Участие ионных каналов в генерации местной биоэлектрической реакции листа огурца на локальное охлаждение

Прудников, Григорий Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Участие ионных каналов в генерации местной биоэлектрической реакции листа огурца на локальное охлаждение
ВАК РФ 03.01.05, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Участие ионных каналов в генерации местной биоэлектрической реакции листа огурца на локальное охлаждение"

На правах рукописи

Прудников Григорий Александрович

УЧАСТИЕ ИОННЫХ КАНАЛОВ В ГЕНЕРАЦИИ МЕСТНОЙ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ ЛИСТА ОГУРЦА НА ЛОКАЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

03.01.05 -физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

864687072

Москва - 2010

004607072

Работа выполнена в лаборатории физиологии корня Учреждения Российской академии наук Института физиологии растений им. КЛ.Тимирязева РАН и в Российском государственном аграрном университете-Московской сельскохозяйственной академии им. К.А.Тимирязева

Научные руководители:

кандидат биологических наук доктор биологических наук, профессор

Красавина Марина Сергеевна Паничкин Леонид Александрович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Медведев Сергей Семенович доктор биологических наук Трофимова Марина Сергеевна

Ведущая организация:

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет

Защита диссертации состоится «22» июня 2010 г. в И часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 002.210.01 при Учреждении Российской академии наук Институте физиологии растений им. К.А.Тимирязева РАН по адресу: 127276, Москва, ул. Ботаническая, д.35. Факс: (495) 977-80-18, e-mail: ifr@ippras.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физиологии растений им. К.А.Тимирязева РАН

Автореферат разослан 7Ji) мая 2010 года

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций, кандидат биологических наук . М.И. Азаркович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В процессе эволюции растений сформировалась сложная система внутриклеточной, внутритканевой и внутриорганизменной сигнализации о действии биотических и абиотических факторов. В эту систему входят гормоны, метаболиты, специфические сигнальные молекулы и биоэлектрические потенциалы. Такая роль биопотенциалов хорошо изучена для животных объектов, а в последнее время обсуждается и применительно к растениям (см. обзоры Baluska et al., 2006; Baluska, Mancuso, 2009; Davies, 2006; Dicke, 2009; Trewavas, 2006, 2009).

Поскольку наиболее вероятное участие в координации ответной реакции различных органов растений признается за распространяющимися электрическими импульсами, основное внимание исследователей было обращено на потенциал действия (ПД) и вариабельный потенциал (ВП). Показано, что ПД распространяется по флоэме, и что в его генерации участвуют главным образом потенциал-зависимые Са2+-, СГ - и К+- каналы. Механизм генерации ВП изучен слабее. Признается, что в его основе лежит «гидравлическая волна» - распространяющееся по ксилеме резкое повышение давления, вызывающее изменения тургорного давления в клетках по пути распространения. Предполагается участие механочувствительных ионных каналов в трансформации изменения тургорного давления в электрическую ответную реакцию, но они не идентифицированы. Механизмы генерации местной, нераспространяющейся биоэлектрической реакции (БЭР), участие в ней ионных каналов слабо изучены. Наиболее вероятен лишь вход кальция в клетки и повышение концентрации свободного Са2+ в цитоплазме (Пятыгин и др., 2006). Между тем местные БЭР, по-видимому, являются начальным этапом возникновения любой формы биоэлектрической активности и первым электрическим ответом на раздражения. Наиболее интересна реакция растений на охлаждение как на одно из наиболее распространенных в естественных условиях нетравмирующих воздействий (Опритов и

Большая роль в ответных реакциях на неблагоприятные факторы среды принадлежит салициловой кислоте (СК). Известны более отдаленные последствия ее влияния, приводящие к формированию защитных реакций растений - модуляция окислительно-восстановительных реакций, образование АФК, индукция генов защитного ответа, в том числе PR-генов (см. Hayat, Ahmad, 2007). Наиболее изучена защитная роль СК при патогенезе, влияние на устойчивость к абиотическим факторам изучено слабее. Особенно противоречивы сведения о значении СК для холодоустойчивости растений - по одним данным СК повышает устойчивость к охлаждению (Tasgin et al., 2003), по другим - снижает (Miura et al., 2007). Имеется небольшое число данных о более ранних изменениях, происходящих на плазмалемме и клеточной стенке, - синтезе и распаде каллозы, активности экстраклеточных пероксидаз и т.д. (см. Krasavina, 2007). Единичные данные об изменении под влиянием СК транспорта ионов и мембранного потенциала (Glass, 1973, 1975; Gordon et al., 2002) предполагают, что одним из наиболее ранних эффектов СК может быть ее влияние на генерируемые в растениях электрические импульсы. В этом случае можно полагать участие лиганд-чувствительных ионных каналов.

Цель исследования - изучить характеристики местной биоэлектрической реакции листа на охлаждение и возможность влияния салициловой кислоты на параметры биоэлектрических реакций. --

др., 2005).

Задачи исследования. 1. Охарактеризовать электрическую реакцию листа на локальное охлаждение;

2. Изучить влияние блокаторов потенциал-зависимых и механочувствительных иониых каналов на генерацию местной БЭР;

3. Выявить возможность действия салициловой кислоты на местную биоэлектрическую реакцию растений;

4. Сравнить действие салициловой кислоты на местную реакцию с ее влиянием на потенциал действия, механизм генерации которого хорошо изучен.

Научная новизна работы. Впервые дана достаточно полная характеристика местной биоэлектрической реакции листа на кратковременное локальное охлаждение. В отличие от широко распространенной монотонной деполяризации показана индукция импульсной активности, не распространяющейся от точки воздействия. Применение блокаторов ионных каналов выявило участие кальциевых, хлорных и калиевых ионных каналов, а также Н+-АТФазы в генерации импульса. Обнаружено сходство ионных потоков, лежащих в основе местной реакции и потенциала действия. Впервые показано влияние салициловой кислоты на форму и параметры местной реакции и потенциала действия. Показано, что салициловая кислота в зависимости от концентрации может как стимулировать, так и ингибировать электрическую активность, что дает основание предполагать ее роль в регуляции электрической активности листа. Доказано, что действие салициловой кислоты специфично.

Научно-практическая значимость работы. Расширено представление об участии локальных изменений мембранных потенциалов в первичном ответе растительных тканей на стрессовое воздействие. Влияние известного стрессового гормона - салициловой кислоты - на параметры местной электрической реакции предполагает вовлеченность этой реакции в индукцию внутриклеточных физиологических защитных механизмов. Материалы диссертации могут быть использованы при чтении курсов лекций в университетах и сельскохозяйственных институтах. Результаты исследования предполагают возможность использования метода экстраклеточной регистрации местной БЭР листа в качестве тест-метода для сравнения различных по холодоустойчивости сортов и гибридов растений.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на Съезде физиологов растений (Вологда, 2005), I (IX) Международной конференции ботаников (Санкт-Петербург, 2006), Международной конференции «Современная физиология растений: от молекул до экосистем» (Сыктывкар, 2007), на Годичном собрании общества физиологов растений России «Физико-химические основы структурно-функциональной организации растений» (Екатеринбург, 2008), Научной конференции ТСХА (Москва, 2007), Международной конференции «Рецепция и внутриклеточная сигнализация» (Пущино, 2009), ежегодных молодежных конференциях ИФР РАН (Москва, 2007-2009).

Публикации. По материалом диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, в том числе 4 статьи, одна из которых - в рецензируемом журнале.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследования, результатов и обсуждения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, включая Д таблиц и 27 рисунков. Список литературных источников включает 229 наименований.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основным объектом исследования служили 14-17-дневные растения огурца (Cucumis sativus L.) - менее холодоустойчивый гибрид «Мазай» и более устойчивый гибрид «Емеля». В опытах с экстраклеточным измерением БЭР использовали растения, выращенные в почвенной культуре при температуре 22-24°С и освещении лампой ДРЛФ-400 в течение 16 часов в сутки (освещенность 5000 люкс). Для микроэлектродного измерения ПД использовали водоросль Chara coraltína Klein ex Willd, которая росла на искусственной прудовой воде (ИПВ) при комнатной температуре и дневном освещении.

Экстраклеточное отведение. Участок диаметром 5 мм на нижней поверхности листовой пластинки охлаждали до 8-9°С с помощью охлаждающего столика ТОС-1 в течение 105 с. Такое воздействие не повреждало ткани и было полностью обратимым. Скорость охлаждения составляла около 8°С в минуту. После прекращения охлаждения температура постепенно восстанавливалась до исходного значения. Охлаждали участок листа в средней части листовой пластинки между жилками.

Регистрирующий хлорсеребряный электрод ЭВЛ-1М1 (Белоруссия) через переходную насадку с смоченным MES-буфером (pH 5.2) хлопковым фитильком подводили к верхней поверхности охлаждаемого участка листа, на который помещали небольшой кружок (диаметром около 5-7 мм) фильтровальной бумаги, смоченный или буферным раствором (контроль), или исследуемым раствором (опыт). Референтный электрод через солевой мостик контактировал с влажной почвой. Разность потенциалов между локально охлаждаемой частью листа и почвенным раствором регистрировали с помощью высокоомного рН-метра 5170 (Венгрия) и самопишущего двухкоординатного милливольтметра Н307/1 (Россия). Изменение температуры верхней поверхности листа регистрировали с помощью микротермистора конструкции В.Г. Карманова. Перед началом охлаждения растения с подведенными электродами находились в лаборатории около часа для стабилизации разности электрических потенциалов.

Участок листа в течение часа предобрабатывали растворами блокаторов ионных каналов или салициловой кислоты на MES-буфере (pH 5.2). В опытных вариантах эти растворы присутствовали на поверхности листа во время измерения или только во время предобработки, участки контрольных листьев предобрабатывали буфером. Контрольные и опытные измерения проводили или на одном и том же (с интервалом 1 ч) или на соседних листьях. Оба способа измерения давали сходные результаты.

Нативность подвергнутых охлаждению листьев оценивали по утечке электролитов из высечек в дистиллированную воду с использованием кондуктометра ОК-102 («Radeliks», Венгрия) с платиновым электродом. Определяли электропроводность дистиллированной воды после нахождения в ней высечек до и после кипячения. Утечку электролитов рассчитывали в процентах от полного выхода электролитов после кипячения.

Внутриклеточное отведение осуществляли с помощью стеклянных микроэлектродов с диаметром кончика 1-2 мкм, которые вводили в клетку с помощью микроманипулятора. Клетка находилась в кювете, заполненной искусственной прудовой водой. После стабилизации величины мембранного потенциала раствор в кювете заменяли на искусственную прудовую воду, содержащую исследуемые вещества. В качестве раздражителя использовали импульс электрического тока силой -10 мкА и продолжительностью 150 мс.

Представленные в таблицах результаты - средние арифметические значения минимум из 3-х повторностей (как правило, 5-7) и их стандартные отклонения. Достоверность оценивали по /-критерию Стьюдента (Р<0.05). На рисунках показаны типичные кривые.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Импульсная активность, генерируемая при локальном охлаждении

Начало снижения температуры можно было зарегистрировать через 4-5 с после включения термостолика. Несколько позднее - через 8-12 с - отмечали первые изменения разности потенциалов. За время охлаждения температура снижалась на 13-15°С. После выключения термостолика еще несколько секунд температура продолжала снижаться (до 9-10°С), затем начиналось восстановление исходной температуры (рис. 1).

