ЛЬВІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ІВАНА ФРАНКА

МАРГІТАЙ ЛЮБОВ ГРИГОРІВНА

УДК 581.192.4:582.572.43:582.572.224

Фізіолого - біохімічні особливості ксерофітів

родів Aloe L. та Agave L.

03.00.12 - фізіологія рослин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Львів – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі фізіології та екології рослин біологічного факультету Львівського національного університету імені Івана Франка Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор,

академік АН ВШ України

Терек Ольга Іштванівна,

Львівський національний університет імені Івана Франка

завідувач кафедри фізіології та екології рослин

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор,

академік АН ВШ України

Ніколайчук Віталій Іванович,

Ужгородський національний університет

завідувач кафедри генетики і фізіології рослин

доктор біологічних наук, професор,

Криницький Григорій Томкович,

Український державний лісотехнічний університет

завідувач кафедри лісівництва

Провідна установа: Національний ботанічний сад імені М.М. Гришка НАН

України

Захист відбудеться “18” __квітня__ 2003 р. о _1500_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 35.051.14 у Львівському національному університеті імені Івана Франка за адресою: 79005, Львів, вул. Грушевського, 4, біологічний факультет, ауд. 333.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Львівського національного університету імені Івана Франка (вул. Драгоманова, 5, Львів, 79005).

Автореферат розісланий “17” __березня__2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, Санагурський Д.І.

кандидат біологічних наук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Активне ставлення рослинного організму до зовнішнього середовища проявляється в його адаптивних можливостях, стійкості до несприятливих факторів. Адаптація супроводжується біохімічними, фізіологічними, гісто-морфологічними та іншими змінами в організмі. В основі всіх форм і видів пристосувальних змін лежить перебудова біохімічної організації організму та його метаболізму. При цьому відбуваються зміни на молекулярному рівні, пов'язані з біохімічною перебудовою структурних, функціональних, каталітичних (ферментативних), захисних (імунних), енергетичних та інших механізмів (Меерсон, 1986; Полевой, Саламатова, 1991; Косулина и др., 1993; Біохімія: еволюційна і порівняльна…, 1996; Григорюк, 1996; Кузнецов, 1999; Мусієнко, 2001).

Широкі перспективи використання рослин родів Agave і Aloe в медицині, озелененні, сільському господарстві обумовлюють необхідність всебічного вивчення їх фізіолого-біохімічних особливостей адаптації до навколишнього середовища. Обидва роди включають в себе значну кількість видів (близько 300 видів в роді Agave, i 450 – Aloe) і володіють великою морфологічною розмаїтістю, яка дозволяє їм займати різні екологічні ніші (Jacobsen, 1981; Декоративные..., 1985; Гайдаржи, 1998; Kolendo, 1998; Martinez-Palacios et al., 1999). Незважаючи на значну кількість досліджень, присвячених біохімічному складу листків алое і агав, наявна інформація розрізнена і висвітлює лише окремі аспекти проблеми адаптації і стійкості. На сьогодні ще недостатньо розроблені наукові основи вирощування їх за умов інтродукції. Слід зазначити також, що у нашій країні існує нестача сировини та садивного матеріалу цих рослин (Ботанико-фармакогностический …, 1990). Тому, в даній роботі зроблена спроба оцінити й порівняти фізіолого - біохімічні показники, характерні для різних видів, та співставити їх значення із пристосованістю до певних абіотичних факторів та систематичним положенням.

З особливостей, які диференціюють види рослин, слід відзначити перш за все їх генетичну різноякісність, яка проявляється в особливостях функціонування фотосинтетичного апарату, кореневих систем, ферментативних і ростових реакціях, стійкості до дії абіотичних і біотичних стресів та здатності до репараційних процесів і потенційної продуктивності (Климашевский, 1991). Розкриття особливостей функціонування цих систем у різних видів родів Aloe i Agave сприятиме виявленню додаткових критеріїв для зясування спірних питань систематики даних таксонів та відбору перспективних видів інтродуцентів з підвищеною стійкістю до несприятливих факторів довкілля.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетної теми відділу фізіології, біохімії та селекції рослин Ботанічного саду Львівського національного університету імені Івана Франка “Фізіолого-біохімічна оцінка дії техногенних факторів на ріст та розвиток декоративних рослин” (№ д/р 0193 U 041588, шифр теми Бс-439Б).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи було порівняти фізіолого-біохімічні показники рослин різних видів, що належать до родів Aloe L. і Agavе L., виявити риси подібності, зумовлені явищем типової конвергентної стійкості, та індивідуальні особливості біохімічного складу у зв’язку з їх пристосуванням до певних екологічних умов і систематичним положенням. Для дослідження були вибрані фізіолого-біохімічні показники, які характеризують видові особливості функціонування фотосинтетичного апарату, кореневої системи, білоксинтезуючої і ферментативної систем.

Для досягнення мети були поставлені такі конкретні завдання:

·

·

·

·

Об’єкт дослідження - фізіолого-біохімічні показники рослин різних видів, які належать до родів Agave i Aloe.

Предмет дослідження - формування адаптивних реакцій на несприятливі фактори у різних видів рослин родів Agave i Aloe за участю особливостей пігментного складу фотосинтетичного апарату, білоксинтезуючої та ферментної систем.

