Исследование металлзависимых белков доминирующих видов растений и микроорганизмов в аридных агробиоценозах волгоградской области

DOI:

Цитирование. Новочадов В. В., Иванцова Е. А., Крылов П. А., Онистратенко Н. В., Холоденко А. В. Исследование металлзависимых белков доминирующих видов растений и микроорганизмов в аридных агробиоценозах Волгоградской области // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 3, Экономика. Экология. – 2018. – Т. 20, № 4. – С. 173–182. – DOI:

Введение. В настоящее время наиболее актуальным подходом в развитии АПК является экологический системный подход к управлению агроценозами [1; 2; 3]. Модификация такого подхода возможна с использованием биотехнологических решений, в частности, управление путем внедрения в агроценоз новых элементов – биотических (бактерии и грибы) или же абиотических (химические вещества) [4; 6; 8; 12; 14; 15; 17]. Зависимость динамики вещества и энергии в агробиоценозах от влияния почвенно-климатических условий рассмотрена в ряде достаточно обширных исследований [3; 10; 13].

Особое место в динамике агробиоценозов занимают взаимодействия с прилегающими природно-антропогенными системами, которые при активном воздействии на искусственные биоценозы приобретают характер интрузий с плотным переходом или частичной заменой территории искусственного биоценоза [9; 14]. Для участков техногенных вторжений в агроценозы оптимально точечное управление [4; 6; 16], что приводит к негативным изменениям агроценоза и снижению эффективности его использования для решения экономических задач в целом, а также на территории Волгоградской области. Агроценозы этой территории характеризуются комплексом стрессовых факторов, оказывающих значительное влияние на перестройку метаболизма растений и микроорганизмов, обитающих на этих территориях [3; 5; 10; 11]. Все это подтверждает необходимость изучения молекулярного уровня организации агроценоза. Изучение металлзависимых белков, входящих в протеом сельскохозяйственных растений и микроорганизмов в почве, позволит выявить белки, участвующие в регулировании метаболизма. Полученные данные можно будет использовать для высокоточного управления за счет модуляции метаболизма как растений, так и микроорганизмов в агробиоценозе [7].

Цель работы – поиск и изучение метал-лзависимых белков доминирующих видов растений и представителей почвенной микробиоты агроценозов Волгоградской области.

Материалы и методы. Для изучения протеома и металлзависимых белков были отобраны доминирующие виды растений в трех агроценозах, территориально локализованных:

Городищенский (аллея Ракутина) и Светлоярс-кий (агрохозяйственая зона) муниципальные районы Волгоградской области и Советский район г. Волгограда (Горная поляна). Следующим этапом стало проведение биоинформационного анализа с использованием виртуального скрининга базы UniProt (www.uniprot. org) и GeneOntology . Предварительно были выбраны металлы: марганец, никель, кобальт, медь и цинк. Скрининг осуществлялся по следующим критериям: наличие в составе белка искомых металлов и возникновение взаимодействия с металлом. Для поиска использовались синонимические конструкты следующего типа – zincANDorganism: “Artemisiaabsinthium (Absinthwormwood) [72332]”. Производился поиск по металлам, входящим в кофактор, а также по атомам – в металлсвязывающих сайтах. Таким образом проводился отбор всех метал-лзависимых белков, которые содержат металл в своей структуре либо связываются с металлом для проявления своей активности. Структура базы знаний о металлзависимых белках строилась с помощью MicrosoftExel (США) и включала в себя следующие строки: по горизонтали название вида, названия металлов, по вертикали функции белков в организме, названия белков, id белков в UniProt. Также по вертикали включены данные из GeneOntology, которые позволяют более подробно отразить функционирование белка, эти сведения были найдены и для белков, у которых не аннотировано функций в UniProt. У металлзависимых белков были выбраны основные функции: фотосинтез (Фотосистема II), солеустойчивость, дыхательная цепь. У микроорганизмов: фотосинтез, дыхательная цепь, транспорт и метаболизм. Окончательная структура базы знаний о металлза-висимых белках может быть расширена за счет включения новых параметров, таких как состав кофактора или металлсвязывающего сайта, ссылки на публикации в PubMed.