В начале охлаждения наблюдали медленную фазу деполяризации (на несколько мВ), которая сменялась быстрой деполяризацией, достигающей 80-100 мВ. Продолжительность первой стадии деполяризации отмечена на рисунке 26 цифрой 1. В отличие от часто наблюдаемого при действии разных стимулов (солей, ингибиторов и др.) сохранения устойчивой деполяризации, в нашем случае деполяризация практически сразу сменялась реполяризацией. Реполяризация протекала с высокой скоростью, но не была полной, вскоре наблюдали генерацию еще одного импульса. Для второго импульса характерно отсутствие медленной стадии деполяризации, то есть сразу наблюдали деполяризацию с высокой скоростью. Часто амплитуда второго импульса была больше, чем первого. Как правило, регистрировали 2 импульса, однако их число колебалось от одного до трех. При этом импульсная активность не повторяла изменения температуры. Обе фазы первого импульса - и деполяризация, и реполяризация - проявлялись при продолжении снижения температуры листа. Формирование второго импульса начиналось еще до прекращения охлаждения (рис. !)•

Рис.1. Изменение температуры верхней поверхности при локальном охлаждении участка нижней поверхности листа и типичная запись биоэлектрической реакции, регистрируемой на верхней поверхности листа в месте охлаждения (на всех рисунках стрелка, направленная вниз, - включение охлаждения; стрелка, направленная в сторону, - выключение).

1 - биоэлектрическая реакция на охлаждение;

2 - ход изменения температуры.

Восстановление температуры после прекращения охлаждения продолжалось около 4 минут. Восстановление исходной разности потенциалов было более длительным - 12-15 минут. Этот процесс можно разделить на 2 фазы: быструю, продолжительностью 30-50 с, и длительную - 10-15 мин. Восстановление исходной разности потенциалов в конце двух фаз реполяризации, как правило, было практически полным.

з°с

\/ /

1 ;

! ! ! / 20 мВ

2мин

Щ/

Л/

На рисунке 2 представлены основные параметры БЭР:

- амплитуда - основной параметр, характеризующий реакцию (вертикальная пунктирная линия на рис. 26);

- первая (медленная) фаза деполяризации (цифра 1 на рис. 2а) и ее продолжительность (цифра 1 на рис 26);

- вторая (быстрая) фаза деполяризации (цифра 2 на рис. 2а);

- быстрая стадия восстановления РЭП (цифра 2 на рис. 26), длящаяся 30-50 с;

- отличие РЭП, достигнутой после первой фазы реполяризации, от исходной (цифра 3 на рис. 26).

Рис

2. Основные параметры БЭР листа огурца (объяснения в тексте).

Для выявления природы БЭР прежде всего необходимо определить ее возможность распространяться от места воздействия. Типичная БЭР генерировалась в месте охлаждения, где изменение температуры составляло 14°С (рис. 3). На расстоянии 1.5 см, где изменение температуры составляло 6°С, примерно 2 минуты наблюдали медленную деполяризацию, которая сменялась генерацией импульса с меньшей амплитудой и измененной формой. Кроме того, здесь всегда регистрировали только один импульс, в то время как в месте локального охлаждения регистрировали, как правило, 2 импульса. На расстоянии 3 см от места охлаждения, где максимальное снижение температуры не превышало 1°С, изменения исходной разности потенциалов не наблюдали. На основании этих данных можно говорить об отсутствии распространения импульса. Генерацию импульса на расстоянии 1.5 см от места охлаждения можно объяснить снижением температуры в этой области (рис. 3).

1 | 1,5 см __^ 3 см

Л-

Д» = 14"С

~г

•Ч

Д4 = ГС

2 мин

20 мВ

Д1 - б°с

Рис. 3. Форма БЭР, регистрируемых на различном расстоянии от места охлаждения

При повторном охлаждении одного и того же участка листа практически одинаковую по форме реакцию можно было регистрировать через 30 мин. При последующих охлаждениях могла изменяться амплитуда реакции - регистрировали не только ее снижение, но часто и увеличение.

В разных группах растений, особенно при работе в разные времена года, форма вызываемых охлаждением биоэлектрических импульсов могла варьировать -менялось соотношение между двумя импульсами: степень их развития, продолжительность, амплитуда. Поэтому при изучении действия ингибиторов и СК сравнивали однотипные группы растений, выращенные в одно время.

Сравнение БЭР разных участков листа и листьев разного возраста. При охлаждении разных участков листа (у края листовой пластинки, в середине листа или у черешка) не обнаружили различий в параметрах регистрируемых импульсов. Но реакция листьев разного возраста заметно отличалась (табл. 1). Донорные листья (5-6-й лист от апекса побега) были более отзывчивыми на охлаждение. Это проявлялось в более быстром реагировании на изменение температуры. Первое изменение исходной разности потенциалов у донорных листьев наблюдали уже через 8 секунд, в то время как у акцепторных (2-й лист от апекса) - через 12 секунд. Амплитуда импульсов, генерируемых в донорных листьях, была значительно выше, чем в акцепторных. В то же время количество импульсов и их форма не отличались.

Таблица 1. Сравнение параметров БЭР до норного и акцепторного листьев огурца.

Параметры Донорный лист Акцепторный лист

Время начала реакции, с 8,5±1,0 12±1,5

Амплитуда, мВ 113±7,0 85±3,0

Скорость 2,7±0,1 2,0±0,2

деполяризации, мВ/с

Количество импульсов 1,8 1,7

Примечание. Представлены средние значения из 5 измерений и их стандартные отклонения.

Различия между листьями разного возраста наблюдали и при измерении выхода электролитов из листовых высечек после их охлаждения до 1°С в течение 1 часа (табл. 2). Большая утечка электролитов из высечек донорных листьев говорит об их большей чувствительности к низкотемпературному стрессу.

Таким образом, судя по характеристикам БЭР и по выходу электролитов из клеток, донорные листья огурца оказались более чувствительными к охлаждению. Поэтому их использовали в дальнейших экспериментах.

Таблица 2. Выход электролитов из дисков, выделенных из донорных и акцепторных листьев

Листья разного возраста Выход электролитов за 30 мин., %

Донорный ЛИСТ 5,1±0,2 (6)

Акцепторный лист 10,4±0,7 (9)

Примечание. Представлены средние значения и их стандартные отклонения. В скобках дано число опытов. В каждом опыте по 7 дисков из 3-х листьев.

Ионные механизмы местной реакции

Участие Са-каналов

Пусковым процессом многих ответных реакций на воздействие внешних и внутренних стимулов является поступление в клетки кальция из апопласта или внутриклеточных депо, которое вызывает временное повышение концентрации этого катиона в цитоплазме. Для изучения влияния этого процесса на генерацию местной биоэлектрической реакции использовали ингибиторы, которые обычно применяют для выявления роли Са-каналов — лантан, гадолиний, верапамил, рутений красный (Медведев, 2005).

Лантан (Ьа3+) — наименее специфичный блокатор Са2+-каналов, конкурирующий с Са2+ за Са2+-связываюшие места (Берестовский, 2001). Лантан в большей степени, чем другие ингибиторы влиял на форму и параметры биоэлектрической реакции (рис. 4, табл. 3). В концентрации 0.1 мМ он заметно тормозил обе стадии реакции — и деполяризацию, и реполяризацию, поэтому обычно формировался только один импульс. Заметно снижалась его амплитуда. В концентрации 5 мМ лантан еще сильнее подавлял импульсную активность. Резко, более чем вдвое, снижалась амплитуда БЭР. Сильно тормозилась первая стадия деполяризации, в результате чего быструю стадию деполяризации не наблюдали. Реполяризация также оказывалась затянутой.

Гадолиний (Сс)3*) - низкоселективный блокатор (Ое1тпс1сЫк, 2006), тем не менее он обычно используется для преимущественного ингибирования активируемых деполяризацией механочувствительных Са2+-каналов (Кго1, ТгеЬасг, 1999). Этот ингибитор действовал слабее, чем лантан и в более высоких концентрациях (рис. 5, табл. 3). В концентрации 1 мМ он практически не изменял форму импульса, лишь немного замедляя первую стадию деполяризации. В концентрации 10 мМ замедлялась общая деполяризация, особенно ее начальная стадия, и снижалась амплитуда БЭР. Тормозилась генерация второго импульса и увеличивалась продолжительность реполяризации.

а [ б в : а . б ___I__в_

|| : I / 2 мин

20мВ|*

Рис 4. Влияние хлористого лантана на форму БЭР, генерируемых в листе огурца в ответ на локальное охлаждение

а - контроль, 6-0.1 мМ, в — 5 мМ ЬаС13

! Й ! / "2 мин

¡М/. 20 мВ '

Ч >' " ;

Рис. 5. Влияние хлористого гадолиния на форму БЭР, генерируемых в листе огурца в ответ на локальное охлаждение:

а - контроль, 6-1 мМ , в - 10 мМ

вйСи

Рутений красный часто используется для ингибирования выхода Са2+ из внутриклеточных депо (5иЬЬат11 с1 а1., 1994). Так же как и гадолиний, рутений красный в концентрации 1 мМ значительно замедлял начальную стадию деполяризации, однако не влиял на быструю фазу деполяризации и форму реакции (рис. 6, табл. 3). Не происходило также существенного снижения амплитуды. Можно отметить, что обработка рутением красным незначительно тормозила ход реполяризации. В более высокой концентрации (10 мМ) рутений красный значительно снижал амплитуду БЭР (сравнимо с действием лантана в концентрации 10 мМ), резко затормаживал деполяризацию и увеличивал продолжительность реполяризации.

Рис. 6. Влияние рутения красного на

форму БЭР, генерируемых в листе огурца на локальное охлаждение

а - контроль, 6-1 мМ, в - 10 мМ рутений красный

2 мин

V 20 мВ

Ш !

Верапамил - известный антагонист кальциевых каналов, блокирующий вход Са в клетки (ЛепйскЫк, 2006). В наших опытах действие верапамила было подобно действию других блокаторов кальциевых каналов в такой же концентрации -гадолиния и рутения красного (рис. 8, табл. 3). При концентрации 0.5 мМ наблюдали лишь незначительное замедление деполяризации, в то время как амплитуда и продолжительность реполяризации не отличались от контрольных значений. Более высокая концентрация верапамила (1 мМ) еще больше увеличивала продолжительность начальной деполяризации, незначительно снижая амплитуду и совсем не влияя на продолжительность реполяризации (рис. 8, табл. 3). Так же как при действии гадолиния и рутения, в концентрациях до 1 мМ верапамила не происходило подавления генерации обоих импульсов.

I а б в

4 1 * Рис. 7. Влияние верапамила на форму

БЭР листа огурца:

5 ( а - контроль, б - 0.5 мМ, в - 1 мМ

¡1 ! верапамил

П I

! I I

! I ! ^ 1 /

/ У 2 мин 20 мВ

Таким образом, все блокаторы кальциевых каналов в концентрации 1 мМ тормозили начальную деполяризацию, не влияя заметно на скорость быстрой стадии деполяризации. Это свидетельствует об участии поступления Са2+ в цитоплазму в

начале БЭР. Са2+ может поступать как из апопласта (эффект лантана, гадолиния, верапамила), так и из внутриклеточных хранилищ (действие рутения красного). Действие лантана проявлялось уже в концентрации 0.1 мМ, при которой тормозились не только обе стадии деполяризации, но и процесс реполяризации, что может быть следствием его неспецифичного действия. В высоких концентрациях все агенты изменяли форму и продолжительность ответной реакции - замедлялись процессы де- и реполяризации, что приводило к снижению амплитуды реакции. Эти данные делают очевидной роль кальция в формировании местной реакции, прежде всего на стадии первичной деполяризации.

Роль анионных каналов в генерации местной реакции

В качестве блокатора анионных канатов использовали СИТС (4-ацетамид-4'-изотиоцианат-2,2'-стилбендисульфоновая кислота). В отличие от ингибиторов кальциевых каналов, СИТС не оказывал влияния на начальную стадию деполяризации. В то же время в концентрации 0.5 мМ СИТС заметно увеличивал продолжительность второй, быстрой стадии деполяризации, не влияя на амплитуду и продолжительность реполяризации. В более высокой концентрации (5 мМ) СИТС полностью подавлял импульсную активность (рис. 8).

Рис. 8. Влияние СИТС на форму БЭР листа огурца, генерируемой в ответ на локальное охлаждение: а-контроль, б — 0.5мМ, в —5мМСИТС

Можно заключить, что в формировании местной реакции участвуют не только Са2+, но и анионы. Однако если кальций запускает формирование импульса, то анионы принимают участие в его дальнейшей генерации.

