Сезонная динамика суммарных белков и дегидринов в почках березы плосколистной, растущей в криолитозоне

Береза плосколистная ( Betula pendula var. platyphylla ) является основной лесообразующей лиственной породой в Центральной Якутии. Как виду, участвующему в формировании лесного покрова, стабилизирующего многолетнемерзлые грунты (криолитозона), ей отводится важная природоохранная роль. Регион характеризуется резко континентальным климатом с максимальными годовыми перепадами температур более 100°С. В этих условиях адаптационный потенциал березы не уступает таковому лиственницы Каяндера ( Larix cajanderi Mayr) – самому морозоустойчивому в мире древесному виду, доминанту восточно-сибирской тайги [3]. Степень морозоустойчивости подвержена сезонным изменениям в зависимости от колебаний температуры, эти процессы называются сезонными холодовым закаливанием (акклимация) и раззака-ливанием (деакклимация). Способность березы к формированию уровня морозоустойчивости, позволяющего пережить экстремальный холод, определяется, наряду с другими причинами, экспрессией генов, кодирующих Cor (cold-regulated) – полипептиды. К последним относятся водорастворимые белки-дегидрины, индуцируемые обезвоживанием, относящиеся ко II группе суперсемейства LEA-белков (late embryogenesis abundant) [6]. Дегидрины задействованы в стабилизации макромолекул и мембран.

Цель работы: выявление закономерностей сезонных изменений, состава и содержания суммарных белков, в том числе основных стрессовых

Васильева Ирина Вениаминовна, аспирантка

Бубякина Виктория Витальевна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник белков – дегидринов, ассоциированных с формированием морозоустойчивости почек березы плосколистной, произрастающей в криолитозоне.

Объекты и методы. Сбор материала проводили в 2009 г. на территории Ботани-ческого сада Института биологических проблем криолитозоны СО РАН (62°15' с.ш., 129°37' в.д.). Объектом исследования явилась береза плосколистная (Betula pendula var. platyphylla ). Отбор проб почек с 6 экземпляров берез проводили ежемесячно, кроме июня, когда они еще не сформированы. Температурные показатели в год наблюдений были в пределах среднемноголетней нормы для Центральной Якутии (табл.). Для выделения суммарных белков из почек березы использовали методику [5]. Белковое содержание определяли методом Лоури с помощью набора (Bio-Rad, США). Электрофорез проводили в 13% SDS-PAGE [7]. На треки наносили равные количества белка (15 мкг). Иммуноблоттинг проводили в соответствии с методикой [9]. На рисунках приведены данные для характерного экземпляра березы (Ya4). Деакклимацию почек березы Ya7, находящихся в покое (середина марта), изучали в лабораторных условиях при проращивании веток при комнатной температуре (+25°С). Через определенные суточные промежутки (7, 10, 14 дней) брали образцы почек березы для изучения суммарных белков и дегидринов. Определение общего содержания воды в почках проводили после высушивания в сушильном шкафу при 105°С до постоянной массы.

Результаты и их обсуждение. Самое высокое содержание влаги в органах березы наблюдается в июле (табл.). С июля по август с уменьшением длины дня и температуры воздуха происходит значительное снижение содержания влаги. Одновременно в августе отмечается появление некоторых групп белков, в том числе дегидринов (рис. 1).

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 14, №1(8), 2012

Таблица. Средние и минимальные температуры воздуха, длина дня и содержание влаги в почках березы плосколистной во время отбора проб (г. Якутск, 2009 г.)

Дата отбора проб
20.01	10.02	16.03	15.04	26.05	-
27.07	27.08	21.09	12.10	19.11	09.12
темп. воздуха перед отбором проб, с				ред./мин
-34,0 -36,0	-41,5 -43,5	-14,5 -23,5	-13,5 -18,0	12,5 6,5	--
20,0 12,5	8,5 5,0	3,5 0,0	1,5 0,0	-30, 5 -32,5	-29,0 -32,5
длина дня
6 ч. 30 м.	8ч. 26 м.	11ч. 48 м.	14ч. 47 м.	18ч. 37 м	-
17ч. 48 м.	14ч. 51 м.	12ч. 24 м.	10ч. 20 м.	6 ч. 40 м.	5 ч. 21 м.
содержание влаги в побегах, %
39,3±0,6	38,8±0,7	39,4±1,3	39,2±0,3	45,9±0,3	-
59,1±0,4	45,9±0,3	44,0±0,3	44,2±0,1	42,7±0,3	41,2±0,3

