymbopogon 2.5 Phaenosperma 10.9

Асп Boissiera 1.3 Sorghum 6.9 Critesion 4.4 Chasmanthium 10.5

Тре Phalaris 1.1 Pipthaterum 4.7 Phalaris 2.6 Dendrocalamus4.0

Сер Avena 2.2 Glyceria 7.6 Andropogon 3.6 Panicum 5.5

Глу Oryza 20.9 Chloris 45.3 Ehrharta 17.0 Sieglingia 31.9

Про Cynodon 4.4 Boissiera 20.7 Phaenosperma 3.7 Boissiera 11.6

Гли Pennisetum 0.8 Glyceria 7.5 Andropogon 2.1 Cutandia 5.5

Ала Bromus 1.7 Cymbopogon 11.2 Critesion 3.2 Cymbopogon 9.9

Вал Bromus 2.9 Dendrocalamus 6.6 Bromopsis 4.2 Dendrocalamus6.0

Иле Festuca 3.2 Sporobolus 5.0 Boissiera 3.4 Pennisetum 4.4

Лей Boissiera 4.5 Cymbopogon 17.3 Bromopsis 5.8 Andropogon 14.8

Тир Secale 1.7 Molinia 6.2 Triticum 2.3 Ampelodesmos 5.1

Фен Piptatherum 2.5 Milium 11.0 Ceratochloa 4.2 Poa 8.1

На втором месте по вариабельности в проламиновой фракции находится другая важнейшая для проростка аминокислота - пролин. Содержание пролина колеблется от 4.4% у Cynodon dactylon, до 20.7% у Boissiera squarrosa. Показано, что максимальное содержание пролина - в семенах Critesion - 12.6% (Семихов и др.1998а). Высокое содержание пролина в проламиновой фракции характерно для представителей Triticeae, Bromeae, некоторых Aveneae, Poeae, Aristideae. Однако не во всех группах злаков проламиновая фракция характеризуется высоким содержанием пролина, существенно превышающем содержание этой аминокислоты в целом семени. Поскольку проламины являются адаптивными белками, и само их образование и накопление в белковом комплексе тесно связано с условиями существования, то для большой группы родов, относящихся преимущественно к арундиноидно-хлоридоидным злакам, содержание пролина в проламиновой фракции практически одинаково с его содержанием в семени или даже ниже (Cynodon dactylon). Следующей аминокислотой по степени варьирования содержания в проламиновой фракции является лейцин. Его содержание колеблется от 4.5% (Boissiera) до 17.3% (Cymbopogori). Самое высокое содержание лейцина обнаружено в проламинах паникоидных злаков. В настоящее время нет приемлемых гипотез, объясняющих столь высокое накопление лейцина. Выше изложенное относится и к аланину, содержание которого в проламинах колеблется от 1.7% (у Bromopsiss) до 11.2% (у Cymbopogori). Высокой изменчивостью содержания характеризуется фенилаланин от 2.5% у Piptatherum до 11.0% у МШит. При этом наиболее высокое содержание фенилаланина, существенно превышающее его содержание в целом семени, характерно преимущественно для фестукоидных злаков. Содержание лизина и аргинина в проламиновой фракции исследованных злаков ниже, чем в целом семени. Поэтому, чем выше содержание проламинов в белковом комплексе, тем ниже содержание лизина в целом семени.

Приемом, позволяющим оценить, в какой степени исследованные таксоны близки между собой по аминокислотному составу проламинов является метод попарного сравнения. Для этого нами введен показатель степени различия (Ср) между каждыми двумя видами, который рассчитывается по соответствующей формуле (Семихов и др., 1998). Проведенная таким образом обработка данных по 52 видам показала, что степень различия исследованных проламинов колеблется от 0.6 до 27.9. При этом мы выделяем четыре степени различия: таксоны практически не различаются по аминокислотному составу проламинов (Ср< 2.0); таксоны почти не различаются (2 < Ср< 3); слабо различаются (3<Ср< 6); существенно различаются (Ср> 6.0). Практически не различаются по аминокислотному составу (Ср< 2.0): Arctophila (Poeae) - Avena (Aveneae): Cp 0.6; Arctopoa - Phippsia (Poeae): Cp 1.9. Почти не различаются (2 <Cp< 3). Ceratochloa - Bromus (Bromeae): Cp 2.1; Andropogon - Zea (Andropogoneae): Cp 2.1; Dactylis - Poa (Poeae): Cp 2.4; Arctopoa (Poeae) - Dichelachne (Aveneae): Cp 2.4; Phleum (Phleeae) - Milium (Aveneae): Cp 2.4; Phaenosperma (Phaenospermateae) - Ehrharta (Ehrharteae): Cp 2.7; Arctopoa (Poeae) -Phleum (Phleeae) Cp 2.8; Neomolinia (Diarrheneae) - Phaenosperma (Phaenospermateae): Cp 2.8; Panicum - Digitaria (Paniceae): Cp 2.8; Eragrostis- Cynodon (Cynodonteae): Cp 2.9; Poa (Poeae) - Parapholis (Monermeae): Cp 2.9; Triticum - Critesion (Triticeae): Cp 2.9; Andropogon - Cymbopogon (Andropogoneae): Cp 2.9. Слабо различаются (3<Ср< 6). В эту категорию попадает большое количество родов, которые в основном объединены в соответствующие типы или подтипы проламинов. Как правило, выделенные типы проламинов существенно различаются между собой. Наиболее же резко отличаются (Ср > 25.0) Critesion (Triticeae) - Glyceria (Meliceae): Cp 25.2; Boissiera (Bromeae) - Sorghum (Andropogoneae) и Boissiera - Cymbopogon (Andropogoneae): Cp 25.3; Oryza (Oryzeae) -Chloris (Cynodonteae): Cp 25.8; Boissiera Glyceria: Cp 27.7; Oryza - Boissiera: Cp 27.9. Таким образом, в категории практически и почти не различающихся попадают в большинстве случаев таксоны из одной трибы или из очень близких триб, нередко

объединяемых в одну трибу, как например, в системе злаков Н.Н. Цвелева (1987) триба Роеае объединяет трибы Aveneae, Poeae и Monermeae.

Адаптивные типы проламинов. На основе обобщения по целому ряду данных: аминокислотному составу проламинов и их сравнения с таковым целого семени, содержанию проламинов в белковом комплексе семян, электрофоретическим свойствам проламинов в кислом интервале рН (Конарев А.В. и др., 1984), иммунохимическим и SDS-электрофоретическим свойствам проламинов, данных по оценке степени различия между исследованными проламинами по аминокислотному составу (по Ср) с учетом систематического положения таксонов и их современного распространения можно выделить 7 адаптивных типов проламинов, а именно: Sasa-тип (Sasa- и Oryza- подтипы); Molinia-тип, Chloris-тип (Chloris- и Aristida-подгипы); Zingeria-тип; Роа-тип (Роа- и Avena-подтипы); Triticum-тип (Festuca- и Triticum-подтипы); Panicum-тип.

По нашим представлениям адаптивные типы проламинов сформировались по следующим причинам: 1. в связи с конкретным экологическим запросом среды, в которой существовали предки таксона и возник сам таксон; 2. в ходе филогенетической истории таксона, вследствие принадлежности его к той или иной трибе и подсемейству, поскольку, как обсуждалось выше, проламины возникли в процессе эволюции самого семейства злаков. С тем, чтобы выявить как исторически формировался аминокислотный состав того или иного адаптивного типа проламинов был исследован аминокислотный состав белковых фракций семян (альбуминов, глобулинов, проламинов, предпроламинов, глютелинов 1 и 2, белков неэкстрагируемого остатка) у представителей всех адаптивных типов, кроме Zingeria-типа. Данные по аминокислотному составу белковых фракций интерпретируются в соответствии с гипотезой эволюции белкового комплекса семян (Семихов, 1989).

Sasa-тип. В состав Sasa-подтипа входят следующие таксоны (с учетом данных не только по аминокислотному составу, но и по электрофоретическим свойствам и содержанию проламинов в белковом комплексе семян): Sasa, Arundinaria, Pleioblastus (триба Arundinarieae); Phyllostachys (Shibataeeae); Bambusa, Melocalamus, Merostachys (Bambuseae); Dendrocalamus (Dendrocalameae); Cephalostachyum, Melocanna, Ochlandra (Bacciferae); Brachypodium, Trachynia (Brachypodieae); Glyceria, Mehca (Meliceae); Neomolinia (Diarrheneae) ;Ampelodesmos (Ampelodesmeae); Achnatherum, Piptatherum, Stipa (Stipeae); Lygeum (Lygeeae); Phaenosperma (Phaenospermateae); Ehrharta (Ehrharteae).

Sasa-подтип - довольно многочисленная группа злаков из разных триб и подсемейств, и разных климатических зон. В один подтип их объединяет следующее. Во-первых, и это является самым важным, очень низкое, в большинстве случаев не более 5%, содержание проламинов в белковом комплексе и исключительно бедный SDS-электрофоретический профиль. Во-вторых, значительная степень сходства между собой по аминокислотному составу (в большинстве случаев Ср < 6.0). Проламины у этих таксонов находятся как бы в состоянии нереализованного потенциала и не имеют реального адаптивного значения для проростка.

