Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Физиолого-биохимические основы приспособления и возрастная изменчивость растений в условиях Кольского Севера
ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений
Автореферат диссертации по теме "Физиолого-биохимические основы приспособления и возрастная изменчивость растений в условиях Кольского Севера"
^ 3 ФЕЙ На правах рукописи
ИН
ЖИРОВ Владимир Константинович
/
ШИЗНОЛОГО-БИОКИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИСПОСОБЛЕНИЯ II ВОЗРАСТНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ КОЛЬСКОГО СЕВЕРА
Специальность 03.00.12 - Физиология растений
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Апатиты 1997
Работа выполнена в лаборатории физиологии растений
Полярно-алышйского ботанического сада-институга
Кольского научного центра РАН им.С.М.Кирова.
Официальные оппоненты:
Академик РАСХН, профессор Б.А.Ягоцин доктор биологических наук Н.Н.Новиков доктор биологических наук М.И.Рыбакова
Ведущая организация - Главный ботанический сад РАН
Защита состоится 1997 г.
в 1кТ. часов на заседании диссертационного совета Д.120.35.07 в Московской сельскохозяйственной академии им. К.А.Тимирязева.
Адрес: 127550, г.Москва, Тимирязевская ул., д. 49, Ученый совет ТСХА.
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке ТСХА.
/г /'
Автореферат разослан !....
Ученый секретарь диссертационного совета -кандидат биологических наук /? А.СЛосева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Изучение физиалого-биохнмическнх аспектов повреждения и адаптации растений в экстремальных условиях является одним из наиболее интересных и важных направлений современной фитофизиологии, продолжающим традиции отечественной школы экофизнологов Н.А.МаксимоЕа. Б последнее время заметную роль в его развитии играют исследования механизмов неспецифическ-зй устойчивости [Петровская-Баранова, 1983] шш экорезистентиссти [Кириченко, 1984], важные в теоретическом и практическом отношениях.
Формирование новых представлений об универсальных принципах устойчивости живых систем и ее нарушений под действием неблагоприятных факторов среды отражает общую тенденцию к синтезу ранее не связанных друг с другом взглядов и в целом свидетельствует о повышении теоретического уровня данной проблемы. В частности, они открывают широкие возможности для использования системного подхода [Шорников, 1984] в изучении жизнедеятельности растительного организма и :пособствуют целостному восприятию его структуры и функций.
Практически развитие этих исследований оправдано их непос-">едстве1шым отношением к задачам интродукции и отбора перспективных :ельскохозяйствепных и других полезных растений, особенно актуальным в эайонах Крайнего Севера, где антропогенная деятельность влечет за собой 1аиболее негативные экологические последствия [Калабин, 1993]. /величение разнообразия используемых растительных форм, как один из 1ажных путей оптимизации взаимоотношений человека с природой, в мстоящее время требует привлечения более совершенных методов прогноза 'стойчивости и продуктивности растений в новых условиях существования. Гак как антропогенное воздействие часто приводит к непредсказуемым вменениям внешней среды, решение этой задачи должно быть связано с пучением реакций, неспецифически отражающих уровень стресса мстительного организма, или его неспецифическую устойчивость к действию [еблагоприятных факторов.
По современным представлениям, к реакциям этого рода относится [ерекисное окисление липидов (ПОЛ), представляющее одни пз типов вободпорадикального окисления (СТО) биологических молекул Владимиров, Арчаков, 1972]. В настоящее время имеется обширный тактический материал, подтверждающий идею об универсальном характере
ПОЛ как молекулярной основе стресса [Halliweil, 1974, 1979; Halliwell Gutteridge, 1984; Hendry, Crawford, 1994] и старения [Hamian, 1956; Gordon 1974] биологических систем, однако к началу данной работы значеши свободнорадикальных процессов для развития низкотемпературны; повреждений холодостойких растений не было определено. Кроме того, уж( более 20-ти лет назад были получены данные об участии ПОЛ в изменения: баланса ингибирующих и стимулирующих гормонов [Burden, Taylor, 1970] что, как известно, играет ключевую роль в адаптациях растений i экстремальным условиям среды обитания [Якушкина, 1985]. Двойствеиност физиологических эффектов активации ПОЛ дала основание предполагал что эта процессы имеют непосредственное отношение к выбору растителт ного организма между альтернативами повреждения или приспособления, одной стороны, и между активной или пассивной адаптационным стратегиями [Зауралов, 1981] - с другой.
Учитывая классические представления Н.П.Кренке [1940] возрастной зависимости ответных реакций растительного организма н действие экстремальных факторов внешней среды, а также фундаментальна роль СЮ в процессах старения [Канунго, 1982], можно было думать, чт возрастной статус растения оказывает влияние на характер взаимоотношеии между составляющими этих оппозиций.
Таким образом, изучение роли процессов СЮ в формировали патологических и адаптивных реакций на экстремальные условия внешне срсды в аспекте возрастной изменчивости представлялось одним 1 перспективных путей дальнейшего развития концепщш неспецифически механизмов повреждения и устойчивости растений.
С практической точки зрения, целесообразность проведения тако работы на Кольском полуострове определялась неблагоприятна экологической обстановкой в этом регионе [Крючков, Макарова, 1989 вызывающей необходимость расширения используемого в хозяйственных декоративных целях ассортимента растений [Иванова, 1991]. Кроме tod хорошо выраженные пространственные градиенты комплексного дейетвт естественных и антропогенных экстремальных факторов вместе замедленными темпами развития растений в Мурманской области давал возможность использовать ее территории в качестве естественного полигон удобного для изучения всего спектра ответных реакций от катастрофически повреждений до адаптивных модификаций.
Цель работы. В соответствии с вышесказанным, главной целью »стоящей работы было изучение фнзиолого-биохимическнх основ правоотношений повреждения и адаптивных реакций растительного организма аспекте его физиологического возраста [Чернов, 1963] в экстремальных ;ловиях Крайнего Севера, на примере Кольского полуострова .
Задачи. Для достижения этой цели были поставлены следующие :новные задачи:
- доказательство участия ПОЛ в повреждениях холодостойких астений низкими температурами и выяснение молекулярных основ на-альных этапов пшотермпческого повреждения мембран ассимилирующих саней;
- выяснение связей окислительного метаболизма ненасыщенных ипидов с модификациями состав пигментов и растворимых белков;
определение основных режимов синтеза/окисления ненасыщенных ембрапиых липидов при изменении интенсивности действия неб-агоприятных факторов от адаптонндунирующей до повреждающей, с пользованием шпотершга в качестве модельного фактора;
- доказательство существования аналогичных режимов ответных : акций при действии естественных н антропогенных факторов внешней )еды Кольского Севера и выяснение доминирующих в эти условиях шггавных эффектов на мембранном уровне;
- изучение связей различных режимов синтеза и окисления не-1сыщенпых липидов с функциями роста, покоя н старения растительного эганизма;
- доказательство участия ПОЛ в регуляции гормонального баланса у чтении и выяснение структурноч^ункциональных характеристик этого :ханизма;
- доказательство возрастной зависимости основных режимов штеза/окисления липидов и актнвпости свободнорадикального механизма ¡гулянии гормонального баланса;
- выяснение структурных основ возрастной изменчивости этих упкций на субклеточном уровне.
Защищаемые положения.
1. Повреждения растепий естественными и антропогенными экс-1емальными факторами среды промышленно-развитых районов Кольского ;вера связаны с активацией процессов перекнсного окисления липидов павы 2,3).
2. Криоиндуцированное перекисное окисление в фотосинтезируюшн: тканях холодостойких растений включает светозависнмые и темновы процессы. Оно связано с гидролитической трансформацией мембранны лнпидов, разрушением зеленых и желтых пигментов и модификациям состава растворимых белков (глава 2).
3. В условиях низкотемпературного воздействия спектр изменени метаболизма ненасыщенных лшпщов при переходе от адаппшных реакций стрессовым включает активацию синтеза при ингибировашш ПОЛ, синфазны возрасташе или иншбироваше обеих активностей, повышение активности ПО. при ишибировании синтеза. Синфазное подавлеш(е синтез? и окислени свойственно, кроме того, глубоким стадиям повреждения (глава 2).
4. При действии основпых повреждающих факторов Кольско! Севера (низкие температуры летнего периода, комплекс условий ш резимовхи, техногенное загрязнение) синфазные стимуляция или ш гибирование синтеза/переокисления ненасьпценных лшпщов являютс распространенными адаптивными реакшмми растений на мембранном урош (глава 3).
5. В фотосиптезируюших тканях эти режимы связаны с высокс активностью ростовых процессов или их прекращением на определение стадии вегетационного периода. В тканях зимующих почек древеснь растении синфазные вариации синтеза/переокисления коррелируют поддержанием устойчивого состояния покоя (глава 4).
6. В листьях и зимующих почках функционирует СРО-зависимь механизм регуляции гормонального баланса, действие которого связано повышением или снижением концентрации активной АБК в присутств! свободных ненасыщенных жирных кислот. Активация механизма сопровождает! синфазными изменениями интенсивности синтеза/переокислеция ненасыщешц липидов, В фотосинтезирующих тканях тип его активности зависит от возраст В тканях почек его эффекты проявляются в периоды наиболее выражешть изменений глубины зимнего покоя (глава 5).
7. В фотосинтезирующих тканях возрастная изменчивость характе] взаимодействия синтеза/переокисления ненасыщенных липидов и тш активности механизма СРО-зависимого метаболизма АБК связана вариациями ультраструктуры хлоропластов. Эти вариации принимают учасп в выборе между активной или пассивной адаптациями на субклеточнс уровне (глава 6).
Научная новизна. В результате изучения процессов свободно-адикального окисления разработана концепция мембранных механизмов овреждения и адаптации растений в экстремальных условиях Кольской "убарктики, связывающая регуляцию балапса ннгибирующнх и тамулирутощих гормонов с метаболизмом ненасыщенных лииидов, и тип дантационной стратепш - с возрастным состоянием растения.
При этом впервые установлено, что процессы ПОЛ играют важную оль в низкотемпературных повреждениях холодоустойчивых растений и юрмированни стрессовых реакций, вызванных действием наиболее арактериых для данного региона неблагоприятных факторов внешней среды. )пределепы связи между различными режимами синтеза/окисления енасышенных мембранных липидов, возрастным состоянием объекта и ктивностью процессов его жизнедятельпостн.
На примере многолетних злаков показано существование физио-оппеской полярности растительного организма применительно к типу даптивных перестроек мембранных структур в экстремальных условиях.
Впервые установлено, что в листьях и зимутоишх почках высших астений существует зависимый от свободных полиненасыщеных жирных ислот механизм регуляции уровня АБК или подобных гормонов, функ-нонирующий в режимах увеличения или уменьшения концентрации ак-ивных форм этих соединений при участии процессов ПОЛ. Для фото-ингезируюпщх тканей определена возрастная зависимость изменений его ктивности.
Результаты настоящей работы являются подтвержде1гаем идей [.П.Кренке о возрастной цикличности структурных и функциональных ерестроек растительного организма па современном фнзполого-био-имическом уровне. Показана связь определенных типов адаптивных реакций астения с возрастными модификациями субклеточных структур и редложена ее интерпретация.
Практическое значение работы. Результаты настоящей работы лгользованы для разработки метода оцепки зимостойкости многолетних 1аков в условиях Мурманской области [Жиров и др., 1984] и могут вменяться для создания новых методов прогноза реакций растения в ¡менявшихся условиях существования и определения критических уровней пропогепиых нагрузок.
Возрастная изменчивость предрасположенности к определенному -дивному или пассивному - типу адаптивных перестроек позволяет
определить доминирующее направление изменений продуктивности конкретного растительного объекта в неблагоприятных условиях на основе анализа биохимических параметров, характеризующих его возрастной статус, при моделировании действия экстремальных факторов окружающей среды в лабораторных экспериментах.
