Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Неспецифический адаптационный синдром растений и общие закономерности реактивности клеток
ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений
Автореферат диссертации по теме "Неспецифический адаптационный синдром растений и общие закономерности реактивности клеток"
НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БОТАНИКИ им. В.Ф. КУПРЕВИЧА
РГБ ОД
2 7 ОКТ ^^577-152:581Л-001:581Л21:581-143:631-81
ПАХОМОВА Валентина Мпхайловпа
НЕСПЕЦИФИЧЕС1ШЙ АДАПТАЦИОННЫЙ СИНДРОМ РАСТЕНИЙ II ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕАКТИВНОСТИ КЛЕТОК
03.00.12 - физиология растении
АВТОРЕФЕРАТ диссертации, представленной на соискание ученой степени доктора биологических наук
Минск -1998 г.
Работа выполнена в Институте биологии КНЦ РАН и Ботаническо саду при Казанском государственном университете.
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук, академик НАНБ Конев C.B.
доктор биологических наук, профессор Юрин В.М.
доктор биологических наук Емельянов Л.Г.
Оппонирующая организация - Нижегородский государственный
университет им. Н.И. Лобачевского
Защита состоится « // » « // » 1998 г. в «/с>% час на заседанш совета по защите диссертаций Д 01.38.01 в Институт« экспериментальной ботаники им. В.Ф. Купревича HAH Беларуси не адресу: 220733 г. Минск, ул. Академическая, 27.
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научно* библиотеке им. Я.Коласа HAH Беларуси.
Автореферат разослан « № » « /(? » 1998 г.
Ученый секретарь
совета по защите диссертаций
Рогульченко И.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации. Практическое решение проблем вельского хозяйства не может быть эффективным без решения фун-иментальных задач физиологии растений. В настоящее время разработка этих задач неразрывно связана с расширением сельскохозяйственного освоения трудных в климатическом отношении территорий, з выращиванием растений в условиях широкомасштабного и многопланового обострения экологической ситуации, комбинированного воздействия неблагоприятных факторов. Потери урожая от неблагоприятных природно-климатических условий достигают 30-70% (Шевелуха, 1991). В связи с этим требуются углубленные исследования механизмов адаптации растений к повреждающим воздействиям, изучение их устойчивости при экстремальных или чрезвычайных условиях существования.
В современной адаптологии наибольшее вниманйё~уделяется проблеме стресса. Стресс является одним из научных понятий, который стал символом уходящего века. Учение о стрессе явилось мощным стимулом развития современной биологии. Несомненно, оно будет определять одно из основных направлений развития человеческой мысли века грядущего. Концепция стресса достаточно стара. Однако интерес к этой проблеме продолжает нарастать. Об этом свидетельствует огромное количество публикаций, настоятельно требующих объединения и осмысления. Кроме того, в последние годы получен важный фактический материал, требующий корректировки и развития некоторых ранее сделанных выводов. Для физиологии растений проблема стресса (неспецифического адаптационного синдрома) имеет особую актуальность, так как фитострессология находится еще в стадии становления. Понятие стресса здесь используют неоправданно широко и часто весьма вольно (Веселовский и др., 1993). Не решены многие ее фундаментальные аспекты. Только познав глубинные механизмы неспецифического адаптационного синдрома растений, молено рассчитывать на разумную помощь человека растению при неблагоприятных условиях существования, на плодотворный поиск способов увеличения их устойчивости.
Исследование адаптационного синдрома представляет существенное значение и для теоретической биологии, так как содержит данные для анализа одного из наиболее важных свойств живого -раздражимости (реактивности), т. е. способности реагировать на изменения внешней и внутренней среды. Адаптационный синдром
представляет собой реакцию клетки на действие различных раз др.. жителей (Браун, Моженок, 1987).
Постоянный интерес к изучению реактивности растений об; словлен следующими причинами. Во-первых, растения находятся постоянно изменяющихся условиях произрастания (температуры, ос вещения, влажности и др.). Во-вторых, растения агрофитоценозо подвергаются влиянию различных минеральных и органических в< ществ. В последние годы в практику растениеводства введено бол! шое число новых ксенобиотиков направленного действия. Исследс вание ответной реакции растений, неспецифических и специфиче ских характеристик ответа, его зависимости от видовых особенно стей и физиологического состояния объекта важно для обеспечени наиболее эффективного и безопасного их использования. Наконеи изучение ответной реакции растений на различные раздражители не обходимо для познания общих закономерностей реактивности живо] системы. При узкой специализации современной биологии потреб ность в понимании общих законов ощущается особенно остро. Сле дует подчеркнуть, что проблема раздражимости, многие годы почт забытая фитофизиологами, в настоящее время возрождается в связи интенсификацией исследований регуляции биосистем, поскольку ре активность является результатом интегральной деятельности все: систем регуляции.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Ра бота выполнялась при поддержке Международного научного фонда области точных наук (индивидуальный грант, 1994 г.) и образовани по программе «Соросовские доценты» (1997 г.). Исследования про водились по следующим темам: 1. Исследование взаимоотношени энергетического и ионного обмена растительной клетки с выявлени ем вклада мембранных каналов в этот процесс (1986-1990 гг.; про грамма «Фундаментальные "научно-исследовательские работы»; yi верждена Отделением биохимии, биофизики и химии физиологиче ски активных соединений АН СССР; № 01.87.0009071). 2. Выясне ние механизмов регуляции образования углеводов, белков и липидо в фотосинтезирующих тканях растений. Поиск, выделение и изуче ние механизма действия эндогенных регуляторов - пептидов и липи дов (1987-1990 гг.; шифр: 2.28.6.2; утверждена Отделением биохи мии, биофизики и химии физиологически активных соединений AI СССР; № 01.87.0 009070). 3. Клеточная стенка: биосинтез и функ циональная роль ее компонентов (1991-1995 гг.; утверждена РАН, Js 01.9.30 004740). 4. Исследование физиолого-биохимических осно
интродукции и акклиматизации растений с внедрением интродуцен-тов в народное хозяйство Татарстана (1996-1998 гг.; шифр: Ботсад-11; утверждена Госкомвузом РФ; № 01.9.60 002005). Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы - раскрытие механизмов стрессовой реакции растений и увеличения их устойчивости в ходе адаптации к неблагоприятным воздействиям. Главное внимание было сосредоточено на анализе неспецифических и специфических характеристик стресса.
Исходя из указанной цели, были поставлены следующие основные задачи:
- изучить функциональное состояние плазмалеммы и энергетического аппарата растительных клеток (определяющих в значительной степени их общее физиологическое состояние), а также клеточной стенки на различных этапах стрессовой реакции;
- выявить изменения метаболизма в условиях стресса;
- изучить особенности роста и морфогенеза растений при различных воздействиях и стрессовых условиях существования;
- исследовать влияние адаптогенных соединений на течение стрессовой реакции клеток растений;
- провести диагностику устойчивости некоторых сортов пшеницы различных экотипов к чрезвычайным условиям существования (энергетическому и субстратному голоданию), характеризующей их резервные возможности; "
- представить основные положения современной теории стресса в связи с общими законами реактивности клеток.
Объект и предмет исследования. В зависимости от конкретной задачи работы, объектами изучения были целые растения (проростки пшеницы и гороха) и упрощенные системы или модели (отсеченные корни проростков пшеницы, отсеченные листья алоэ, культура изолированных зародышей гороха). Основной объект изучения - отсеченные корни 4-7 дневных проростков пшеницы. Методология и методы проведенного исследования. Изучение проблемы стресса у растений включало как экспериментальные, так и теоретические разработки. Интенсивность дыхания определяли в аппарате Варбурга (Семихатова, Чулановская, 1965). Люминесценцию флавопротеидов и пиридиннуклеотидов измеряли методом люминесцентной спектроскопии (Карнаухов, 1978). Содержание калия в корнях оценивали методом озоления (Ермаков и др., 1972). К+ в среде определяли на пламенном фотометре. Измерение мембранного потенциала осуществляли стандартным микроэлектродным методом
(Пахомова и др., 1991). Определение тепловыделения проводили н микрокалориметре (Жолкевич, 1968), содержания глюкозы - методоА Бертрана (Ермаков и др., 1972). Продолжительность жизни пророст ков и отсеченных корней оценивали по функциональному состоянии корневых клеток, которое определяли микроэлектродным методом I по окрашиванию тканей тетразолом (Третьяков и др., 1982). Гибел] клеток оценивали микроскопически. Эксперименты по ассимиляцш 14С02 проводили по методике Вознесенского с соавт. (1965). Клеточ ные стенки экстрагировали и фракционировали по методу ЭДвЬйаш Майиёа (1982). Для полуколичественного определения кетоновьп тел в растительных тканях предложено использование метода, осно ванного на применении диагностических полосок КЕТОФАИ («ЬасЬета», Чехия). Изменение рН среды не влияет на их окраску Количественное определение ацетона в листьях проводили предва рителыюй перегонкой и титрованием по методу, описанному Дроздовым и Матеранской (1970). Содержание хлорофилла определял! спсктрофотометрическим методом, оводненность и содержание сухо го вещества - весовым методом. Объем корней измеряли объемоме ром Сабинина - Колосова (Гродзинский, Гродзинский, 1973). Куль туру изолированных зародышей и проростков гороха выращивали пс методу Здруйковской-Ршггер (1974) и Калинина с соавт. (1980), про ростки пшеницы - в водной культуре (Алексеева и др., 1984), проро стки гороха в нестерильных условиях - в водной культуре (Пахомов; и др., 1996) и на влажной фильтровальной бумаге (Пахомова, Рудае ва, 1988).
Научная новизна и значимость полученных результатов. Прове денная работа явилась одной из первых попыток построения обще* теории стресса. Выдвинуто положение о том, что продукты катабо лизма в условиях стресса могут являться стресс-лимитирующим! факторами клеток растений.
Предложена простая и удобная модель для изучения общих за кономерностей неспецифического адаптационного синдрома - отсе ченные корни растений. На примере этой модели установлены об щие закономерности функционирования биосистем в условюгх голо дания.
Предлагается считать голодание одним из биологических стрес совых факторов растений. Полученные в работе данные проливаю' свет на недостаточно изученную физиологию голодания растений Впервые показана специфическая особенность хронического голода ния гетеротрофных растительных клеток - метаболизация компонен
тов клеточной стенки как возможных резервных источников эндогенного питания. Проведена диагностика устойчивости некоторых сортов пшеницы к энергетическому и субстратному голоданию. Впервые показано явление кетоза как специфической особенности стрессового состояния растительных тканей в условиях голодания при пониженной температуре среды. Предложена его экспресс- диагностика в растительных тканях.