Orvza-подтип. Из исследованных таксонов к нему относятся роды Oryza и Zizania (Oryzeae) и Chasmanthium (Centosteceae). Содержание проламинов в белковом комплексе низкое (около 5%), но они имеют более сложный SDS-электрофоретический спектр, чем другие представители, относящиеся к Sasa-типу и оригинальный аминокислотный профиль, что дало основание для выделения Oryza-подтипа проламинов (Прусаков и др., 1998). Рисовые распространены преимущественно в тропиках и субтропиках, являясь водными или прибрежными растениями.

Molinia-тип проламинов (род Molinia из трибы Arundineae). Наиболее близкий к Sasa-типу и мало специализированный адаптивный тип проламинов. Содержание проламинов в белковом комплексе 9.9%. Проявляются черты специализированности: более сложный SDS-электрофоретический профиль, содержание тирозина (6.0%) - самое высокое среди проламинов всех типов. Род Molinia широко распространен в Европе, но

выходит также в Северную Африку, Переднюю и Восточную Азию, Западные районы Казахстана.

CMoris-тип. Специализированный тип проламинов, уникальный по аминокислотному профилю. В состав этого адаптивного подтипа входят роды Schismus, Sieglingia (Arundineae), Chloris, Cynodon, Eragrostis, Sporobolus (Cynodonteae). Содержание пролина в проламинах даже ниже, чем в филогенетически наиболее древней фракции - неэкстрагируемом остатке и сопоставимо с содержанием пролина в целом семени. Зато по содержанию глютаминовой кислоты проламины этой группы очень продвинуты и максимальное содержание этой аминокислоты составляет 45,3% у Chloris gayana. В остальном сохраняется общая для проламинов закономерность. В процессе эволюции белкового комплекса в проламинах по сравнению с белками неэкстрагируемого остатка снижается содержание лизина (с 2.5 до 0.4%), аргинина (с 4.1 до 1.1%), аспарагиновой кислоты (с 7.2 до 3.5%) и резко возрастает содержание глютаминовой кислоты (с 20.8 до 45.3%).

В пределах Chloris-типа выделен Aristida-подтип. Содержание проламинов составляет для Aristida adscensionis 26.1% от белкового комплекса. SDS-электрофоретический спектр хорошо выражен. По аминокислотному профилю довольно близок к Chloris-подтипу, но резко отличается от него высоким содержанием пролина (10.5% у A. adscensionis против 4.3% у С. gayana) и существенным превышением пролина в проламинах по сравнению с его содержанием в целом семени (6.5%). Злаки с данным типом проламинов распространены преимущественно в тропических и субтропических, а отчасти и в умеренных странах обоих полушарий.

Другой характер специализации у проламинов фестукоидных злаков. Проламины фестукоидных злаков очень гетерогенны по аминокислотному составу, иммунохимическим и SDS-электрофоретическим свойствам (Новожилова и др., 1991; Esen, Hilu,1989). Среди них выделены три адаптивных типа: Zingeria-тип (низко специализированный), Роа-тип и Triticum-тип (наиболее специализированный).

Zingeria-тип. Наименее специализированный среди фестукоидных злаков, включает род Zingeria (Aveneae). Содержание проламинов в белковом комплексе 13.0-14.0% (Соколова, 1981), хорошо выраженный электрофоретический (быстрые проламины) (Конарев и др., 1984) и SDS-электрофоретический спектры. Существенно отличается от других фестукоидных типов низким содержанием глютаминовой кислоты (26.3%) и промежуточным между Роа - и Triticum - типами содержанием пролина (10.1%). Ареал рода Zingeria • Закавказье, Передняя Азия, Низовья Волги и Восточная Румыния.

Роа-тип - очень гетерогенный. Для более четкого выделения групп и уменьшения гетерогенности в Роа-типе выделены два подтипа: Роа-подтип и Avena-подтип. В целом Роа-тип отличается от Zingeria - и Triticum-типов более низким содержанием пролина (максимально 8.7% у Parapholis incurvis) и от Triticum-подтипа наличием в электрофоретическом спектре "быстрых проламинов" (Конарев и др., 1984). Роа-подтип включает: роды Роа, Arctagrostis, Dactylis, Eremopoa, Phippsia (Poeae); Dichelachne, Milium (Aveneae); Phalaris, Phalaroides (Phalarideae); Phleum (Phleeae); Parapholis (Monermeae). Содержание проламинов в белковом комплексе семян колеблется от 14.8% {Milium vernale) до 67.5% - самое высокое среди исследованных таксонов злаков (у Phalaris minor). Проламиновая фракция характеризуется относительно невысоким содержанием пролина (от 6.9% у Milium vernale до 8.7% у Parapholis incurvis). На примере Poapratensis показано, как в процессе эволюции белкового комплекса идет формирование аминокислотного состава проламинов Роа-типа. В проламинах в сравнении с белками неэкстрагируемого остатка снижается содержание лизина, аргинина, аспарагиновой кислоты, глицина и аланина. Резко возрастает содержание глютаминовой кислоты, увеличивается содержание фенилаланина и лишь намечается тенденция к увеличению содержания пролина.

В состав Avena-подтипавходятpodu Avena (Aveneae) и Arctophila (Poeae). Близок по характеристикам проламинов к Роа-подтипу, кроме одного существенного отличия -необычно высокое для фестукоидных злаков содержание лейцина (11.8% у Arctophila fulva), что свойственно проламинам хлоридоидных и паникоидных злаков. Злаки, обладающие этим типом проламинов, распространены во внетропических областях обоих полушарий и в горах тропиков.

Triticum-тип представлен Festuca- и Triticum-подгипамиы. Отличается от всех остальных типов высоким содержанием в проламинах глготаминовой кислоты (от 33.4% у Bromopsisдо 40.0 у Tritkum) и пролина (от 11.2% у Cutandiaдо 20.7% у Boissiera). Сумма этихаминокислотсоставляет 47.2% (Cutandia memphitica) - 62.0% (Boissierasquarrosa) от суммы аминокислот. Содержание проламинов в белковом комплексе в большинстве случаев высокое, электрофоретический и SDS-электрофоретический спектры разнообразные и хорошо выражены. Festuca-подтип включает роды Festuca, Cutandia (Poeae) и Agrostis (Aveneae). Triticum-подтип включает роды Tritkum, Critesion, Secale (Triticeae) и Ceratochloa, Boissiera, Bromopsis, Bromus (Bromeae). Подтипы близки между собой, что выявляется при анализе данных по аминокислотному составу белковых фракций белка Festuca pratensis, Secale cerealeи Bromopsisriparia. Отмечен одинаковый характер изменений аминокислотного состава белковых фракций в процессе эволюции. Закономерности изменения аминокислот в белковых фракциях в направлении неэкстрагируемый остаток - проламины аналогичны тем, что отмечены для Роа-типа. Вместе с тем, содержание фенилаланина в проламинах F. pratensis увеличивается, практически не меняется у S. cereale и имеет явную тенденцию к снижению у В. riparia. Этот факт, наряду с наличием в электрофоретическом спектре "быстрых проламинов" у Festuca-подтипа и является основанием для подразделения Triticum-типа на два подтипа. Esen и Hilu (1989) на основании иммунохимических исследований отмечают высокую степень корреляции между проламинами Hordeum, Bromopsis и Festuca и четкие отличия по этому признаку от проламинов A vena. Злаки, обладающие этим типом проламинов, распространены во внетропических областях обоих полушарий и в горах тропиков.

Panicum-тип включает роды Panicum, Cenchrus, Brachiaria, Digitaria, Pennisetum (Paniceae),Andropogon,Cymbopogon, Sorghum, Zea (Andropogoneae).Этоттиппроламинов четко отличается от остальных типов прежде всего по аминокислотному составу, для которого характерно невысокое содержание глютаминовой кислоты (от 24.8% Cenchrus setigerus, Zea mays до 29.9% у Pennisetum purpureum) и самое высокое среди исследованных проламинов содержание аланина (до 11.2%) и лейцина (до 17.3%) у (Cymbopogon bombycinus). Исследование белковвж фракций Panicum miliaceum продемонстрировало уникальную особенность аминокислотного состава проламинов, предпроламинов, глютелинов 2 и неэкстрагируемого остатка. Эти фракции трудно различимы по аминокислотному составу и имеют типичный для проламинов паникоидных злаков аминокислотный профиль. Представители паникоидных триб широко распространены в тропиках и субтропиках, где занимают разные экологические ниши.

Глава 7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ГИПОТЕЗЫ АДАПТИВНОЙ РОЛИ ПРОЛАМИНОВ И ПОПЫТКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИХ АДАПТИВНОГО ПОТЕНЦИАЛА В ИНТРОДУКЦИИ РАСТЕНИЙ

Исходя из гипотезы адаптивных типов проламинов предполагается, что интродукция растений, имеющих «южный» тип проламинов пройдет успешнее, если проламины «южного» типа у таких интродуцентов заменить на проламины «северного» типа, поскольку низкая холодостойкость является существенным препятствием для интродукции их в более северные районы, а их адаптивные белки в новых условиях не отвечают той функции, которую они выполняют в районах их происхождения. Интродукция играет существенную роль в обогащении ассортимента растений, в

мобилизации растительных ресурсов. При активной акклиматизации растений выделяют две группы методов а) методы, не предусматривающие прямого воздействия на генотип растения; б) методы, связанные с определенной перестройкой генотипа интродуцента (искусственная полиплоидия, мутагенез, отдаленная гибридизация).