Роль калиевых каналов в генерации местной реакции

При генерации ПД в формировании стадии реполяризации основная роль принадлежит калию. В конце стадии деполяризации в результате резкого снижения мембранного потенциала (МП) ионы калия по электрохимическому градиенту устремляются из цитоплазмы, тем самым реполяризуя плазмалемму. Для изучения роли калиевых каналов в формировании стадии реполяризации во время местной БЭР использовали блокаторы калиевых каналов - тетраэтиламмоний (ТЭА) и хинин сульфат.

Тетраэтиламмоний несколько затормаживал начальную стадию реполяризации (рис. 9). Наиболее заметным было снижение степени восстановления исходной РЭП.

Если у контрольных растений после первой стадии реполяризации исходная разность потенциалов восстанавливалась в значительной степени, то в присутствии ТЭА этого не наблюдали. ТЭА не изменял амплитуду местной реакции в концентрации 1 мМ, увеличивая в концентрации 10 мМ, увеличивал продолжительность реполяризации.

_ Рис. 9. Влияние ТЭА на форму БЭР

листа огурца, генерируемых в ответ на локальное охлаждение: а - контроль, у 6-1 мМ, в-10мМ ТЭА

I 2 мин

/20мв|*

!У

Хинин сульфат - блокатор низкоселективных, активируемых деполяризацией Са2^чувствительных К+-каналов. Его действие на БЭР было сильнее (рис. 10), чем действие ТЭА. В концентрации 0.1 мМ хинин сульфат значительно замедлял прохождение начального этапа стадии деполяризации, хотя амплитуда местной реакции не снижалась. Наиболее заметное действие хинин сульфата проявлялось на стадии реполяризации (рис. 10). В концентрации 0.1 мМ хинин сульфат сильно ингибировал, а в концентрации 1 мМ полностью снимал генерацию второго импульса.

При действии 1 мМ хинин сульфата тормозилась не только скорость начальной деполяризация, но и общий процесс деполяризации, и снижалась амплитуда БЭР.

Рис. 10. Влияние хинин сульфата на форму БЭР листа огурца: а -контроль, 6-0.1 мМ, в — 1 мМ хинин сульфат

/ 20 мВ

2 ннн

Таким образом, если тетраэтиламмоний оказывал влияние только на стадию реполяризации, то действие хинин сульфата было более комплексным. Помимо торможения реполяризации хинин сульфат влиял на амплитуду и продолжительность деполяризации. Кроме того, в его присутствии образовывался только один полный импульс.

Влияние предобработки листьев хлористым гадолинием и ТЭА

Если обработку Ос13+ и ТЭА проводили только до опыта (рис 11), а во время измерений ингибиторы не присутствовали на поверхности листа, характер БЭР не отличался от регистрируемых в описанных выше опытах, в которых обработку Оё3+ и ТЭА проводили и во время измерений. По-видимому, при предобработке ингибиторами в течение 1 часа в листе достигалась концентрация, достаточная для

воздействия на генерацию импульсов. На примере гадолиния показана двойственность его действия - при концентрации 1 мМ амплитуда ответа несколько повышалась, а 10 мМ 0(13+ заметно снижал амплитуду.

к/ \и

'>\1 20 мВ

Рис. 11. Влияние предобработки гадолинием и тетраэтиламмонием на форму БЭР: а-контроль, б-вс!3* 1 мМ, в-Ос!3' 10 мМ, г - ТЭЛ 10 мМ

Возможная роль Н+-АТФазы в генерации местной реакции

В последнее время обсуждается возможность участия Н^-АТФазы в электрическом ответе на действие различных стимулов (ВШуЛеу, Угес1епЬе^, 1995; Воденеев, 2006). Известно, что мембранный потенциал состоит из двух компонент: диффузионной, определяемой электрохимическим градиентом диффундирующих через клеточную мембрану ионов, и метаболической, определяемой работой Н+-АТФазы. Значительный вклад метаболической составляющей в величину мембранного потенциала предполагает вероятность участия протонного насоса и в генерации электрического ответа на раздражения. Для оценки роли Н+-АТФазы в формировании местной реакции использовали ингибиторы протонного насоса - ДЦКД и ортованадат.

ДЦКД (1\1,М'-дициклогексилкарбодиимид) - неспецифичный ингибитор АТФаз. В концентрации 0.1 мМ ДЦКД замедлял стадию реполяризации (рис. 12), преимущественно вторую фазу. Стадия деполяризации и амплитуда БЭР при этом практически не изменялись. В концентрации 1 мМ ДЦКД сильно ингибировал импульсную активность.

\ а ; 6_; в_

~ "Т N ^ Рис. 12. Влияние ДЦКД на БЭР

\ __________листа огурца: а - контроль,

/ .„■...... \ / б - 0.1 мМ, в - 1 мМ ДЦКД.

\ '''* ^ " 2 мин

( I / 20мв!*

Ортованадат - специфичный ингибитор ЬГ-АТФазы плазматической мембраны. Ортованадат натрия в концентрациях 0.1 и 1 мМ действовал практически одинаково. При обеих концентрациях снижалась скорость деполяризации, что приводило к уменьшению амплитуды, при этом, как правило, генерировался только один импульс.

Ортованадат также замедлял по сравнению с контролем процесс реполяризации и изменял форму кривой (рис. 13).

I.......а__;____5.....................I_5____________-____

! /

\ / 2 мин

\ /гомвГ

Рис. 13. Влияние ортованадата натрия на форму БЭР, регистрируемую в листе огурца при локальном охлаждении: а - контроль, 6-0.1 мМ, в - 1 мМ

В наших экспериментах и неспецифичный ингибитор Н+-АТФаз (ДЦКД), и специфичный ингибитор (ортованадат) оказывали влияние на местную реакцию. Общее в действии этих ингибиторов - замедление реполяризации клеточной мембраны.

Таким образом, результаты ингибиторного анализа предполагают, что начальным этапом местного ответа на снижение температуры является активация Са2+- каналов как на плазмалемме, так и на эндомембранах. Активация анионных каналов усиливает вызванную кальцием деполяризацию, а в реполяризации участвуют К^-каналы. Наши данные свидетельствуют также о том, что функционирование Н+-насоса, по-видимому, важно на всем протяжении импульсной активности БЭР.

Влияние блокаторов ионных каналов на параметры БЭР суммированы в табл.3.

Влияние салициловой кислоты на местную БЭР и ПД

Помимо механочувствительных и потенциалзависимых каналов, на плазматической мембране присутствуют и лиганд-чувствительные каналы, активность которых зависит от действия на них какого-либо активатора - лиганда. Возможно, что салициловая кислота может выступать в качестве одного из липщдов. Такое предположение основывается на ее влиянии на ионные потоки через плазматическую мембрану и на присутствии в растительных клетках связывающего салициловую кислоту белка.

В этой серии опытов участок листа в течение 1 часа предобрабатывали салициловой кислотой в нескольких концентрациях, т.е. изучали последействие СК на параметры БЭР. Действие салициловой кислоты на местную БЭР зависело от ее концентрации (рис. 14). Активация при 0.1 мМ СК выражалась в увеличении скорости деполяризации, что в данном случае приводило к увеличению амплитуды. Высокая концентрации СК (5 мМ) вызывала торможение БЭР - значительно снижалась амплитуда импульсов.

\п / u i /

2 мин

I I

20 мВ

Рис. 14. Действие предобработки салициловой кислотой (рН 5.2) на местную БЭР, генерируемую в листе огурца: а - контроль, б - СК 0.1 мМ, в - СК 5 мМ

Влияние салициловой кислоты на ПД, генерируемые Chara corallina. Ионные механизмы ПД для харовых водорослей хорошо изучены, что позволяет интерпретировать изменения в форме и параметрах ПД. Как видно на рис. 15, салициловая кислота в концентрации 0.1 мМ влияла на параметры генерируемого потенциала действия - амплитуда ПД изменялась незначительно, но сильно увеличивалась продолжительность импульса. Похожее, но более сильное увеличение продолжительности наблюдали при действии ТЭА (рис. 16), что предполагает возможность влияния СК на выход К* из клетки. Торможение генерации импульса при высокой концентрации СК (1 мМ) может свидетельствовать о неспецифичном ингибировании ПД у хары (рис. 15).

А а

I Г

1 /-""

! i

а*в

Рис. 15. Действие СК (рН 5.2) на ПД Chara corallina.

а — контроль; б - С К 0.1 мМ; в - С К1 мМ.

Рис.16. Влияние ТЭА на ПД Chara corallina.

а ~ контроль; б - ТЭА 5 мМ; в - ТЭА 10 мМ

Специфичность действия СК. Действие СК на параметры местной реакции и потенциала действия можно было объяснить ее слабокислотными свойствами. Для проверки возможного действия СК как слабой кислоты использовали предобработку участка листа другой слабой кислотой - ацетатом №. Как видно из рис. 17, ацетат натрия не влиял значительно на амплитуду и продолжительность стадий де- и реполяризации генерируемых в листе огурца импульсов.

Ответная реакция не изменялась и при предобработке неактивным аналогом СК - 4-оксибензойной кислотой, - которая отличается от СК различным положение ОН-группы в бензойном кольце (у 2-го атома углерода у СК, у 4-го атома у 4-оксибензойной кислоты). На рисунке 17 представлены записи БЭР листьев контрольных растений и растений, предобработанных 4-оксибензойной кислотой. Существенных различий между контрольной записью БЭР и реакцией в листьях растений, предобработанных неактивным аналогом СК, не обнаружили.

Д................».......................................| в

Рис. 17. БЭР листа огурца, предобработанного 0.1 мМ ацетатом Ыа и 0.1 мМ 4-оксибензойной кислотой: а - контроль; б - ацетат Ыа; в - 4-оксибензойная кислота

Специфичность действия салициловой кислоты проверяли при сравнении ее влияния и влияния 4-оксибензойной кислоты на генерацию ПД у Chara corallina фис. 18). Так же как и при изучении действия этого аналога СК на местную реакцию, генерируемые в их присутствии ПД практически не различались по форме и параметрам БЭР. Таким образом, можно говорить о специфичности действия СК.

Tíme.s

Рис. 18. Влияние неактивного аналога 0,1 мМ СК (4-оксибензойной кислоты) на ПД: 1- контроль; 2 - аналог СК

Таблица 3. Влияние блокаторов ионных каналов на параметры БЭР, генерируемые в листе огурца в ответ на локальное охлаждение

Ингибитор Повтор ности Коп цеп трация, мМ Число пиков в одной БЭР Начало быстрой деполяризац ии, с Амплитуда, мВ Продолжитель иость реполяризации, с

Контроль 14 2, редко 3 27±1 118±2 34±1

Лантан 5 0,1 1-2 38±2 93±7 -

Лантан 6 1 1, редко 2 57±4 7б±4 59±5

Лантан 5 5 1, 2 менее четко 55±5 46±4 60±2

Гадолиний 7 1 1-2, второй слабо 40±2 120±3 40±2

Гадолиний 6 10 1-2, второй слабо 50±1 72±4 65±1

Рутений красный 7 1 2, редко 1 45±3 П6±2 34±3

Рутений красный 6 10 нет - 50±5 -

Верапамил 5 0,05 2 30±1 116±1 32±2

Верапамил 7 0,5 2 44±1 122±3 364

Верапамил 7 1 2 49±2 106±3 34±3

ТЭА 8 1 2, редко 3 27±1 114±2 34±2

ТЭА 5 10 2, редко 3 28±2 130±2 53±2

Хинин 6 0,1 1 70±6 121±4 55±4

Хинин 6 1 1 - 79±2 82±2

дцкд 7 0,1 2 29±1 107±2 59±3

дцкд 6 1 2 - 40±4 -

Ортованадат 5 од 1, второй слабо 31±1 93±4 60±3

Ортованадат 6 1 1, второй слабо 41±1 92±3 70±3

Примечание. Число растений в каждом опыте не менее 3, на каждом растении для регистрации импульсов брали в среднем по 2 листа. Повторности - количество листьев, на которых проводили измерения

Сравнение параметров БЭР у растений, различающихся по чувствительности к холоду

Использовали 2 гибрида огурца: более чувствительный к охлаждению «Мазай» и менее чувствительный «Емеля». Выявили некоторые различия БЭР между этими гибридами. У холодочувствительного гибрида «Мазай» амплитуда БЭР была значительно больше, чем у холодоустойчивого гибрида «Емеля». Таким образом, можно говорить о наличии различий в параметрах БЭР между гибридами огурца, различающимися по чувствительности к охлаждению.