При использовании отсеченных корней в качестве модели исследования стрессовой реакции растительных клеток получены данные, проясняющие сущность ее механизмов. Установлено, что репарационные процессы клеток отсеченных корней (восстановление мембранного потенциала, ионного гомеостаза и поглотительной функции) в ходе неспецифического адаптационного синдрома зависят от энергетического состояния клеток, а явления суперкомпенсации (гиперполяризация мембран и развитие поглотительной способности) - от синтеза белка. Явления суперкомпенсации рассматриваются как структурно-функциональный «след» многочасовой адаптации отсеченных корней. Высказано предположение о том, что эти явления связаны с синтезом короткоживущего белка(ов), регулирующего электрогенез клеток. Впервые получены данные, свидетельствующие о том, что при многочасовой инкубации отсеченных корней происходит изменение состояния электрогенного. К+/Н+-обмена - от электрического сопряжения (3-4 ч) до химического сопряжения, (5-6 ч). Выдвинута гипотеза, согласно которой режим функционирования транспортной Н+-АТФазы может зависеть не только от содержания К+ во внешней среде, но и от исходного физиологического состояния клеток корней. Показано изменение режима функционирования ми-тохондриального аппарата в клетках корней (in vivo) в этих условиях. Рассматривается один из механизмов сдерживания окисления глюкозы в условиях голодания, связанный с изменением метаболического состояния митохондрий. Впервые выдвинуто предположение о переходе митохондрий в стрессовое состояние в клетках растений при неспецифическом адаптационном синдроме. Установлено, что изменения барьерной функции плазмалеммы, режима функционирования ее Н+-насосов и митохондрий, а также степени энергизации клеток обусловливают изменение физиологического состояния и реактивности клеток корней. В зависимости от физиологического состояния корней дыхательные яды могут действовать как ингибиторы или активаторы функциональной активности клеток (или не влиять на нее). Получены данные, свидетельствующие о снижении эффекта Пастера на началь-
ном этапе неспецифического адаптационного синдрома клеток ко; ней.
Обосновано положение о том, что изменения, наблюдающие< на начальном этапе обратимой альтерации клеток растений (в ci стоянии физиологической депрессии) имеют в значительной степей защитно-приспособительное значение.
Впервые показана возможность экзогенной регуляции неспещ фического адаптационного синдрома клеток отсеченных корней помощью дибазола - соединения, относящегося к классу адаптогено
Зарегистрировано изменение морфогенеза проростков горо> (ветвление побега) в стрессовых условиях (в культуре in vitro). Уст; новлено, что это явление обусловлено влиянием термостабильног биологически активного фактора(ов) предположительно пептидно природы, выделяемого в среду культивирования и выступающего качестве специфического регулятора роста и развития. Практическая значимость полученных результатов. Показан возможность использования мембранного потенциала для диагност* ки разных состояний растительных клеток. Функциональное состо* ние растений необходимо учитывать при применении различны соединений в научно-исследовательской работе (в частности, инп биторов различных процессов) и в растениеводстве (минеральны удобрений, фунгицидов и т.п.). Выдвинутое в работе положение о адаптивном значении увеличения проницаемости мембран на ш чалыюм этапе неспецифического адаптационного синдрома клето указывает на необходимость корректного использования в практик сельского хозяйства соединений, оказывающих стабилизирующе действие на мембраны.
Разработана доступная методика диагностики устойчивост различных сортов пшеницы к чрезвычайным условиям существова ния (энергетическому и субстратному голоданию), характеризующе их резервные возможности. Предложена экспресс-диагностика кетоз растительных тканей. Предложено использование гадолиния в каче стве блокатора пассивной протонной проницаемости плазмалемм! клеток при исследовании ее транспортных механизмов.
Полученные на модельной системе данные позволяют рекомен довать испытание в полевых условиях дибазола как соединения, бла гоприятно влияющего на течение неспецифического адаптационноп синдрома растений и увеличивающего их адаптивную устойчивость i действию неблагоприятных факторов.
В практику научно-исследовательской работы предложена простая и удобная модель исследования стрессового состояния растений - отсеченные корни. Эту модель можно рекомендовать и для исследования разных режимов функционирования внутриклеточных систем, их переходных состояний и поиска эндогенных регуляторов этих систем. Не исключено, что использование изолированных корней может быть полезным в решении и прогнозировании некоторых вопросов медицины, связанных с проблемой голодания. Полученные данные о фазных изменениях физиологического состояния отсеченных корней необходимо учитывать при работе с изолированными органами и тканями, являющимися популярными объектами биологических исследований.
Полученные в работе данные о неспецифической ответной реакции ростовой функции растений на различные раздражители и ее сезонной зависимости необходимо учитывать при проведении работ по скринингу биологических регуляторов во избежание некорректных выводов.
Описанные результаты рекомендуется использовать в научных учреждениях АН и АСХН России и Беларуси. Основные положения общей теории стресса, представленные в диссертации, могут быть использованы в ВУЗах для лекционных курсов по стрессологии биосистем.
Основные положения диссертации., выносимые на защиту.
1.При отсечении корней наблюдается типичная стрессовая реакция. Отсеченные корни могут служить удобной моделью исследования общих закономерностей функционирования клеток в условиях стресса. Специфической особенностью стрессовой реакции гетеротрофных растительных тканей в условиях голодания является ме-таболизация компонентов клеточной стенки как резервных источников эндогенного питания.
2. Состояние физиологической депрессии клеток корней в условиях стресса имеет защитно-адаптивное значение. В этой фазе неспецифического адаптационного синдрома в ходе катаболизма происходит образование полифункциональных соединений, обладающих стресс-лимитирующим действием и регулирующих анаболические процессы клеток в стадии резистентности.
3.В ходе неспецифического адаптационного синдрома отсеченных корней происходят изменения барьерной функции плазмалеммы, режима функционирования ее Н+-насосов и митохондрий, а также
степени энергизации клеток, обусловливающие изменение реак тивности, устойчивости и физиологического состояния клеток i целом.
4. Любой стресс наряду с неспецифическими изменениями характе ризуется определенными особенностями (в частности, изменение!^ морфогенеза растений в культуре in vitro и явлением кетоза в уело виях голодания растительных тканей при пониженной температуре).
Личный вклад соискателя. Измерение люминесценции флавопро-теидов и пиридиннуклеотидов проводили в лаборатории микроспек-тралыюго анализа Института биофизики РАН (г. Пущино-на-Оке) совместно с с.н.с. К.Б. Асланиди; измерения мембранного потенциала - н.с. Инсгшута биологии КНЦ РАН (КИБ КНЦ РАН) А.Н. Ценце-вицким, тепловыделения - совместно с асс. кафедры физиологии растений КГУ Д.В. Пахомовым. Исследование ростовой функции и морфогенеза проростков гороха проводилось в группе регуляции раннего онтогенеза растений КИБ КНЦ РАН (с участием Рудневой С.Э., Гошох A.A., Стариковой H.A.), руководимой соискателем. В работе также принимали участие студенты КГУ и КГСХА (Кротова Ю.В., Кольцова Н.В., Лосева Н.В.), выполняющие в разные годы дипломные работы под руководством соискателя. Остальные исследо-
вания провепры самостоятел мали участие
но. В обсуждении результатов прини-Л.Н. Воробьев!, Л.Х. Гордон, И.А. Чернов, Ф.Д. Самуилов. Всем вышеперечисленным коллегам соискатель выражает глубокую признательность.
Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации были представлены на ежегодных отчетных конференциях Института биологии КНЦ РАН (Казань, 1982-1994 гг.), Всесоюзных конференциях молодых ученых (Казань, 1983, 1988; Пущино, 1984; Москва, 1990), итоговой научной конференции Казанского филиала АН СССР (Казань, 1984), республиканской научно-производственной конференции молодых ученых (Казань, 1984), Всесоюзных Саби-нинских семинарах (Москва, 1984-1987), Казанском отделении Всесоюзного биохимического общества (Казань, 1986), Всесоюзных школах-семинарах (Звенигород, 1984-1986), 2 Съезде Всесоюзного общества физиологов растений (Минск, 1990), 3 Съезде Всероссийского общества физиологов растений (Санкт-Петербург, 1993), ежегодных отчетных конференциях Казанского государственного университета (Казань, 1995-1997), Международном рабочем совещании по дыханию растений (Сыктывкар, 1995), симпозиуме «Биология
клетки в культуре» (Санкт-Петербург, 1995), симпозиуме «Биологическое разнообразие. Интродукция растений» (Санкт-Петербург, 1995), ежегодных симпозиумах «Физико-химические основы физиологии растений и биотехнология» (Москва, 1996-1997), республиканской научной конференции «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан» (Казань, 1997), Юбилейной конференции Казанской государственной сельскохозяйственной академии (КГСХА), посвященной 75-летию (Казань, 1997), ежегодной отчетной конференции КГСХА (Казань, 1998).
Опублпкованность результатов. По материалам диссертации опубликовано 46 работ (24 статьи в научных журналах, 9 статей в сборниках, 13 тезисов докладов и выступлений на конференциях), 3 работы находятся в печати. Опубликованные материалы занимают 288 стр. печатного текста.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 211 страницах текста и состоит из общей характеристики работы, 5 глав и заключения. В работе представлено 19 таблиц, 33 рисунка и 4 фотографии, занимающих 53 страницы текста. Количество использованных источников - 544.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Два состояпия электрогепного КГУН^-обмеда клеток отсеченных корней пшепицы в ходе многочасовой пикубаппп
Отделение корней от интактного проростка, несомненно, является стрессовым воздействием, вызывая падение мембранного потенциала (« на 15-20 мВ; Ет интакгных корней - -84±4 мВ), нарушение ионного гомеостаза клеток (выход К+ более 2 мкэкв/г сырой массы) и поглотительной способности (корни в 1-2 ч инкубации практически не поглощают К+ из экзогенной соли К2804 (0,2 мМ)). В некоторых случаях наблюдается выход эндогенного К+ в солевой раствор (до 1,3±0,1 мкэкв/г сырой массы). Утечка К+ связана с увеличением проницаемости мембран в начальный период после отсечения корней. Уменьшение в 2 раза выхода К+ в это время специфическим блока-гором калиевых каналов тетраэтиламмонием (ТЭА; 10 мМ) свидетельствует о том, что одной из причин увеличения проницаемости является, по-видимому, открывание каналов. Кроме того, известно, что при уменьшении мембранного потенциала возрастает вероят-
ность пребывания ионных каналов в открытом состоянии (Воробье. 1988; Юрин и др., 1991).
Снижение мембранного потенциала, поглотительной активно сти и нарушение ионного гомеостаза отсеченных корней в первые ча сы инкубации (1-2 ч) свидетельствуют об ингибировании элекгрс генной Н+-помпы плазмалеммы клеток (установлена ее решающа роль в определении этих явлений (Воробьев, 1988; Опритов и др 1991)).
В дальнейшем, с увеличением времени инкубации (34 ч) прс исходит восстановление исходных физиологических показателе клеток корней. То есть выход К+ из клеток отсеченных корней в нг чальный период инкубации имеет обратимый характер, а, следовг телыю, происходит без нарушения целостности плазматических мем бран (Никольский, 1977; Levitt, 1980). Поглощение К+ в это врем идет, по всей вероятности, но К+-каналам. Об их открытом состояни свидетельствует подавление притока калия в этот период ТЭА, та как соединения этого типа блокируют только открытые К+-канал] (Воробьев, 1988). Поглощение К+ в этот период не сопряжено с изме пением рН внешней среды.
Через 5-6 ч инкубации наблюдаются явлени «суперкомпенсации» - гиперполяризация мембран (до -100 - -110 мВ и усиление поглотительной способности (более 7 мкэкв К+/г сыро массы). Приток К+ в этот период (на фоне валиномицина (ВМ; 0,0 мМ) и без него) сопряжен с подкислением внешней среды и не блс кируется ТЭА (что свидетельствует о закрытии К+-каналов ). Приче! ингибитор Н+-АТФазы плазмалеммы дициклогексилкарбодиимц (ДЦКД, 0,1 мМ) блокирует подкисление среды.
