Влияние углеводов на биосинтез нуклеиновых кислот и белков в прорастающих семенах пшеницы сорта Бурятская остистая

Введение . Значительное количество научных исследований связано с поиском возможностей стимулирования роста и развития растений, стабилизации урожая, повышения неспецифической устойчивости к различного рода абиотическим и биотическим стрессам. Развитие и продвижение этих технологий невозможно без глубокого понимания механизмов процессов прорастания семян, сопровождающихся активацией генома и различных физиолого-биохимических процессов.

Известно, что нуклеиновые кислоты выполняют важнейшую роль в метаболических процессах, протекающих в растениях. Суммарное количество ДНК и РНК, их соотношение, форма нахождения (лабильная и стабильная фракции), способность образования ассоциатов с другими макромолекулами и иные факторы оказывают значительное влияние на характеристики развития растений, их урожайность и адаптивные свойства.

По литературным данным, количественный и фракционный состав нуклеиновых кислот можно изменять под действием регуляторов роста и развития растений [1–2], особенностей произрастания [3], регуляции температурного режима с использованием, в частности, специфических белков [4–5]. Содержание нуклеиновых кислот, а также соотношение ДНК и РНК существенным образом зависят от сроков хранения семян [6] и региона выращивания [7].

Нуклеиновые кислоты, содержащиеся в растениях как продуктах питания, оказывают большое влияние на метаболические процессы в животных организмах, в частности в организме человека. Они способны активировать рецепторы, запускающие транскрипцию генов, встраиваться в физиологические процессы, влияющие на активность генома человека [8].

Биосинтез и физиологическая деятельность нуклеиновых кислот неотъемлемо связаны с биосинтезом белка, биологическая роль которого во множественных аспектах также бесспорна.

Процессы биосинтеза нуклеиновых кислот, белков, ферментов и иных участников обменных процессов в растениях активизируются при прорастании семян. Именно поэтому в настоящее время широко используются продукты переработки проросших семян, в частности пшеничных зародышей [9].

Таким образом, наиболее значительные изменения количественного и фракционного содержания нуклеиновых кислот происходят в процессе прорастания семян с последующей экстраполяцией этих изменений на особенности белкового, ферментативного, углеводного, липидного обменов в растениях и, как следствие, показателей развития, урожайности и питательной ценности растений.

Углеводы играют значительную роль в энергетическом жизнеобеспечении клеток зародыша, выходящего из покоя, путем поддержания достаточно сложного комплекса окислительновосстановительных реакций. Промежуточные продукты метаболизма углеводов являются связующим звеном между обменом аминокислот и нуклеотидов.

Цель исследования. Изучение влияния простых и сложных углеводов на общее содержание нуклеиновых кислот и содержание суммарного белка в проросших семенах пшеницы сорта Бурятская остистая.

Объекты и методы исследования. Семена пшеницы сорта Бурятская остистая урожая 2018 года проращивали в растворах углеводов: простых (глюкоза, сахароза) и сложных (арабиногалактан). Температура проращивания составляла

24–26 °С. Продолжительность проращивания – 3 суток. Концентрация сахаров в растворах для проращивания – 0,1 % (масс). Повторность опытов – трехкратная.

Суммарное содержание нуклеиновых кислот в проросших зернах пшеницы определяли спектрофотометрическим методом по методике, изложенной в работе [10]. Общее содержание белков определяли также спектрофотометрически по методике [11].

Результаты и их обсуждение. По результатам исследования, среда для прорастания значительно влияет на показатели прорастания семян пшеницы сорта Бурятская остистая.

Как следует из данных, представленных на рисунке 1, биосинтез нуклеиновых кислот усиливается при прорастании семян в растворах всех углеводов по сравнению с контролем (вода). При этом, как и следовало ожидать, наибольшей эффективностью биосинтеза нуклеиновых кислот характеризуются проростки. При прорастании семян в растворах простых углеводов (глюкоза, сахароза) содержание нуклеиновых кислот почти одинаковое, а растворы сложного углевода (арабиногалактан) обеспечивают резкое увеличение содержания нуклеиновых кислот в проростках.

Рис. 1. Зависимость суммарного содержания нуклеиновых кислот в семенах пшеницы от среды для прорастания

В зерновках биосинтезу нуклеиновых кислот (в значительно меньшей степени, чем для проростков) способствуют растворы сахарозы. В растворах арабиногалактана и глюкозы показатели примерно одинаковые.

