Механизмы адаптации. Рубрика в журнале - Сельскохозяйственная биология
Статья научная
Биологические особенности синтеза чайным растением специализированных метаболитов, а также влияние на эти процессы множества экологических факторов обусловливают варьирование их композиций в различных сортах и регионах выращивания. С этой точки зрения важно определение исходного природного метаболического профиля у отечественных сортов чая, произрастающих в природных условиях зоны влажных субтропиков России, и его трансформации под действием комплекса факторов. В настоящей работе мы впервые установили базовый метаболический профиль чая сорта Колхида, включающий несколько групп специализированных органических компонентов (флаван-3-олы, флавонолы, метилксантины, теанин), который формируется в экологических условиях Сочинского Причерноморья. Целью работы было установить содержание и диапазоны варьирования теанина и сложных вторичных метаболитов (катехинов, меликсантинов, флавонолов) в листьях разного возраста и побегах чая (Camellia sinensis L.) эталонного для Черноморского побережья Российской Федерации сорта Колхида в сезонной динамике и на фоне удобрений. Исследования проводили во влажных субтропиках России (Черноморское побережье Краснодарского края, г. Сочи, Лазаревский р-н, пос. Уч-Дере) в 2022-2023 годах на сортовой (сорт Колхида) полновозрастной чайной плантации (1983 год закладки). Почва - бурая лесная кислая окультуренная малогумусная мощная среднеглинистая, сформированная на элюво-делювии глинистых сланцев (аргиллитов). Для оценки сезонной динамики образования и накопления метаболитов были отобраны пробы 3-листной флеши (молодой побег, состоящий из почки и трех листьев разной стадии зрелости) в периоды наиболее интенсивного флешеобразования 1-й (май, июнь) и 2-й волны роста (июль, август) на оптимальном (N240P70K90) и дефицитном (N0P0K0) для чая агрофоне. Для сравнительной оценки метаболического профиля листьев разной степени зрелости, а также установления влияния цинка в летний период (июль) были отобраны молодые побеги чая в двух вариантах полевого опыта, контрастных по обеспеченности почв цинком: N240P70K90 (контроль), N240P70K90 + Zn4,3 (после ежегодного 15-летнего внесения сульфата цинка в поверхностный слой почвы). Части побега (почка, 1-й лист, 2-й лист, 3-й лист) были сгруппированы. Содержание специализированных компонентов в растительных пробах - кофеина, теобромина, теанина, (+)-катехина (К), (-)-эпикатехина (ЭК), (+)-галлокатехина (ГК), (-)-эпигаллокатехина (ЭГК), (-)-катехин-3-галлата (KГ), (-)-эпикатехин-3-галлата (ЭКГ), (-)-галлокатехин-3-галлата (ГКГ), (-)-эпигалокатехин-3-галлата (ЭГКГ), рутина, гликозидов флавонолов (кверцетина и кемпферола) - оценивали методом высокоэффективной жидкостной хроматографии на хроматографе фирмы «Agilent Technologies» (модель 1100, США). В сезонной динамике в молодых побегах чая (3-листной флеши) были отмечены значительные флуктуации теанина (3-12 мг/г) и общего количества катехинов (170-250 мг/г) при относительно стабильном содержании кофеина (25-35 мг/г) и теобромина (2,0-3,5 мг/г). Содержание в 3-листной флеши чая кверцетина (1,6-3,2 мг/г) и кемпферола (0,4-3,0 мг/г) снижалось от мая к августу по аналогии с теанином, а количество гликозида кверцетина (рутин) составляло 0,95-1,76 мг/г. На фоне аридизации метеоусловий (усиление засухи и гипертермии от весенних к летним месяцам) отмечали снижение содержания теанина и О-гликозидов флавонолов в 2-3 раза и увеличение доли катехинов в 1,2-1,5 раза. Значительные колебания количества изученных метаболитов наблюдали по мере созревания чайных листьев от верхушечной почки до 3-го листа в побеге. Так, самая молодая часть побега (почка) характеризовалась повышенным накоплением теанина (5,0±0,1 мг/г), кофеина (42,0±2,0 мг/г) и галлированных катехинов (228,0-245,0 мг/г). С увеличением возраста листа содержание этих компонентов снижалось в среднем в 1,5 раза, но возрастала доля простых катехинов в среднем в 2,5 раза. Разная обеспеченность растений биогенными элементами в меньшей степени в сравнении с сезонной вариабельностью изменяла метаболический профиль листьев чая. Тем не менее на фоне повышения обеспеченности почв и растений чая NPК-элементами и Zn было отмечено усиление образования теанина соответственно в 2,0 и 1,2 раза при снижении в 1,3 раза количества простых катехинов. Для использования в агротехнике перспективны следующие выявленные закономерности: регулирующая роль NPК-элементов в индукции синтеза теанина и блокировании фенольного метаболизма; изменение под действием цинка исходного баланса разнонаправленно действующих теанина и кофеина в чайном листе, которые определяют успокаивающий или возбуждающий эффект напитка.