Наряду с этим, полученные данные могут быть использованы для создания новых технологий ретуляцни продуктивности и устойчивости сельскохозяйственных и декоративных растений в экстремальных условиях Крайнего Севера биологически активными веществами гормонального тина действия. В частности, пассивные приспособительные реакции > вегетирушцих растений могут быть индуцированы изменением физиологического возраста этиленнродуцентами или цитокининовыми препаратами после предварительной оценки возрастного состоять конкретного объекта по вышеупомянутым методикам. Возможно, чк эффекты сдвига физиологического возраста растений могут быть достигнуть при использовании препаратов, непосредственно воздействующих на развитт фан хлоропластов их листьев.
Другими направлениями практического использования результате! работы являются разработка методов оптимизации режимов криоконсервадш растительных продуктов питания с целью повышения их качества, а такж< сравнительная оценка токсикогенности окружающей среды в зона: промышленного воздействия по реакциям однолетних растений используемых в качестве модельных объектов.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены : обсуждены на следующих научных собраниях: региональных конференция по изучению проблем рационального использования северных ресурсо (Архангельск, 1978; Сыктывкар, 1979, 1981; Апатиты, 1979, 1989; Якута 1985); Всесоюзных конференциях молодых ученых (Тбилиси, 1979; Риг; 1987; Ялта, 1993; Апатиты, 1993); Всесоюзной конференции по проблема повышения устойчивости растений к болезням и экстремальным условия среды (Ленинград, 1981); совещании по проблемам физиологии и биохими древесных растений (Красноярск, 1982); Всесоюзной конференции и проблемам фотосинтеза (Киев, 1983); конференции "Актуальные задач физиологии и биохимии растений в ботанических садах (Пущино, 1984 совещании "Устойчивость к неблагоприятным факторам среды продуктивность растений" (Иркутск, 1984); конференции "Адапташ организмов к условиям Крайнего Севера" (Таллипп, 1984); советцаш
'Экологические и физиолого-биохнмические аспекты антроиотолерантности •»астений" (Таллин, 1986); Международном совещании "Свободные радикалы i химии, биологии !! медицине" (Санкт-Петербург, 1991); Международном :овещанни "Aerial Pollution in Kola Península" (Санкт-Петербург, 1992); Международной конференции "Промышленная ботаника" (Кривой Рог, 1993); Всероссийском съезде общества физиологов (Санкт-Петербург, 1993); Международной конференции "Global Change and Arctic Terrestrial Bcosystems" (Оппдал. Норвегия, 1993); Международной конференции шркумполярных университетов (Принс-Джордж, Канада, 1995); 6-м международном симпозиуме [ОВР (Тромсе, Норвегия, 1995); 2-й циркумполярной сельскохозяйственной конференции (Тромсе, Норвегия, 1995); Международном симпозиуме НАТО "Disturbance and Recoveiy of Northern Ecosystems" (Роканиеми, Фшшяидия, 1995); Международной конференции "Land Use Changes and Nature Conservation in Central and Eastern Europe" (Вильнюс, Лнтва, 1996); Рабочем совещании "Nature Reserves md Forestry Management" (Иинари, Финляндия, 1996); 2-й Международной <онференции "Oxygen. Free Radicals and Environmental Stress in Plants " (Be-ia, Австрия, 1996).
Публикации. Результаты работы представлены в 51-й публикации в этечествепных и зарубежных изданиях, в том числе в 3-х монографиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, общего заключения, выводов, списка литературы (673 названия), и :ииска условных обозначений. Во введении кратко изложены представления з неспецифических механизмах повреждения и адаптаций растешш, физиологические аспекты теории свободпорадикалыгого окисления мембранных липидов и возможная роль этих процессов в макроэффектах (ействия экстремальных факторов внешней среды у высших растений. На пои основе сформулированы главные цель и задачи исследования. В первой лаве даны описание климатических н антропогенных условий Мурманской )бласти, перечень использовавшихся объектов и описание применявшихся тетодов. В начале каждой экспериментальной главы (2-6) изложены :онкретные задачи, перечню которых в главах 2, 5 и б предшествует обзор гитературы. Каждый из логически законченных разделов экспериментальных лав и сами главы завершаются обсуждением полученных результатов. 1иссертация закапчивается общим заключением и выводами. Работа шожепа на 512 страницах, включая 78 рисунков и 80 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Характеристика условий Мурманской области, материал и методы
В главе приводится краткая характеристика условий Мурманской области, как основного района проведения работы. Подчеркиваются специфические особенности региона - сочетание сложного комплекса естественных неблагоприятных факторов (короткое холодное лето продолжительная мягкая зима) с техногенным загрязнением центрально! части полуострова. Дан перечень использовавшихся в качестве объектов 56 ти видов и сортообразцов растений с краткой характеристике/ (происхождение, район произрастания, хозяйственная ценность). Болынук часть списка (46 наименований) составляют интродуцированные растения используемые в региональном сельском хозяйстве, а также в качеств! материала для внешнего и внутреннего озеленения. Исследованные образш представлены различными жизненными формами (деревья, кустарники кустарнички, лианы, однолетние и многолетние травы), отличаютс: значительным систематическим разнообразием и дифференцированы н степени устойчивости и продуктивности в условиях Мурманской области.
Дано описание применявшихся методов культивирования растений моделирования эффектов неблагоприятных факторов среды в лабораторных полевых условиях; морфологических, цитологических, физиологически? биофизических и биохимических методов исследования и статистическо обработки полученных материалов.
Глава 2. Действие низких температур в условиях лабораторных экспериментов
Механизмы криоповреждення мембран листьев гороха
Д ля интродуцирдаашых растений на Кольском Севере низкие температур вегетационного периода являются одним из ведущих неблаютрнятых фактор» внешней среды. Несмотря на то, что к началу настоящей работы была устаноьла ключевая роль ПОЛ в первичных эффектах действия различных экстремальш факторов на животные и растительные организмы [Козлов и др., 1972], его участие халодовых повреждениях теплолюбивых растений было показало в едшшчш работах [van Hasellt, 1972,1974; Kanjuga, Michalski, 1978], и нрактичеа
отсутствовали какие-либо сведения о роли этих процессов в криоповреждениях холодостойких растений. Как известно, механизмы повреждешш этого липа связаны с образовашем вне- или внутриклеточного льда [Самыгнн, 1974], изменяющего натнвную структуру клеточных мембран в результате действия механических или осмотических факторов [Трунова, 1985]. В связи с этим, в первую очередь представляло интерес выястпъ принципиальную возможность криоиндукции ПОЛ в растительных тканях. В качестве модельного объекта использовали растения одной из важных для Мурманской области кормовых кушлур - гороха (сорт Чшпмипский ранний), поскольку низкие температуры летнего периода в этом [х^пюне являются серьезной проблемой дня местного кормопроизводства [Чемисои и др., 1981].
Исследование изменений содержания одного из стабильных продуктов ПОЛ - малонового диальдешда (МДА) [Владимиров, Арчаков, 1972], осповных жирных кислот, входящих в состав мембранных линидов, и пигментов в листьях растений гороха после низкотемпературной обработки показало, что данный фактор индуцировал такие повреждения ассимилирующих тканей, в результате которых у растений при дальнейшем экспонировании на свету в 2-5 раз повышалась активность процессов фотосенсибилизированного ПОЛ [Рубин и др., 1976; Юферова, 1976]. По-видимому, наряду с МДА, промораживание приводило к формированию летучих продуктов свободнорадикального распада ПНЖК - С6-Су альдегидов [ОаШагс! е.а., 1976], этана или этилена [ЕкШег, Копге, 1976].
Анализ вариаций жирнокислотного состава различных молекулярных типов липидов после замораживания-оттаивания позволил заклю'нпъ, что крпоиндуцированное ПОЛ преимущественно локализуется в мембранах хлоропластов. Основными субстратами его являются дигалактозялдитицериды (ДГДГ), фосфатидилхолины (ФХ) и свободные патшенасыщенные жирные кислоты. Развитие криошщуцированных окислительных повреждений мембранных лтшидов сопровождалось повышением липазной (в т.ч. ацилгадролазной) активности, что согласуется с данными В.СРодионова [1978].
Условия низкотемпературной активапии ПОЛ
В результате изучения роли продолжительности низкотемпературного воздействия и его последействия было установлено, что при действии отрицательных температур влияние времени промораживания лимитируется только скоростью образования льда в тканях. В процессе последействия максимальная активность ПОЛ на свету наблюдалась спустя 18 часов со времени оттаивания, в темноте - 25 часов, после чего снижалась и оставалась па одном уровне вплоть до конца опыта (37 часов).
Изучение температурной зависимости индуцированного низким! температурами ПОЛ показало, что фотосенсибилизируемые реакции ак тивируются повреждениями мембран в результате образования льда и н зависят от температуры промораживания, по крайней мере, до -15°С Темповое переокисление активируется в диапазоне 0 -5(-7)°С. По-видимому эти различия объясняются повреждениями липоксигеназ, ответственных з темновое ПОЛ |Dupont. 1981] при более низких температурах, криоустойчивостыо неферментативной светозависимой нерокспдации липидс [Мерзляк, 1989]. Низкая положительная температура (+2°С) стимулировал синтез ПНЖК, но не их переокисление.
При экспонировании растений, подвергшихся замораживанию-о, таиванию, в различных газовых средах (кислород, воздух, аргон) был выявлс эффект стимуляции синтеза ПНЖК, не сопровождавшейся индукцией ПОЛ процессе последействия отрицательной температуры (-10°С) бескислородной атмосфере, в то время как в присутствии кислород наблюдалась активация окисления, но не синтеза. В связи с этим можн было предположить, что интегральный эффект низкотемпературно1 воздействия на метаболизм ненасыщенных липидов зависит от соотношеш активностей одновременно протекающих процессов окисления и сшт ПНЖК. Повреждающие температуры смещают равновесие в сторот окислительной деструкции этих соединений, температуры, стимулируюпп адаптивные реакции - в сторону их синтеза.
Сопряженные криоиидупированные реакции: иишенты и белки
Поскольку в мембранах хлоропластов процессы пероксидащ] сопряжены с окислением хлорофиллов и каротиноидов [Heath, Packer, 1961 и модификациями белкового состава [Граевскнй, 1969], можно было ожидат что эти соединения также подвергаются изменениям при замораживашн оттаивании. Это предположение согласовывалось с данными отечественных зарубежных авторов [Levitt, 1968; Трунова, 1985]. Было обнаружено, что результате низкотемпературного воздействия в листьях гороха в наиболыш степени разрушались хлорофилл а, b-каротин и виолаксантин, в меньшей фракция лютеин+зеаксантин и неоксантин; содержание хлорофилла б П{ этом не изменялось. Возрастание уровня МДА в процессе последейстш промораживания сопровождалось разрушением всех фракций растворимь белков, однако водорастворимые белки, преимущественно локализованные цитоплазме, деградировали значительно быстрее, чем спирто-щелочерастворимые, в основном связанные с мембранами.
В соответствии с гипотезой Дж. Лайонса [Lyons, 1972,1973], устойчивость растений к низким температурам зависит от процессов синтеза ненасыщенных липндов, обеспечивающих жидкокристаллическое состояние линидного матрикса мембран в гипотермических условиях. В качестве одного из объяснений э:1х[>екта холодовой стимуляции синтеза ПНЖК предполагалось, что активация кислородзависимой десатуразы жирных кислот происходит вследствие увеличения растворимости кислорода в водной фазе клетки при снижении температуры [Родионов, 1978]. Поскольку в данной концепции не учитывалась роль сБободнорадикального окисления этих соединений, конкурирующего за кислород с процессами десатуращш, представляло интерес более подробно рассмотреть взаимодействие анаболической и катаболнческой компонент обмена ПНЖК.