Результаты и их обсуждение. Произведен поиск металлазвисимых белков представителей доминирующих видов растений и микроорганизмов агробиоценозов Волгоградской области в UniProt. Поиск проводился по названиям организмов, металлы регистрировались в графах по Functions / Cofactors и Function / Sites / Metalbinding. Все белки, содержащие и связывающие металлы, были разделены по входящим в них металлам и выполняемым функциям. В процессе изучения протеома растений было выяснено, что среди всех представителей агробиоценоза металлзависимые белки аннотированы у 6 видов: Amaranthus retroflexus L., Medicago sativa L., Melilotus officinalis L. Pall., Polygonum aviculare L., Convolvulus arvensis L., Hordeum vulgare L. (табл. 1).

Не аннотированы металлзависимые белки по следующим представителям агробиоценоза: Atriplex tatarica L., Lactuca tatarica L., Xanthium albinum (Widd.) H. Scholz & Sukopp, Vincetoxicum scandens (Kusn.) Litv., Descurainia sophia L., Lycopsis arvensis L., Tripleurospermum inodorum Sch. Bip., Rumex confertus W., Crepis teсtorum L., Artemisia absinthium L., Cichorium intybus L., Delphнnium dictyocarpum DC, Euphorbia seguieriana Neck., Lepidium perfoliatum L., Convolvulus arvensis L., Elytrigia repens (L.) Nevski, Euphorbia helioscopia L., Consolida regalis L., Artemisia austriaca Jacq., Artemisia lercheana Web. ex Stechm., Tragopogon dubius Scop., Delphinium consolida L., Achillea micrantha Willd., Stipa capillata L., Silene wolgensis Willd., Bromopsis inermis Holub., Bryum argenteum Hedw., Bromus inermis Leyss. , Filago arvensis L., Achillea millefolium L., Salvia aethiopis L., Centaurea ruthenica Lam., Poa pratensis L., Euphorbia seguieriana Neck, Scorzonera mollis M. Bieb., Lolium perenne L., Centaurea diffusa Lam, Onobrychis arenaria Kit., Medicago falcate L., Thlaspi arvense L., Turgenia latifolia L., Raphanus raphanistrum L.

Металлзависимые белки аннотированных в UniProt представителей агробиоценоза отвечают за выполнение функций, таких как фотосинтез (фотосистема II), регуляция клеточного цикла и метаболизма, биосинтез пигментов, участие в дыхательной цепи. Среди растений найдены такие металлзависимые белки, как марганец, медь и цинк.

У Amaranthus retroflexus L. как и Convolvulus arvensis L. по марганцу аннотированы 2 белка, отвечающие за фотосинтез, для Amaranthus retroflexus L. также выделены 2 белка по цинку с неизвестной функцией. У Medicago sativa L. аннотировано наибольшее количество металлзависимых белков – 27, 6 из которых связаны с марганцем и ответственны за функцию фотосинтеза, и 1 белок, содержащий медь, участвующий в дыхательной цепи. Остальные 10 белков, связанных с цинком, отвечают за уничтожение радикалов в клетках, солеустойчивость, протеолитическую активность, лигнификацию, регуляцию метаболизма и участие в обратимой гидратации углекислого газа.