V * I!

—'~2-—""""

2 мин 20 мВ!

.. - %-"*""

2 мин

20 мВ

Рис. 19. Действие СК на местную реакцию при охлаждении менее чувствительного к холоду гибрида «Емеля» (слева) и более чувствительного гибрида «Мазай» (справа): 1 - растение, обработанное 5 мМ СК; 2 - контроль

После предобработки 5 мМ салициловой кислотой у обоих гибридов значительно снижались по сравнению с необработанными растениями амплитуда и скорость деполяризации (рис. 19). Изменения происходили в направлении, свойственном более устойчивым гибридам. Это позволяет предполагать, что предобработка высокими концентрациями СК может способствовать снижению чувствительности растений к холоду.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на схожесть форм БЭР и ПД, ряд признаков позволяют отнести регистрируемую нами БЭР к местным изменениям потенциалов. Так, в отличие от ПД, импульсы БЭР не распространялись от места воздействия, их форма зависела от степени и продолжительности охлаждения, не выявлялся рефрактерный период -следующий импульс начинал генерироваться до того, как полностью развился предыдущий, образуя «сдвоенный» или даже «утроенный» импульс. В то же время механизмы генерации местной БЭР схожи с механизмами генерации ПД. В обоих случаях происходило последовательное изменение проводимости ионных каналов. На первой стадии деполяризации активировались потенциал-зависимые и, возможно, механочувствительные Са2+-каналы на плазмалемме и эндомембранах. Вторая, более быстрая сгадия деполяризации осуществлялась за счет активации выхода анионов из клетки. Действие ингибиторов рГ-АТФазы - ДЦКД и, особенно, ортованадата - на параметры местной электрической реакции позволяет предположить участие этого фермента как на стадии деполяризации, так и во время реполяризации. При сходстве

механизмов генерации остается неясным, что делает БЭР неспособной распространяться за пределы действия раздражителя. Возможно, что порог возбудимости клеток мезофилла слишком высок. Кроме того, раздражение наносили вдалеке от крупных проводящих пучков, оно могло распространяться по плазмодесмам и мельчайшим жилкам, электрическое сопряжение которых недостаточно для быстрого распространения импульсов.

Влияние СК на параметры БЭР предполагает участие лиганд-чувствительных ионных каналов. Сравнивая действие СК с действием различных ингибиторов, можно предположить, что СК влияет на активность кальциевых и калиевых каналов. Параметры БЭР под влиянием СК изменялись в направлении, свойственном менее чувствительному к холоду гибриду, что согласуется с ее ролью в защитных реакциях растений.

Несмотря на активное обсуждение физиологической роли ПД, ряд его свойств не предполагает специфичности вызываемых им реакций. Это обусловлено его основным свойством - генерированием по закону «все или ничего». По определению, форма ПД не зависит ни от природы, ни от силы раздражителя. Таким образом, вне зависимости от свойств раздражителя при достижении пороговых значений мембранного потенциала формируется импульс стандартной формы. Тем самым, распространяясь по растению, ПД несет информацию лишь о наличии раздражителя, не оповещая ни о силе раздражителя, ни о его природе. Вероятно, этим объясняется множественные изменения при генерации ПД физиологических процессов в клетке - дыхания, фотосинтеза, транспорта веществ и т.д. Активируются, по-видимому, неспецифические защитные реакции, а ПД является сигналом SOS. В отличие от ПД, местная реакция зависит от природы раздражителя и от силы стимула, в ее генерации участвуют многие механизмы. Это позволяет формировать более специфичный ответ, затрагивающий, возможно, большее количество внутриклеточных процессов.

ВЫВОДЫ

1. Местная биоэлектрическая реакция на снижение температуры имеет импульсную форму и не распространяется по листу на заметные расстояния от места воздействия;

2. Используя блокаторы ионных каналов, показали, что в основе генерации местной БЭР лежат изменения проводимости различных ионных каналов. Начальная медленная деполяризация связана с активацией Са2+-каналов как на плазмалемме, так и на эндомембранах. Следующая за ней фаза быстрой деполяризации связана с активацией анионных каналов. Фаза реполяризации определяется повышением проводимости калиевых каналов;

3. В генерации местной электрической реакции участвуют потенциал-зависимые, механо-чувствительные и предположительно лиганд-чувствительные ионные каналы;

4. 1Г-АТФаза участвует в формировании местной реакции на стадии реполяризации и, возможно, деполяризации;

5. Салициловая кислота влияет на параметры как местной реакции, так и потенциала действия, увеличивая амплитуду местной реакции листа и продолжительность ПД в клетках хары. Действие салициловой кислоты специфично: ни слабая кислота (ацетат), ни неактивный аналог салициловой кислоты (4-оксибензойная кислота) не изменяли заметно параметров биоэлектрической реакции;

6. Разные по чувствительности к холоду гибриды огурца различались по параметрам местной реакции на охлаждение. Это допускает возможность использования местной реакции для оценки устойчивости растений.

Публикации по материалам диссертации

1. Прудников Г.А., Паничкнн JI.A., Бурмистрова H.A., Красавина М.С.

(2005) Электрофизиологическая реакция листьев на локальное охлаждение как показатель устойчивости растений к низкотемпературному стрессу. В сб. Международная конференция «Физиологические и молекулярно-генетические аспекты сохранения биоразнообразия». Вологда, с. 145.

2. Паничкнн Л.А., Красавина М.С., Прудников Г.А. (2006) Электрофизиологическая диагностика устойчивости и функционального состояния растения. Доклады ТСХА, 278, 84-89.

3. Прудников Г.А. (2006) Устойчивость к низкотемпературному стрессу растений табака. В сб. Материалы I (IX) Международной конференции ботаников. Санкт-Петербург, с. 188.

4. Прудников Г.А., Паничкнн Л.А., Красавина М.С. (2007) Влияние салициловой кислоты на биоэлектрическую реакцию листа при локальном охлаждении. Доклады 'ГСХА, 279, 39-43.

5. Красавина М.С., Прудников Г.А., Паничкин Л.А. (2007) Влияние салициловой кислоты на биоэлектрические потенциалы листа огурца. В сб.: Труды Международной научно-практической конференции «Агротехнологии XXI века». Москва, с. 58-61.

6. Паничкин Л.А., Красавина М.С., Прудников Г.А. (2007) Электрофизиологическая реакция листа огурца на локальные холодовые стрессы. В сб.: Современная физиология растений: от молекул до экосистем. Ч. 2. Сыктывкар, с. 313.

7. Прудников Г.А. ,Паничкин Л. А., Красавина М. С. (2008) Некоторые характеристики биоэлектрической реакции листа огурца на локальное охлаждение. В сб. : Физико-химические основы структурно-функциональной организации растений. Екатеринбург, с. 46-347.

8. Прудников Г.А., Красавина М.С., Паничкин Л.А., Бурмистрова H.A. (2009) Возможно ли взаимодействие салицилат-зависимой и электрической сигнальных систем растений. В сб.: Рецепция и внутриклеточная сигнализация. Под ред. Зинченко В.П. и др., Пущино, с. 689-694.

9. Красавина М.С., Бурмистрова H.A., Прудников Г.А., Паничкин Л.А. (2009) Возможные пути влияния салициловой кислоты на холодоустойчивость растений. В сб.: Физико-химические механизмы адаптации растений к антропогенному загрязнению в условиях Крайнего Севера. Апатиты, с 179.

10. Паничкин Л.А. Прудников Г.А. Красавина М.С. (2009) Усовершенствование метода электрофизиологической диагностики холодоустойчивости растений. Известия ТСХА, 4, 133-137.

11. Прудников Г.А., Паничкин Л. А., Красавина М. С. (2010) Влияние блокаторов ионных каналов и ЬГ-АТФазы на генерацию местной электрической реакции в листе огурца. Физиология растений, 57.

Подписано в печать:

19.05.2010

Заказ № 3774 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Прудников, Григорий Александрович

СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Основные этапы изучения БЭР.

1.2 Типы биоэлектрических потенциалов в растении.

1.3 Действие низких температур на растения.

1.4 Салициловая кислота и биоэлектрогенез.

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

3.1 Импульсная активность, генерируемая при локальном охлаждении.

3.2 Сравнение БЭР, регистрируемых в разных участках листа и листьях разного возраста.

3.3 Ионные механизмы местной реакции.

3.3.1. Изучение роли Са-каналов в формировании местной реакции.

3.3.2. Роль анионных каналов в генерации местной реакции.

3.3.3. Роль блокаторов калиевых каналов в генерации местной реакции.

3.3.4. Роль Н+-АТФазы в генерации местной реакции.

3.4. Салициловая кислота и электрогенез

3.4.1. Влияние салициловой кислоты на местную электрическую реакцию и ПД.

3.4.2. Влияние салициловой кислоты на ПД у

Chara corallina.

3.4.3.Специфичность действия СК.

3.5. Сравнение параметров БЭР у растений, различающихся по холодоустойчивости.

4. ОБСУЖДЕНИЕ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Участие ионных каналов в генерации местной биоэлектрической реакции листа огурца на локальное охлаждение"

В процессе эволюции у отдельных компонентов клетки, в частности белковых структур, первоначально возникла способность восстанавливать свою структуру, поврежденную извне. Затем возникла способность избегать опасности и, наконец, высшая форма возбуждения — сигнализация, необходимая для нормального существования многоклеточного организма. Все живое, независимо от уровня своей организации, не могло бы существовать в постоянно меняющемся мире, не обладая способностью адекватно отвечать на факторы внешней и внутренней среды изменением своего метаболизма. Для этого существует сложная система внутриклеточной, внутритканевой и внутриорганизменной сигнализации о действии биотических и абиотических факторов. В эту систему входят гормоны, метаболиты и специфические сигнальные молекулы. Электрические явления могут быть еще одним способом восприятия и распространения сигналов. Такая роль биоэлектрических потенциалов давно известна для животных объектов, а в последнее время обсуждается и применительно к растениям (см. обзоры Baluska et al., 2006; Baluska, Mancuso, 2009a,b; Davies, 2006; Dicke, 2009; Trewavas, 2005, 2009).

Первоначальные сведения о возможности генерирования распространяющихся электрических потенциалов, подобных потенциалам действия в нервной и мышечной ткани животных, относились к локомоторным растениям — росянке, венериной мухоловке и др. Долгое время такое поведение считалось привилегией растений, нуждающихся в быстрой двигательной реакции. И лишь постепенно стало складываться представление о широком распространении среди растений способности генерировать биоэлектрические сигналы в ответ на внешнее воздействие. Начало такому представлению положили работы Бэрдон-Сандерсена (1873), индийского исследователя Bose (см. Бос, 1964; Shepherd, 2005), поддержанные и получившие развитие в исследованиях И.И. Гунара с коллегами (Горчаков, 1961; Гунар, Синюхин, 1962; Гунар, Паничкин, 1969, 1970) и продолженные школой электрофизиологов под руководством В.А. Опритова (см. Опритов и др. 1991).

Изучение электрогенеза растений развивалось волнообразно - всплеск интереса к изучению биоэлектрических явлений в растениях сменялся десятилетиями его отсутствия. Лишь в последние 5 лет электрофизиологические реакции стали для физиологов растений предметом активного изучения. Сигналом к этому стал съезд электрофизиологов «First Symposium in Plant Neurobiology», состоявшийся в 2005 году во Флоренции. За последние 5 лет появилось большое количество информации, что позволяет выделить нейробиологию растений как новую перспективную отрасль науки о растениях.

