Физиология устойчивости растений. Учебно-методическое пособие

СОД-Men+ + O2•– → СОД-Me(n–1)+ + O2,

СОД-Me(n–1)+ +O2•– + 2H+ → СОД-Men+ + H2O2.

Как видно из схемы, в результате реакции при участии фермента происходит образование перекиси водорода, самой стабильной и потому наиболее токсичной АФК, способной привести к разрушению клеточного содержимого. Поэтому в паре с этим ферментом непременно должны быть другие ферменты, способные разрушать образующийся пероксид водорода до нетоксичных продуктов. К ним относятся каталаза и пероксидаза.

Каталаза (КФ.1.11.1.6) относится к числу гемсодержащих ферментов. Также молекула фермента содержит по четыре атома железа. Каталаза всегда присутствует в компартментах, где происходят процессы клеточного дыхания с участием цитохромов, т.е. там, где в результате восстановления кислорода, образуется перекись водорода (преимущественно в пероксисомах, глиоксисомах, а также – митохондриях, цитозоле, клеточных стенках). Для фермента также характерно одновременное присутствие в организме нескольких его изоформ, различающихся по структуре, величине активности, принадлежности к разным частях клетки и организма. Определены гены, кодирующие такие изоформы.

Сущность каталитического действия каталазы состоит в разложении перекиси водорода с выделением молекулярного кислорода. Реакция с участием каталазы требует двух молекул перекиси, из которых одна действует как донор, а другая как акцептор электронов. Данная реакция протекает с очень большой скоростью (k=107). Механизм реакции можно представить следующим образом:

Fe3+-каталаза + HOOH → окисленная каталаза; окисленная каталаза + HOOH → Fe3+-каталаза + H2O + O2.

21

Однако каталаза наиболее эффективно используется клеткой для разложения высоких концентраций H2O2.

Пероксидазы (КФ 1.11.1.7) также относятся к группе гемсодержащих ферментов. В состав молекулы пероксидазы включены два иона кальция, которые мало влияют на каталитическую активность, однако необходимы для поддержания высокой термической стабильности фермента. В своей структуре для проявления активности фермент содержит ионы Mn2+. Показано присутствие множественных форм фермента в пределах одного организма. Некоторые из них надёжно связаны с мембранами клеток. Анализ генома Arabidopsis позволил выявить более 73 полных генов пероксидаз (pox генов), принадлежащих к классу III, два псевдо-гена и шесть фрагментов, распределенных по пяти хромосомам Arabidopsis.

Пероксидаза способна катализировать реакции оксидазного, пероксидазного и оксигеназного окисления субстратов. К особенностям механизма действия пероксидазы в оксидазных реакциях является её способность в процессе реакций образовывать свободные радикалы: О2•-, НО2• и радикал органического субстрата, т. е. активные формы кислорода, о которых мы говорили. В то же время пероксидаза вступает с перекисью водорода в реакции.

В настоящее время в зависимости от типа субстрата пероксидазы делят на три группы. Одна из них использует в качестве донора электронов аскорбиновую кислоту, вторая предпочитает фенольные соединения, а третья – восстановленный глутатион. Поэтому они носят соответствующие названия: аскорбатпероксидаза (КФ.1.11.1.11), гваяколовая пероксидаза (КФ.1.11.1.7), глутатионаперок-

сидаза (КФ.1.11.1.9).

Таким образом, в растительной клетке функционирует группа антиоксидантных ферментов, участвующих в ликвидации активных производных кислорода. Они спо-

22

собны эффективно защищать клеточное содержимое и все растение в целом от негативных последствий окислительного стресса.

Низкомолекулярные метаболиты, проявляющие антиоксидантные свойства. В реакции детоксикации ак-

тивных форм кислорода, важная роль отведена низкомолекулярным метаболитам. К ним относят разнообразные по структуре и химическим свойствам вещества, способные взаимодействовать с кислородными и органическими радикалами и тормозить протекание свободнорадикальных процессов в клетках.

Показана высокая реакционная способность таких соединений, как аскорбиновая кислота, токоферол, восстановленный глутатион, флавоноиды, полиамины, свободные аминокислоты, растворимые углеводы, и другие. Механизм их действия состоит в том, что они «подставляют себя под удар» активных производных кислорода и, окисляясь, прерывают опасную для клетки цепь реакций.

Антиоксидантным метаболитам принадлежит важная роль в адаптации растений к водному дефициту, низким и высоким температурам, присутствию тяжелых металлов и других факторов, приводящих к образованию избыточного количества АФК. Поэтому полагают, что при действии абиотических стрессоров в любом организме может повышаться запас (пул) разнообразных низкомолекулярных соединений, большинство из которых выполняет защитные функции и обеспечивает устойчивость живой системы.

В растениях важнейшая роль в рассматриваемых процессах принадлежит аскорбиновой кислоте и восстановленному глутатиону.

