Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изменчивость пигмент-белковых комплексов хлоропластов мезофила инбредных линий кукурузы

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Изменчивость пигмент-белковых комплексов хлоропластов мезофила инбредных линий кукурузы"

\ 3 ФЕВ

і-' НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

; ІНСТИТУТ ФІЗІОЛОГІЇ РОСЛИН І ГВІЕТШІ

На правах рукопису

ПОРУБЛЬОВА Лариса Василівна

МІНЛИВІСТЬ ПІГМЕНТ-БІЛКОВИХ КОМПЛЕКСІВ ХЛОРОПЛАСТІВ МЕЗОТІЛУ ІНБРЕДНИХ ЛІНІЙ КУКУРУДЗИ

03.00.12 - фізіологія рослин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук

Київ - 1995

Робота виконана у відділі біохімії фотосинтеву Інституту фізіології рослин і генетики НАН України

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор

. Ко ч у бей Світлана Михайлівна

Офіційні опоненти: доктор хімічних наук, -

член-кореспондент НАН України Я с н и к о в Олександр Олексійович

. кандидат біологічних наук

Стасик Олег Остапович .

Провідна установа: Національний аграрний університет •

ы. Київ

Захист дисертації відбудеться <Л'"‘ > ‘ 1995 року

ка васідакні спеціалізованої вченої ради Д 016.67.01 по.аахисту дисертацій на вдобуття наукового ступеня доктора наук при Інституті фІБіології рослин 1 генетики НАН України ва адресою: 252022, Ки1в~22( вул. Васильківська, 31/17. •

З дисертацією ножна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізіології рослин і генетики НАН України. * .

Автореферат розісланий 1С96 року-

ШениД секретар слеціаіівоааної вченої ради

Труханоа В. А.

■ ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Актуальність і ступінь дослідленості тематики дисертації. Останнім часом все більше уваги в роботах багатьох вчених світу приділяється динаміці організації тилакоідних мембран при smIhI умов зовнішнього середовиїца. Проте, вараз відомі тільки зміни відносної кіль-ісості пігменг-білкових комплексів (ПБК) у складі фотосинтетичних мембран. Серед основних ПБК особливу увагу привертає світло-збиральний комплекс фотосистеми 2 (СЗК2). Протягом багатьох років вважалося, що він виконує тільки пасивну роль: збирає світло і передає його на реакційні центри. Проте, У 80-х роках з’явилися роботи Беннета, Аллена та деяких інших вчених щодо фосфорилювання поліпептидів СЗК2, які виявили регуляторну функцію фосфоридьованого комплексу у так званих' short-term процесах»- тобто у перебудовах мембранної системи тилакої-дів у ході здійснення світлової фази фотосинтезу 'протягом' досить коротких відрізків часу. В останній час з’явились дані, які дозволяють припустити, що СЗК2 може брати участь у регуляторних процесах, які розвиваються протягом більш довгих часових інтервалів. Це, головним чином, адаптаційні процеси, в реалізації яких бере участь генетичний апарат. Досить цікавими є дані про те, що поліпептиди світло-збирального комплексу кодуються мультигенною ядерною родиною так званих cab-генів, число яких перевищує кількість протеїнів в фотосинтетичних мембранах, які вдаєтьтся виявити біохімічними методами. У зв’язку 8 цим з’явилось припущення, що, можливо, це перевищення являв собою резервування генетичного потенціалу, який може бути реалізованим при тих чи інших стресових умовах. Було висловлено також припу-щения.-що реакцією на стрес може бути зміна відносної кількості основних поліпептидів СЗК2, які завжди присутні в фотосинтетичних мєм-бранах 1 досить легко виявляються. Таким чш-:ом,на сьогодні існув думка про те, що СЗК2 може приймати участь також і в регуляторних процесах, котрі мають адаптаційний характер.

За результатами робіт, в яких вивчали зміни відвезеної кількості ПЕК-в тилакоїдних мембранах, склалась думка, щр СЗК2 е одним з найбільш мобільних мембранних комплексів у реакціях фотосинтетичного апарату на вміну умов зовнішнього середовища. Так, вважалось, щр збільшення вмісту хлорофілу в листках, яке спостерігалося для ряду рослин при затіненні, обумовлене зростанням СЭК2 (Leong and Anderson, 1984), або ж, щр зменшення хлорофілу в умовах Дефіциту азоту обумовлене зниженням кількості СЗК2 (Plumley and Schmidt,1989). Проте, в роботах відділу біохімії фотосинтезу (Кочубей та ін.,1992) було виявлено, up зміни відносної кількості СЗК2 у тилакоїдних мембранах кукурудзи в залежності від інтенсивності освітленості мають рівну динамі-

д

ку для хлоропластів двох інбредних ліній кукурУ&и. Ці результати поставили питання про те, чи обумовлена динаміка СЗК2 реальними змінами його накопичення в мембранах, чи варіаціями його відносної кількості, які виявляються завдяки варіаціям також 1 інших ПЕК в цих умовах. Тому постала необхідність разом 1а змінами вмісту хлорофілу дослідити вміни саме накопичення окремих ПБК мембран тилакоїдів, а не вміни їх відносної кількості. Такі досліддення могли б стати основою для подальшого вивчення процесів біосинтезу цих важливих мембранних компонентів, а такоя механізмів його регуляції у відповідь на зміни умов вовніинього середовища. Поряд в цим було цікавій вивчити можливі варіації відносної кількості основних поліпептидів СЗК2 при рівних стресах для перевіріад ідеї про те, ер такі варіації можуть бути однією в адаптаційних реакцій.

