Введение к работе
Актуальность темы
Температурный режим — один из важнейших экологических факторов, который оказывает существенное воздействие на метаболизм, рост, развитие и продуктивность растений. Поэтому выяснение механизмов термоустойчивости может быть отнесено к числу основных направлений исследований в современной физиологии растений. В настоящее время не вызывает сомнений участие фитогормонов в формировании реакций растений на действие неблагоприятных факторов различной природы, в том числе высокой температуры. Фи-тогормоны, регулируя процессы роста, морфогенеза, играют важную роль и в реализации программы устойчивости. Индолил-3-уксусная кислота (ИУК) является одним из основных регуляторов роста и развития растений. Показано, что уровень данного гормона может быстро изменяться в ответ на действие стрессора, в частности, при смене температурного режима (Кудоярова, 1996; Полевой и др., 1997; Мусатенко и др., 2003). Однако причины и значение модификаций ауксинового пула в условиях теплового шока неизвестны. Действие ИУК в ходе развития стресс-реакции связывают со способностью передавать сигнал внутрь клетки на геном, индуцируя механизмы защиты. В последние годы показано, что ИУК активирует экспрессию нескольких групп генов раннего ответа, в частности, генов глутатион-Б-трансфераз (Xiang et al, 1996), десатураз, АЦК-синтазы (Theologis, 1986; Abel, Theologis, 1996), а также трех изоформ каталазы (Guan, Scandalios, 2002). Известно, что существует метаболическая связь между ИУК и фитогормонами стресса — этиленом и АБК. Как указывают H.Hanson, K.Grossman (2000), ауксин, активируя синтез этилена, может быть триггером аккумуляции АБК.
В природных условиях растения подвергаются воздействию повышенных температур в сочетании с другими факторами, в том числе, различной освещенностью. Известно, что свет оказывает влияние на метаболизм фитогормонов, изменяет чувствительность к ним тканей растений (Kraepiel, Miginiac, 1997; Ma et al, 2001). В этой связи вполне правомерно предположить, что растения одного вида, выращенные на свету и в темноте, будут иметь разный аук-синовый статус, и, следовательно, представляется актуальным исследовать зависимость характера развития ответной реакции на стрессирующий фактор от уровня данного фитогормона.
Цель и задачи исследования Цель работы состояла в исследовании роли индолил-3-уксусной кислоты в развитии ответной реакции зеленых и этиолированных проростков пшеницы на гипертермическое воздействие и в формировании их термоустойчивости.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Определить содержание свободной, связанной ИУК, активность ИУК-ок-сидазы у зеленых и этиолированных проростков пшеницы.
Сравнить характер изменений в уровне свободной и связанных форм ИУК, активности ИУК-оксидазной ферментной системы при действии кратковременного теплового шока на исследуемые проростки.
Определить уровень этилена, АБК и его изменение в условиях гипертермического воздействия, учитывая наличие метаболической связи между ИУК и данными фитогормонами.
Провести сравнительную оценку термоустойчивости зеленых и этиолированных проростков пшеницы и выявить ее изменения при модификации концентрации экзогенной индолилуксусной кислоты.
Основные положения, выносимые на защиту
Изменения в метаболизме ауксина у этиолированных проростков состоят в подавлении перехода свободной ИУК в связанные формы и повышении активности ИУК-оксидазы.
Развитие быстрой реакции на тепловой шок сопровождается кратковременным повышением уровня свободной ИУК за счет активации ее выхода из пула связанных форм гормона. Выявленное увеличение концентрации ИУК имеет место на фоне стимуляции ИУК-оксидазной ферментной системы; последнее, по-видимому, отражает активацию метаболизма ауксина при развитии стресс-реакции в ответ на действие гипертермии.
При резком повышении температуры в корнях и побегах проростков пшеницы происходит быстрое временное накопление ИУК, АБК и снижение скорости выделения этилена. Отмеченные изменения выражены в разной степени у зеленых и этиолированных проростков, что связано со спецификой их гормонального обмена.
Экзогенная ИУК повышает термоустойчивость растений; амплитуда тер-моиндуцированного изменения уровня эндогенной ИУК (его увеличения) может определять степень устойчивости растений, которая у зеленых проростков выше по сравнению с этиолированными.
Научная новизна
Впервые обнаружено, что в условиях теплового шока происходит быстрое (в течение нескольких минут) накопление свободной ИУК за счет высвобождения из связанных форм этого гормона и кратковременное повышение уровня АБК, не поддержанное распадом ее связанных форм. Отмеченное накопление более выражено в ходе развития ответной реакции на тепловой шок зеленых растений по сравнению с этиолированными.
Впервые исследован ответ ИУК-оксидазной ферментной системы на кратковременное повышение температуры. Показано, что при смене температурного режима происходят сопряженные колебательные изменения активности ИУК-оксидазы и ее термостабильного низкомолекулярного ингибитора. Выявлено, что повышение активности ИУК-оксидазной ферментной системы совпадает по времени с возрастанием уровня свободной ИУК в растениях, подвергнутых тепловому шоку.
Получены новые данные, согласно которым условия освещения при выращивании проростков определяют направленность ауксинового метаболизма и способны повлиять на силу ответной реакции гормональной системы растений на гипертермическое воздействие и их термоустойчивость.
Установлено, что обработка экзогенной ИУК повышает термоустойчивость. Сформулировано и обосновывается положение о том, что не базовый уровень, а величина термоиндуцированного повышения уровня гормонов (ИУК, а затем АБК), важны для формирования защитных реакций на тепловой шок.
Теоретическая и практическая значимость
Результаты исследований влияния резкой смены температуры на гормональный обмен расширяют представления о механизмах приспособления растений к условиям окружающей среды. Сравнительные исследования зеленых и этиолированных проростков, выполненные в настоящей работе, помогают понять совместное влияние двух важнейших экологических факторов — света и температуры — на адаптивный потенциал растений и дают дополнительную важную информацию о формировании защитных реакций в природных условиях. Выяснение участия фитогормонов в формировании приспособительных реакций важно как с позиции познания механизмов устойчивости, так и для решения практических задач, в частности, таких, как целенаправленное и рациональное использование фитогормонов в практике растениеводства с учетом сезонных изменений освещенности и температуры. Основные результаты работы могут быть включены в соответствующие разделы спецкурсов и лекций общего курса по физиологии растений.
Апробация работы
Основные положения работы были доложены на V международной конференции «Регуляторы роста и развития растений» (Москва, 1999), IV съезде ОФР РАН (Москва, 1999), IV и V Нижегородской сессии молодых ученых (Нижний Новгород, 1999, 2000), международной конференции по фундаментальным наукам среди студентов и аспирантов «Ломоносов 2000» (Москва, 2000), Ш конференции «Иммуноанализ регуляторов роста в решении проблем физиологии растений, растениеводства и биотехнологии» (Уфа, 2000), выездной сессии ОФР РАН по проблемам биоэлектрогенеза и адаптации у растений (Нижний Новгород, 2001), V съезде ОФР РАН (Пенза, 2003), II научной городской межвузовской конференции (Нижний Новгород, 2003). По материалам диссертации опубликовано и принято к печати 17 работ.
Структура и объем диссертации