Методи досліджень - визначення фізіолого-біохімічних показників рослин різних видів агав і алое методами спектрофотометрії, полум’яної фотометрії, електрофорезу, денситометрії та математичного програмування.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше проведено порівняльне дослідження вмісту фотосинтезуючих пігментів, макроелементів, легкорозчинних цитоплазматичних білків у рослин різних видів, що належать до родів Aloe i Agave. Встановлено, що роди Aloe i Agave мають багато рис подібності фізіолого-біохімічних показників, які сформувалися в результаті природного добору під впливом подібних умов існування. І хоча генетичні механізми формування стійкості були різні, та вони призвели до появи однакових, спільних рис. Роди Аloe i Agave є яскравим прикладом того, як у природі, часто різними шляхами, досягається той оптимальний стан, який забезпечує стійкість та надійність всієї системи. В той же час, всередині кожного з досліджуваних родів знайдено значні достовірні відмінності між окремими видами, причому мінливість за всіма досліджуваними показниками є більша для видів роду Aloe, ніж для видів роду Agave.

Виявлена особливість пігментного складу досліджуваних рослин обидвох родів, яка полягає у високому вмісті хлорофілу в порівняно із вмістом хлорофілу а, що поєднується із значною світлолюбністю даних рослин. Низьке співвідношення хлорофілу а до хлорофілу в у досліджуваних сукулентів є результатом адаптації їх фотосинтетичного апарату до функціонування за умов посухи, високих температур повітря і грунту, інтенсивної сонячної радіації.

Виявлена видоспецифічність електрофоретичних спектрів легкорозчинних цитоплазматичних білків, ліпо- і нуклеопротеїдів та спектрів множинних молекулярних форм пероксидази листків досліджуваних видів рослин, що дає додаткові критерії для вирішення спірних питань систематики даних таксонів.

Практичне значення одержаних результатів. Проаналізована відповідність вмісту фотосинтезуючих пігментів у листках рослин родів Aloe i Agave пристосованості до певних умов освітлення та обгрунтована потреба кожного досліджуваного виду до рівня освітлення. Показано що, співвідношення вмісту іонів калію і кальцію може слугувати критерієм для віднесення певних видів до кальцієфілів або кальцієфобів. В цілому наші дані доцільно враховувати при вирощуванні цих видів, що сприятиме покращенню забезпечення сировиною вітчизняної фармацевтичної промисловості та садивним матеріалом для різних господарств.

Розуміння молекулярно-біохімічних механізмів адаптації і стійкості рослин - обов’язкова умова створення науково обгрунтованих підходів для відбору перспективних видів інтродуцентів з підвищеною продуктивністю і стійкістю до екологічних умов.

Матеріали дисертації використовуються при викладанні загальних курсів “Фізіологія рослин” і “Основи екології” та спецкурсів “Стійкість рослин до несприятливих факторів довкілля”, “Ріст і розвиток рослин” на біологічному факультеті Львівського національного університету імені Івана Франка.

Особистий внесок здобувача. Дисертант опрацювала відповідну літературу та оволоділа необхідними методами досліджень, брала участь у плануванні експериментів, підготовці матеріалів до друку. Експериментальні дані, які приведені в дисертаційній роботі, одержані здобувачем самостійно та проаналізовані за участю наукового керівника.

Апробація роботи. Основні положення дисертації висвітлені у доповідях на науковій конференції професорсько-викладацького складу біологічного факультету Львівського національного університету імені Івана Франка (1998, 2000); міжнародній науковій конференції “Онтогенез рослин у природному та трансформованому середовищі” (Львів, 1998); на конференції молодих вчених “Інтегративність функцій рослинного організму” (Київ, 1998); на 1 Всеукраїнській науковій конференції “Екологічний стрес і адаптація в біологічних системах” (Тернопіль, 1998); на міжнародній науковій конференції, присвяченій 160-річчю з дня заснування Ботанічного саду імені академіка О.В.Фоміна “Роль ботанічних садів у збереженні рослинного різноманіття” (Київ, 1999); на конференції, присвяченій 75-річчю біологічної станції Харківського державного університету “Биологические исследования на природоохранных территориях и биологических стационарах” (Харків, 1999); на конференції з генетики та молекулярної біології для студентів та молодих науковців, присвяченій 100-річчю генетики (Львів, 2000).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 друкованих праць, з яких 4 статті у наукових фахових журналах та 7 публікацій у збірниках матеріалів та тез конференцій.

Структура та об’єм роботи. Дисертаційну роботу викладено на 166 сторінках друкарського тексту. Список цитованої літератури нараховує 445 найменувань. Робота містить 21 таблицю, ілюстрована 23 рисунками. Дисертація складається з вступу, огляду літератури, опису об’єктів і методів досліджень, викладу отриманих результатів та їх обговорення, висновків, списку використаних джерел і додатку.

ОБ’ЄКТИ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Об’єктами досліджень були листки рослин 5 видів роду Agave та 15 видів роду Aloe. Матеріал для досліджень брався в Ботанічному саду Львівського національного університету імені Івана Франка. Ідентифікацію видів проводили за Якобсеном (Jacobsen, 1981). Досліджували листки середнього ярусу 3-річних рослин, які вирощували в однакових умовах. Наважки брали з середньої (за довжиною) частини листка від краю до серединної жилки.