К основным белкам в суммарном спектре во время покоя относятся полипептиды с молекулярными массами 17, 26, 27 кДа. Содержание этих белков резко падает весной (май) после значительного повышения среднесуточных температур. Во время вегетации к мажорным белкам можно отнести полипептиды с молекулярными массами 39, 51 и 68 кДа. Хотя функции мажорных белков в период покоя не известны, особенности их сезонной динамики позволяют предположить, что среди них могут быть запасающие и иные полипептиды, ассоциированные с перезимовкой.

Я1ш. Фев. Мирт Аир. Май Июль Авт. Сент. Окт. Нояб. Дек. Месяцы

Рис. 1. Спектр суммарных белков почек B. pendula var. platyphylla. Слева – молекулярные массы маркеров, справа – молекулярные массы полипептидов с сезонной динамикой

Среди суммарных белков выявлены полипептиды, иммунохимически родственные дегидринам. Мажорные дегидрины группируются в низко- и среднемолекулярных областях (рис. 2). Дегидрины с молекулярными массами 66 и 69 кДа наблюдались круглогодично. Их количество заметно падало в летний период. Наибольшим сезонным изменениям подвержены низкомолекулярные дегидрины (15, 17 кДа), которые обнаруживались во время покоя деревьев. Они уменьшались в мае, когда температура увеличивалась. Эти белки не обнаруживались летом и вновь появлялись в августе.

Янв. Фев. Март Аир. Май Июль Abi. Сент. Окт. Нояб. Дек.

Рис. 2. Спектр дегидринов почек березы плосколистной B. pendula var. platyphylla. Слева указаны молекулярные массы маркеров, справа – молекулярные массы дегидринов

Для подтверждения ассоциированности дегидринов с процессом формирования морозоустойчивости были проведены эксперименты по искусственной деакклимации. Ветки берез, помещенные в сосуды с водой в состоянии вынужденного покоя, распустились за 14 суток. Количество 17 кДа-дегидрина на 7 сутки упало на 10% от контрольного и на 14 сутки его потеря составила 90% (рис. 3).

Значительный синтез дегидринов, вероятно, связан со снижением содержания воды в растениях и ростом морозоустойчивости в период подготовки к зиме, что подтверждается данными других исследователей [10]. Уровень дегидринов у березы плосколистной является самым высоким в период покоя, когда морозоустойчивость достигает максимума. Об этом свидетельствует также низкая тканевая проницаемость, фиксируемая с помощью электрофизиологических методов [1, 2].

В период возобновления роста побегов весной (май) происходит деакклимация, которая сопровождается резким снижением низкомолекулярных дегидринов и морозоустойчивости. Самый низкий уровень дегидринов наблюдается в период вегетации. Другие исследователи также отмечали связь между накоплением дегидринов у древесных растений умеренных зон и уровнем их устойчивости к холоду [10]. Количество 17, 66 и 69 кДа дегидринов в период с октября по апрель оставалось без заметных колебаний на высоком уровне. Насколько нам известно, идентифицированные в данной работе низко- и среднемолекулярные дегидрины ранее у берез не описывались. Вместе с тем, сходные по молекулярным массам дегидрины, индицируемые холодом, найдены у Vaccinium co-rymbosum (14 и 65 кДа) [8] и Citrus unshiu (19 кДа) [4].

Рис. 3. Изменение уровня дегидринов при лабораторной деакклимации (+25°С). Справа – молекулярные массы дегидринов. 1 – контроль, 2-7 дней, 3-10 дней, 4 – 14 дней

Выводы: впервые обнаружены низкомолекулярные (15 и 17 кДа) и среднемолекулярные (66 и 69 кДа) дегидрины со стабильно высоким содержанием во время покоя в почках березы плосколистной. Предполагается их непосредственное участие в формировании морозоустойчивости растений к экстремально низким зимним температурам в условиях резко континентального климата криолитозоны.

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