Существенную роль в расширении адаптивных возможностей растений могут сыграть и методы генной инженерии, в частности, перенесение в геном интродуцированных растений генов чужеродных проламинов. В связи с этим, прежде всего необходимо было выяснить а) используются ли чужеродные проламины в процессе прорастания; б) оказывают ли они положительный эффект на рост и развитие растения. Для выполнения этих экспериментов очень важным моментом является подбор растения-донора. Биологический смысл введения чужеродных проламинов состоит в обеспечении проростка на первых этапах роста наиболее физиологически важными аминокислотами в легкодоступной форме. Не менее ответственным является выбор растений-доноров. Ими могут быть только злаки, в семенах которых проламины накапливаются в достаточно большом количестве. С целью ориентировки в выборе конкретных родов и видов злаков, видимо, полезно использовать идею, предложенную Русановым (Русанов, 1950) о геоботанических эдификаторах, господствующих в сообществах соответствующей зоны интродукции. В случае использования видов с широким ареалом, по мнению Головкина (1988) предпочтение должно отдаваться популяциям из района интродукции реципиента. При этом важно исследовать белковый комплекс семян этих растений, с тем, чтобы убедиться, что содержание проламинов высокое, а их биохимические свойства и аминокислотный состав по своим характеристикам отвечает предъявленным требованиям.

Одной из наиболее подходящих кулыур в качестве растения-реципиента является кукуруза. Zea mays, вид субтропического происхождения, имеет типичный «южный» тип проламинов. Как пищевое и кормовое растение кукуруза используется в европейской и азиатской частях России, т. е. в районах, где природные злаки обладают типичным «северным» типом проламинов. Однако высокое положение «физиологического нуля» вынуждает сдвигать сроки посева в условиях, например, Нечерноземья на очень поздние, что не позволяет получать зерно. Кукуруза - удобный объект для биохимического исследования. В настоящее время получены жизнеспособные двойные мутанты с почти полностью подавленным биосинтезом собственных проламинов. Все эти обстоятельства делают кукурузу наиболее подходящим объектом работы по созданию модифицированных форм растений, более приспособленных к неблагоприятным условиям, чем обычные сорта кукурузы. В качестве растений доноров в экспериментах использовали проламины районированных сортов пшеницы, ржи, костреца и мятлика, имеющих проламины с подходящими биохимическими характеристиками.

Практическими шагами в разработке гипотезы повышения адаптивного потенциала интродуцированных злаков с "южным" типом проламинов стала целая серия экспериментов, проведенная в течение ряда лет по прорастанию семян кукурузы с внедренными чужеродными проламинами.

Модельные опыты. В модельных экспериментах ставилась задача выяснить, используются ли чужеродные проламины в процессе прорастания семян растения-реципиента (кукуруза сорт М 257 АСВ), и какое влияние они оказывают на рост и развитие молодого растения кукурузы. С этой целью в эндосперм кукурузы внедряли препараты проламинов пшеницы. Зерновки проращивали в чашках Петри при 20±1°С в лабораторных условиях и при 12±1°С в холодной камере в ящиках с дерново-подзолистой почвой. При 20° С проламины кукурузы и чужеродные проламины деградировали полностью через 12 сут. При 12°С темпы расходования проламинов существенно отличались. Даже через 26 сут еще наблюдали электрофоретические компоненты проламинов кукурузы, тогда как чужеродные проламины деградировали полностью через 12 сут.

123445 123456 1234 5678

Рис. 1. Расходование чужеродных проламинов растениями кукурузы в процессе прорастания:

а электрофореграммы проламинов кукурузы (сорт М 257 АСВ), выращенной при 20°С 1

- неповрежденные семена кукурузы 0 сут, семена кукурузы с внедренными прочаминами Triticum aestivum 2 - 0, 3-7,4-12 сут, 5-проламиныТг1йсит aestivum,

б электрофореграммы проламинов кукурузы (сорт М 257 АСВ), выращенной при 12°С 1

- проламины ТгШсит aestivum, 2 - неповрежденные семена кукурузы 0 сут, семена кукурузы с внедренными проламинами ТгШсит aestivum 3-0, 4 - 7,5 -12,6 - 26 сут, Зона преобладания компонентов в проламинах ТгШсит aestivum (I), Zea mays (II),

в электрофореграммы проламинов кукурузы (сорт Обский 150 СВ), выращенной в полевых условиях 1 - проламины Secale cereale, 5 - проламины Bromopsis inerrms, семенакукурузы с внедренными проламинами Secale cereale (2-4), Bromopsis inermis (6 8), 2,6 - 0 сут, 3,7- стадия наклевывания семян, 4, 8 - стадия появления всходов Зонапреобчадания компонентов в проламинах Secale cereale и Bromopsis inermis (III)

Введение чужеродных проламинов в условиях экспериментов не стимулировало, но и не угнетало роста проростка (рис 1 а, б)

Вегетационный опыт. В условиях вегетационного опыта изучали влияние различных вариантов внедрения чужеродных проламинов на увеличение вегетативной массы кукурузы Высота растений с внедренными проламинами (вариант с оптимальным количеством внесенного белка) существенно превышала высоту контрольных растений как на 51 сут, так и на 58 сут Различия наблюдались и по количеству образовавшихся початков Если у контроля из 5 растений одно имело 2 початка, а остальные - по одному, то в варианте с внедренными проламинами картина была обратной - из 5 растений 4 имети по 2 початка, а одно растение - один початок

Полевой опыт В 2002 г на опытном поле ВНИИ зернобобовых и крупяных культур (г Орел) проведен опыт на семенах кукурузы с внедренными препаратами протаминов кукурузы, ржи, костреца безостого и мятчика лугового В качестве реципиента была использована кукуруза 3-х сортов позднеспелый гибрид КНИИСХ № 629, среднеспелый Краснодарский 395 ВЛ (высоколизиновый) и раннеспелый Обский 150 СВ) Внедрение препаратов проламинов заметно сдвигало аминокислотный состав семян реципиента, причем характер изменений зависел от того, какой донор проламинов был использован,

так, например, внедрение проламинов S. cereale привело к получению исходного материала с самым высоким содержанием глютаминовой кислоты (изменение по сортам: с 18.2 до 21.7%; с 15.5 до 21.0% и с 17.8 до 22.3%) и пролина (изменение по сортам: с 8.7 до 10.4%; с 8.5 до 10.3%; с 7.8 до 10.3%).

В крайне засушливых для Орловской области условиях весны - начала лета внедрение чужеродных и дополнительных проламинов, выделенных из семян кукурузы, произвело различный эффект на рост и развитие растений разных сортов. В вариантах с позднеспелым гибридом КНИИСХ 629 MB и среднеспелым Краснодарским 395 В Л внедрение проламинов отрицательно сказалось на фенотипических признаках и урожае. В варианте с внедрением проламинов В. inermis, число зерен в початке увеличилось на 49,1%.

Значительный положительный эффект от внедрения проламинов (за исключением варианта с внедрением проламинов P. pratensis) отмечен на раннеспелом гибриде Обский 150 СВ. Наилучшим по результатам всесторонней оценки по всем хозяйственно полезным признакам является вариант с внедрением проламинов В. inermis, который значительно превысил не только контроль по продуктивности (149г/м2 и 485 г/м), числу зерен в початке (330 и 542 шт/початок), но и по другим элементам структуры урожая: длине початка, числу початков на растение, массе початка и продуктивности зерна с растения. Преимущество вариантов с внедрением препаратов проламинов В. inermis и S. cereale, по крайней мере отчасти, можно объяснить за счет более быстрого и дифференцированного расходования проламинов этого типа в сравнении с собственными проламинами кукурузы.

Методом SDS-электрофореза исследованы проламины семян всех вариантов в три срока: перед посевом (воздушно-сухие семена), в фазе наклевывания семян и появления всходов. SDS-электрофорез можно эффективно использовать, так как каждый исследованный вид (Z mays, S. cereale, В. inermis, P. pratensis) обладает характерным, не сходным с другими видами электрофоретическим спектром проламинов. В связи с этим мы можем прослеживать расходование отдельных компонентов при прорастании. При прорастании кукурузы в первую очередь во всех вариантах использовались компоненты, свойственные чужеродным проламинам. В случае с внедрением проламинов ржи это компоненты в области - 59-66 кДа и 31-33 кДа, костреца - 54,59 и 69 кДа, мятлика-17,19, 28, 30, 32 кДа (рис. 1 в). Следует отметить: на стадии наклевывания наблюдается уменьшение содержания указанных компонентов и полное их исчезновение на стадии всходов (вариант с проламинами ржи и мятлика); исчезновение компонентов уже на стадии наклевывания (вариант с проламинами костреца). Полученные данные еще раз подтверждают тот факт, что чужеродные проламины 1) расходуются прорастающим семенем кукурузы; 2) этот процесс можно наблюдать уже на стадии наклевывания; 3) расходование запасных белков семени собственно кукурузы начинает проявляться лишь на стадии всходов.

