Дегидрины в почках Betula pendula Roth: особенности сезонной динамики

Значительную часть территории Российской Федерации, находящейся под лиственными древесными породами, занимает береза повислая ( Betula pendula Roth). Данный вид обладает высокой экологической пластичностью, способностью адаптироваться к разным климатическим условиям. Так, он произрастает в Центральной Якутии, характеризующейся резко континентальным засушливым климатом с максимальными годовыми перепадами температур более 100°С и зимними минимумами -60°С. Также вид очень широко представлен в регионах с более мягким климатом, например, в Карелии. Здесь близость морей, интенсивная циклоническая деятельность обусловливают продолжительную, но не суровую зиму, относительно высокую влажность воздуха, значительное количество осадков и неустойчивые погодные условия в течение всех сезонов.

Приспособление древесных растений, имеющих многолетний цикл развития, к экстремальным факторам среды может осуществляться как в форме фенотипических изменений, так и генетических. Физиолого-биохимические показатели B. pendula относительно подробно исследованы для европейской части России [1]. Значительно в меньшей

Татаринова Татьяна Дмитриевна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

Васильева Ирина Вениаминовна, аспирантка степени они изучены для Сибири и Дальнего Востока [2, 3]. Способность березы к формированию оптимального уровня морозоустойчивости в разных климатических условиях связана, наряду с другими причинами, экспрессией регулируемые холодом генов, кодирующих Cor-полипептиды. К таковым относятся водорастворимые белки-дегидрины, относящиеся ко II группе суперсемейства LEA-белков (late embryogenesis abundant – белки позднего эмбриогенеза) [4]. Они индуцируются обезвоживанием и задействованы в стабилизации макромолекул и мембран.

Цель работы: изучить сезонные изменения состава и содержания суммарных белков и дегидринов почек березы повислой ( Betula pendula Roth) при формировании морозоустойчивости в разных климатических условиях (на примере Центральной Якутии и Карелии).

Объекты и методы. Сбор почек и листьев березы B. pendula Roth проводили ежемесячно с февраля 2009 г. по февраль 2010 г. с 6-ти средневозрастных деревьев в лесопарковой зоне Ботанического сада ИБПК СО РАН (г. Якутск, 62° с.ш., 130° в.д.) и на территории экспериментальных участков ИЛ КНЦ РАН (г. Петрозаводск, 62° с.ш., 34° в.д.). Климатические показатели для Центральной Якутии (г. Якутск): среднегодовая температура воздуха – -10,2°С, среднемесячная температура воздуха в январе – -42,5°С, в июле – +19,0°С, годовое количество осадков – 215-265 мм. Климатические показатели для Карелии (г. Петрозаводск): среднегодовая температура воздуха – +2,6°С, среднемесячная температура воздуха в январе – -10,6°С, в июле – +16,2°С, годовое количество осадков –550-750 мм.

Для выделения суммарных белков из почек березы (1-2 г) использовали методику [5]. Электрофорез проводили в 13% SDS-PAGE [6]. На треки наносили равные количества белка (15 мкг). Иммуноблоттинг проводили в соответствии с методикой [7]. Белки из ПААГ переносили на ПВДФ (поливинилиденфторид) мембрану («Bio-Rad», США). Идентификацию дегидринов выполняли с помощью поликлональных антител против их консервативного К-сегмента (EKKGIME/DKIKEKLPG) [4] («Agrisera», Швеция). Дегидрины визуализировали при помощи кроличьих антител, конъюгированных с щелочной фосфатазой («Sigma», США).

