Автореферат: Лектины как активные компоненты адаптивных реакций озимой пшеницы к неблагоприятным условиям среды

Обычно изучается участие растительных лектинов в защитных реакциях на инфицирование грибами и бактериями, которые содержат клеточные стенки. Наш интерес к микоплазмам, самым малым прокариотическим организмам, связан, с одной стороны, с уникальностью их структурной организации (отсутствием клеточной стенки), а с другой - распространенностью фитомикоплазмозов.

Как следует из рис. 4 изменения лектиновой активности клеточной стенки в процессе инфицирования микоплазмами были аналогичны тем, что наблюдались в процессе низкотемпературного закаливания. При совместном действии микоплазм и низких положительных температур обнаружено значительное увеличение активности на 2-е сутки.

Активность растворимых лектинов увеличивалась на 2-е сутки после заражения микоплазмами, после чего наблюдалось ее снижение (рис. 4А). При совместном влиянии инфицирования и низких температур на активность растворимых лектинов наблюдали два пика активности: быстрый (2 сутки), характерный для патогенеза, и медленный (5 сутки), присущий закаливанию (рис. 4А). При этом следует отметить, что закаливание значительно усиливало стимулирующее действие микоплазм на активность растворимых лектинов (первый пик), тогда как инфицирование не оказало существенного влияния на изменения активности лектинов, вызываемых гипотермией (второй пик).

Рис. 4. Динамика активности растворимых лектинов (А) и лектинов клеточной стенки (Б) при инфицировании микоплазмами, низкотемпературном закаливании и совместном действии закаливания и инфицирования.

Электрофоретическое разделение белков в ПААГ (рис. 5) позволило обнаружить в инфицированных микоплазмами растениях пшеницы увеличение содержания полипептидов 76, 48, 25, 18 кД, появление полипептидов 22, 20 кД и исчезновение полипептида 14 кД.

Исходя из данных литературы полипептид 18 кД является лектином АЗП. Таким образом, инфицирование растений пшеницы микоплазмами приводило к изменению спектра синтезируемых белков - набора полипептидов и их соотношения.

Рис. 5. Влияние микоплазменной инфекции на полипептидный состав фракции кислоторастворимых белков проросков пшеницы Мироновская 808:

1 - белки-маркеры, 2 - контроль, 3 - инъекция микоплазмами, 4 - инъекция культуральной средой.

Повышение активности лектинов в ответ на инфицирование микоплазмами можно рассматривать как защитный механизм растения, степень реализации которого увеличивается в условиях низкотемпературного закаливания. Вполне вероятно, что стимуляция низкой температурой активности лектинов может привести к запуску механизмов формирования устойчивости к микоплазменной инфекции, или изменения в активности лектинов являются одним из конечных результатов функционирования механизмов устойчивости - в любом случае лектины вовлекаются в формирование устойчивости к стрессорам.

Роль гормонов и их структурных аналогов в регуляции активности лектинов. Действие АБК и картолина на активность лектинов. Как известно, большая роль в координации процессов жизнедеятельности клетки в неблагоприятных условиях принадлежит веществам гормонального типа. В настоящее время не подвергается сомнению тот факт, что АБК выполняет в клетках растений роль триггерного сигнала, способствующего формированию механизмов адаптации к низким температурам через изменение экспрессии генов и синтез новых белков (Song et al., 2008).

Факт регуляции абсцизовой кислотой синтеза и накопления растворимого лектина АЗП хорошо известен (Mansfield, Raikhel, 1990). Было показано, что в ответ на солевой и тепловой стрессоры в клетках растений происходит многократное повышение уровня АБК и лектина (Шакирова, 1995, 1998), причем накопление АБК предшествовало накоплению лектина.

В наших экспериментах АБК, добавляемая в среду выращивания растений, повышала активность лектинов в корнях проростков (рис. 6). Наибольшее увеличение активности как растворимых лектинов, так и лектинов клеточной стенки наблюдалось у менее морозоустойчивого сорта Безостая 1, а наименьшее - у наиболее морозостойкого сорта Альбидум 114 .

