Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение процессов, обеспечивающих подготовку семян к прорастанию всегда пршлекало пристальнее внимание исследователей. При этом особенности метаболизма семени, позволяющие ему завершить созревание, перейти к поною, прорасти при благоприятных условиях и развиться во взрослое растение, остаются все еще мало изученными.
Подготовка семени к прорастанию происходит в ходе эмбриогенеза и высыхания семени. Частью этого сложного процесса является синтез запасных белков ' и запасание преформированнше мРНК, которые, по-видимому, играют важную роль в реактивации трансляции при набухании семени. Роль этих белков и мРНК в прорастании трактуется неоднозначно. Недостаточно ясно их участие в подготовке ростовых процессов.
В органах зародышевой оси прорастающего семени ростовые процессы отличаются по характеру и по времени реактивации. Клетки гипокотиля начинают растягиваться при достижении необходимой степени оводненности [Обручева, 1990]. Растяжение гипокотиля обеспечивает разрыв семенной кожуры и вынос корня на поверхность. 1<1итотическая активность клеток корня возобновляется после наклевывания семени. А пролиферация и растяжение клеток зародышевого листа начинаются через определенный период после начала митозов в корне [Ситник и др., 1077; Обручева, 19823. Столь разительные различия в ростовых процессах зародышевых органов Позволяют ожидать определенной органоспешіфлчности экспрессии генома. Исходя из представления о семени, как о целостном организме, отдельные части которого подчинены общим закономерностям развития, важно понять соотношение общего в метаболизме семени и специфики развития каждого органа. В этом отношении весьма информативным является изучение сіштеза РНК и белка как ключевого звена в метаболизме организма.
При переходе семян от созревания к прорастанию должны происходить значительные изменения в экспрессии генома. Экспрессия генов, обеспечивающих синтез запасних веществ, должна снижаться, а синтез ферментов, участвующих в мобилизашш запасных еєщєстб, и синтез белков, необходимых для роста зародыша, должен увеличиваться. Решение этих вопросов актуально для понимания Молекулярных механизмов, обеспечивающих высокое качество семян, так
как энергия прорастания коррелирует с активностью белоксштезиругащей системы в начальный период прорастания [Решала et ai., 1979; Bray, Smith, 19851.
Существуют многочисленные свидетельства в пользу того, что эти процессы могут регулироваться на уровне фитогормонов и их рецепторов. Значительную роль отводят абошзоЕой кислоте (АБК), так как динамика ее содержания в тканях семени тесно коррелирует с ходом развития и с определенными изменениями в генной экспрессии, Б частности, синтезом запасних белков и, возможно, синтезом преформированных мРНК и их маскированием [Dure, Harris, 1977]. Механизм регулирующего действия АБК пока еще мало понятен. Экзогенная АБК подавляет прорастание семян. Таким же эффектом обладает и предполагаемый регулятор роста растений - жасмоновая кислота (ЖК) [Далецкая, Зембднер, 1S89], действие которой на белоксіштєзирующую систему семян практически не изучено. В этой связи для выяснения механизмов действия этих веществ весьма интересно их сравнительное изучение. Актуальность таких исследований усиливается поиском природных веществ, способных регулировать процессы созревания и прорастания семян.
Дели и, задачи исследования. Основной целью данной работы было изучение особенностей функционирования белоксинтезирующей системы осевых органов семени фасоли в связи с прекращением ростовых процессов и переходом к покою при созревании, а также с выходом из покоя и реактивацией ростовой активности в период прорастания. В соответствии с этим были поставлены следующие задачи.
-
Определить изменение активности белоксинтезирующей системы и набора синтезируемых полипептидов зародышевой оси созревающего семени при переходе от активного роста к покою.
-
Оценить вклад преформированных и новосинтезированных мРНК в трансляцию на каждой стадии прорастания, охарактеризовать кодируемые ими полипептиды.