Основним методичним підходом було визначення фізіолого-біохімічних показників, які відповідають за ключові ланки обміну, у листках різних видів та їх порівняння.

Вміст фотосинтезуючих пігментів хлорофілу а, хлорофілу в та каротиноїдів досліджували спектрофотометричним методом. Екстракцію проводили 100%-ним ацетоном за Д.І.Сапожніковим (Сапожников, 1964), вимірювання на ФЕКу КФК-3 - при довжині хвилі 440,5, 644 та 662 нм. Концентрацію пігментів розраховували за Хольмом – Веттштейном (Wettstein, 1957). Визначення вмісту сухої речовини у свіжому матеріалі листків здійснювали за загальноприйнятою методикою (Попович, 1993; Ніколайчук та ін., 2000). Розрахунок концентрації фотосинтезуючих пігментів та інших фізіолого-біохімічних показників проводили на одиницю сирої та сухої маси, оскільки процентний вміст сухої речовини у досліджуваних видів має суттєві відмінності (найнижчий показник у Al. variegata рівний 3,250,05%, найвищий у A. heteracantha 14,150,01%). Визначення концентрації легкорозчинних форм кальцію, калію та натрію проводили на полум’яному фотометрі Flapho 4 виробництва заводу Кarlzeiss (Jena) згідно з описаною методикою (Большой практикум по физ. раст., 1978). Дослідження легкорозчинних цитоплазматичних білків проводили за методикою Сафонових (Сафонов, Сафонова, 1971). Концентрацію білка в екстрактах визначали за методом О. Лоурі (Lowry, 1951). Електрофоретичне розділення білків проводили в поліакриламідному гелі з лужним середовищем. Концентрація концентруючого гелю 3,5%, розділяючого 7,5%, розділення при рН 9,5. Для проявлення електрофоретичних спектрів кислих легкорозчинних білків електрофореграми фарбували розчином Кумасі брильянтового голубого R-250. При дослідженні спектрів множинних молекулярних форм пероксидази наносили 50 мкг білка на трубку. Для проявлення активності зон множинних молекулярних форм пероксидази застосовували інкубаційне середовище з бензидином. Для отримання спектрів ліпопротеїдів наносили 300 мкг білка на трубку, фарбували за допомогою судану чорного Б, а для отримання спектрів нуклеопротеїдів - 400 мкг білка і фарбували барвником піронін Ж. Білкові компоненти і зони з ферментативною активністю порівнювали і характеризували на основі їх відносної електрофоретичної рухливості (ВЕР). Відносну кількісну оцінку наявності білка та активності ферменту в окремих зонах проводили за допомогою денситометра АЕФ-1, виробництва заводу “Львівприлад”. Для попарного порівняння електрофоретичних спектрів білків досліджуваних видів використовували ступінь подібності електрофореграм (S) (Wasser et al., 1999; Брунь, Навроцька, 2000).

Статистичне опрацювання отриманих результатів. Всі досліди проводили у трьох-п’ятикратній повторності, одержані дані опрацьовували статистично. (Кучеренко та ін., 2001). Для більш швидкого і ефективного проведення розрахунків вмісту фотосинтезуючих пігментів у листках та одночасної статистичної обробки отриманих результатів нами, спільно з Б.М. Гурою, була розроблена програма з використанням мови програмування BASIC.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Порівняльна характеристика вмісту фотосинтезуючих пігментів у листках рослин різних видів родів Aloe i Agave. Відомо, що вміст хлорофілу в рослинах є важливим фізіологічним параметром, який характеризує потенційну потужність фотосинтетичного апарату, фазу розвитку рослин, реакцію їх на дію стресових факторів і має тісний зв’язок із продуктивністю (Lance, Guy, 1992; Мусієнко, 1995; Криницький, Заїка, 1998, 2002; Шадчина, 1998; Гливляс, Ніколайчук, 2001). За вмістом в листках рослин фотосинтезуючих пігментів можна робити висновки про їх пристосованість до певного режиму та інтенсивності освітлення (Любименко, 1963; Лебедева, Сытник, 1986; Syvash, Zolotaro’va, 2001).

Результати наших досліджень виявили досить низький вміст хлорофілів і каротиноїдів у листках усіх видів алое і агав. Зазначимо, що низький вміст хлорофілів вказує на те, що представники розглянутих видів є світлолюбними рослинами (Любименко, 1963; Горышина и др., 1992). Про належність їх до геліофітів свідчать також характерні риси будови листків: листки ізопалісадні, мають високу питому поверхневу щільність, вкриті восковим шаром, розміщені під різними кутами до горизонтальної площини, деякі вертикально.

Найбільший вміст пластидних пігментів виявлено серед видів роду Agave у Аg. americana, найнижчий у Аg. attenuata (табл. 1). Серед видів роду Aloe найвищий вміст пігментів у Al. ciliaris, високий в Al. striatula, досить високий у Al. arborescens, низький у Al. camperi і Al. mitriformis, найнижчий у Al. barbadensis.

Т а б л и ц я 1.