Мета та основні вавлання наукових досліджень. Мета роботи полягала у о'ясуванні реакції фотосинтетичного апарату на три типи най-більи поширених стресів: затінення, зниженая рівня авотного живлення

1 вншекня температури в порівнянні в оптимальними. Планувалось вивчити ту частішу реакцій, яка торкалась змін накопичення ПБК їилакоід-іш меийрш в тим, щоб відповісти на питання: чи дійсно кількісні ва-

• - з -

рісці! СЗК2 даоть переважній вклад у зміни фотосинтетичного апарату, а також чи змінюється відносна кількість основних поліпептидів СЗК2. Для того, срО уникнути розбіжностей у результатах, які могли 0 бути зумовленими рівницею реакції па стрес у різних видів, дослідження були проведені з рівними інбредними лініями кукурудзи.

Згідно з цим були поставлені наступні завдання:

1. Дослідити зміна вмісту хлорофілів а і Ь в Інбредних ЛІНІЯХ кукурудви в залежності від освітленості, рівня азотного живлення і температури при вирощуванні.

2. Виявити вплив указаних умов вирощування на зміну вмісту основних пігмент-білкових комплексів у тилакоідних мембранах хлоропластів інбредних ліній кукурудзи.

3. Дослідити зміни відносної кількості основних поліпептидів світло-збирального комплексу хлоропластів інбредних ліній кукурудзи в залежності від умов вирощування.

Наукова новизна досліджень. Вперзе були проведені виміри вмісту в хлоропласті основних пігмент-білкових комплексів і було показано, що вміни концентрації хлорофілу в листях та хлоропластах при зниженні рівнів освітленості, азотного живлення та температури обумовлені од-носпрямованими змінами вмісту пігмент-білкових комплексів усіх типів, які кодуються як хлоропластним, таї? 1 ядерним геномами. Показано, цо ворма реакції на стрес є різною для ядерного та хлсропластного геномів і відрізняється в' різних генотип &х. Виявлено, що вміли відносної кількості основних поліпептидів світло-збирального комплексу рівні при дії різних стресів, і кількісні показники цих еиін відрізняються для рівних інбредній ліній, а також пов’язані з нормою реакції цілого світло-збирального комплексу. .

Теоретична та практична цінність досліджень. Одержані нові дані,

важливі для розвитку динамічної моделі організації фотосинтетичного

апарату вищіх рослин, а також шляхів регуляції його стаїу. Вкявлеикл іх-зіч ' " - . ' '

- 4 - ■ •

незалежності і специфічності регуляції хлоропластного 1 ядерного ге- , помів може бути* використане для одержання цікавих комбінацій при створенні гібридних рослин. ‘ '

Апробація роботи. За матеріалаші дисертації вроблені доповіді на

II в'їзді Українського товариства фізіологів рослин (Київ, 1993), а також на наукових семінарах відділу біохімії фотосинтезу та екології фотосинтезу. .

• Структура і_ обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із списку основних скорочень, вступу, літературного огляду, опису матеріалів та методів дослідження, трьох розділів експериментальної частини, закінчення, висновків, списку літератури, який містить 218 назв, в тому числі 203 зарубіжних. Робота викладена на 119 сторінках друкованого тексту і містить 13 таблиць, 11 малюнків.

Положення ■ яке виноситься на захист. Реакція на стрес пігментного апарату у мееофілшіх тканинах рослин кукурудзи виражається в зміні вмісту в тилакоїдних мембранах хлоропластів обох типів пігмент-білко-вих комплексів, які кодуються як хлоропластним, так і ядерним геномами. Змінюється також співвідношення мій пігмент-білковими комплексами завдяки рівниці у нормі реакції геномів обох типів. Ці зміни різні для рівних генотипів. . а

Особистий внесок дисертанта і розробку наукових результатів. Дисертант проробила відповідну літературу та оволоділа необхідними методами дослідження. Орала участь,у плануванні дослідів. Використовуючи технічну базу відділу та Інституту, вона самостійно виконала дисертаційну роботу. -

Об'єкти 1. методи досліджень. Об'єктами досліджень були Інбредні лінії кукурудзи (Zea mays) П346, F7, ЧК209, П502, які відрізняються за комбінаційною вдатністю. Рослини вирощували на вегетаційній пло-вддці протягом літніх сезонів 1092 1 1993 років, середня освітленість становила Слизько 100 Вт/м2 і ЗО Вт/м2 відповідно, а середня дені|а

- Б -

температура - відповідно 25-30°С та біля 18°С. В дослідах по вивченню впливу освітленості частина рослин притінялася до рівня до 9 Вт/м2 в дослідах 1992р. та 3 Вт/м2 в дослідах 1993р. Для вивчення впливу рівня азотного живлення рослини вирощували в пісчаній культурі. В пісок добавляли мінеральну суміш Гельрігеля. В дослідному варіанті рівень азо’гу становив 1/10 від рівня контролю. У дослідах по впливу температури рослини, які вирощували в теплиці при освітленості близько 90 Вт/м2 1 температурі 22-32°С протягом 3 тижнів.переносили на 10 годин в кліматичні камери ВКШ-1 та КНТ (температура 28°С і 5°С відповідно, освітленість ЗО Вт/м2).