В настоящее время для обогащения генофонда и создания принципиально новых сортов важнейшей задачей должно стать решение проблемы «конструирования» новых растений на основе методов генетической и хромосомной инженерии (Семенов, 2003). В связи с этим предлагаемый нами принципиально новый методологический подход «конструирования» растений путем внедрения генов чужеродных проламинов в геном растений-реципиентов для повышения их адаптивного потенциала может оказаться перспективным. Важным этапом в разработке этой проблемы является получение данных о расходовании чужеродных проламинов растением-реципиентом и о положительном влиянии на хозяйственно-ценные качества.

ВЫВОДЫ

1. Специфические белки семян злаков, проламины, характеризуются крайним разнообразием в пределах семейства по содержанию в семени, аминокислотному составу, электрофоретическим и иммунохимическим свойствам.

2. Для проламинов характерна существенно более высокая степень несбалансированности аминокислотного состава, чем для целого семени.

3. Спирторастворимые белки семян таксонов, других семейств однодольных, заметно отличаются от проламинов злаков по аминокислотному составу, электрофоретическим и иммунохимическим свойствам.

4. Сравнительный анализ данных содержания проламинов в белковом комплексе семян, аминокислотного состава, электрофоретических и иммунохимических свойств привел к формированию представления о том, что злаки в процессе эволюции выработали различные адаптивные типы проламинов: Sasa-, Molinia-, Chloris-, Zingeria-, Poa-, Triticum-, Panicum-типы.

5. Биохимические свойства проламинов, характерные для выделенных адаптивных типов, коррелируют с эколого-географическим распространением злаков.

6. Разработан и апробирован прием внедрения препаратов чужеродных проламинов в эндосперм кукурузы, заметно изменяющий аминокислотный состав семян растения-реципиента.

7. Внедренные чужеродные проламины деградировали до состояния, не определяемого электрофоретически, в сроки, сопоставимые со сроками деградации собственных проламинов кукурузы.

8. Выявлено положительное влияние внедрения препаратов чужеродных проламинов на рост, развитие и урожай растений кукурузы.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 96-04-48369; 01-04-48539;04-04-49275)

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Семихов В.Ф., Арефьева Л.П., Новожилова ОА, Прусаков А.Н.Серологический подход к решению проблем систематики сем. Роасеае.//Изв. АН СССР. Сер. биол. 1990. N5. С. 673-681.

2. Новожилова ОА, Арефьева Л.П., Соколова СМ., Прусаков А.Н., Семихов В.Ф. Изучение спирторастворимых белков семян лилейных и сравнение их с проламинами злаков.//Бюл. ГБС 1991. Вып. 160. С. 46-50.

3. Арефьева Л.П., Семихов В.Ф., Прусаков А.Н. Иммунохимическое изучение белков семян представителей семейства однодольных. Систематика и эволюция злаков. Краснодар. Кубан. госунив-т, 1991. С. 11-12.

4. Новожилова ОА., Арефьева Л.П., Семихов В.Ф., Прусаков А.Н. Использование данных SDS-электрофореза проламинов в систематике сем. Роасеае. Систематика и эволюция злаков. Краснодар. Кубанский госуниверситет, 1991. С. 78-79.

5. Новожилова О.А., Арефьева Л.П., Семихов В.Ф., Прусаков А.Н., Вахромеев В.И. Исследование проламинов злаков методом SDS-электрофорезаУ/Изв. АН СССР. Сер. биол. 1991. N 6. С. 928-933.

6. Новожилова О.А., Арефьева Л.П., Семихов В.Ф., Вахромеев В.И., Прусаков А.Н. Предпроламины злаков: характеристика и природа фракции.//Изв. РАН. Сер. биол. 1993. N2. С. 209-218.

7. Арефьева Л.П., Семихов В.Ф., Прусаков А.Н. Изучение иммунохимических отношений злаков с однодольными.//Изв. РАН. Сер. биол. 1993. N 3. С. 376-384.

8. Семихов В.Ф., Арефьева Л.П., Новожилова ОА., Прусаков А.Н., Тимощенко А.С. Повышение адаптивных возможностей интродуцируемых растений путем введения в их геном проламинов. Актуальные проблемы биотехнологии в растениеводстве, животноводстве и ветеринарии. 1996. ВНИИСБ, М. С. 70.

9. Прусаков А.Н., Семихов В.Ф., Тимощенко А.С. Об адаптивных типах проламинов."Проблемы интродукции растений и отдаленной гибридизации". Тезисы докл. 1998. М: ГБС РАН, С. 171-173.

10. Прусаков А.Н., Арефьева Л.П., Новожилова ОА, Семихов В.Ф.,Тимощенко А.С. Реакция прорастающей кукурузы на внедрение в ее семена проламинов пшеницы//Изв. РАН. Сер. биол. 1999. № 2. С. 3222-238.

11. Семихов В.Ф., Новожилова ОА, Арефьева Л.П., Прусаков А.Н. Изменение биохимических показателей семян злаков в процессе эволюции и возможность их использования в отдаленной гибридизации и интродукции//Бюл. ГБС 1999. Вып. 178.С. 132-137.

12. Семихов В.Ф., Арефьева Л.П., Новожилова ОА., Прусаков А.Н., Тимощенко А.С. Адаптивные типы проламинов, специализированных белков семян злаков(Роасеае ВапА)//Изв. РАН. Сер. биол. 2000. № 3. С. 303-321.

13. Семихов В.Ф., Арефьева Л.П., Новожилова ОА, Прусаков А.Н. Биохимическая характеристика злаков Европеского севера/Лезисы международн. конференции "Биоразнообразие Европейского севера". Петрозаводск: ИБ КНЦ РАН. 2001.

С. 157.

14. Прусаков А.Н., Семихов В.Ф., Арефьева Л.П., Новожилова ОА, Тимощенко А.С. Адаптивные типы проламины злаков//Тезисы международн. конференции "Актуальные вопросы экологической физиологии растений в 21 веке". Сыктывкар: КНЦ. Ин-т биологии. 2001. С. 314.

15. Семихов В.Ф., Новожилова ОА, Арефьева Л.П., Тимощенко А.С, Прусаков А.Н., Молканова О.И., Упелниек В.П. Уникальный физиолого-биохимический механизм адаптации злаков и возможность его использования при интродукции и отдаленной гибридизации//Отдаленная гибридизация. М: ТСХА. 2002.

С. 135-55.

16. Новожилова ОА., Семихов В.Ф., Арефьева Л.П., Тимощенко А.С, Прусаков А.Н., Молканова О.И. Проламины злаков: физиолого-биохимическая роль в адаптации и возможности использования при интродукции/ЛГезисы докл. междунар. конфер.»Ботан. сады: состояние и перспективы сохран., изучен., использован, биологич. разнообр. растит, мира»: Минск: ЦБС Нац. акад. наук. Беларуси. 2002.

С 200-201.

17. Семихов В.Ф., Арефьева Л.П., Новожилова ОА, Прусаков А.Н. Изучение биологического разнообразия для целей интродукции: биохимический подход// Материалы междунар. конф. «Биологическое разнообразие. Интродукция растений». СПб: БИН. 2003. С.38-40.

18. Прусаков А.Н., Новожилова ОА, Сидоренко B.C., Тимощенко А.С, Арефьева Л.П., Конов СА. , Молканова О.И., Семихов В.Ф. Экспериментальная проверка гипотезы адаптивной роли проламинов на примере данных по внедрению чужеродных проламинов в семена кукурузы (Zea mays Ь.)//Труды междун. конф. по отдален, гибрид. М. Из-во МСХА. 2003. С. 204-208.

Усл.печ.л.1,16

Зак. 327.

Тир. 100 экз.

Издательство МСХА 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 44

• --45 9

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Прусаков, Алексей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ф

ГЛАВА 1. Характеристика семейства злаков.

1.1. Систематика семейства.

1.2. Эколого-географическое распространение семейства.

1.3. Роль климата в эволюции семейства.

ГЛАВА 2. Биохимические свойства проламинов и их адаптивный потенциал.

2.1. Биохимическая характеристика проламинов. ф а) содержание в белковом комплексе семян;. б) аминокислотный состав;. в) электрофоретические свойства;. г) иммунохимические свойства;. д) аминокислотная последовательность фрагментов проламинов.

2.2. Локализация в семени, закономерности биосинтеза проламинов при созревании, отложения и расходования при прорастании.

2.3. Организация и структура проламиновых генов и регуляция генной экспрессии проламинов.

2.4. Физиолого-биохимические механизмы адаптации злаков.

2.5. Неспецифические механизмы адаптации растений.

2.6. Специфический механизм адаптации злаков проламинов.

2.7. Гипотеза происхождения проламинов в процессе эволюции белкового комплекса семян злаков.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ГЛАВА 3. Материал и методы исследования.

3.1. Объект исследования.

3.2. Методы биохимических исследований.

3.2.1. Подготовка образцов к биохимическим исследованиям.

