Введение к работе
Актуальность темы исследования. Пероксид водорода (Н202) традиционно ассоциируют с деструктивными процессами, так как его накопление в клетке способствует развитию окислительного стресса. Однако в последние десятилетия было доказано, что Н202 является ключевым компонентом адаптивных стрессовых реакций, а также вовлечен в процессы роста и развития. В настоящее время большой интерес вызывает возможное участие Н202 в регуляции роста растяжением растительных клеток.
Известно, что растяжение клеток зависит от способности клеточных стенок растягиваться под действием тургорного давления. Таким образом, изменение скорости роста может быть вызвано изменением растяжимости клеточной стенки и/или изменением градиента осмотического потенциала между растворами вакуоли и апопласта (A\|/s). Пероксид водорода способен вызывать и укрепление (ригидификацию), и размягчение клеточных стенок. Ригидификация клеточных стенок опосредована его участием в окислительных реакциях поперечного связывания полимеров и сополимеризации монолигнолов, катализируемых пероксидазами (Fry, 2004). Размягчение клеточных стенок может быть вызвано разрывом полимеров гидроксил-радикалами, генерируемыми при взаимодействии Н202 с 02" , Fe или Си+ (реакции Хабера-Вайса и Фентона) (Chen, Schopfer, 1999).
Логично предположить, что при высокой пероксидазной активности апопластный Н202 будет потребляться в реакциях, приводящих к ригидификации клеточных стенок. Напротив, при низкой пероксидазной активности он будет накапливаться и вступать в спонтанные реакции, способные размягчать клеточные стенки, а также вызывать окислительный стресс. Поэтому относительная интенсивность процессов образования и потребления Н202 в апопласте может быть способом контроля скорости роста клеток. Однако вопрос о том, как динамика роста связана с концентрацией Н202 в апопласте и с активностью ферментов, его продуцирующих и потребляющих, к настоящему времени остается практически неизученным и актуальным.
Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в оценке участия апопластного Н202 в регуляции растяжения клеток проростков кукурузы. Для этого были изучены процессы торможения роста растяжением, вызванные внешними факторами и эндогенные. Торможение растяжения клеток в ходе развития связано с их дифференцировкой, а при стрессе оно может быть следствием
повреждений либо адаптивной реакцией, предохраняющей растение от затрат воды.
В задачи исследования входило:
Определить зависимость торможения роста от изменения осмотических потенциалов вакуоли (клеточного сока) и апопласта;
Определить зависимость торможения роста от эластической и пластической растяжимости клеточных стенок;
Оценить влияние экзогенного Н2О2 и каталазы на растяжимость клеточных стенок и рост клеток;
Разработать методы определения апопластного Н202 и исследовать, как изменяется его содержание при торможении роста;
Изучить динамику активности пероксидаз клеточных стенок при торможении роста;
Оценить участие оксидазной активности пероксидаз, полиаминоксидаз и оксалатоксидаз клеточных стенок в регуляции уровня апопластного Н202 при торможении роста.
Научная новизна работы. Разработаны методы количественного определения апопластного Н202, с помощью которых впервые были выявлены изменения его содержания при торможении растяжения клеток в разных условиях. Впервые одновременно изучены изменения активности всех ферментов клеточной стенки, продуцирующих и потребляющих Н202, во время торможения роста, обусловленного дифференцировкой и стрессом. Впервые показано, что торможение роста в процессе дифференцировки клеток сопровождается снижением содержания Н202 в апопласте, а в условиях стресса - накоплением Н202, что связано с возрастанием активности оксидаз клеточных стенок, продуцирующих пероксид водорода.
Практическая значимость работы. Результаты работы могут служить методической основой для продолжения исследования роли активных форм кислорода (АФК) в регуляции роста растительных клеток, а также для исследований в области физиологии стресса.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на V и VI съездах ОФРР (Пенза, 2003; Сыктывкар, 2007) и международных конференциях "Физиологические и молекулярно-генетические аспекты сохранения биоразнообразия" (Вологда, 2005), "Проблемы биоэкологии и пути их решения" (Саранск, 2008), "Responses of plants to environmental stresses" (Elena, Bulgaria, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи и 6 тезисов.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает следующие разделы: введение, обзор литературы, материалы и методы исследования, результаты исследований и обсуждение, заключение, выводы и список литературы (338 наименований). Работа изложена на 173 страницах, содержит 62 рисунка и 5 таблиц.