Поскольку наиболее вероятное участие в координации функционирования различных органов растений признается за распространяющимися электрическими импульсами, основное внимание исследователей было обращено на потенциал действия (ПД) и вариабельный потенциал (ВП). Определены ионные каналы, вовлеченные в генерацию в растениях потенциала действия, и изучены особенности его распространения. Обнаружено изменение многих физиологических функций клеток при распространении ПД. Однако специфичность ответных реакций и возможность сигнальной роли ПД остается под сомнением. Меньше изучен вариабельный потенциал (ВП). Большинство авторов принимает, что в его основе лежит «гидравлический удар» - резкое изменение давления в сосудах ксилемы. Каким образом происходящее в соседних с ксилемными сосудами живых клетках изменение тургорного давления трансформируется в электрическую ответную реакцию, остается неизвестным.

Гораздо меньше внимания было обращено на местную электрическую реакцию. Между тем местные, не распространяющиеся изменения мембранных потенциалов, по-видимому, являются начальным этапом возникновения любой формы биоэлектрической активности. Некоторые ее свойства - градуальность, изменчивость формы реакции - предполагают более непосредственное участие изменений местного потенциала в определении специфичности внутриклеточных метаболических реакций, вызванных воздействием разных стимулов.

Механизмы генерации местных потенциалов изучены слабо. Все авторы, изучавшие местную реакцию на действие разных стимулов (свет, механическое или температурное раздражение) у разных растений, согласны в том, что в начале ответной реакции происходит вход кальция в клетку и повышение концентрации свободного Са в цитоплазме. Ионные потоки через клеточную мембрану осуществляются по ионным каналам. В плазматической мембране растений идентифицированы механочувствительные и потенциалзависимые каналы для ионов кальция, калия и хлора. В последнее время появляется все больше данных о наличии в растениях другого вида каналов — лиганд-чувствительных.

Большая роль в ответных реакциях на неблагоприятные факторы среды принадлежит салициловой кислоте (СК). Особенно явное значение имеет СК для формирования защитной реакции растения. Известны более отдаленные последствия такого влияния - воздействие на окислительно-восстановительные реакции, образование АФК, разобщение окислительного фосфорилирования и активацию альтернативного дыхания, индукцию генов защитного ответа, в том числе PR-генов (см. обзоры в сборнике Hayat, Ahmad, 2007) Имеется небольшое количество данных об изменении происходящих на плазмалемме и клеточной стенке реакций — синтеза и распада каллозы, активности экстраклеточных пероксидаз и т.д. (см. Krasavina, 2007)

Единичные данные об изменении под влиянием СК транспорта ионов (Glass, 1973, 1974а) предполагают возможность влияния СК на электрический мембранный потенциал (Glass, 19746, Гордон и др., 2002) генерируемые в растениях электрические импульсы. Присутствие в клетках связывающего СК белка предполагает возможность ее действия на мембрану в качестве лиганда. Поэтому представляется интересным изучение действия салициловой кислоты на генерацию местной . реакции, которое может осуществляться посредством изменения активности лиганд-чувствительных ионных каналов.

Задачи исследования. 1. Охарактеризовать электрическую реакцию листа на локальное охлаждение;

2. Изучить влияние блокаторов потенциал-зависимых и механочувствительных ионных каналов на генерацию местной БЭР;

3. Выявить возможность действия салициловой кислоты на местную биоэлектрическую реакцию растений;

Научная новизна работы. Впервые дана достаточно полная характеристика местной реакции листа на кратковременное локальное охлаждение. Показана индукция импульсной активности, не распространяющейся на значительные расстояния от места воздействия. Применение блокаторов ионных каналов показало участие кальциевых, хлорных и калиевых ионных каналов, а также Н^-АТФазы в генерации импульса. Обнаружено, что ионные потоки, лежащие в основе местной реакции, сходны с потоками при формировании потенциала действия. Впервые показано влияние салициловой кислоты на форму и параметры местной реакции и потенциала действия. Показано, что салициловая кислота в зависимости от концентрации может как стимулировать, так и ингибировать электрическую активность, что предполагает ее роль в регуляции электрической активности листа. Получены данные, позволяющие считать действие салициловой кислоты специфичным.

Научно-практическаязначимостьработы. Проведенные исследования расширяют представление о реакции растений на неблагоприятные факторы среды, свидетельствуя об участии локальных изменений мембранных потенциалов в первичном ответе растительных тканей на стрессовое воздействие. Влияние известного стрессового гормона — салициловой кислоты - на параметры местной электрической реакции предполагает вовлеченности этой реакции в индукцию внутриклеточных физиологических защитных механизмов. Материалы диссертации могут быть использованы при чтении курсов лекций в университетах и включены в пособия и учебники по физиологии растений. Метод экстраклеточной регистрации биопотенциалов тканей листа может применяться в качестве тест-метода для сравнения различных по устойчивости сортов и гибридов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на Съезде физиологов растений (Вологда, 2005), I (IX) Международной конференции ботаников в Санкт-Петербурге (Санкт-Петербург, 2006), Международной конференции «Современная физиология растений: от молекул до экосистем» (Сыктывкар, 2007), на Годичном собрании общества физиологов растений России «Физико-химические основы структурно-функциональной организации растений» (Екатеринбург, 2008), Научной конференции ТСХА (Москва, 2007), Международной конференции

Рецепция и внутриклеточная сигнализация» (Пущино, 2009), ежегодных молодежных конференциях ИФР РАН (Москва, 2007-2009).

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Заключение Диссертация по теме "Физиология и биохимия растений", Прудников, Григорий Александрович

выводы

4. £Г-АТФаза участвует в формировании местной реакции на стадии реполяризации и, возможно, деполяризации;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сравнивая характеристики изучаемой нами нераспространяющйся реакции с известными типами биоэлектрических ответов, можно заметить общие черты. Любой раздражитель в первую очередь взаимодействует с наиболее чувствительными к нему компонентами плазматической мембраны. Несмотря на предполагаемые различия рецепторных свойств мембраны и возможную специфичность рецепторов (Baluska, Mancuso, 2009), в конце концов происходит одинаковый процесс - в клетки поступает кальций и повышается его содержание в примембранном слое цитоплазмы. Это активирует имеющиеся на мембране кальций-зависимые ионные каналы. Активация анионных каналов усиливает вызванную начальным входом кальция деполяризацию, а активация калиевых каналов возвращает значение мембранного потенциала к исходному уровню. В результате генерируется временная волна изменения мембранного потенциала. И изменения электрического заряда на мембране, и изменения ионного окружения влияют на происходящие на мембране процессы - активируется синтез компонентов клеточной стенки (например, лигнина, каллозы и др), активируются апопластные ферменты (например, различные пероксидазы). Такие изменения должны отразиться на устойчивости растения к дальнейшим стрессовым воздействиям, которая скорее всего носит неспецифичный характер.

Следующей реакцией на, вероятно, любые внешние стимулы становится активация выхода кальция из эндоплазматического ретикулума и/или вакуоли, что еще сильнее повышает его концентрацию в клетке и, возможно, не только вблизи плазмалеммы. Этот процесс должен затрагивать большее число клеточных процессов, включая индукцию активности генов, активацию процессов транскрипции и трансляции и синтез белков.

Возможно, что последовательное изменение концентрации кальция в разных частях клетки, приводящее к распространению «кальциевых» волн может носить элементы специфичности - разные стимулы могут вызывать волны, характеризуемые различной периодичностью и отличающиеся по амплитуде. Вариабельность интенсивности раздражения увеличит разнородность «кальциевых» волн.

Другим путем создания специфичности ответной реакции может быть возможность того, что при разных воздействиях, генерирующих электрофизиологические реакции различного характера, активируются разные кальциевые каналы. Например, если в генерации БЭР участвуют потенциалозависимые кальциевые каналы, формирующие ПД, то сигнал может передаваться на связанные с этими каналами микротрубочки. Если генерируется ВП, то активируются преимущественно механочувствительные кальциевые каналы, связанные с микрофиламентами. Локализация этих элементов цитоскелета различается, продолжительность нахождения каналов в открытом состоянии тоже может различаться. Это также может влиять на физиологическую ответную реакцию. При генерации местной реакции активируются и потенциал-зависимые, и механочувствительные и, возможно, другие каналы, в том числе лиганд-чувствительные. Такое разнообразие отвечающих на раздражение элементов расширит набор ответных реакций.

На схеме изображена модифицированная гипотеза Davies (2006), дополненная местным электрическим ответом. Схема показывает, что различные формы электрических реакций, воздействуя на транспорт только одного вида ионов, могут привести к различным ответным реакциям, в том числе к индукции разных генов.

Многообразие ответов дополняется участием других сигнальных ионов — анионов и калия, при этом возможно образование разнообразных канальных комплексов. Участие Н+- АТФазы в генерации, по-видимому, всех типов БЭР предполагает вовлечение и транспорта протонов.

Сг* PIIF f

Рис. 27. Взаимоотношение разных форм биоэлектрической активности при вляинии на клеточную мембрану (Davies, 2006, модифицирована).

Местная реакция ВП

СК \

Обнаруженное в работе влияние салициловой кислоты на биоэлектрогенез дополняет изученные ранее реакции растений на обработку экхогенной СК (Alvarez, 2000; Серова и др., 2006). По-видимому, изменения трансмембранных потоков ионов и мембранного потенициала под влиянием СК является одной из первых реакций, приводящих к образованию каллозы в плазмодесмах эпидермальных клеток. Это тормозит транспорт патогенов и способствует развитию устойчивости к биотическим стрессам. Хотя взаимоотношение СК с абиотическими стрессами может быть более сложным и неоднозначным (Tasgin et al., 2003; Scott et al., 2004; Kang et al., 2007; Horvath et al., 2007; Alonso-Rarrrirez et al., 2009; Janda et al., 2007), наши данные предполагают возможность влияния СК и на чувствительность растений к охлаждению.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Прудников, Григорий Александрович, Москва

1. Берестовский Г.Н. (2001) Ионные каналы плазмалеммы и тонопласта. Вестник Нижегородского гос. ун-та. Сер Биология, 11-15.

2. Берестовский Г.Н., Жерелова О.М., Катаев А.А. (1987) Ионные каналы клеток харовых водорослей. Биофизика, 6, 1011-1027.

3. Болдырев А.А. (1985) Биологические мембраны и транспорт ионов. М.: МГУ, 208 с.

4. Бос Д.Ч. (1964) Избранные произведения по раздражимости растений. М.: Наука.Т. 2. 395 с.

5. Булычев А.А., Камзолкина Н.А. (2006) Влияние потенциала действия на фотосинтез и пространственно распределенные потоки Н4" в клетке и хлоропластах Chara corallina. Физиология растений, 53, 1-10.

6. Воденеев В.А. (2009) Механизмы генерации и функциональная роль потенциалов возбуждения у высших растений. Автореф. дисс. докт. биол. наук, Москва: типография Нижегородского госуниверситета, 42 с.

7. Воденеев В.А., Опритов В.А., Пятыгин С.С. (2006) Обратимое изменение внеклеточного рН при генерации потенциала действия у высших растений Cucurbita реро. Физиология растений, 53, 538 545.

8. Воденеев В.А., Пятыгин С.С. (2007). Метаболическая зависимость генерации потенциала действия в возбудимых клетках стебля тыквы при охлаждении. Цитология, 49, 973-976.

9. Волков А.Г., Хаак Р.А. (1995) Биоэлектрические сигналы в растениях картофеля. Физиология растений, 42, 23-29.

10. Гордон Л.Х., Минибаева Ф.В., Огородникова Т.И., Рахматуллина Д.ф.2002 Салициловая кислота индуцирует диссипацию протонного градиента на плазматической мембране растительных клеток. Доклады РАН, 387 581-583.

11. Горчаков В.В. (1961) Электрофизиологтческая характеристика потенциалов действия и их функциональное значение у высших растений. Автореф. дисс. канд. биол. наук, Москва, 14 с.

