НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗІОЛОГІЇ РОСЛИН І ГЕНЕТИКИ

АВКСЕНТЬЄВА ОЛЬГА ОЛЕКСАНДРІВНА

УДК 633.11: 581.17:581.19

РОЛЬ БІЛКОВОЇ СИСТЕМИ У ФОРМУВАННІ АДАПТИВНИХ РЕАКЦІЙ ДО ПОСУХИ НА РАННІХ ЕТАПАХ ОНТОГЕНЕЗУ ОЗИМОЇ ПШЕНИЦІ

03.00.12 – фізіологія рослин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі фізіології та біохімії рослин Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна

Науковий керівник: кандидат біологічних наук, доцент

Жмурко Василь Васильович,

Харківський національний університет

імені В.Н. Каразіна

завідувач кафедрою

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор

член-кореспондент НАН України,

Григорюк Іван Панасович,

Інститут фізіології рослин і генетики

НАН України,

завідувач відділу

кандидат біологічних наук,

Козеко Людмила Євгенівна,

Інститут ботаніки імені М.Г. Холодного

НАН України,

старший науковий співробітник

Провідна установа: Дніпропетровський національний університет

Міністерства освіти та науки України

Захист відбудеться “17 “ березня 2005р. о 1000 годині на засіданні

Спеціалізованої вченої ради Д 26.212.01 при Інституті фізіології рослин і генетики НАН України за адресою: 03022, Київ-22, вул.. Васильківська, 31/17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізіології рослин і генетики НАН України за адресою: 03022, Київ-22, вул.. Васильківська, 31/17.

Автореферат розісланий: “ 16 “ лютого 2005 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Мордерер Є.Ю.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації. Різке загострення екологічної ситуації у світі в результаті глобального потепління та аридизації клімату роблять проблему фізіології стресу однією з головних у сучасній біології. Водний стрес є одним з найпоширеніших абіотичних факторів довкілля, який істотно обмежує генетичний потенціал продуктивності культурних рослин (Яншин, Будыко, Израэль, 2001; Жученко, 1990, 2001). Достатньо гостро ця проблема стосується України, де майже 15 млн га орних земель розташовано в зонах недостатнього та нестійкого зволоження (Григорюк, 2001,2002; Таран, 2001; Моргун, Ляшок, Григорюк, 2003).

Оскільки стан білкової системи рослинного організму визначає процеси його росту, розвитку і рівень врожайності, вивчення синтезу білка в умовах дефіциту вологи має значний теоретичний та практичний інтерес.

Проблемі синтезу білка за дії посухи присвячена значна кількість робіт (Блехман, 1992; Косаківська, 1996; Недуха, 2001; Bray, 1993; Shinozaki, 1997). Однак, в літературі обмаль експериментальних даних стосовно вивчення динаміки змін функціонування ключових ланок білкової системи за дії посухи у озимої м'якої пшениці з позицій системного підходу. Недостатньо досліджена участь кореневої системи у стресових реакціях цілісної рослини.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі фізіології та біохімії рослин Харківського національного університету ім. В.Н.Каразіна протягом 1996-2002 р.р. відповідно до координаційного плану НДР Міністерства освіти та науки “ Механізми розвитку та старіння біологічних систем”, в рамках бюджетної теми 47-16-98 “Дослідження механізмів адаптації рослин та мікобіоти грунтів до абіотичних та біотичних факторів довкілля” (№ держреєстрації 0198U005761) та теми НДР 22-16-00 “Фізіолого-біохімічні та структурно-функціональні механізми адаптації біологічних систем до екстремальних чинників довкілля в онтогенезі” (№ держреєстрації 0100U003262).

Мета і задачі дослідження. Головною метою наших досліджень було з'ясування адаптивних реакцій білкової системи у контрастних за ступенем посухостійкості сортів озимої м'якої пшениці на грунтову посуху на основі вивчення ростових, фізіологічних та метаболічних процесів. Для досягнення мети були поставлені наступні задачі:

1. Встановити характер ростової реакції проростків озимої пшениці за умов посухи.

2. Проаналізувати динаміку параметрів водного режиму сортів озимої м'якої пшениці за дефіциту вологи на ранніх етапах онтогенезу.

3. Вивчити адаптивні зміни окремих компонентів білкової системи в лисках сортів озимої пшениці (а саме – вмісту та складу вільних амінокислот, фракційного складу азотвмістних сполук, вмісту загального та легкорозчинного білка, активності ферментів білкового обміну – протеаз, аміноацил-т-РНК синтетаз та амінотрансфераз), індуковані посухою.

4. Дослідити зміни окремих компонентів білкової системи в коренях за дії грунтової посухи та оцінити участь кореневої системи у стрес-відповіді цілісної рослини.

Об’єкт дослідження – адаптаційний синдром як комплекс неспецифічних реакцій рослин на дію посухи.

Предмет дослідження – зміни елементів білкової системи як адаптивні стрес-реакції загального адаптаційного синдрому за дії посухи.