Бесплатно
Статья научная
Колеоптили злаков характеризуются достаточно ограниченным временным интервалом развития и выполняют защитную функцию. У гидрофитного злака риса посевного (Oryza sativa L.) за счет способности клеток колеоптилей к росту растяжением осуществляется защита проростка от недостатка кислорода при затоплении. Резкое удлинение клеток сопровождается интенсивной вакуолизацией. Этот процесс обусловлен усилением транспорта воды через плазмалемму и тонопласт, который осуществляется посредством транспортеров группы аквапоринов. В работе нами впервые приведены данные, позволившие выявить изменения представленности аквапринов семейств PIP1 и TIP1 в клетках колеоптилей проростков риса, развивающихся в условиях нормоксии и затопления. Цель работы состояла в оценке динамики содержания аквапоринов с преимущественной локализацией в плазмалемме и тонопласте клеток колеоптилей в процессе роста растяжением у риса при аэрации и дефиците кислорода. Использовали семена двух сортов риса отечественной селекции - Аметист (медленно растущий) и Кубань 3 (быстро растущий). Семена поверхностно стерилизовали и проращивали (по 50 шт.) в гидропонных условиях в темноте при 29 °С на стеклянных мостках (контрольные растения) или создавали условия затопления в банках объемом 750 мл с использованием 4 % питательного раствора Кнопа. Для определения длины клеток центральной части колеоптилей изготавливали микропрепараты. Их фотосъемку выполняли с помощью светового микроскопа Leica DM 2500 и фотокамеры Leica DFC450 C («Leica Microsystems GmbH», Германия) при увеличении ×20. Общую микросомальную фракцию получали из клеток колеоптилей проростков при температуре 4 °С. Содержание белка в пробах определяли по микрометоду Брэдфорда с использованием красителя Coumassie Brilliant Blue G250. Поглощение красителя, сорбированного на белках, измеряли на планшетном спектрофотометре SPECTROstar Nano («BMG Labtech», Германия) при λ = 595 нм. Концентрацию белка в пробах определяли на основе калибровочного графика, построенного с использованием раствора яичного альбумина на 150 мМ сахарозе и 10 мМ Tris-MES. Белки разделяли методом денатурирующего электрофореза в 10 % полиакриламидном геле. Содержание аквапоринов PIP1 с преимущественной локализацией на плазмалемме и TIP1 с преимущественной локализацией на тонопласте в составе общей микросомальной фракции оценивали посредством иммуноблот-анализа с использованием специфичных поликлональных антител. Проведенный микроскопический анализ длины клеток центральной части колеоптилей выявил завершение роста у проростков сорта Кубань 3 на 5-е сут развития в аэробных условиях. Удлинение клеток колеоптилей у сорта Аметист было незначительным за весь тестируемый период. При затоплении у колеоптилей сорта Кубань 3 отмечали почти 2-кратное удлинение клеток уже на 3-и сут прорастания по сравнению с контролем. Более интенсивный рост при затоплении сохранялся до 7-х сут прорастания. У сорта Аметист на 3-и сут выявленные различия были не столь велики, как у сорта Кубань 3, однако к 5-м сут длина клеток увеличивалась почти в 3 раза. В процессе удлинения клеток происходило изменение содержания белка во фракции клеточных эндомембран. Вследствие значительного увеличения размеров клеток на 5-е сут после прорастания происходило почти 3-кратное снижение концентрации белка микросомальной фракции. Этот процесс продолжался, хоть и не столь интенсивно и дальше, к 7-м сут развития проростка. Снижение содержания белка было отмечено как для сорта Кубань 3, так и для сорта Аметист. При недостатке кислорода (затопление) оно оказалось менее интенсивным. С помощью иммуноблоттинга показана неравная динамика накопления белков аквапоринов подсемейств PIP1 и TIP1 как при аэробном развитии проростков риса, так и при недостатке кислорода. У проростков сорта Кубань 3 в отличие от сорта Аметист накопление аквапоринов PIP1 соответствовало изменению интенсивности удлинения клеток колеоптилей. Однако независимо от сорта и количества кислорода при прорастании содержание вакуолярных аквапоринов TIP1 постепенно увеличивалось. Полученные данные указывают на различия функционального значения аквапоринов плазмалеммы и тонопласта в процессе роста растяжением клеток колептилей в условиях нормоксии и недостатка кислорода.
