Введение к работе
Актуальность работы. Исследование современного состояния экосистемы озера Байкал и механизмов ее функционирования методами физико-химической и молекулярной биологии является весьма актуальным. Работа направлена на решение фундаментальной проблемы устойчивости растений к абиотическим стрессам в климатических условиях озера Байкал. Решение этой проблемы связано с пониманием основных молекулярных и физико-химических механизмов, реализуемых в растительных клетках при стресс-адаптации к абиотическим факторам, присущим климату озера Байкал.
Температура окружающей среды является важным фактором, определяющим географическое распространение растений и их продуктивность (Титов и др., 2006; Лось, 2005). В силу этого, внимание ученых все больше концентрируется на изучении механизмов толерантности и адаптации высших растений к гипотермии (Войников, 1987; Кузнецов и др., 1987). Поскольку у растений отсутствуют поведенческие механизмы защиты от действия низкой температуры, основные адаптивные изменения происходят на организменном, и особенно на клеточном уровнях (Чиркова, 2002). В ходе целого ряда исследований выявлена группа неспецифических реакций, к которым относятся, прежде всего, изменение проницаемости клеточных мембран, внутриклеточного рН, накопление защитных веществ, в частности, стрессовых белков, липидов, растворимых углеводов. При этом показано, что одним из самых ранних эффектов при охлаждении растений является окислительный стресс, обусловленный накоплением активных форм кислорода (АФК) (Кулаева, 1982; Тарчевский, 2002). Для защиты от него в растениях существует антиоксидантная система, состоящая из ферментов (супероксиддисмутаз, каталазы, пероксидаз и др.) и низкомолекулярных антиоксидантов. Изменение в спектре защитных белков и экспрессионной активности их генов под влиянием низкотемпературного стресса позволяет выявить физиологические предпосылки устойчивости растений. В связи с открытием сигнальной и защитной роли активных форм кислорода, большое внимание уделяется оксидоредуктазам, регулирующим их уровень в клетке (Тарчевский, 2002). Среди них особый интерес представляют пероксидазы, активность которых коррелирует с развитием устойчивости растений к абиотическим стрессам (Полесская, 2007). Являясь конституционно необходимым, этот фермент участвует в различных биохимических реакциях, происходящих в живом организме (Андреева, 1988). Поскольку пероксидазы представляют собой семейство полифункциональных белков, возникает определенная трудность в разграничении роли отдельных молекулярных форм фермента в различных физиологических процессах растительного организма (Минибаева и др., 1997).
В метаболизме живых растительных клеток ведущая роль, наравне с белками и нуклеиновыми кислотами, принадлежит липидам. Однако вопросы липидного обмена у исследуемых растений совершенно не изучены. Считается, что липиды клеточных мембран играют важную роль в формировании устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды. Эта устойчивость зависит от наличия в клеточных мембранах полиненасыщенных жирных кислот (Лось, 2005).
Озеро Байкал находится в зоне резко-континентального климата, где значительные сезонные и суточные перепады температур заметно влияют на состояние и механизмы функционирования его экосистемы. Действие абиотического стресса, такого как низкие температуры, может привести к активации защитных и приспособительных реакций, в результате которых растение акклиматизируется к новым условиям. В этих условиях может увеличиваться активность ряда ферментов и синтез некоторых биологически активных веществ.
Научная новизна. Впервые была исследована общая, растворимая и слабосвязанная с клеточной стенкой пероксидаза пяти видов травянистых растений, произрастающих на побережье озера Байкал в связи с климатическими особенностями Прибайкалья. Был проведен анализ стрессовых белков в листьях этих растений. Выявлено влияние пероксидазной активности на синтез дегидринов в растительных клетках. Впервые подробно исследован жирнокислотный состав пяти видов лекарственных растений. Проведен анализ изменения состава жирных кислот, степени их ненасыщенности и активности аминоацильных десатураз, осуществляющих преобразование насыщенных связей в молекулах основных жирных кислот в ненасыщенные. Выявлены видоспецифичные и климатообусловленные особенности жирнокислотного метаболизма изучаемых растений. Изучено накопление растворимых Сахаров в листьях растений в течение вегетационного периода и выявлены особенности метаболизма углеводов в зависимости от вида растения и условий произрастания. Прослежено содержание воды в листьях изучаемых растений в течение периода вегетации и выявлены взаимосвязи с внешними условиями окружающей среды и метаболизмом растений. Прослежена суточная, динамика углеводов, белков, жирнокислотного состава манжетки городковатой в осенний период в связи с суточным ходом температуры воздуха. Показаны изменения активности различных аминоацильных десатураз в листьях манжетки в связи с сильными колебаниями температуры атмосферного воздуха в течение суток. Изучено суточное изменение пероксидазной активности и содержания ее субстратов фенольной природы на примере флавоноидов. В целом, всестороннее изучение проблемы адаптации растений к климату Прибайкалья показало серьезные преобразования метаболизма не только в течение летне-осеннего периода вегетации, но и не менее существенные перестройки обмена веществ в течение одних суток. Накопленный экспериментальный материал позволил сделать автоматический корреляционный анализ в программе Statistika 6.0 и выявить закономерности изменения биохимических и климатических параметров друг относительно друга.
Практическое значение работы. Результаты проведенных исследований могут помочь в понимании процессов адаптации высших растений к климатическим особенностям Прибайкалья и Сибири и основных молекулярных и физико-химических механизмов, реализуемых в растительных клетках при стресс-адаптации к абиотическим факторам, присущим климату озера Байкал. Полученные результаты могут быть использованы в курсе лекций по физиологии, биохимии, экологии и географии растений. Полученные результаты могут быть использованы для выработки стратегии природоохранных мероприятий, направленных на
сохранение экосистемы озера Байкал и имеют важное значение в осознании уникальности ее фитоценозов.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на Всероссийской научной конференции «Устойчивость растений к неблагоприятным факторам внешней среды», Иркутск, 24-28 августа 2009 г.; Всероссийской конференции с международным участием, посвященной памяти Л.В. Бардунова (1932-2008 гг.) «Проблемы изучения и сохранения растительного мира Евразии», Иркутск, 15-19 сентября 2010 г.; Международной научной конференции и международной школе для молодых ученых «Проблемы экологии: чтения памяти профессора М.М. Кожова», Иркутск, 20-25 сентября 2010 г.; Всероссийском симпозиуме «Растение и стресс», Москва, 9-12 ноября 2010 г.; Третьем международном симпозиуме «Клеточная сигнализация у растений», Казань, 28 июня - 1 июля 2011 г., Съезде физиологов растений «Физиология растений - фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий», Нижний Новгород, 4-Ю июля 2011 г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, результатов исследований и их обсуждения, заключения, выводов. Список цитируемой литературы включает 290 работы отечественных и зарубежных авторов. Работа изложена на 219 страницах и иллюстрирована 53 рисунками и 21 таблицей.