Виділення хлоропластів мезофілу кукурудзи проводили з верхніх повністю сформованих листків 3-4-тижневих рослин за методикою (Островская та 1н.,1978). Концентрації хлорофілу визначали спектрофотометрично в спиртових екстрактах 8 наступним розрахунком по системі рівнянь Вінтерманса (Wlnthenrms,1964). Аналіз вмісту хлорофіл-білко-вих комплексів is суспензії, в якій попередньо підраховували кількість хлоропластів в одиниці об'єму, проводили шляхом електрофорезу у поліакрилачідному гелі за модифікованим методом Андерсон (Anderson J.М.,1980). Вміст ПБК в одному хлоропласті розраховували по площі під відповідними смугами на денситограмах, та відомих сумарної кількості хлорофілу і кількості хлоропластів, до були нанесені на трек геля. Ре-електрофорез зон хлорофіл-білкових комплексів, одержаних після електрофорезу 8а методом Андерсон, проведено у буферній системі 8а методом Лаеммлі (Laemili,i970). Запис кривих Індукції флуоресценції здійснювали на одиопроменевому приладі, який було зібрало у відділі біохімії фотосинтезу ІФРГ НАН України.

, :: ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ . . .

Вшзя 8!£ш>ння рівяя осзіглйіості на 8отосяггеіяч}шЯ егшрат. Виміри вмісту хлорофілу (Схл) в листях та хлоропластах при двох рівнях освітленості виявили, цз реакцією рослин кукурудзи на оатіисиня

2-315 . '

інших одинакових умовах в підвищення вмісту хлорофілу в листях та хлоропластах (таОл.1), хочаця реакція була рівною в різних лініях. Найсильніше на затінення реагувала лінія ЧК209, а реакція хлоропластів лінії П346 була найменшою. Вміст хлорофілу в листях та хлоропластах в дослідах 1993 р. був меншим на відміну від попереднього севону. Очевидно, більш низькі температури обумовили зменшення швидкості Сіо-синтеву хлорофілу, так що його накопичення навіть в умовах зниженої освітленості 1993 р. було більш ниаьким. Крім того, зміни Схл при затіненні більш значні для хлоропластів 1 слабше проявляються для листя. Можливо, це пояснюється ті, що реакція на затінення пов’язана не тільки 81 збільшенням Схл у хлоропласті, але і з варіаціями їх кількості в клітині, внаслідок чого 1 моке виникнути деяке вирівнювання відмінностей Схл в листях.

• Таблиця 1.

Вміст хлорофілу в хлоропластах та листях рівних Інбредних ліній кукурудБИ в валекності від освітленості

лист хлоропласт

Об’єкт 1992 1993 1992 1993

ЫГ/ДМ2 X ЫГ/ДМ2 X 10~10г хл-ст X 10'10г хл-ст X

П346 С" 3.1*0.2 ICO П346 Т* 3.5*0.2 113

F7 0 F7 Т

3.7*0.1 100 4.0*0.1 108

ЧК209 С 2.9*0.2 100 ЧК209 Т 3.3*0.1 114

П602 С П502 Т

3.7*0.1 100 4.1*0.2 111

2.8*0.2 100 3.1*0.2 111

3.2*0.2 100 3.9*0.З 122

2.5*0.1 100 3.0*0.1 120

3.2*0.1 100 3.4*0.1 106

12.5*1.0 100 17.2*1.0 138

12.7*1.3 100 24.6*2.2 103

10.7*2.0 100 24.7*2.3 231

9.4*1.З 100 15.0*3.0 160

9.7±2¡4 100 11.6*1.6 119

8.8*1.4 100 13.4*1.7 152

8.7*1.З 100 13.6*2.0 156

10.1*2.3 100 16.7*1.8 165

С, Т - освітленість 100 і 9 ВтЛг (1992р.) та ЗО і 3 ВтДг . (1993р.) ВІДПОВІДНО.

Таким чином, серії дослідів 1992 та 1893 років виявили відтвор»-

вахьні відмінності між лініями по вмісту хлорофілу на одиницю площі

листа та хлоропласт. .

Інбредні лінії в контрольних варіантах достовірно не відрізнялися ні за вмістом пігмент-білкових комплексів реакційних центрів (ПБК РШ, ні СЗК2 (табл.2). В умовах більш низьких температур 1993 р. ці значення були ниячі для всіх ліній, крім П502. При затіненні виявляється достовірне збільшення ПБК РЦ 1 СЗК2 для всіх ліній кукурудзи, окрім ПБК РЦ П346. В дослідах 1993 р. збільшення як ПБК РЦ, так і СЗК2 в затінених варіантах було значно меншим.