Результата предыдущих разделов работы в основном были получены при исследовании эффектов повреждающих температур. Для изучения гипотермических эффектов в зоне адаптивных реакций растения гороха подвергали закаливанию, культивируя их при пониженной температуре. Сравнение закаленных и незакалешшх растений гороха ио содержанию МДА, ПНЖК и пигментов свидетельствовало о том, что первые отличаются пониженным фоновым уровнем МДА и увеличенным содержанием ненасыщенных липидов, хлорофнллов и каротиноидов. Изучение пшотермического воздействия на растения гороха в переходной зоне между стрессовыми и адаптивными реакциями (+2°С), также в зоне высокой интенсивности повреждающего воздействия (ниже -5°С) показало существование реакций синхронной активации окисления и синтеза ПНЖК, в первом случае, или синхронного ингпбнроваиия их - в первом и во втором.
Суммируя основные результаты настоящей главы, можно заключить, что изменепия уровня непасыщенностн мембранных липидов в результате действия низких температур определяются балансом процессов синтеза и деградации ПНЖК по мехаиизму перекнсного окисления. Полученные данные позволяют классифицировать различные режимы метаболизма ненасыщенных липидов по их отношению к реакциям повреждения или адаптации в виде схемы (рис. 1).
окисление X синтез Î
Адаптация
окисление 1 синтез X
окисление Î синтез î
4
*
* 2
окисление î синтез X
окисление X синтез X'
Повреждение
Рис. I. Схема адаптивных и стрессовых изменений активности синтеза перекисного окисления ненасыщеных липидов
3
Как видно, адаптивная и повреждающая, в соответствии с концепцией Д Лайонса [Lyons, 1972, 1973] и представлениями о патогенных функцн свободнорадикального окисления [Журавлев, 1982], реакции (1) и (3) связаны друг другом переходной формой (2), соединяющей в себе черты той и другой. Кроме toi в ряде случаев в этой области был зарегистрирован эффект одновременного ингаб роваши как окисления, так и синтеза ПНЖК, обычно наблюдавшийся в случа глубокой деградации. Поскольку до настоящего времени пограничные реакции это типа не изучались, исследование взаимодействия процессов сшггеза и окислен ненасыщенных липидов у растений в экстремальных условиях природной cpej составило предмет следующего этапа данной работы.
Глава 3. Действие естественных и техногенных факторов Кольской Субарктики
Несмотря на то, что обнаруженные режимы окисления-сшггеза ПНЯ представляли собой низкотемпературные эффекты в условиях лабораторнс эксперимента, универсальность повреждающих функций ПОЛ давала возможна предполагать их существование у растений в природной среде обитания. В связи этим было интересно проанализировать изменения активности ПОЛ и содержания ( субстратов, а также субстратов сопряженных реакций у различных растений в Э1 тремальных условиях, специфичных для Мурманской области.
Осенние заморозки
Объектами изучения эффектов осенних заморозков на окнсле-ние/синтез ПНЖК служили сельскохозяйственные растеши, используемые в Мурманской области в качестве кормовых культур - горох и многолетние злаки. В первом случае сравнивались растения одного сортообразна (Чишминский ранний), находящиеся в фенофззах плодоношения или бутонизации (последние - более морозостойкие); во втором - растения тимофеевки луговой и лисохвоста лугового. Каждый из злаков был представлен резистентным и слабоустойчивым в условиях Мурманской области сортообразцами: Хибинским-673 и Моршанским-1395; Хибинским-438 и Моршанским-769, соответственно. При исследовании злаков оценивались не только изменения синтеза/окисления ненасыщенных лнпидов, но и связанные с этими процессами модификации состава растворимых белков в листьях и подземных органах. Работа была проведена в октябре 1981 г. после ночных заморозков с минимальными температурами воздуха -4 -б°С.
В результате было установлено, что в реакциях листьев более устойчивых растений гороха или злаков доминировали режимы синфазной стимуляции синтеза и окисления ненасыщенных лнпидов (реакция 2, рис. 1), а нерезидентные растения характеризовались реакцией 3 тина, или реакция 2 была менее выражена. В целом сходная картина наблюдалась при сравнении узлов кущепия, а в корнях резистентных образцов доминировала реакция 1-го типа.
Полученные результаты позволили выявить определенные взаимосвязи между окислительными модификациями белков и лппндов. Относительно низкий уровень криоиндуцнрованной деградации белков легких фракций, и более высокий - тяжелых, преимущественно сочетались с синфазными изменениями активности сиптеза и переокисления ПНЖК, или отсутствием их изменений. В листьях эта реакция наблюдалась у растений обоих сортообразцов тимофеевки, и резистентного сортообразца лисохвоста; в узлах кущения - у растений резистентных сортообразцов обоих видов; в корнях - у растений резистентного сортообразца тимофеевки.
Можно заключить, что по отношению к действию естественного заморозка листья отличались повышенной устойчивостью к индуцированной низкими температурами деградации низкомолекулярных белков, пониженной - высокомолекулярных, и склонностью к синфазным изменениям активности синтеза и пероксидации ненасыщенных лшшдов; корни, напротив, -
пониженоой устойчивостью к разрушению низкомолекулярных и повышенной - высокомолекулярных белков, склонностью к асинфазным вариациям синтеза и СТО ПНЖК. Узлы кущения в этом ряду занимали промежуточное положение. Таким образом, по отношению к действию заморозков приспособительные реакции листьев, узлов кушения и корней образуют ряд, полюса которого представляют собой систему бинарных оппозиций [Шорников, 1984], рис. 2:
органы растений листья узлы кущения —> корни
синтез/окисление ПНЖК тт «-> и
преимущественная деградация вм «-- нм
Рис. 2. Схема адаптивных изменении метаболизма ненасыщенных липидов и состава растворимых белков в различных органах многолетних злаков в результате действия осенних заморозков. ВМ ■ высокомолекулярные, НМ - низкомолекулярные белки.
Полученные данные согласуются с данными о кооперативных изменениях активности синтеза и окисления ПНЖК, и модификациях белкового состава в листьях растений гороха после замораживания-оттаивания Выявленные различия между реакциями листьев, узлов кущения и корне! расширяют существующие представления о физиолого-бнохимическш основах полярности растений [Молотковский, 1961]. Более подробное изучение этого вопроса было связано с анализом тех же параметров ) различных органов многолетних злаков в процессе перезимовки в условия? Заполярья.
Условия перезимовки (многолетние злаки)
Многолетние злаки являются важным компонентом кормовой базь животноводства Мурманской области [Чемисов и др., 1978]. Распространен» интродуцированных видов и сортов растений в этом регионе в значительно! степени лимитируется их устойчивостью к местным условиям перезимовки. П< данным литературы, зимние повреждения многолетних злаков развиваются п< механизму вынревания во второй половине зимы после образования устойчивоп наста на снеговом покрове [Василисков, 1981]. Наряду с этим, к повреждающш факторам зимнего периода относится и непосредственное действие низки:
температур. Для оценки участия ПОЛ и синтеза ненасыщенных жирных кислот в механизмах устойчивости многолетних злаков на Кольском полуострове исследовали содержание МДА и ПНЖК » подземных органах растений, различающихся но зимостойкости сортобразнов костреца безостош, тимофеевки луговой и лисохвоста луговой: в январе - мае 1983 года. Кроме того, более контрастные условия перезимовки моделировались путем содержания части растешш иод снежным покровом, высота которого была искусственно увеличена.
Полученные данные свидетельствуют о том, что в процессе перезимовки в подземных органах злаков могут активироваться процессы перекисного окисления лииидов. В это время у исследованных растений наблюдались различные тнпы изменения баланса окисления и синтеза ненасыщенных жирных кислот, зависящие от конкретных метеорологических условий и устойчивости объекта. В целом смещение этого равновесия в сторону доминирования окислительных процессов было свойственно менее устойчивым образцам. Данный эффект был более отчетливо выражен у растений костреца безостого, чем тимофеевки луговой. У первых он лучше проявлялся в корнях, чем в корневищах, что, возможно, связано с различиями в метаболической активности этих органов в зимнее время, и не был обнаружен в узлах кущения.
Судя по реакциям резистентных образцов, преобладающим адаптивным признаком н для корней, и корневищ исследуемых многолетних злаков в зимнее время является одновременная стимуляция сшгтеза и окисления ПНЖК. Поскольку для корневищ эта зависимость была в целом слабее выражена, чем для корней, а для узлов кущения она вообще отсутствовала, можно заключить, что механизмы зимостойкости мношлепшх злаков па уровне лишшюго метаболизма отличаются от механизмов их заморозкоустойчнвости. Вероятно, в узлах кущения в зимнее время антнокнелительная зашита осуществляется при участии немембранных механизмов.
Изучение дппамики белкового состава корней, корневищ и узлов кущения показало, что в первом случае адаптивным признаком является накопление высокомолекулярных, а в третьем - низкомолекулярных белков; корневища растешш костреца безостого в этом ряду занимают промежуточное положение. По-видимому возрастание концентрации пизкомолекулярных белков может быть результатом активации двух процессов - разрушения белков высокомолекулярных фракций, а также их синтез de novo [Трунова, 1985].
Полученные результаты суммированы в виде схемы (рис. 3):
органы растений узлы кущения *■ корневища —• корни
синтез/окисление ПНЖК — <-> тт
адаптивный синтез белков нм <- -► вм
Рис. 3. Схема адаптивных изменений метаболизма ненасыщенных липидов и состава растворимых белков в различных органах многолетних злаков в результате действия комичекса условий зимнего периода. Обозначения те же, что на рис. 2.
Условия перезимовки (древесные и кустарниковые растения') Дендроинтродуценты представляют основной тип растительного материала, используемый в Мурманской области для озеленения и ландшафтного конструирования. Как и в случае с интродуцированными многолетними травами, в этом регионе их распространение лимитируется специфическими условиями продолжительной, но мягкой зимы с частыми оттепелями [Семко, 1990]. По результатам предшествовавших исследований [Шавров, 1967,1970,1971], зимние повреждения слабоустойчивых дендроинтродуцентов в местных условиях в значительной степени обусловлены слабым развитием илн отсутствием фазы глубокого покоя, вследствие чего [Туманов, 1979] у них нередко наблюдаются морозные повреждения или полное вымерзание.
В связи с этим динамику МДА и линоленовой кислоты исследовали в почках растений тополей, роз и жимолостей в течение зимних сезонов 1984/85 и 1985/86 гг. Каждый из этих родов был представлен интродуцированными видами, различающимися по зимостойкости в местных условиях (тополя - 3-мя, розы - 4-мя, жимолости - 2-мя). Кроме того, I качестве объекта использовали аборигенный вид РорикБ - осину. Всс исследовавшиеся растения находят широкое применение в регионально!] практике зеленого строительства.
Ниже приводятся результаты изучения представителей рода Рори1ш зимой 1985/86 п-., характеризовавшейся относительно неблагоприятными дш этих растений метеорологическими условиями, на фоне которых различш между ними проявлялись наиболее контрастно (рис. 4).
МДА, ОП/г сухого веса
тополь бальзамический
15-Лгф
мда -е- с18:3
Рис. 4. Динамика содержания МДА и линоленовой кислоты в почках растений тополей зимой 1985/86 гг.