Методи дослідження – системний підхід у дослідженні загальної фізіологічної реакції, вивченні білкової системи рослини; методи спектрофотометрії, хроматографії, біохімічні, фізіологічні та методи статистичного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів. Зафіксовано сортові відмінності в ростовій реакції проростків озимої пшениці на водний дефіцит. Вперше показано, що протягом дії посухи стійкій сорт швидше призупиняє біосинтетичні процеси, але й раніше їх відновлює, ніж менш стійкий, що свідчить про його здатність прискорено адаптуватися до несприятливого чинника за меншої витрати речовини та енергії. Вперше встановлено, що у контрастних за посухостійкістю сортів досліджені компоненти білкової системи з різною швидкістю проявляють реакцію-відповідь на водний стрес. У менш посухостійкого сорту під впливом водного стресу зміни у білковому обміні настають пізніше за значно більшого ступеня його порушення.

Вивчено взаємопов’язані зміни компонентів білкової системи в процесі адаптації до дії сублетального водного стресу в листках і коренях контрастних за ступенем посухостійкості сортів озимої пшениці. Вперше виявлено, що за водного дефіциту зміни в білковому обміні коренів і надземної частини взаємопов’язані.

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень можуть бути використаними в селекції для порівняльної оцінки сортів озимої пшениці за ступенем посухостійкості. Для оцінки посухостійкості сортів озимої пшениці на ранніх етапах онтогенезу пропонується використання деяких компонентів білкової системи, зокрема, вмісту і балансу вільних амінокислот, легкорозчинного білка та активності аспартатамінотрансферази. Матеріали дисертації використовуються при викладанні спеціальних курсів “Екофізіологія рослин”, “Фізіологія стійкості рослин”, “Біохімія рослин” на біологічному факультеті Харківського національного університету ім. В.Н.Каразіна, а також служать практичною і теоретичною основою при виконанні курсових робіт, кваліфікаційних робіт бакалаврів та дипломних робіт магістрів.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем особисто здійснені інформаційний пошук, аналіз та узагальнення літературних джерел, обґрунтування мети та завдань дослідження, планування та проведення лабораторних експериментів, статистична обробка результатів. Всі експериментальні матеріали, використані в дисертації, отримані автором особисто. Інтерпретація та узагальнення одержаних результатів, підготовка до друку наукових праць за темою дисертації здійснені за участю наукового керівника та співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати були представлені на YI молодіжній конференції ботаніків у Санкт-Петербурзі (Санкт-Петербург, 1997); YIІ Українському біохімічному з'їзді (Київ, 1997); конференціях молодих вчених “Актуальні питання ботаніки та екології” (Херсон, 1998; Ніжин, 1999); міжнародній конференції “Sustainable Agriculture for Food, Energy and Industry” (Braunschweing, Germany,1997); міжнародній конференції “Онтогенез рослин в природному та трансформованому середовищі” (Львів, 1998); конференціях молодих вчених м. Харкова “Актуальні проблеми сучасної науки у дослідженнях молодих вчених м. Харкова” (Харків, 1998; 2000; 2001; 2002); міжнародній конференції “ Наукові основи стабілізації виробництва продукції рослинництва” (Харків, 1999); 12-му конгресі федерацій європейських товариств фізіологів рослин (Будапешт, 2000); міжнародній конференції “Актуальные вопросы экологической физиологии растений в ХХІ веке” (Сыктывкар, 2001); міжнародній конференції молодих вчених “Рослина і середовище” (Харків, 2001); ХІ з'їзді Українського ботанічного товариства (Харків, 2001); міжнародному симпозіумі “Молекулярные механизмы генетических процессов и биотехнология” (Москва, Мінськ, 2001); Фізіологія рослин в Україні на межі тисячоліть (Київ, 2001); YІІІ Українському біохімічному з'їзді (Чернівці, 2002).

Публікації. Результати досліджень представлені у 22 друкованих роботах, в тому числі 9 статей, з них 6 статей у провідних фахових виданнях.

Об’єм та структура роботи. Дисертаційна робота викладена на 153 сторінках машинописного тексту, складається зі вступу, огляду літератури, 6 розділів експериментальної частини, узагальнення, висновків та списку використаної літератури (налічує 256 найменувань, в тому числі латиницею - 73). Робота містить 23 таблиці, 25 рисунків та 2 схеми.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

Проаналізовано дані літератури стосовно розвитку уявлень про фітострес, впливу водного стресу на рослинний організм та ролі білкової системи в його адаптаційних реакціях за посухи. На підставі аналізу обґрунтовується необхідність подальшого системного вивчення функціонування компонентів білкової системи у їх взаємозв’язку за дії водного стресу та дослідження ролі коренів у стрес-реакції цілісної рослини. Визначено і обґрунтовано мету і задачі досліджень.

МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Об'єктами досліджень обрано два сорти озимої м'якої пшениці (Triticum aestivum L.), контрастних за ступенем посухостійкості: посухостійкий високостебельний сорт Харківська 81 та менш посухостійкий низькостебельний - Напівкарлик 3. Рослини вирощували в факторостатній камері кафедри фізіології та біохімії рослин Харківського національного університету ім. В.Н.Каразіна у піщаній культурі в пластмасових вегетаційних посудинах об’ємом 1 л по 30-40 проростків при 70%-вій вологості піску (від його повної вологоємкості, ПВ) у контрольованих умовах: при температурі 23°±1°С день / 18°±1°С ніч, 16-годинному фотоперіоді, освітленні на рівні 15 кЛк та відносній вологості повітря 65-70%. Рослини поливали стандартним розчином Кнопа. Водний дефіцит створювали одночасним припиненням поливу 7-добових проростків пшениці, доводячи вологість грунту до 30% ПВ, впродовж 10 діб. Контрольні рослини продовжували вирощувати за 70% ПВ до закінчення експерименту. Матеріал для аналізів відбирали в динаміці - на третю, сьому і десяту добу дії водного стресу.