3.2.2. Аминокислотный анализ.

3.2.3. Фракционирование белков семян по растворимости.

3.2.4. SDS-электрофорез белков.

3.2.5. Иммунохимический анализ белков.

3.3. Методика получения препаратов проламинов.

3.4. Методика внедрения чужеродных проламинов в семена кукурузы.

3.5. Методика модельных опытов.

3.6. Методика вегетационного опыта.

3.7. Методика полевого опыта.

ГЛАВА 4. Биохимические свойства проламинов злаков.

4.1. Содержание проламинов в семенах злаков.

4.2. Аминокислотный состав.

4.2.1. Аминокислотный состав семян.

4.2.2. Аминокислотный состав проламинов.

4.3. Электрофоретические свойства проламинов.

4.4. Иммунохимические свойства проламинов.

ГЛАВА 5. Биохимические свойства спирторастворимой фракции белков ф других семенных растений (не злаков).

5.1. Спирторастворимая фракция белков семян покрытосеменных растений.

5.2. Аминокислотный состав, электрофоретические и иммунохимические свойства спирторастворимой фракции однодольных.

ГЛАВА 6. Адаптивная роль проламинов в эволюции и распространении ф семейства злаков.

6.1. Полиморфизм и несбалансированность проламинов злаков.

6.2. Адаптивные типы проламинов.

ГЛАВА 7. Экспериментальная проверка гипотезы адаптивной роли проламинов и попытка использования их адаптивного потенциала в интродукции растений.

7.1. Обоснование возможности использования чужеродных проламинов для повышения адаптивного потенциала интродуцентов.

7.1.1. Предпосылки из теоретических и практических интродукционных выводов и заключений.

7.1.2. Биохимические предпосылки.

7.2. Экспериментальная проверка гипотезы.

7.2.1. Модельные опыты.

7.2.2. Результаты вегетационного опыта.

7.2.3. Результаты полевого опыта.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Адаптивное значение проламинов в эволюции злаков и при интродукции растений"

Злаки - очень древнее семейство, сформировавшееся не позднее конца мелового периода мезозоя (Цвелев, 1987). Непосредственными предками злаков, по мнению Н.Н. Цвелева, следует считать несуществующие в настоящее время первичные однодольные растения, обладающие розеточной или полурозеточной жизненной формой при отсутствии корневищ и других специализированных подземных органов и строением цветков и плодов, близким к цветкам и плодам современных порядков Commeliniales и Restionales (по Тахтаджяну, 1980). Иммунохимические исследования отношений злаков с таксонами семенных растений (исследовано 157 видов из 42 семейств однодольных, 222 видов из 85 семейств двудольных и 85 видов из 9 семейств голосеменных) с использованием 7 специально подобранных антисывороток, представляющих разные подсемейства злаков, обобщение других биохимических данных и подходов привели авторов исследований (Семихов и др., 1997) к выводу о том, что злаки имеют очень древнее происхождение, не связанное с их дивергенцией от современных таксонов покрытосеменных растений. К пониманию изолированности злаков в Liliopsida, невыводимости их ни из одного современного порядка покрытосеменных пришли ранее (Цвелев, 1969, 1976; Stebbins, 1986). Н.Н. Цвелев (1976) считает, что уже на эволюционном уровне покрытосеменных растений злакам предшествовало по меньшей мере одно, не существующее в настоящее время семейство.

Семейство Роасеае является наиболее важным среди семенных растений для существования человека. Как считают некоторые агростологи (например, Prat, 1960) само развитие цивилизации тесно связано с введением в древнюю агрокультуру таких злаков как пшеница, рис, кукуруза относящихся и в наше время к основным пищевым культурам, хотя ассортимент значительно расширился (рожь, ячмень, овес, сорго, просо, сахарный тростник и др.). Все большее число видов вводится в культуру в качестве кормовых растений, многие из которых используются повсеместно. Среди них ежа сборная, житняк гребенчатый, кострец безостый, овсяница луговая и др. Большое хозяйственное значение в качестве пастбищ и сенокосов имеют естественные травянистые группировки растительности с массовым участием злаков (Цвелев, 1976). Их эдификаторами часто являются виды овсяницы, мятлика, ковыля, вейника и других родов.

Возрастающее хозяйственное использование злаков, введение в культуру все новых и новых кормовых трав (например, из рода Elymus), необходимость постоянной селекции культивируемых видов делают особенно важной разработку филогенетических систем семейства на основе все расширяющегося знания биохимических, физиологических, генетических аспектов. Перед современной селекцией стоит проблема выведения принципиально новых растений с высокой и устойчивой урожайностью и адаптивностью, холодо- и морозостойких. Для обогащения генофонда и создания принципиально новых сортов важнейшей задачей должно стать решение проблемы «конструирования» новых растений на основе методов генетической и хромосомной инженерии (Семенов, 2003). В связи с этим в диссертации предлагается новый методологический подход «конструирования» растений путем внедрения генов чужеродных проламинов в геном растений реципиентов для повышения их адаптивного потенциала.

Актуальность темы. Злаки являются одним из самых крупных семейств покрытосеменных растений. Они довольно равномерно распространены по всем континентам и всем климатическим зонам. Наибольшую роль злаки играют в крайних условиях существования, например, в Арктике, где они нередко выходят на первое место среди семейств покрытосеменных растений по числу видов, а также в аридных районах Средней Азии. В результате техногенных воздействий в разных почвенно-географических зонах возникают экстремальные условия для произрастания растений. Именно злаки чаще всего проявляют себя как пионеры по освоению малопригодных для растений территорий: вскрышных отвалов, шламохранилищ, карьеров. В процессе эволюции растения выработали многочисленные механизмы устойчивости к неблагоприятным условиям, в том числе, разнообразные физиолого-биохимические механизмы адаптации, например, физиолого-биохимические и структурные типы фотосинтеза. Злаки выработали еще и специфический механизм, обеспечивающий проросткам дополнительные возможности для приспособления к неблагоприятным условиям, способствовавший распространению злаков из тропического центра происхождения в зоны с все более суровым климатом. Это накопление в белковом комплексе семян специализированных белков-проламинов (Семихов, 1980, 1982). В связи с этим, а также для целей интродукции растений изучение проламинов таксонов злаков, имеющих разное эколого-географическое распространение, является актуальным.

Цели и задачи исследования. В работе были поставлены следующие цели:

- комплексная оценка биохимических свойств проламинов злаков, представляющие различные трибы и подсемейства злаков;

И В связи с поставленными целями решались следующие задачи.

- Изучение белкового комплекса семян злаков из разных триб и подсемейств, имеющих разное эколого-географическое распространение; исследование биохимических свойств проламинов (иммунохимических, электрофоретических, аминокислотного состава);

Научная новизна. Проведены исследования аминокислотного состава семян проламинов, а также электрофоретических и иммунохимических свойств проламинов у представителей 52 родов из 22 триб злаков (по системе Н.Н. Цвелева, 1987). Полученные результаты показали высокую степень разнообразия таксонов злаков по этим характеристикам. Впервые разработано представление об адаптивных типах проламинов, которое тесно увязаны с макроэкологическим распространением таксонов злаков. Выделено 7 адаптивных типов проламинов: Sasa-, Molinia-, Chloris-0 Zingeria-, Роа-, Triticum- и Panicum-типы. Проведена экспериментальная проверка гипотезы повышения адаптивного потенциала интродуцентов (Семихов, 1990) путем внедрения чужеродных проламинов в семена интродуцентов. Разработан прием внедрения чужеродных проламинов с целью выявления принципиальной возможности их использования растениями-интродуцентами. Установлено, что препараты чужеродных проламинов, внедренные в эндосперм кукурузы активно используются растением-реципиентом. Показано, что это происходит уже на стадии наклевывания семян и впоследствии оказывает положительный эффект на рост и развитие растения-реципиента.

Теоретическая и практическая ценность диссертации.

Разработанное представление об адаптивных типах проламинов коррелирует с эколого-географическим распространением злаков и может быть использовано при разработке вопросов систематики и филогении отдельных таксонов семейства злаков. Разработка биохимических основ специфичного механизма адаптации злаков позволит внести определенный вклад в разработку проблем адаптации и в частности адаптации растений-интродуцентов. Предлагаемый прием внедрения чужеродных проламинов и экспериментальную проверку их воздействия на растение-реципиента следует рассматривать как первые практические шаги в области моделирования новых более устойчивых форм растений.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Заключение Диссертация по теме "Ботаника", Прусаков, Алексей Николаевич

ВЫВОДЫ

1. Специфические белки семян злаков, проламины, ^ характеризуются крайним разнообразием в пределах семейства по содержанию в семени, аминокислотному составу, электрофоретическим и иммунохимическим свойствам.

2. Для проламинов характерна существенно более высокая степень несбалансированности аминокислотного состава, чем ф для целого семени.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Прусаков, Алексей Николаевич, Москва

1. Авдулов Н.П. Кариосистематические исследования семействазлаков//Тр.по прикл. ботанике, генетике и селекции. Прилож. 44. 1931. С. 3-428.

2. Александров В.Я. Клетки, макромолекулы и температура. Л.: Наука, 1975. 330с.