Принимая во внимание данные литературы, можно полагать, что повышение активности растворимых лектинов связано с увеличением содержания этого белка. Быстрая регуляция синтеза лектина этим фитогормоном может быть связана с активацией пула запасных форм лектиновых мРНК и изменением скорости посттрансляционных процессов (Шакирова и др., 2000). С течением времени пул лектинов может пополняться и за счет изменения скорости транскрипции мРНК лектинов или её процессинга (Raikhel et al., 1986).

Можно также предположить участие АБК и в биосинтезе лектинов клеточной стенки. Значительное увеличение активности лектинов у менее морозостойких сортов при добавлении экзогенной АБК может быть объяснено недостатком АБК в этих растениях, а изначально высокая активность растворимых лектинов у этих сортов (рис. 1), по-видимому, является компенсаторным механизмом.

На фоне закаливающей температуры АБК практически не оказала влияния на активность лектинов клеточной стенки и незначительно повысила активность растворимых лектинов у Мироновской 808 и Альбидум 114, по сравнению с её действием без закаливания (рис. 6).

Увеличение уровня АБК в первый период действия стрессоров приводит к снижению активности метаболических процессов в клетках и индукции синтеза стрессовых белков. На фоне общей тенденции подавления синтеза "обычных" белков при действии неблагоприятных факторов может происходить усиление синтеза отдельных белков, присущих клетке в нормальных для нее условиях, и, вероятно, участвующих в формировании защитных реакций растений к стрессорам. К таким белкам, очевидно, можно отнести лектины.

Рис.6. Влияние АБК и картолина на активность растворимых лектинов (РЛ) и лектинов клеточной стенки (ЛКС) в корнях незакаленных (А) и закаленных (Б) проростков трех сортов озимой пшеницы: 1-контроль, 2 - АБК, 3 - картолин.

В спектре действия цитокининов и их структурных аналогов, а также соединений цитокининового типа действия присутствует защитный эффект по отношению к неблагоприятным факторам окружающей среды. Так, обнаружено антистрессовое влияние цитокининов при действии на растения засухи, низких температур, засоления, возбудителей болезней (Кулаева, 1973; Poupet et al., 1990; Зауралов и др., 1997; Пустовойтова и др., 1997).

Для оценки действия веществ цитокининового типа на активность лектинов нами был использован картолин. Препарат картолин, синтезированный на основе отдаленных структурных аналогов цитокининов пуринового ряда и дифенилмочевины Ю.А. Баскаковым с сотр. (1988), обладает некоторыми цитокининовыми свойствами: увеличивает количество рибосом в составе полисом, оказывает криопротекторное действие на белоксинтезирующий аппарат при засухе, высоких и низких температурах, грибном патогенезе, а также повышает устойчивость растений к действию стрессоров различной природы.

Выращивание растений на среде с картолином приводило к усилению активности лектинов клеточной стенки в корнях незакаленных растений трех сортов озимой пшеницы (рис. 6). Наибольший эффект картолина наблюдался у маломорозоустойчивого сорта Безостая 1, наименьший - у высокоморозоустойчивого сорта Альбидум 114, что может быть следствием повышенной отзывчивости менее морозоустойчивого сорта на данный препарат.

Следует отметить, что после 7-суточного закаливания картолин уменьшал активность лектинов в растениях сорта Безостая 1 и практически не оказал влияния на лектины клеточной стенки у Мироновской 808 и Альбидум 114 (рис. 6). Мы показали, что у более морозоустойчивого сорта Альбидум 114 наблюдается большая активность лектинов у незакаленных растений. По-видимому, стимулирующее действие картолина на активность связанных с клеточной стенкой лектинов клеточной стенки у незакаленных растений необходимо для последующего усиления адаптационных процессов в клетке.

Добавление картолина в среду выращивания растений всех трех сортов озимой пшеницы приводило к повышению активности растворимых лектинов у незакаленных растений, наиболее выраженное у морозоустойчивого сорта Альбидум 114. После 7-суточного закаливания (рис. 6) активность лектинов увеличивалась в большей степени, чем в варианте без закаливания. Наибольший эффект картолина на активность лектинов наблюдали у слабоморозоустойчивого сорта Безостая 1, наименьший - у высокоморозоустойчивого сорта Альбидум 114.

Вероятно, механизм действия картолина, направленный на поддержание активного состояния белоксинтезирующего аппарата, является ключевым в проявлении его защитного эффекта на растения при действии неблагоприятных условий окружающей среды.

В то же время защитный эффект картолина может проявляться и через изменение гормонального баланса растений. Основываясь на способности картолина вызывать накопление АБК в растениях (Ефремов и др., 1992), можно предположить, этот препарат, включаясь в механизмы регуляции синтеза стрессовых белков через повышение уровня эндогенной АБК, вызывает увеличение активности лектинов.

Влияние салициловой кислоты на активность лектинов пшеницы при инфицировании микоплазмами. В формировании иммунитета растений к патогенам также важную роль играют стрессовые фитогормоны, в частности, салициловая кислота, которую в последнее время относят к веществам гормонального типа. Считается, что экзогенная салициловая кислота, активируя ряд сигнальных систем, вызывает экспрессию генов, образование защитных белков и формирование системной приобретенной устойчивости (Gaffiney et al., 1993; Jung et al., 1993; Тарчевский и др., 1996). В формировании ответных реакций, например, при грибном патогенезе, участвует и лектин пшеницы (Chrispeels, Raikhel, 1991; Хайруллин и др., 2001).

Рис. 7. Влияние салициловой кислоты (СК) и инфицирования микоплазмами на активность растворимых лектинов (А) и лектинов клеточной стенки (Б) в корнях проростков озимой пшеницы.

Салициловая кислота при инфицировании практически снимает индуцируемые микоплазмами изменения в активности растворимых лектинов (рис. 7А).

Такой же эффект салициловой кислоты в инфицированных растениях наблюдался и на лектины клеточной стенки (рис. 7Б). Можно полагать, что такое действие салициловой кислоты на активность лектинов после заражения растений связано с тем, что салициловая кислота ускоряет прохождение фазы повреждения и наступление фазы адаптации. Также нельзя исключать и возможное влияние салициловой кислоты непосредственно на микоплазмы. Известно, что салициловая кислота частично подавляет рост ряда микроорганизмов (Lev et al., 2008).

Влияние салициловой кислоты на активность лектинов и морозоустойчивость озимой пшеницы

Существует предположение, что обработка салициловой кислотой способствует предадаптации растений к стрессовым воздействиям. В частности, было показано, что предобработка проростков пшеницы салицилатом снижала повреждающее действие NaCl на их рост и ускоряла репарацию ростовых процессов в них после удаления соли из среды (Шакирова, 1999).

Для выяснения возможности повышения морозоустойчивости пшеницы под влиянием салициловой кислоты мы определяли LT50 листьев (табл. 2). Наиболее значительное повышение морозоустойчивости под действием салициловой кислоты наблюдалось у незакаленных проростков в концентрации 10-3 М. Следует отметить, что при этой концентрации происходило достоверное увеличение активности лектинов клеточной стенки у незакаленных растений. Эти результаты еще раз свидетельствуют в пользу предположения о том, что более высокий уровень активности лектинов клеточной стенки соответствует и большей морозоустойчивости растений.

Таблица 2. Влияние салициловой кислоты на активность лектинов и морозоустойчивость проростков озимой пшеницы Мироновская 808

Известно, что обработка растений многими химическими средствами защиты приводит к накоплению АБК в отсутствии стрессового воздействия (Джемилев и др., 1990). Салициловая кислота также способна индуцировать повышение уровня АБК (Шакирова, Безрукова, 1997), увеличение содержания которой вызывает возрастание активности лектинов пшеницы и морозоустойчивости растений. Возможно, влияние салицилата на морозоустойчивость растений, опосредованное действием АБК, можно рассматривать как проявление слабого химического стресса, предадаптирующего растение к действию других стрессоров.

Как правило, первичным ответом клетки на действие различных биогенных и абиогенных стрессоров, является активация различных сигнальных систем. В то же время, эти стрессоры вызывают достаточно быстрое и интенсивное накопление стрессовых фитогормонов, которые также могут вызывать активацию или ингибирование тех или иных сигнальных систем клеток и осложнять картину «чистого» первичного ответа со стороны сигнальных систем на действие того или иного стрессора. Поскольку и стрессоры (низкая температура, микоплазменая инфекция), и фитогромоны (АБК, салицилат, структурный аналог цитокининов - картолин) в наших экспериментах вызывали повышение активности лектинов, то вполне вероятно, что это может быть обусловлено функционированием сигнальных систем клеток.