12. Гунар И.И., Каменская К.И., Паничкин Л.А., Соколова Н.П. (1977) Мембранные потенциалы клеток различных тканей стебля тыквы. Известия ТСХА, 2,209-213.

13. Гунар И.И., Паничкин Л.А. (1966) Биоэлектрическая реакция листа фасоли при действии плазмолитика на корень. Доклады ТСХА, 119, 185190.

14. Гунар И.И., Паничкин Л.А. (1969) Водно-ионные потоки и передача возбуждения у растений. Известия ТСХА, 4, 3-13.

15. Гунар И.И., Паничкин Л.А. (1969а) Базипетальное распространение биоэлектрического возбуждения у растений при действии плазмолитика на корни. Известия ТСХА, 6, 3-7.

16. Гунар И.И., Паничкин Л.А. (1970) О передаче электрического возбуждения у растений. Известия ТСХА, 5, 3-9.

17. Гунар И.И., Синюхин A.M. (1962) Распространяющаяся волна возбуждения у высших растений. Доклады АН СССР, 142, 954-956.

18. Гунар И.И., Синюхин A.M. (1963). Функциональное значение токов действия в изменении газообмена высших растений. Физиология растений, 10, 1042-054.

19. Иост X. (1975) Физиология клетки. М.: Мир, 864 с.

20. Карманов В.Г., Лялин О.О., Мамулашвили Г.Г. (1972) Форма потенциалов действия и кооперативность возбудимых элементов у стебля тыквы. Физиология растений, 19, 424-430.

21. Красавина М.С. (1974) К вопросу об эквипотенциальное™ коровых клеток корня. Физиология растений, 21, 5-11.

22. Красавина М.С., Ктиторова И.Н. (1975) Влияние адениновых и имидазольных производных и индолилуксусной кислоты на мембранный потенциал корневого волоска Trianea bogotensis. Физиология растений, 22, 1156-1161.

23. Кудоярова Г.Р., Усманов И.Ю., Гюли-Заде В.З., Фаттахутдинов Э.Г., Веселов С.Ю. (1990) Взаимодействие пространственно разобщенных органов растений. Соотношение электрических и гормональных сигналов. Доклады АН СССР, 310, 1511-1514.

24. Лялин О.О., Ахмедов И.С., Ктиторова И.Н. (1977) Электрогенез клеток лтета Elodea canadensis. Физиология растений, 24, 70-74.

25. Мамулашвили Г.Г., Красавина М.С., Лялин О.О. (1972) Сравнительное изучение электрической активности корня и стебля растений. Физиология растений, 19, 551-557.

26. Мамулашвили Г.Г., Красавина М.С., Лялин О.О. (1973) О роли различных тканей стебля в передаче возбуждения. Физиология растений, 20, 442-450.к

27. Медведев С.С., Маркова И.В. (1991) Участие салициловой кислоты в гравитропизме у растений. Физиология растений, 316, 10-14.

28. Медведев С.С. (1998) Электрофизиология растений. СПб: Изд-во СГШГУ 184 с.

29. Медведев С.С. (2005) Кальциевая сигнальная система растений. Физиология растений, 52, 282-305.

30. Опритов В.А. (1996) Электрические сигналы у высших растений. Соросовский образовательный журнал, 10, 22-27.

31. Опритов В.А., Лобов С.А., Пятыгин С.С., Мысягин С.А. (2005) Анализ возможности участия местных биоэлектрических реакций в рецепции охлаждения высшими растениями (на примере Cucurbita реро) Физиология растений, 52, 905-912.

32. Опритов В.А., Пятыгин С.С. (1989) Анализ сопряжения работы электрогенного ионного насоса возбудимой мембраны с генерацией потенциала действия у высших растений. Известия АН СССР, Сер. биол., 5, 739-744.

33. Опритов В.А., Пятыгин С.С., Воденеев В.А. (2002) Непосредственное сопряжение генерации потенциала действия в клетках высшего растения Cucurbita реро L. с работой электрогенного насоса. Физиология растений, 49, 160-165.

34. Опритов В.А., Пятыгин С.С., Ретивин В.Г. (1991) Биоэлектрогенез у высших растений. М.: Наука. 216 с.

35. Опритов В.А., Ретивин В.Г. (1982) О механизме распространения возбуждения у высших растений. Физиология растений, 29, 915-924.

36. Полевой В.В. (2001) Физиология целостности растительного организма. Физиология растений, 48, 545-546.

37. Пятыгин С.С., Воднеев В.А., Опритов В.А. (2005) Сопряжение генерации потенциала действия в клетках растений с метаболизмом: современное понимание проблемы. Успехи современной биологии, 125, 534-542.

38. Пятыгин С.С., Воденеев В.А., Опритов В.А. (2006) Деполяризация плазматической мембраны как универсальная первичная биоэлектрическая реакция растительных клеток на действие различных факторов. Успехи современной биологии, 126, 493-502.

39. Пятыгин С.С., Опритов В.А., Воденеев В.А. (2008) Сигнальная роль потенциала действия у высших растений. Физиология растений, 55, 312319.

40. Ретивин В.Г., Опритов В.А., Федулина С.Б. (1997) Предадаптация тканей стебля Cucurbita реро к повреждающему действию низких температур, индуцированная потенциалом действия. Физиология растений, 44, 499-510.

41. Серова В.В., Ралдугина Г.Н., Красавина М.С. (2006) Ингибирование гидролиза каллозы салициловой кислотой нарушает транспорт вируса табачной мозаики. Доклады РАН, 406, 705-708.

42. Синюхин A.M., Бритиков Е.А. (1967) Генерация потенциалов дейс^з^ в пестиках инкарвилеи и лилии в связи с движением рылец и опыл^нием Физиология растений, 14, 463-475.

43. Смирнова И.Н., Лялин О.О., Карманов В.Г. (1968) Деполяр^зация корня растения динитрофенолом. Физиология растений, 15, 625-630^

44. Тарчевский И.А. (2002) Сигнальные системы клеток растений, м. Наука, 294 с.

45. Тихонова Л.И. (1998) Ионные каналы вакуолярной мембраны высших растений. Биологические мембраны, 15, 245-257.

46. Ходоров Б.И. (1969) Проблема возбудимости. Л.: Медицина, с. 58-5<^

47. Черницкий М.Ю., Паничкин Л.А., Купленский О.Ю. (1993) Изменения биоэлектрической активности листьев растений в течение светового дня Физиология растений, 40, 715-720.

48. Черницкий М.Ю., Паничкин Л.А. (1999) Роль К+ в формировании локального биоэлектрического ответа в листьях огурца. Биофизиъс^ 44 913-917.

49. Юрин В.М. (2004) Биомедиаторы в растениях. Курс лекций. Мн.: БГУ 128 с.

50. Alvarez M.E. (2000) Salicylic acid in the machinery of hypersensitive cell death and disease resistance. Plant Mol Biol., 44, 429-42.

51. Baluska F., ed. (2009) Plant-environment interactions: from sensory plant biology to active plant behavior. Berlin Heidelberg: Springer Verlag, 238 p.

52. Baluska F., Mancuso S. (2009a) From stimulus perception to adaptive behavior of plants, via integrated chemical and electrical signaling. Plant Signal. Behaviour, 4, 475-476.

53. Baluska F., Mancuso S. (2009b) Plant neurobiology: from sensory biology, via plant communication, to social plant behavior. Cogn. Process., 10, S3-S7.

54. Baluska F., Mancuso S., Volkmann D., eds. (2006) Communication in plants. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 436 p.

55. Baluska F., Mancuso S., Volkmann D., Barlow P.W. (2009) The "root-brain hypothesis of Charles and Francid Darwin. Revival after more than 125 years. Plant Signal. Behaviour, 4, 1121 -1127.

56. Barbier-Brygoo H., Vinauger M., Colcombet J., Ephritikhine G., Frachisse J.M., Maurel C. (2000) Anion channels in higher plants: functional characterization, molecular structure and physiological role. Biochim. Biophys. Acta, 1465, 199-218.

57. Beilby M.J. (2007) Action potential in charophytes. Int. Rev. Cytol., 257, 4382.

58. Blatt M.R. (1992) K+ channels in stomatal guard cells. J. Gen. Physiol., 99 615-644.

59. Blume В., Nurnberger Т., Nass N.,Scheel D. (2000) Receptor-mediated increases in cytoplasmic free calcium required for activation of pathogen defense in parsley. Plant Cell, 12, 1425-1440.

60. Bulychev A.A., Vredenberg W.J. (1995) Enhancement of the light-triggered electrical response in plant cells following their deenergization with uncouplers. Physiol. Plantarum, 94, 64-70.

61. Davies E. (2006) Electrical signals in plants: facts and hypotheses. In: Plant Electrophysiology — Theory and Methods, Volkov A.G.(ed.) Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, pp. 407-422.

62. Carpaneto A., Ivashikina N., Levchenko V., Krol E., Jeworutzki E., Zhu J.-K., Hedrich R. (2007) Cold transiently activates calcium-permeable channels in Arabidopsis mesophyll cells. Plant Physiol., 143, 487-494.

63. Clapham D.E. (2003) TRP channels as cellular sensors. Nature,426, 517-24.

64. Cleland R.E., Prins H.B.A., Harper J.R., Higinbothan N. (1977) Rapid hormone-induced hyperpolarization of the oat coleoptile transmembrane potential. Plant Physiol., 59, 395-397.

65. Cocucci M., Marre E., Denti A.B., Scacchi A. (1976) Characteristics of fusicoccin-induced changes of transmembrane potential and ion uptake in maize root segments. Plant Sci. Lett., 6, 143-156.

66. Cosgrove D.J., Hedrich R. (1991) Stretch-activated chloride, potassium, and calcium channels coexisting in plasma membranes of guard cells of Vicia faba L. Planta, 186, 143-53.

67. Davies E. (2006) Electrical signals in plants: facts and hypotheses. In: Plant electrophysiology. Theory and methods, Volkov A.G. (ed.) Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, pp. 407-422.

68. Demidchik У. (2006) Physiological roles of nonselective cation channels in the plasma membrane of higher plants. In: Communication in plants, Baluska F., Mancuso S., Volkmann D. (eds) Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, pp. 235248.

69. Dennison K.L., Spalding E.P. (2000). Glutamate-gated calcium fluxes in Arabidopsis. Plant Physiol., 124, 1511-15114.

70. Dicke M. (2009) Behavioural and community ecology of plants that cry for help. Plant Cell Environ,. 32, 654-665.

71. Ding J.P., Pickard B.G. (1993 a) Mechanosensory calcium-selective cation channels in epidermal cells. Plant J., 3, 83-110.

72. Ding J.P., Pickard B.G. (1993b) Modulation of mechanosensitive calcium-selective cation channels by temperature. Plant J., 3, 713-720.

73. Dutta R., Robinson K.R.(2004) Identification, and characterization of stretch-activated ion channels in pollen protoplasts. Plant Physiol., 135, 13981406.

74. Dziubinzka H., Trebacz K., Zawadzki T. (2001) Transmission route for action potentials and variation potentials in Helianthus annuus L. J. Plant. Physiol., 158, 1167-1172.

75. Etherton В., Higinbotham N. (1960) Transmembrane potential measurements of cells of higher plants as related to salt uptake. Science, 131, 409-410.

76. Favre P., Agosti R.D. (2007) Voltage-dependent action potentials in Arabidopsis thaliana. Physiol. Plant., 131, 263-272.

77. Favre P., Krol E., Stolarz M., Szarek I., Greppin H., Trebacz K., Agosti

78. R.D. (1999) Action potentials elicited in the liverwort Conocephalum conicum (Hepaticae) with different stimuli. Arch. Sci. Geneve, 52, 175-185.

79. Favre P., Greppin H., Agosti R.D. (2001) Repetitive action potentials induced in Arabidopsis thaliana leaves by wounding and potassium chloride application. Plant Physiol. Biochem., 39, 961-969.

80. Felle H.H., Hermann A., Hiickelhoven R., Kogel K.-H. (2005) Root-to-shoot signaling: apoplastic alkalinization, a general stress response and defence factor in barley (Hordeum vulgare). Protoplasma, 227, 17-24.