4. Арефьева Л.П., Семихов В.Ф., Новожилова О.А., Прусаков А.Н.

5. Изучение иммунохимических отношений злаков с однодольными// Изв. РАН. Сер.биол. 1993. N 3. С. 375 384.

6. Бем Э. Двойная радиальная иммунодиффузия по Ухтерлони // Иммунологические методы. М.: Мир, 1979. С. 32-37.

7. Благовещенский А.В. Биохимия обмена азотсодержащих веществ у растений. М.: Из-во АН СССР, 1958. 243с.

8. Боровский Г.Б., Ступникова И.В., Антипина А.И., Анучина О.И.,

9. Бритиков Е.А. Биологическая роль пролина//М.: Наука. 1975. 87с.

10. Вальтер Г. Общая геоботаника. М. Мир, 1982. 264с.

11. Войников В.К. Дегидрины и стрессовые разобщающие белкирастений при гипотермии// В кн.:» V съезд общества физиологов растений России и Международная конференция

12. Физиология растений основа фитобиотехнологии». Пенза. 2003. С. 258 - 259. Войников В.К., Боровский Г.Б. Роль стрессовых белков в клетках при гипертерм и и//Успехи соврем, биологии. 1994. Т. 114. N 1. С. 85-95.

13. Вульф Е.В. Введение в историческую географию растений//М-Л:

14. Гусев А.И. Микрометод преципитации в агаре//В кн.:

15. Иммунохимический анализ. 1968. М. Медицина. С. 99-104. Дебберт М. Влияние мороза на кукурузу//Информац. бюл. покукурузе. Координац. центр СЭВ по проблеме КОЦ". 1990. № 8. С. 229-238.

16. Дроздов С.Н. Влияние температуры внешней среды на холодо- и Теплоустойчивость активно вегетирующих растений// Терморезистентность и продукт, с.-х. растений. Петрозаводск: Карель. филиал АН СССР, 1984. С. 3-11.

17. Заботина О.А., Барышева Т.С., Ларская И.И., Торощина Т.Е.,

18. Трофимова О.И., Заботин А.И.Новый системный фактор морозоустойчивости озимых растений// В кн.:» V съезд общества физиологов растений России и Международная конференция «Физиология растений основа фитобиотехнологии». Пенза. 2003. С. 275.

19. Загоскина Н.В. Фенольные соединения и их роль в адаптациирастений к действию стрессовых факторов// В кн.:» V съезд общества физиологов растений России и Международная конференция «Физиология растений основа фитобиотехнологии». Пенза. 2003. С. 276-277.

20. Змеева В.Н., Тищенко Л.Я. Роль пролина в адаптации клеточныхкультур риса к низкой температуре// В кн.:» V съезд общества физиологов растений России и Международная конференция «Физиология растений основа фитобиотехнологии». Пенза. 2003. С. 279 - 280.

21. Козаренко Т.Д. Ионнообменная хроматография аминокислот// Новосибирск: Наука, 1975. 134с.

22. Колесниченко А.В., Побежимова Т.П., Грабельных О.И., Войников В.К. Изучение функционирования стрессового белка БХШ 310 в растительных митохондриях// В кн.:» V съезд общества физиологов растений России и Международная конференция

23. Физиология растений основа фитобиотехнологии». Пенза. 2003. С. 289.

24. Конарев В.Г. Белки растений как генетические маркеры. М.: Колос, 1983. 320с.

25. Майор П.С., Захарова В.П., Великожон Л.Г. Содержание пролина в проростках озимой пшеницы при низкотемпературной адаптации// В кн.:» V съезд общества физиологов растений

26. России и Международная конференция «Физиология растений основа фитобиотехнологии». Пенза. 2003. С. 299.

27. Малышев Л.И. Флористические спектры Советского Союза//История флоры и растит. Евразии. Л.: Наука, 1972. С. 17-40.

28. Манаков Ю.А., Скобликов С.А. Пионерская растительность наотвалах Северного Кузбаса//Биолог. рекульт. наруш. земель. Екатеринбург: Институт леса УрО РАН, 1996. С. 97-98.

29. Миркин Б.М., Наумова Л.Г., Соломеец А.И. Современная наука о растительности// 2001. М.: Логос, 264с.

30. Мирославов Е.А. Структурные адаптации растений к холодному климату// Ботан.журн. 1994. Т. 79. № 2. С. 20-26.

31. Новожилова О.А., Семихов В.Ф. Биохимическая эволюция исистематика триб подсемейства Festucoideae (Роасеае)// Биохим. аспекты филоген. высш. растен. М.: Наука, 1981. С. 68-93.

32. Новожилова О.А., Семихов В.Ф. Аминокислотный состав белковых фракций семян ржи посевной (Secale cereale L.) и костреца берегового (Bromopsis riparia (РЬет.)Но1иЬ.)Прикл. биохимия и микробиол. 1985. Т. XXI. Вып. 5. С. 671-676.

33. Новожилова О.А., Арефьева Л.П., Семихов В.Ф., Прусаков А.Н.,

34. Вахромеев В.И. Исследование проламинов злаков методом 303-электрофореза//Изв. АН СССР Сер. биол. 1991а. № 6. С. 928-933.

35. Новожилова О.А., Арефьева Л.П., Соколова С.М., Прусаков А.Н., Семихов В.Ф. Изучение спирторастворимых белков семян лилейных и сравнение их с проламинами злаков//Бюл. Гл. ботан. сада. 19916. Вып. 160. С. 46-50.

36. Новожилова О.А., Арефьева Л.П., Семихов В.Ф., Вахромеев В.И., Прусаков А.Н. Предпроламины злаков: характеристика иприрода фракции//Изв. РАН. Сер. биол. 1993. № 2. С. 209-218.

37. Носатовский А.И. Пшеница. М.: Колос, 1965. 568с.

38. Орлов А.А., Стаценко А.П. Способ повышения морозостойкостирастений// В кн.:» V съезд общества физиологов растений России и Международная конференция «Физиология растений основа фитобиотехнологии». Пенза. 2003. С. 313 - 314.

39. Пасынкова М.В. Формирование естественного фитоценоза нашламохранилище ацетиленового производства//Биолог. рекульт. наруш. земель. Екатеринбург: Институт леса УрО РАН, 1996. С. 117-118.

40. Пахомова В.М., Чернов И.А. Некоторые особенности индуктивной фазы неспецифического адаптационного синдрома растений//Изв. РАН. Сер. биол. 1996. № 6. С. 705-715.

41. Пашкарь С.И., Ротарь А.И., Киртока И.Х., Школенко В.В. Динамика свободных аминокислот в процессе созревания и прорастания семян опейк-2 и нормальных форм кукурузы// Труды Краснодарского НИИСХ. 1976. Т. 11. С. 515-531.

42. Пенева Т. И., Мигушова Э.Ф. Структура генома S(B) эгилопсовгруппы Sitopsis по данным электрофоретического и иммунохимического анализа глиадинов/Яр. по прикл. бот., ген. и сел., 1973. Т. 52. Вып. 1. С. 178-191.

43. Перуанский Ю. В. Использование методов и закономерностейбиохимии в селекции зерновых культур//Повышение эффективности и устойчивости земледелия основа интенсификации растениеводства. 1985. Алма-Ата: Кайнар, С. 256-270.

44. Прусаков А.Н., Семихов В.Ф., Тимощенко А.С. Об адаптивных типахпроламинов//Пробл. интрод. растен. и отдал, гибрид. М.: Гл. ботан. сад. 1998. С. 171-173. Прусаков А.Н., Арефьева Л.П., Новожилова О.А., Семихов В.Ф.,

45. Тимощенко А.С. Реакция прорастающей кукурузы на внедрение в ее семена проламинов пшеницы//Изв. АН Сер. биол. 1999. № 2. С. 233-238. Пьянков В.И., Кузьмин А.Н., Демидов Э.Д., Маслов А.И.

46. Разнообразие биохимических путей фиксации СОг у растений семейств Роасеае и Chenopodiaceae аридной зоны Средней Азии//Физиология растений. 1992. Т. 39. №4. С. 645-647.

47. Семихов В.Ф. Исследование аминокислотного и фракционногосостава белка семян трибы Paniceae R.Br, в связи с систематикой и филогенией//Бюл. Моск. о-ва испыт. природы. Отд. биол. 1984. Т. 89. № 2. С. 105-114.

48. Семихов В.Ф. Исследование аминокислотного состава и белкового комплекса семян трибы Andropogoneae Dum. (Gramineae)// Бюл. Моск. о-ва испыт. природы. Отд. биол. 1986. Т. 91. Вып. 4. С. 64-72.

49. Семихов В.Ф. Концепция аминокислотного состава семянгипотетического предка злаков (Роасеае) и ее использование для целей систематики этого семейства//Ботан.жур. 1988. Т. 73. № 9. С. 1225-1234.

50. Семихов В.Ф. Эволюция белкового комплекса семян и оценкаэволюционной подвинутости таксонов растений//Бюл. Моск. о-ва испыт. природы. Отд. биол. 1989. Т. 94. № 6. С. 9-19.

