Биологические науки. 2. Структурная ботаника и биохимия растений

Вед. инж. Полякова В.А., н.с. Игнатьев А.Р.,

к.б.н. Новичкова Н.С., д.б.н. Романова А.К.

Государственное бюджетное учреждение науки Институт фундаментальных проблем биологии Российской академии наук

г. Пущино Московской области

Высечки из листьев как модель для изучения перестроек биохимических параметров при дефиците нитрата в донорном листе сахарной свеклы.

Фотосинтез листа сахарной свеклы (Beta vulgaris L.) в норме довольно устойчив к высокому содержанию сахарозы. В высечках из листьев, плавающих в воде или на ее поверхности при нормальном снабжении нитратом, при чередовании периодов света и темноты сохраняется способность к фотосинтезу и к дыханию. Но в результате задержки оттока метаболитов происходит многократное накопление глюкозы, что приводит к проявлению негативного сигнального эффекта, выражающегося в задержке синтеза белков фотосинтеза. В данной работе сахарную свеклу выращивали на промытом песке при светопотоке 250 мкЭ/с м², фотопериоде 16 ч и температуре 21º С/18º С (день/ночь). Умеренный дефицит нитрата создавали после 30 дней роста регулярным поливом полной смесью Кнопа (1N) переводом половины растений на смесь Кнопа, содержащую пятикратно разбавленный Ca(NO₃)₂ (вариант дефN). Увеличение содержания глюкозы в зрелых листьях инициировали экспонированием высечек из листьев на воде в условиях выращивания на протяжении 41 часа. Задачей данной работы было выявить эффекты дефицита нитрата и умеренного освещения на накопление глюкозы в высечках у растений сахарной свеклы. Общий возраст растений 75 ± 5 дней. Для сравнения реакции донорных листьев на стрессовые ситуации изменения характерных биохимических параметров рассчитывали в относительных величинах, принимая за 100% значения контрольного варианта (1N). Оценивали влияние дефицита нитрата на содержание продуктов, характерных для углеродного и азотного обмена, до и после экспонирования на воде высечек из самого старого (третьего снизу) листа. Для этого содержание метаболитов определяли традиционными методами: рУгл с реактивом фенол-серная кислота, содержание глюкозы – с глюкозооксидазой, содержание суммы хлорофиллов – в спиртовом экстракте, содержание белка - в экстрактах после осаждения 3% ТХУ; активность РБФК/О - в экстрактах из листьев с NaН¹⁴СО₃ после полной активации фермента при 25ºС; активность карбоангидразы – электрометрическим методом при 2.5ºС [1, 2]. Все значения биохимических параметров рассчитывали на 1 г исходной свежей массы листьев, измеренной до экспонирования. Приведены результаты типичного опыта из 5-ти–6-ти подобных.

Дефицит нитрата привел к незначительному снижению содержания рУгл и рБел и весьма умеренному - глюкозы (табл.1). Однако после экспонирования высечек в воде в результате задержки оттока фотометаболитов содержание рУгл и Глю в контроле увеличилось в 1.8 и 3.1 раза соответственно, а при дефN – в 1.7 и 2.1 раза. Снижение содержания Хл(a + b) при дефиците N менее, чем на 20%, но после экспонирования в воде снижения было более выражены: на 26.6% в варианте 1N и более, чем вдвое от исходного значения в дефN. Содержание белка по отношению исходному в варианте 1N изменялось очень мало при дефN как до, так и после экспонирования.

Таблица 1. Содержание метаболитов (мг/г свежей массы) в донорных листьях сахарной свеклы, выращенной на норме и при дефиците нитрата до и после экспонирования на воде.

Условия	рУгл		Глю*		Хл (a+b)		рБел
	1N	дефN	1N	дефN	1N	дефN	1N	дефN
До экспонирования	19.1	17.62	2.92	2.43	3.08	2.51	20.8	19.9
После экспонирования	35.02	31.56	9.16	6.23	2.26	1.44	22.4	19.8

*по средним из двух опытов

Таблица 2. Активность рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы и растворимой карбоангидразы (мкмоль/мин на г свежей массы) в донорных листьях сахарной свеклы, выращенной на норме и при дефиците нитрата до и после экспонирования на воде.

Условия	РБФК/О		рКА*
	1N	дефN	1N	дефN
До экспонирования	6.08	5.54	12556	8789
После экспонирования	5.44	4.76	3729	916

*Среднее из 5-ти независимых экспериментов

Изменение активности РБФК/О в донорных листьях сахарной свеклы, выращенной при дефиците нитрата (в %% к значению в исходном листе) было в пределах 10%, а снижение активности рКА достигало 30%. Экспонирование высечек из N-дефицитных листьев на воде умеренно снизило активность РБФК/О (на 21.9%), но активность рКА упала практически полностью (на 93.8%).

Сравнительно слабое воздействие дефицита нитрата на содержание метаболитов сахарной свеклы можно объяснить более слабым освещением и умеренным дефицитом нитрата при меньшем возрасте растений в данной работе по сравнению с предыдущими [1]. Заметно снижались только содержание Хл(a + b) и активность рКА. Инкубация на воде усилила все эффекты, но снова особенно сильно снизились содержание Хл(a+b) и катастрофически уменьшилась активность рКА. Отношение рУгл /рБел в 1N и дефN практически не различались и почти одинаково лишь в 1.5 раза увеличивалось после инкубации. В других условиях это увеличение, которое трактуется как признак старения листа (или растения), было больше:

Условия	рУгл/рБел		Глю/рУгл
	1N	дефN	1N	дефN
До экспонирования	0.92	0.89	0.15	0.14
После экспонирования	1.40	1.59	0.26	0.20

Отношения рУгл /рБел и Глю/рУгл после инкубации в воде заметно повысились.

Можно заключить, что пятикратно разбавленный нитрат в питательной смеси Кнопа, используемой для подкормки дважды неделю, не являлся остро- недостаточным, т.к. гомеостаз листа, по крайней мере, по содержанию рУгл, глюкозы и рБел сохранялся. Исключение составляли значительные снижения содержания Хл(a + b) и активности рКА, что позволяет предполагать отличия механизмов их регуляции на тканевом уровне в данных условиях. Накопление глюкозы после экспонирования как нормальной, так и нитрат-дефицитной высечек было явно недостаточным для проявления негативного сигнального эффекта, который ранее наблюдался на примере РБФК/О, в более жестких условиях нитратного дефицита [1, 3]

Литература.

1. Новичкова Н.С., Романова А.К., Игнатьев А.Р., Мудрик В.А., Пермяков С.Е., Иванов Б.Н. Физиология растений. 2008. Т. 55. С. 219–229. 2. Романова А.К., Семенова Г.А., Новичкова Н.С., Игнатьев А.Р., Мудрик В.А., Иванов Б.Н. Физиология растений. 2011. Т. 58. С. 22–33. 3. Романова А.К., Новичкова Н.С., Игнатьев А.Р., Найдов И.А., Полякова В.А.. Физиология растений. 2014. Т. 61. С. 536–545.