-
Сравнить изменение трансляционной активности и набора синтезируемых полипептидов в осевых органах, характеризующихся различным типом и временем реактивации роста в ходе прорастания семени.
-
Оценить роль оводненности клеток в переключении экспрессии генома при прорастании.
5. Исследовать в модельной системе АБК- п ЖК-зависимне
процессы б характере генной экспрессии семени.
Научная новизна работы.
Установлено, что снижение активности белоксинтезирующей системы зародышевой оси семени фасоли при завершении созревания сопровождается уменьшением продуктивности суммарной РНК в бесклеточной системе трансляции, а также качественными изменениями в наборе транслируемых мРНК в направлении снижения интенсивности синтеза полппептидсв с pi 5,85-6,85 и активацией синтеза полипептидов с pl>7, преобладающих в зародыше зрелого сухого семени. Определено, что преформированнне мРНК являются основными транслируемыми мРНК в зародышевой оси в фазу набухания, а мРНК, синтезированные de novo в этот период, идентичны ^реформированным. Осевые органы обладают набором преформированннх мРНК, обеспечивающих синтез аналогичных полипептидов. В лаг-фазу ведущая роль в синтезе белка переходит к новосинтезированным мРНК. Начинают синтезироваться белки о pi 5,85-6,85, которые становятся доминирующими в Фазу растяжения. Однозначно показано, что в органах с различной ростовой активностью картіша бежового синтеза имеет сходный характер и изменяется синхронно в ходе прорастания семени.
Установлено, что низкий уровень оводненности клеток зародышевой оси, поддерживаемый искусственно, препятствуя инициации растяжения клеток гипокатиля, сохраняет синтез белков, характерных для Фазы набухания, на транскрипционном уровне.
Впервые показано, что действие' екзогенних АБК и JKK на активность белоксинтезирующей системы зародышевой оси вызывает эффекты различной направленности и степени выраженности в зависимости от этапа развития семени и носит органоспешіфігчннй характер. При совместном их действии соблюдается принцип аддитивности по отношению к набору синтезируемых белков. Определены эффекты экзогенных АБК и ЖК в отношении состава белков, синтезируемых в осевых органах на различных этапах жизни семени. Впервые определено, что экзогенная ЖК активирует сіштез белков, характерный для растущих тканей. Сіштез белков, индуцируемых экзогенной АБК, коррелирует с подавлением инициации растяжения клеток гнпокотиля даже при наличии белкового синтеза, поддерживаемого экзогенной ЖК. Подавление прорастания семени фасоли в присутствии ЖК связано с резким подавлением интенсивности транскрипции и трансляции. Установлено влияние экзогенной ЖК на .синтез различных классов РНК.
Полученные результата расширяют знания об изменениях в синтезе
белка осевых органов семени на ключевых етапах развития и о возможности регулящш таких изменений водным статусом и экзогенной обработкой АБК и ЖК, а также обогащают представление о влиянии природных- регуляторов роста - АБК и ЖК - на экспрессию генома семян.
Апробация работы состоялась на заседании отдела физиологии растений Института ботаники им. Н. Г. Холодного АН Украины и на заседании научно-методического семинара отдела физиологии роста и развития Института физиологии растений и генетики АН Украины. Материалы диссертащш доложены на конференции молодых ученых и исследователей Института ботаники им. Н. Г. Холодного АН Украины (Канев, 1939), на II Всесоюзном съезде физиологов растений (Мішок, 1990), на Всесоюзном рабочем совещании по программе 'Тегуляторы роста и развития растений" (Москва, 1991), на 14-й Международной конференции по регуляторам роста растений (Амстердам, 1991).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов, изложения полученных результатов и их обсуждения, выводов и списка цитируемой литературы. Материалы диссертации изложены на 155 страницах машинописного текста, содержат 3 таблицы и 24 рисунка, Библиография включает 252 наименования, из них 195 на иностранных языках.