В целом для проросших зерен пшеницы благоприятное влияние среды для прорастания на суммарное содержание нуклеиновых кислот усиливается в ряду вода – глюкоза – сахароза – арабиногалактан.

Влияние среды для прорастания семян пшеницы на содержание общего белка (рис. 2) имеет несколько иной характер, чем для нуклеиновых кислот, хотя есть и общие закономерности. В частности, следует отметить, что наиболее активно биосинтез белков, как и биосинтез нуклеиновых кислот, протекает в проростках. При этом наибольшее содержание белка в проростках выявлено для растворов сахарозы, минимальное из исследуемых сахаров – для растворов арабиногалактана.

Рис. 2. Зависимость содержания суммарных белков в семенах пшеницы от среды для прорастания

Кривая для зерновок в определенном смысле симметрична кривой для проростков, а именно: чем больше содержание белков в проростках, тем меньше в зерновках.

Последовательность увеличения содержания белка в проросших зернах пшеницы в зависимости от среды для прорастания имеет вид вода – арабиногалактан – глюкоза – сахароза.

Представляет интерес взаимосвязь содержания нуклеиновых кислот и белков в проросших семенах пшеницы относительно исходного их содержания в сухих зернах. Соответствующие показатели для сухих зерен пшеницы: суммарное содержание нуклеиновых кислот – 22 мг%, общий белок – 141 мг/г.

По данным, представленным на рисунке 3, в проростках для растворов глюкозы и сахарозы показатели увеличения содержания нуклеиновых кислот и белков по сравнению с сухими зернами практически совпадают. В воде эффективность биосинтеза белков несколько выше, чем нуклеиновых кислот. И наибольшая разница этих процессов наблюдается для растворов арабиногалактана: содержание нуклеиновых кислот резко возрастает по сравнению с другими растворами, а содержание белка, напротив, снижается по сравнению с растворами простых углеводов.

Рис. 3. Содержание нуклеиновых кислот и белков в проросших семенах пшеницы по отношению к сухим зернам

В научных публикациях обсуждаются результаты изучения взаимосвязи процессов биосинтеза белков и нуклеиновых кислот [12], влияния факторов на биосинтез белков в злаковых культурах [13–14], и конкретизация полученных данных требует более глубокого изучения этих процессов. Что касается арабиногалактана, то можно предположить, что одной из причин особенного его влияния на процессы биосинтеза белка в семенах пшеницы является то, что в состав макромолекулы природного полисахарида арабиногалактан входят остатки галактозы и арабинозы, и продукты гидролиза арабиногалактана могут особенным образом участвовать в метаболических процессах в растении.

В зерновках при проращивании зерен в растворах сахаров содержание нуклеиновых кислот увеличивается по сравнению с сухими зернами, а белка – снижается.

Выводы

• 1.    Наличие углеводов в растворах для прорастания семян пшеницы сорта Бурятская остистая существенно влияет на эффективность

• 2.    Биосинтез нуклеиновых кислот усиливается при прорастании семян в растворах всех углеводов по сравнению с контролем (вода). При прорастании семян в растворах простых углеводов (глюкоза, сахароза) содержание нуклеиновых кислот почти одинаковое, а растворы сложного углевода (арабиногалактан) обеспечивают резкое увеличение содержания нуклеиновых кислот в проростках. В целом для проросших зерен пшеницы благоприятное влияние среды для прорастания на суммарное содержание нуклеиновых кислот усиливается в ряду: вода – глюкоза – сахароза – арабиногалактан.

• 3.    Наибольшее содержание белка в проростках выявлено для растворов сахарозы, минимальное из исследуемых сахаров – для растворов арабиногалактана. Последовательность увеличения содержания белка в проросших зернах пшеницы в зависимости от среды для прорастания имеет вид: вода – арабиногалактан – глюкоза – сахароза.

• 4.    По сравнению с сухими зернами в проростках для растворов глюкозы и сахарозы показатели увеличения содержания нуклеиновых

биосинтеза нуклеиновых кислот и белков в прорастающих зернах.

кислот и белков практически совпадают. Наибольшая разница этих процессов наблюдается для растворов арабиногалактана: содержание нуклеиновых кислот резко возрастает по сравнению с другими растворами, а содержание белка, напротив, снижается по сравнению с растворами простых углеводов.

В зерновках при проращивании зерен в растворах сахаров содержание нуклеиновых кислот увеличивается по сравнению с сухими зернами, а белка – снижается.