Вміст та співвідношення фотосинтезуючих пігментів у листках рослин різних видів родів Agave i Aloe (мкг/г маси сирої речовини)

Назва виду | Хлорофіл а | Хлорофіл в | Хлорофіла + в | Кароти-ноїди | Хлорофіл а/ хлорофіл в | Хлорофіл а+в / каро-тиноїди

A. ferox | 42,20,1 | 16,60,2 | 58,80,3 | 19,30,1 | 2,540,01 | 3,050,01

A. americana | 78,30,2 | 29,50,1 | 107,80,2 | 30,70,1 | 2,650,01 | 3,510,01

A. attenuata | 39,90,4 | 13,40,2 | 53,30,6 | 16,60,2 | 2,980,01 | 3,220,01

A. filifera | 45,50,3 | 25,30,2 | 70,80,5 | 18,50,1 | 1,800,01 | 3,830,01

A. heteracantha | 66,60,1 | 32,00,2 | 98,60,3 | 26,60,1 | 2,080,01 | 3,710,01

Al. delaetii | 73,52,3 | 22,50,9 | 96,03,2 | 27,31,0 | 3,260,03 | 3,520,01

Al. saponaria | 49,51,4 | 26,10,8 | 75,62,1 | 20,40,6 | 1,890,01 | 3,710,01

Al. mitriformis | 29,30,7 | 9,80,3 | 39,01,1 | 21,10,7 | 2,990,06 | 1,850,01

Al. striata | 43,00,8 | 15,50,2 | 58,61,0 | 25,00,4 | 2,770,03 | 2,340,01

Al. camperi | 32,51,2 | 14,10,7 | 46,61,8 | 18,01,0 | 2,290,03 | 2,580,01

Al. ciliaris | 257,53,0 | 196,52,1 | 454,05,0 | 48,31,4 | 1,370,04 | 9,410,30

Al. arborescens | 180,72,8 | 68,91,4 | 249,64,2 | 42,61,1 | 2,620,002 | 5,860,01

Al. barbadensis | 15,01,5 | 8,21,0 | 23,23,4 | 6,70,2 | 1,840,03 | 3,450,05

Al. aristata | 77,63,5 | 26,72,0 | 104,35,5 | 27,92,5 | 2,910,01 | 3,730,01

Al. humilis | 40,21,4 | 14,60,9 | 54,82,3 | 21,80,3 | 2,780,08 | 2,520,14

Al. striatula | 224,30,6 | 54,31,5 | 278,52,0 | 38,10,1 | 4,140,10 | 7,310,03

Al. spinosissima | 49,91,7 | 15,30,5 | 65,22,1 | 23,30,8 | 3,270,03 | 2,790,01

Al. variegata | 44,50,9 | 16,70,3 | 61,21,2 | 18,00,5 | 2,660,03 | 3,410,04

Al. reitzii | 109,80,6 | 33,20,3 | 142,90,9 | 42,30,4 | 3,310,01 | 3,380,01

Al. plicatilis | 72,22,5 | 29,01,6 | 101,03,0 | 24,61,4 | 2,490,03 | 4,130,02

Вміст хлорофілу в розрахунку на одиницю маси сухої речовини у Аg. americana втричі більший, ніж у Аg. ferox, а вміст каротиноїдів у 2,5 раза. Між досліджуваними видами Aloe відмінності у вмісті пігментів значно більші, ніж серед видів роду Agave. Найвищим є вміст пігментів у Al. ciliaris, високий в Al. striatula, низький у Al. striata і Al. saponaria, найнижчий у Al. camperi та Al. barbadensis. Вміст хлорофілів а + в в Al. ciliaris у 28,8 раза більший, ніж у Al. camperi та в 20,9 раза ніж у Al. barbadensis. Вміст каротиноїдів у Al. ciliaris в 8,1 раза вищий, ніж у Al. camperi і у 7,5 раза порівняно з Al. barbadensis. Це можна пояснити різним ступенем сукулентності (зокрема, шар водозапасаючої паренхіми, яка не містить пігментів, у Al. ciliaris і Al. striatula значно тонший, ніж у Al. camperi, Al. barbadensis та інших видів), а також пристосованістю до різних умов освітлення. На основі вмісту хлорофілів Al. ciliaris і Al. striatula можна віднести до менш світлолюбних видів, а Al. camperi, Al. barbadensis, Al. striata, Al. humilis, Al. saponaria, Al. aristata та інші види до більш світлолюбних. У літературі є подібні дані, зокрема М.Н.Гайдаржи (1988), на основі вивчення анатомо-морфологічних змін листка алое за різних рівнів освітленості, неоднорідності реакції рослин на зменшення світлового потоку, відносить Al. aristata, Al. barbadensis, Al. saponaria та інші види до світлолюбних, а Al. ciliaris до помірно світлолюбних.

Невисокі показники співвідношення хлорофілів і каротиноїдів у всіх досліджуваних видів роду Agave і в більшості видів роду Aloe, крім Al. ciliaris i Al. striatula, свідчать про те, що вміст каротиноїдів порівняно із вмістом хлорофілів у цих видів є високим. Порівняно високий вміст каротиноїдів може бути зумовлений тим, що вони не лише виконують роль допоміжних пігментів і беруть участь у світлозбиранні, але й захищають хлорофіл від фотоокислення, стабілізують структуру світлозбираючих комплексів, регулюють рухомість фотосинтетичних мембран (Мусієнко, 1995; Таран, 1999; Михальський, 2000). Вищезгаданими властивостями каротиноїдів можна пояснити те, що рослини з високим ступенем сукулентності, які пристосовані до зростання за умов високої температури, інтенсивної сонячної радіації та водного дефіциту, мають порівняно високу частку каротиноїдів у своєму фотосинтетичному апараті.