У Melilotus officinalis L. Pall. найдены 6 белков, содержащих медь и марганец, отвечающих за фотосинтез и клеточное дыхание. У Polygonum aviculare L. найдены 2 белка, включающие медь и участвующие в дыхательной функции. В вегетативных органах Artemisia absinthium L. металлзависимых белков обнаружено не было. Hordeum vulgare L. имеет 246 ме-таллзависимых белка, из которых 115 аннотированы по марганцу (22), меди (3) и цинку (90). Белки, содержащие цинк, выполняют метабо-

Таблица 1

Металлзависимые белки, входящие в протеом доминирующих видов растений и почвенной микробиоты в агроценозах Волгоградской области (по данным UniProt)

Вид растения, произрастающего в агроценозе	Общее количество ме-таллзависи-мых белков	Металлзависимые белки с аннотированными функциями			Металлзависимые белки без аннотированных функций
		Mn	Cu	Zn	Mn	Cu	Zn
Растения
Amaranthus retroflexus L.	4	2	–	–	–	–	2
Medicago sativa L.	27	9	4	10	2	–	2
Melilotus officinalis L. Pall.	6	4	2	–	–	–	–
Polygonum aviculare L.	2	–	2	–	–	–	–
Convolvulus arvensis L.	2	2	–	–	–	–	–
Hordeum vulgare L.	246	22	3	90	11	13	107
Почвенная микробиота
Bacillus subtilis	5727	659	175	2045	574	301	1973
Род Actinomyces	4874	404	30	1906	545	246	1743

лические функции, а также участвуют в убик-	ные с марганцем, ответственны за образование
витинировании и последующей протеасомаль-	S-аденозилметионина из метионина и АТФ, уча-
ной деградации целевых белков. Белки, связан-	ствуют в защитных механизмах (табл. 2).

Таблица 2

Описание металлзависимых белков, входящих в протеом доминирующих видов растений в агроценозах Волгоградской области

Amaranthus retroflexus L.
Металлы	Функции
	Фотосинтез (Фотосистема II)
Mn	Q09JC5 / Photosystem II protein D1, Q09JC4 / Photosystem II protein D1
Cu	–
Zn	E3VW74 / Pollen allergen MetE, A0A0G2UR02 / 4,5-dioxygenase-like protein
Medicago sativa L.
Фотосинтез (Фотосистема II)
Mn	A0A1B3T069 / Photosystem II CP43 reaction center protein, A0A109RT53 / Photosystem II CP43 reaction center protein, A0A109RSW1 / Photosystem II protein D1, A0A1J0I0J9 / Photosystem II protein D1, A0A1J0I0H6 / Photosystem II CP43 reaction center protein, P04998 / Photosystem II protein D1
Cu	–
Zn	–
	Дыхательная цепь
Mn	–
Cu	A0A110BEA8 / Cytochrome c oxidase subunit 1
Zn	–
	Солеустойчивость
Mn	–
Cu	–
Zn	O82515 / Probable mannitol dehydrogenase
Polygonum aviculare L.
	Дыхательная цепь
Mn	–
Cu	B5LE17 / Cytochrome c oxidase subunit 1, B5LE18 / Cytochrome c oxidase subunit 1
Zn	–
Melilotus officinalis L.
	Фотосинтез (Фотосистема II)
Mn	A0A0K0LTI4 / Photosystem II CP43 reaction center protein, A0A0K0LTP9 / Photosystem II protein D1, A0A0K0LU62 / Photosystem II protein D1, A0A0K0LTJ5 / Photosystem II CP43 reaction center protein
Cu	–
Zn	–
	Дыхательная цепь
Mn	–
Cu	A0A110BC78 / Cytochrome c oxidase subunit 1, A0A109RU10 / Cytochrome c oxidase subunit 1
Zn	–
Convolvulus arvensis L.
	Фотосинтез (Фотосистема II)
Amaranthus retroflexus L.
Mn	Photosystem II CP43 reaction center protein, Photosystem II protein D1
Cu	–
Zn	–
Hordeum vulgare L.
	Фотосинтез (Фотосистема II)
Mn	Photosystem II CP43 reaction center protein, Photosystem II protein D1
Cu	–
Zn	–
	Дыхательная цепь
Mn	S-adenosylmethionine synthase, S-adenosylmethionine synthase 2, S-adenosylmethionine synthase 3
Cu	Cytochrome c oxidase subunit 1, Cytochrome c oxidase subunit 2
Zn	–

Установлено, что мелаллсодержащие белки отвечают за различные функции, такие как участие в фотосинтезе (преимущественно белки, содержащие марганец), в дыхании (медьсодержащие белки). Белки, содержащие цинк, участвуют в выполнении таких специфических функций, как лигнификация, синтез душистых веществ растения, а также поддержание солеустойчивости, регуляция синтеза жирных кислот.