Для вивчення ролі кореневої системи в адаптаційних реакціях у 17-добових рослин матеріал аналізували на 10-ту добу дії посухи.

Ростову реакцію визначали за зміною швидкості лінійного росту та накопичення біомаси. Про характер її змін судили за ступенем уповільнення цих процесів за дефіциту вологи. Параметри водного режиму – оводненість листків (ОВ), інтенсивність транспірації (ІТ) та водний дефіцит (ВД) визначали за методами (Григорюк і співроб., 1999).

Суму і склад вільних амінокислот визначали на автоматичному аналізаторі амінокислот Е.Е.L. Model 193 (Англія), вміст загального та білкового азоту – за К’єльдалем, амінного – за Ястрембовичем і Калініним, білка легкорозчинної фракції – за Лоурі, активність протеаз – за збільшенням амінного азоту в автолітичній суміші (Ермаков і співроб., 1987), активність аміноацил-тРНК-синтетаз (АРСаз) – гідроксаматним методом (Полевой, 1978), амінотрансфераз (аланінамінотрансферази – АлТ і аспартатамінотрансферази – АсТ) – за швидкістю утворення гідразонів пірувату (Полевой, 1986).

Біологічна повторність дослідів 4-6-кратна, аналітична – 8-кратна. Статистичний аналіз виконаний за допомогою програми EXAL 7.0 для Windous 2000. У таблицях і на рисунках наведено середні значення показників, їх стандартні відхилення, істотність середньої різниці оцінювали за критерієм Ст'юдента (Рокицкий, 1976).

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ

Перш ніж аналізувати одержані дані зазначимо, що в тексті дисертації описані виявлені в ході досліджень онтогенетичні зміни та генотипові особливості ростових процесів, параметрів водного режиму і функціонування компонентів білкової системи досліджуваних сортів в умовах оптимальної вологості. Тому в авторефераті висвітлені, головним чином, ті зміни, котрі спостерігались за дії посухи та, на нашу думку, зумовлені різним рівнем посухостійкості сортів.

Ростова реакція та кінетика параметрів водного режиму в листках сортів озимої пшениці за посухи. Ростова реакція. Результати показали (табл. 1), що за посухи приріст рослин у висоту і швидкість росту досить істотно інгібуються у обох досліджуваних сортів. Однак за динамікою цих процесів посухостійкий та менш стійкий сорт різняться. Так, ступінь гальмування росту у стійкого сорту вже на 3 і 7 добу значно більший, ніж у нестійкого. За динамікою накопичення біомаси інтегрального показника характеру ростових, а відтак і біосинтетичних процесів, досліджувані сорти також різняться. Хоча у обох сортів посуха й інгібує накопичення маси, але у стійкого Харківська 81 це істотно проявляється вже в перші три доби дії стресора. В той же час нестійкий сорт Напівкарлик 3 майже не реагує на початок дії посухи зниженням утворення біомаси, але по мірі її наростання ця реакція у нього проявляється значно більшою мірою, ніж у стійкого сорту Харківська 81 (табл.1).

Таблиця 1.

Вплив посухи на ростову реакцію сортів озимої пшениці

Посуха, діб | Ступінь гальмування росту, % | Ступінь зниження приросту біомаси, %

Харківська 81 | Напівкарлик 3 | Харківська 81 | Напівкарлик 3

3 | 37,1 | 25,0 | 57,9 | 9,6

7 | 62,9 | 55,8 | 27,9 | 34,9

10 | 31,8 | 36,3 | 32,9 | 37,5

Отже, одержані нами дані з урахуванням того, що ріст рослин – інтегральний показник характеру процесів їх життєдіяльності, дозволяє вважати, що відмінності між досліджуваними сортами за ростовою реакцією на дефіцит вологи пов’язані з їх посухостійкістю. Стійкий сорт Харківська 81 раніше реагує на стресор і, вірогідно, тому швидше адаптується, з більшою ефективністю використовуючи речовину та енергію в стресових реакціях, ніж менш стійкий сорт Напівкарлик 3.

Водний режим. Вивчення динаміки показників водного режиму у досліджуваних сортів за посухи показало (рис.1), що зміна рівня ІТ, ОВ і ВД за посухи подібна за спрямованістю, але різна за ступенем їх пригнічення в цих умовах. У стійкого сорту Харківська 81 за дії стресора він виражений меншою мірою, ніж у менш стійкого Напівкарлик 3. Це свідчить про менше порушення процесів регуляції водообміну у стійкого сорту порівняно з менш стійким.

Рис. 1. Кінетика параметрів водного режиму в листках сортів озимої пшениці.

Амінокислотний пул в листках озимої м'якої пшениці за дії водного стресу.

Білкову систему ми розглядали як цілісну єдність взаємопов’язаних між собою компонентів, котрі поєднанні загальною функцією – синтезу білка. Серед таких компонентів ми виділяли процеси обміну амінокислот, синтезу структурного та легкорозчинного білка, утворення різних форм азоту, а також ензиматичні процеси.