51. Семихов В.Ф. Об адаптивной роли проламинов в эволюции ираспространении семейства злаков//Журн. общ. биол. 1990. Т. 51. № 3. С. 673-681.

52. Семихов В.Ф. Белковый комплекс семян злаков (Роасеае) в связи с эволюцией и систематикой//Диссер. на соиск. степени д.б.н. Москва: ГБС АН СССР. 1991. 53с.

53. Семихов В.Ф., Калистратова О.А. О биохимической эволюции рода Phalaris L. Бюл. Гл. ботан. сада АН СССР. 1976. Вып. 104. С. 54 57.

54. Семихов В.Ф., Гильзин В.М., Калистратова О.А., Арефьева J1.П.

55. Аминокислотный состав и электрофоретические особенности белков различных частей зерновки ржи//Бюл. Гл. ботан. сада. 1977. Вып. 106. С. 58-62.

56. Семихов В.Ф., Калистратова О.А., Арефьева Л.П. О биохимической эволюции Stipeae (Роасеае)//Ботан. журн. 1978. Т. 83. № 6. С. 90-99.

57. Семихов В.Ф., Калистратова О.А., Строев B.C. Вариабельностьаминокислотного состава семян двух видов пырея//Бюл. Гл. ботан. сада АН СССР. 1980. Вып. 116. С. 51 55.

58. Семихов В.Ф., Новожилова О.А., Арефьева Л.П. Исследованиеаминокислотного состава проламинов в связи с систематикой и эволюцией злаков//Биохим. аспекты филогении высш. растений. М.: Наука, 1981. С. 102-121.

59. Семихов В.Ф., Новожилова О.А., Арефьева Л.П. Вариабельность Аминокислотного состава семян и проламиновой фракции белка в связи с использованием этих признаков всистематике растений//Бюл. Моск. о-ва испыт. природы. Отд. биол. 1982. Т. 87. № 1. С. 68-78.

60. Семихов В.Ф., Новожилова О.А., Арефьева Л.П., Вахромеев В.И.

61. Свойства и аминокислотный состав белков семян в связи с систематикой и филогенией трибы Brachypodieae (Роасеае)//Ботан. журн. 1987. Т. 72. № 2. С. 162-170.

62. Семихов В.Ф., Арефьева Л.П., Новожилова О.А., Прусаков А.Н.

63. Серологический подход к решению проблем систематики сем. Роасеае//Изв. АН СССР. Сер. биол. 1990. № 5. С. 673-681.

64. Семихов В.Ф., Вахромеев В.И. Сравнительное изучениеаминокислотного состава зародыша злаков (Роасеае) и других цветковых растений//Ботан. журн. 1994. Т.79. N 3. С. 83.

65. Семихов В.Ф., Арефьева Л.П., Новожилова О.А., Прусаков А.Н.

66. Об иммунохимических отношениях злаков с таксонами семенных растений//Изв. РАН. Сер.биол. 1997. N 1. С. 46.

67. Семихов В.Ф., Арефьева Л.П., Новожилова О.А. Иммунохимические отношения злаков и двудольных//Бюл. ГБС РАН. 1997а. Вып. 174. С. 58-64.

68. Семихов В.Ф., Тимощенко А.С., Новожилова О.А., Арефьева Л.П. Вариабельность аминокислотного состава семян представителей трибы Triticeae (Роасеае)//Бюл. Гл. ботан. сада. 1998а. Вып. 176. С. 132-140.

69. Семихов В.Ф., Новожилова О.А., Арефьева Л.П. Основныенаправления изменений в аминокислотном составе семян однодольных в процессе эволюции//Изв. РАН. Сер. Слол. 19986. № 5. С. 566-579.

70. Семихов В.Ф., Арефьева Л.П., Новожилова О.А., Прусаков А.Н.,

71. Тимощенко А.С. Адаптивные типы проламинов, специализированных белков семян злаков (Роасеае Barnh.y/Изв. АН. Сер. биол. 2000. № 3. С. 303-321.

72. Созинов А.А. Полиморфизм белков и его значение в генетике и селекции. М.: Наука, 1985. 272с.

73. Созинов А.А. Селекционно-генетические аспекты повышенияпродуктивности и качества зерна пшеницы//Фотосинтез и продукц. процесс. М.: Наука, 1988. С. 226-237.

74. Соколов О.А., Семихов В.Ф., Трубин А.И. Роль факторовфракционирования белков семян растений. Сообщение 3. Изменение растворимости белков семян растений под действием физических факторов//Агрохимия. 1976. № 9. С. 124-130.

75. Соколов О.А., Семихов В.Ф., Лобода В.М. Роль факторов вфракционировании белков семян растений. Сообщение 4. Влияние концентрации растворов нейтральных солей на фракционный состав белков//Агрохимия. 1976. № 12. С. 100107.

76. Тахтаджян А.Л. Система магнолиофитов. Л.: Наука, 1987. 439с.

77. Толмачев А.И. О некоторых количественных соотношениях вофлорах Земного шара//Вестник. ЛГУ. Сер. биол. 1970. № 15. Вып. 3. С. 62-74.

78. Толмачев А.И. Введение в географию растений. Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1974.244с.

79. Томов Н. Проблема стресса у кукурузы и задачиселекции//Информац. бюл. по кукурузе. Координац. Центр СЭВ по проблеме КОЦ. 1990. № 8. С. 1-28.

80. Третьякова А.С. Оценка жизненности ценопопуляций вейниканаземного на Пылевидных субстратах//Биолог. рекульт. наруш. земель. Екатеринбург. Институт леса УрО РАН, 1996. С. 153154.

81. Холодова В.П., Кузнецов Вл.В. Адаптационная стратегия САМ:индукция и регуляция// В кн.:» V съезд общества физиологов растений России и Международная конференция «Физиология растений основа фитобиотехнологии». Пенза. 2003. С. 350 -351.

82. Хохряков А.П. Систематическая эволюция однодольных М.: Наука, 1975. 196с.

83. Хочачка П., Сомеро Дж. Биохимическая адаптация. М.: Мир, 1988. 568с.

84. Цвелев Н.Н. Злаки (Роасеае) СССР. Автореф. дис. на соиск. учен.степ. дбн. Л. 1975.

85. Цвелев Н.Н. Злаки СССР. Л.: Наука, 1976. 788с.

86. Цвелев Н.Н. Система злаков (Роасеае) и их эволюция. Л.: Наука, 1987. 75с.

87. Цвелев Н.Н. О геномном критерии родов у высших растений//Ботан. жур. 1991. Т. 76. № 5.С. 669-676.

88. Черепанов С.К. Сосудистые растения СССР. Л.: Наука. 1981. 509с.

89. Шевякова Н.И. Метаболизм и физиологическая роль пролина врастениях при водном и солевом стрессе//Физислогия растений. 1983. Т.ЗО. Вып. 4. С. 769-789.

90. Шевякова Н.И., Рощупкин Б.В., Парамонова Н.В., Кузнецов Вл.З.

91. Стрессовый ответ клеток Nicotiana sylvestris L. на засоление и высокую температуру. 1. Аккумуляция пролинак, полиа^.инов, бетаинов и сахаров//Физиол. раст. 1994. Т. 41. С. 558-565.

92. Ayers G.S., Wert V.F., Ries S.K. The relationship of protein fraction and individual proteins to seedling vigour in wheat//Annals of Botany. 1976. V. 40. N 167. P. 563-570.

93. Barthels D., Thompson R.D. Synthesis of mRHA coding abudentendosperm protein during wheat grain development//Plant Sci. 1986. V. 46. N2. P. 117-125.

94. Bew E. A. The World's Grass: Their Differentiation, Distribution,

95. Economics and Ecology//Longmans, Green. 1929. London, New York. P. 408.

96. Bietz J.A. Cereal prolamin evolution and homology revealed bysequence analysis//Bichem. Genet. 1982. V. 20. N 11-12. P. 1039-1053.

97. Bietz J.A., Huebner F.R., Sanderson J.E., Wall J.S. Wheat gliadinhomology revealed through N-terminal amino acid sequence analysis.//Cereal Chem. 1977. N 54. P 1070-1083.

98. Bigiarini L., Pieri N., Grilli J., Gallechi L.,Capocchi A., Fontanini D.

99. V. 30. N 11. P. 111-132. Collada C., Casado R., Barber D. et al. Characterization of seed protein fractions from Castanea ssp//J. Exp. Bot. 1986. Vol. 37. N. 185. P. 1872-1878.

100. Cronquist A. An integrate system of classification of flowering plants//N

101. Esen A., Hilu K.W. Immunological affinities among subfamilies of the

102. Ewart J.A.D. Amino acid analyses of glutenins and gliadins//J. Sci Food

103. Mapping of genes for minor zein SDS subunits and revision of zein genes in maize//Genetics and Agriculture. 1984.V. 28. P. 447-464. Havaux M., Lannoye R. Changements biochimiques observes pendent

104. Г adaption au froid de l"orge//Agronomie. 1982. V. 2. N 10. P. 923930.