Таким образом, собственные и литературные данные свидетель ствуют о том, что в процессе многочасовой инкубации отсеченны корней, по всей вероятности, происходит изменение состояния элек трогенного К+/Н+-обмена - от ингибированного (1-2 ч после отсече ния) до химического сопряжения (5-6 ч) через промежуточное сс стояние электрического сопряжения (3-4 ч).
Эксперименты с непроникающим акцептором электронов фер рицианидом (5 мМ) показывают и изменение активности редокс-цеп плазмалеммы клеток отсеченных корней в ходе адаптации. На свежс отсеченные корни феррицианид влияет слабо. Через 5 ч инкубаци корни отвечают на его присутствие снижением поглощения 02 (н 30%) и рН среды инкубации (на 2 ед. рН).
К вопросу о существовании белка, гнперполярпзующего клетки
отсеченных корней в ходе многочасовой инкубации
В первые 2 ч инкубации ингибитор синтеза белка на 80S-рибосомах циклогексимид (ЦТ; 12 мг/л) практически не действует на мембранный потенциал корневых клеток: на его фоне, как и в контроле, происходит восстановление Ет до уровня интакгных корней. Поглощение К+ в этот период на фоне ЦТ больше по сравнению с контролем (0,25 мМ СаС12). На наш взгляд, это может быть обусловлено увеличением содержания внутриклеточного АТФ при подавлении синтеза белка (Диденко, 1979; Chastain et al., 1981). Некоторое возрастание фонда АТФ, по-видимому, может способствовать энергообеспечению транспортных процессов. Таким образом, есть основания полагать, что такие репарационные процессы, как восстановление мембранного потенциала, ионного гомеостаза и поглотительной функции не зависят от синтеза белка.
Ингибитор 1-го сегмента электрон-транспортной цепи митохондрий ротенон (0,02 мМ), в отличие от ЦГ, значительно увеличивает выход внутриклеточного калия, и на его фоне не происходит восстановления мембранного потенциала (до уровня Ет интакгных корней) и ионного гомеостаза ко 2-4 ч инкубации. Снижение энергетического уровня на фоне ротенона препятствует репарационным процессам в наших экспериментах. Следовательно, восстановление мембранного потенциала и ионного гомеостаза, определяемых функционированием НГ-АТФазы плазмалеммы, зависит от энергетического состояния клеток. Ингибирование активносга Н+-помпы на начальном этапе инкубации может быть обусловлено снижением уровня АТФ в клетках (Gronewalld, Hanson, 1982; Полыгалова и др., 1991) в связи с нарушением энергетических процессов.
Через 3 ч непрерывного действия ЦГ снимает гиперполяризацию клеток, наблюдающуюся в это время в контроле, и блокирует развитие поглотительной способности. Описанные явления не связаны с нарушением энергетических процессов в клетках корней. На фоне ЦГ регистрируется полное ре-поглощение вышедшего эндогенного калия. В дальнейшем утечки К+ не наблюдается. Таким образом, явления суперкомпенсации (гиперполяризация мембран и развитие поглотительной способности) в ходе многочасовой инкубации корней зависят от синтеза белка и их можно рассматривать как структурно-функциональный «след» многочасовой адаптации клеток.
ЦГ, добавленный после предварительной 3-часовой инкубаци корней в контрольном растворе, начинает деполяризовать мембран приблизительно через 1 ч. В то же время наиболее эффективный ш гибитор синтеза белка 2-(4-метил-2,6-динитроанилино)-1^ метилпропионад полностью блокирует выход Н+, деполяризует мем брану и ингибирирует поглощение К+ уже через 8-10 мин (Chastain с al., 1981).
Изложенное позволяет предположить, что в процессе многоча совой инкубации отсеченных корней синтезируется короткоживугцш белок (белки), без которого элеюрогенез невозможен. Не исключено что он может входить в состав комплекса, образующего Н+-насос.
Действие гадолиния на некоторые функциональные характеристики клеток отсеченных корней
Проводилось сравнительное изучение действия ингибитора синтеза белка ЦГ и гадолиния (модификатора, способного блокировать ионные каналы плазмалеммы) на функциональные показатели клеток корней в ходе многочасовой инкубации. Гадолиний относится к семейству лантанидов. Известно, что лантаниды не проникают внутрь клеток и применяются в качестве «маркеров» внеклеточного пространства (Du Pont, Leonard, 1977).
Ионы гадолиния (1 мМ) вызывают снижение дыхания отсеченных корней (на 13-17%). На фоне гадолиния сохраняется стимуляция 2,4-ДНФ (0,005 мМ) потребления кислорода корнями (60 %), что свидетельствует о наличии в клетках энергетической регуляции дыхания, характерной для интактных митохондрий (Скулачев, 1969; Семихатова, 1967).
В присутствии ионов гадолиния происходит подкисление инкубационной среды (на 0,6-1,2 ед. pH), связанное, вероятно, с вытеснением протонов из клеточной стенки (Егорова, 1983). Перенос протонов внутрь клеток в присутствии ионов гадолиния возможен только с помощью протонофора (2,4-ДНФ снимает подкисление среды инкубации корней, вызванное гадолинием).
На фоне гадолиния наблюдается гиперполяризация мембран (на 20-30 мВ больше, чем в контроле), обусловленная, по всей вероятности, блокированием ионами этого металла пассивного переноса Н+ в клетки корней. Возрастание мембранного потенциала снимается 2,4-ДНФ.
На основании изложенного можно полагать, что ингибирование I дыхания корней гадолинием является, главным образом, следствием снижения энергетических затрат на активный выброс протонов из клеток в результате блокирования пассивной протонной проницаемости плазмалеммы.
Энергетическое состояние клеток отсеченных корней
В начальный период инкубации (первые 2-3 ч) разобщитель окислительного фосфоршшрования 2,4-ДНФ (0,1-0,05 мМ) не оказывает влияния на поглощение Ог отсеченными корнями пшеницы (оно составляет » 540 мкл 02/г сырой массы). В это время регистрируется высокое значение (105%) Q/E (доли теплопродукции от общего количества выделяемой при дыхании энергии, характеризующей эффективность дыхания (Жолкевич, 1968)).
К 4-5 ч инкубации проявляется стимулирующее (40% и более) действие 2,4-ДНФ на дыхание корней и снижается Q/E (до 71%). Параллельно происходит усиление потреблен™ 02 корнями (« на 120 мкл/г сырой массы). К 6-7 ч наблюдается снижение интенсивности дыхания до уровня 1-3 ч и увеличение Q/E (до 99%).
В начальный период инкубации (1-2 ч) дыхательные яды (антимицин А, 0,02 мМ; малонат, 0,025 М; цианид, 3 мМ; аминазин, 0,1 мМ) вызывают подавление дыхания корней (« на 30-54%). Через 5 ч инкубации в контрольном растворе ответная реакция корней по потреблению 02 на действие ядов становится «парадоксальной» - наблюдается стимуляция дыхания (на 14-104% в зависимости от яда).
Одним из индикаторов состояния митохондрий in vivo является отношение интенсивности люминесценции флавопротеидов к таковой пиридиннуклеотидов, обозначаемое с, (пиридиннуклеотиды лю-минесцируют только в восстановленном состоянии, а флавопротеиды - только в окисленном) (Карнаухов, 1978). Показано, что увеличение £ отражает возрастание активности митохондрий и наоборот, поскольку при активизации редокс-цепи митохондрий происходит повышение концентрации окисленных форм пиридиннуклеотидов и флавопротеидов (Chance, Williams, 1956; Карнаухов, 1978). Величина ^ в наших экспериментах варьирует от - 0,12 (7 ч инкубации) до f 0,04 (1 ч). Отрицательное значение Ç (Ç = (1>.53о - O,5xl>470)/ÍM70) обусловлено значительным преобладанием интенсивности излучения пиридиннуклеотидов (1шо), а следовательно, большей степенью их восстановленности, поскольку интенсивность люминесценции про-
порциональна количеству нуклеотидов (Chance, Williams, 1956). Уве личение \ до положительных значений обусловлено окисление? флавопротеидов и пиридиннуклеотидов. Исходя из этого можно по лагать, что в первые 1-2 ч инкубации корней ЭТЦ митохондрий на ходится в активном состоянии, а через 6-7 ч наблюдается торможе ние ее активности.
Действие антимицина А в первые 2 ч сопровождается снижени ем величины Ь, (до - ОД 4) и дыхания (на 54%), что свидетельствует с торможении транспорта электронов в этих условиях. Антамицин А добавленный через 5 ч, приводит к увеличению значения Е, до + 0,02 и потребления 02 корнями (на 14-32%), что говорит об активизации редокс-цепи митохондрий. Монойодацетат (МИА; 0,2 мМ) в первые 2 ч инкубации корней практически не влияет на величину
Ингибиторы гликолиза МИА (0,2 и 1 мМ) и NaF (0,05 M) снижают потребление 02 корнями (г» на 30% и 50%, соответственно) в 12 ч инкубации. Как известно, на основании степени подавления ингибиторами того или иного метаболического пути можно судить о его относительном вкладе в общий метаболизм клетки (Семихатова, 1969). Таким образом, можно полагать, что в первые часы инкубации наблюдается активное функционирование гликолиза в клетках корней (неполный эффект Пастера).
Анализируя представленные данные, можно заключить, что при многочасовом инкубировании отсеченных корней имеет место фазное изменение их энергетического статуса. Мы полагаем, что в 1-3 ч происходит некоторая декомпенсация энергетического обмена клеток корней, связанная с их отсечением от целого проростка. К 4-5 ч наблюдается его значительная компенсация. К 6-7 ч клетки корней переходят в новое энергетическое состояние, в определенной степени обусловленное снижением активности митохондрий. Последнее, по всей вероятности, приводит к сдерживанию окисления глюкозы (содержание глюкозы в корнях - « 1 мг/г сырой массы в течение всех 7 ч инкубации), что очень важно в условиях голодания клеток отсеченных корней (без притока органических веществ из надземных фо-тосинтезирующих частей проростка и семядоли).
Функпиональное состояние клеток отсеченных корней и специфичность действия ядов В 1-3 ч инкубации дыхательные яды действуют специфически на дыхание корней, подавляя или не влияя на него; при этом наблюдается значительная потеря эндогенного калия (5-15 мкэкв/г сырой
массы). Специфичность действия этих ядов в используемых нами концентрациях на соответствующие участки редокс-цепи митохондрий клеток отсеченных корней пшеницы была показана Л.Х. Гордоном (1976). Через 5 ч преинкубации корней в контрольном растворе наблюдается однотипная реакция (стимуляция поглощения 02) под влиянием веществ, различных по характеру влияния (разобщителя 2,4-ДНФ, ингибитора переноса электронов антимицина А, мембрано-тропного соединения аминазина, калиевого ионофора ВМ и системных фунгицидов байлетона (5 мМ) и витавакса (5 мМ)). Установлено, что используемые нами фунгициды действуют как ингибиторы 1-го сегмента электрон-транспортной цепи митохондрий клеток отсеченных корней пшеницы (Сафина-Осташейская, Гордон, 1984). Во всех случаях при этом регистрируется меньший выход К+ (0,25-8 мкэкв/г сырой массы или его отсутствие) по сравнению с таковым в начальный период инкубации корней в растворе ядов.