АК в растительных тканях может присутствовать в восстановленной и окисленной формах, в связанном состоянии с полипетидом, витамином Р, нуклеиновыми кис-

23

лотами. Обычно в растениях преобладает восстановленная форма АК. Особенно высокое содержание характерно для освещенных листьев, где ее количество достигает 10–50 мМ.

В растительной клетке аскорбиновая кислота выполняет ряд важнейших функций. Обладая способностью обратимо окисляться и восстанавливаться, она принимает участие в важнейших энергетических процессах растительной клетки – фотосинтезе и дыхании. Несомненно, ее участие в процессах роста, цветения, вегетативной и репродуктивной дифференциации, в водном обмене, регуляции ферментативной активности, стимуляции реакций метаболизма, связанных с обменом нуклеиновых кислот и синтезом белка, а также в защитных реакциях растений.

Кроме того, аскорбиновая кислота является признанным антиоксидантом. АК принимает участие в детоксикации H2O2. Она может непосредственно реагировать с супероксидным анион-радикалом, молекулярным синглетным кислородом и гидроксильными радикалами.

Метаболизм аскорбиновой кислоты в растениях тесно связан с метаболизмом другого низкомолекулярного анти-

оксиданта – восстановленного глутатиона (GSH). Это ос-

новной серосодержащий низкомолекулярный пептид в большинстве организмов. Он подобно аскорбиновой кислоте способен к обратимому окислению/восстановлению. Глутатион участвует в процессах детоксикации, транспорта и метаболизма. Более того, он обеспечивает восстановление окисленных молекул аскорбиновой кислоты в так называемом аскорбат-глутатионовом цикле.

Физиологическая роль глутатиона заключается в способности поддерживать сульфгидрильные группы внутриклеточных белков в функциональном редокс-состоянии. Отношение общего глутатиона к его окисленной форме является очень важным для гомеостаза клеток и свидетельствует о способности растений противостоять окислитель-

24

ному стрессу. Кроме того, известно, что глутатион отвечает за детоксикацию потенциально опасных молекул ксенобиотиков (пестицидов, гербицидов, тяжелых металлов) путём образования с ними глутатионовых конъюгатов.

Большой группой представлены фенольные соединения, важное место среди которых отводят – флавоноидам, имеющим в своей химической структуре циклические компоненты. К концу XX века число выделенных из растений и идентифицированных флавоноидов составляло около 5000 соединений. В растениях они могут присутствовать в свободном виде или в виде эфиров с сахарами – гликозидов. Содержание флавоноидов в растениях в среднем составляет 0,5–5 %, но иногда достигает 20 % (в цветках софоры японской). Образование флавоноидов зависит от возраста и стадии развития растения. В надземной части максимальное накопление этих соединений отмечается

впериод бутонизации и цветения, в подземных органах –

впериод плодоношения.

До сих пор малоизученным является вопрос о биологической роли флавоноидов. Предполагается, что их функции связаны с процессами размножения, участием в процессах фотосинтеза и окислительного фосфорилирования. Флавоноиды играют роль фильтров в растениях, предохраняя ткани от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей, выполняют защитную функцию в отношении сопротивляемости болезням. Также показано, что флавоноиды являются мощными антиоксидантами, защищающими клеткуот свободно-радикальных реакций.

Среди аминокислот, связанных с ответными реакциями на стресс у растений, важное место отведено пролину. В растениях он может присутствовать в свободном виде и в составе белковых молекул. Содержание свободного пролина в клетках существенно зависит от видовой принадлежности растения, а также от экологических условий его су-

25

ществования. Считается, что свободный пролин обладает полифункциональным действием на клеточный метаболизм. Он участвует в регуляции осмотического давления цитозоля и регулирует его кислотность, предохраняет структуру белков и ферментов, выполняет энергетическую и другие функции, обеспечивающие поддержание клеточного гомеостаза и его переход в новое адаптивное состояние. Одним из химических свойств пролина является его способность вступать во взаимодействие с синглетным кислородом (1O2) и гидроксильным радикалом (OH•).

Таким образом, активные формы кислорода представляют собой целый набор химически активных радикалов, в нейтрализации которых участвуют как ферментные системы, так и разнообразные низкомолекулярные вещества разной химической природы.

26

Глава III. ВЛИЯНИЕ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР НА РАСТЕНИЯ

Высокотемпературный стресс. Жароустойчивость.

Среди абиотических факторов высокотемпературный стресс считается одним из наиболее значимых среди тех, которые оказывают наибольшее влияние на урожайность сельскохозяйственных культур. Считается, что примерно на четвёртой части территории суши температура воздуха достигает 400С и держится в течение нескольких часов. Такие условия, как правило, сочетаются с засухой, что приводит к усилению негативных последствий температурного стресса. В связи с этим урожайность сельскохозяйственных культур в зоне одновременного действия жары и засухи обусловливает её снижение примерно в 3–7 раз в сравнении с ожидаемой.

Устойчивость растений к действию высоких температур (перегреву) определяют термином жароустойчивость (термотолерантность). Она включает одновременную устойчивость не только к повышенной температуре, но и к значительной солнечной радиации, обеспечивающей условия перегрева. По жароустойчивости организмы делят на 3 группы:

•Жаростойкие, которые способны выдерживать температуры выше 750С. К ним относят термофильные синезеленые водоросли, бактерий горячих минеральных источников)

•Жаровыносливые, выдерживающие нагревание в диапазоне 50–650С (растения пустынь и сухих мест обитания – суккуленты, кактусы)

•Нежаростойкие растения – мезофитные и водные растения, способные выдержать кратковременное действие температуры в диапазоне 40–450С.

27

Сельскохозяйственные культур относятся к последней группе. При этом они включают обычно растения южных широт – хлопчатник, рис, сорго. Учитывая, что повышенные температуры сопровождаются засушливостью, следует признать, что проблема жароустойчивости культуры периодически актуальна и для наших условий.

Клеточные ответы. Увеличение температуры сказывается, прежде всего, на текучести мембран. С повышением температуры увеличивается их проницаемость для поступления веществ и выделения из них. Из-за этого нарушаются многие процессы и, в первую очередь, процесс деления клеток.

Повышение текучести мембран обусловливает нарушение работы ЭТЦ фотосинтеза, дыхания. Хотя ферменты при таких температурах работают еще нормально.

Первым процессом, реагирующим на перегрев, оказывается увеличение транспирации, в результате чего наступает водный дефицит. Такое сочетание высокой температуры и водного дефицита в максимальной степени отражается на всех физиологических процессах – фотосинтезе, дыхании, водном режиме, поглощении элементов минерального питания.

Молекулярные повреждения при тепловом шоке затрагивают, во-первых, белки, как наименее устойчивые органические вещества клетки. Снижается их синтез, активируется разрушение белков протеазами.При этом, как и при любом стрессе, начинает возрастать количество АФК.

С другой стороны, снижается активность некоторых антиоксидантных ферментов, в результате чего развивается окислительный стресс и увеличивается количество повреждений.

Белки теплового шока. В 70-х годах прошлого века было обнаружено, что при воздействии повышенной тем-

28

пературы на живые организмы в них синтезируются специальные белки, получившие впоследствии название белки теплового шока (БТШ). Детальные исследования показали, что эта группа белков весьма многообразна и представлена белками разной молекулярной массы.

Обнаружено, что подобные белки начинают синтезироваться при повышении температуры среды на 8–10 градусов выше нормальной. Показано, что такое повыш ение температуры вызывает активацию генов БТШ, в то время как синтез обычных белков резко снижается.

Установлено, что синтез БТШ начинается уже через 5 минут воздействия повышенной температуры. Детальные исследования показали, что мех анизмы активации включают, прежде всего, модификацию белковых факторов транскрипции, а также белков рибосом. Показано, что максимальное количество БТШ происходит через 2-4 ч, после чего их количество снижается.

Позднее было показано, что подобные белки синтезируются и при нормальных условиях. В этом случае подобным белкам отведен ряд физиологических ролей, связанных с формированием и поддержанием пространственной структуры белков и ферментов. Эти белки называют шаперонами.

Из-за многообразия и значительных количеств им приписывают множество функций:

•Обеспечение правильного фолдинга путём предупреждения беспорядочной агрегации, образования «неправильных» взаимодействий и значительное их ослабление

вслучае их проявления;

•Обеспечение рефолдинга – восстановления структуры (вторичной, третичной, четвертичной) денатурирован-

ных белков (БТШ);

29

и требуется их лизис) и в митохондрии, где своих белков синтезируется всего 5 %, а 95 % образуется за счёт генома ядра и должны проникнуть в митохондрии из цитоплазмы;

•Поддержание ряда белков в определённой конформации, обеспечивая их правильное взаимодействие с другими веществами, напр., гормонами.

Метаболизм в условиях теплового шока. Понятно,

что влияние повышенной температуры вследствие изменения свойств мембран и скоростей различных биохимических реакций и физиологических процессов приводит к дисбалансу в синтезе и накоплении ряда метаболитов. При этом наблюдается накопление сахаров (сахарозы, мальтозы, глюкозы, фруктозы и др .), аминокислот – пролина (как осмолита и атистрессового вещества), глутамина, аспарагина и др.

Процессы фотосинтеза и дыхания снижаются вследствие ряда причин, о которых мы уже частично говорили. При этом снижение транспирации вследствие закрытия устьиц отражается в первую очередь на газообмене.

Молекулярно-генетические аспекты повышения жаростойкости. Исследование растений, произрастающих

вусловиях высоких температур, даёт надежду на то, что будут раскрыты молекулярные механизмы, управление которыми позволит получать стабильно высокие урожаи

вусловиях глобального изменения климата.

Важная роль в ответных реакциях растений на жару связана с таким фитогормоном как абсцизовая кислота (АБК). Показано, что АБК способствует повышению термотолерантности через активацию БТШ. Поэтому одним из решений вопроса может быть обработка растений с помощью этого фитогормона или активация его синтеза в условиях жары.

30