Поскольку аборигенные растения осины наиболее устойчивы в местных условиях, а самым резистентным шггродуцентом является тополь душистый, можно считать, что их дифференцированность по характеру динамики липидного метаболизма отражает различия между адаптационным оптимумом и генетически обусловленными адаптационными потенциями ш продуцентов. У растеши! т.душистога корреляция между шмеиеииями содержания МДА и линоленовой кислоты практически отсутствовала (И= -0.29, 1= -0.74) при низком уровне первого, а у растений т.бальзамического положительная корреляция (11=0.77, 1=4.2) регистрировалась при постоянно высоких концентрациях этих соединений. Зимой 1985/86 гг. у растений осины проявлялись признаки, свойственные т.дуцшстому (Я=0.69,1=2.33), а в предыдущий зимний период - т.бальзампческому (И= -0.27, 1= -0.98). Вероятно, в основе приспособительных реакций древесных растений в этом регионе лежит способность к гибкому маневрированию между различными адаптационными стратегиями. Высокий уровень корреляции изменений содержания продуктов ПОЛ и линоленовой кислоты у растений осины
свидетелшгвует об адаптационных свойствах режима одновременной стимуляции С1штеза и окисления ненасыщенных липидов и в этом случае, хотя исключительное использование данной стратегии, очевидно, не является оптимальным путем адаптации древесных растений на Кольском полуострове. Сопоставление результатов ¡пучення тополей с данными о представителях друшх семейств (не приводятся) показало, что адаптивные реакшш, связанные с синфазными изменениями активности переокислепия и синтеза ненасыщенных липидов свойственны растениям с ошосительно низким г]юновым уровнем ПОЛ. Дчя растений с повышенной активностью свободнораднкального окисления при адаптивных реакциях более предпочтительным является асинфазный режим синтеза/окисления ПНЖК.
Техногенное загрязнение среды
Несмотря на то, что в Мурманской области процесс техногенного повреждешш природных фнтоценозов распространился на значительной территории ее центральной части, во многих районах интенсивность этого воздействия на растительные организмы не выходит за пределы их адаптивных возможностей. Поскольку определенные концентрации тяжелых металлов, являющихся важными компонентами отходов региональной горнообогатительной промышленности [Крючков, Макарова, 1989], способны стимулировать процессы жизнедеятельности растешш [Ягодин и др., 1979, 1988], можно было ожидать проявления нелинейных зависимостей исследуемых реакций от уровня тех-ногешюго загрязнешш. Хорошо выраженные градиенты промыпшегаюго затрязнештя среды позволяли наблюдать весь спектр реакций от катастрофических повреждешш до различных типов адаптационных модификаций, что представляло особый интерес для анализа взаимоотношений между окислением и сшггезом ненасыщенных липидов.
До начала настоящей работы вопрос об участии процессов сво-боднорадикалыюго окисления в повреждениях растений отходами промышленного производства не был достаточно изучен. Имевшиеся в литературе даппые в основном относились к эффектам стимуляции СРО в растительных тканях тяжелыми металлами [Halliwell, Gutteridge, 1984], двуокисью серы [Peiser, Yang, 1978], озоном [Heath, 1984] или окислами азота [Heath, 1988] в условиях лабораторного эксперимента. При этом практически отсутствовали какие-либо сведения о роли СТО в эффектах комплексного затрязнештя отходами горнообогатительной промышленности в условиях Крайнего Севера.
Для изучения этого вопроса в качестве объектов работы использовали растения гороха и овса, а также дикорастущие растения (береза, ель, брусника, вороника) на различном расстоянии от одного из основных источников техногенного загрязнения в Мурманской области - медно-никелевого комбината "Североникель" (г. Мончегорск). Работа проводилась в 1982, 1983 и 1992 гг., что позволило оценить временную устойчивость обнаруженных эффектов.
Было установлено, что повышение уровня промышленного загрязиеши окружающей среды, регистрируемое но накоплению тяжелых металлов в фогоеннтезируюших тканях растений и почве, стимулировало переокнеление липидов и окислительную, деградацию нишентов. Анализ зависимости содержания продуктов ПОЛ и линешеновой кислоты от концентрации тяжелых металлов в листьях растений берез в течешь вегетационного периода показал существование режима синфазных измснсшш этх параметров, периодически проявляющихся по мере возрастания техногешюй нагрузки. Необходимо отметить, что синфазные подъем или снижение активности синтеза/окисления ПНЖК сопровождались заметным активизацией процессов жизнедеятельности, что у растений березы выражалось в увеличешш интенсивности видимого фотосинтеза на 10-50%, и площади листьев - на 10-30%. При этом наиболее значительные градиенты ростовых процессов были связаны с синфазным снижением активности синтеза/окисления.
Данные, представленные в настоящей главе, свидетельствуют о реальном сушествовашш режимов синтеза/окисления потшеиасышенных жирных кислот, обнаруженных в модельных экспериментах. Мы установили, что одновременная стимуляция синтеза и переокисления ПНЖК является достаточно распространенной адаптивной реакцией растений на действие специфических экстремальных факторов Кольской Субарктики. Судя но тому, что синфазные изменения активности окисления/синтеза ПНЖК были зарегистрированы при действии различных факторов внешней среды у генетически разнородных растений, можно сделать вывод об универсальном характере этих процессов, который, очевидно, должен распространяться и на сопряженные реакции. К последшм относятся модификации состава растворимых белков.
Сопоставление обобщенных результатов изучения эффектов действия осенних заморозков (рис. 2) и комплекса условий перезимовки (рис. 3) на состав растворимых белков многолетних злаков дает основание предполагать, что по характеру ответных реакций их органы образуют ряд: листья - узлы кущения - корневища - корни
Полученные нами данные свидетельствуют о том, что в этом ряду снижается адаптивное значение ннзкомолекулярных белков, а высокомолекулярных - возрастает при увеличении их фонового содержания. Принимая во внимание существенно более короткий срок действия заморозков по сравнению с эффектами комплекса условий перезимовки, можно думал., что преимущественная деградация высокомолекулярных белков в листьях или узлах кущения в первом случае и адаптивное увеличение концентрации низкомолекулярных в узлах кущения - во втором, являются результатами функционирования одного и того же механизма, поскольку содержание белков легких фракций может возрастать вследствие разрушения их высокомолекулярных предшественников.
Изменения лшпщного метаболизма при адаптивных реакциях многолетних злаков не вполне укладываются в эту последовательность, так как эффект синфазной стимуляции ПОЛ и синтеза ГТНЖК наблюдался как в листьях резистентных растений после заморозков (рис. 2), так и в их корнях при перезимовке (рис. 3). Это несоответствие можно объясшпъ различием в шггенсивности неспецифического действия осенних заморозков и комплекса зимних условий на метаболизм ненасыщенных липидов. По-видимому, режим синфазных изменений синтеза/окисления ПНЖК, как адаптивная реакция, проявляется в наиболее экстремальных условиях. И в осеннее, и в зимнее время корни лучше других органов защищены от действия экстремальных факторов, а узлы кущения зимой испытывают более значительные нагрузки, чем при кратковременных осенних заморозках. С этой точки зрения отсутствие различий между резистентными и чувствительными образцами по зимней динамике сшпеза/оки слеши ПНЖК в тканях узлов кущения мопто быть обусловлено тем, что в данных условиях были исчерпаны возможности регуляции свободнорадпкалышх процессов и поддержания натнвной структуры мембран путем модифицирования лигашюго метаболизма. По-видимому, следующим уровнем защиты является накопление пептидов и низкомалекуляриых белков с высоким содержанием сульфгидрильных групп 1Граевский, 1969] в результате гидролитического распада высокомолекулярных белков [Дин, 1981]. Допуская, что усиливающаяся, по мере возрастания шггенсивности неблагоприятною воздействия, деградация последних начинает проявляться еще па стадии синфазных вариаций синтеза/окислепия ненасыщенных липидов, сочетания адаптивных реакций на уровне лшпщного и белкового обменов можно представить в виде следующей схемы (рис. 5).
интенсивность внешнего воздействия
синтез/окисление ПНЖК Т 1 ■ т т
синтез/деградация ВМБ т т
Рис. 5. Схема адаптивных изменений метаболизма ненасыщенных липидов и состава растворимых белков у многолетних злаков в результате действия комплекса условий зимнего периода. Высота вертикальных стрелок отражает интенсивность соответствующего процесса. Обозначения те же, что на рис. 2.
В соответствии с этой схемой, полярность многолетних злаков связана с доминированием реакций ее правой части в листьях, и левой - в корнях. Как указывалось выше, узлы кущения н корневища занимают в данном ряду промежуточное положение.
Поскольку выявленная нами изменчивость деревьев и кустарников по доминированию синфазного или асинфазного режимов синтеза/окисления ПНЖК, как адаптивных реакций, связана с дифференцированностъю этих растений по фоновому уровню свободнорадикального окисления (соответственно, в порядке его возрастания), результаты настоящей главы могут быть суммированы следующим образом.
Синфазный и асинфазный режимы взаимодействия синтеза и иероксидавди ненасыщенных липидов являются взаимодополняющими и специфичными по отношению к интенсивности действия неблагоприятных факторов. Первый проявляется в более экстремальных условиях и представляет собой распространенную на Кольском Севере адаптивную реакцию мембранного уровня. Второй связан с адаптациями растений к менее суровой среде. Судя по тому, что синфазная стимуляция синтеза и окисления ПНЖК связана с повышенными энергетическими затратами, которые подразумевают и более высокую активность жизнедеятельности в целом, указанные режимы должны различаться по принадлежности к определенным физиологическим состояниям растительного организма. В связи с этим на следующем этапе работы представляло интерес исследовать макрофизиолошческие аспекты взаимодействия процессов синтеза и окисления ненасыщенных липидов.
Глава 4. Функциональные аспекты взаимодействии переокисления и синтеза ненасыщенных липндов
Проблема изучения макрофизнологических эффектов различных режимов взаимодействия нероксидации и синтеза ненасыщенных линидов и связанных с ними модификаций состава растворимых белков требовала выявления функций, интегрированно выражающих основные адаптационные стратегии растительного организма. В наибольшей степени этому требованию удовлетворяли рост, в процессах которого преломляется влияние внешней среды [Шевелуха, 1992], и старение, скорость развития хоторого также зависит от внешних условий. Кроме того, в данном аспекте исследовался глубокий покой, как наиболее выраженная альтернатива активного роста. Как известно, повышение устойчивости растений к действию низких температур связано с ингнбированием ростовых процессов [Третьяков, Гомер, 1984], хотя резистентные объекты могут отличаться более высокой активностью процессов жизнедеятельности [Трунова, 1985], что подтверждает предположение о существовании как пассивной, так и активной адаптационных стратегий [Зауралов, 1981].
Скорость роста
Взаимосвязи между изменениями содержания МДА, линоленовон кислоты и скоростью роста исследовали, используя в качестве объектов листья гибридных форм березы [Ермаков, 1986] летом 1982 г. (рис. 6) и побеги картофеля сортов Хибинский ранний и Темп, культивируемых в Мурманской области и различающихся по динамике роста вегетативных органов (1987 г.).
Полученные результаты свидетельствовали о том, что высокие скорости роста связаны с синфазными изменениями синтеза/окисления ненасьпцепных линидов, причем его максимальные значения - со снижением, активности обеих составляющих липидного метаболизма. Как следует из рис. 6, аналогичный эффект наблюдался, кроме того, при минимальной скорости роста.
Поскольку семейства ВеШ1асеае и Бо1апасеае в генетическом отношении представляют собой достаточно далекие друг от друга таксоны [Жебрак, 1959], сходство между типом зависимости изменений активности синтеза и переокисления ненасыщенных липидов от скорости роста их вегетативных органов свидетельствует о неспецифическом характере наблюдавшихся эффектов.
мм2/сутки
—[МДА], ОП/гсв/ —[JIK], мг/гсв/сут
Рис.6. Зависимость изменений содержания МДА и линоленовой кислоты в
листьях растений березы от скорости их роста (июнь-июль 1982г.)
Состояние зимнего покоя
В предыдущей главе анализировалась зимняя динамика окисления и синтеза ненасыщенных липидов в почках различных по зимостойкости дендроинтродуцентов и растений осины. Поскольку продолжительность и стабильность глубокой фазы зимнего покоя в значительной степени определяют уровень зимостойкости древесных и кустарниковых растений [Туманов, 1979], можно было предполагать существование связи обнаруженных ранее режимов лнпидного обмена с динамикой этого состояния, а также с динамикой содержания абсцизовой кислоты (АБК) -гормона, играющего важную роль в его индукции и поддержании [Кузина и др., 1985; Wright, 1975]. На рис. 7,8 представлены результаты исследования покоя и содержания АБК в почках интродуцировапных и местного видов тополей зимой 1985/86 гг. Изучение глубины нокоя проводилось и во время предыдущей зимы периода у осины и дендроинтродуцентов, указанных в главе 3.