По нашему мнению, причина резкой смены реактивности клеток обусловлена изменением функционального состояния клеток корней в ходе многочасовой инкубации - барьерной функции плаз-малеммы, режима функционирования ее Н+-АТФазы и метаболического состояния митохондрий. При увеличении проницаемости плаз-малеммы в первые 2 ч инкубации корней, а следовательно, при нарушении ее барьерных свойств яды проникают в клетки корней и блокируют митохондриальное дыхание, вызывая еще большее нарушение ионного гомеостаза. Через 5-6 ч инкубации при увеличении мембранного сопротивления, а следовательно возрастании барьерной функции плазмалеммы, поступление ядов в клетки, по всей вероятности, затруднено. Яды, добавленные через 5 ч, приводят к деполяризации мембран (2,4-ДНФ и антимицин А деполяризуют мембрану с -94±7 мВ в контроле до -60±4 и -65±3 мВ соответственно) и, в результате, к потере клетками К+. Считается, что выход К+ из клеток является первым оперативным сигналом активации ГГ-АТФазы плазмалеммы клеток высшего растения на действие стрессора (Опритов и др., 1994). Последнее, по всей вероятности, вызывает активирование Н+-насоса клеток отсеченных корней и, в конечном итоге, митохондрий. Это подтверждается экспериментальными данными: стимуляция дыхания под влиянием ядов, добавленных через 5 ч, снимается цианидом и малонатом. Блокирование дыхания малона-том (специфическим ингибитором сукцинатдегидрогеназы) указывает на активизацию окисления сукцината. Таким образом, в данный
период ингибиторы митохондриального дыхания действуют как его. активаторы (в результате опосредованного влияния).
Активизация митохондриального дыхания, по всей вероятности, вызывает «снятие» эффекта Пастера и интенсификацию предшествующей фазы дыхания - гликолиза, поскольку стимуляция дыхания под действием ядов снимается №Р и МИА.
Анализ вышеописанных результатов показывает, что в целом ответная реакция клеток корней на различные воздействия близка к таковой для стрессового (гиперакгивного, напряженного) состояния митохондрий животных (Кондрашова и др., 1987). Можно предположить (исходя из существования общих закономерностей стрессовой реакции живой системы), что митохондрии в клетках корней в стрессовых условиях существования переходят в подобное метаболическое состояние. Показано, что оно характеризуется снижением интенсивности дыхания в покое, гиперактивацией дыхания при действии активаторов, связанной с окислением янтарной кислоты. Авторы полагают, что снижение дыхания вместо его дополнительной стимуляции при длительном неблагоприятном воздействии обусловлено развитием специального тормозного механизма. Так как стимуляция дыхания под влиянием активаторов обусловлена окислением сукци-ната, торможение направлено на сукцинатдегидрогеназу. Это может быть одной из причин отсутствия ингибирующего действия малонатЕ на дыхание корней через 5 ч инкубации в наших экспериментах. Тс есть это состояние митохондрий отличается согласованным развитием как активации, так и ингибирования сукцинатдегидрогеназы, чтс увеличивает потенциальную активность фермента. Стимуляцию сукцинатдегидрогеназы связывают со значительными конформацион ными изменениями фермента. Это создает состояние готовности I повышенной работе (Кондрашова и др., 1987). Не исключено, что < этим (а также с изменением'режима функционирования НчАТФазь плазмалеммы) связано возрастание устойчивости клеток корней чере: 5 ч инкубации (судя по степени нарушения ионного гомеостаза пр1 действии ядов).
Таким образом, в ходе многочасовой инкубации изолированны; корней происходит не только эндогенное восстановление нарушен ного отсечением клеточного гомеостаза (изменение структурно функциональных свойств мембран, органотипической функции энергизации клеток и др.), нр,и выход клеток на новый стационарны] уровень, характеризующийся увеличением устойчивости (5-7) ч. Эт
состояние можно назвать энергизованным в отличие от деэнергизо-ванного в первые 2 ч после отделения корней.
Деэнергизованное состояние характеризуется угнетением клеточных функций, сопровождающимся снижением уровня мембранного потенциала, декомпенсацией дыхания, снижением барьерной функции мембран, нарушением ионного гомеостаза и органотипиче-ской функции, активацией гликолиза. Исходя из этого, деэнергизованное состояние клеток корней можно рассматривать как состояние физиологической депрессии.
Согласно собственным и литературным данным, в клетках отсеченных корней в состоянии физиологической депрессии наряду с процессами обратимой альтерации (декомпенсацией энергетического обмена) протекают защитно-приспособительные реакции. Последние преобладают. Состояние физиологической депрессии, очевидно, выполняет неспецифическую защитную функцию.
Энергизованное состояние корней характеризуется гиперполяризацией мембран, высокоэнергетическим состоянием митохондрий, возрастанием поглотительной активности и резистентности клеток, а также стабилизацией физиолого-биохимического статуса (судя по мембранному потенциалу и скорости поглощения К+).
Следовательно, реакция клеток корней на отсечение многостадийна. На начальном этапе можно выделить три фазы: деэнергизованное состояние, фазу репарации и выход на энергизованный уровень (стадию суперкомпенсации).
Интегральным показателем происходящих в клетках корней изменений может служить мембранный потенциал, коррелирующий с изменением важнейших физиологических функций. Важно, что мембранный потенциал является чувствительным и ранним показателем происходящих изменений. Так, изменение его на 10-20 мВ отражает существенные модификации структурно-функциональных свойств мембран и физиологического состояния клеток в целом. Только около 30 мВ разделяют два противоположных статуса клеток. Изменение мембранного потенциала регистрируется уже через 5-15 мин после отсечения корней.
Анализ собственного экспериментального материала и литературных данных показывает, что описанные выше фазные изменения различных физиологических характеристик клеток отсеченных корней обусловлены состоянием стресса и отражают общий адаптационный синдром, описанный Селье (1972).
Полисахариды клеточной стенки отсеченных корней как резервные источники эндогенного питания клеток
В результате отсечения корней от целого проростка прекраща ется приток органических веществ (фотосинтатов) в их клетки из фо-тосинтезирующих надземных частей проростка и семядолей, чте приводит к нарушению их трофики. Корни переходят на новый режим существования - углеродное голодание. При этом сохраняется возможность минерального питания. Однако следует подчеркнуть, что в наших экспериментах среда инкубации отсеченных корней обеднена минеральными элементами (это либо дистиллированная вода, либо раствор низкой концентрации Са2+). Таким образом, корни находятся в условиях практически полного голодания.
В течение 10 суток мембранный потенциал отсеченных корней держится на стационарном уровне (уровне Ею интактных корней), что свидетельствует об их значительной жизнеспособности. После 10 суток инкубации регистрируется быстрая деполяризация мембран, свидетельствующая о протекании деградационных процессов в клетках, и регистрируется их летальное состояние. Близкие результаты были получены Залкиндом и Уткиным (1956) на отсеченных корнях кукурузы.
Каковы же эндогенные резервные источники достаточно длительного функционирования гетеротрофных клеток в условиях хронического голодания ?
Для исследования этого вопроса были проведены фотосинтетические эксперименты с использованием метки, в которых регистрировалась радиоактивность полисахаридов клеточной стенки (являющихся продуктами фотосинтетической фиксации 14С02) как возможных резервных источников эндогенного питания клеток в экстремальном состоянии.
В ходе голодания корней происходит постепенное значительное (примерно в 5 раз) падение радиоактивности корней, что, по всей вероятности, связано с использованием клетками радиоактивных фото-ассимилятов в процессе адаптации клеток к экстремальным условиям существования. Наибольший спад имеет место в период между 10 и 14 сутками, что, очевидно, отражает начало масштабных деструктивных процессов клеток. Близкий характер имеет и изменение общей радиоактивности выделенных из корней клеточных стенок.
При продолжительной инкубации корней (10 суток) регистрируется постепенное снижение (примерно на 50%) радиоактивности
фракции клеточной стенки, экстрагируемой оксалатом аммония, что свидетельствует об уменьшении радиоактивности пектиновых веществ. По нашему мнению, убыль их радиоактивности без притока метки к корням может являться свидетельством наличия процессов метаболизации в системе.
Убыль радиоактивности в ходе продолжительного голодания корней наблюдается и во фракции клеточной стенки, экстрагируемой щелочью (щелочерастворимых гемицеллюлоз), хотя этот процесс менее выражен по сравнению с пектиновыми веществами (я в 2 раза). Кроме того, он имеет место в более поздний период (после 3-5 суток голодания). Не исключено, что это отражает возможность стадийного использования различных полисахаридов клеточных стенок корней при длительном голодании.
Проведенные исследования показывают возможность использования определенных компонентов клеточной стенки (пектиновых веществ и щелочерастворимых гемицеллюлоз) в качестве резервных источников эндогенного питания клеток при экстремальном состоянии. Через 10 суток после отсечения корней 7-дневных проростков пшеницы сорта Люба, по-видимому, доступные энергетические и материальные ресурсы клеток оказываются исчерпанными и корни переходят в состояние полного истощения. Дистрофия сопровождается необратимым нарушением физиологических функций клеток, свя-?анным с отмиранием корня.
Общие закономерности функционирования клеток в условиях голодания (на примере отсеченных корней)
Анализ собственных и литературных данных показывает, что териодичность фазных изменений физиолого-биохимических показателей клеток отсеченных корней в условиях голодания довольна 5лизка к таковой при голодании клеток и тканей человека и живот-шх. Она включает декомпенсацию нормального метаболизма и функций в начальный период голодания (стадия ацидоза), их норма-шзацто и выход клеток на новый уровень функционирования в ходе щаптации организма к экстремальным условиям существования стадия компенсации). При чрезмерно длительных сроках голодания гаступает стадия истощения, заканчивающаяся смертью. Как в ста-риях репарации и суперкомпенсации отсеченных корней, так и в ста-(ии компенсации голодающих тканей животных и человека клетки [ереходят на эндогенное питание (связанное с окислением внутри-леточных липидов и белков), увеличивается их устойчивость и сни-
жается функционально-метаболическая активность, образуются фи зиологически активные вещества, стимулирующие биосинтетическш процессы (Николаев, Нилова, 1973; Мецлер, 1980; Страйер, 1985: Молчагина, Сидоренко, 1986; Харди, 1986; Gupta et al., 1987; Хочач-ка, Сомеро, 1988; Агаджанян, Катков, 1990). Но начальная ответная реакция животных клеток при голодании в отличие от клеток растений характеризуется не угнетением функционально-метаболической активности, а ее активированием. Подчеркнем, что здесь можно говорить о сходстве явлений, а не об их тождестве.
Следует иметь в виду, что в развитии вышеописанных изменений в клетках корней, по-видимому, нельзя исключать также определенное значение нарушения информационных и функциональных связей между органами после отделения корней от целого растения, изменения гормонального баланса, влияния ранящего воздействия и др. Однако при обсуждении общих закономерностей мы абстрагировались от частных специфических особенностей функционирования корней. Таким образом, отсеченные корни могут служить удобной моделью исследования общих закономерностей функционирования клеток в условиях стресса. Очевидно, что использование компонентов клеточной стенки (резервных источников эндогенного питания) можно рассматривать как специфическую особенность голодания гетеротрофных растительных клеток.
Диагиостика устойчивости различных сортов пшеницы к энергетическому и субстратному голоданию Проводилось исследование устойчивости различных сортов пшеницы, относящихся к различным экотипам, к экстремальным условиям существования (энергетическому и субстратному голоданию), отражающей их резервные возможности в целом.