Таблиця 2.

Вміст пігмент-білкових комплексів у хлоропластах різних інбредних ліпій кукурудви в залежності від рівня освітленості

Об'єкт ПБК РЦ (ЇС1 + <ХС2) СЗК2 . ;

1992 1993 1992 1993

СпЕК* 7. СПБК 7. Сщзк Z СПБК Z

П346 С” 6.511.3 100 5.611.8 100 5.911.2 100 4.911.0 100

П346 І** 8.611.6 132 5.5И.0 100 8.711.2 147 5.410.9 110

F7 С б.ОН.2 100 3.810.8 100 6.611.6 100 4.110.7 100

F7 Т 9.3±0.7 155 5.4*1.3 142 15.312.2 230 6.1*1.Б 149

ЧК209 С 5.ОН. 1 100 3.8±0.8 100 5.6И.0 100 4.5Ю.9 100

ЧК209 Т 11.711.4 234 5.9И.2 155 13.011.5 232 7.410.8 164

ЇЇ502 С 4.911.2 100 5ч1±1.5 100 4.5И.4 100 5.411.5 100

П502 Т 7.910.6 161 8.2Ю.9 160 7.2Ю.7 160 8.211.0 150

Сдбк - вміст пігмент-білкового комплексу в хлоропласті в 1СГ10 г хлорофілу на хлоропласт, що відповідає кількості хлорофілу в пігмент-білкових комплексах в перерахунку на хлоропласт, розрахованого по плоті під полосо» на електрсфо-реграмі з відомою кількістю хлорофілу

** С,Т - освітленість 100 1 9 Вт/мг(1992р) та 20 1 3 Вт/м2(1993р) відповідно.

Аналіз результатів, отриманих в 1992 році, дозволяв дійти висновку, по мінімальні зміни ПБК РЦ і СЗК2 виявляються в лініях П346, максимальні - в ЧК209. В лініях ПЗІб 1 F7 сильніше збільшуються СЗК2, а в ЧК209 і' П502 приблизно однаково змінюються як ПБК РЦ, так і СЗК2. Цей характер змін підтверджується дослідами Ю'ЗЗ року, хоч 1 амплітуди 8Мін ПБК у хлоропластах були нижчими для всіх ліній, крім ПБ02, для якої 1 цього року спостерігалося приблизно тйкє саме ебі^пення г*-зів ■

обох типів ПЕК. Результати досліджень вмін ПЕК протягом ДВОХ СЄ30НІВ, акі.відрізнялися 8а Погодиным умовами, показують, що рівень накопичення обох ПЕК за несприятливих умов літа 1993р. був нижчим як в контрольних варіантах, так і в затінених порівняно в даними 1992 року. Причиною цього, очевидно, є зниження рівня біосинтезу компонентів ПЕК при зниженні температури. ’

Таким чином, всупереч досить поширеній думці про те, шо збільшення вмісту хлорофілу в листях при затіненні обумовлено зростанням СЗК2, мокна твердити, що в це збільшення дають вклад 1 ПЕК РЦ такоя. Причому, вростання в хлоропласті вмісту останніх може бути майже однаковим із вростанням СЗК2, як це можна бачити для ліній П346, П502 і ЧК209. Крім того, -для рівних генотипів, навіть в медах одного 1 того & виду, зростанння відносної кількості ПЕК рівних типів відбувається по-різному. Тобто норма реакції відповідних геномів різна.

Вішга рівші азотного юпшишя іп ¿отосзпгшшчшй апарат. Дефіцит азотного живлення вкюшкав значне зменшення Схл (тебд.З) як. в перерахунку на одиницю площі листа, . так і на хлоропласт. З таблиці видно, що і на цей стрес реакція Схл виявилася рівною для різних ліній: найменші зміни спостерігалися як в листях, так 1 хлоропластах лінії ЧК209, а найбільші - в лінії П502.

• ■ а •

Виміри вмісту ПБК з перерахунком на один хлоропласт показують, що зменшення рівня азоту викликало 8начне зменшення вмісту як ПЕК РЦ, так і СЗК2 (табл.4). Амплітуди змін були близькими за величино» в серіях дослідів 1992 та 1993 років. В обох серіях дослідів найменші зміни спостерігалися в хлоропластах ліній ЧК209. Найбільших змін зазнали ПЕК в хлоропластах ліній Ї7 та П502. Крім того, відрізнялися аа нормою реакції ПБК ТО та СЗК2, котрі, як відомо, кодуються хлоропластним та ядерним геномами відповідно. В хлоропластах ліній ¥7 1 ЧК209 в обох серіях дослідів спостерігалося більш вначяе зменшення реакційних центрів. В хлоропластах лінії 11346 в 1992 році спостерігалося сильні-

• Таблиця 3.

