Введение к работе
Актуальность проблемы. Растения в ходе своего существования подвергаются воздействию различных внешних факторов, нередко оказывающих неблагоприятное влияние. Эти факторы вызывают сдвиги в нормальных физиологических процессах и, в то же время, активируют системы адаптации к изменившимся условиям существования. Значительное влияние на жизнедеятельность растений оказывают такие внешние факторы как повышенная температура и ионизирующее облучение (Курганова и др., 1999; Евсеева и др., 2008).
Среди крайне важных для устойчивости растения процессов можно назвать поддержание прооксидантно-антиоксидантного (ПО-АО) баланса, то есть динамического равновесия между продукцией прооксидантов в организме и их утилизацией антиоксидантными (АО) системами. При действии неблагоприятных факторов в данной системе возникают изменения, характеризуемые как окислительный стресс (Мерзляк, 1989). В фототрофных тканях окислительный стресс в первую очередь связан с хлоропластами, а именно, с функ-ционировшшем фотосинтетической ЭТЦ, ответственной за генерацию значительной части АФК в растительной клетке (Мерзляк, 1989; Foyer et al., 1997, Di-az-Vivancos et al., 2008). Увеличение продукции АФК приводит к активации окислительных процессов, в том числе ПОЛ (Владимиров, Арчаков, 1972; Бара-бой и др. 1992; Весапа, Moran, Iturbe-Ormaetxe, 1998). Интенсификация ПОЛ способна привести к изменению свойств липидного матрикса мембран и модификации метаболизма всей клетки, однако его уровень сдерживается АО-системами, включающими в себя ферменты и низкомолекулярные соединения (Меньшикова, Зенков, 1993; Alscher, Donahue, Cramer, 1997; Noctor, Foyer, 1998). Взаимодействие процессов ПОЛ и нейтрализующих их АО-процессов определяет функционирование локализованных в мембранах процессов клеточного метаболизма, к которым относятся, например, дыхание и фотосинтез. Это позволяет использовать исследования систем поддержания ПО-АО гомеостаза для изучения «быстрых» реакций растений на различные воздействия извне. Кроме того, колебаниям ПО-АО равновесия и непосредственно связанному с ними redox-статусу клетки в настоящее время приписывается сигнальная роль в развитии общей адаптивной реакции растений (Курганова и др., 1999; Пелевина и др., 2007; Sun, Oberley, 1996; Hidalgo, Ding, Demple, 1997; Finkel, 2000; Tausz, Sircelj, Grill, 2004). Все вышеизложенное позволяет рассматривать состояние ПО-АО равновесия при действии внешних факторов как показатель, адекватно отражающий общую стратегию приспособления растительной клетки к изменяющимся условиям среды.
Изучению влияния различных факторов на ПО-АО равновесие посвящено большое количество работ (Загорская и др., 2008; Леи, 2008; Генерозова, Маев-ская, Шугаев, 2009; Dat et al., 1998; Iturbe-Ormaetxe et al., 1998; Iannelli et al., 1999; Clarke et al., 2002). Однако остается открытым вопрос о характере воздействия таких внешних факторов как ТШ и ИО, для которых показан обширный перечень затрагиваемых систем и которые изменяют ПО-АО равновесие более неспецифично, в отличие от химических факторов, таких как перекись водорода и паракват, являющихся непосредственными прооксидантами.
Цель и задачи исследования.
Цель работы состояла в установлении особенностей действия повышенной температуры и ионизирующей радиации как неспецифических факторов физической природы на окислительное равновесие и фотохимические реакции в хлоропластах.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
-
Определить содержание продуктов ПОЛ, эндогенных пероксидов и состояние основных компонентов антиоксидантных систем в хлоропластах гороха при действии ТШ по сравнению с химическими стрессорами, оказывающими прямое прооксидантное воздействие (пероксид водорода, гаракват).
-
Определить состояние систем, поддерживающих ПО-АО гомеостаз, и содержание эндогенных пероксидов в мембранных структурах клеток листьев гороха при действии ТШ и ИО.
3. Исследовать протекание фотосинтетических реакций, общее и относительное
содержание пигментов и состояние систем, поддерживающих ПО-АО-
гомеостаз, в хлоропластах гороха при действии ИО как на целые растения, так и непосредственно на пластиды.
Научная новизна.
Впервые показаны особенности действия повышенной температуры и ионизирующего облучения на количественный и качественный состав продуктов ПОЛ. ТШ и ИО преимущественно влияли на образование АФК, тогда как химические стрессоры Н2О2 и паракват действовали на более поздние этапы окислительных процессов в матриксе мембран.
Впервые показано наличие тесной взаимосвязи между реакциями ПО-АО систем и фотосинтетического аппарата (скорость протекания фотохимических процессов и пигментный состав) на действие ионизирующего облучения и повышенной температуры.
Теоретическая и практическая значимость.
Полученные результаты важны для понимания механизмов восприятия стрессового воздействия у растений. Исследование реакции фотосинтетических мембран хлоропластов на действие радиоактивного излучении я показало, что пластиды крайне чувствительны к ионизирующему облучению и могут рассматриваться как одна из основных мишеней для данного стрессора. Полученные данные могут способствовать разработке новых подходов к проблеме повышения устойчивости растений к действию негативных факторов среды, в частности, радиоактивного излучения. Основные выводы и результаты работы могут быть использованы в учебном и научном процессе биологических факультетов университетов, сельскохозяйственных и педагогических вузов.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на 7-й, 8-й, 9-й и 10-й Путинских школах-конференциях молодых ученых "Биология - наука XXI века" (Пушино, 2003, 2004, 2005, 2006), 8-й, 9-й, 10-й и 11-й Нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2003, 2004, 2005, 2006), III Всероссийской молодежной научной конференции по фундаментальным проблемам радиохимии и атомной энергетики (Нижний Новгород, 2004), I (IX) Международной Конференции молодых ботаников в Санкт-Петербурге (Санкт-Петербург, 2006), Всероссийской школе молодых ученых "Сигналомика растений" (в рамках Международного симпозиума "Сигнальные
системы клеток растений: роль в адаптации и иммунитете") (Казань, 2006), Школе студентов и молодых ученых «Физиология растений - фундаментальная основа современной фитобиотехнологии» (в рамках Годичного собрания общества физиологов растений России) (Ростов-на-Дону, 2006), The 35 annual meeting of the European Radiation research society, (European radiation research 2006, The 4 annual meeting of the Ukranian Society for Radiation Biology) (Kyiv, Ukraine, 2006).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано и направлено в печать 14 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, методов исследований, результатов и их обсуждения, заключения, выводов и списка литературы (435 источников, в том числе 279 иностранных). Работа изложена на 160 страницах, содержит 26 рисунков и 6 таблиц.