Сравнительное изучение продолжительности жизни проростков в темноте и на дистиллированной воде (в условиях энергетического и субстратного голодания) показало, что наибольшая устойчивость к продолжительному голоданию была характерна для сорта Саратов-ская-60 (16 суток); сорта Люба и Омская-17 проявляют одинаковую устойчивость (11 суток).
Данные, полученные на интактных растениях, подтверждаются на модельной системе - отсеченных корнях. В модельном опыте продолжительность жизни изолированных корней проростков пшеницы сортов Саратовская-60, Люба и Омская-17 составляет 14, 10 и 9 суток соответственно.
Экзогеппая регуляция песпецпфпческого адаптационного синдрома отсечеппых корней пшеницы
В физиологии человека и животных установлено, что одним из соединений, благотворно изменяющих течение стресса, является дибазол (хлоргидрат 2-бензилбензимимидазола). Он относится к классу адаптогенов - соединений, способных повышать сопротивляемость организма к различным неблагоприятным воздействиям (Лазарев, 1958; Кириллов, 1966, 1977; Гаркави и др., 1979; Брехман, 1980).
Исходя из существования общих закономерностей неспецифического адаптационного синдрома различных биосистем (главным образом, на клеточном уровне), можно ожидать аналогичное или близкое действие дибазола на растения. В связи с этим исследовали влияние дибазола на функциональное состояние отсеченных корней пшеницы в ходе стресс-реакции и их устойчивость к повреждающим воздействиям. Используемая нами концентрация дибазола (0,01%) находится в диапазоне концентраций, применяемых в физиологии животных и человека как адаптогенного соединения. Следует подчеркнуть, что адаптогенное действие дибазола проявляется при его длительном применении. Поэтому проростки выращивали в течение 6 дней на растворе этого соединения (рН доводили до контрольного значения).
Установлено, что дибазол практически не влияет на выход К+ из клеток корней, вызванный отсечением и действием мембранотропно-го соединения тритона Х-100 (0,01%) за 1-й ч инкубации (учитывая исходное содержание К+ в корнях проростков). Исходя из этого можно полагать, что дибазол не оказывает существенного влияния на исходную устойчивость корней пшеницы к действию повреждающих агентов.
Действие дибазола приводит к более раннему (в среднем на 2 ч) восстановлению ионного, гомеостаза клеток корней, нарушенного отсечением. Кроме того, под влиянием дибазола происходит заметное продление сроков жизни отсеченных корней (на 4 суток). Наконец, на фоне дибазола увеличивается устойчивость корней к повреждающему действию детергента в фазе адаптации - через 5 ч инкубации (выход К+ снижается ~ в 2-3 раза). Таким образом можно полагать, что дибазол увеличивает адаптивную устойчивость корней. Это согласуется с данными Кузнецова с соавт. (1990) о реципрокности исходной и адаптивной устойчивости растений.
Анализ полученных результатов показывает, что достаточн длительное действие дибазола, по всей вероятности, сокращает l-i катаболическую фазу стресса отсеченных корней и увеличивает фаз истощения, характеризующуюся также активизацией катаболически реакций. То есть дибазол, по-видимому, лимитирует процессы ката болизма в ходе неспецифического адаптационного синдрома. О этом же свидетельствует снижение дистрофических процессов клетках корней под влиянием дибазола (судя по снижению потер] сухого вещества корней на 17% за весь период стрессовой реакции) Исходя из этого, можно полагать, что дибазол может обладать анабо лизирующим действием на клетки корней. Не исключено его влияни на трофику клеток в условиях стресса. Таким образом, можно заклю чить, что дибазол способен изменять течение стресса клеток отсечен ных корней. Эти изменения приводят к повышению их сопротивляе мости в ходе неспецифического адаптационного синдрома.
О возможности развития кетоза растительных тканей и его экспресс-диагностика
При голодании человека и животных в клетках накапливают^ кетоновые тела ф-оксибутират, ацетоацетат и ацетон). Такое состояние известно под названием кетоза. Представляло интерес изучение возможности развития кетоза в растительных тканях в процессе хронического голодания.
При выдерживании изолированных листьев в темноте в течение длительного времени клетки переходят в состояние голодания в связк с прекращением минерального и углеродного питания. Анализ срезов листа алоэ показал, что накопление кетоновых тел в тканях имеет место лишь при голодании листьев в условиях пониженной (+4°) температуры (консервации). Это явление регистрируется лишь к 10-м суткам эксперимента. Содержание кетоновых тел варьирует в различных частях листа. Накопление кетоновых тел в базипетальном конце листа составляет около 1,5 мМ по шкале сравнения. С увеличением времени голодания при пониженной температуре до 20 дней происходит нарастание кетоза тканей в базипетальном конце листа до 3 мМ. Затем наблюдается достаточно резкое снижение содержания кетоновых тел: через 4 недели эксперимента они не обнаруживаются в листовой пластинке.
В акропетальном конце листа наблюдается наибольшее накопление кетовеществ (7,5 мМ через 3 недели) и более позднее их исчезновение (через 5 недель консервации листьев). Высокое содержание
кетоновых тел (до 15 мМ) регистрируется в условиях темноты на раневой поверхности листа через 2 суток после отсечения. Впоследствии кетоновые тела здесь исчезают.
Сравнительная оценка содержания кетоновых тел и ацетона в листьях алоэ (выдержанных в течение 20 дней в условиях темноты и пониженной температуры), определяемого разными способами, показала, что оно сопоставимо: содержание ацетона составляет 3,0+0,5 мМ.
Взаимосвязь катаболизма и анаболизма в условиях стресса
В последние годы обсуждается концепция об информационной функции процессов катаболизма стрессовой реакции, о сигнальной роли физиологически активных олигомерных продуктов деградации биополимеров (олигонуклеотидов, олигопегггадов, олигосахаридов) и оксигенированных продуктов метаболизации липидов, способных влиять на интенсивность биосинтетических процессов, оптимизировать соотношение процессов катаболизма и анаболизма, повышать устойчивость растений (Тарчевский, 1993).
Проведенный нами анализ литературных данных показывает, что рсгуляторные свойства могут проявлять в условиях стресса растений и другие низкомолекулярные продукты катаболических превращений. К ним относятся некоторые аминокислоты, ацетилхолин, катехоламины, серотонин, гистамин, фенольные соединения, определенные жирные кислоты, янтарная и травматиновая кислоты, сахара, неорганический фосфат, продукты деградации адениновых нук-леотидов (и их производные) и фитогормонов.
Многие из них регулируют анаболические реакции в клетке. Именно анаболические реакции в значительной мере обеспечивают восстановление гомеостаза клеток, нарушаемого стрессовым воздействием, и протекание адаптационных процессов. Проанализированные нами данные свидетельствуют о том, что активация различных физиолого-метаболических процессов в ходе второй фазы неспецифического адаптационного синдрома регулярно обусловленное и индуцированное стимуляторами и гормонами явление.
В ходе катаболизма при стрессе образуются и накапливаются вещества, оказывающие не только стимулирующее, но и ингиби-рующее действие на различные физиолого-биохимические процессы. Причем, один и тот же класс соединений может оказывать и то и другое влияние. Это соответствует общему представлению о том, что ре-гуляторные механизмы живого организованы весьма экономно, и
один и тот же контур регуляции обычно используется для решения нескольких задач.
Увеличение содержания ингибиторов в ходе катаболической фазы стресса представляется нам необходимым по крайней мере по двум причинам. Во-первых, для того, чтобы в необходимый момент снизить интенсивность протекания катаболических превращений и перевести метаболизм на преобладание анаболических реакций. И, во-вторых, в последнее время все большее развитие получает концепция о защитно-адаптивном значении снижения функционально-метаболической активности клеток на начальном этапе действия стрессора (состояния физиологической депрессии). Согласно нашим представлениям, катаболические реакции стресса должны иметь определенную интенсивность и длительность, не выводя систему за границы допустимого изменения гомеостаза. Поэтому мы полагаем, что в этих условиях необходимо образование и накопление в клетке стресс-лимитирующих факторов.
Таким образом, катаболическая фаза стресса играет чрезвычайно важную роль в неспецифическом адаптационном синдроме растений. Это не только поставщик для клетки различных метаболитов необходимых для репаративных и защитно-адаптивных реакций Важно подчеркнуть, что многие из этих метаболитов обладают н< только каноническими функциями, но и проявляют менее известны« рсгуляторные свойства (выполняя полифункциональную роль в клет ке).
Действие олигопептидов па начальпый рост корней проростков гороха
В связи с обсуждаемой концепцией регуляции анаболизма про дукгами катаболизма в условиях стресса заслуживает внимания воз можность регуляторных проявлений олигопептидов - интермедиа тов, образующихся в процессе биодеградации белков. Было прове дено изучение влияния некоторых олигопептидов (три-гли, ала-ваг диала, дигли, гли-ала, гли-сер, глутатиона) в широком диапазон концентраций (10"13 - 10"3 М) на начальные фазы роста растений с щ лью выяснения их возможной физиологической активности. Для тс го, чтобы исключить роль глутатиона как восстановителя, в сравш тельном плане использовались также восстанавливающие агента различные по химическому строению, - дитиотрейтол и аскорбиновг кислота.
Установлено, что концентрационные кривые, характерные дг разновозрастных растений, различны. Изменение объема корней бъ
ло пропорционально изменению их длины. Достаточно высокая концентрация (1 мМ) всех используемых нами соединений независимо от продолжительности воздействия приводит к резкому угнетению (на 70%) роста корней проростков гороха (в некоторых случаях полное отравление). Уменьшение концентрации изучаемых веществ до 0,01мМ вызывает значительное (на 45-60%) увеличение длины главного корня 3-дневных проростков. В то же время более продолжительное действие (5 суток) данной концентрации вновь приводит к угнетению роста корневой системы. Дальнейшее снижение концентрации соединений при их 3-дневном воздействии приводит к отсутствию видимого эффекта.
Интересны результаты с более длительным (до 5 суток) влиянием низких концентраций веществ: 10"11 М растворы всех соединений приводят к резкому увеличению длины главного корня (на 35-75%) и развитию боковых корней. Концентрации 10'7, 10 и 10'13 М оказались «недействующими» в наших экспериментах.
Анализ собственных и литературных данных показывает, что действие изучаемых нами веществ на ростовую функцию неспецифично, поскольку наблюдается однотипная ответная реакция на разные воздействия (включая аскорбиновую кислоту и дитиотрейтол в наших экспериментах; рН всех растворов доводили до контрольного значения). Установлено, что раздражение умеренной силы вызывает в начале активацию функций, которая затем сменяется их угнетением (Введенский, 1886). Основываясь на ¡этих представлениях, становится понятной стимуляция роста корней в результате 3-дневного влияния 0,01 мМ растворов различных веществ и его угнетение при 5-дневном воздействии.
По мнению Кондрашовой с соавт. (1987), наиболее важное значение для нормальной физиологической деятельности имеет область реакций, которая находится «слева» от пика ответной реакции на сильные раздражители, как бы «за нулем» ответа. Она наблюдается при действии не патологических, а истинно физиологических раздражителей, при применении малых количеств различных веществ. В этой зоне наблюдается мощное усиление восстановительных процессов, повышающих устойчивость организма (Аршавский, 1982).