Вміст хлорофілу в хлоропластах та листях різних Інбредних ліній кукурудзи в залежності від рівня азотного живлення

Об'єкт лист хлоропласт

1992 1993 1992 ' 1993

мг/дм2 7. мг/дм2 7. 10"10г хл-ст 7. Ю"10г хл-ст X

П346 Н' 3.5±0.3 100 2.8Ю.2 100 17.113.3 100 9.7Ю.2 100

П346 Д 1.6Ю.7 46 0.9Ю.1 62 5.311.8 ЗО 2.4Ю.'2 25

F7 Н 4.1±0.1 100 3.2±0.3 100 9.512.4 100 8.811.4 100 '

F7 Д 1.6±0.1 40 0.7±0.1 22 2.0Ю.4 20 1.9Ю.5 20

ЧК209 Н 3.110.4 100 2.510.1 100 9.713.0 100 8.711.3 100

ЧК209 Д 1.4ЗД.З 45 0.7±0.1 28 6.011.9 60 3.6Ю.1 40

П502 Н 4.5Ю.2 100 3.2±0.1 100 15.513.8 100 8.4Ю.9 100

П502 Д 1.3±0.4 ЗО 0.9±0.1 28 2.8Ю.6 18 2.7Ю.2 32

*Н, Л - норма і 1/10 норми азоту в суміші Гельрігеля відповідно.

Таблиця 4.

Вміст пігмент-білкових комплексів в хлоропластах інбредних ліній кукурудзи в залежності від рівня азотного живлення

Об'єкт ПБК РЦ («СІ + 2С2) СЗК2

1992 1993 1992 1993

Спбк" 7. Спбк X Спбк X Спбк у

пз4б н*; 8.710.7 100 5.610.1 100 8.4Ю.1 100 4.911.0 100

П346 Д 3.311.3 38 1.310.2 23 2.1Ю.5 25 1.410.2 29

. F7 Н 5.613.1 100 3.8Ю.8 100 3.910.9 100 4.ПО.7 100

F7 Д 0.9Ю.5 16 0.810.1 21 1.1Ю.1 28 1.010.2 24

ЧК209 Н 4.3Ю.1 100 3.8Ю.8 100 5.410.2 100 4.5Ю.9 100

ЧК209 Д 2.5Ю.4 58 1.4Ю.1 37 3.610.7 67 2.ОЮ.4 45

П502 Н 8.111.0 100 5.111.5 100 7.411.1 100 5.411.5 100

П502 Д 1.310.4 16 1.010.1 20 1.510.6 £0 1.310.3 24

* Спбк ” значення вмісту ПБК в Ю“10г хл в хлоропласті, ше зменшення СЗК2, а в лінії П502 в обох серіях дослідів спостерігалося приблизно однакове зменшення ПБК обох типів. Тобто, накопичення білків СЗК2 в хлоропластах лінії ЧК209 виявилося найбільш стійким.

Таким чином, дефіцит азотного живлення призводить до вначного зменшення всіх ІШК: як ПБК РЦ, так 1 ПБК СЗК2. Причому, вклад у зниження вмісту хлорофілу в листях та хлоропластах дають як ПБК РЦ, так 1 СЗК2, що виявляється при порівнянні даних, наведених у таблицях З 1

4. Слід також відзначити, що накладення температурного стресу на ' стрес по азотному живленню викликає додаткове зменшення ПБК всіх типів і внижує ріг’ицю між падінням вмісту ПБК різних типів. В різних генотипах може відбуватися переважне зменшення або ПБК РЦ, або СЗК2, або обидва вони можуть зменшуватись приблизно однаково, як це мав місце для лінії П502. Тобто, навіть в межах одного і того ж виду рослин норма реакції хлоропластного 1 ядерного геномів на стрес є рівною для рівних генотипів. Крім того,вона може бути рівною для цих двох геномів у одного 1 того ж генотипу. Це, мабуть, свідчить про те, що шляхи регуляції Цих двох геномів різні.

Вплів температури на фотазаттічшйі спарат. Вивчення зміни вмісту хлорофілу в хлоропластах інбредних ліній кукурудзи показало, що при зниженні температури від 28°С до 5°С спостерігається зменшення цього параметру (табл. 5). Найбільші зміни були в хлоропластах лінії Г?, а найменші - в лінії П346. Відношення хл а/Ь достовірно не вмінавал ося. .

Таблиця 5.

Вміст хлорофілу та відношення хл а/Ь в хлоропластах інбредних ліній кукурудзи в залежності від температури вирощування

Об’єкт

Відношення хл а/Ь

Вміст хлорофілу

І0_10г/хлоропласт

П346 П346 28°С б°С 2.6 4 0.3 2.3 ±0.4 10.4 ±0.9 9.2 ± 0.3 100 90

Р7 Я7 ■ 28°С 5 °С 2.9 4 0.2 2.6 ±0.2 10.Б ± 0.9 7.6 4 0.8 100 70

ЧК209 23°С ЧК209 5°С 2.Б 4 0,1 2.6 ± 0,8 7.0 4 1,2 5.0 ± 0,6 100 80

П502 П502 28 °С 5 °С 2.8 ± 0,1 2.9 4 0,1 7.0 4 0,9 5.7 4 0,9 100 80

Перерахунок на хлоропласт показує, що при зниженні температури спостерігається зменшення вмісту всіх пігмент-білкових комплексів, причому ПБК реакційних центрів зменшується сильніше (таОл. б.). Ста-

' . Таблиця 6.