Х5-0кг 10-Ноя 15-Дск ОЗ-Яш 18-Фм 18-Мар 11-Апр
-3- Т. б1льз«мвческнй Х- Т.темнолнстний -Ж-Т. душистый -Ж- Осина
Рис.7. Динамика глубины покоя растений тополей в течение зимнего периода 1985/86 гг.
-Вт Т. бальзамнчесхий -К - Т. темнолжггный -ЭК-Т. душистий —Ж" Оснна
Рис.8. Динамика содержания АБК в почках растений тополей в течение зимнего периода 1985/86 гг.
Результаты этих исследований вместе с данными по зимней динамике синтеза и окислепня ПНЖК (рис. 4) показали, что стабилизация состояния покоя, т.е. отсутствие низкочастотных высокоамшштудвых колебаний активности процессов жизнедеятельности, достигается при значительных (порядка 25-30%) колебаниях концентраций МДА и линоленовой кислоты, высоком уровне их положительной корреляции друг с другом и с динамикой содержания АБК, и больших абсолютных значениях этих параметров. Глубина покоя положительно связана с абсолютной величиной концентрации этого гормона. Вследствие этого представлялось вероятным, что процессы свободнораднкальиош окисления играют онределенпую роль в синтезе АБК, причем данный эффект проявляется при синхронных изменениях активности окисления и синтеза ПНЖК. Судя по реакциям растений аборигенного вида осш1а, сочетание устойчивости и глубины покоя зимующих почек является оптимальной адаптационной стратегией для условий Кольского Севера, где частые оттепели во время продолжительной зимы могут оказывать провоцирующее действие.
Для выяснения этого было необходимо исследовать физиолого-биохимические основы локальной регуляции гормонального баланса зимующих почек.
Возрастпое состояние
Поскольку активности свободнорадикальпого окисления и синтеза ненасыщенных лшшдов варьируют в течение вегетационного цикла [БиэЬагс! е.а., 1982], можно было предполагать, что характер их взаимодействия также зависит от возрастпого состояния растения. В связи с этим исследовалась возрастная изменчивость активности ПОЛ и содержания полинепасыщенных жирных кислот у различных растений. Данная часть работы проводилась путем сравнительного анализа листьев березы, овса и гороха в течение вегетационного периода, листьев различного возраста у вечнозеленых растений аукубы японской, а также листьев метамерпых рядов различных порядков и растений различного возраста дуба черешчатого.
Суммируя данные, полученные при анализе возраст-завпсимых модификаций обмена ненасыщенных лшшдов в ассимилирующих тканях, можно заключить, что режимы синфазных изменений активности переокисления и синтеза доминируют при достижении растениями состояния зрелости. Как правило, реакция типа 2 (рис. 1) предваряет реакцию типа 4 и в процессе индивидуального развитая, и на шкапе физиологического возраста. Полученные результаты не дают возможности подробно охарактеризовать взаимоотношения между синфазными и асипфазпымн вариациями
процессов обмена ненасыщенных липидов, однако позволяют предполагать, что реакция 2 является переходной от реакции 1 к реакции 3 (как это наблюдалось в случае возрастных модификаций растений гороха или аукубы). Первый этап такого перехода (1 - 2) может быть результатом снижения работоспособности систем анщрадикальной и ашжжиелнтельной запщты при сохранении активности синтеза ПНЖК. По этой логике, продолжение ишибирования защитных механизме» на определенном этапе должно привести к снижению активности синтеза ненасыщенных липидов (2 - 3), а в дальнейшем - и к повреждению прооксиданшых систем (- 4).
Результаты изучения взаимоотношений окисления и синтеза ненасыщенных липидов в зависимости от скорости роста ассимилирующих органов, т}€ины и характера динамики покоя зимующих почек, а также возрастного состояния растений метут быть суммированы в виде трех основных позиций.
1. Режим одновременной стимуляции окисления и синтеза ненасыщенных липидов связан с повышенной активностью ростовых процессов. Одновременное иншбироваше этих реакций сочетается или с низкой, или с высокой скоростями роста, прячем во втором случае она выше, чем щи синхронной стимуляции.
2. Синфазные изменения активности процессов окисления и синтеза ПНЖК связаны с поддержанием устойчивого состояния зимнего покоя у древесных растений с умеренными величинами фоновой активности ПОЛ. Стабилизация покоя в этом случае происходит при участии АБК. У растений с повышенным фоном активности ПОЛ данный режим связан с быстрым выходом из покоя.
3. В фотосинтезирующих тканях режимы синфазных изменений активности окисления и синтеза ПНЖК имеют возрастную зависимость, наиболее отчетливо проявляясь в состоянии зрелости.
Физиологическая противоречивость этих реакций - связь с повышенной активностью процессов роста, устойчивостью зимнего покоя и зрелостью возрастного статуса - позволяет предполагать их отношение к пограничным состояниям, при которых стимуляция процессов жизнедеятельности приводит системы организма растения к пределам их физиологической нормы. В связи с этим особый интерес представляло исследование связей данного состояния с формированием в растительных тканях абсцизовой кислоты, адаптогенные функции и участие в процессах старения которой до сих пор остаются недостаточно изученными, так же как и механизм ее быстрого накопления в растительных тканях при внезапном действии экстремальных факторов внешней среды [Мооге,1979].
Глава 5. Участие процессов переокислени* лнпидов в метаболизме абсцизовой кислоты
Учитывая данные предыдущих глав пастоящей работы, можно было предполагать, что синфазные вариации сиптезаЛжнсления ненасыщенных липидов, связанные с активными приспособительными реакциями на границе физиологической нормы, должны быть скоординированы с процессами синтеза АБК - одного из важнейших гормональных соединений, вместе с другими ингибирующими гормопами ответственной за резистентность и ряд других функций растительного оргапизма [Якушкина, 1980]. В связи с этим представляло интерес проанализировать имеющиеся данные о механизмах синтеза этого соединения в тканях высших растений.
По современным представлениям [Creelman, 1989], основным путем синтеза АБК является цепь последовательных конденсаций Cs-терпепотшых молекул, начинающаяся с мевалоповой кислоты н приводящая к образованию фарнезшпшрофосфата (С15, ФПФ). Наряду с этим, возможен обходной путь, связанный с окислительным распадом ксантофиллов, также синтезирующихся на основе мевалоновой кислоты. До настоящего времени существование последнего и соотношение прямого и обходного (через разрушение ксаптофиллов) путей от ФПФ к АБК остается неясным. Основное звено обходного пути - ксаптоксип - впервые был обнаружен Х.Тейлором и Т.Смитом [Taylor, Smith, 1967] и тремя годами позднее идентифицирован Х.Тейлором и Р.Барденом [Taylor, Burden, 1970]. In vitro ксантоксин был получен при фотоокислении виолаксаптина [Firn, Friend, 1972]. Кроме того, формировании цис.транс- и транс,трапс-ксаптоксипов регистрировалось при окислении каротинов в присутствии системы липоксигеназа (ЛОГ) - Ci8:2 [Taylor, Burden, 1970]. Возможность превращения ксантоксинов в АБК была показана только in vitro, в гомогепатах листьев томатов и бобовых растений в присутствии их экзогенной цис,транс-формы [Taylor, Burden, 1973]. Однако до сих пор в литературе отсутствуют какие-либо сведения о функционировании этого механизма in vivo, и само его существование подвергалось сомпешпо [Creelman, 1989].
Данпые об участии СРО в изменениях гормонального баланса
Изучение возможностей участия свободнорадикалышх реакций в регуляции содержания ингибирующих гормонов в зимующих органах
растений проводилось на тканевых гомогенатах почек осины. Учитывая имеющиеся в литературе сведения [Firn, Friend, 1972], можно было предполагать, что гипотетическая система включает в себя липоксигеназные ферменты, а также каротиноиды и пояипенасыщенпые жирные кислоты в качестве субстратов и косубстратов при формировании ксантоксннов, соответственно. В связи с этим лимитирующими факторами окисления каротиноидов могли быть активность ЛОГ, и/или недостаток доступных субстратов и косубстратов реакции. Кроме того, нельзя было исключить возможности ее катализа низкомолекулярными индукторами СРО. Для выяснения этих вопросов свежеприготовленные гомогенаты почек экспонировали при комнатной температуре в течение 2 часов в присутствии различных комбинаций перечисленных соединений, оценивая ингибиторпую активность гомогепатов до и после инкубации методом биотеста [Milborrow, 1983] с использованием 3-дневных проростков пшеницы.
Низкомолекулярные инициаторы ПОЛ (НАД*Н, АДФ+Ре2+, аскорбиновая кислота) ни в одном из опытов не оказывали влияния на гормональную активность тканевых гомогепатов. В двух из трех проведенных опытов экзогенная липоксигеназа изменяла их ингибиторную активность, в одном случае увеличивая, а в другом - снижая ее.
Исследование эффектов предполагаемых субстратов н косубстратов катаболического формирования ингибирующих гормонов - каротиноидов в лпнолевой кислоты [Galliard, Chan, 1980] - показало, что характер их действия зависит от типа и величины фоновой активности гомогената. Так, с изменением последней от стимуляторной до выраженной ингибиторной, эффекты каротиноидов или их комбинаций с линолеатом изменялись от сильной до слабой ингибиторной, а линолеата - от выраженной ингибиторной через выраженную стимуляторную, до слабой ингибиторной активности.
Участие процессов свободнорадикального окисления в указанны? случаях изменений гормонального баланса тканевых гомогенатот подтверждалось эсперимептами, в которых добавление к реакционным смесям низкомолекулярпого антиоксиданта а-токоферола [Tappel, 1971 1972] подавляло опосредованные гормональные эффекты экзогенных ЛОГ каротиноидов или линолевой кислоты.
Лишмика_линготеят-иниупироиянных изменений ктотептраггии_ДЕК_f
зимующих тючках осины и состояние покоя
Непосредственное влияние экзогенной линолевой кислоты н; содержание АБК исследовалось в почках осины на протяжении зимни;
гериодов 1987/88, 1993 и 1995/96 гг. Одновременно проводилось определение глубины покоя, фоновой динамики АБК, эндогенных ПНЖК и продуктов их пероксидадии (рис. 9).
-Ноя 15-Иоя 24-Дек 09-Яш Об-Фе» 12-Мар 15-Апр
ВЯ ЛЛ - АБК --Е- фоновая АБК
со
и
01-Ноя 16-Ноя 04-Док 09-Ноя 0в-Ф«1 12-Мар 1Б-Апр
-х МДД -*— С18:3
и гг о с
а
ш
я
н
£ «
о
X
о с
«5
я
в &
04-Дмс о»-Нов о*Фм 12'Мар
Рис.9. Динамика содержания активной АБК и ее линолеат-зависимых изменений, содержания МДА и линоленовой кислоты в почках растений осины, а также глубинфы их покоя зимой ¡995/96 гг.
В результате было установлено, что активность свободной С^г проявляется преимущественно при наиболее выраженных градиентах фоновой концентрации АБК. В связи с этим можно думать, что линолеат-зависимый механизм синтеза/инактивации АБК выполняет демпферную функцию, предотвращая наиболее значительные колебания уровня активной АБК в тканях зимующих органов. Это подтверждается и результатами одновременного исследования покоя.
Полученные данные подтверждают также сделанное ранее (глава 4) предположение о том, что процессы СРО участвуют в метаболизме АБК при синфазных изменениях активности синтеза и окисления ненасыщенных липидов.
