Введение к работе
Актуальность проблемы. Адаптация к постоянно меняющимся условиям внешней среды является важнейшим отличительным свойством всех живых организмов. Любое отклонение от оптимальных условий приводит к глубоким изменениям в протекании многих фнзиолого-биохимическнх процессов, обратимость которых зависит как от глубины и продолжительности стрессового воздействия, так и от индишщуалышх особенностей организма.
Ухудшающаяся экологическая обстановка вследствии загрязнения окружающей среды, дефицита влага, засоления лочв и т.д. делает проблему адаптации одной из самых актуальных как с теоретической, так \\ с практической точек зрения, так как существует взаимосвязь между потенциальной продуктивностью и приспособительными возможностями растений. Сложившаяся неблагоприятная обстановка диктует необходимость создания новых сортов, способных без существенного ущерба переносить экстремальные условия среды, а также разработки технологии выращивания, снижающих ик негативное воздействие. Целенаправленные работы в этом направлении невозможно проводить без знания молекулярных я фнзиолого-биохимическнх механизмов адаптационного процесса.
В настоящее время установлено, что адаптивные перестройки контролируются геномом клетки путем репрессии и дерепреесші отдельных генов, в результате чего происходят изменения в транскрнпционно-трансляционной активности, количественном содержанки и качественном составе мРНК и белков.
Большие >епехи в иследованиях молекулярных механизмов адаптационных процессов были достигнуты благодаря открытию белков теплового ыока (Б'(Ш), синтез которых индуцируется в условиях экстремально высоких температур (Ashburner, 1970, TissiertSs et al., 1974). Впоследствии было показано, чіп образование стрессовых белков в ответ на неблагоприятное воздействие предсивчкет собой универсальный адаптивный ответ, характерный для всего многообразия жнмяо от бактерий до человека (Altschuler, Mascarenhas, 19Я2).
Хотя проведенные в последние годи исследования свидетельствуют о существовании связи устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды с синтезом белков, в настоящее і'ргмя нет определенного мнения о мехами ».ш реализации такой связи. Наряду.с тем, чш выяачены конкретные функции
ОТДеЛЬНЫХ СТреССОВЦХ беЛКОВ, Следует ОТМСТИТЬ, ЧТО П боЛЬШИНСГВе pilfKM,
касающихся изменений в синтезе белков, показана корреляция этих процессов и очень маю известно о нецосредстегшюм участии сірессошх белкон * ад;нн;шии растений. В то же р-ремя более стабильный и высокий уронен», ііелоксшпезирукішен. активности у устойчнш-к растений по сравнению с неустойчивы*!;!, специфические особенности индуцирования сірссспиід
белков у контрастных форм дают основание предполагать о тесной взаимосвязи синтеза белков с формированием устойчивости. Об этом свидетельствуют многочисленные работы с применением различных ингибиторов транскрипции и трансляции. Однако конкретные биохимические механизмы участия большинства образующихся стрессовых белков неизвестны.
К настоящему времени показано, что стрессовые белки образуются в ответ на многие неблагоприятные воздействия - низкие температуры, тепловой и осмотический шок, засуху и т.д. Установлены некоторые закономерности их образования - триггерный характер, транзитность, зависимость от величины и длительности воздействия, кинетика и локализация.
Хлопчатник в этом отношении изучен в значительно меньшей степени. Лишь в последние годы в литературе появились разрозненные и фрагментарные работы, посвященные этой проблеме (Burke et al. 1985, Кузнецов и др. 1990, Farhadi, Aliev, 1990). В этой-связи проведение исследований реакции генома хлопчатника на такие стрессовые воздействия как низкие положительные температуры, засуху и тепловой шок, индукции синтеза специфических белков в этих условиях могли бы способствовать пониманию биохимических и молекулярно-биологических механизмов устойчивости. С другой стороны, исследования синтеза стрессовых белков представляют теоритический интерес, так как такие индуцибельные системы представляют собой удобную модель для выяснения регуляторних механизмов дифференциальной активности генома.
Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования явилось изучение влияния экстремальных температурных воздействий (низкие положительные температуры, тепловой шок) и дефицита влаги на синтез белков различных органов хлопчатника, а также особенностей протекания этого процесса у отдельных представителей видов хлопчатника, приспособленных к разным экологическим условиям произрастания.
Исходя из этого ставились следующие задачи:
-изучение влияния пониженных температур на некоторые физиологические процессы 2-х дневных проростков хлопчатника;
-изучение влияния температурных стрессов на белоксинтезирующую активность и компонентный состав белков хлопчатника 2-х дневных проростков, семядольных листьев и созревающих семян;
-идентификация стрессовых белков, синтезирующихся в экстремальных і«і!іературішх условиях, выяснение кинетики и локализации нх синтеза;
-выявление особенностей синтеза белков теплового шока у различных по \і ііійчивосги сортов хлопчатника;
-определение влияние дефицита влаги на биосинтез белков в различные триоды онтоіенеза в естественных и моделируемых условиях засухи;-
изучение некоторых биохимических процессов в созревающих семенах хчончнгшиса в норме и в иеблагоприяшмх условиях среды.
