ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДОРАСТВОРИМЫХ БЕЛКОВ

ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДОРАСТВОРИМЫХ БЕЛКОВ
ЦИТОПЛАЗМЫ МЕРИСТЕМ НАБУХШИХ ПОЧЕК ПИХТЫ
СИБИРСКОЙ
Шимова Ю.С., Алаудинова Е.В. (СибГТУ, г.Красноярск, РФ)
This work is dedicated to a study of the dynamics of content and fractional
composition of the water-soluble proteins of cytoplasm the meristem of the kidneys of
the fir tree of Siberian upon transfer to the active vegetation and loss of lowtemperature stability in spring.
Лесные экосистемы являются центрами биологического разнообразия,
играют огромную роль в газовом балансе атмосферы и регулировании
планетарного климата Земли. Лесные ресурсы являются достоянием всей
планеты, так как играют важную роль в экологическом равновесии биосферы.
Трудно переоценить значимость лесных экосистем в хозяйственной деятельности
человека. На сегодняшний день перед человечеством стоит задача увеличения
продуктивности и распространения лесов в регионы с более холодным климатом,
поскольку бореальные леса являются легкими планеты. Для этого необходимы
глубокие знания о процессах жизнедеятельности древесных растений, их
зависимости от различных факторов окружающей среды.
К лесоизбыточным районам относится Сибирь, Дальний Восток и Север
европейской части России, в которых хвойные древесные растения, такие как
лиственница, ель и пихта являются основными лесообразующими породами.
Несмотря на отдельные работы видных биологов, важные вопросы теории
адаптации и устойчивости растений к неблагоприятным факторам недостаточно
разработаны, а существующие модели не всегда служат научной основой для
эффективного воздействия на растения.
Ранее нами было установлено, что белки играют важную роль в
формировании низкотемпературной устойчивости хвойных древесных растений
[1]. Подробно исследованы состав и свойства водорастворимых белков
цитоплазмы меристем зимующих почек ели, пихты и лиственницы [2]. В зимний
период в состоянии покоя меристематические ткани почек ели, пихты и
лиственницы характеризуется повышенным содержанием белков.
Настоящая работа является продолжением исследования метаболизма
меристем почек морозостойких хвойных видов древесных растений и посвящена,
в частности, исследованию динамики содержания и фракционного состава
водорастворимых белков цитоплазмы меристем почек пихты сибирской при
переходе к активной вегетации и утрате низкотемпературной устойчивости
весной.
В марте, когда вероятность возникновения сильных морозов уже невысока,
содержание белков в меристемах почек, в условиях низкого водосодержания,
снижается в полтора - два раза (от 27 % до 19 % от а.c.м. ткани). В апреле, при
повышении температуры окружающей среды, количество белка в них вновь
возрастает примерно до 34 %, что на 25 % выше среднезимнего содержания. Этот
период характеризуется значительным повышением содержания воды в клетке, а,
следовательно, и вероятность повреждения клеток даже при небольших
заморозках резко увеличивается. Вероятно, именно этим объясняется повышение
содержания водорастворимого белка, обладающего способностью снижать
температуру гомогенной нуклеации и тем самым способствовать
переохлаждению внутриклеточных растворов [3]. В связи с особенностями
строения почек пихты (рисунок 1), в которых реализуется внеорганный механизм
льдообразования [1], водорастворимые белки выполняют роль криопротектора,
предохраняющего
меристематические
ткани
от
низкотемпературных
повреждений.
Рисунок 1 – Микрофотография продольного разреза вегетативной почки
пихты (растровый электронный микроскоп; ×70.1)
Для изучения фракционного состава белков и определения их молекулярных
масс использовали метод электрофореза в полиакриламидном геле с
додецилсульфатом натрия и β-меркаптоэтанолом [4]. Фракционный состав
водорастворимых белков цитоплазмы меристематических тканей почек пихты в
весенний период представлен в таблице 1. Для сравнения приведены также
данные, характеризующие зимующие почки.
