Энергетический баланс растительной клетки при действии высоких температур и засоления

Алябьев, Александр Юрьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Энергетический баланс растительной клетки при действии высоких температур и засоления
ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Энергетический баланс растительной клетки при действии высоких температур и засоления"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КАЗАНСКИЙ ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ КНЦ РАН

На правах рукописи УДК 581.13: 582.26: 582.263

л п '.---г"

АЛЯБЬЕВ Александр Юрьевич

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ ПРИ ЛЕЙСТВИИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР И ЗАСОЛЕНИЯ

03.00.12 - физиология растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

КАЗАНЬ - 1996

РГб од

Работа выполнена в отделе энергетического обмена клеток и тканей Казанского института биологии КНЦ РАН

Научный руководитель:

Официальные' оппоненты:

Ведущая организация:

доктор биологических наук, профессор Петров I

кандидат биологических наук Н. Л. Лосева

доктор биологич^.-.,;.-; наук, профессор Ф.Г.Каримова

кандидат биологических наук 3. Г. Яргунов

Институт физиологии растений им.К.А.Тимирязева, РАН г. Москза

Защита состоится июня 1996 г, в /£" часов на заседании специализированного Совета К.002.16.01 по присуждению ученой степени кандидата биологических наук при Казанском институте биологии КНЦ РАН С420503, г.Казань, ул.Лобачевского 3/31, а/я 30).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского института биологии КНЦ РАН С ул.Лобачевского 2/31).

Автореферат разослан 2^~мая 1996 г.

Ученый секретарь

специализированного совета, ^у/ с

кандидат биологических - наук Н. Л. Лосева

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Адаптивно-компенсаторные реакции в условиях действия неблагоприятных факторов среды, в частности, высоких температур и засоления, сопряжены с дополнительными затратами энергии как клеток, так и растения в целом (Петров,1979; Жученко,1988; Семихатова,1993 и др. )■

В связи с этим важную роль в адаптивной стратегии организма играют энергетические критерии, которые характеризуют энергоемкость процессов перестройки, устойчивости, а также функционального состояния растения в конкретных условиях.

По мнению ряда авторов САршавский,1972; Хаскин,1972; Петров,1981; Жученко,1988) основная роль стресса на начальных этапах адаптации заключается в мобилизации различных систем организма для встречи и противостояния новым условиям среды, к которым ему предстоит приспосабливаться. В данном случае речь идет прежде всего о мобилизации энергетических ресурсов. За приспособление к неблагоприятным условиям среды организм расплачивается энергией.

Процесс адаптации сводится в конечном счете к экономии энерготрат и к уменьшению энергопотерь. Для понимания координации и интеграции энергетических систем в растительном организме, их регуляции необходимо привлечение подходов и методов, позволяющих дать интегральную характеристику конечных результатов взаимодействия всех функциональных систем в растительной клетке. Таким объективным показателем изменения внутренней энергии живых систем может служить ее энергетический баланс.

В настоящее время данные относительно энергетического баланса клетки в норме и при стрессе немногочислены и весьма противоречивы. Возможно это связано с тем, что, как правило, подобные энергетические расчеты делаются на основании данных, лишь косвенно свя--¡анных с изменением энергии, чаще всего но скорости газообмена.

В работах Белла С1968Д980), Петрова (1972,1980), экспериментально было доказано, что истинное запасание энергии клеток можно определить только прямыми фотомикрокалориметрическими методами. Показано, в частности, что до 30-40% световой энергии может запасаться хлореллой без соответствующего выделения 0г в оптимальных условиях, и эта величина возрастает при действии стрессовых

факторов.

Цель и задачи исследований. Цель работы - изучение энергетического баланса растительной клетки при действии высоких температур и засоления ИаС1.

Исходя из цели работы, были поставлены следующие задачи:

1. Определить скорость запасания энергии растительной клетки, используя фотомикрокалориметрический метод.

2. Оценить энергетический вклад дыхания при адаптации растения к действию стресса.

3. Количественно определить энергетические потери растения по скорости теплопродукции.

4. Изучить динамику роста клеток хлореллы при адаптации растительного организма к действию неблагоприятных условий среды.

Научная новизна.

Впервые экспериментально установлено, что не только при действии высоких температур, но и при засолении реальное энергообеспечение зеленой клетки выше по данным фотомикрокалориметрических измерений, чем об этом можно судить по результатам газометрических методов.

Впервые из полученных экспериментальных данных о величине запасенной энергии Сфотомикрокалориметрия) и энергетических потерь Стемновая микрокалориметрия) вычислены энергетические затраты клеток хлореллы в оптимальных и стрессовых условиях.

Экспериментально установлена возможность регуляции теплоустойчивости растений при изменении энергообмена.

Показано, что при исследовании адаптивных стратегий растительной клетки при стрессовых условиях объективную информацию об энергетических возможностях растительной клетки к приспособлению в данных условиях дает изучение ее энергетического баланса. Практическая значимость.