СРО-зависимые изменения конпентрапии АБК и старение ассимилирующих тканей
Поскольку катаболические пути образования фитогормонов в процессе эволюции сформировались раньше, чем анаболические [Полевой,
1982], а фотосинтезируюшне структуры - раньше структур других функциональных назначении [Тахтаджян, 1961], можно было предполагать, что линолеат-зависимый механизм рефляции уровня АБК (функционирует ;; я ассимилирующих тканях.
Для выяснения вопроса о существовании аналогичного механизма в фотосинтезируюпшх тканях эффекты экзогенной линолевой кислоты исследовали в гомогенатах листьев пшеаструма гибридного, птбридной формы березы (б.нупшстая х б.повислая), и березы карликовой. Поскольку в предыдущем разделе было установлено, что различные эффекты С^г связаны с определенными изменениями содержания продуктов или субстратов ПОЛ, которые, в свою очередь, являются возраст-зависимыми (глава 4), у этих растений анализировались листья различного возраста (рис. 10).
Гипеаструм гибридный
М - молодые, 3 - зрелые, С - старие МЗ, ЗС - переходные формы
Береза карликовая
Береза гибридная (1996 г.)
Верхняя Ср«дия« Нвкяв*
Рис.10. Возрастные зависимости линолеат-индуцированных изменений содержания активной МДА в листьях различных растений.
Полученные результаты свидетельствовали о том, что такой механизм действительно присутствует в листьях высших растений, прием тип его активности, как и фоновая концентрация АБК, зависят от их возрастного состояния.
У растений пшеаструма изменения обеих характеристик соответствовали принт ту возрастной цикличности [Крепке, 1940]. Фоновое содержание АБК было существенно более вьюжим на ювенильной стадии и после начала старения, чем в зрелом состояппи. Возрастное распределение индуцированных липолевой кислотой изменений содержания этого гормона подчинялось противоположной зависимости: степень стимуляции его синтеза была минимальной на ювенильной и сенильной стадиях (практически отсутствовала, или наблюдалось слабое ингабирование), и максимальной - в зрелом состоянии.
Возрастная изменчивость исследуемых параметров у растений берез также подчинялась циклической зависимости, однако имела более сложный характер, чем у травянистых растений. В частности, она была хорошо заметна в изменениях фоновой концентрации АБК у обоих объектов, причем в июле 1991 г. у средневозрастных листьев она была минимальной, а в сентябре - максимальной. С другой стороны, циклическая зависимость возрастных вариаций содержания АБК, обусловленных экзогенной лииолевой кислотой как у габридной формы, так и у карликовой березы обнаруживалась только в осеннее время: в нервом случае листья среднего возраста проявляли максимальную синтезирующую активность, а но втором -максимальную утилизирующую. Различия между исследуемыми объектами могли быть связаны с меньшим фоновым физиологическим возрастом березы карликовой по сравнению с габридной формой березы, что подтверждалось более поздним наступлением у первых стадии осеннего пожелтения листьев.
Полученные данные подтверждают существование альтернативного механизма формирования абецнзовой кислоты в растительных тканях путем свободнорадикального распада каротиноидов, активируемого свободными полиненасышенными жирными кислотами. Более того, было установлено, что ПНЖК способны стимулировать не только синтез, но и утилизацию (инактивацию?) АБК, причем доминирование того или другого типа активности данного механизма связано с физиологическим состоянием растения - глубиной покоя зимующих, или возрастным статусом вегетативных органов. Можно предполагать, что обнаруженный механизм выполняе вспомогательные функции демпфера, уменьшающего амплитуду колебаний глубины зимнего покоя путем более топкой регуляции содержания АБК в растительных тканях. С другой стороны, возрастная зависимость типа активности данного механизма в ассимилирующих тканях позволяет рассматривать его как вероятную молекулярную основу эффекта возрастной изменчивости адаптивных реакций растения, отмеченной еще в классической работе Н.П.Кренке [1940], а также использовать концепцию этого автора в обсуждении современных представлений о существовании активной н пассивной адаптационных стратегий [Зауралов, 1981].
Глава б. Взаимоотношения адаптивных реакций и возрастных перестроек фотосинтетических структур
Поскольку в результате проведенных исследований было установлено, что изменения возрастного состояния растений являются модификашюнной основой баланса между синтезом и деградацией как абсцизовой кислоты, так и полиненасыщенных жирных кислот, на завершающем этапе работы была предпринята попытка определить материальный носитель указанных возрастных модификаций среди структур соответствующего уровня иерархии.
Так как СРО и зависимые от него процессы метаболизма АБК, в соответствии с представлениями современных авторов, сформировались на ранних этапах биологической эволюции [Прайор, 1980; Полевой, 1982] можно было ожидать, что взаимодействие их осуществляется при участии также достаточно древних структур. Наиболее вероятным претендентом на такую роль является фотосинтетический аппарат, как первичная в эволюционном плане структура растительного организма [Тахтаджян, 1954, 1961]. Эти соображения подтверждаются многочисленными данными литературы, по которым и метаболизм ненасыщенных липидов [Мерзляк, 1989], и абсцизовой кислоты [СгееЬпан, 1989] связапы с тилакоидамн хлоропластов.
Модификации ультраструктуры пластид, изменяющие соотношение между тилакоидамн стромы и гран, достаточно подробно изучались в связи с вопросами световой адаптации фотосинтетического аппарата высших растений [исШепШаПег, 1981]. В частости, было установлено, что световая, "НЬ" (слабогранализованпая) форма хлоропластов лучше обеспечена системами антирадикальной и антиокиелнтелыюй защит по сравнению с теневой, "1Х" формой, отличающейся сильным развитием тилакоидов гран [ЫсЫепШаИег е.а., 1982]. Так как многие авторы рассматривают активацию процессов свободпораднкального окисления в липидной фазе мембран в качестве молекулярной основы старепия биологических систем [Канунго, 1982], было логично предположить, что возрастные изменения пластид связаны с НЬ-ЬЬ перестройками. Косвенно это подтверждалось результатами изучения состава пигментов пестролистных растений различного возраста [Кренделева, 1965].
Для выяснения этого в различающихся по возрастному состоянию листьях травянистых и древесных растений были исследовалось соотношение между ксантофиллами и каротинами (Х/С), отражающее, по мнению ряда авторов, степень развития системы гран в хлоропластах [исЫешИаПег е.а., 1982]. В результате анализа растений 11-ти видов, а также шучення эффектов гормонов, влияющих на скорость старения [Соек е.а., 1985], было показано, что в типичном случае величина данного параметра циклически изменяется с возрастом, достигая максимума в зрелом состоянии и снижаясь в процессе старения. Аналогичный тип возрастной изменчивости Х/С был также обнаружен в результате анализа различающихся по физиологическом) возрасту [Чернов, 1963] листьев дуба черешчатого и гибридных форм березы.
В соответствии с концепцией Н.П.Кренке о цикличности возрастных изменений [1940], обнаруженные эффекты дают основание считать, чте величина Х/С, отражающая степень развития гран в хлоропластах, являет« характеристикой возрастности растений
Ультраструктура пластид и эффекты экзогенного линолеата Дня выяснения связей между вариациями линолеат-зависимогс метаболизма АБК и физиологическим возрастом фотосинтезирующих тканей исследовались эффекты экзогенного линолеата в листьях гибридных фор.ч березы, различающихся по величине индексов гибридизации [Ермаков, 1986 и физиологическому возрасту, характеризуемому величиной Х/С, но близки; по числу прожитых лет (табл. 1).
Было показано, что увеличение Х/С связано со снижением фоновой содержания АБК и повышением ее линолеат-зависимого уровня. В боле< загрязненном Мончегорском районе спектр наблюдаемых реакций бьи сдвинут вправо по отношению к спектру реакций берез, растущих ] экологически более чистой среде Апатитского района. Поскольку объектам! этих опытов служили растения, находившиеся в одной фенофазе и н имевшие видимых признаков повреждений, полученные данные могут быт интерпретированы как доминирование тенденции к активной адаптации : условиях менее выражепной антропогенной нагрузки, и к противоположном; типу адаптивной стратегии при ее увеличении.
Таблица 1
Линолеат-индунированные изменения содержания АБК в листьях гибридных форм березы в зависимости от степени гранализашш их пластид
Анализируемые параметры Сравниваемые образцы берез
1 2 3
Опыт 1 (Мончегорский район, 23.07.93)
Х/С 2.4 4.7 5.6
ИГ 33.0 45.0 21 . 0
АБК (фон) 25.0 26 . 8 23 . 2
АБК (+С18:2) 20.7 26.8 25.6
Дабк -4.9 0.0 + 2.4
Опыт 2 (Апатитск'ий район, 24.07.93)
Х/С 2.7 5.3 7 . 3
ИГ 44.0 21 . 0 32 . 0
АБК (фон) 26.8 25.6 19.5
АБК (+С18:2) 13.4 26.8 23 . 2
Дабк -13.4 + 1 . 4 + 3.7
Примечание: ИГ - индекс гибридизации; АБК (фон) - фоновое содержание АБК; АБК (-нС^г) - содержание АБК после инкубации с экзогенной С] 8:2; ААБК - измепенпе содержания АБК в результате действия С]8:2» "*" - различия статистически недостоверны при Р>0.95.
Другим путем выявления связи между модификациями ультра структуры пластид и эффектами экзогенной линотевой кислоты был сравнительный анализ ахлветствуюшнх параметров фотосингезиругоших тканей до и после повреждающего действия низких температур. В качестве объекта этих экспериментов использовали листья разного возраста гппеаструма гибридного (табл. 2).
Таблица 2
Влияние низкой температуры на степень гранализации пласгнд, фоновый уровень АБК в листьях растений шпеаструма гибридного (март 1993)
Анализируемые параметры, вариант опыта Возрастное состояние листьев
молодые зрелые стареющие
х/с 4.3 7.0 5.5
Х/С 2.5 9.4 8.3
АБК (фон) 22.5 10.9 26.9
АБК (фон) 16.4 18.8 18. 0
Дабк (+с18:2) + 4.0 + 17.7 +2 . 9
ААБК (+СХ в . 2 ) -7.8 + 31.4 +19.7
Примечание: жирным шрифтом выделены параметры растений, подвергшихся 15-часовому охлаждению (0°С) и последующему 24-часовом) экспонированию при 20°С на свету (8 клк); контроль (обычныт шрифт) - интактные растения; способ выражения велечин тот же, чтс в табл.1.
В результате охлаждения величина Х/С во всех случаях возрастала Принимая, что данный эффект свидетельствует об увеличении количеств: гран в хлороиластах, в соответствии с данными других авторов [Трунова 1995] можно интерп{х;тировать его как стрессовую реакцию. При увеличениг отношения Х/С стимулирующее действие С^г на синтез АБК возрастало, ; при пониженных величинах данного параметра эффект линолеат; отсутствовал или имел отрицательное значение.
Ультраструктура пластид и режимы окисления/синтеза ПНЖК Учитывая полученные данные о существовании связи между уль траструктурой хлоропластов и способностью к линолеат-зависимому синтезу АБК, I также характер возрастных изменений окисления-синтеза ПНЖК (шава 4) 1 пигментного состава, можно было думать, что в фоюешттезирующих тканя:
доминирование режима синфазной стимуляции синтеза и окисления ненасыщенных липидов также связано с развитием тилакоидон гран. Проверка этого предположения была построена на одновремешюм анализе вариацьтЗ параметрш охгхяення/сшпЕза ненасыщенных липидов и соотношения между ксантофиллами и каротинами в процессе индивидуальною развития листьев, последействия повреждающих факторов окружающей среды, а также изменчивости этих параметре® в генетически однородных, но различающихся по физиологическому возрасту объектах. С этой целью исследовали динамку соответствующих параметров в листьях березы в течение вегетационного периода, их гоменения в лиспях гороха шш клевера в результате действия низких температур, различия между ними в в дифференцированных но возрасту лиспях аук>бы японской, или в листки метамерпых рядов различных порядков (разновозрастные деревья, крона дерева, однолетний побег) дуба черешчатого. В результате было установлено, что, как возрастание, так и уменьшение величшш Х/С сопровождаются ешк^шными изменениями концентраций лгаюленовон кислоты и МДА.