Бесплатно
Статья научная
Одной из актуальных проблем современной науки о растениях остается изучение механизмов устойчивости растительных организмов к засухе, приводящей к нарушению всех звеньев метаболизма и потере продуктивности. На территории Российской Федерации сформировались две эколого-географическим группы (экотипы) пшеницы, существенно различающиеся по стратегии адаптации к засухе - лесостепной западносибирский и степной волжский. Особенно выражены различия между экотипами в начальную фазу онтогенеза. Для сортов лесостепного западносибирского экотипа присуще замедление формирования всходов и роста проростков на раннем этапе развития. Проростки степного волжского экотипа быстро развиваются в начальную фазу и более устойчивы в сравнении с растениями лесостепного западносибирского экотипа. Регуляторам роста отводится важная роль в формировании засухоустойчивости растений. В последнее время появляется все больше сведений, демонстрирующих участие стероидных фитогормонов брассиностероидов, характеризующихся сочетанием ярко выраженного рост-стимулирующего и протекторного действия, в регуляции устойчивости пшеницы к дефициту влаги. В настоящей работе впервые выявлен протекторный эффект 24-эпибрассинолида (ЭБ) на растения пшеницы степного волжского экотипа в условиях засухи, в основе чего лежит нивелирование ЭБ резких стресс-индуцированных сдвигов в содержании эндогенных фитогормонов и накопление защитного белка - агглютинина зародыша пшеницы (АЗП). Вместе с тем защитного эффекта ЭБ в отношении растений лесостепного западносибирского экотипа мы не обнаружили, что проявилось в сохранении индуцированного стрессом дисбаланса эндогенной гормональной системы и несущественном накоплении защитного белка агглютинина зародыша пшеницы. Цель работы - установить роль изменений в гормональной системе и содержании лектина пшеницы в реализации протекторного действия 24-эпибрассинолида на растения сортов Зауральская Жемчужина (лесостепной западносибирский экотип) и Экада 70 (степной волжский экотип) в начальную фазу их онтогенеза в условиях моделируемой почвенной засухи. Семена подвергали предпосевному замачиванию в течение 3 ч в растворе 0,4 мкМ 24-эпибрассинолида или в дистиллированной воде (контроль), высевали (по 30 шт.) в почвогрунт в вегетационные сосуды объемом 15 л и выращивали в контролируемых условиях (г. Уфа, 2024 год). Часть проростков по достижении 3-суточного возраста подвергали воздействию ранней почвенной засухи, для моделирования которой проводили ограниченный полив в течение всего эксперимента для поддержания значения влажности 30 % от полной влагоемкости почвы (ПВП). В контроле поддерживали влажность 70 % от ПВП. Физиолого-биохимические параметры анализировали на начальном этапе развития пшеницы (7-9-е сут). О росте судили по изменению сырой и сухой массы необработанных и предобработанных ЭБ проростков в норме и в условиях засухи. Содержание абсцизовой (АБК) и индолилуксусной (ИУК) кислот, цитокининов (ЦК) и АЗП в одних и тех же 10 проростках (сырая масса 0,9-1,0 г) на 7-е, 8-е и 9-е сут определяли методом иммуноферментного анализа (ИФА) с использованием специфичных к исследуемым фитогомонам или АЗП поликлональных кроличьих антител и меченных пероксидазой антикроличьих антител. О повреждении клеточных мембран проростков судили по содержанию продукта перекисного окисления липидов малонового диальдегида (МДА) на 9-е сут. Выявлено, что содержание эндогенных фитогормонов в проростках сортов Экада 70 и Зауральская Жемчужина претерпевало существенные изменения при дефиците влаги. При этом более существенные перестройки в гормональном балансе были обнаружены у проростков сорта Зауральская Жемчужина, что проявилось и в более выраженном торможении их роста. В условиях засухи растения сорта Экада 70 отличались более ранним и существенно бóльшим накоплением АЗП (на 86 % больше, чем у проростков сорта Зауральская Жемчужина), что может свидетельствовать о вовлечении лектина пшеницы в формирование их засухоустойчивости. Предпосевная обработка ЭБ смягчила негативное влияние засухи на рост и гормональный статус проростков сорта Экада 70 при проращивании в условиях стресса, что, однако, не было характерно для растений сорта Зауральская Жемчужина. Вместе с тем предобработка ЭБ снизила стресс-индуцированное накопление АЗП в растениях сорта Экада 70 на 30 %, что может указывать на снижение стрессовой нагрузки на предобработанные гормоном проростки этого сорта. В пользу этого свидетельствуют и данные о снижении количества МДА на 26 % в тканях ЭБ-предобработанных растений степного волжского экотипа в условиях засухи. Однако у сорта Зауральская Жемчужина защитное влияние предобработки ЭБ на содержание АЗП и мембранные структуры в стрессовых условиях было практически не выражено.
Бесплатно