Таблица 1 – Фракционный состав водорастворимых белков цитоплазмы
меристематических тканей почек пихты
Номер фракции
Rf
ММ, кД
В процентах от суммы ВРБЦ****
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
0,03
0,05
0,07
0,09
0,11
0,13
0,14
0,17
0,19
0,21
0,24
0,26
0,29
0,32
0,35
0,38
0,39
0,40
0,43
0,46
0,47
0,50
0,52
0,54
0,57
0,59
0,63
0,67
0,68
0,71
0,74
0,76
0,79
0,82
0,84
0,88
0,91
0,93
0,96
300
250
210
180
165
145
140
120
110
100
85
80
65
55
50
40
37
35
28
24
23
19
17
15
12
11
8
7,5
7
4,5
4,0
3,5
3
2,5
2,2
2
1,8
1,6
1,2
зима*
2,5
2,7
2,6
1,9
1,7
1,8
2,6
3,1
3,1
3,3
2,7
2,9
2,9
2,7
3,3
3,1
3,2
3,3
3
3,3
3,1
2
1,5
1,3
2,6
6,1
3,4
4,9
6,1
2,4
1,2
2,8
3,4
3,5
-
весна **
4
4,9
6,1
2,7
2,7
6
11,4
4,8
4,2
7,1
1
7,7
3,6
11,4
5,2
2,1
1
3,7
10,4
-
весна ***
3,5
2,3
3,6
2,2
4,8
14
2,2
8,1
7,5
4
13,5
15,4
6,1
8,8
4
-
* - среднезимние значения (январь); ** - весенний максимум содержания белка; *** - перед распусканием почек;
**** – водорастворимый белок цитоплазмы
Как видно из представленных данных, в зимний период водорастворимые
белки цитоплазмы представлены значительно большим количеством фракций.
Около 30 % водорастворимого белка цитоплазмы приходятся на фракции с
молекулярной массой выше 65 кД. Весной, в момент весеннего максимума
содержания водорастворимого белка количество фракций сокращается до 18. При
этом в электрофоретическом спектре не удалось обнаружить белков с
молекулярной массой свыше 100 кД, присутствующих в зимний период. В это
время отмечается увеличение количества фракций в средне- и
низкомолекулярной областях (в основном с молекулярными массами от 30 до
5 кД), которые могут быть как продуктами распада высокомолекулярных белков,
полностью исчезающих в этот период, так и вновь синтезированными белками,
необходимыми для обеспечения процессов жизнедеятельности клетки.
Перед распусканием почек, на фоне резкого снижения содержания
водорастворимого белка до 3 % от а.c.м. ткани происходит уменьшение
количества фракций, доля низкомолекулярных фракций возрастает до 50 % от
суммы водорастворимого белка.
Таким образом, проведенные исследования позволяют предположить, что
водорастворимые белки цитоплазмы играют важную роль в формировании
низкотемпературной устойчивости меристематических тканей почек пихты
сибирской. Изученные количественные изменения и фракционный состав
водорастворимых белков свидетельствуют о глубоких биохимических
перестройках
цитоплазмы
меристематических
клеток
при
утрате
низкотемпературной устойчивости. Снижение почти на порядок содержания
водорастворимого белка и его высокомолекулярных фракций, обладающих
выраженным криозащитным действием, полностью согласуется с утратой
меристемами низкотемпературной устойчивости, а появление новых фракций – с
изменением фенологического состояния дерева.
Литература
1. Миронов П.В., Алаудинова Е.В., Репях С.М. Низкотемпературная устойчивость живых
тканей хвойных. Красноярск, 2001.- 221 с.
2. Шимова Ю.С., Алаудинова Е.В., Миронов П.В., Репях С.М. Физико-химические свойства
криозащитных белков меристем зимующих почек ели и пихты . //Лесной журнал, 2003 - № 6. –
С. 75-82
3. Миронов П.В., лоскутов С.Р., Левин Э.Д. О фазовом переходе воды в зимующих
побегах лиственницы сибирской. // Лесной журнал. – 1985. - № 5. – С. 9 – 12.
4. Функциональная биохимия клеточных структур. – М.: Наука, 1970. – С. 143-152.