Результати визначення зміни вмісту суми вільних амінокислот показали (рис.2), що під впливом посухи у посухостійкого сорту Харківська 81 сума їх протягом 3 діб від початку дії стресора зростає, до 7-ї доби знижується і до 10-ї доби залишається практично не змінною. За цих умов у нестійкого сорту Напівкарлик 3 вміст вільних амінокислот є більшим за контрольного варіанту протягом всього терміну дії стресора. Отже, різні за рівнем посухостійкості сорти озимої пшениці різняться за характером динаміки суми вільних амінокислот в умовах посухи.

Рис 2. Зміна суми вільних амінокислот в листках озимої пшениці під впливом посухи, мг/г сухої речовини

У обох досліджуваних сортів під впливом посухи відбуваються зміни вмісту окремих амінокислот. За ступенем цих змін вільні амінокислоти можна розподілити на ті, вміст котрих у обох сортів майже не змінюється, а також ті, у котрих він змінюється істотно. До останніх відносяться дикарбонові амінокислоти та їх аміди і основні амінокислоти: лізин, аргінін, гістидин, а також “стресові”, перш за все, пролін та аланін. Саме за характером зміни їх вмісту протягом посухи найбільш істотно відрізняються досліджувані сорти. Так, вже в перші три доби дії стресора у посухостійкого сорту вміст проліну зростає, а у менш стійкого – не змінюється. На 7-му добу у першого вміст його знижується до рівня вмісту в контролі, а у останнього, навпаки, стає більшим, ніж в контролі. За такою ж динамікою змінюється вміст аланіну та інших стресових амінокислот.

Рис. 3 Зміна вмісту проліну за умов посухи, мг/г сухої речовини

Таким чином, одержані дані показують, що у сортів з різним рівнем посухостійкості різна динаміка загального пулу та окремих, перш за все, стресових амінокислот протягом посухи. Враховуючи літературні дані про те, що амінокислоти відіграють вагому роль в захисних реакціях рослин, можна вважати, що їх метаболізм пов’язаний з рівнем посухостійкості досліджуваних сортів. У стійкого сорту зміни в амінокислотному пулі відбуваються швидше, що може бути одним з вагомих чинників його більш ефективної адаптації до нестачі вологи, ніж менш стійкого сорту.

Амінотрансферази як відомо, каталізуючи реакції амінування та переамінування, відіграють значну роль в метаболізмі амінокислот. За нашими даними, активність АлТ і АсТ у обох досліджуваних сортів істотно зростає вже в перші 3 дні дії посухи. Однак, стійкий сорт більшою мірою реагує зміною активності амінотрансфераз на дефіцит вологи, ніж менш стійкий. Це дає підставу припустити, що перший здатен швидше змінити амінокислотний обмін, зокрема на рівні активності амінотрансфераз, ніж останній. Протягом подальшої дії посухи (7 доба) відносно контролю активність АлТ знижується у обох сортів, а АсТ – у Напівкарлика 3. На 10-ту добу активність АлТ істотно не змінюється у обох сортів, в той час як у Харківської 81 активність АсТ зростає. Вірогідно, що зв’язок активності амінотрансфераз з посухостійкістю опосередкований їх участю в регуляції метаболізму вільних амінокислот, котрі відіграють вельми вагому роль в стресових реакціях рослин.

Рис. 4 Активність амінотрансфераз в листках озимої пшениці за умов посухи,

мкМ пірувату / г сир. реч·год.

Динаміка вмісту різних форм азоту, білка та активність ферменті білкового обміну в листках озимої пшениці за умов дефіциту вологи. Дослідження динаміки вмісту різних форм азоту у листках сортів озимої пшениці на ранніх етапах онтогенезу показало, що під впливом стресора у стійкого сорту триваліший час і більшою мірою зростає вміст загального та білкового, але значно в меншому ступені амінного азоту, ніж у нестійкого сорту. Це дає підставу вважати, що у стійкого сорту азотний обмін за посухи порушується меншою мірою, що є однією з умов його підвищеної здатності адаптуватися до посухи.

За літературними даними (Пустовойтова, Жолкевич, 1996) відомо, що при поступово наростаючій неглибокій посусі можливий короткочасний підйом інтенсивності фізіологічних процесів у рослинному організмі, а саме – фотосинтезу, дихання та синтезу білка. Ця інтенсифікація процесів відбувається за рахунок мобілізації потенційних резервів рослинного організму.

Дослідження вмісту загального білка показало, що в перші три доби від початку посухи його кількість зростає у обох сортів. Але протягом подальшої дії посухи (7-ма доба) у посухостійкого сорту він продовжує підвищуватися, а у менш стійкого, навпаки, відбувається його зниження. На завершення дії посухи (10-та доба) у обох сортів вміст білка знижується, причому у стійкого сорту лише у півтора рази, в той час як у слабостійкого майже втричі (рис.5). Отже, у Харківської 81 підвищення синтезу загального білка, представленого переважно структурним, відбувається протягом довшого терміну, що може свідчити про більшу здатність мобілізувати потенційні резерви у посухостійкого сорту на відміну від менш стійкого.

Рис. 5 Зміна вмісту фракцій білка в листках озимої пшениці за умов посухи, мг/г.