За даними таблиці 1, співвідношення між кількістю хлорофілів а і в у всіх досліджуваних видів агав та більшості видів алое, які мають високий ступінь сукулентності, коливається в межах від 1,8 до 2,9. Показано, що співвідношення між хлорофілами близьке до 2,3 характерне для тіневитривалих рослин (Гродзинский, 1964; Мережко, Величко, 1990; Дымова и др., 1999; Syvash, Zolotaro’va, 2001). Водночас, як було відмічено раніше, цим же видам притаманний низький вміст хлорофілу, характерний для світлолюбних рослин. На нашу думку, цю особливість видів з високим ступенем сукулентності можна пояснити тим, що за умов водного дефіциту, до перебування в яких пристосована дана група рослин, відбувається зміна відбиваючих властивостей листків, що викликає спектральний перерозподіл світлової енергії всередині листка. Зокрема, збільшується співвідношення синього світла до червоного, пропущеного в листкову пластинку, що змінює умови регуляції дії так званої системи високої енергії (Михальський та ін., 2000). Слід зазначити, що у хлорофілу а поглинання в синіх променях в 1,3 рази більше ніж в червоних, а у хлорофілу в у 3 рази (Лебедева, Сытник, 1986), тобто молекула хлорофілу в більш “ефективно” поглинає сині промені. Окрім того, реалізація механізму адаптивної реакції рослинного організму на посуху полягає в зниженні вмісту пігментів, яке відбувається за відповідним співвідношенням між ними: найменш стійкий хлорофіл а; хлорофіл в і, особливо, каротиноїди більш стабільні при зміні зовнішніх умов (Михальський, 2000; Моргун та ін., 2002). Відношення вмісту хлорофілу а до вмісту хлорофілу в знижується також під впливом підвищеної температури повітря і інтенсивної сонячної радіації (Лебедева, Сытник, 1986), збільшення висоти над рівнем моря, на якій ростуть рослини (Воробйова та ін., 1999), та інших стресових факторів (Тітаренко та ін., 2001).

Таким чином, вище наведене дозволяє вважати, що низький показник співвідношення хлорофілу а до хлорофілу в у досліджуваних сукулентів є результатом адаптації їх фотосинтетичного апарату до функціонування за умов посухи, підвищених температур повітря і ґрунту, інтенсивної сонячної радіації, а висновки відносно їх світлолюбності слід робити на основі загального вмісту хлорофілу.

Нами проведений кореляційний аналіз вмісту пігментів. Високий (R>0,7) позитивний коефіцієнт кореляції в усіх випадках порівняння показників вмісту хлорофілів а, в, а + в і каротиноїдів свідчить про тісні позитивні кореляційні зв’язки між вмістом цих пігментів, тобто про єдність та скоординованість метаболічних процесів формування цих складових фотосинтетичного апарату.

2. Вміст калію, натрію і кальцію в листках досліджуваних рослин родів Aloe i Agave. Результати наших досліджень свідчать про те, що за однакових умов вирощування існують суттєві, зумовлені генотипoм відмінності між досліджуваними видами у вмісті в їх листках К+, Na+, Са2+, які пов’язані з різною потребою в цих елементах мінерального живлення (рис. 1, 2, 3).

Рис. 1. Вміст калію в листках рослин різних видів родів Aloe i Agave

1- Agave ferox; 2 - A. americana; 3- A. attenuata; 4- A. heteracantha; 5- Aloe delaetii; 6- Al. saponaria; 7- Al. mitriformis; 8- Аl. striata; 9-Al. camperi; 10- Al. ciliaris; 11- Аl. arborescens; 12- Al. barbadensis; 13- Al. aristata; 14- Al. humilis; 15- Al. variegata; 16-Al. reitzii.

Рис. 2. Вміст натрію в листках рослин різних видів родів Aloe i Agave (позначення як на рис.1).

Рис. 3. Вміст кальцію в листках рослин різних видів родів Aloe i Agave (позначення як на рис.1).

Серед досліджуваних видів Agave найменший вміст кальцію у листку в А. heteracantha, калію і натрію А. ferox. Найбільший вміст калію у A. americana, кальцію і натрію A. attenuata. Вміст калію в A.americana в 4,6 раза більший, ніж у А. ferox. Для кальцію найнижчий і найвищий показники різняться в 1,7, а для натрію в 1,9 раза. У всіх досліджуваних видів роду Agave вміст натрію менший, ніж калію і кальцію, а у багатьох видів роду Aloe його вміст є більший, ніж калію і кальцію (зокрема: Al. ciliaris, Al. humilis, Al. camperi, Al. mitriformis, Al. striata, Al. delaetii).

Найвищий показник вмісту калію серед досліджених видів роду Aloe у Al. variegata в

26,9 раза більший, ніж у Al. camperi. Вміст натрію у Al. ciliaris у 9,7 раза більший, ніж у Al. saponaria. У Аl. arborescens вміст кальцію в 8,7 раза більший, ніж у Аl. camperi. Наведені дані свідчать, що різниця у вмісті кальцію, калію і натрію між видами роду Aloe більша, ніж між видами роду Agave.

Необхідно зазначити, що в багатьох випадках слід оцінювати хімічний склад не за абсолютним, а відносним вмістом хімічних елементів у різних видів рослин. Співвідношення елементів забезпечує стійкість рослини як виду, оскільки воно є більш сталим, ніж самі рівні елементів. В екологічній фізіології прийнята класифікація кальцієфілів і кальцієфобів за величиною співвідношень водорозчинних форм калію і кальцію в клітинах листків: кальцієфобам властиве відношення К / Са > 1, кальцієфілам навпаки, тобто у кальцієфілів більша частка зв`язаного кальцію, у кальцієфобів водорозчинного (Игошина и др., 1996). На основі наведених на рисунку 4 показників співвідношення К+ і Са2+ види Agave ferox; Alое. saponaria; Al. mitriformis; Al. camperi; Al. ciliaris; Аl. аrborescens можна віднести до кальцієфілів, всі інші – до кальцієфобів.

Рис. 4. Співвідношення водорозчинних форм калію і кальцію в клітинах листків рослин різних видів родів Aloe i Agave (позначення як на рис. 1).

Це необхідно мати на увазі при культивуванні цих видів рослин. Зокрема показано, що в тепличних грунтах оранжерей часто зустрічається нестача не тільки калію, але й кальцію, оскільки в осінньо-зимовий період несприятливі фактори мікроклімату оранжерей негативно діють на поступлення кальцію (Приступа, 1988). Тому для кальцієфілів особливо важливим є внесення в цей період достатньої дози кальцію в грунт.

3. Вміст легкорозчинних цитоплазматичних білків та їх електрофоретичні спектри у рослинах різних видів родів Aloe i Agave. З огляду на те, що метаболічна активність організмів залежить від білків-ферментів, генів, що детермінують їх синтез, від регуляції утворення та функціонування цих молекул (Біохімія: еволюційна і порівняльна…, 1996) і повязана із стійкістю організмів до несприятливих умов навколишнього середовища та їх репараційною здатністю (Косулина и др., 1993; Мусієнко, Таран, 1997), актуальним є вивчення білоксинтезуючої системи, зокрема, поліморфізму цитоплазматичних білків. Важливим є також пошук молекулярно-генетичних маркерів, спряжених з адаптивними властивостями організмів, серед яких особливу увагу привертає фермент з поліфункціональним спектром дїї – пероксидаза, зокрема його множинні молекулярні форми.

Виявлено досить високий вміст легкорозчинних цитозольних білків у листках досліджуваних рослин. Так, для видів A. attenuata, Al. variegata, Al. spinosissima він дорівнює близько 20% від маси сухої речовини листка. Це можна пояснити тим, що при адаптації у ряду стійких рослин відбувається нагромадження розчинних білків у їх тканинах. На нашу думку, високий вміст легкорозчинних білків у листках є одним із факторів, що зумовлюють високу стійкість рослин родів Aloe i Agave.

Найбільший показник вмісту легкорозчинних білків (мг/г маси сухої речовини) серед видів роду Agave у A. attenuata у 5,3 раза більший, ніж у A. filifera, а у Aloe variegata у 11,9 раза більший, ніж у Al. saponaria. Наведені дані свідчать, що мінливість за даною ознакою у роду Aloe є більшою, ніж у роду Agave. Цікаво зазначити, що із всіх досліджуваних видів обидвох родів, найменший і найбільший вміст білка, так само, як і фотосинтезуючих пігментів, кальцію і калію, знайдений у видів Aloe, а показники для видів роду Agave займають проміжне положення.

В електрофоретичних спектрах кислих легкорозчинних білків нами виявлено від 7 до 19 фракцій (рис. 5, А), що, безперечно, характеризує лише частину всієї кількості білків досліджуваних видів Aloe i Agave. Але й за цих умов чітко видно відмінності між електрофореграмами окремих видів як за відносною електрофоретичною рухливістю (ВЕР) фракцій, так і за інтенсивністю їх забарвлення.

Для кожного з досліджуваних видів характерний індивідуальний, властивий лише йому, електрофоретичний спектр легкорозчинних білків. Ця різноманітність сформувалася внаслідок різних механізмів зміни генетичного матеріалу. У видоутворенні роду Agave велику роль відіграла поліплоїдія, тоді як у роду Aloe в природі практично відсутня поліплоїдія, а мінливість здійснюється, головним чином, шляхом легкого схрещування видів один з одним (Матвеева, 1980; Гайдаржи, 1999). Як поліплоїдія, так і гібридизація й гетерозис ведуть до перебудови структурно-часової та функціональної системи реалізації генетичної інформації та внутрішніх мембран клітини, що спричиняє зміну електрофоретичних спектрів білків та появу в них нових компонентів (Костишин, Марченко, 1993; Волков, 1995). Отже, високі адаптивні спроможності представників родів Agave i Aloe можна пояснити різноманітністю білкового складу, зокрема ізоферментів, яка виникла внаслідок явищ поліплоїдії і гібридизації.

Аналіз електрофореграм дав змогу встановити три зони рухливості білків, а саме: повільнорухливих білків (ВЕР 0,0-0,4), білків із середньою рухливістю (ВЕР 0,4-0,6) та швидкорухливих (ВЕР 0,6-1,0). Розподіл фракцій по цих зонах для кожного з досліджуваних видів має свої особливості. Майже у всіх таксонів найбільше білкових фракцій розміщено у зоні повільнорухливих білків.

Порівняльне електрофоретичне вивчення легкорозчинних білків дозволило виявити, що всі досліджені види мають в електрофоретичному спектрі кислих легкорозчинних білків малорухливу фракцію високомолекулярних білків з ВЕР 0,01-0,04. Причому у всіх видів Aloe, крім Al. variegata є фракція з ВЕР 0,01-0,02, а у всіх видів Agave, крім Ag. attenuata ВЕР 0,03-0,04. Це, а також наявність багатьох позитивних показників S між видами родів Aloe i Agave, може свідчити про подібність метаболізму легкорозчинних білків у цих таксонів.

Через загруженість електрофоретичних спектрів легкорозчинних білків для виявлення білків-маркерів характерних для досліджуваних видів, ми досліджували електрофоретичні спектри множинних молекулярних форм пероксидази, нуклео- і ліпопротеїдів.

В спектрах множинних молекулярних форм пероксидази досліджуваних видів Aloe i Agave виявлено від трьох до семи фракцій в основному повільнорухливих білків (рис. 5, В). В зоні швидкорухливих білків є по одній фракції тільки у трьох досліджуваних видів: Agave attenuata,

Рис. 5. Електрофоретичні спектри кислих легкорозчинних білків (А) та ізоферментні спектри пероксидази (В) з листків інтродукованих рослин: 1-Agave ferox; 2-Ag. americana; 3-Ag. attenuata; 4-Ag. filifera; 5-Ag. heteracantha; 6-Aloe delaetii; 7-Al. saponaria; 8-Al. mitriformis; 9-Al. striata; 10-Al. camperi; 11-Al. ciliaris; 12-Al. arborescens; 13-Al. barbadensis; 14-Al. aristata; 15-Al. humilis.

Aloe mitriformis, Al.plicatilis. Спектри окремих видів відрізняються за ВЕР фракцій та інтенсивністю забарвлення смуг, що відповідає різній рухливості, кількості та активності окремих ізоферментів.

Характерною для всіх видів алоє і агав є присутність у їх ЕФ спектрі пероксидази малорухливої фракції з ВЕР 0,01-0,04. Причому для видів роду Agave ВЕР цієї фракції знаходиться в діапазоні 0,02-0,03. Деякі види мають специфічні, властиві тільки їм, компоненти у спектрах множинних молекулярних форм пероксидази: Al. saponaria (ВЕР=0,17-0,18); Al. mitriformis (0,89-0,90); Al. camperi (0,33-0,34); Al. ciliaris (0,53-0,54); Al. striatula (0,49-0,50). В дужках подані показники ВЕР специфічних фракцій.

Зазначимо, що специфічні білкові компоненти можуть бути використані як білкові маркери при підборі пар для схрещування, для визначення гібридності насіння першого покоління, для виявлення цінних білкових мутантів, які не мають морфологічного прояву (Созинов, 1985; Конарев, 1993) Показано, що середній урожай гібридів достовірно корелює з генетичною різноманітністю вихідного матеріалу за ізоферментами естерази, каталази, кислої фосфатази, пероксидази і алкогольдегідрогенази, що свідчить про можливість використання ізоферментів для прогнозування рівня гетерозису (Костишин, Марченко, 1993).

В електрофоретичних спектрах кислих легкорозчинних нуклеопротеїдів виявлено від трьох до семи фракцій. Розподіл фракцій по зонах рухливості своєрідний для кожного виду. Кожний з досліджуваних видів має індивідуальний спектр. Для багатьох видів виявлені компоненти, які не зустрічаються в інших видів: Ag. heteracantha (0,35-0,36; 0,75-0,76); Al. striata (0,37-0,38; 0,89-0,90); Al. camperi (0,21-0,22; 0,83-0,84); Al. arborescens (0,71-0,72); Al. aristata (0,39-0,40); Al. spinosissima (0,29-0,30); Al. reitzii (0,77-0,78); Al. plicatilis (0,27-0,28). Ці відмінності вказують на генетичну самостійність даних таксонів, а також можуть служити маркерами для ідентифікації представників вказаних видів. В той же час, на електрофореграмах кислих легкорозчинних нуклеопротеїдів досліджуваних видів присутня спільна високомолекулярна фракція, ВЕР якої для видів агав 0,01-0,02, а для видів алое 0,01-0,04.

В електрофоретичних спектрах кислих легкорозчинних ліпопротеїдів виявлено 3-7 фракцій в основному повільнорухливих ліпопротеїдів. Для всіх видів агав характерна присутність високомолекулярної фракції з ВЕР 0,03-0,04. Слід зазначити, що для девяти досліджуваних видів виявлені специфічні компоненти: Ag. attenuata (0,67-0,68); Ag. heteracantha (0,81-0,82); Al. delaetii (0,95-0,96); Al. saponaria (0,51-0,52); Al. striata (0,69-0,70); Al. barbadensis (0,75-0,76); Al. aristata (0,35-0,36; 0,85-0,86); Al. humilis (0,33-0,34; 0,63-0,64); Al. variegata (0,31-0,32).