Вміст основних пігмент-білкових комплексів у хлороплаотах інбредних ліній кукурудзи в залежності від температури вирощування.

Об’єкт ПБК РЦ (ФС1+<ЕС2) СЗК2 Відношення ПБК -РЦ (ФС1+ ФС2) до СЗК2

Ю‘10Г Хл X 10'10Г ХЛ %

хлоропласт хлоропласт

П346 28°С 5.0 і 0.4 100 5.5 ± 0.3 100 0.9 ± 0.1

П346 5°С 4.3 ± 0.1 86 4.8 ± 0.1 87 0.9 ± 0.1

1=7 28°С 4.4 ± 0.3 100 5.5 ± 0.4 100 0.8 і 0.1

77 5°С 3.1 і 0.6 70 4.4 ± 0.5 80 0.7 ± 0.1

тистично достовірні відмінності між рівнями накопичення ПЕК у двох різних інбредних лініях спостерігаються тільки для суми ПБК реакційних центрів. Неможливість спостерігати достовірну різницю в накопиченні С8К2 обумовлена тим, що, мабуть, величина похибки методу підрахунку хлоропластів у суспензії дорівнює величині зміни кількості СЗК2. Реакція двох ліній кукурудзи на температурний стрес була рівною: якщо в хлоропластах лінії П346 спостерігається майже однаковий рівень зниження ПБК РЦ і СЗК2, то в лінії Р7 більш значним було зни-деиня вмісту ПБК РЦ. Відповідно вменшується в лінії Г? відношення ПБК РЦ до СЗК2. •

Та>™ чином, зниження вмісту хлорофілу є закономірною реакціє» рослинного організму на зниження температури. Крім того, так як і для других тилів стресу, можна твердити, що норма реакції є різною для хлоропластного 1 ядерного геномів і специфічною для рівних генотипів.

Вивчення кривих індукції флуоресценції (табл. 7) виявило зменшення параметрів і'Ру/Ро в "холодних" варіантах ліній П346 1

Т7 порівняно з контролем, що свідчить про зниження нециклічного

Таблиця 7.

Параметри кривих індукції флуоресценції хлоропластів інбредних ліній кукурудзи, вирощених 8а різних температурних умов.

Об'єкт Ру/Р шах X Ру/Ро X (Грі- Г0}/Ту X

П346 28°С 0.68±0.04 100 2.21±0.44 100 0.12 100

П346 5 С 0.57±0.01 84 1.30±0.10 59 0.24 200

¥7 28°С 0.62±0.03 100 І.бОіО.Ю 100 0.13 100

¥7 5°С 0.56±0.05 • 90 1.22±0.04 76 0.33 254

електронного транспорту, причому сильніше в лінії П346. Значних змін зазнав і такий параметр, як (РРі* Р0)/Ру, що відображає вміст Ов-не-відновлюючих реакційних центрів. Згідно Мелісу, Ррі рівень характеризує вміст в мембранах тилакоїдів так званої <ХС2В, яка містить у собі Ов-невідновлшчі реакційні центри і має зменшений пул світлозбираль-ного комлексу за рахунок втрати периферійного пулу. Параметр (Ррі'Ро)/Ру характеризує відносну долю ФС20 в порівнянні І8 ввичайноа 4С2, так званою <ІС2о(.. Більш сильне підвищення параметру (РРі-Ро)/Ту спостерігається для хлоропластів лінії Р7 при втаєнні температури,і тому слід вважати, що для цього варіанту має місце більше накопичення ФС2В (табл.7), тобто комплексу ФС2 зі зменшеним світлозбиральним комплексом. Згідно сучасних 'уявлень, зростання вмісту 5С20 в мембранах хлоропластів свідчить про посилення процесу фотоінгібування. Тому можна вважати на підставі даних таблиці 7, що при зниженні температури вростає фотоінгібування в хлоропластах обох ліній кукурудзи, причому сильніше для Р7. З цього випливає, що фотоінгібування дав вклад до спостереженого вниження нециклічного транспорту. І8 таблиці 7 також видно, що електронний транспорт сильніше вменшується для хлоропластів лінії П34В. Це означає, що хоча фотоінгібування для цього об'єкту менше, проте, очевидно, е інші чинники, які знижують електронний транспорт. До їх числа, зокрема, відносяться величина перетину поглинання і вміст комплексів «СІ і ФС2. Як випливає 8 таблиці'б, перший чинник майже не 8міюоться для П346 - співвідношення ПБК РЦ і

СЗК2 однакове для контролю 1 досліду, але спостерігалося зменшення відносної кількості ПБК РЦ ФС1 1 саме для того ПБК, котрий, як ми вважаємо,пов'язаний їв функціонуванням нециклічного транспорту. Для лінії Я7 цей ПБК майже не змінюється, а перетин поглинання навіть збільшується, завдяки відносному збільшенню СЗК2 (табл. 6). Тому можна припустити, що більше зниження електронного транспорту в хлоропластах лінії П346 відбувається саме завдяки зниженню вмісту реакційних центрів ®31. ' . -

Паса уі:оз игрсгагааиия па поліпептидшіЯ склад світлозвіфагмюго поітлсясу. Дослідження зміни основних поліпептидів СЗК2 - 27к0а 1 2Бк0а - у відповідь на зниження рівнів освітленості, азотного живлення та температури виявило досить значні відмінності у реакції ліній, які досліджувалися (табл. 8). Так, зниження рівня освітленості при вирощуванні рослин викликало збільшення співвідношення 27к0а/25к0а поліпептидів в СЗК2 у всіх лініях кукурудзи, ва винятком ПБ02, для якої спостерігалось зменшення цього співвідношення у есіх дослідах.

Таблиця 8. . , Вплив умов вирощування на відношення 27к0а/2Бк0а поліпептидів СЗК2 в інбредні« лініях кукурудзи

Об'єкт Умови вирощування ,

100/9 (Вт/м2)1"* ШО.ІМ** 280C/Б0CI,‘,

27к0а/25к0а X 27к0а/25к0а г 27к0а/2Бк0а X

П346 К* 1.86 ± 0.21 100 2.05 ± 0.41 100 1.84 ± 0.15 100

П346 Д 2.39.і 0.15 126 2.00 ± 0.34 97 2.12 ± 0.12 116

Р7 К 1.83 і 0.16 100 2.10 ± 0.21 100 1.00 ± 0.24 100

Г7 Д . 2.16 і 0.11 117 1.66 ± 0.24 76 2.76 і 0.18 14Б

ЧК209 К 1.76 ± 0.18 100 2.71 ± 0.24 100 • '

ЧК209 Д 2.16 і 0.20 122 1.33 і 0.12 49 “ -

П502 К 1.96 ± 0.12 100 1.06 ± 0.14 100 -

П502 Д 1.70 ± 0.24 86 1.64 ± 0.26 79 - ■ -

" К - контрольний варіант, Д - дослідний варіант;

• Чисельник - умови вирощування контрольного варіанту, знаменник - умови вирощування дослідного варіанту. .

хоча середня величина цієї зміни виявляється статистично недостовірною. Як було показано вище, вміст в хлоропластах світлозбирального комплексу збільшується при зниженні рівня освітленості. В наших дослідах зміни вмісту СЗК2 оцінювались на хларофільній основі. Проте, враховуючи відомий 8 літератури факт про існування корелятивного зв'язку між біосинтезом хлорофілу і апопротеїнів СЗК2, можна вважати, що вміст його п ліпептидів теж вбільшується 8а даних умов. Тому можна припустити, що збільшення співвідношення 27к0а/25к0а відбувається за рахунок більш сильного збільшення 27 кОа поліпептиду. Найбільші зміни у співвідношенні основних поліпептидів С5К2 були в лінії П346, для якої спостерігались найменші зміни вмісту хлорофілу та ПБК в хлоропластах.

Зниження рівня азотного живлення у всіх лініях без винятку викликає вмешпення співвідношення 27кБа/25к0а поліпептидів (табл. 8). Враховуючи той факт, що дефіцит азоту викликає зниження СЗК2, можна припустити, що такі зміни відбуваються за рахунок того, що зменшення 27кБа поліпептиду сильніше за зменшення 25к0а поліпептиду. Всі лінії мають різну амплітуду зменшення цього співвідношення. Так, якщо в лінії П346 співвідношення основних поліпептидів СЗК2 майже не змінюється, то в лінії ЧК209 воно зменшується майже вдвічі, а лінії та ■ П502, де ці зміни однакові, займають проміжне становище. Цікаво зауважити, що для лінії ЧК209 спостерігалось найменше зниження вмісту хлорофілу в листях 1 хлоропластах та вмісту СЗК2 в хлоропластах. Отже, можна відмітити, що менші за величиною зміни вмісту СЗК2 спостерігаються одночасно 8 найменшими варіаціями змісту 25кБа поліпептиду. Аналогічна ситуація має місце і для лінії П346 при затіненні.

Співвідношення 27к0а/25к0а поліпептидів зазнає збільшення при зниженні температури (табл.8), причому значно сильніше для лінії ¥7. Оскільки вміст всього СЗК2 в мембранах тилакоШв знижується при зниженні температури, можна припустити, що зміна співвідношення поліпеп-

- 15 - .

тидів відбувається за рахунок сильнішого вменпення поліпептиду 25 кЮа, що добре узгоджується з вимірами параметрів індукції флуоресцен- , ції, які свідчать про вростання кількості <ХС20, яка не містить периферійного пулу СЗК. до якого належить цей поліпептид.

Таким чином, характер внін вмісту 25 1 27 Ша поліпептидів відрізняється для різних стресів. Вміст 25 кОа поліпептиду змінюється слабше при зниженні освітленності і азотного живлення 1 сильніше при зниженні температури. Ці спостереження мажуть означати, що вказані поліпептвди беруть участь в адаптаційних процесах фотосинтетичного апарату. .

• ВИСНОВКИ

1. Реакція фотосинтетичного апарату інбредних ліній ісукурудзи на

зниження рівня освітленності характеризується підвищенням вмісту в хлоропласті обох типів' пігмент-білкових комплексів, які кодуються як хлоропласт»!, так і ядерним геномами. •

2. Реаіщія фотосинтетичного апарату на дефіцит азотного живлення характеризується зниженням емісту ПБК обох типів.

3. Реакція фотосинтетичного апарату на зниження температури характеризується зниженням вмісту ПБК обох типів.

4. Норма реакції на стрес кожного типу відрізняється для хлороп-ластного 1 ядерного геномів одного 1 того ж генотипу. Крім того, вона відмінна і для різних генотипів.

5. Різні типи стресів викликають неоднакові .зміни рівних частин гетерогенного га складом комплексу СЗК2. Ці зміни відрізняються за характероіі для різних генотипів.

• Список наукових праць, що відображають основні положення дисертації . 1. Порублева Л.В., Кочубей С.М. Вариации содержания хлорофилла в

листьях и хлоропластах инбредных линий кукурузы в зависимости от условий выращивания // Физиология и биохимия культурных растений.-

1994.- 26, N5.- С.434-438.

2. Порублева Л.В., Жукова Я.Ф., Кочубей С.М. Влияние освещенности и азотного питания на содержание пигмент-белковых комплексов.в хло-

~ропластах инбредных линий кукурузы// Физиология и биохимия культурных растений. - 1994. - 26, N5. - С.438-443. ■

3. Порубльова Л.В., Кочубей С.М. Зміна вмісту пігмент-білкозих комплексів в хлоропластах Інбредних ліній кукурудєи в залежності від освітлення // Тези доповідей II з’їзду Українського товариства фізіологів рослин. Київ, 1993 р. - Київ, 1993. - Том 1, С. 52-53.

Porublyova L.V. Changes of pigment-protein complexes In mesophyll chlorohlasts of inbred mayse lines.

The thesis for a Candidate of Sciences (Biology) on the speciality .

03.00.12 - plant-physiology. Inst, of Plant Physiology and Genetics of National Academy of Sciencies of Ukraine, Kiev, 1994.

Content of pigment-protein complexes (PPC) in chloroplasts from mesophyll tissues were measured for four inbred maize lines: L346,

F7, L502 and CHK209. Changes of PPC content induced by lower irradiance, nitrogen nutrition or temperature were revealed. The ratio changes of major polypeptides (25 and 27 kDa) of light-harvesting chlorophyll a/b complex (LHC II) were found as well. It was shown that the stresses induced content variations of both reaction center PPC and LHC II that were coded by chloroplast and nuclear genes respectively. It is found that.the rate of gene reaction In response to stress was different for both types of genes and distinct for various genotypes. 25kDa polypeptide content changes slighter under lowering irradiance and nitrogen level but It changes stronger under temperature lowering. The slightest changes of 25kDa polypeptide content are observed for variants in which the slightest changes of whole LHC II pool took place. The latter observation permits to_

' ' ' ; ■ . ; ' - ; ' i . : ; - 1-316 І

supposa that 25 and 27 kDa polypetldes take part in adaptation ôf photosynthetic apparatus to environment conditions.

Псрублёва Л.В. Изменчивость пигмент-белкоЕых комплексов хлоропластов незсфилла инбредных линий кукурузы.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата биологических наук

по специальности 03.00.12 - физиология растений, Ин-т физиологии рас. I

тений и генетики НАН Украины, Киев, 1994. •

Проведены измерения содержания пигмент-белковых комплексов в хлоропласте для мезофильных тканей четырёх инбредных линий куїсурузи: П346, -F7, ЧК209 и П502. Выявлены изменения этой характеристики, а также соотношения основных полипептидов (25 и 27 kDa) свето-собираю-¡цего хл а/Ь комплекса (ССК2) при снижении освещённости, уровня азотного питания и температуры. Показано, что эти стресы вызывают вариации содержания как ПБК реакционных центров, так и ССК2,.т.е. мембранных ПБК обоих типов, кодируемых і сак хлоропластным, та}! и ядерным геномами. Установлено, что норма реакции на стресс различается для обоих геномов и, кроме того, сказывается различной для разных генотипов. Показано, что при затенении и азотном дефиците сильнее изменяется содержание полипептида 27kDa,.а при понижении температуры г полипептида 2§kDa. Наиболее слабые изменения содержания последнего наблюдаются для вариантов наиболее слабых вариаций пула ССК2 в целом, для линии П346 при затенении и линии F7 при дефиците азота. Такой характер изменений может свидетельствовать об участии этих полипептидов процессах адаптации фотосинтетического аппарата к условиям внешней среды. Ключові слова:

хлоропласт, хлорофіл, пігмент-білкові комплекси, світлозбиральний комплекс, поліпептиди, стрес.'

■ Робота фінансувалась в Державного фонду фундаментальних дослід-жепь при ДКНТ України. '

Підписано до друку 11.01.95. Формат 60x84 1/16. Папір друк. Офсегяий друк. Ум.друк.арк.0,93. Тираж ІООприм. Зам.ЗІб.

ДВПП ДКНТ, 252171 Київ 171, вул. Горького, 180.