В базе UniProt по Actinomyces weissii как основному представителю рода Actinomyces найдены 2 белка – шаперонины, которые не включают в себя металлы. В целом для рода Actinomyces, обнаружены 1906 цинкзависимых белков с аннотированными функциями и еще 1 743 белков, связанных с цинком, без аннотированных функций. Большая часть белков, включающих цинк, выполняет функцию регуляции экспрессии генов. Среди белков, связывающих медь, найдены 30 с аннотирован- ными функциями и 246 без аннотированных функций. Основная часть белков, включающих в состав медь, участвует в дыхательной цепи и связывании меди.

У представителей почвенной микробиоты аннотированные металлзависимые белки обнаружены у Bacillus subtilis, для которого они участвуют в регулировании ряда функций: участие в метаболизме, регуляция транспорта, фотосинтез (табл. 3). У представителей Bacillus subtilis функции в большинстве случаев связаны с белками, содержащими металлы. За функцию метаболизма ответственно большинство белков, связанных со всеми тремя металлами, среди которых цинк является наиболее значимым. Марганец в большей степени вовлечен в процессы гидролиза и разрушения биологических молекул, медь в основном участвует в дыхании, как и у растений, а цинк в большей степени – в превращении веществ, синтезе. В протеолитической ак-

Таблица 3

Описание металлзависимых белков, входящих в протеом доминирующих представителей почвенной микробиоты агроценозов

Волгоградской области

Род Actinomyces
Металлы	Функции
	Дыхательная цепь
Mn	–
Cu	Cytochrome c oxidase subunit 1
Zn	–
	Метаболизм
Mn	2-succinyl-5-enolpyruvyl-6-hydroxy-3-cyclohexene-1-carboxylate synthase, Probable cytosol aminopeptidase, D-alanine--D-alanineligasa
Cu	–
Zn	3-isopropylmalate dehydrogenase, ATP-dependent zinc metalloprotease FtsH, Ribonuclease J.
Bacillus subtilis
	Метаболизм
Mn	Riboflavin biosynthesis protein RibBA, GTPcyclohydrolase-2, 2,3-bisphosphoglycerate-independent phosphoglycerate mutase, Putative ADP-ribose pyrophosphatase YjhB, Alpha-galacturonidase, Inososedehydratase, 4-hydroxy-2-oxovalerate aldolase, 2-succinyl-5-enolpyruvyl-6-hydroxy-3-cyclohexene-1-carboxylate synthase, Tyrosine-protein phosphatase YwqE, Arginase, 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate reductoisomerase, 3-isopropylmalate dehydrogenase, Phosphopentomutase, Oxalate decarboxylase OxdC, Probable cytosol aminopeptidase, L-arginine-specific L-amino acid ligase, Methionine aminopeptidase 2, Ribonuclease HII, Putative peptide zinc metalloprotease protein YydH, Isoleucine-tRNA ligase, UvrABC system protein
Cu	–
Zn	HTH-type transcriptional repressor CzrA, 50S ribosomal protein L31 type B, Zinc-specific metallo-regulatory protein, Queuine tRNA-ribosyltransferase, Endoribonuclease YbeY, Primosomal protein N', Transcriptional repressor NrdR, Alanine--tRNA ligase, Threonine--tRNA ligase, Glutamate--tRNA ligase, DNA primase, Small ribosomal subunit biogenesis GTPase RsgA, 30S ribosomal protein S14 type Z, ComE operon protein 2, Ribonuclease Z, Phosphomethylpyrimidine synthase, Formamidopyrimidine-DNA glycosylase, Methionine-tRNA ligase, Cytidine deaminase, Ribonuclease J2, Ribonuclease J