В связи с этим можно полагать, что стимуляция роста корней под влиянием различных веществ в концентрации 10"11 М таюке неспецифична. Механизм действия этой низкой концентрации веществ на ростовую функцию корней, по всей вероятности, отличен от 0,01 мМ концентрации. Раздражители такой слабой силы должны запус-
кать иную физиологическую программу, обеспечивающую друго физиологический ответ (развитие боковых корней, которые отсутсп вуют при 3-дневном умеренном (0,01 мМ) воздействии различны веществ в наших экспериментах). Сходные эффекты были описан] еще Максимовым (1958).
Вышеуказанные результаты получены в осенне-зимний перио (с октября по декабрь). Совершенно неожиданными и парадоксаль ными оказались экспериментальные данные, регистрируемые в ве сеннее время (с марта по май месяц). В этот период все исследуемы нами соединения независимо от длительности воздействия не оказы вали влияния на рост корней. Опыты проводили в течение 2 лет. Яе ление временного ослабления или сведения к минимуму связей рас тений с внешней средой на отдельных этапах онтогенеза отмечалос ранее (Максимов, 1958; Гупало, Скрипчинский, 1971). Это свиде тельствует о зависимости ответной реакции ростовых процессов н воздействия от сезонных изменений физиологического состояния се мян и клеток проростков.
Некоторые особенности морфогенеза растений в условиях стресса (в культуре in vitro) и его регуляция Давно установлено, что часть культивируемых растений in vitr но внешней морфологии отклоняется от нормальных. Однако иссле дователи до сих пор не имеют четких представлений о причинах, ме ханизмах и индукторах происхождения in vitro этих новых форм. Со гласно нашим представлениям, одной из главных причин этого фе номена является стрессовое состояние, обусловленное необычным] условиями существования. Необычные условия существования - эт переход на новый режим питания, изменение газового состава атмс сферы выращивания, нарушение гормонального баланса и др (Калинин и др., 1980; Иванова, 1994).
При выращивании эмбриокультуры гороха в темноте отмечает ся интересный факт необычной морфологии - ветвление побега -значительной части проростков (около 20%). Начало ветвления реги стрируется, как правило, через 3-4 недели культивирования. Это яв ление еще более выражено (около 30%) при выращивании растени] из целого семени в стерильных условиях. Экспериментальные дан ные показывают, что оно не связано с влиянием раневого эффект (при вычленении зародыша), компонентов питательной среды Уайтг химического воздействия стерилизующего агента сулемы (0,1%), о снятием апикального доминирования и отсутствием света. На наг
взгляд, это свидетельствует о том, что ветвление побега непосредственно связано с условиями культивирования.
При выращивании эмбриокультуры в темноте на «кондиционированной среде» Уайта (после 25 дней культивирования разветвленных проростков) резко (почти в 2 раза) увеличивается количество нетипичных проростков и ветвление регистрируется уже через 7-10 дней. Это говорит о том, что при выращивании проростков в культуре in vitro, по всей вероятности, имеет место выделение в среду культивирования фактора (факторов), влияющего на рост и развитие растений. Подобное явление было описано и другими исследователями (Калинин и др., 1980; Гамбург и др., 1990). Эти факторы получили название факторов «кондиционирования». Химическая природа их не выяснена, лишь установлено, что это низкомолекулярные (600-1200 Д) довольно термостабильные вещества. Факторы, продуцируемые клетками одних видов растений, способны действовать на клетки других видов.
При внесении в кондиционированную среду Уайта растительной протеиназы папаина (1 мМ; рНопт= 5,5 - 5,7) количество разветвленных проростков остается приблизительно на уровне таковых (около 18%), выращиваемых на свежей среде Уайта. Процедура нагревания среды до 100° практически не изменяет число разветвленных проростков (около 35%). Таким образом, есть основания полагать, что выделяемый проростком фактор (факторы) термостабилен; не исключено, что он имеет пептидную природу. В то же время в последние годы обосновывается положение о том, что определенные низкомолекулярные пептиды могут являться специфическими регуляторами роста растений (Klambt, 1983,1985; Теог, 1985).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Неспецифический адаптационный синдром растений является одним из проявлений общего адаптационного синдрома живой системы. Однако, он имеет ряд своих особенностей: снижение функционально-метаболической активности клеток (состояние физиологической депрессии) на начальном этапе ответной реакции на сильное воздействие, изменение структурно-функционального состояния клеточной стенки, изменение морфогенеза и т.д. Интегральную ответную реакцию клеток растений на действие стрессора можно представить в виде следующей схемы (рис.).
Структурно-функционального" состояния
— плаэмалеммы
клеточной стенки
тонопласта
митохондрий
хлоропластов
белоксинтезирукяцего аппарата _
цитоскелета
ЭПР
Стрессор *
Клетка
£ I
]ИЗМЕНЕНИЕ|
Увеличение [Са2+]т
включение шунтовых механизмов
1
метаболизма
I
образование
вторичных мессенджеров
стрессовых белков-
стресс-лимитируюших соединений
изменение роста и морфогенеза
гормонов ингибиторного характера_
эндогенных регуляторов
— биогенных стимуляторов
защитно-адаптогенных соединений
увеличение устойчивости
адаптированное состояние I
Рис. Схема интегральной ответной реакции клеток растений при действии стрессора.
Описанные нами ответные реакции клеток растений отражают частные случаи общей закономерности реактивности биосистем на различные воздействия, установленной Введенским (1886), согласно которой эффект реактивности в каждом отдельном случае определяется соотношением исходного (к моменту воздействия) физиологического состояния реагирующей системы, интенсивности и длительности воздействия раздражителя и специфических особенностей действия последнего. Решающую роль в этом соотношении принадлежит физиологическому состоянию реагирующей системы. Таким образом, очевидно единство ответных реакций клеток животных и растений на действие раздражителей.
На основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований можно сделать следующие выводы: 1. В ходе продолжительной инкубации отсеченных корней наблюдается типичная трехфазная стрессовая реакция. Отсеченные корни могут служить удобной моделью исследования стрессового состояния клеток растений [23]. « В ходе неспецифического адаптационного синдрома происходит изменение физиологического состояния клеток корней - от деэнер-гизованного (1-2 ч инкубации) до энергизованного (5-6 ч). Последнее отражает переход клеток корней на экономичный режим функционирования. Это необходимо учитывать при использовании отсеченных корней в качестве модели исследования различных процессов [16].
• Интегральным показателем происходящих в клетках изменений может служить мембранный потенциал. Изменение его на 10-20 мВ отражает существенные модификации структурно-функциональных свойств мембран и физиологического состояния клеток в целом. Только около 30 мВ разделяют два противоположных статуса клеток [16,17]. » Состояние физиологической депрессии (деэнергизованное состояние) при обратимой альтерации клеток корней имеет защитно-адаптивное значение. Увеличение проницаемости мембран в этих условиях играет важнейшую роль [20, 21]. » Дибазол изменяет течение стресса отсеченных корней пшеницы, увеличивает их адаптивную и не изменяет исходную устойчивость к повреждающим факторам. Предполагается, что он лимитирует катаболические процессы клеток корней в условиях стресса (обладает анаболизирующим действием) и благотворно влияет на их трофику [49].
2. На примере отсеченных корней прослеживаются общие законо мерности функционирования клеток в условиях длительного голо дания. Они включают неспецифическую периодичность измененш их физиологического состояния и определенные особенности жиз недеятельности (переход клеток на эндогенное питание, увеличе ние устойчивости и снижение функционально-метаболической ак тивности, образование физиологически активных веществ) [26].
3. Специфической особенностью голодания гетеротрофных тканей растений является метаболизация полисахаридов клеточной стен ки (пектиновых веществ и щелочерастворимых гемицеллюлоз) кш резервных источников эндогенного питания [31]. Из изученные трех сортов яровой пшеницы наибольшей устойчивостью к про должительному энергетическому и субстратному голоданию харак теризуется сорт Саратовская-60. Сорта Люба и Омская-17 прояв ляют одинаковую устойчивость [33]. Голодание можно отнести 1 биологическим стрессовым факторам растений [26].
4. В ходе неспецифического адаптационного синдрома отсеченньп корней установлены значительные структурно-функциональны» перестройки плазмалеммы клеток.
• Выход К+ из клеток на начальном этапе стрессовой реакцш отсеченных корней имеет обратимый характер. Одним из механиз мов увеличения проницаемости мембран в этих условиях можег являться открывание ионных каналов [18].
• Репарационные процессы клеток отсеченных корне! (восстановление мембранного потенциала, ионного гомеостаза I поглотительной функции) в ходе неспецифического адаптацион ного синдрома зависят от энергетического состояния клеток, а н от синтеза белка [22].
• Явления суперкомпенсации (гиперполяризация мембран и развита! поглотительной способности) клеток отсеченных корней в процес се неспецифического адаптационного синдрома зависят от синтез; белка (блокируются ингибитором синтеза-белка ЦТ). Предполага ется, что они связаны с синтезом короткоживущего белка(ов), ре гулирующего электрогенез клеток. Явления суперкомпенсаци] можно рассматривать как структурно-функциональный «след: многочасовой адаптации отсеченных корней [22].
• Ответная реакция отсеченных корней на действие блокатора ион ных каналов гадолиния отличается от таковой при действии ЦТ Гадолиний вызывает увеличение мембранного потенциала клеток
Это обусловлено, по всей вероятности, блокированием ионами гадолиния пассивной протонной проницаемости плазмалеммы [9].
• В процессе неспецифического адаптационного синдрома отсеченных корней, по всей вероятности, происходит изменение состояния электрогенного К+/Н+-обмена - от ингибированного (1-2 ч после отсечения) до химического сопряжения (5-6 ч) через промежуточное состояние электрического сопряжения (3-4 ч). Не исключено, что режим функционирования транспортной Н+-АТФазы может зависеть не только от содержания К+ во внешней среде, но и от исходного физиологического состояния клеток корней [16, 18, 29].
• В ходе стрессовой реакции регистрируется изменение активности редокс-цепи плазмалеммы клеток корней [3].
5. В процессе неспецифического адаптационного синдрома происходит изменение энергетического состояния клеток отсеченных корней, связанное с изменением режима функционирования митохондрий и эффекта Пастера. Предполагается, что при многочасовой инкубации корней митохондрии переходят в стрессовое состояние, обусловливающее сдерживание окисления глюкозы [7, 24, 41,42].
6. Ответная реакция клеток отсеченных корней на различные воздействия зависит от физиологического состояния. В энергизованном состоянии под влиянием веществ, различных по характеру действия, наблюдается однотипная неспецифическая реакция (стимуляция поглощения 02). Это состояние характеризуется увеличением устойчивости клеток корней к неблагоприятным воздействиям (судя по нарушению ионного гомеостаза) по сравнению с деэнергизованным состоянием. Неспецифическая ответная реакция обусловлена изменениями барьерной функции плазмалеммы, режима функционирования ее Н^-насосов и митохондрий, а также степени энергизации клеток. В зависимости от физиологического состояния клеток одно и то же вещество может действовать как ингибитор или активатор функциональной активности (или не влиять на нее) [16].
7. Показано значительное накопление кетоновых тел в отсеченных листьях алоэ на 10-20-й дни голодания при пониженной температуре. Накопление кетоновых тел в этих условиях может быть связано со снижением ж утилизации. Наибольшее накопление кето-веществ и более позднее их исчезновение регистрируется в акро-петальном конце листа. Накопление кетоновых тел совпадает по времени с образованием биогенных стимуляторов. Кетоз нельзя считать симптомом неспецифического адаптационного синдрома
растительных тканей. Есть основания полагать, что он являете специфической особенностью стрессового состояния растительны тканей в условиях голодания и одновременно сниженного аэробне го дыхания [46].