81. Felle H.H., Zimmermann M.R. (2007). Systemic signaling in barley through action potentials. Planta, 226, 203-214.

82. Frachisse J.-M., Thomine S., Colcombet J., Guern J., Barbier-Brygoo H.1999) Sulfate is both a substrate and an activator of the voltage-dependent anion channel of Arabidopsis hypocotyl cells. Plant Physiol., 121, 253-261.

83. Fromm J. (1991) Control of phloem unloading by action potentials in mimosa. Physiol. Plant., 83, 529-533.

84. Fromm J. (2006) Long-distance electrical signaling and physiological functions in higher plants. In: Plant electrophysiology. Theory and methods, Volkov A.G. (ed.) Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, pp.269-285.

85. Fromm J., Bauer T. (1994) Action potentials in maize sieve tubes change phloem translocation. J. Exp. Bot., 45, 463-469.

86. Fromm J., Eschrich W. (1988) Transport processes in stimulated and non-stimulated leaves of Mimosa pudica. II. Energesis and transmission of seismic stimulations. Trees, 2, 18-24.

87. Fromm J., Eschrich W. (1989) Correlation of ionic movements with floem unloading and loading in barley leaves. Plant Physiol Biochem, 27, 577-585.

88. Fromm J., Fei H. (1998) Electrical signaling and gas exchange in maize plants of drying soil. Plant Sci., 132, 203-213.

89. Fromm J., Hajirezaei M., Wilke I. (1995) The biochemical response of electrical signaling in the reproductive system of Hibiscus plants. Plant Physiol., 109, 375-384.

90. Fromm J., Lautner S. (2007) Electrical signals and their physiological significance in plants. Plant Cell Environ., 30, 249-257.

91. Fromm J., Meyer A.J., Weisenseel M.H. (1997) Growth, membrane potential and endogenous ion current of willow (Salix viminalis) root are all affected by abscisic acid and spermine. Physiol. Plant., 99, 529-537.

92. Fromm J., Spanswick R. (1993) Characteristics of action potentials in willow (Salix viminalis L.). J. Exp. Bot., 44, 1119-1125.

93. Furch A.C., van Bel A.J., Fricker M.D., Felle H.H., Fuchs M., Hafke J.B.2009) Sieve element Ca channels as relay stations between remote stimuli and sieve tube occlusion in Vicia faba. Plant Cell, 21, 2118-2132.

94. Gelli A., Blumwald E. (1997) Hyperpolarization-activated Ca2+ -permeable channels in the plasma membrane of tomato cells. J. Membr. Biol., 155, 35-45.

95. Gilliham M., Campbell M., Dubos C., Becker D., Davenport R. (2006) The Arabidopsis thaliana glutamate-like receptor family (/4/GLR). In: Communication in Plants, Baluska F., Mancuso S., Volkmann D. (eds.) Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, pp. 187-204.

96. Glass A.D.M. (1973) Influence of phenolic acids on ion uptake. 1 Inhibition of phosphate uptake. Plant Physiol. ,51, 1037-1041.

97. Glass A.D.M. (1974a) Influence of phenolic acids on ion uptake. Ill Inhibition of potassium absorption. J. Exp. Bot., 25, 1104-1113.

98. Glass A.D.M. (1974b) Influence of phenolic acids on ion uptake. IV Depolarization of membrane potential. Plant Physiol., 54, 855-858.

99. Grams T.E.E., Koziolek C., Lautner S., Matyssek R., Fromm J. (2007) Distinct roles of electric and hydraulic signals on the reaction of leaf gas exchange upon re-irrigation in Zea mays L. Plant Cell Environ., 30, 79-84.

100. Gurovich L.A., Hermosilla P. (2009) Electric signalling in fruit trees in response to water applications and light-darkness conditions. J Plant Physiol, 166, 290-300.

101. Hafke J.B., Furch A.C., Reitz M.U., van Bel A.J. (2007) Functional sieve element protoplasts. Plant Physiol., 145, 703-11.

102. Hafke J.B., Furch A.C., Fricker M.D., van Bel A.J. (2009) Forisome dispersion in Vicia faba is triggered by Ca(2+) hotspots created by concerted action of diverse Ca channels in sieve elements. Plant Signal. Behav., 4, 96872.

103. Harper J.R., Balke N.E. (1981) Characterization of the inhibition of K+ absorption in oat roots by salicylic acid. Plant Physiol., 68, 1349-1353.

104. Hayat S., Ahmad A., eds. (2007) Salicylic acid: a plant hormone. Dordrecht: Springer, 401 p.

105. He Z.-H., He D., Kohorn B.D. (1998) Requirement for the expression of a cell wall associated receptor kinase for survival during the pathogen response. Plant J., 14, 55-63.

106. Higinbotham N., Etherton В., Foster R.J. (1967) Mineral ion contents and cell transmembrane electropotentials of pea and oat seedling tissue. Plant Physiol., 42, 37-46.

107. Higinbotham N., Graves J.S., Davis R.F. (1970) Evidence for an electrogenic ion transport pump in cells of higher plants. J. Membr. Biol,., 210-222.

108. Janda Т., Horvath E., Szalai G., Paldi E. (2007) Role of salicylic acid in the induction of abiotic stress tolerance. //In: Salicylic acid: a plant hormone, Hayat S., Ahmad A., (eds) Dordrecht: Springer, pp. 91-150.

109. Julien J.L., Desbiez M.O., de Jaegher G., Frachisse J.M. (1991) Characteristics of the wave of depolarization induced by wounding in Bidens pilosaL. J. Exp. Bot., 42, 131-137.

110. Kadota Y., Kuchito K. (2006) Regulation of elicitor-induced defense1. Л iresponses by Ca channels and the cell cycle in tobacco BY-2 cells. Biotech. Aricult. Forest., 58, 207-221.

111. Kaneko Т., Saito C., Shimmen Т., Kikuyama M. (2005) Possible• 2 1'involvement of mechanosensitive Ca channels of plasma membrane in mechanoperception in Chara. Plant Cell Physiol., 46, 130-135.

112. Kang H.M., Saltveit M.E. (2002) Chilling tolerance of maize, cucumber and rice seedling leaves and roots are differentially affected by salicylic acid. Physiol Plant., 115, 571-576.

113. Kang G.-Z., Wang C.H., Sun G.C., Wang Z.X. (2003) Salicylic acid changes activities of ^CVmetabolizing enzymes and increases the chilling tolerance of banana seedlings. Environ. Exp. Bot., 50, 9-15.

114. Kang G.-Z., Wang Z.-X., Xia K-F., Sun G.-C. (2007) Protection of ultrastructurein chilling-stressed banana leaves by salicylic acid. J. Zhejiang Univ. Sci. B, 8, 277-282.

115. Knight H., Trewavas A.J., Knight M.R. (1996) Cold calcium signaling in Arabidopsis involves two cellular pools and a change in calcium signature after acclimation. Plant Cell, 8, 489-503.

116. Korkmaz A. (2005) Inclusion of acetyl salicylic acid and methyl jasmonate into the priming solution improves low temperature germination and emergence of sweet paper. Hort. Sci., 40, 197-200.

117. Korkmaz A., Tiryaki I., Nas M.N., Ozbay N. (2004) Inclusion of plant growth regulators into priming solution improves low-temperature germination and emergence of watermelon seeds. Can. J. Plant Sci., 84, 1161-1165.

118. Krasavina M.S. (2007) Effect of salicylic acid on solute transport in plants // In: Salicylic acid: a plant hormone, Hayat S., Ahmad A., (eds) Dordrecht: Springer, pp. 25-68.

119. Krol E., Dziubinska H., Trebacz K. (2003) Low-temperature induced transmembrane potential changes in the liverwort Conocephalum conicum. Plant Cell Physiol., 44, 527-533.

120. Krol E., Dziubinska H., Trebacz K. (2004) Low-temperature-induced transmembrane potential changes in mesophyll cells of Arabidopsis thaliana, Helianthus annuus and Vicia faba. Physiol. Plant., 120, 265-270.

121. Krol E., Dziubinska H., Trebacz K,, Koselski M., Stolarz M. (2007) The influence of glutamic and aminoacetic acids on the excitability of the liverwort Conocephalum conicum. J Plant Physiol., 164, 773-784.

122. Krol E., Trebacz К. (1999) Calcium-dependent voltage transients evoked by illumination in the liverword Conocephalum conicum. Plant Cell Physiol40, 17-24.

123. Maathuis F.J.M., Sanders D. (1992) Plant membrane transport. Curr. Opin. Cell Biol., 4, 661-669.

124. Maathuis F.J.M., Sanders D. (1999) Plasma membrane transport in context -making sense out of complexity. Curr. Opin. Plant Biol., 2, 236-243.

125. Maffei M., Bossi S. (2006) Electrophysiology and plant responses to biotic stress. In: Plant electrophysiology. Theory and methods, Volkov A.G. (ed) Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 461-481.

126. Malone M., Stankovic B. (1991) Surface potentials and hydraulic signals in wheat leaves following localized wounding by heat. Plant Cell Environ., 14, 431-436.

127. Malone M., Alarcon J.-J., Palumbo L. (1994) An hydraulic interpretation in the tomato of rapid long-distance wound signaling. Planta, 193, 181-185.

128. Mancuso S. (1999) Hydraulic and electrical transmission of wound-induced signals in Vitis vinifera. Austr. J. Plant Physiol., 26, 55-61.

129. Marre E., Lado P., Ferroni A., Denti A.B. (1974) Transmembrane potential increase induced by auxin, benzyladenine and fusicoccin. Correlation with proton extrusion and cell enlargement. Plant Sci. Lett., 2, 257-265.

130. Marten I., Hoth S., Deeken R., Ketchum R.F,m Hoshi Т., Hedrich R.1999) AKT3, a phloem localised K+ channel is blocked by protons. Proc. Natl. Acad. Set USA, 96, 7581-7586.

131. Mathieu Y., Jouanneau J.P., Thomine S., Lapous D., Guern J. (1994) Cytosolic protons as secondary messengers in elicitor-induced defence responses. Biochem. Soc. Symp., 60, 113-130.

132. Metraux J.-P., Signer H., Ryals J., Ward E., Wyss-Benz M., Gaudin J., Raschdorf K,, Schmid E., Blum W., Inverardi B. (1990) Increase in salicylic acid at the onset of systemic acquired resistance in cucumber. Science, 250, 1004-1006.

133. Michelet В., Boutry M. (1995) The plasma membrane E^-ATPase: a highly regulated enzyme with multiple physiological functions. Plant Physiol., 108, 16.

134. Minorsky P.V., Spanswick R.M. (1989) Electrophysiological evidence for a role for calcium in temperature sensing by roots of cucumber seedlings. Plant Cell Environ., 12, 137-143.

135. Miura K., Ohta M. (2010) SIZ1, a small ubiquitin-related modifier ligase, controls cold signaling through regulation of salicylic acid accumulation. J Plant Physiol, 167, 555-560.

136. Mori I.C., Iida H., Tsuji F.I., Isobe M., Uozumi N., Muto S. (1998) Salicylic acid induces a cytosolic Ca elevation in yeast. Biosci Biotechnol Biochem., 62, 986-989.

137. Murata N., Los D.A. (1997) Membrane fluidity and temperature perception. Plant Physiol, 115, 875-879.

138. Mwesigwa J., Collins D.J., Volkov A.G. (2000) Electrochemical signaling in green plants: effects of 2,4-dinitrophenol on variation and action potentials in soybean. Bioelectrochemistry, 51, 201-205.

139. Penfield S. (2008) Temperature perception and signal transduction in plants. New Phytol., 179, 615-628.

140. Pickard B.G. (1973) Action potentials in higher plants. Bot. Rev., 39, 172-201.

141. Pifieros M., Tester M. (1997) Calcium channels in higher plant cells: selectivity, regulation, and pharmacology. J. Exp. Bot., 48, 551-557.