З огляду на вищенаведене було доцільним визначити ступінь подібності електрофореграм (S). Виявлені досить високі показники S кислих легкорозчинних білків, нуклеопротеїдів, ліпопротеїдів, ізоферментних спектрів пероксидази, та сумарного S (табл. 2) між видами роду Agave, які свідчать про близьку їх філогенетичну спорідненість. Найвищий сумарний S виявлений між видами Agave ferox i Ag. americana, які належать до підроду Agave, секції Euagave Bak. і вказує на подібність їх білкового складу, яка зумовлена тісною філогенетичною спорідненістю. Види Agave filifera, Ag. hetheracanta, Ag. attenuata належать до підроду Littaea Bak. Між ними також високі сумарні ступені подібності електрофореграм. При порівнянні цих трьох видів між собою найвищий сумарний S, S електрофоретичних спектрів пероксидази, S легкорозчинних білків виявлені між видами Agave filifera і Ag. hetheracanta. Отже, для видів роду Agave характерним є позитивний кореляційний звязок між систематичним положенням і подібністю електрофоретичних спектрів легкорозчинних білків. Взагалі, слід зазначити, що S для агав в усіх випадках порівняння позитивний і досить високий.

На відміну від видів роду Agave у Aloe в багатьох випадках виявлені S рівні нулю. Це свідчить про те, що різноманітність за фенотипом кислих легкорозчинних білків, нуклеопротеїдів, ліпопротеїдів та ізоферментними спектрами пероксидази у видів роду Aloe є більшою, ніж у видів роду Agave. Відслідкувати закономірність звязку показника S і систематичного положення видів роду Aloe значно складніше. Водночас, варто звернути увагу на деякі моменти.

Aloe plicatilis - єдиний представник секції Kumara Med. - має багато порівняно низьких S. Із них 9 показників S пероксидази, 9 - ліпопротеїдів, 4 - нуклеопротеїдів рівні нулю. Це свідчить про своєрідність складу легкорозчинних цитоплазматичних білків у даного виду.

Aloe spinosissima hort (або, інша назва, A. cv. spinosissima) є гібридом A.humilis (L.) Mill. A. arborescens Mill. v. Pachythyrsa Bgr. При цьому більше рис подібності як за анатомо-

Таблиця 2

Сумарний ступінь подібності електрофоретичних спектрів легкорозчинних білків з листків рослин різних видів родів Aloe i Agave |

Agave | Aloe

назви видів | am. | at. | fil. | het. | del. | mit. | str. | cam. | cil. | arb. | bar. | ar. | h. | st. | sp. | var. | reit. | pl.

Ag.ferox | 209 | 122 | 99 | 77 | 68 | 111 | 124 | 70 | 63 | 89 | 127 | 91 | 73 | 66 | 102 | 140 | 112 | 67

Ag.americana | 111 | 107 | 95 | 49 | 118 | 66 | 107 | 105 | 132 | 68 | 66 | 144 | 39 | 82 | 99 | 88 | 78

Ag.attenuata | 148 | 124 | 57 | 117 | 81 | 137 | 80 | 112 | 94 | 96 | 88 | 100 | 96 | 83 | 145 | 100

Ag.filifera | 182 | 164 | 109 | 116 | 102 | 92 | 95 | 156 | 100 | 129 | 191 | 87 | 119 | 102 | 74

Ag.heteracantha | 92 | 81 | 129 | 88 | 68 | 84 | 115 | 88 | 77 | 142 | 110 | 144 | 114 | 54

Al. delaetii | 103 | 92 | 74 | 120 | 77 | 111 | 105 | 135 | 159 | 69 | 51 | 60 | 72

Al. mitriformis | 107 | 116 | 115 | 107 | 140 | 52 | 100 | 95 | 86 | 113 | 84 | 81

Al. striata | 101 | 86 | 182 | 134 | 120 | 79 | 102 | 122 | 138 | 138 | 50

Al.camperi | 59 | 100 | 48 | 80 | 90 | 94 | 90 | 52 | 143 | 131

Al.ciliaris | 46 | 96 | 74 | 105 | 51 | 57 | 24 | 69 | 129

Al.arborescens | 76 | 92 | 68 | 98 | 111 | 94 | 131 | 58

Al.barbadensis | 107 | 75 | 113 | 90 | 177 | 144 | 93

Al. aristata | 55 | 127 | 114 | 139 | 111 | 58

Al. humilis | 54 | 21 | 62 | 97 | 107

Al. striatula | 84 | 87 | 71 | 112

Al. spinosissima | 76 | 82 | 11

Al.variegata | 205 | 36

Al. reitzii | 89

морфологічними ознаками, так і за фенотипом кислих легкорозчинних білків проявляється із видом A. arborescens, ніж із видом A. humilis. Про це свідчать високі S пероксидази, ліпопротеїдів, легкорозчинних білків та сумарний S. Виходячи з цих даних, можна припустити, що при отриманні гібриду Aloe spinosissima материнським був вид A. arborescens, а A. humilis - батьківським видом, оскільки материнська цитоплазма має значний вплив на характер перебігу процесів