Результаты данного этапа работы позволили заключить, что изменчивость возрастного состояния растений является функциональной основой вариаций баланса между синтезом и катаболизмом ненасыщенных липидов или АБК, а тилакоиды гран могут рассматриваться как вероятная структурная основа возрастных модификаций субклеточного уровня. Поскольку соотношение между тилакоидами стромы и гран изменяется не только в зависимости от возраста (физиологического возраста), но и при действии экстремальных факторов внешней среды, результаты настоящей работы подтверждают классические представления Н.П.Кренке [1940] о ее корректирующих эффектах по отношению к возрастному состоянию растительного организма.
Поскольку и десатураши насыщенных предшественников ПНЖК, и свободнорадикальное окисление последних являются кислородзависимыми реакциями [Родионов, 1978; Владимиров, Арчаков, 1972], можно предполагать, что в определенных условиях синтез и окисление ненасыщенных липидов способны вступать в конкурентные отношения, взаимпо подавляя друг друга. В ламеллах стромы, содержащих больше ФС2 и агрегатов кислородвыделяющего комплекса [Каплан, Арнтцен, 1987], эта конкуренция, видимо, менее выражепа.
В условиях нормального развития метаболических процессов активация катаболизма ненасыщенных липидов должна стимулировать их анаболическую составляющую, т.е. компенсаторный синтез ПНЖК.
Вследствие меньшей доступности молекулярного кислорода и более высокого содержания субстратов ПОЛ, вероятность подавления реакции синтеза конкуренцией за кислород с окислительными реакциями выше в тилакоидах стромы, чем в фанах. Таким образом, можно ожидать, что, в зависимости 01 величины внешней нагрузки, в мембранах первых будет доминировать либо синтез, либо окисление ненасыщенных липидов. Во втором случае и синтез, и окисление могут развиваться одновременно до предела, величина которого вероятно, определяется эффективностью функционирования кислородвыделяющего комплекса.
Различия между двумя типами пластидных ультраструктур не способности к формированию АБК на основе продуктов свободноради кального распада каротиноидов можно объяснить локализацией основно! части ее предшественников - ксантофиллов - в гранальных структурах I отсутствием их в тилакоидах стромы [Каплан, Арнтцен, 1987]. Вместе с тем повышенная способность последних к элиминированию этого гормона 1 присутствии свободных ПНЖК позволяет предполагать участие процессо] СРО не только в его синтезе, но и катаболизме (инактивации).
Изложенные соображения не являются исчерпывающим объяснениеь днфференцированности ассимилирующих тканей и органов по оное редовашшм гормональным эффектам ПНЖК и доминированию определен ного типа их метаболизма, но отражают один из возможных нуте! взаимодействия фотосинтетических структур различных иерархий пр) формировании адаптивных или стрессовых реакций.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные результаты дают основания заключить, что обнару женпьш механизм регуляции содержагпгя активной АБК при участи свободнорадикальных процессов играет существешгую роль в адаптация растений на Крайнем Севере и, по-видимому, вообще в экстремальных дл конкретного объекта условиях. Адаптивная эффективность дашгог механизма определяется необходимостью оперативно реагировать н изменения внешних условий активацией или торможением процессо жизнедеятельности, что может быть достигнуто путем регуляци гормонального баланса. Физиологическое значение быстрого формированн значительных количеств АБК из каротиноидов или ее элиминировани (инактивации) должно быть особенно велико при значительно
вариабельности параметров внешней среды, характерной для Кольской Субарктики, многих районов Крайнего Севера, а также других регионов по отношению к интродуцентам или аборигенным растениям, существующим вблизи границ ареала. Косвенно это подтверждается доминированием режимов синфазных изменений синтеза/окисления ГТНЖК, как адаптивной реакции, па Кольском полуострове, и связью обсуждаемого механизма с этими режимами. Последнее обстооятельство дает возможность с новых позиций подойти к оценке взаимоотношений стресса и адаптации растительных организмов. Рассматривая модификации тилакоидов пластид как ключевое звено механизма возрастной изменчивости на клеточном уровне, в соответствии с полученными данными можно заключить, что действие экстремальных факторов с интенсивностью, не выходящей за пределы естественной резистентности растения, на его ювенильные ткани, смещает их физиологическое состояние в сторону уменьшения возрастности, в то время как у зрелых или стареющих тканей оно меняется в сторону его возрастания. Это заключение согласуется с представлениями Н.П.Кренке [1940], по которым неблагоприятные условия среды оказывают корректирующее действие на физиологический возраст растений. В соответствии с полученными данными, увеличепие возрастности зрелых растений в экстремальных условиях связано с развитием тилакоидов гран в хлоропластах, доминированием синфазных режимов взаимодействия синтеза и окисления ненасыщенных липидов, и повышенной активности ПНЖК-зависимого синтеза АБК. Поскольку те же признаки отличают пассивную логику ответных реакций, они могут рассматриваться как структурно-функциональная основа пассивной адаптационной стратегии. С этой точки зрения альтернатива (снижение активности ПНЖК-зависимого синтеза АБК вплоть до смены направления реакции в ювенилытм состоянии) являются отражением активной стратегии.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Повреждения местных и нптродуцированных растепий экстремальными факторами Кольского Севера (низкие температуры, комплекс условий перезимовки, техногенное загрязнение) связаны с активацией темповых и светозависимых процессов перекисного окисления липидов. В целом спектр реакций растительного организма на мембранном уровне, индуцированных местными экстремальными факторами, включает в себя
ингибирование ПОЛ и стимуляцию синтеза ПНЖК в адаптоиндуцирукнцей, стимуляцию переокислепия ПНЖК и подавление их синтеза в повреждающей, и синфазные стимуляцию или ингибирование обеих реакций в переходной областях. Ингибирование обеих функций может быть также результатом глубокой деградации мембранных структур.
2. В экстремальных условиях Кольской Субарктики синфазна> стимуляция синтеза и переокислепия ненасыщенных мембранных лшшдо! является распространенной адаптивной реакцией. Установлено, что он; доминирует у местных растений и резистентных интродуцентов травянисты) и древесных форм при действии специфических для данного регион; естественных неблагоприятных факторов - осенних заморозков и комплекс: условий перезимовки, и проявляется при загрязнении среды отходам) горнообогатительной промышленности. У растений многолетних злаков эт; реакция сопровождается ускоренным разрушением высокомолекулярны; белков относительно низкомолекулярных при действии отрицательны: температур и, возможно, комплекса условий перезимовки.
3. Режимы синфазных изменений активности синтеза ] переокислепия ПНЖК связаны с определенным физиологически! состоянием, которого фотосинтезирующие ткани достигают по прекращеши роста, либо при высоких интенсивностях ростовых процессов. В тканях зи мующих почек древесных растений эти режимы сочетаются с фазой наиболе глубокого и устойчивого покоя.
4. Вегетативные и зимующие органы многолетних злаков образую метамерный ряд по доминированию различных режимов метаболизм ненасыщенных липидов и модификациям состава растворимых белков пр действии экстремальных условий Кольской Субарктики. В послс довательности листья-узлы кущения-корневища-корни увеличиваете содержание высокомолекулярных белков, и уменьшается - низкомолс кулярпых. В этом же ряду возрастает адаптивная роль высокомолекулярны белков и снижается степень их деградации. В условиях действи отрицательных температур на уровне адаптивных модификаций лишщют метаболизма происходит переход от стимуляции окисления и синтеза ПНЖ] к стимуляции синтеза при ингибировании окисления. В условия перезимовки эти модификации проявляются только в корнях (синфазна стимуляция синтеза/окисления ПНЖК).
5. Процессы свободнорадикального окисления участвуют в ре гулящ) содержания активной АБК в зимующих почках и фотоеннтезирующи
тканях растений. Механизм активируется свободной линолекой кислотой или каротинондами и включает в себя линоксигепазные ферменты. Тип его активности в тканях зимующих почек древесных растений зависит от фазы покоя, а в фотосинтезирующих тканях - от их возрастного состояния. В последнем случае смена типов активности подчиняется принципу возрастной цикличности.
6. В структурном отношении возрастные изменения тина активности механизма линолеат-зависимого метаболизма АБК и режимов взаимодействия синтеза/окисления ГГНЖК связаны с модификациями тилакоидов хлоропластов. Вследствие этого преобладание того или другого типа ламелл может рассматриваться в качестве характеристики, свидетельствующей о предрасположенности конкретного растительного объекта к пассивной или активной адаптационным стратегиям и применяться для прошоза его поведения в экстремальных условиях окружающей среды.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Жибоедов П.М., Жиров В.К., Руденко С.М. Особенности суточных изменений импеданса растений в условиях Субарктики // Биофизические и системные исследования в лесной биогеоценологии. -Петрозаводск: изд. Кар.ФАНСССР, 1976. - с. 40-41.
2. Жибоедов П.М., Жиров В.К., Руденко С.М. О суточных изменениях низкочастотного электрического сопротивления тканей растений // Физиология и биохимия растений в Субарктике. - Апатиты: изд. КФАНСССР, 1976. - с. 30-34.
3. Жиров В.К, Жибоедов П.М., Руденко С.М.О корреляции фнзиолого-биохимштеских показателей древесных растений с гндротерми-ческими условиями среды // Ботанические исследования за Полярным Крутом. - Апатиты: изд. КФАНСССР, 1978. - с. 106-118.
4. Жибоедов П.М., Жиров В.К. Климатические факторы и особенности процессов жизнедеятельности двух видов ив различной зимостойкости в условиях Кольского Заполярья // Дендроклнматические исследования в СССР. - Архангельск: изд. АрхЛТИ, 1978. - с. 46.
5. Жтгров В.К, Жибоедов П.М. О возможности использования характеристик перекисного окисления лшвдов для оценки устойчивости растений к низким температурам // Проблемы рационального использования биологических ресурсов Севера. - Сыктывкар: изд. КомпФАНСССР, 1979. - с. 22-23.
6. Мерзляк М.Н., Шевырева В.В., Румянцева В.Б., Жиров В.К. Флуорометрическое определение МДА в тканях растений // Биологические науки - 1979. - No 10, с. 70-74.
7. Жиров В.К. К вопросу об участии процессов перекисного окисления липидов в холодовых повреждениях биологических мембран // Охрана природы и рациональное использование растительных ресурсов. - М.: Наука, 1980. - с. 214-216.
8. Жиров В.К.,Мерзляк М.Н., Черненко Т.В.. Стеценко Т.А., Титова М.В. Исследование перекисного окисления линидов и состава жирных кислот листьев гороха при действии отрицательной температуры II Физиология приспособления интродуцентов на Крайнем Севере. - Апатиты: изд. КФАНСССР, 1980. - с. 49-58.
9. Жиров В.К., Мерзляк М.Н. О влиянии холодового стресса на нероксидацию липидов кормовых растений Крайнего Севера // 2-я Межуниверситетская конференция молодых ученых "Современные проблемы биологии". - Тбилиси: изд. ТГУ, 1980. - с. 199-200.
10. Костоломов М.Н., Кузьмин A.B., Антонова И.М., Константинова H.A., Жиров В.К. Динамика гемерогенного воздействия на элемент леса i центральной части Кольского полуострова // Биологические проблема Севера, ч.1. - Сыктывкар: изд. КомиФАНСССР, 1981. - с. 191.
11. Мерзляк М.Н., Погосян С.И., Шевченко Н.В., Румянцева В.Б. Цеденбал 3., Жиров В.К. Перекнсное окисление липидов при повреждения? и старении листьев // Проблемы и пути повышения устойчивости растений * болезням и экстремальным условиям среды в связи с задачами селекции, ч.1 -Л.: ВАСХНИЛ, 1981.-е. 20.