Проведенная экспериментальная работа по изучению энергетического баланса растительного организма позволяет выявить механизмы формирования потенциала адаптации и продуктивности растений в условиях действия повышенных температур и засоления.

Экспериментальные данные могут найти применение в селекционно-генетических исследованиях, направленных на повышение устойчи-

вости растений.

Основные положения работы могут быть использованы при чтении спецкурсов по физиологии растений.

Апробация работы. Результаты работы неоднократно докладывались на итоговых научных конференциях института, на Всесоюзной конференции "Физиолого-генетические основы повышения устойчивости и продуктивности сельскохозяйственных растений", Алма-Ата, 1991; Втором и Третьем съездах общества физиологов растений, Минск, 1990 и Санкт-Петербург, 1993; на S-й и 9-й конференциях ISBC "Калориметрия и термодинамика биологических процессов", Гетеборг, Швеция, 1992 и Берлин-Шмервиц, Германия, 1994; симпозиуме "Физико-химические основы растительной физиологии, Пенза, 1996.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 1 печатных работ. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, объектов и методов исследования, экспериментальной части, заключения, выводов и списка литературы, включает т наименований, в том числе иностранных.

Диссертация изложена на //?£? страницах машинописного текста, содержит 2 схемы, иллюстрирована 30 рисунками.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования служили одноклеточная водоросль Chlorella vulgaris (pyrenoidosa) и проростки мягких яровых пшениц сортов: Мссковская-35, Люба, Омская-17, Саратовская-29.

Равномерная культура одноклеточной водоросли хлореллы выращивалась в среде Тамийя, сосудах объемом 250 см3, погруженных в водный культиватор при температуре 29-30 °С, освещенность на поверхности сосудов 10.000 люкс, барботировании воздухом с содержанием С02 в воздушной фазе 3-4%, и фотопериоде 12ч /12ч. Оптическая плотность хлореллы к началу опыта составляла 0,2-0,25. Тепловое воздействие на хлореллу проводилось в специальной установке, поддерживающей заданную температуру воздействия и освещенность. Рост хлореллы измерялся спектрофотометрически, в 1мм кюветах СХ=670пш), сухой вес хлореллы находился по калибровочным кривым.

Амперометрическое определение фотосинтеза и дыхания хлореллы проводилось на полярографе 0Н-105 (Radelkis, Budapest) с помощью твердого платино-серебряного закрытого электрода Кларка. [Зеленский М. И. , 1938. 3

Проростки пшеницы выращивались в комнатных условиях пси температуре 23-23 °С, освещенности 10.000 люкс, фотопериоде - 14ч свет /10ч. темнота, в кюветах объемом 1л. на водопроводной воде (контроль). Для опытов брались 6-7 суточные проростки.

Для определения тепловыделения бралась навеска 180мг (V ячейки 7 см3) для калориметров ДАК-1-1 и 50-60мг для LKB-2270 (V ячейки 3 см3). Регистрация на ДАК-1-1 проводилась при входе сигнала 1/1, выходе сигнала 1/5, на самописец КСПП-4 (шкала 10 мв). Для LKB диапазон усилителя -lOOpW. Начало регистрации - через 7-1С мин., время регистрации 6-12 часов, при размерности: для хлореллы [J в час /гр сухого веса) и tJ в час /гр сырого веса] для корней и листьев пшеницы.

Регистрация уровня запасания световой энергии клетками хлореллы и в высечках листьев высших растений проводилась на фото-микрокалориметре, созданном на базе ДАК-1-1 (Петров В.Е., 1931), в буфере Варбурга »9 ([СО 1 в буфере - 78,7 М/л.), V ячейки 0,85см3, при плотности хлореллы 0,25 или навеске листа 7-8мг. Пересчет энер гии проводился на мг сухого (хлорелла) или сырого веса (листья).

Фотосинтез и дыхание у_ высших растений определяли манометрически с применением аппарата Варбурга. [Семихатова 0. И. , Чулановская М.В., 1965.]

Определение эндогенного содержания ионов К+, Na+, и Са++ после отмывки клеток хлореллы от среды Тамийя в изотонических растворах (Спектров К.С., Назаренко Л.В., 1989). проводилось на фотометрах Phlafo-4 или Phlafo-41 (Carl Zeiss Jena ГДР) по стандартным методикам.

В опытах использовали специфический ингибитор нециклического транспорта электронов диурон (3-/3-4-дихлорфенил, 1,1-диметил мочевина) [10~® и 10-7 ML Разобщитель дыхания ДНФ (динитрофенол) [10"* и 10"аМ], СССР (карбонил-цианид-м-хлорфенил гидразон) [10~ВМ1. Для стабилизации энергообмена использовали АТФ 110~3 и 10~SM] и мивал (1-хлорметил-силатран) [10"SM],

Все.опыты проводились в 3-х и более повторностях. Полученные данные вводились в компьвтер, и на их основе создавались графики. В дальнейшем данные графиков объединялись. Сортировка и статистическая обработка данных графиков проводилась в программе Grapher. Для аппроксимации кривых использовался режим SPLINE-5, для выведе-

ния на график величины разброса данных - режим STD ERR MEAN (стандартная ошибка сродней величины).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

Энергетический баланс растительной клетки при действии высоких температур.

Непрерывный приток энергии является важнейшим фактором для осуществления процессов, с помощью которых растительная клетка поддерживает свою высокоспецифическую структуру среди постоянно изменяющихся и не всегда благоприятных условий окружающей среды. С энергетическими затратами связана и адаптация растений.

Поскольку основным источником энергии является фотосинтез, то была проведена серил экспериментов, позволяющих установить возможности регуляции теплоустойчивости растения через изменение процесса фотосинтеза.

При сопоставлении термограмм этиолированных и зеленых проростков пшеницы была получена интересная информация об изменении интегральной термоустойчивости растений в процессе фосфорилирова-ния фотосинтетического аппарата рис.1.

100 -du -604020010080 во-

40 -20 О

Pu-'.l.

\ \

"О

о.

о. .

ТА

7 суточные

С А

9 сутошшс 1---1--Г" 1----г-

1 3

прогреиа, часы Термогрпмми зтиолиропянных и яяленмх растений пп:"1!И!\м мрк f П .ШПИ-'ИИОГТИ пт их ъю:«рт;т<л

Судя по излому кривых, организменная термоустойчивость этиолированных растений во все учитываемые сроки существенно ниже по сравнению с зелеными растениями. На 11 сутки этиолированные проростки погибают, в то время как зеленые проростки термостабилизи-ровались. Этиоляция растений как бы усиливает повреждающее влияние прогрева.

Итак, с появлением фотосинтеза в растении происходят качественные изменения, направленные на повышение неспецифической устойчивости растительного организма к действию неблагоприятных факторов среды. Поэтому представляется логичным предположение, что в случае торможения фотосинтеза устойчивость растений должна снижаться.

Как и предполагалось, теплоустойчивость фотосинтеза резко снижалась в присутствии диурона Срис.2) Более того, чем выше было изначальное торможение фотосинтеза, тем менее термоустойчивой была данная функция растительного организма.

-о

£100-

а г 90-

н X 80-

* 70-

и 60-

го и 50-

ы о 40

о 30-

ь о 20-

» 10-

1» ь 0 -

10-

О- _

' - е

'»3 - 45'С+ДХММ 1x10 м Ао

----Т---------Г--------Г —

12 3 4

Врем а прогрева клеток хлореллы, часы Рис.2. Влияние ДХММ на устойчивость ассимилирующей клетки к тепловому повреждению

Подобные результаты были получены и на проростках пшеницы. (рис-3).

—|—I—I—г 0 2 4 6 Вреия прогрева растений, часы

Рис.3. Изменение теплоустойчивости растений пшеницы в

гтрисутстпил диурона. А —7; В -9; В — 12; Г —14 суток

Судя по термограммам, скорость теплоьыделения 7 суточных проростков, фотосинтез которых был примерно наполовину ингибирован диуроном, значительно ниже по сравнению с контрольными растениями. Излом на термограмме у обработанных ДХММ растений наступает раньше, и он более выражен, что указывает на меньшую термоустойчивость этих растений. Сходная картина наблюдается и в последующие сроки (рис.3. Б,В), и лишь на 14-й день термограммы опытных и контрольных растений были количественно близкими. Последнее становиться понятным, если учесть, что вводимый в растение диурон претерпевает во времени ряд превращений, обусловленных работой аппарата деток-"икации клеток, а также адаптации.

В оптимальных условиях жизнеобеспечения "запрос" на энергию, обеспечивающую необходимую скорость всех энергозависимых и энергоемких процессов жизнедеятельности ассимилирующей клетки, по-видимому, удовлетворяется полностью. Дополнительная "энергизация" клеток с помощью экзогенной АТФ не только не способствовала увеличению скорости фотосинтеза и запасанию световой энергии, но и привела к определенному торможению этих процессов, (рис 4).

3 о.н

а о

£ 0.5

и ь N

§ 0.4 Е

|о.з -

о а

3 0.2 -

й 0.1

р.

¡4

° 0.0

ЗСГС

др

Д0;

дг

ДО;

М),

г -Т-

■I

дк

лг

45°С

Г+- -±

до : Л' '2

3 4 5

6 7 Н

Рис.4. Влияние экзогенного АТФ на устойчивость ассимилирующей гслгтки хлореллы к тепловому повреждению

К -контроль. 30°С: 1 - АТФ 10*41; 2 - АТФ 10"®М 30°С; 3.6 - 4й°Г 4.7 - 45°С+АТФ 10"^; 5.8 - 45°С+АТФ 1х10"3М

Как видно из рис.4, введением АТФ в суспензии клеток хлореллы до их прогрева достигается существенное снижение повреждавшего действия супероптимальной температуры. Показано, что более сильное влияние экзогенная АТФ оказала на процесс запасания энергии.

Эти данные подкрепляют уже имеющиеся в литературе сведения с положительном влиянии экзогенной АТФ на теплоустойчивость ассимилирующей клетки и дополняют их, поскольку учитывался наиболее интегральный показатель ее функционального состояния - скорость запасания световой энергии.

Подобное оптимизирующее действие на термоустойчивость растений оказал мивал - физиологически активное соединение кремний-органичекой природы (рис.5).

'Итак, совокупность приведенных в работе данных указывает на энергозависимую природу устойчивости растений к действию неблагоприятных факторов среды и супероптимальных температур, в частности, возможность направленного изменения теплоустойчивости клеток нетемпературными воздействиями, оказывающими, однако, прямое влияние на их энергообеспечение.

а ЮО

г:

о.

о 80 ч

3 40-

20-

г-1-

Рис.

5. Влияние иивала на териоустойчявостъ фотосинтеза проростков пшеницы А - 30°С; В - 45°С, 30 мин; 1,3 - контроль; 2,4 иивал

Торможение фотосинтеза однозначно способствовало возрастанию повреждающего действия температуры и снижению теплоустойчивости растительного организма. Обратный эффект наблюдался при оптимизации энергетического обмена растений.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ БАЛАНС РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ ПРИ ЗАСОЛЕНИИ.

Исследованию влияния засоления на растения посвящено большое количество фундаментальных работ (Строганов,1972; Удовенко,1977; Балнокин,1983,1984; Семихатова, 1993 и др.). Изучение энергетичекого баланса клетки т.е. комплексный энергетический подход к исследованию механизмов адаптации растения к засолению предлагается нами впервые.

Как отмечалось ранее Спри действии высоких температур), об истином энергетическом бюджете растительной клетки нельзя судить по результатам газометрических измерений. Данные, рис.6, экспериментально подтвердили это положение и при засолении.

Результаты микрокалориметрических измерений скорости запасания энергии в суспензии хлореллы при действии высоких доз

1.8

1.5 -

1.4

1.2

„ 1.0

0.3 -

0.2 -

0.0

дг

ДО,

ДГ

ло.

контроль -

-450 иМ N01:1

Рис.6.

Сравнение данних ло запасанию световой энергии клетками хлорнл Дг — прямое фотоиикрокшхорииетрлчеакое изкерснии ДО2— запасание энергии пересчитанное но выделению Ог

ИаС1 показали, что истинный энергетический потенциал клеток довольно высок. Как видно из рис.7, скорости запасания энергии даже в этих экстремальных условиях были достаточно высокими (на 15-20% ниже контроля). И только после 3-х часов воздействия наклон кривой опытных растений становится более резким, чем у контрольных.

Каковы бы ни были механизмы эффекта разбаланса между энерго-и газообменом, неоспоримо одно - универсальность данного эффекта говорит о его экологической значимости, и без учета энергообеспечения клетки невозможно оценить адаптационный потенциал растений к действию стрессовых условий.

Существенное значение в связи с проблемой энергообеспечения клетки имеет измерение скорости дыхания. Как видно из рис.8, скорость дыхания у зеленых клеток, в среду обитания которых добавлялся N¿01, возросла в 2 раза по сравнению с хлореллой, выращенной в оптимальных условиях. Возникает вопрос об энергетической эффективности дыхания. Для выяснения данного факта мы применили ДНФ в концентрации 10"°М, которая традиционно используется в качестве

0.4

2.3

(В

2 ..9

"1.7

3 1.5

7 1.3 о ж

* 1.1 ■

£0.90.7 ■

Гип.7.

оееео шпиш;

■Мгё-л* ЫаС1 450 мМ

Время, часы

Уровень запасания световой энергии измеренный фотомикрокалориметрическии иетодом

-ЕТг-

10055

165ж

-Зг-

208«

28 7%

о -------

Рно.П. Скорость дыхания клеток хлореллы при действии

ЫоС1 (450 мМ) и ДНФ (1x10 "М) ¡{-контроль,' 1 —ДНФ; 2-ЫоС1;

3-ДНФ+№С1

разобщителя окислительного фосфорнлированил. Полученные данные дают основание полагать, что разобщение между окислением и фосфо-рилированием при действии соли данной концентрации еще не произошло. Таким образом, возрастание скорости дыхания компенсирует в какой-то степени энергообеспечение растительного организма при частичном ингибировании фотосинтеза.

Итак, мы рассмотрели адаптационную стратегию растительной клетки при засолении, связанную со снабжением энергией.

Далее необходимо рассмотреть другую сторону энергетического баланса - каковы энергетические потери и энергетические затраты у клетки в условиях засоления. На рис.9, представлены данные о скорости тепловыделения, которые отражают суммарное количество энергопотерь, обуловленное всем ходом жизнедеятельности растительного организма (Жолкевич,1968).

^ 250

о а н в о

* 200 н

о х

д 150

100

50-

.---в _

(Х£Х£) контроль;

«М

150 мМ ОХШ НиС1 иЫ гдлдд ЫиС1 500 мМ. 000&) N<101 5ЬО мМ

0—

---*----------*

—-

________

"""■■---Д----------- --------Д

'Т"

-------1—

5 6

Время, часы

Рис.9. Уровень теплопродукции (0) при ряяличнпй степени яасоления

Некоторое увеличение энергетических потерь наблюдается при добавлении 75мМ ИаС1 в среду. По-видимому, эти условия существования находятся в пределах толерантной области жизнедеятельности водоросли, и, как показано ранее, скорость фотосинтеза была также

практически равной контрольной.

Двухфазность ответной реакции хлореллы характерна при содержании 150-450мМ ИаС1 в среде. В начальный период происходит более интенсивное выделение тепла суспензией по сравнению с контролем. Через 3-4 часа энергопотери как.в контрольном, так и в опытном вариантах (150мМ ИаС1) сравнялись, а при действии экстремальных доз хлористого натрия - 450мМ теплопродукция снижается ниже контрольного уровня с последующей стабилизацией уровня энергопотерь. Новый стационарный уровень энергопотерь соответствует новому уровню функционального состояния растительного организма, адаптированного к условиям воздействия.

При переходе от одного защитного механизма С в пределах гомео-етатического механизма) к другому механизму адаптации (на уровне гена) клетка переходит в новое дискретное стационарное состояние повышенной резистентности. В этом особом состоянии возникают дополнительные возможности для развития адаптационного процесса: включаются репарационные механизмы, у клетки появляется время для осуществления медленных предшествующих ("спящих") программ генома, как отмечает Веселовский,(1993). Резко снижаются энергопотери при дейстзн. стрессовых доз соли (500мМ), они составляют 25-30% от контроля. Снижение теплоотдачи является защитной реакцией клетки и сопряжено с торможением метаболизма. Мелихов (1983,1985) назвал происходящие изменения в метаболизме при стрессе - реакциями защитного торможения метаболизма.

В случае действия ИаС1 выше 500мМ доминируют процессы повреждения и преобладание катаболических процессов над анаболическими, что выражается в повышении скорости теплопродукции. В этих жестких условиях клетка теряет способность к адаптационным перестройкам, что приводит организм к летальному исходу.

Из полученных экспериментальных данных о величине запасенной энергии и энергетических потерях суспензии хлореллы в условиях возрастающего засоления мы попытались выяснить количественно энергетические затраты (рис.10).

Энергетические потери клеток хлореллы в оптимальных условиях составляют от 20 до 30% от величины запасенной световой энергии, следовательно, энергетические затраты будут соответственно 80-70%.

5 60

к ю

с\2

ЗОмМ

к о

о ю

150мМ

450мМ

Рис.10. Энергетические потери и эффективность использования световой энергии клетками хлореллы при засолении (запасенная энергия [ДР] - тепловыделение [0])

Необходимо отметить, что данные величины в опытных варианта измерялись в период, когда наступал новый стационарный уровень При действии концентраций соли до 150мМ, энергетические потери водоросли были близки к контрольным, но несколько выше - 30-35% что приводило к некоторому уменьшению энергозатрат. Клетки пр адаптации к высокому содержанию ИаС1 - 450мМ снижают энергетичес кие затраты до 30-40% от количества запасенной энергии.

Полученные нами данные согласуются и экспериментально подт верждают мнение ряда авторов (Хаскин,1975; Жученко,1988), чт определяющую роль в адаптации играют энергетические критерии минимизация дополнительных затрат энергии и восстановление стацио нарного энергетического обмена.

Попытаемся проанализировать энергозатраты растительной клетк при действии различных концентраций №01.

В первую очередь необходимо рассмотреть динамику роста и раз вития хлореллы, поскольку этот процесс один из самы энергоемких С рис. И).

При действии 150мМ ИаС1 наблюдается увеличение лаг-фазы

Oj У

§ 0.1 0.0

оооео контроль; 0**«*ЫаС1 150 ыМ; ААААй NaCI 450 iíM; (эоеоо NaCI 500 uM; ÄAAAANaCI 550 uu

Рис.11. Влияние засоления NaCL

Время, часы на рост и развитие хлореллы

быстрый, по сравнению с контролем, переход в стационарную фазу.