Результаты и обсуждение. Качественный спектр суммарных белков почек берез Центральной Якутии и Карелии оказался очень похожим, несмотря на то, что эти популяции обладают разными фенологическими особенностями, а также и продолжительностью глубокого и вынужденного покоя. В нем идентифицируется более 60 полипептидов с разными молекулярными массами (мол. м.). Наибольший интерес представляют белки с выраженной сезонной динамикой, представленные в летний период, а также белки, накопление которых наблюдается при подготовке растений к покою, что, по всей вероятности, связано с формированием их криорезистентности. Анализ сезонных изменений суммарных белков выявил различия между березами, произрастающими в исследуемых регионах. Так, деакклимация с повышением температуры воздуха у «якутских» берез наблюдалась в конце мая, а у «карельских» берез – в начале мая. Этот процесс сопровождался резким снижением количества белков с мол. м. 17, 26-27, 49 кДа. Накопление этих «зимних» белков в почках берез Якутии происходило в конце августа, а у «карельских» берез – только в сентябре. Вероятно, это связано с климатическими особенностями регионов – относительной большей продолжительностью вегетационного периода в Карелии по сравнению с Центральной Якутией. Вместе с тем, уровень белков в зимний период у изученных берез обеих популяций остается стабильно высоким в течение всей зимы. Дегидрины почек берез Якутии и Карелии, идентифицированные с помощью антител, в основном группируются в двух областях: низко и среднемолекулярной (рис. 1, 2).

Рис. 1. Результаты иммуноблоттинга суммарных белков почек B. pendula Центральной Якутии с антителами на дегидрины (2009-2010 гг.). Справа – мол. м. дегидринов кДа

^--17 ---15

февр. март апр. май авг. сект. окт. нояб. февр.

Рис. 2. Результаты иммуноблоттинга суммарных белков почек B. pendula Карелии с антителами на дегидрины (2009-2010 гг.). Справа – мол. м. дегидринов

Анализ сезонных изменений дегидринов показал, что у всех изученных экземпляров берез круглогодично представлены белки с мол. м. 66 и 69 кДа. Низкомолекулярные дегидрины, преимущественно с мол. м. 17 кДа, имели более выраженную годовую динамику, чем среднемолекулярные. У «карельских» берез низкомолекулярные дегидрины в почках обнаруживались в сентябре, у «якутских» – в августе, сохранялись в течение всей зимы и исчезали только в начале (Карелия) или конце мая (Центральная Якутия). Количественное содержание низкомолекулярных дегидринов у берез Центральной Якутии было больше, чем у берез Карелии, а уровень среднемолекулярных дегидринов у обеих популяций был примерно одинаков.

Ранее сезонная динамика дегидринов с использованием антител против засухоспецифического полипептида dsp 16 из Craterostigma plantagineum была изучена в почках у другого вида берез (B. pubescens Ehrh.) в Финляндии [8]. У этих берез в зимний период отмечались мажорные дегидрины с мол. м. 24, 30 и 33 кДа. В Финляндии процесс накопления дегидринов завершался в ноябре, в Якутии и Карелии – в октябре. Наиболее близким к дегидрину с мол. м. 24 кДа березы B. pubescens в Фенноскандии [8] являлся дегидрин с мол. м. 21 кДа, встречающийся только у отдельных «якутских» берез. Есть также данные по исследованию двух генов дегидринов B. pubescens в Фен-носкандии. Экспрессия BpuDhn1 происходила в осенний период, а BpuDhn2 – в самые холодные месяцы зимы [9]. В контролируемых условиях при замораживании-оттаивании саженцев «финской» березы B. pendula в состоянии покоя показано, что во время оттаивания запускался синтез транскриптов дегидрина BpLTI36 для обеспечения надлежащего уровня морозоустойчивости в период частых колебаний температур [10]. Известно также о наличии кислого 36 кД-дегидрина, индуцируемого низкой температурой в листьях финской березы B. pendula [11], который в почках наших растений не обнаруживался. Наблюдаемые различия в молекулярных массах могут быть связаны с тканевой и видовой спецификой растений, а также с особенностями использовавшихся антител. Следует подчеркнуть, что в наших исследованиях применялись высокоспецифичные поликлональные антитела против консервативного К-сегмента дегидринов.

Выводы: выявлены различия в сезонной динамике суммарных белков и дегидринов березы повислой B. pendula Roth, произрастающей в Карелии и Центральной Якутии. Стабильно высокое содержание отдельных групп суммарных белков и дегидринов в зимний период может свидетельствовать об их участии в общих механизмах формирования морозоустойчивости растений в разных климатических условиях.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №09-04-98556-р_восток_а.