12. Жиров В.К., Мерзляк М.Н. Перекисное окисление липидов находящихся в зоне промышленного загрязнения // Проблемы и пуп повышения устойчивости растений к болезням и экстремальным условияк среды в связи с задачами селекции, ч.1. - JI.: ВАСХНИЛ, 1981. - с. 130.
13. Мерзляк М.Н., Жиров В.К., Руденко С.М. Активизацш перекисного окисления мембранных липидов холодостойких растеши кормовых трав отрицательными температурами // Проблемы и пути по вышения устойчивости растений к болезням и экстремальным условиях среды в связи с задачами селекции, 4.1. - Л.: ВАСХНИЛ, 1981. с.221.
14. Жиров В.К., Мерзляк М.Н. Перекисное окисление липидов Kai индикатор интенсивности техногенного стресса // Проблемы физиологии i биохимии древесных растений, ч.2. - Красноярск: изд. СОАНСССР, 1982. - с. 84.
15. Жиров В.К., Жнбоедов П.М., Мерзляк М.Н. Активность ндуцнрованного низкой температурой низкой перекненого окисления ипидов как показатель устойчивости древесных растений в условиях файнего Севера // Проблемы физиологии и биохимии древесных растений, .2. - Красноярск: изд. СОАНСССР, 1982. - с. 85.
16. Жиров В.К., Мерзляк М.Н., Кузнецов Л.В. Перекисное 1кисление мембранных липидов холодостойких растений при повреждении прицательными температурам!! // Физиология растений - 1982. т.29, No 6. -:. 1045-1052.
17. Жиров В.К., Мерзляк М.Н. Воздействие низких температур на вменение степени повреждения мембран и интенсивность пероксидации пшидов у гороха, подвергшегося холодовому закаливанию // Биологические 1ауки - 1983.- No 2, с. 77-82.
18. Жиров В.К., Мерхтяк М.Н., Жнбоедов П.М. Активность iepeKHciioro окислепня липидов при повреждении и адаптации фотосин-гетического аппарата растений в условиях низкотемпературного воздействия / Всесоюзная конференция по проблемам фотосинтеза. Клев: изд. Ин-та Г>нзиолопш Укр.АН СССР, 1983. - с.
19. Zhirov V.K., Merzlyak M.N. Cultivation of pea plants (Pisum ;ativum L.) at low temperatures decreases lipid peroxidation induced by freezing-hawing // Plant Sci. Lett. - 1983. - v. 30., No 2. - p. 185-191.
20. Жиров B.K., Кузьмин A.B., Мерзляк M.H., Руденко С.М. Использование показателей интенсивности перекненого окисления липидов шя оценки степени техногенного воздействия на растительные сообщества // Эхрана живой природы. Тезнсы Всесоюзной конференции молодых ученых. -ML, Наука, 1983. - с. 70-71.
21. Жнбоедов П.М., Жиров В.К., Руденко С.М., Стрекопытов Г.М. Оценка зимостойкости многолетних кормовых трав по фнзиолого-5иохимическим показателям (методические указания). - Апатиты: изд. КФАНСССР, 1984. - 15 с.
22. Жиров В.К., Жнбоедов П.М., Руденко С.М. Перекисное окисление липидов как механизм повреждения интродуцированпых растений в Заполярье // Актуальные задачи физиологии и биохимии в ботанических садах. - Пущино: изд. ГБС АНСССР, 1984. - с. 64-65.
23. Жиров В.К., Жнбоедов П.М., Мерзляк М.Н. Перекисное окисление липидов в повреждающих и адаптивных реакциях травянистых растений на действие пизких температур и факторов перезимовки //
Устойчивость к неблагоприятным факторам среды и продуктивность растений. - Иркутск: изд. СОАНСССР, 1984. - с. 65.
24. Жиров В.К., Мерзляк М.Н., Жибоедов Г1.М. Роль окислительных модификаций липидов и белков в адаптации сельскохозяйственных растений к условиям Кольского Заполярья // Адаптация организмов к условиям Крайнего Севера. - Таллин: изд. АНЭССР, 1984. - с. 49-53.
25. Кузьмин A.B., Жиров В.К. Сезонное варьирование размеров листа древесных растений в Субарктике // Бюлл. ГБС. - 1985. - Вып. 138. - с. 15-19.
26. Жиров В.К., Жнбоедов П.М., Руденко С.М. О роли процессов окисления липидов в адаптации растений к условиям Крайнего Севера И Биологические проблемы Севера. - Якутск: изд. ЯФ СОАНСССР, 1985. - с. 108.
27. Руденко С.М., Жиров В.К., Жибоедов П.М. О состоянии глубокого покоя дендроинтродуцентов различной зимостойкости в условиях Кольской Субарктики // Дендрологические исследования в Заполярье. -Апатиты: изд. КФАНСССР, 1985. - с. 76-74.
28. Жиров В.К., Мерзляк М.Н., Кузьмин A.B., Руденко С.М., Жибоедов П.М. Участие процессов перекисиого окисления липидов в реакциях растений на аэротехногенное загрязнение // Экологические и физиолого-биохимические аспекты антропотолеранпшсти растений. Таллин, изд. АНЭССР, 1986. - с. 34.
29. Жибоедов П.М., Жиров В.К.. Руденко С.М. Белковый состав и мембранные липиды интродуцированпых растений в Заполярье. Апатиты: изд. КФАНСССР, 1987. - 114 с.
30. Жиров В.К., Жибоедов П.М., Руденко С.М. Жирные кислоты и перекисное окисление липидов у растений костреца безостого // Бюлл. ГБС. - 1988. - вып. 47. - с. 54-57.
31. Кузьмин A.B., Исаков В.Н., Жиров В.К. Статистические закономерности морфогенеза листа в условиях неоднородной среды Ii Экология. - 1989.- N 5. - с. 68-70.
32. Жиров В.К., Кузьмин A.B. Использование морфофизиологических параметров растений для оценки эффектов техногенного загрязнения среды // Проблемы комплексного использования природных ресурсов Кольского п-ова. - Апатиты: изд. КФАНСССР, 1990. - с. 89-90.
33. Мерзляк M.Н„ Жиров B.K. Свободиорадикальное окисление при старении хлоронластов // Итога пауки и техники, серия ФизнолоГиЯ растений. - М.: ВИНИТИ, 1990. - с. 101-135.
34. Жиров В.К., Руяенко С.М., Жибоеяоз П.М. Покой и зимостойкость растений на Крайнем Севере. - Апатита: изд. КФАНСССР, 1990. - 111 с.
35. Жирок В.К. Изучение роли свободнорадикалыюго окисления липидов в адаптации интродуцировапных растений к условиям Крайнего Севера // Ацаптащгонная изменчивость растений при интродукции. - Рига: изд. АН Латв.ССР, 1990. - с. 102-105.
36. Жиров В.К. Возрастные модификации растений в связи с адаптацнями и стрессом. - Апатиты: изд. КНЦ АНСССР, 1991.- 105 с.
37. Жиров В.К. Возрастные модификации состава пигментов и липидиого окисления в ассимилирующих тканях растений // Физиолого-бнохимические аспекты адаптации растений на Кольском Севере. Апатиты, изд. КНЦ РАН, 1991. - с. 4-12.
38. Жиров В.К., Шмакова Н.Ю., Болдииа И.С. Структурно-функциональные модификации ассимилирующего аппарата растений в градиенте техногенного загрязнения среды // Актуальные вопросы изучения ботаники и экологии. - Киев: изд. АН Украины, 1993. - с. 45.
39. Жиров В.К., Костюк В.И. Пространственно-временная периодичность характеристик ассимилирующего аппарата растений в тех-ногеппых условиях // Промышленная ботаника. Материалы международной конференции. - Донецк: изд. ДГУ, 1993. - с.104-105.
40. Кашулин П.А., Жиров В.К. Анализ мезобиотических состояний семян овса с помощью рептстращш хемшпоминесценции в присутствии Н202 // Актуальные проблемы ботаники. Тезисы молодежной конференции. -Апатиты, изд. КНЦ РАН, 1993. - с. 26-27.
41. Жиров В.К., Руденко С.М. Линолеат-индуцированные изменения концентрации АБК в растительных тканях как возможный механизм регуляции устойчивости // Тезисы Ш Всероссийского съезда общества физиологов. СПб: издЛГУ, 1993. - с.
42. Zhirov V.K., Kashulin Р.А., Kuaràn A.V., Kostyuk V.I. Modification of free radical oxidation activity and content of pigments in plants affected by aerial émission // Aerial Pollution in Kola Peninsula. - Apatity: Kola Sci.Centre publishing, 1993. - p. 211-214.
43. Zhirov V.K. Biochemical characteristics of early stages of plants technogenic injury // Global Changes and Arctic Terrestrial Ecosystems. - Oppdal (Norway), 1993. - p. 84.
44. Жиров B.K., Костюк В.И. Физиологические аспекты адаптогенеза культурных растений к аэротехногенным выбросам комбината "Североникель" // Промышленная ботаника: состояние, перспективы развития. - Донецк: изд. ДБС АН Украины, 1993. - с.
45. Жиров В.К., Руденко С.М., Костюк В.И. Осеннее старение листьев и состояние зимнего покоя берез в условиях техногенного воздействия II Физиология адаптогенеза растений на Крайнем Севере.-Апатиты: изд. КНЦ РАН, 1993. - с. 39-44.
46. Жиров В.К., Руденко С.М., Стеценко Т.А. Синтез и своболнорадикальное окисление липидов в связи с регуляцией зимнего нокоя тополей // Физиология адаптогенеза растений на Крайнем Севере,- Апатиты: изд. КНЦ РАН, 1993. - с. 6-12.
47. Zhirov V.K., Kuzmin A.V., Roudenko S.M., Kostjuk V.I. Biochemical characteristics of technogenic stress of agricultural plants in Kola region: a new approach to the problem of non-linear effects stress biology // Proc. of 2-nd Circumpolar Agricultural Conference, Sept. 4-7, 1995, Tromso. -Tromso, 1995. - p.
48. Zhirov V.K., Kuzmin A.V. "Physiological age" and systematic status of the birch trees in technogenic-violated areas of Kola Peninsula: a possible basis for a new classification approach // Abstracts of YIth Int. IOPB Symposium. - Tromso, 1995. - p. 60. .
49. Zhirov V.K., Roudenko S.M., Kuzmin A.V. Participation of free radical oxidation in plants damage and growth regulation // Abstract Book. The 2nd Int. Conf."Oxygen Free Radicals and Environmental Stress in Plants". -Vienna, 1996. - p. 36.
50. Zhirov V.K., Kuzmin A.V., Roudenko S.M., Kozlov M.V.,Panova T.V., Kazakov M.L. Free radical oxidation activity as a character test for the early stages of plants industrial stress estimation // Disturbance and Recovery of Northern Ecosystemsro - Kluwer, 1997. (в печати).
51. Костюк В.И., Жибоедов П.М., Жиров В.К. Фотосинтез и продуктивность картофеля на Кольском Севере // 1-я Всеросссийская коференция фотобиологов 28-30 мая 1996 г. Тезисы докладов. - Пугцино, 1996. - с. 94-95.
-
Жиров, Владимир Константинович
-
доктора биологических наук
-
Апатиты, 1997
-
ВАК 03.00.12
- Влияние промышленных загрязнений на состояние ассимиляционного аппарата сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) на Кольском полуострове
- Фенолого-морфологические аспекты адаптаций дендроинтродуцентов в условиях Кольского Севера
- Морфофизиологическая диагностика состояния хвойных в условиях аэротехногенного загрязнения
- Структурно-функциональные изменения растительности в условиях техногенного загрязнения на Кольском полуострове
- Пигментный аппарат вечнозелёных растений на Севере