142. Plieth C., Hansen U.P., Knight H., Knight M.R. (1999) Temperature sensing by plants: the primary characteristics of signal perception and calcium response. Plant J., 18, 491-497.

143. Pottosin I.I., Dobrovinskaya O.R., Muniz J. (1999) Cooperative block of the plant endomembrane ion channel by ruthenium red. Biophys. J., 11, 1973-1979.

144. Pyatygin S.S., Opritov У.А., Khudyakhov V.A. (1992) Subthreshold changes in excitable membranes of Cucurbita pepo L. stem cells during cooling-induced action potential generation. Planta, 186, 161-165.

145. Raskin I. (1992) Role of salicylic acid in plants. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol, 43, 439-463.

146. Raskin I., Ehmann A., Melander W.R., Meeuse B.J.D. (1987) Salicylic acid: a natural inducer of heat production in Arum lilies. Science, 237, 1901-1602.

147. Rajasekaran L.R., Stiles A., Caldwell C.D. (2002) Stand establishment in processing carrots. Effects of various temperature regimes on germination and the role of salicylates in promoting germination at low temperatures. Can. J. Plant Sci., 82, 443-450

148. Rhodes J.D., Thain J.F., Wildon D.C. (2006) Signals and signaling pathways in plant wound responses. In: Communication in plants, Baluska F., Mancuso S., Volkmann D. (eds.) Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, pp. 391-401.

149. Roberts S.K. (2006) Plasma membrane anion channels in higher plants and their putative function in roots. New PhytoL, 169, 647-666.

150. Rousset M., De Roo M., Le Guennec J.Y., Pichon O. (2002) Electrophysiological characterization of tomato hypocotyl putative action potentials induced by cotyledon heating. Physiol Plant., 115, 197-203.

151. Schauf C.L., Wilson K.J. (1987) Properties of single K+ and СГ channels in Ascelepias tuberose protoplast. Plant Physiol., 85, 413-418.

152. Scott I.M., Clarke S.M., Wood J.E., Mur L.A.J. (2004) Salicylate accumulation inhibits growth at chilling temperature in Arabidopsis. Plant Physiol., 135, 1040-1049.

153. Senaratna Т., Touchell D., Bunn E., Dixon K. (2000) Acetyl salicylic acid (aspirin) and salicylic acid induce multiple stress tolerance in bean and tomato plants. Plant Growth Regul., 30, 157-161.

154. Shepherd V.A. (2005) From semi-conductors to the rhythms of sensitive plants: the research of J.C. Bose. Cell Mol. Biol. (Noisy-le-grand), 51, 607-619.

155. Shepherd V.A., Beilby M.J., Al Khazaaly S.A., Shimmen T. (2008) Mechano-perception in Chara cells: the influence of salinity and calcium on touch-activated receptor potentials, action potentials and ion transport. Plant Cell Environ., 31,1575-1591.

156. Shimmen T. (1997) Studies on mechanoperception in characean cells: pharmacological analysis. Plant Cell Physiol., 38, 139-148.

157. Shimmen Т. (2001) Elecrical perception of "death message" in Chara: involvement of turgor pressure. Plant Cell Physiol., 42, 366-373.

158. Shimmen T. (2002) Electrical perception of the "death message" in Chara: analysis of rapid component and ionic process. Plant Cell Physiol., 43, 15751584

159. Shimmen T. (2003) Studies on mechano-perception in the Characeae: transduction of pressure signals into electrical signals. Plant Cell Physiol., 44, 1215-1224.

160. Shimmen T. (2005) Electrical perception of the "death message" in Chara: analysis of K+-sensitive depolarization. Plant Cell Physiol., 46, 1839-1847.

161. Shvetsova Т., Mwesigwa J., Volkov A G. (2001) Plant electrophysiology: FCCP induces action potentials and excitation waves in soybean. Plant Sci., 161, 901-909.

162. Sibaoka T. (1969) Physiology of rapid movements in higher plants. Annu. Rev. Plant Physiol., 20, 165-184.

163. Sinyukhin A.M., Britikov E.A. (1967) Action potentials in the reproductive system of plants. Nature, 215, 1278-1280.

164. Slayman C.L. (1965) Electrical properties of Neurospora crassa. Respiration and the intracellular potential. J. Gen. Physiol., 49, 93-116.

165. Smallwood M., Bowles D.J. (2002) Plants in a cold climate. Phil. Trans. R. Soc. bond. В., 357, 831-847.

166. Stahlberg R. (2006) Historical introduction to plant electrophysiology. In: Plant electrophysiology. Theory and methods, Volkov A.G. (ed.) Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, pp. 3-14.

167. Stahlberg R., Cleland R.E., Van Volkenburgh E. (2005) Decrement and amplification of slow wave potentials during their propagation in Helianthus annuus L. shoots. Planta, 220, 550-558.

168. Stahlberg R., Cosgrove D.J. (1992) Rapid alteration in growth rate and electric potentials upon stem excision in pea seedlings. Planta, 187, 523-531.

169. Stahlberg R., Cosgrove D.J. (1994) Comparison of electric and growth responses to excision in cucumber and pea Seedlings. 1. Short-distance effects are due to wounding. Plant Cell Environ., 17, 1143-1151.

170. Stahlberg R, Cosgrove D.J. (1995) Comparison of electric and growth responses to excision in cucumber and pea seedlings. II. Long distance effects are caused by the release of xylem pressure. Plant Cell Environ., 18, 33-41.

171. Stahlberg R., Cosgrove D.J. (1997) Slow wave potentials in cucumber differ in form and growth effect from those in pea seedlings. Physiol. Plant., 101, 379-388.

172. Stahlberg R., Cosgrove D.J. (1997) The propagation of slow wave potentials in pea epicotyls. Plant Physiol., 113, 209-217.

173. Stahlberg R., Cleland R.E., Van Volkenburgh E. (2005) Decrement and amplification of slow wave potentials during their propagation in Helianthus annuus L. shoots. Planta, 220, 550-558.

174. Stahlberg R., Cleland R.E., Van Volkenburgh E. (2006) Slow wave potentials a propagating electrical signal unique to higher plants. In: Communication in Plants, Baluska F., Mancuso S., Volkmann D. (eds.) Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, pp.291-308.

175. Stankovic В., Davies E. (1998) The wound response in tomato involves rapid growth and electrical responses, systemically up-regulated transcription ofproteinase inhibitor and calmodulin and down-regulated translation. Plant Cell Physiol., 39, 268-274.

176. Stankovic В., Witters D.L., Zawadzki Т., Davies E. (1998) Action potentials and variation potentials in sunflower: an analysis of their relationships and distinguishing characteristics. Physiol. Plant., 103, 51-58.

177. Stolarz M., Krol E., Dziubinska H., Kurenda A. (2010) Glutamate induces series of action potentials and a decrease in circumnutation rate in Helianthus annuus. Physiol. Plant., 138, 329-338.

178. Subbaiah C.C., Bush D.S., Sachs M.M. (1994) Elevation of cytosolic calcium precedes anoxic gene expression in maize suspension-cultured cells. Plant Cell, 1747-1762.

179. Tazawa M., Kikuyama M. (2003) Is Ca release from internal stores involved in membrane excitation in Characean cells? Plant Cell Physiol., 44, 518-526.

180. Tasgin E., Atici O., Nalbantoglu B. (2003) Effects of salicylic acid and cold on freezing tolerance in winter wheat leaves. Plant Growth Regul., 41, 231-236.

181. Tena G., Renaudin J.P. (1998) Cytosolic acidification but not auxin at physiological concentration is an activator of MAP kinases in tobacco cells. Plant J., 16, 173-82.

182. Thomashow M.F. (2001) So what's new in the field of plant cold acclimation? Lots! Plant Physiol, 125, 89-93.

183. Thomine S., Guern J., Barbier-Brygoo H. (1997) Voltage-dependent anion channel of Arabidopsis hypocotyls: nucleotide regulation and pharmacological properties. J. Membr. Biol, 159, 71-82.

184. Toyota M., Furuichi Т., Tatsumi H., Sokabe M. (2008) Cytoplasmic calcium increases in response to changes in the gravity vector in hypocotyls and petioles of Arabidopsis seedlings. Plant Physiol, 146, 505-514.

185. Trebacz K., Dziubinska H., Krol E. (2006) Electrical signals in long-distance communication in plants. In: Communication in plants, Baluska F, Mancuso S., Volkmann D. (eds.) Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, pp. 277-290.

186. Trebacz K., Simonis W., Schonknecht G. (1994) Cytoplasmic Ca2+, K+, CI", and N03" activities in the liverwort Conocephalum conicum L. at rest and during action potentials. Plant Physiol, 106, 1073-1084.

187. Trebacz K., Simonis W., Schonknecht G. (1997) Effects of anion channel inhibitors on light-induced potential changes in the liverwort Conocephalum conicum. Plant Cell Physiol, 38, 550-557.

188. Trebacz K., Tarnecki R., Zawadzki T. (1989) The effect of ion channel inhibitors and factors modifying metabolism on the excitability of the liverwort Conocephalum conicum. Physiol Plant., 75, 24-30.

189. Trebacz K., Zawadzki T. (1985) Light-triggered action potentials in the liverwort Conocephalum conicum. Physiol Plant., 64, 482-486.

190. Trewavas A. (2005) Plant intelligence. Naturwissenschaften, 92,401-413.

191. Trewavas A. (2009) What is plant behaviour. Plant Cell Environ., 32, 606-616.

192. Vlot A.C., Dempsey D.A., Klessig D.F. (2009) Salicylic Acid, a multifaceted hormone to combat disease. Annu Rev Phytopathol.,

193. Volkov A.G. (ed.) (2006) Plant electrophysiology. Theory and methods. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, p. 508.

194. Volkov A.G., Haack R.A. (1995) Insect induced bioelectrochemical signals in potato plants. Bioelectrochem. Bioenerg., 35, 55-60.

195. Volkov A.G., Collins D.J., Mwesigwa J. (2000) Plant electrophysiology: pentachlorophenol induces fast action potentials in soybean. Plant Sci., 153, 185-190.

196. Volkov A.G., Mwesigwa J. (2001) Electrochemistry of soybean: effects of uncouplers, pollutants, and pesticides. J. Electroanalyt. Chem., 496, 153-157.

197. Ward J.M., Maser P., Schroeder J.I. (2009) Plant ion channels: gene families, physiology, and functional genomics analyses. Annu. Rev. Physiol., 71, 59-82.

198. Williamson R.E., Ashley C.C. (1982) Free Ca and cytoplasmic streaming in the alga Chara. Nature, 296, 647-651.

199. Zawadzki T. (1980) Action potentials in Lupinus angustifolius L.shoots. V .Spread of excitation in the stem, leaves, and root. J. Exp. Bot., 31, 1371-1377.

200. Zawadzki Т., Davies E., Dziubinska H., Trebacz K. (1991) Characteristics of action potentials inHelianthus annuus. Physiol. Plant., 83, 601—604.

201. Zawadzki Т., Trebacz K. (1985) Extra- and intracellular measurements of action potentials in he liverwort Conocephalum conicum. Physiol. Plant., 64, 477-481.

202. Zimmermann S., Sentenac H. (1999) Plant ion channels: from molecular structures to physiological functions. Curr. Opin. Plant Biol., 2, 477-482.

203. Zimmermann M.R., Maischak H., Minhofer A., Bolard W., Felle H.H.2009a) Sistem potentials, a novel electrical long-distance apoplasmic signal in plants, induced by wounding. Plant Physiol., 149, 1593-1600.

204. Zimmermann M.R., Felle H.H. (2009) Dissection of heat induced systemic signals: superiority of ion fluxes to voltage changes in substomatal cavities. Planta, 229, 539-547.

205. Я очень благодарен моим родителям за их заботу и моральную поддержку.

Информация о работе

Прудников, Григорий Александрович
кандидата биологических наук
Москва, 2010
ВАК 03.01.05

Диссертация

Участие ионных каналов в генерации местной биоэлектрической реакции листа огурца на локальное охлаждение - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы