Введение к работе
Актуальность проблемы: Семена растений в период прорастания часто оказываются в неблагоприятных внешних условиях и испытывают действие различных экологических стрессов, которые негативно влияют на их всхожесть и энергию прорастания, а также на рост, развитие и продуктивность растений. Одним из наиболее важных факторов внешней среды, регулирующих процессы жизнедеятельности на всех стадиях развития растения, является температура. Семена, находящиеся в состоянии вынужденного покоя, обычно способны прорастать в широком диапазоне температур. Однако, постоянная температура набухания вблизи 40С для семян многих видов растений оказывается критической и затрудняет прорастание (Thompson, 1978; Bewley, Black, 1984). Действие длительного теплового стресса на метаболизм прорастающих семян исследовано пока мало и преимущественно на семенах однодольных растений, адаптированных к условиям жаркого климата. Молекулярные механизмы негативного действия повышенной температуры на прорастание и причины неспособности клеток оси перейти к росту растяжением при высокотемпературном набухании пока остаются неясными и требуют дальнейших исследований.
В то же время известно, что кратковременное повышение температуры на 8-10С выше оптимальной температуры роста вызывает в растительных клетках, как и в клетках животных и микроорганизмов, быстрые временные и обратимые изменения в экспрессии генов, приводящие к индукции синтеза специфической группы полипептидов - белков теплового шока (БТШ) и ослаблению или прекращению синтеза нормальных клеточных белков (Key ct al., 1985, Nagao et al., 1986). Универсальность и консерватизм ответа на тепловой шок свидетельствуют о его важной роли в физиологии клетки. Имеется много данных о наличии положительной корреляции между синтезом БТШ и проявлением термальной устойчивости или термотолсрантности у растений. Предполагается, что накопление БТШ в клетке является существенным фактором защиты от тепловых повреждений (Kimpel, Key, 1985а; Lindquist, 1986; Nagao et al., 1986).
Из общих представлений о характере клеточного ответа на кратковременный тепловой стресс следует, что в набухающих семенах в случае действия повышенных температур синтез нормальных клеточных белков и их мРНК должны быть временно замещены синтезом БТШ и их мРНК. Но такая ориентация клеточной активности входит в противоречие с метаботиче-скими задачами, выдвигаемыми программой прорастания, которая предусматривает максимальное развитие белок-с/штезирующей активности, синтез всех типов РНК, восстановление нативной структуры клеточных мембран и формирование функционально-активных митохондрий. Очевидно, что набухающие семена оказываются в сложной ситуации при действии повышенных температур: с одной стороны, они должны защитить себя от неблагоприятного действия теплового стресса и инициировать для это'о синтез
БТШ, а с другой стороны, решить проблему собственно прорастания, т.е. перейти к реализации новой генетической программы и обеспечить синтез необходимых для этого клеточных белков и их мРНК. Изучение ответа на тепловой стресс в период прорастания семян представляет общебиологический интерес, так как способствует раскрытию регуляторных механизмов экспрессии генов, пониманию биохимических основ прорастания и молекулярных механизмов адаптации и устойчивости клеток к повреждающим воздействиям внешней среды.
Несмотря на определенные успехи в этой области, многие вопросы пока остаются нерешенными. Открытым остается вопрос о способности зародыша поддерживать необходимый для прорастания уровень белкового синтеза и осуществлять само прорастание при действии короткого и длительного теплового стресса, о характере взаимосвязи между термоустойчивостыо семян в период прорастания и их способностью индуцировать ответ на ТШ, а также между качеством семян и силой их ответа на ТШ при прорастании. Неизвестны молекулярные механизмы негативного действия длительного теплового стресса на процесс прорастания. Мало изучены в этом отношении семена бобовых растений. В связи с этим представляло интерес исследовать действие теплового стресса на процесс прорастания семян бобовых растений и на ключевые метаболические события, участвующие в его подготовке, на такие как мобилизация запасных отложений в осевых органах и на синтез белка in vivo.
Цель и задачи исследования: Целью данной работы была физиолого-биохимнческая характеристика ответа семян гороха Pisum sativum L. на кратковременный и продолжительный (хронический) тепловой стресс на начальных стадиях прорастания, в период. подготовки зародыша к возобновлению ростовой активности. Были поставлены следующие конкретные задачи: 1) исследовать действие короткого и длительного теплового стресса на процесс прорастания; 2) изучить влияние короткого и длительного теплового стресса на мобилизацию запасных отложений в осевых органах зародыша; 3) оценить действие короткого и длительного теплового стресса на уровень трансляции in vivo в зародышевых осях; 4) исследовать влияние короткого и длительного теплового стресса на картину синтезируемых in vivo нолинсптидои в зародышевых осях.
Научная новизна и практическое значение работы: В результате проведенного исследования впервые охарактеризовано действие кратковременного и хронического теплового стресса на процесс прорастания семян гороха, на мобилизацию белковых отложений в осевых органах зародыша и на синтез белка in vivo. Выявлена значительная термочувствительное осевых органов зародыша к хроническому действию теплового стресса. Физиологическим отпетом на непрерывное действие повышенных температур (36-40С) является ироітісссивпос угнетение процесса прорастания. Присутствие семенной кожуры повышает термочувствительное осевых органов зародыша Кратковременный ТШ (2-4 ч, 40"С) на тех стадиях прорастания'хорошо
переносится зародышем и не влияет на его прорастание. Установлено, что ранний нротсолиз в осях не зависит от присутствия семенной кожуры и семядолей и полностью подавляется при высокотемпературном (40^0) набухании. Термочувствителыюсть процесса мобилизации собственных запасных отложений в осях может быть одной из причин негативного действия повышенных температур на прорастание семян. Обнаружено стимулирующее действие ТШ па начальный синтез белка. Клетки осевых органов отвечают из короткий ТШ синтезом полного набора БТШ с первых часов набухания за счет трансляции нреформированных мРНК н новосинтезиропанных мРНК. Большинство "нормальных" мРНК не имеют, трансляционных ограничений при ТШ, и на всех стадиях прорастания синтез БТШ сопровождается активным синтезом основной массы полипептидов, продуцируемых осями при нормальны" температурные условиях. Эта особенность ответа на ТШ может способствовать адаптации метаболизма зародыша к неблагоприятным внешним условиям, повышать его термоустойчивость и обеспечивать завершение прорастания. При хроническом высокотемпературном стрессе' клетки осевых органов не способны осуществить саморегулируемое превращение индукции БТШ и возвратиться к нормальной картине экспрессия генов, обеспечивающей прорастание. Общий уровень синтеза белка при этом не является критическим для прорастания. В результате проверенной работы получены новые данные о ключевых процессах метаболизма, участвующих в подготовке прорастания, и действии теплового стресса на эти процессы.
Апробация работы: Основные результаты работы были доложены на III съезде Всероссийского Общества Физиологов Растений (г.Санкт-Петербург, 1993), на конкурсе на лучшую научную работу 1995 года (3-ья премия).
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введе
ния, обзора литературы, экспериментальной час"!, заключения, выводов и
списка цитированной литературы. Работа изложена на стр. машино
писного текста, иллюстрирована рисунками и таблицами. Список