Научная новизна. Проведено комплексное исследование штішння экстремальных температур и водного дефицита на синтез белков п различных органах хлопчатника. Показано, что интенсивность синтеза белков зависит or температуры, длительности неблагоприятного фактора, возраста и генотипа растения.
Впервые выявлены стрессовые белки хлопчатника, синтез которых индуцируется низкотемпературным воздействием. Обнаружены качественные различия в составе синтезирующихся белков двух изученных сортов хлопчатника (G.hirsutum и G.barbadense) в Холодовых условиях.
Показано, что низкие положительные температуры и тепловой шок индуцируют синтез различных стрессовых белков.
Установлено, что основные компоненты БТШ, синтезирующиеся в условиях теплового шока в прорастающих и созревающих семенах, 2-х дневных корешках и семядольных листьях, идентичны по молекулярной массе. Не обнаружена видоспецифичность в компонентном составе основных БТШ у 3 изученных видов хлопчатника.
С помощью ингибиторного анализа получены доказательства того, что синтез отдельных БТШ осуществляется в митохондриальнсй белоксинтезируюшей системе.
Выяатена временная зависимость синтеза индивидуальных компонентов БТШ, а также видовые разлігчия в кинетике синтеза отдельных БТШ при кратковременном воздействии теплового шока.
Основные положения, выносимые па защиту:
І.Ннзкие положительные температуры и тепловой шок оказывают ингибирующее влияние на биосинтез белка во всех изученных стадиях онтогенеза. Белоксинтезируюшая активность различных органов хлопчатника свидетельствует о большей толерантности представителей вида G. hirsutmn к холодовому воздействию к G.barbadense - к высокотемпературному стрессу.
2.0тветная реакция генома хлопчатника на низкие положительные температуры и тепловой шок выражается в индукции разных групп температурочувствительных генов и синтезе качественно различных стрессовых белков.
З.Отсутствле видо- и органоспецифичности в компонентном составе БТШ Локализация генов отдельных белков комплекса БТШ в. геноме митохонярніі и видоспецифичность в кинетике синтеза отдельных компонентов при кратковременном тепловом шоке.
4.Умеренный дефицит аіаги не оказывает существенного влияния на общий синтез белка созревающих семян и качественный состав синтезирующихся за пасных белков.
Иаучио-пракпыческая значимость работы. Полученные результаты раскрывают некоторые особенности ответных реакций хлопчатника двух вилов в неблагоприятных условиях среды на молекулярном уровне. Обнаруженные различия в интенсивности общего синтеза белков, составе стрессовых белков при низкотемпературном воздействии, кинетике синтеза отдельных компонентов БТШ при кратковременном тепловом шоке у различных видов хлопчатника имеют важное значение в понимании молекулярных механизмов адаптационного процесса, при разработке критериев устойчивости, а также поиске путей направленного повышения адаптивного потенциала хлопчатника.
Полученные результаты при выявлении белков, индукция синтеза которых осуществляется как на определенной стадии онтогенеза (синтез запасных белков), так и при воздействии экстремальных факторов среды (стрессовые белки), могут служить основой для идентификации, выделения и клонирования кодирующих их генов, изучения молекулярно-генетических механизмов регуляции генетической активности.
Работа выполнялась в лаборатории молекулярной генетики хлопчатника и лаборатории физиологии водообмена и засухоустойчивости хлопчатника НПО "Биолог" АН РУз, руководителям которых чл.-корр. АН РУз Ибрагимову А.П. и чл.-корр. УзЛСХН Самневу X. выражаю искреннюю благодарность за помощь и содействие при выполнении данной работы.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на II, III, IV, V конференциях биохимиков Средней Азии и Казахстана (Фрунзе, 1976, Душаябе, 19S1, Ашхабад 1986, Ташкент, 1991); на V съезде ВОГиС (Москва, 1987); II съезде ВОФР (Минск 1991); I съезде УзОФР (Ташкент 1991); Golden jubilee symposium (New Delhi, India, 1991);
Biochemical society congress, (Turkey, 1994), Frontiers in sexual plant reproduction research. International Association (1994, Austria, Vienna); на научной конференции "Внелогические основы оптимизации скороспелости и продуктивности растений" ( Ташкент, 1996 ).
Диссертация обсуждена и одобрена на заседании Ученого совета ИНЭБРАН РУз (протокол N> 8 от 20 июня 1995г.), на совместном заседании кафедр физиологии растений, биохимии И биофичики биолого-почвенного факультета ТашГУ, объединенном научном семинаре лабораторий химии хлопчатника, физико-химических методов исследования, химии ферментов, химии белков я пептидов 11ROX ни. Л.С. Садыкова АН РУз, совместном семинаре лабораторий
биохимии белка1, биохимии лнпидов и молекулярной биологии института биохимии АН РУз, заседании Ученого совета института генетики АН РУз.
Структура и объем диссертации. Диссертации)! изложена на 226 стр. машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, изложения полученных результатов И ИХ обсуждения, заключения, выводов и рекомендаций. Иллюстративный материал включает 36 рисунков и 19 таблиц. Список литературы содержит 370 источников.
