Вероятные функции белков, синтезирующихся при гипотермии
Имеется относительно мало данных о природе и функциях белков, синтез которых стимулируется гипотермией. В большинстве работ показана только корреляция процесса закаливания к холоду с синтезом белка. В то же время эта корреляция позволяет предполагать важную роль белков в формировании закаленного состояния растения. Предполагается, что одним из непременных факторов, требующихся для индукции морозоустойчивости озимой ржи, является усиленное образование протоплазмы и клеточных мембран.
В ряде работ показано влияние генов, локализованных в определенных хромосомах ядра, на активность митохондрий при гипотермии. Было установлено, что охлаждение морозоустойчивых растений озимых злаков вызывает значительные изменения в интенсивности работы дыхательной цепи митохондрий и в степени сопряженности процессов окисления и фосфорилирования. Впоследствии был показан ядерный контроль за проявлением этого признака, поскольку введение в малохолодоустойчивый генотип озимой пшеницы хромосом из Х-генома высокоморозоустойчивого пырея сопровождалось реакцией митохондрий на охлаждение, типично для высокоморозостойких форм, то есть быстрым переходом митохондрий в низкоэнергетическое состояние. Замена же хромосом Х-генома пырея на хромосомы пырейного D-генома в клетках пшенично-пырейного гибрида замедляла эту реакцию митохондрий на охлаждение. Исследования, проведенные на митохондриях 43 хромосомных лини показали, что гены, контролирующие данный признак митохондрии, локализованы, вероятно, в двух хромосомах Х-генома. Изучение линий с межсортовым замещением хромосом, при котором все пары хромосом D-генома, а также некоторые хромосомы А- и В-геномов озимой пшеницы Безостая 1 были замещены на соответствующие пары хромосом высокоморозоустойчивой пшеницы сорта Альбидум 114, показало, что только две хромосомы генома пшеницы Альбидум 114 контролируют энергетическую активность митохондрий при гипотермии. Таким образом, поскольку, как показано выше, блокировка цитоплазматического синтеза белка не позволяет пере ти митохондриям при гипотермии в низкоэнергетическое состояние, можно выдвинуть предположение, что ядро посредством изменения синтеза белков участвует в регуляции митохондриальной активности при гипотермии.
Дегидрины и ABA– регулируемые белки
В последнее время большой интерес исследователе привлекает изучение изменений в синтезе дегидринов под действием холодовой акклиматизации. Изменение транскрипции генов белков LEA, RAB и DHN было первоначально отмечено при действии водного стресса и после обработки растений абсцизовой кислотой. Все эти группы белков характеризуются высокой гидрофильностью белковой молекулы. Во время обезвоживания клетки под действием водного стресса эти белки за счет свое высоко гидрофильности препятствуют потерей клеткой воды и стабилизируют клеточные белки. Впоследствии было обнаружено, что синтез этих белков усиливается и во время холодовой акклиматизации. Дегидрины при этом, по-видимому, препятствуют образованию льда в клетках и также стабилизируют клеточные белки.
Среди белков, накапливающихся в растениях в ответ на обезвоживающее воздействие или действие низких температур, наиболее интенсивно исследуются дегидрины семейства LEADII. Дегидрины состоят из различных типичных для белков данного вида доменов, соединяющихся в несколько наиболее распространенных вариантов полипептидов, а также многочисленных редко встречающихся вариаций. Эти домены включают в себя один или более небольших регионов альфаспиралей амфипатичных остатков, остатки серина и N-терминальную последовательность. До сих пор неизвестны все биохимические функции дегидринов, но значительное число исследований, посвященных выяснению локализации дегидринов в клетке при помощи клеточного фракционирования и иммунолокализации, установили, что дегидрины могут локализоваться и в ядре, и в цитоплазме. Более того, полученные данные показывают, что этот класс белков ассоциируется с макромолекулами нуклеопротеинового комплекса в ядре и с мембранами цитоплазмы. В настоящий момент считают, что дегидрины являются факторами, предотвращающими коагуляцию ряда макромолекул, сохраняя их структурное единство во время стрессового воздействия.
При исследовании отвечающих на охлаждение дегидринов ежевики было установлено, что обработка низкими закаливающими температурами вызывает холодовую акклиматизацию растений, а также накопление трех дегидриноподобных белков с молекулярными массами 65, 60 и 14 кДа. Денситометрия гелей показала тесную взаимосвязь между содержанием дегидринов и степенью холодовой закалки всех трех исследованных сортов ежевики. Авторы делают вывод, что изменения в экспрессии дегидринов более тесно связаны с холодовым закаливанием, чем с состоянием покоя растения.
Улучшенное восстановление промороженных меристем и каллусов смородины было получено после 2 часов предварительно обработки в сахарозе, пролине, RAB– белках, или бычьем сывороточном альбумине. Двухчасовое погружение в 0.4 MRIB-SM до промораживания существенно улучшило отрастание меристемы по сравнению с 0, 1, 3 и 4 часовым погружением. Двухчасовое погружение меристем в 5 и 10% пролин, растворенный в 0.4 MRIB-SM, значительно улучшило отрастание после промораживания. Первичны тест с экстрактами сырого RABP из семян пшеницы показал, что отрастание промороженных апикальных меристем смородины улучшается после 2 часов предварительно обработки погружением с максимумом выживания в 1% RABP. RABP препараты, содержащие эквивалентные белки, имели аналогичное действие на отрастание, что указывает на то, что эффект зависел от присутствия белков, а не сахаров и других углеводов в сырых экстрактах RABP. Аналогичные результаты показывают меристемы и каллусы, предварительно обработанные 5 или 10% пролином, 1% раствором RABP или 1% БСА в 0.4 M растворе сахарозы. Предварительно обработанные меристемы продолжили прирост через 3 дня после согревания и достигли максимума отрастания через 1 неделю, по сравнению с 2 неделями для предварительно необработанного контроля.
При исследовании действия короткого дня на Betulapubescensбыло установлено, что в дополнении к различным конститутивной синтезируемым дегидринам на коротком дне обнаруживались два специфических полипептида с молекулярными массами 34 и 36 кДа.
Из библиотеки кДНК, полученной из корней всходов проростков Triticumdurum, подвергнутых водному стрессу, были охарактеризованы четыре клона дегидринов. Два из них, ptd27e и ptd16, кодируют белки с классическими характеристиками дегидринов, т.е. консенсусным мотивом KIKEKLPG, который присутствует за пределами последовательности сериновых остатков у карбоксильного конца. Белки, кодируемые Tddhn15 и Tddhn16, имеют сходство с последовательностями белков Triticumaestivum. Клоны ptd25a и ptd38 кодируют дегидрины, которые не имеют последовательности сериновых остатков и обладают сходством последовательности с Cor – белками T. aestivum. Чтобы скоррелировать устойчивость T. durumк засухе с экспрессией генов дегидринов, для четырех сортов было проведено сравнение накопления транскриптов дегидринов в корнях и побегах всходов в ответ на водный стресс и экзогенную абсцизовую кислоту. Исследование действия водного стресса во времени показало, что накопление транскриптов дегидринов запаздывает в засухоустойчивых сортах. При этом уровень аккумулированных транскриптов был более высоким в засухоустойчивых, чем в засухочувствительных сортах. Аналогичные результаты был отмечены после обработки экзогенно абсцизовой кислотой.
Роль такого гормона, как абсцизовая кислота в устойчивости растений к низким температурам изучалась у Arabidopsisпутем использования мутантов, у которых был изменен либо биосинтез, либо режим де ствия данного гормона. Различные мутанты использовались для анализа роли ABA в развитии и прорастании семени и устойчивости к стрессу. Мутанты были выделены премущественной по измененным характеристикам прорастания и роста проростков. Ген зеаксантинэпоксидазы, кодируемы геном aba1, клонировался по гомологии с геном Nicotianaplumbaginifolia, блокированным на то же биосинтетической ступени. При этом были выявлены биохимические повреждения мутантов aba1, aba2 и aba3. ABA-нечувствительные мутанты также имеют фенотип, на который влияют различные ABA-зависимые процессы и, таким образом, позволяют предполагать, что они либо кодируют ранние ступени в передаче сигнала ABA, либо они влияют на специфические ступени. Гены abi1 и abi2 кодируют фермент протеинфосфатазу 2c и ген abi3 кодирует фактор транскрипции со специфической экспрессией в семенах. Гиперчувствительный к абсцизовой кислоте мутант era1 имеет нарушение в фарнезилтрансферазе.
В два раза было улучшено восстановление криоконсервированных invitroконцов побегов березы повисло при помощи включения абсцизовой кислоты в культуральную среду во время холодового закаливания материнских побегов. Уровень восстановления концов побегов после холодового закаливания в течение 28 дне при +5 0C в 8/16 часовом фотопериоде на среде, содержавше 10 -4M абсцизово кислоты был более 40%. Абсцизовая кислота была эффективно только в сочетании с низко температурой и коротко длиной дня, хотя в ходе экспериментов и были отмечены большие генотипические различия. Абсцизовая кислота имела два различных варианта влияния: усиление холодовой закаленности и усиление формирования каллуса во время регенерации криоконсервированных концов побегов.
Белки, препятствующие льдообразованию
Одной из функций белков, синтезирующихся в растениях при гипотермии, в частности, при действии отрицательных температур, является препятствование процессу льдообразования. Хотя, как было отмечено выше, в основном снижение температуры начала льдообразования происходит за счет накопления в растительной клетке сахаров в результате усиления синтеза и повышения активности соответствующих ферментов, в растительных клетках при гипотермии происходит также и синтез специфических белков, непосредственно влияющих на температуру начала льдообразования и рост ледяных кристаллов.