Процеси синтезу білка нерозривно пов’язані з процесами його розпаду, тому при вивченні ензиматичних процесів як компонентів білкової системи, ми досліджували активність білоксинтезуючих ферментів – аміноацил-тРНК синтетаз та активність протеолітичних ферментів.

Під впливом дефіциту вологи активність АРС-аз зростає у обох досліджуваних сортів (рис.6). У посухостійкого сорту вона вища за посухи протягом 7-ми діб її дії, а на 10-ту добу стає нижчою за активність в контрольному варіанті. Така динаміка активності АРС-аз у стійкого сорту співпадає з динамікою зміни вмісту загального білка. Вірогідно, що це може свідчити про адаптивну перебудову в синтезі білка у стійкого сорту за стресу. У менш стійкого сорту Напівкарлик 3 активність АРС, на відміну від активності у стійкого, на 10-ту добу посухи зростає, хоча вміст загального білка в цей період у нього зменшується. На нашу думку, це може бути пов’язане з порушенням в умовах посухи у нестійкого сорту злагодженості функціонування окремих компонентів білкової системи або з інгібуванням тих процесів синтезу білка, які йдуть вже після аміноацилювання.

Рис. 6 Активність ферментів білкового обміну в листках озимої пшениці

за умов посухи.

Результати показали, що активність протеаз за посухи у досліджуваних сортів змінюється по-різному (рис.6). У посухостійкого сорту Харківська 81 вона на 3-тю добу дії стресора зростає, на 7-му – знижується до рівня в контролі, а на 10-ту знову зростає, в порівнянні з контрольним варіантом. У нестійкого сорту Напівкарлик 3 на третю добу активність протеаз знижується, а з 7-ї доби посухи підвищується і залишається більш високою за активність в контролі до завершення дії посухи. Враховуючи дані літератури, що протеази, розщеплюючи “старі” білкові молекули, забезпечують синтез “нових” за рахунок амінокислот, які утворюються при цьому, можна припустити, що у стійкого сорту ці ферменти більшою мірою здійснюють саме таку функцію. Адже такий шлях “оновлення” білків не вимагає додаткових витрат речовини та енергії на адаптаційні процеси за стресу. У менш стійкого сорту інгібування протеаз на початку стресу і пізніше їх підвищення, ніж у стійкого, вірогідно пов’язане з порушенням синтезу білка та повільнішою його адаптаційною перебудовою за стресу.

Реакція білкової системи коренів сортів озимої пшениці за умов недостатнього вологозабезпечення. Вміст вільних амінокислот в коренях сорті озимої пшениці під впливом посухи зростає у обох сортів, але у посухостійкого Харківська 81 незначно (на 5%), а у нестійкого Напівкарлик 3 – дуже істотно ( на 108%). У першого збільшення їх суми зумовлене зростанням вмісту цистеїну (136%), тирозину (135 %) та, найбільшою мірою, проліну (196%), в порівнянні зі вмістом в контролі. У другого надмір збільшення суми амінокислот обумовлений зростанням вмісту всіх, крім тирозину, з виявлених в коренях амінокислот. Одержані результати дозволяють припустити, що у стійкого сорту зміни у вмісті амінокислот мають характер захисних стресових реакцій, бо відбуваються за рахунок переважаючого синтезу “стресової” амінокислоти – проліну. Надмір вмісту амінокислот, за літературними даними, свідчить про інгібування синтезу білка, а також, на нашу думку, про пригнічення транспорту амінокислот з коренів до надземної частини у менш стійкого сорту в умовах посухи.

Таблиця 2.

Вплив дефіциту вологи на зміни у функціонуванні компонентів білкової системи в коренях проростків сортів пшениці