Окончание таблицы 3

Дыхательная цепь Mn Formimidoylglutamase, Putative 8-oxo-dGTPdiphosphatase Cu Cytochrome c oxidase subunit 1, Quinol oxidase subunit 1, Copper-sensing transcriptional repressor CsoR, Cytochrome c oxidase subunit 2, Copper homeostasis protein CutC, Copper transport protein YcnJ, Polyphenol oxidase, Multidrug efflux protein YfmO Zn Molybdopterin-synthase adenylyltransferase, Allantoate amidohydrolase, 7-cyano-7-deazaguanine synthase, Phosphoribosyl-AMP cyclohydrolase, Protein translocase subunit SecA, Probable fructosebisphosphate aldolase, Adenylate kinase, 5-methylthioadenosine/S-adenosyl homocysteine deaminase, tRNA-specific adenosine deaminase, Methylthioribulose-1-phosphate dehydratase, 4-deoxy-L-threo-5-hexosulose-uronate ketol-isomerase, Phosphoheptose isomerase, Acetyl-coenzyme A carboxylase carboxyl transferase subunit beta, Metal-dependent carboxypeptidase, N-formyl-4-amino-5-aminomethyl-2-methylpyrimidine deformylase, Guanine deaminase, L-threonine 3-dehydrogenase Транспорт Mn Sporulation protein, Manganese efflux pump MntP, Membrane protein, Putative membrane protein, Integral inner membrane protein, Divalent metal cation transporter MntH, Manganese transport system ATP-binding protein MntB, Род Actinomyces Cu Copper-exporting P-type ATPase, SCO1 protein homolog, HTH-type transcriptional repressor YcnK, Copper chaperone CopZ, HTH-type transcriptional regulator YfmP, Zn High-affinity zinc uptake system binding-protein ZnuA, Zinc-transporting ATPase Фотосинтез Mn – Cu Plastocyanin Zn – тивности не участвуют белки, связанные с марганцем и медью. Белки, содержащие цинк, участвуют в транспортной системе Bacillus subtilis в качестве распределителей энергии АТФ. В транспорте веществ также участвуют белки, содержащие марганец и медь. Белки, содержащие цинк, участвуют также в защитных механизмах, в отличие от остальных металлзависимых белков. В обеспечении фотосинтеза участвует только один аннотированный медьсодержащий белок – пластоцианин.

Сравнивая металлзависимые белки доминирующих видов растений и представителей почвенной микробиоты, можно отметить, что металлсодержащие белки отвечают за формирование защитных механизмов (солеу-стойчивость и лигнификация клеток) относительно внешних стрессовых факторов, характерных для аридной зоны.

В фотосинтезе и энергетических обменах у растений, как и у представителей Bacillus subtilis, преобладают содержащие марганец и медь белки, что связано с производством АТФ и его использованием. Это может быть связано как с адаптацией к условиям окружающей среды на энергетическом уровне, так и с транспортом веществ через мембрану. Основными адаптационными функциями, исходя из аннотирования металлзависимых белков, являются транспортная и метаболическая.

Заключение. Поиск и анализ металлза-висимых белков, входящих в протеом доминирующих растений и почвенной микробиоты, показали, что на сегодняшний момент белковый состав не изучен у большинства произрастающих растений, входящих в состав типичных агроценозов аридной зоны на территории Волгоградской области. Данные, полученные в ходе исследования, могут быть использованы для высокоточного управления развитием агроценозов путем воздействия на металлзависимые механизмы растений и представителей почвенной микробиоты для обеспечения необходимого уровня эффективного природопользования и достижения оптимального экономического эффекта.