С увеличением концентрации соли (450-500мМ) происходит инги-бирование роста в 2-3 раза по сравнению с контролем. Причем кривая роста не имеет типичного фазного характера, число клеток поддерживается на уровне лаг-фазы достаточно длительное время, что говорит об ингибировании процессов развития, и, в перзуга очередь, подавляется стадия деления клеток.

В литературе обсуждается вопрос об отрицательной связи между интенсивностью ростовых процессов и повышением устойчивости (Жученко,1988; Калашникова,1987). Для объяснения этого феномена предложена гипотеза переключения при стрессе онтогенетической программы на адаптивную (Титов,1989) и гипотеза об усилении дыхания поддержания в период действия стресса (Taylor,1989). Обе гипотезы опираются на постулат о повышении устойчивости и ингибировании роста при действии стресса.

При засолении, как и при действии других стрессовых воздействий в условиях потребности дополнительной энергии, защитные механизмы клетки препятствуют тому, чтобы энергия метаболизма исполь-

зовалась на процессы роста. При замедлении или прекращении роста происходит сокращение расхода энергии на такой энергоемкий процесс, как биосинтез высокомолекулярных соединений, и происходит ее перераспределение на поддержание структурно- функциональной целостности организма, на адаптационные изменения в условиях действия неблагоприятного фактора среды.

Для выживаемости организма в условиях повышенной соленности среды имеет принципиальное значение поддержание концентрации ионов, метаболитов, высокомолекулярных соединений в цитозоле в определенных пределах. В связи с этим энергетические затраты на ионные потоки в условиях засоления резко возрастают.

Из данных рис.12. видно, что количество внутриклеточных ионов Na в широком диапазоне внешних концентраций соли возрастало относительно медленно. В близких пределах концентраций хлорида Na+ в среде была определена область ионного гомеостаза и другими исследователями (Калашникова, Балнокин и др. 1987).

<в СЧ-|

go m

i¿о

О . О

Ящ

03 '

"о и о К

ж" *

«¡4-

оо о

о о о i

G8880 Контроль AWA300 uU NoCI [BS] 550 uM NoCI

—i-r~

5 6

Время, часы

Рис.12. Содержание ионов N0* в клетке при различной степени засоления

При высоких дозах МаС1 (свыше 500мМ) снижается возможность клетки эффективно регулировать транспорт ионов, что приводит к увеличению

содержания Ма1" внутри клетки.

На основании литературных и собственных экспериментальных данных можно предположить, что в условиях засоления, когда абсолютные скорости биоэнергетических процессов снижаются, происходит перераспределение энергии - снижение статьи расхода на рост и увеличение энергозатрат на поддержание ионного гомеостаза, процессов транспорта ионов. Таким образом, из вышесказанного1 можно заключить, что регуляция транспорта основана на том, что активный перенос веществ требует постоянного притока макроэргических соединении и, следовательно, ионный транспорт может контролироваться биоэнергетическими процессами.

Возможна ли регуляция солеустойчивости растений, через изменение уровня энергетического обмена7" С этой целью была поставлена серия экспериментов, где в качестве разобщителя был использован ДНФ 1хЮ"яМ. Априори мы предположили, что ЛНФ, действуя в качестве разобщителя, снижает электрохимический потенциал Н+, а значит, ухудшая энергетическое состояние растительной клетки, снизит адаптационные возможности хлореллы к действию №01.

На рис.13. представлены данные о скорости теплоотдачи клеток хлорелы. При действии №С1 происходит увеличение скорости теплоотдачи более чем на 40% по сравнению с контролем, на вторые сутки в результате адаптационных перестроек энергопотери клетками хлореллы снижаются до 10-13%. Энергопотери в условиях действия ДНФ в первые сутки были практически близки к контрольному вырианту, на вторые сутки несколько ниже.

Довольно неожиданные результаты были получены при совместном действии №01 и ДНФ- Как видно из рисунка, величина энергетических потерь была близкой к контрольным значениям.

Если при действии №01 скорость запасания энергии подавлялась через 2 часа на 15%, через 6 часов на 30%, а через 28 часов на половину от контрольного варианта, то при действии №С1+ДНФ величины соответственно составляли 10, 20 и 25%.

Как видно из рис. 14, и на свету энергетический баланс растительной клетки более благоприятен при аддитивном действии соли и ДНФ, чем при влиянии только №01.

0 механизме протекторного действия ДНФ можно лишь предполагать. Протонофор увеличивает проницаемость, электропроводность

Запасание энергии, в % от контроля

е г § з §

: I !

О О Л

« I

г; 9

"TJ

Тепловыделение, в К к контролю

ю о

со

N3 О

НН

го

»3

З4

го

мембран, что приводит к активизации антипорта Иа* из клетки сопряженного с закачкой в клетку К+. Отмечают, что именно этот механизм имеет наибольшее значение в регуляции ионного гомеостаэа у водорослей. Как отмечает Скулачев, (1989), нельзя исключить также и то, что собственно разобщающее действие веществ типа ДНФ (торможение ФФ и активация дыхания и АТФазы) может иметь сложную природу будучи обусловленными не только снижением мембранного потенциала, но и, например, катализом гидролиза высокомолекулярных интермедиа-тов или протонированием нуклеофильных групп, участвующих в сопряжении.

Снижение адаптивных возможностей у клеток хлореллы наблюдаются в условиях засоления при ухудшении энергообмена при действии на них протонофора СССР.

На рис.15. представлены данные о скорости выделения 0г при фотосинтезе. Как видно СССР 10"®М снижает скорость газообмена на 10-15%. Такое незначительное изменение, по-видимому, связано с частичным разобщением транспорта е" и фотофосфорилирования, что не вызвало больших изменений в скорости транспорта е".

0.2

и.О

~ а

'А-

О6О0ОХлорелла, контроль.

ыМ. N<£1. СЕНЕ СССР к ЮМ.

к 460 нМ. N<101. +СССР

-Г-12

4 8 12 16

Рреия,

РиоЛГь Поли^гряфическое определение фотосинтеза хлореллы при засолении и действии СССР

Как и в предыдущих сериях экспериментов, ЫаС1 450мМ снижал видимый фотосинтез наполовину по сравнению с контролем. Данный уровень поддерживался в течении 24 часов, т.е. в течение всего опыта, следовательно, можно говорить об адаптации организма к высокому содержанию соли в среде. Но при совместном действии ИаС1 и СССР растительная клетка теряет возможность к адаптивным изменениям, через 3-4 часа полностьс подавляется выделение 0 .

Ухудшение энергетичекого баланса клетки под влиянием СССР привело к потере адаптационных перестроек в растительном организме при действии стрессора, в данном случае - высокого содержания ИаС1 в среде. Гибель клеток наступает через несколько часов после добавления в суспензию соли и переносчика протонов СССР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Какие изменения в энергообмене позволяют растительной клетке адаптироваться к тем или иным неблагоприятным факторам среды?

1. С одной стороны, довольно высокие скорости запасания энергии при фотосинтезе и более интенсивное дыхание в стрессовых условиях.

2. С другой стороны, экономия траты энергии: новый стационарный уровень энергетических потерь, ниже контрольного, говорит о более низких затратах энергии на метаболические процессы.

3. При адаптации растительной клетки к экстремальным условиям происходит перераспределение энергии: ингибируются рост культуры и увеличивается расход энегии на поддержание структурно-функциональной целостности и адаптационные перестройки организма.

ВЫВОДЫ:

1. Экспериментально установлена возможность регуляции теплоустойчивости растений через изменение энергообмена торможение фотосинтеза (этиоляция, дяурон) однозначно способствовало возрастанию повреждающего действия температуры, обратный эффект наблюдался при оптимизации энергетического обмена растений САТФ, мивал).

2. Впервые показано, что как и при действии высоких температур, при засолении реальное обеспечение" зеленой клетки

выше, чем об этом можно судить по результатам газометрических методов.

3. Впервые из полученных экспериментальных данных о величине запасенной энергии Сфотомикрокалориметрия) и энергетических потерь (темновая микрокалориметрия) вычислены количественно энергетические затраты хлореллы в оптимальных и стрессовых условиях.

4. Показано, что при засолении в условиях потребности в дополнительной энергии, замедляется или прекращается рост растения, что приводит к сокращению расхода энергии на энергоемкий процесс, и происходит перераспределение энергии на поддержание структурно-функциональной целостности организма и адаптационные перестройки в условиях действия неблагоприятного фактора среды.

5. Выявлено определенное стабилизирующее действие ДНФ (10"'М) на энергообмен растительной клетки в условиях засоления. СССР снижал солеустойчивость клетки, что выражалось в резком увеличении энергопотерь растением.

6. Показано, что при действии неблагоприятных факторов среды. объективную и сравнительно полную информацию, об энергетических возможностях клетки к приспособлению в данных условиях, дает изучение ее энергетического баланса.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации:

1. Лосева Н.Л., Клементьева Г.С., Нуретдинов И.А., Никонорова Л. К. , Алябьев А. Ю. , Желонкина Л. А. , Набиуллина Г. Г. , Губанова Г.С., Якимова Т.П., Трибунских В. И., Петров В.Е. Влияние замещенных аминонитрилов на процессы фотосинтеза и фотодыхания хлореллы. Депонировано в ВИНИТИ * 2151-432-90, 1990 г.

2. В.Е. Петров, А.Ю.Алябьев, Рахимова Г.Г., Эстрина Р. И. Регуляция засухо- и жаростойкости растений яровой пшеницы с использованием биологически активного соединения 1-хлор- метил-силатрана. Сб. "Физиолого-биохимические основы повышения устойчивости и продуктивности с/х растений". Алма-Ата: Изд. "Наука" Каз.ССР, с.42-44, 1988.

3. Петров В.Е, Алябьев А.Ю, Рахимова Г.Г, Эстрина Р. И, Лосева Н. Л. "Ранняя диагностика жаростойкости сельскохозяйственных растений в селекционном процессе". Сб. "Физиолого-генетические основы повышения устойчивости и продуктивности сельскохозяийственных растений". Изд-во "Наука Казахстана", Алма- Ата, 1991.

4. Петров В.Е., Лосева Н. Л., Алябьев А.Ю. Термодинамический подход к оценке взаимосвязи водообмена и устойчивости растений к действию супероптимальной температуры. Тезисы Второго съезда общества физиологов растений. 1990 г.

5. В.Е. Петров, Н.Л.Лосева, Г.С.Клементьева, В.И.Трибунских, Г.Г.Рахимова, А.Ю.Алябьев. Энергетика ассимилирующей клетки и фотосинтез. Деп. в ВИНИТИ »249-85, 1935.

6. В.Е. Петров, Панкратова С. И., А.Ю.Алябьев. Лосева H Л. Влияние мивала на метаболизм липидов проростков яровой пшеницы в зависимости от уровня их энергообеспечения. Депон. в ВИНИТИ 10.11.1986, »7671-1386.

7. Эстрина Р.И, Рахимова Г.Г, Петров В.Е, Лосева Н. Л, Алябьев А. Ю. "Энергетическая роль фотосинтеза в формировании жаростойкости растений." Сб."Физиологические механизмы адаптации растений". Казань, 1987.

8. Alyabyev A.Ju., Loseva N.L., Petrov V.Ye. Photomycrocalo-rimetric investigation of energetic balances of plant cells. 8-th ISBC Conferens - Calorimetry and termodynamics of biological processes. Goteborg, Sweden, 1992, p. 33.

9. Alyabyev A.Ju., Loseva N.L., Tribunskich V.I. Photomicro-caloriraetric studies of the rate of energy storage in plants. Annual symposium "Phisical-chemical basis of plant phisiology". •5-8 February, 1996, Penza, p.18 CPushcina,1996).

10. Alyabyev A.Ju., loseva N.L., Klementyeva G.S. The determinations of speed of stored energy by photomicrocalorimetric method by higher plant. 9-th ISBC Conference "Calorimertry and thermodynamics of biological processes" May 27-31, 1994, BerlinSchmerwitz, Germany, Abstract books, P-26.

11. Gordon L.Kh., Alyabyev A.Ju., Minibayeva F.V., Loseva N. L. , V. I.Filchenkova. Respiration and heat production during the process of xenobiotic détoxication by plant cells. 9-th ISBC Conference "Calorimertry and thermodynamics of biological processes"

May 27-31, 1994, Ber1m-Schmerwitz, Germany, Abstract, books, P-27.

12. Loseva N.L., Alyabyev A.Ju., Rachiraova G.G., Estrina R.I. Aspects of the energetic balance of plant cells under different salt conditions. Thermochimica Acta 251 (1995) 357-362.

13. Loseva N. L. , Alyabyev A. Ju. , Rachimova G. G. , Estrina R.I. Energetic balance of plant cells in salting conditions. 9-th ISBC Conference "Calorimertry and thermodynamics of biological processes" May 27-31, 1994, Berlin-Schmerwitz, Germany, Abstract books, P-28.

14. Petrov V.Ye., Alyabyev A.Ju., Loseva N.L., Klementyeva G.S., Tribunskich V.I. A differential photomicrocalorimetric method for investigating the rate of energy storage in plants, fherinochimica Acta 251 (1995) 351-356.

15. Rachmatullina D.P., Gordon L.Kh., Loseva N.L., Alyabyev A.Ju. Thermogenesis.and respiration of plant cells under bloching plasmaiemma proton pump. 9-th ISBC Conference "Calonmetry and thermodynamics of biological processes" May 27-31, 1994, BerlinSchmerwitz, Germany, Abstract books, P-25.

16. Rachmatullina D.P., Gordon L.Kh., Loseva N.L., Alyabyev A.Ju. Respiration and energy expedintures of plant cells under blocking of plasmaiemma proton pump. Annual symposium "Phisical -chemical basis of plant phisiology" 5-8 February, 1996, Penza, p.37 (Pushcina,1996).

17. Yakushenkova T.P., Loseva N.L. , Alyabyev A.Ju., Starukhina U.V. The influence of light spectral composition on several pnisiological indexes under the drought. Annual symposium "Phisical-chemical basis of plant phisiology" 5-8 February, 1996, Penza, p.116. (Pushcina,1996).

Информация о работе

Алябьев, Александр Юрьевич
кандидата биологических наук
Казань, 1996
ВАК 03.00.12

Автореферат

Похожие работы