Показники білкової системи |

Харківська 81 |

Напівкарлик 3

70% ПВ | 30 % ПВ | 70 % ПВ | 30 % ПВ

Сума вільних АК, мг/г | 38, 3 ± 1,2 | 40,3 ± 2,4 | 40, 6 ± 2,9 | 84,7 ± 9,2

Активність АлТ, мкМ пірувату./г сир. реч.· год. |

5,9 ± 0,1 |

8,9 ± 0,1 |

6,2 ± 0,1 |

11,0 ± 0,2

Активність АсТ, мкМ пірувату./г сир. реч.· год. |

9,2 ± 0,1 |

18,8 ± 0,3 |

8,3 ± 0,1 |

15,6 ± 0,1

Загальний азот, мг/г | 21,1± 1,0 | 10,3 ± 0,8 | 41,1 ± 1,2 | 30,0 ± 0,7

Білковий азот, мг/г | 10,5 ± 1,2 | 8,2 ± 0,8 | 16,0 ± 1,3 | 10,3 ± 0,9

Амінний азот, мг/г | 1,9± 0,1 | 2,6 ± 0,1 | 2,2 ± 0,1 | 5,2 ± 0,2

Білок, мг/г | 59,7 ± 2,8 | 46,6 ± 2,3 | 91,2 ± 4,6 | 58,5 ± 2,9

Активність протеаз, мг амін. N/ г сир. реч.· год. |

7,5 ± 0,1 |

9,7 ± 0,2 |

5,4 ± 0,2 |

7,5 ± 0,3

Активність амінотрансфераз (АлТ і АсТ) в коренях обох сортів за посухи зростає, в порівнянні з активністю в контролі. Але у стійкого сорту Харківська 81 меншою мірою АлТ, та більшою – АсТ, ніж у менш стійкого Напівкарлик 3. Співставлення змін у пулі вільних амінокислот і активності амінотрансфераз показує, що активність ферментів підвищується на фоні незначного у посухостійкого сорту, а у слабостійкого – надмірного зростання вмісту амінокислот. Вірогідно, що це може свідчити про адаптаційні зміни в метаболізмі амінокислот у стійкого сорту і порушення його у менш стійкого в умовах посухи. Результати досліджень показали, що під впливом посухи вміст загального і білкового азоту в коренях стійкого сорту Харківська 81 і менш стійкого Напівкарлик 3 знижується, а амінного – зростає. Однак, при односпрямованості цих змін сорти різняться за ступенем їх прояву. У стійкого сорту сильніше знижується вміст загального азоту, а у нестійкого – білкового. Щодо амінного азоту, то його вміст у стійкого сорту зростає значно меншою мірою, ніж у нестійкого. На нашу думку, більший ступінь зниження білкового азоту при більш значному зростанні амінного у нестійкого сорту свідчить про порушення синтезу білка в коренях та уповільнення відтікання з них амінокислот до надземної частини під впливом посухи. В коренях досліджуваних сортів вміст білка та протеолітична активність за посухи змінюються подібним чином, але з різним ступенем прояву. У стійкого сорту Харківська 81 вміст білка знижується до 78%, а протеазна активність зростає до 129% від контролю. У менш стійкого Напівкарлик 3 ці показники відповідно становлять 64% та 139% до їх рівня в контролі. Отже, у стійкого сорту стресор викликає значно менші зміни в синтезі білка та протеолітичній активності в кореневій системі, що, вірогідно, пов’язане з більшою, ніж у нестійкого, здатністю адаптувати білкову систему коренів до умов посухи. З метою виявлення ролі коренів у змінах ростової реакції і білкового обміну цілісної рослини в умовах посухи ми обчислили частку встановлених показників цих процесів в коренях відносно їх рівня в цілісній рослині.

Рис.7 Частка маси коренів, вмісту в них різних форм азоту та протеолітичної активності

за посухи, % від рівня показників цілої рослини

Результати показали (рис.7), що у посухостійкого сорту Харківська 81 маса коренів, вміст загального, білкового і амінного азоту за посухи становлять меншу, а протеазна активність – більшу частку від рівня цих показників у цілій рослині, ніж у нестійкого сорту Напівкарлик 3. Тобто, ступінь участі кореневої системи в ростовій реакції та азотному обміні у першого нижчий, ніж у останнього, тому, вірогідно, і порушення зв’язків корені-надземна частина у менш стійкого сорту значніші. Це дає підставу вважати, що на посуху рослина реагує як цілісна система органів та функцій.

УЗАГАЛЬНЕННЯ

Результати досліджень дозволяють сформулювати певні закономірності, що проявляються в ростовій реакції і змінах у білковій системі рослин озимої пшениці за адаптації до посухи. Цю систему ми розглядали як цілісну єдність процесів росту, обміну вільних амінокислот, синтезу структурного і функціонально активного білка, утворення різних форм азоту, а також ензиматичних процесів. Ми також виходили з того, що рослина функціонує як система органів, зокрема, за оптимального співвідношення білкового обміну в листках і коренях та процесів транспорту між ними його продуктами. Узагальнюючий аналіз змін структурно-функціональних компонентів білкової системи за використанням системного підходу та її роль у адаптаційних реакціях озимої пшениці до посухи відображено на схемі 1.

Одержані результати дозволяють вважати, що адаптація до умов посухи у стійкого сорту відбувається швидше і за менших витрат енергії та речовини, бо він швидше призупиняє і відновлює ростові процеси, ніж менш стійкий. Це положення підтверджують дані літератури про більшу витрату АТФ менш стійкими сортами пшениці за посухи (Михальський, Григорюк, Ткачов та ін., 2000).

У стійкого сорту в досліджених компонентах білкової системи під впливом посухи відбуваються менші порушення, ніж у менш стійкого. У посухостійкого сорту зміни в синтезі амінокислот, білка, різних форм азоту, активності амінотрансфераз, АРС-аз і протеаз в листках і коренях виражені меншою мірою, в порівнянні з менш стійким. Це свідчить, що посухостійкий сорт здатний за умов стресу підтримувати цілісну єдність білкової системи. Це також дає підставу вважати, що стійкий сорт здатний підтримувати зв’язки в системі корені-надземна частина на необхідному для адаптації до стрес-фактора рівні, в той час, як у менш стійкого сорту вони порушуються істотніше, що знижує його здатність адаптуватися до стресових умов.

Схема 1. Роль білкової системи в адаптаційних реакціях рослинного

організму за посухи.

ВИСНОВКИ

1. Ростові процеси протягом посухи у рослин стійкого сорту озимої пшениці Харківська 81 призупиняються раніше, але й відновлюються швидше, ніж у менш стійкого сорту Напівкарлик 3. Більш рання реакція на водний стрес зумовлює повнішу мобілізацію адаптаційних резервів у посухостійкого сорту.

2. Динаміка змін параметрів водного режиму - інтенсивності транспірації, оводненості та водного дефіциту листків під впливом посухи у стійкого і нестійкого сорту односпрямована, але різна за ступенем прояву. Менші порушення у водообміні посухостійкого сорту свідчать про здатність підтримувати стабільність водного статусу листків за умов посухи.

3. Зміни у фракційному складі та вмісті вільних амінокислот, особливо “стресових”- аланіну, проліну, дикарбонових та основних - в листках у посухостійкого сорту Харківська 81 за дефіциту вологи відбуваються раніше, ніж у нестійкого Напівкарлик 3, якому властива нижча інтенсивність синтезу цих амінокислот. Підвищена чутливість пулу вільних амінокислот обумовлює прискорену адаптацію стійкого сорту до посухи.

4. Грунтова посуха індукує підвищення активності амінотрансфераз у посухостійкого сорту пшениці протягом дії посухи, що відображає характер змін вмісту тих амінокислот, в метаболізмі яких приймають участь дані ферменти.

5. В листках стійкого сорту пшениці Харківська 81, порівняно з менш стійким Напівкарлик 3, за умов посухи триваліший час і значніше зростає вміст загального і білкового азоту, ніж амінного. Це свідчить, що азотний обмін під впливом посухи у стійкого сорту пшениці порушується меншою мірою, на відміну менш стійкого.

6. Триваліший та інтенсивніший синтез загального білка протягом посухи у стійкого сорту Харківська 81, порівняно з менш стійким Напівкарлик 3, пов'язаний з більшою здатністю мобілізувати потенційні резерви адаптації. Синтез легкорозчинного білка у посухостійкого сорту пригнічується раніше, ніж у менш стійкого, що обумовлене прискореною реакцією на дефіцит вологи.

7. Характер зміни активності аміноацил-тРНК-синтетаз в листках стійкого сорту Харківська 81 протягом посухи відповідає характеру змін синтезу загального білка. У менш стійкого сорту Напівкарлик 3 такий функціональний зв’язок не проявляється.

8. Підвищення активності протеаз в листках стійкого сорту пшениці відбувається на початку дії посухи, водночас зі зниженням її у нестійкого. Посухостійкий сорт пшениці швидше “оновлює” білкові молекули в умовах стресу за рахунок амінокислот, які утворюються в результаті протеолізу, що є ефективніше, ніж шляхом синтезу de novo.

9. У коренях нестійкого сорту пшениці надмірне зростання пулу вільних амінокислот при гальмуванні синтезу білка, активації амінотрансфераз і протеаз порушує в умовах посухи функціонування білкової системи коренів та процесу транспорту азотвмістних сполук до надземної частини. Посухостійкому сорту пшениці властива здатність підтримувати цілісність зв’язків корені – надземна частина більшою мірою, ніж менш стійкому.

10. З позицій системного підходу показано, що зміни структурно-функціональних компонентів білкової системи посухостійкого сорту спрямовані на її адаптивну перебудову, у менш стійкого - характеризують порушення узлагодженості функціонування окремих елементів системи.

11. Для оцінки посухостійкості сортів озимої пшениці на ранніх етапах онтогенезу пропонується використання рівня змін та швидкості реакції компонентів білкової системи - вмісту і балансу вільних амінокислот, легкорозчинного білка та активності аспартатамінотрансферази.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Авксентьева О.А., Красильникова Л.А., Садовниченко Ю.А. Влияние картолина –2 на белоксинтезирующую систему проростков озимой пшеницы в условиях водного стресса // Физиология и биохимия культурных растений. – 1998. – Т.30, №5. – С. 386-390.

2. Авксентьєва О.О., Корольова О.В. Метаболізм вільних амінокислот та протеолітична активність озимої пшениці за умов водного стресу // Вісник Харківського національного університету. – 2000. –№456. – Ч. 2. – С. 69-72.

3. Авксентьева О.А., Жмурко В.В., Красильникова Л.А. Содержание свободных аминокислот в листьях и корнях озимой пшеницы в условиях действия водного дефицита // Биологический вестник. – 2000. – Т.4, №1-2. - С. 63-69.

4. Авксентьєва О.О. Ріст та водний обмін проростків озимої пшениці за умов різного водозабезпечення // Вісник Харківського національного університету. – 2001. – №506. – Ч. 2.– С. 251-253.

5. Авксентьева О.А. Протекторное действие антистрессового препарата картолин-2 на белковую систему пшеницы в условиях водного стресса // Вісник Харківського національного університету. – 2002. – №551. – Ч.1. – С. 281-284.

6. Авксентьева О.А. Влияние водного стресса на азотный обмен в листьях и корнях проростков озимой пшеницы // Физиология и биохимия культурних растений. – 2004. – Т.36, №2. – С.131-138.

7. Жмурко В.В., Красільнікова Л.О., Авксентьєва О.О. Роль білоксинтезуючої системи в адаптації озимої пшениці до умов вологозабезпечення // Фізіологія рослин в Україні на межі тисячоліть. Т.2. – Київ. – 2001. – С.130-137.

8. Авксентьєва О.О. Деякі аспекти адаптації білоксинтезуючої системи проростків озимої пшениці до стресових умов // Актуальні проблеми сучасної науки у дослідженнях молодих вчених м. Харкова. – Харків. – 1998. –С. 134-137.

9.Sadovnichenko Y.A., Avksentyeva O.A., Krasilnikova L.A. and Zhmurko V.V. Winter wheat genotype response to water stress // Annual Wheat Newsletter. – 1999. – Vol.45, №6. – Р. 168-170.

10. Авксентьєва О.О. Білоксинтезуюча система паростків озимої пшениці в умовах стресу // Онтогенез рослин в природному та трансформованому середовищі. Матеріали міжнародної конференції. Львів: Сполом. – 1998. – С. 184-185.

11. Авксентьева О.А. Изучение свободных аминокислот в условиях водного стресса и действия антистрессового препарата картолин-2 // Тезисы YI молодёжной конф. ботаников. – Санкт-Петербург. – 1997. – С.92.

12. Авксентьєва О.О., Красильнікова Л.О., Садовниченко Ю.О. Вивчення білоксинтезуючої системи листків паростків озимої пшениці в умовах водного стресу // YII Український біохімічний з`їзд . Тези доповідей. Ч. II. – Київ. – 1997. – С.79-80.

13. Krasilnikova L.A., Sadovnichenko Y.A., Avksentyeva O.A. Influence of stress conditions on the protein metabolism and cytokinin content in the winter wheat seedlings // Sustainable Agriculture for Food, Energy and Industry. – Braunschweing, Germany. – 1997. – P.411.

14. Авксентьєва О.О., Корольова О.В. Вплив водного стресу та антистресового препарату картолін-2 на вміст та склад вільних амінокислот паростків озимої пшениці // Актуальні питання ботаніки та екології. Матеріали конф. молодих вчених. – Херсон. – 1998. – С.89-90.

15. Авксентьева О.А., Красильникова Л.А. Влияние водного дефицита на некоторые аспекты белкового обмена в проростках озимой пшеницы // Наукові основи стабілізації виробництва продукції рослинництва. Тези доповідей міжнародної конференції. – Харків. – 1999. – С. 128-129.

16. Авксентьєва О.О, Бондарь В., Єремєєва О. Вплив посухи на водний режим озимої пшениці // Актуальні питання ботаніки та екології. Матеріали конференції молодих вчених-ботаніків України. – Ніжин. –1999. – С. 102.

17. Korolyova O.V., Avksentyeva O.A., Krasilnikova L.A. and Skirta E.A. The effects of daily stress on the free amino acids concentration in the leaves of two winter wheat cultivars // 12th Congress of the Federation of European Societies of Plant Physiology. Abstracts. Plant Physiology and Biochemistry. – Budapesht. – August 2000. – Vol. 38. – P.240.

18. Авксентьева О.А. Особенности функционирования белковой системы проростков озимой пшеницы в условиях водного стресса //Актуальные вопросы экологической физиологии растений в ХХI веке. Тезисы докладов. – Сыктывкар. – 2001. – С.146-147.

19. Авксентьева О.А. Реакция белковой системы озимой пшеницы на водный стресс // Рослина і середовище. Фізіологія, генетика, фітоценологія, агроекологія. –Харків. – 2001. – С.22-24.

20. Красільнікова Л.О., Жмурко В.В., Тимошенко В.Ф., Джамєєв В.Ю., Авксентьєва О.О., Садовниченко Ю.О. Фізіолого-біохімічні процеси у рослин за водного та температурного стресів // Матеріали ХI з`їзду Українського ботанічного товариства. – Харків. – 2001. –С. 193-194.

21. Жмурко В.В., Авксентьева О.А. Характер физиолого-биохимических процессов у растений как возможный маркер их адаптивных свойств // Молекулярные механизмы генетических процессов и биотехнология. Международный симпозиум. Москва 18-21 ноября 2001. – Минск 22-24 ноября 2001. – С. 367-368.

22. Авксентьєва О.О., Красільнікова Л.О. Метаболізм вільних амінокислот у листках озимої пшениці за водного стресу // Український біохімічний журнал. Матеріали YIII Українського біохімічного з`їзду. – Чернівці. – 2002. – Т.74, №4б (додаток 2). – С. 113.

АНОТАЦІЇ

Авксентьєва О.О. Роль білкової системи у формуванні адаптивних реакцій до посухи на ранніх етапах онтогенезу озимої пшениці. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.12 – фізіологія рослин. – Інститут фізіології рослин і генетики НАН України, Київ, 2005.

Дисертацію присвячено вивченню ростової, фізіологічної та метаболічної реакції озимої м'якої пшениці різних за ступенем посухостійкості сортів на грунтову посуху. Встановлено, що гальмування росту та процесів водообміну за посухи супроводжується адаптаційними перебудовами білкової системи в листках та коренях сортів озимої пшениці. При цьому відбуваються суттєві зміни у амінокислотному пулі, вмісті азотвмістних сполук, кількості загального та легкорозчинного білка, а також активності ферментів білкового обміну – амінотрансфераз, протеаз, аміноацил-т-РНК синтетаз. Зафіксовано сортові відмінності функціонування окремих компонентів білкової системи за умов оптимального та недостатнього вологозабезпечення.

Виявлено різну швидкість реакцій на дію посухи у стійкого та менш стійкого сортів озимої м'якої пшениці. Досліджено роль кореневої системи в стрес-реакції цілісної рослини у сортів озимої пшениці контрастних за ступенем посухостійкості.

Ключові слова: