БИОХИМИЯ И ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ

БИОХИМИЯ И ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
УДК 581.1
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СТРЕССА
НА ЛИПОПЕРОКСИДАЦИЮ И СИСТЕМЫ ЕЕ РЕГУЛЯЦИИ
В ХЛОРОПЛАСТАХ ГОРОХА (PISUM SATIVUM L.)
Л. Н. Курганова, А. П. Веселов
Нижегородский госуниверситет
Исследовали влияние высокотемпературного стресса на перекисное окисление
липидов и антиоксидантную систему защиты хлоропластов гороха. Установлено, что под действием теплового шока (t=42оC) равновесие прооксиданты ↔
антиоксиданты сдвигается в сторону активации перекисного окисления липидов,
особенно при короткой температурной обработке. 30- и 60-минутный тепловой
шок увеличивал активность ферментов антиоксидантной защиты. Это позволяет предположить, что активация перекисного окисления липидов, возможно,
переключает геном на новый режим экспрессии.
Известно, что все живые организмы разным способом реагируют на стрессовые изменения окружающей среды. В них происходит формирование защитных
механизмов адаптации, включая активацию генетического аппарата, изменение
метаболизма клеток, функционирования всех основных систем организма (Малышев, Манухина, 1998). Одним из возможных нарушений в ответ на любое внешнее
воздействие является усиление свободнорадикальных процессов, и, как следствие,
активация перекисного окисления липидов. Развитие перекисного окисления вызывает существенные изменения в структуре и функциях мембран. Однако существует сбалансированность между перекисным окислением и антиоксидантной
системой защиты, что является необходимым условием для поддержания нормальной жизнедеятельности клетки.
Целью настоящего исследования явилось изучение перекисного окисления липидов (ПОЛ) и антиоксидантной защиты в хлоропластах гороха как возможных
факторов первичного ответа растительной клетки на действие высокотемпературного стресса. С целью получения более надежных результатов опыты проводили в
течение всего онтогенеза. На соответствующих этапах развития растения подвергали в лаборатории тепловому стрессу, который создавали, помещая растения в
термостат на 2 часа при температуре 42оС. Анализы проводили сразу же после
окончания температурного воздействия. Контролем служили растения, не подвергавшиеся тепловой обработке.
Работу выполняли на изолированных хлоропластах, которые выделяли из полностью сформировавшихся листьев согласно D. L. Arnon e. a. (1956). ПОЛ тестировали по количеству промежуточных (диеновые конъюгаты – ДК, гидроперекиси
липидов – ГП) и конечных (малоновый диальдегид – МДА) продуктов. Антиокси96
дантную систему хлоропластов оценивали по активности ферментов супероксиддисмутазы – СОД и глутатионредуктазы – ГР.
Как видно из рис. 1, обработка растений повышенной температурой способствовала достоверному повышению количества ДК во всех фазах роста и развития
растений, что соответствует активации ПОЛ. Прямая зависимость между накоплением ДК и интенсивностью перекисного окисления является установленным фактом (Владимиров, Арчаков, 1972). Активация ПОЛ в хлоропластах при высокотемпературном стрессе связана, по-видимому, прежде всего с нарушением функционирования ЭТЦ фотосинтеза. Именно здесь образование активных кислородных метаболитов идет наиболее интенсивно (Мерзляк, 1989).
Ряд изменений, происходящих в хлоропластах в результате накопления при тепловом стрессе продуктов ПОЛ, очевидно, может быть пусковым для соответствующих механизмов защиты. Проведенными исследованиями установлено, что
активность СОД, фермента, утилизирующего О2•- и препятствующего инициированию ПОЛ, под влиянием теплового шока повышалась (рис. 2). Согласно литературе, это может быть связано с синтезом фермента de novo или активацией его
латентных форм (Калашников и др., 1992; Sacamato e. a., 1995).
Однако СОД не обеспечивает полную защиту клетки от окислительного стресса, поскольку при ее работе образуется пероксид водорода. Разрушение последнего осуществляется сопряженной системой, которая включает глутатионредуктазу,
являющуюся ключевым ферментом аскорбат-глутатионового цикла хлоропластов.
В наших опытах тепловой шок несколько снижал активность этого фермента
(рис. 2).
Таким образом, высокотемпературный стресс существенно смещает равновесие прооксиданты ↔ антиоксиданты в хлоропластах гороха, вызывая активацию
перекисного окисления. Образующиеся при этом продукты ПОЛ могут выступать
в качестве первичных медиаторов стрессового высокотемпературного воздействия, включая соответствующие защитные механизмы. Исходя из этого, в дальнейшей работе исследовали динамику процесса ПОЛ и антиоксидантных систем
защиты на самых начальных этапах действия повышенной температуры – при более коротких 10, 15, 30 и 60-минутных экспозициях. Об интенсивности ПОЛ судили по изменению суммарного содержания его продуктов – ГП, ДК и МДА. Как
видно из рис. 3, до 15-минутного прогрева суммарное содержание промежуточных продуктов ПОЛ повышалось, после чего снижалось до контрольных значений. Определение антиоксидантной активности хлоропластов показало значительное увеличение активности ГР – на 50–60% выше контроля – в течение короткого
времени теплового шока (рис. 4). Прогрев в течение часа приводил к уменьшению
активности фермента до контрольных значений.
Определение СОД показало повышение активности этого фермента по отношению к исходному уровню при всех экспозициях прогрева, причем после 10–30минутной обработки повышение составляло 15–40% от уровня контроля, а максимум активности СОД отмечался при часовом шоке – на 60% выше контрольного
уровня (рис. 4).
Таким образом, наблюдаемое обратное смещение прооксидантно-антиоксидантного равновесия может служить подтверждением возможной роли продуктов
ПОЛ в качестве медиаторов теплового стресса у растений. Вероятно, что активация ПОЛ является тем сигналом, который переключает геном на новый режим
97
экспрессии, реализация которого в комплексе с антиоксидантной системой и
обеспечивает защиту растительной клетки от стрессового воздействия.
Рис. 1. Изменение содержания ДК в хлоропластах гороха через 2 часа теплового
шока по сравнению с контролем на разных стадиях вегетации:
1 – до бутонизации, 2 – бутонизация, 3 – цветение, 4 – плодоношение
Рис. 2. Изменение активности ферментов антиоксидантной системы защиты
в хлоропластах гороха через 2 часа теплового шока по сравнению с контролем:
слева – СОД, справа – ГР. Обозначения 1–4, как на рис. 1
98
Рис. 3. А. Изменение уровня отдельных продуктов ПОЛ (линии) и их общего
содержания (темные столбики) и суммы первичных продуктов (светлые столбики)
в хлоропластах гороха. Б. Активность ферментов антиоксидантной
системы защиты хлоропластов гороха
ЛИТЕРАТУРА
Владимиров Ю. А., Арчаков А. И. Перекисное окисление липидов в биологических
мембранах. М., 1972.
Калашников Ю. Е., Закржевский Д. А., Балахнина Т. И., Шевелева Е. Б., Застрижная О. М. Действие почвенной засухи и переувлажнения на активацию кислорода и систему защиты от окислительной деструкции в корнях и листьях ячменя // Физиология растений. 1992. Т. 39, № 2. С. 259-263.
Малышев И. Ю., Манухина Е. Б. Стресс, адаптация и оксид азотa // Биохимия. 1998.
Т. 63, вып. 7. С. 992-1006.
Мерзляк М. Н. Активированный кислород и окислительные процессы в мембранах растительной клетки // Итоги науки и техники. Физиол. растений, т. 6. М., 1989.
Arnon D. L., Allen M. B., Whatly Z. B. Photosynthesis by isolated chloroplasts. Genetic
concept and comparison of free photochemical reaction // Biochem. Biophys. Acta. 1956. V. 20.
Р. 449.
Sacamato A., Okumura T., Kaminaka H., Sumi K., Tanaka K. Structure and differential response to abscisic acid of two promoters for cytosolic copper/zinc-superoxid dismutase genes,
SOD Cc 1 and SOD Cc 2, in rice protoplasts // Febs Lett. 1995. V. 258. P. 62-66.
99