8. Катаболическая фаза стресса играет регуляторно-адаптивную роль
• В ходе катаболизма образуются полифункциональные соединение обладающие стресс-лимитирующим действием и • регулирующи анаболические процессы клеток в фазе резистентности стрессово реакции [28].
• Действие изученных нами олигопептидов на начальный рост кор ней проростков гороха неспецифично и является функцией их ког центрации, продолжительности влияния и физиологического сс стояния семян и клеток проростков, характеризующегося сезонно зависимостью [13, 14].
9. В стрессовых условиях (в культуре in vitro) наблюдается изменени морфогенеза проростков гороха - ветвление побега. Полученны данные свидетельствуют о том, что это явление обусловлено выде лением проростком в среду культивирования термостабильног фактора(ов) предположительно пептидной природы, выступающею в качестве специфического регулятора процессов клеточного деле ния и дифференциации [30].
Список работ, опубликованных по материалам диссертации
Статьи:
1. Пахомова В.М., Сафина Г.Ф., Ибатуллина Ф.Н., Мустафина Г.С., Гордон JI.X. Действие дыхательных ядов на дыхание и проницаемость для ионов калия корней пшеницы в зависимости от физиологического состояния // Некоторые характеристики мембран и водообмен клеток растений: Сб.; Отв. ред. H.A. Гусев. - Казань: Ин-т биологии Казанск. Фил. Акад. наук СССР, 1982. - С. 167-175.
2. Пахомова В.М., Гордон JI.X. Характеристика различных физиологических состояний "промываемых" корней пшеницы / Казанск. Фил. Акад. наук. Ин-т биологии. - Казань, 1984. - 19 с. - Деп. в ВИНИТИ. 13.04.84, № 2313-84 // РЖ: 04 Г. Физиол. и биохим. раст. -1984. - № 10. -10 Г94 Деп. - С. 10.
3. Действие валиномицина на К+-проницаемость и потребление кислорода в зависимости от физиологического состояния корней пшеницы / В .Я. Алексеева, Б.А. Николаев, JI.X. Гордон, О.О. Полы-галова, А.Н. Ценцевицкий, В.М. Пахомова // Физиол. раст. - 1984. -Т. 31, №4. -С. 692-698.
4. Пахомова В.М., Гордон JI.X. Изменение физиологического состояния клеток корней пшеницы в процессе адаптивного старения //Физиол. раст. - 1984.-Т. 31,№ 6.-С. 1162-1169.
5. Зависимость мембранного потенциала и проницаемости корневых клеток пшеницы для калия от синтеза белка при адаптивном старении/В.М. Пахомова, Л.Х. Гордон, А.Н. Ценцевицкий, Д.В. Па-хомов // Физиол. раст. - 1985. - Т. 32, № 4. - С. 747-752.
6. Изменение редокс-состояний флавопротеинов и пиридиннук-леотидов корней пшеницы при адаптивном старении / В.М. Пахомова, JI.X. Гордон, К.Б. Асланиди // Физиол. раст. - 1985. - Т. 32, № 5. -С. 948-956.
7. Пахомова В.М., Муртази Ф.Ф., Гордон Л.Х. Взаимоотношение гликолиза и митохондриального дыхания клеток корней пшеницы при изменении их функционального состояния // Регуляция ферментативной активности у растений: Межвуз. тематич. сб. науч. гр.; Отв. ред. A.A. Анисимов. - Горький: Горьк. гос. унив-т, 1986. - С. 13-48.
8. Пахомова В.М. Действие малоната - ингибитора сукцинатде-гидрогеназы - на дыхание корней пшеницы в различных физиологи-теских состояниях // Материалы 5 науч. конф. мол. уч. / Акад. наук ЗССР. Казанск. Фил. Казан, ин-т биол. - Деп. в ВИНИТИ 21.04.86,
№ 2888-В 86. -С. 95-99 // РЖ: 04 Г. Физиол. и биохим. раст. - 1986 №8.-8Г118 Деп.-С. 15.
9. Пахомова В.М., Ценцевицкий А.Н. Сравнительное изучеш действия ингибиторов синтеза белка и блокаторов ионных каналов i ионную проницаемость изолированных корней пшеницы // Геогр. ai пекты реализ. Прод. прогр. СССР: Тр. шк. семин. мол. ученых / МГ и Акад. наук СССР. Ин-т почвовед, и фотосинтеза. - М.: МГУ. -Де1 23.09.86, № 6782 В. М. - С. 80-84 // РЖ: 04 Г. Физиол. и биохю раст. - 1987. - № 1. - 1 Г204 Деп. - С. 28.
10. Пахомова В.М., Гордон JI.X. Некоторые закономерности р< акции клеток корней пшеницы на действие ядов // Физиол. и биохш культ, раст. - 1987. - Т. 19, № 2. - С. 150-155.
11. Пахомова В.М., Сафина Г.Ф., Гордон JI.X. О возможност функционирования растительных митохондрий в различных метабс лических состояниях in vivo // Влияние физических и химически факторов на рост растений: Межвуз. сб. науч. тр.; Отв. ред. J1.A. Jlt бедева. - Казань: Каз. гос. пед. ин-т, 1987. -С. 152-159.
12. Пахомова В.М., Гордон JI.X. "Парадоксальное" изменени дыхательного газообмена клеток корней пшеницы при действии ядо // Физиологические механизмы адаптивных реакций растений: Сб Сост. Н.С. Елисеева. - Казань: Казан, гос. унив-т, 1987. -С. 103-108.
13. Пахомова В.М., Руднева С.Э. Действие олигопептидов н начальный рост проростков гороха // Применение физике химических методов в биологии и химии. - Казань, 1988. - С. 13-18. (Препринт / Акад. наук СССР. Каз. Фил.).
14. Пахомова В.М., Руднева С.Э. Сезонная зависимость дейсл вия олигопетидов на ранние этапы роста корней проростков гороха > Материалы 6 научн. конф. мол. уч. / Акад. наук. СССР. Каз. Фиг Казан, ин-т биол. - Деп. в ВИНИТИ 20.02.90, № 1014-В 90. -С. 10-1 // РЖ: 04 Г. Физиол. и биохим. раст. - 1990. - № 6. - 6 Г231 Деп. - С 29.
15. Пахомова В.М., Гордон Л.Х. Общие закономерности ответ ной реакции корней на стрессовое воздействие // Журн. общ. биол. 1991.-Т. 52, № 1.-С. 36-44.
16. Пахомова В.М. Барьерная функция плазмалеммы клеш корней пшеницы и специфичность действия ядов // Изв. Акад. нау] СССР. Сер. биол. -1991. -В. 5. -С. 707-715.
17. Пахомова В.М., Пахомов Д.В. Мембранный потенциал i физиологическое состояние клеток корней пшеницы при повреж
дающем воздействии //Физиол. и биохим. культ, раст. - 1991. -Т. 23, №2. - С. 145-151.
18. Два состояния электрогенного К+/Н+-обмена при адаптивном старении отделенных корней пшеницы / В.М. Пахомова, JI.X. Гордон, Д.В. Пахомов, JI.H. Воробьев // Физиол. раст. - 1991. - Т. 38, № 5. -С. 883-889.
19. Пахомова В.М. О роли исходного физиологического состояния клеток отсеченных корней пшеницы в ответной реакции на альтерирующее воздействие // Биол. науки. - 1992. - № 7. - С. 104-110.
20. Пахомова В.М. Состояние физиологической депрессии клеток отсеченных корней: нарушение или адаптация ? //Изв. Рос. Акад. Наук. Сер. биол. - 1992. -№. 6. - С. 888-897.
21. Пахомова В.М. Об адаптивном значении увеличения проницаемости мембран при обратимой альтерации клеток отсеченных корней // Физиол. и биох. культ, раст. - 1992. - Т. 24, № 6. - С. 568572.
22. Пахомова В.М., Пахомов Д.В. К вопросу о существовании белка, гиперполяризующего клетки корней пшеницы в состоянии стресса// Физиол. и биохим. культ, раст. - 1992. - Т. 24, № 2. - С. 159162.
23. Пахомова В.М., Пахомов Д.В. Неспецифический адаптационный синдром отсеченных корней // Успехи соврем, биол. - 1992. -Т. 112, №3..-С. 398-409.
24. Пахомова В.М., Пахомов Д.В. Энергетическое состояние клеток отсеченных корней пшеницы //Физиол. и биохим. культ, раст. - 1992.-Т. 24,№ 6.-С. 550-553.
25. Регуляция функциональной активности клеток корней пшеницы в состоянии стресса / В.М. Пахомова, JI.X. Гордон, Д.В. Пахомов // Цитология. - 1992. - Т. 34, № 2. - С. 37-42.
26. Пахомова В.М. Некоторые закономерности функционирования клеток в условиях голодания (на примере изолированных корней) // Журн. общ. биол. - 1993. - Т. 54, № 1. - С. 17-29.
27. Пахомова В.М. Основные положения современной теории стресса и неспецифический адаптационный синдром у растений // Цитология. - 1995. - Т. 37, № 1/2. - С. 66-91.
28. Пахомова В.М., Чернов И.А. Некоторые особенности индуктивной фазы неспецифического адаптационного синдрома растений // Изв. Рос. Акад. Наук. Сер. биол. - 1996. -№. 6. - С. 705-715.
29. Pakhomova V.M. Electrogenic KVl-T-exchange in excised wheat roots // Biologia plantarum. - 1996. -Vol. 38, № 4. - P. 495-499.
30. К вопросу о существовании регулятора ветвления проро. ков гороха в культуре in vitro / В.М. Пахомова, Н.В. Кольцова, И.. Чернов //Ботан. журн., 1996. - Т. 81, № 5. - С. 51-56.
31. Полисахариды клеточных стенок корней пшеницы в экстр мальных условиях существования / В.М. Пахомова, Ф.Д. Самуило А.Н. Ценцевицкий // Биохимия. - 1997. Т. 62, № 4. - С. 485-489.
32. Polysaccharides of cell wall of wheat roots under extreme grow conditions / V.M. Pakhomova, F.D. Samuilov, A.N. Tsentsevitsky Biochemistry. - 1997. - Vol. 62, № 4. - P. 412-415.
33. Пахомова B.M., Лосева H.B. Диагностика устойчивости pa личных экотипов пшеницы к энергетическому и субстратному гол< данию // Экологические проблемы био- и медэкологии республик Татарстан. - Казань: Экоцентр, 1998. - С. 267-270.
34. Пахомова В.М. Неспецифические приспособительные peai ции растений // Сорос, образов, журн. - 1998, в печати.
35. Пахомова В.М. К построению общей теории стресса // Сс рос. образов, журн. - 1998, в печати.
Тезисы докладов:
36. Пахомова В.М., Ценцевицкий А.Н. Влияние циклогексимца на мембранный потенциал и потребление кислорода корнями пшеш цы в процессе адаптивного старения // Акт. пробл. разв. с.-х. пр-в'< Тез. докл. Респ. науч.-тех. конф. мол. уч., Казань, 7 апр. 1984. - Кг зань, 1985. - С. 54-55.
37. Пахомова В.М. Неспецифическая ответная реакция клето изолированных корней пшеницы на действие ядов // 2 Всес. кош] мол. уч. по физиол. раст. клетки: Тез. докл., Москва, 19 - 21 мар. 198 г. - М,, 1986.-С. 61.
38. Пахомова В.М. Изменение режима функционирования Нн АТФазы плазмалеммы клеток корней пшеницы при адаптивном стг рении // 4 Всес. конф. мол. уч. по физиол. раст. клетки: Тез. докл Минск, 15-20 апр. 1990 г. - М„ 1990. - С. 145.
39. Пахомова В.М. Динамика ответной реакции корней н стрессовое воздействие // 2 Съезд Всес. о-ва физиол. раст.: Тез. докл Минск, 24 - 29 сеет. 1990. - Ч. 2. - М., 1992. - С. 160.
40. Пахомова В.М., Гордон Л.Х., Воробьев Л.Н. Изменени К+/Н* обмена отсеченных корней пшеницы в процессе многочасово]
- адаптации // 2 Съезд Всес. о-ва физиол. раст.: Тез. докл., Минск, 24 29 сеет. 1990 г. - Ч. 2. - М., 1992. - С. 160.
41. Пахомова В.М. О напряженном состоянии энергетическо) системы клеток корней пшеницы в процессе продолжительнон
стресса // 3 Съезд Всерос. о-ва физиол. раст.: Тез. докл., 24 - 29 шон. 1993 г. - С.-П., 1993. Ч. 2. - С. 185.
42. Пахомова В.М. Ответная реакция отсеченных корней пшеницы (по потреблению кислорода) на действие раздражителей и новый стационарный уровень функционирования клеток в процессе многочасовой адаптации // Дыхание растений: физиологические и экологические аспекты: Материалы межд. совещ. / Рос. Акад. Наук. Урал. Отд-е. Коми Науч. Центр. Ин-т биологии. - Сыктывкар, 1995. -С. 103-104.
43. Пахомова В.М., Чернов И.А. Интродукция растений и стратегии адаптации // Биол. разнообр. Интродукция растений: Матер. науч. конф., Спб., 12-15 дек. 1995 г. / Рос. Акад. наук. Бот. ин-т. -С.-П., 1995.-С. 88-89.
44. Пахомова В.М., Кольцова Н.В. Морфологическая особенность проростков гороха в условиях культуры in vitro и фактор, ее обусловливающий // Биология клетки в культуре: Материалы Всерос. Симп. / Науч. Совет Рос. Акад. наук по клеточ. биол. и иммунол. Инт цитологии Рос. Акад. наук. Спб. - Цитология. - 1996. - Т. 38, № 2. -С.233.
45. Pakhomova V.M., N.V.Koltsova, T.A.Gorshkova, AN.Tsentsevitsky, Vclikanov G.A. Stress and reserve sourses of plant cells // Physical-chemical basis of plant physiology: Abstr. 2 Annu. Symp. Rus. Soc. Plant Physiol., Penza, 5 - 8 Febr., 1996. -Pushino, 1996. - P. 106.
46. Пахомова В.М. О возможности развития кетоза растительных тканей // Физ.-хим. осн. физиол. раст. и биотех.: 3-й ежегод. симп. Рос. о-ва физиол. раст./ Рос. Акад. наук. Ин-т физиол. раст. им. К.А. Тимирязева. - М., 1997. -С. 87.
47. Пахомова В.М., Самуилов Ф.Д. Действие фунгицидов на дыхание корней пшеницы при стрессе // Там же. - С. 87.
48. Пахомова В.М.. Функциональное состояние корневой системы пшеницы в условиях экологического стресса //Актуальные экол. пробл. Республики Татарстан / Акад. наук Татарстана. Ин-т экол. прир. систем. - Казань, 1997. - С. 194.
49. Pakhomova V.M. Effect of dibazol on wheat root resistance // The 11th Congress of Federation of European Societies of Plant Physiology: Abstr., Varna, Bulgaria, 7-11 sept. 1998. / Bulg. Jour. Plant Physiology. - 1998, in press.
38
РЕЗЮМЕ.
Пахомова Валентина Михайловна Неспецифический адаптационный синдром растений и общие закономерности реактивности клеток. Стресс, реактивность, неспецифические и специфические характеристики, голодание, отсеченные ткани, устойчивость, кетоз, рост, морфогенез.
Цель работы - раскрытие неспецифических и специфически механизмов увеличения устойчивости растений в ходе адаптации стрессовым воздействиям. Исследовали функциональное состоят плазмалеммы, энергетического аппарата, клеточной стенки, а так» изменение метаболизма, роста и морфогенеза растений. Объекты и< следования - проростки пшеницы и гороха, отсеченные корни прор< стков пшеницы, отсеченные листья алоэ, культура изолированны зародышей гороха. Применяли манометрический, микроэлекгро; ный, микроскопический, спектрофотометрический, радиоизотопны и микрокалориметрический методы, пламенную фотометрию, микр< спектральные измерения клеток, метод культуры тканей и др. Пре, ложен экспресс-метод полуколичественного определения кетоновь тел в растительных тканях. Впервые показаны метаболизация комго нентов клеточной стенки и явление кетоза растительных клеток nf хроническом голодании. Проведена диагностика устойчивости нею торых сортов пшеницы к энергетическому и субстратному голод нию. Установлены 2 состояния электрогенного КТН^-обмена клетс отсеченных корней в ходе стресс-реакции, зависимость их репар ционных процессов от энергетического состояния клеток, явлеш суперкомпенсации - от синтеза белка, реактивности - от структурн функционального состояния плазмалеммы и митохондрий. Обосн вано положение о том, что состояние физиологической депресы клеток на начальном этапе стрессовой реакции имеет защити приспособительное значение. Показана возможность регуляции н специфического адаптационного синдрома клеток отсеченных ко ней с помощью дибазола. Зарегистрировано ветвление побега прор стков гороха в стрессовых условиях (в культуре in vitro), обусловле ное влиянием термостабильного биологически активного фактора(о (выделяемого в среду культивирования). Выдвинуто положение том, что продукты катаболизма в условиях стресса могут являть стресс-лимитирующими факторами клеток растений. Представле ные в диссертации результаты рекомендуется использовать в ВУЗ и научных учреждениях АН и АСХН России и Беларуси.
39
РЭЗЮМЕ Пахомава Валянщна КПхайлауна Неспецыф1чны адаптацыйны сшдром раслш i агульныя заканамернасщ рэактыунасщ клетак. Стрэс, рэактыунасць, неспецыф1чныя i спецыф1чныя асабл1васщ, галаданне, адсечаныя ткани, устоШивасць, кетоз, марфагенез.
Мэта даследаванняу - раскрыццё неспецыф1чных i спецыф1чных мехашзмау павел1чэння устоШпвасщ pacjiin на працягу адаптацьп да стрэсавых уздзеянняу. Вывучал1 функцыянальны стан плазмалемы, энергетычнага апарату, клетачнай сценю, а таксама змяненне мeтaбaлiзмy, росту i марфагенезу pacлiн. Аб'екты даследавання -праростю пшашцы i гароху, адсечанае лкце альясу, культура юаляваных зародкау гароху. Быу прыменены манаметрычны, мжраэлектродны, мшраскатчны, спектрафотаметрычны, ра-дыёгзатопны i м1кракаларыметрычны метады, полымяная фотамет-рыя, мжраспектральныя вымярэнш клетак, метад культуры тканак i шшыя. Прапанаваны экспрэс-метад пауколькаснага вызначэння ке-тонавых целау у тканках раслш. Упершыню паказаны метабал1зацыя кампанентау клетачнай сценю i з'ява кетозу раслшных клетак пры храшчным галаданш. Праведзена дыягностыка устоШпвасщ некоторых сартоу пшашцы да энергетычнага i субстратнага галадання. Установлены два станы электрагеннага К+/Н^-абмену клетак адсечаных кораняу на працягу стрэс-рэакцый, залежнасць ix рэпарацыйных працэсау ад энергетычнага стану клетак, з'яу суперкампенсацьн - ад антэзу бялку, рэактыунасш - ад структурна-функцыянальнага стану плазмалемы i мггахондрый. Абгрунтавана палажэнне аб тым, гато стан ф!з1ялапчнай дэпpэcii клетак на пачатковым этапе стрэсавай рэ-акцьп мае ахоуна-прыстасавальнае значэнне. Паказана магчымасць рэгуляцьп неспецыф1чнага адаптацыйнага ындрому клетак адсечаных кораняу пры дапамозе дыбазолу. Зарэпстравана разгалшаванне пара-стка праросткау гароху у стрэсавых умовах (культура in vitro), якое абумоулена уплывам тэрмастабшьнага бклапчна-актыунага факта-ра(ау) (яю(я) выдзяляюцца у асяроддзе культывавання). Вылучана уяуленне аб тым, што прадукты катабашму ва умовах стрэсу могуць з'яуляцца стрэсл1м{тыруючым1 фaктapaмi клетак pacлiн. Прад-стауленыя у рабоце BbiniKi рэкамендуецца выкарыстоуваць у ВНУ i навуковых установах АН и АСГН Pacii i Беларуа.
S UMMARY Pakhomova Valentina Mikhailovna. Nonspecific adaptation syndrome of plants and common regularities of cell reactivity
Stress, reactivity, nonspecific and specific mechanisms, starvation, excised tissues, resistance, ketoz, growth, morphogenesis.
The aim of the investigations is to study nonspecific and specific mechanisms of plant resistance enhancement during the process of adap tion to stress effects. Functional state of plasmamembrane, energy system cell wall, metabolism change, growth and morphogenesis are investigated The subjects of the investigations are wheat and pea seedlings, excisec roots of wheat seedlings, excised aloe leaves, pea isolated embryo culture There were used the following methods: manometric, standard microelec trode, microscopic, spectrophotometric, microcalorimetric, tracer tech nique, flame photometry, luminescent microscopy, tissue culture methoc and others. The express-method of semiquantitative determination of ke tone bodies in plant tissues is proposed. Metabolization of cell wall com ponents and ketoz phenomenon in plant cells under prolonged starvatioi were first demonstrated. Resistance diagnosis of certain wheat varieties t< energy and substrate starvation was performed. Two states of electrogeni K7FT- exchange of excised root cells in the course of stress response, th restoration process dependence of cell energy state, supercompensatin; phenomenon dependence of protein synthesis, reactivity dependence o structural and functional state of plasmamembrane and mitochondria wer established. The proposition is justified that the state of physiological de pression of cells in the initial stage of stress response is of protective an adaptive importance. The possibility of nonspecific adaptation syndrom regulation of excised roots with dibazol was demonstrated. The branchin of pea seedling shoot in stress condition (in culture) caused by the infk ence of thermorésistant biologically active factor(s) which secretes int culture medium was registered. The notion that catabolism products ma be stress-limiting factors of plant cells in stress conditions is proposée The results presented in the study may be used in higher education estât lishments and research institutions of the Academy of Sciences as well z in the Agricultural Academy of Sciences of Russia and Belarus.
-
Пахомова, Валентина Михайловна
-
доктора биологических наук
-
Минск, 1998
-
ВАК 03.00.12
- Влияние локального прогрева и охлаждения на устойчивость растений
- Анализ роли биоэлектрических реакций в осуществлении рецепторно-эффекторной связи у высшего растения
- Электрогенез клеток высшего растения при адаптации к охлаждению
- Адаптационные особенности Trifolium pratense в симбиозе с Rhizobium trifolii
- Участие и защитная роль оксида азота в стрессовых реакциях растений яровой пшеницы на обезвоживание