105. Higgins T. J.V. Synthesis and regulation of major proteins in seed//Ann.

106. Rev. Plant Physiol. 1984. V. 35. P. 191-221. Hilu K.W., Esen A. Prolamins size diversity in the Poaceae//Bichem.

107. Syst. and. Ecol. 1988. V. 16. N 5. P. 457. Hilu K.W., Esen A. Prolamins in systematics of Роасеае subfam.

108. Arundinoideae//Plant Syst. and Evolut. 1990. V. 173. N 1. P. 57-70. Hilu K.W., Esen A. Prolamins and immunological studies in the Роасеае. III. Subfamily chloridoideae//American. J. Bot. 1993. V. 80. N 1. P. 104-113.

109. Hilu K.W., Alice L.A., Hongping Liang. Phylogeny of Роасеае inferred from mat К sequences//Ann.Misouri Bot. Gard. 1999. V. 86. P. 835851.

110. Hubbard C.E. Gramineae.//J. Hutchinson British Flowering Plants. 1948.

111. Advances in cereal science and technology. 1976. USA. P. 158236.

112. Kasarda D.D., Okita T.W., Bernadin J.E., Baecker P.A., Nimmo C.C., Lew E.J.-L., Dietler M.D., Greene F.C. Nucleic acid (cDNA) and ф amino acid sequences of a-type gliadins from wheat (Triticumaestivum)!!Proc. Nat. Acad. Sci. 1984. USA. 81. P 4712-4716.

113. Kreis M., Forde B.G., Rahmem S. et al. Molecular evolution of the seed storage proteins of barley, rye and Wheat.// Molecular biology. 1985. V. 183. N 3 P. 499-502.

114. Kreis M., Shewry P.R., Forde B. G., et al. Structure and evolution of seed proteins//Oxford Surv. Plant Mol. Cell Biol. 1985. N 2. P.253-317.

115. Khoo U. Wolf M Origin and development of protein grain in maize endosperm//Amer. J. Bot., 1970. V. 57. P. 1042-1050

116. Miflin B.J., Shewry P.P. The biology and biochemistry of cereal seedprilamins//Proc.Sump. seed protein impruvement in cereals and grain legumes. 1979. Vol. 1. P. 137-158.

117. Miflin B.J., Wallsgrove R.M., Lea P.J. Glutamin metabolism in higher plants//Curr. Topic. Cell. Regul. 1981. V. 20. P. 1-43.

118. Marks M.D., Larkins B.A. Analysis of sequence microheterogeneity among zein messenger RNAs// J. Biol. Chem. 1982. N. 257. P. 9976-9983.

119. Mertz E.T., Bates L.S. and Nelson O.E. Mutant gene that changesprotein composition and increases lysine content of maize endosperm//Science. 1964. V. 145. P. 279-280.

120. Munk L. Improvement of nutritional value in cereals//Hereditas. 1972. Vol. 72. N 1. P. 1-128.

121. Okita T.W., Cheesbrough V. and Reeves C.D. Evolution andheterogeneity of the a-(3-type gliadin DNA sequences//J. of Biological Chemistry. 1985. N 13. P. 8203-8213.

122. Parodi L. R. La taxonomia de las Gramineae argentines a la luz de las investigaciones mas recientes//Recent advances in botany. 1959. V. 1. P. 125-130.

123. Pilger R. Das System der Gramineae, Botanische Jahrbucher fursystematic Pflanzen geschichte und Pflanzengeographe. 1954. B. 76. H. 3. S. 281-384.

124. Prat H. Vers une classification naturelle des Graminees//Bull. Societe Botanique France. 1960.T. 107. N 1-2. P. 32-79.

125. Pernolett J. C. Biosynthesis and accumulation of storage proteins in seeds//Physiol. veget. 1985. V. 23. N. 1. P. 45-49.

126. Pedersen K., Devereux J., Wilson D.R.,Sheldon E., Larkins B.A. Cloningandsequence analysis reveal structural variation among related zein genes in maize//Cell. 1982. N. 29. P. 1015-1026.

127. Pedersen K., Argos P., Naravana S.V.L., Larkins B.A. Sequenceanalysis and characterization of a maize gene encoding a high-sulfur zein protein of Mr150oo//J- of Biological Chemistry. 1986. N 261. P.6279-6284.

128. Payne P. I., Holt L.M., Jackson E.A., Law C.N. Wheat storage proteins: their genetics and their potential for manipulation by plant breeding//Philos. Trans. R. Soc. 1984. London. Ser. B. 304. P. 359371.

129. Righetti P.G., Giahazza E., Vietti A., Soave C. Heterogenety of storage protein in maize//Planta. 1977. V. 136. N 2. P. 115-123.

130. Rafalski J.A., Scheets K., Metzler M., Peterson D.M., Hedgcoth C., Soli D.G. Developmental^ regulated plant genes: the nucleotide sequence of a wheat gliadin clone//EMBO J. 1984. N 3. P. 14091415.

131. Reeves C.D., Krishnan N.B., Okita T.W. Gene expression indevelopment wheat endosperm. Accumulation of gliadin and ADP-glucose pyrophosphorylase messenger RNAs and polypeptides//Plant Physiol. 1986.V.82. N 1. P. 34-40.

132. Roberis E.H. Temperature and Seed Germination//Plants and

133. Temperature. Eds. Long S.P. Woodward E. I. Cambridge: Сотр. Biol. Ltd., 1972. P. 109-132.

134. Ryan C.A. Proteolytic enzymes and their inhibitors in plants//Ann. rev. plant physiol.(California). 1973. V. 24. N 3. P. 173-175.

135. Richardson M. The proteinase inhibitors in plants//Phytochemistry. 1977. V. 16. N2. P. 159-162.

136. Sairam R. K., Dube S. D. Effect of moisture stress on prolineaccumulation in wheat in relation to drought tolerance//lndian J.

137. Agr. Sci. 1984. V. 54. N 2. P. 146-147.

138. Soreng R.J., Davis J.I. Phylogenetics and character evolution in the grass family (Роасеае): simultaneous analysis of morfphological and chloroplast DNA restriction site character4 sets//The botanical Review. 1998. V. 64. N.1. P. 1-85.

139. Soave C., Salamani F. Organisation and regulation of zein genes in maize endosperm//Philos. Trans. R. Soc. 1984. London. Ser. B. 304. P. 341-347.

140. Shotwell M.A., Boyer S.K., Chesnul R.S. and Larkins//Analysis of seed storage protein genes of oats//J. Biological Chemistry. 1990. V. 17. P. 9652-9658.

141. Sumner-Smith M., Rafalski J.A., Sugiyama Т., Soli M. and Soil

142. D.Conservation and variability of wheat a/(B gliadin genes//Nucleic Acids Research. 1985. N 11. P. 3905-3916.

143. Shewry P.R., Miflin B.J., Lew E.J.L., Kasarda D.D. The preparation and characterization of an aggregated gliadin fraction from wheat.//J. Exp. Bot. 1983. N 34. P. 1403-1410.

144. Shewry P.R., Bradbery D., Franklin J., White R.P. The chromosomal location and linkage relationships of the structural genes for the prolamin storage proteins (secalins) of rye//Theor. Appl. Genet. 1984. V.69. P.63-69.

145. Storey R., Ahmad N., Wyn Jones R.G. Taxonomic and ecologicalaspects of the distribution of glycinbetaine and related compounds in plants//Oecologia. 1977. T. 27. N 4. P. 319-332.

146. Stebbins G.L., Crampton B. A suggested revision of the grass genera of temperate North America//ln: Recent advances in botany//Toronto. 1959. V. 1 P.

147. Stebbins G.L. Grass systematics and evolution: past, present andfuture//Grass systematics and evolution. 1986. Eds Soderstrom et al. Washington: Smithsonian inst. press. P. 359.

148. Tateoka T. Muscellaneous papers on the phylogeny of Роасеае X. Proposition of a new phylogenetic system of Poaceae//J. Japan Bot. 1957. V. 32. N 9. P. 275-287.

149. Tsai C.Y., Dalby A., Jones R.A. Lysine and tryptophan increases during determination of maize seed//Cer.Chem. 1975.V. 52. N 3. Pt.1. P. 356-360.

150. Vallee J.-CI. Quelques aspects du metabolisme de la proline chez divers nicotiana en fonction du development.// T%hese doct. sci nature. Fac. sci vie et environnement. Univ. 1973. Dijon, P. 131.

151. Weber K., Osborne M. The reliability of molecular weight determination by Dodecyl Sulfate Polyacrilamide Gel Electrophoresis // J. Biol. Chem. 1969. Vol. 244. P. 4406-4412.

152. Withers L. A., King P. J. Proline: a novel cry о protectant for the freeze preservation of cultured cells of zea mays l.//Plant Physiol. 1979. V. 64. N 5. P. 675-678.

153. Wrigley X.W., Shepherd K.W. Electrofocusing of grai proteins from wheat genotypes//Ann. H. J. Acad. Sci. 1973. V. 209. P. 154.

154. Yancey P.H., Clark M.E., Hand S.C. Living with water strees: evolution of osmolyte systems//Science. 1984. V. 217. P. 1214-1217.

Информация о работе

Прусаков, Алексей Николаевич
кандидата биологических наук
Москва, 2005
ВАК 03.00.05

Диссертация

Адаптивное значение проламинов в эволюции злаков и при интродукции растений - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы