Биологические науки (молекулярная биология)

Філонік І.О.

Науково-дослідний Інститут біології Дніпропетровського національного університету ім. О. Гончара, пр. Гагаріна, 72, м. Дніпропетровськ, 49010, Україна

дослідження білкового та амінокислотного обмінів і системи протеолізу за дії ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У ПРОРОСТАЮЧОМУ ЗЕРНІ КУКУРУДЗИ в умовах  ПІДВИЩЕНОЇ ТЕМПЕРАТУРИ

Забруднення навколишнього середовища важкими металами та іншими хімічними викидами, які надходять з промислових підприємств, в умовах потепління клімату в останній час викликає необхідність досліджень впливу токсикантів, а також підвищених температур на ріст, розвиток та біохімічні процеси у сільськогосподарських рослин на ранніх етапах розвитку. Тому вивчення змін білкового та амінокислотного обмінів, функціонування  протеолітичної системи у проростаючому зерні кукурудзи за дії важких металів, підвищених температур та комплексу цих факторів є дуже актуальним, оскільки дозволяє виявити влив важких металів на рослинний організм у цілому та процеси протеолізу білків у клітині також і в умовах підвищених температур вже на ранніх етапах онтогенезу рослин.

Реакція рослин до дії негативних факторів зовнішнього середовища проявляється в їх адаптивних можливостях, стійкості до несприятливих факторів, але вплив підвищеної температури та важких металів на сільськогосподарські культури вивчено досить мало і недостатньо та потребує нових досліджень. Так, виявлено, що температура поблизу +40°С для насіння багатьох видів рослин є критичною і пригнічує проростання. На зародках кукурудзи показано, що підвищена температура +41°С може впливати на біосинтез білка та мРНК [6]. Встановлено, що температура +42°С та іони свинцю впливають на поліморфізм цитозольних білків клітин кореневих меристем 10-добових рослин кукурудзи. При цьому екстремальні температури індукують зміни експресії генів, що проявляються в інгібуванні загального синтезу білків та синтезі специфічних білків теплового шоку [1]. Однією з причин змін складу білків за дії свинцю та температури є активація або репресія регуляторних генів, які можуть спричиняти посилення інтенсивності біосинтезу білків або катаболічних явищ [1]. Поглинання рослинами свинцю з грунту призводить до його значної акумуляції та практично іммобілізації у коренях. Лише 3% свинцю, накопиченого у коренях, здатні транспортуватися у надземну частину рослин [2]. Кадмій є дуже фітотоксичним, що призводить до зниження продуктивності рослин та акумуляції металу в сільськогосподарських культурах до рівнів, що перевищують гранично допустимі норми, та збільшення негативного впливу на тваринний та людський організм [3]. Нікель є досить токсичним полютантом, який поступає у навколишнє середовище з викидами металообробних підприємств і при спалюванні вугілля та нафти. Осад стічних вод і фосфатні добрива також є важливими джерелами його надходження в грунти [2]. Серед важких металів нікель виділяється крім особливо високої токсичності ще й великою швидкістю його переміщення в надземні органи, він також негативно впливає на ріст рослин [4].
 У цілому рослини більш стійкі до високих концентрацій металів у грунті, ніж до середніх чи низьких [2]. Ріст різних сільськогосподарських культур може уповільнюватися внаслідок контамінації важкими металами [5].

Досліджено дію Cd2+, Pb2+, Ni2+ (10-4 моль/л, 10-5 моль/л), підвищених температур (+42°С, +48°С ; 5, 9, 24 год.) та їх сумісного впливу на ріст та розвиток рослин кукурудзи гібриду Любава МВ (середньостиглий). Виявлено пригнічення росту пагонів та коренів проростків гібриду кукурудзи у більшості варіантів дослідів за дії важких металів та їх комплексу з підвищеними температурами. Менші концентрації металів в окремих випадках у комплексі з підвищеною температурою у більшій мірі пригнічували ріст проростків, також більш негативно впливала на розвиток рослин температура +48°С.

 Знайдено у більшості зниження вмісту водорозчинних білків у проростаючому зерні кукурудзи (на 20-50%) під впливом самих важких металів, підвищеної температури (+42°С) та їх сумісної дії, в чому проявлявся токсичний вплив цих екзогенних факторів, який міг приводити до зниження інтенсивності біосинтезу білків або прискорення їх катаболізму. Тільки свинець та нікель, а також їх сумісна дія з недовготривалим впливом підвищеної температури (9 год.) та комплекс малих концентацій цих металів з температурою (24 год.) приводили до підвищення вмісту водорозчинних білків, що може бути результатом виявленого зниження активності нейтральних протеїназ за негативної дії вивчених факторів. Вплив однієї підвищеної температури викликав зростання активності нейтральних протеїназ, що приводило до активації розщеплення білків та зниження їх вмісту у проростаючому зерні кукурудзи.

Підвищення температури до +48°С викликало підвищення вмісту водорозчинних білків у зерні при проростанні, як за дії самих металів, так і при сумісній дії важких металів з температурою та за дії однієї підвищеної температури (у 1,5-3 рази), що теж відбивало негативний вплив досліджуваних факторів та могло свідчити про затримку ростових процесів у проростках кукурудзи. Тільки на ранніх етапах (6-7доби) в окремих випадках відмічено зниження вмісту водорозчинних білків за дії токсикантів та підвищеної температури. Активність нейтральних протеїназ за дії кадмію підвищувалась у проростаючому зерні, свинець дещо пригнічував їх активність, а під впливом нікелю вона значно знижувалась (у 1,4-3 рази), що свідчило про його більшу токсичність. При сумісній дії важких металів та недовготривалої підвищеної температури (5 год.)  відмічено підвищення активності нейтральних протеїназ. Але при комплексній дії металів та більш довготривалої температури ( 9, 24 год.) виявлено редукцію активності нейтральних протеїназ, що викликало підвищення вмісту нерозщеплених водорозчинних білків, в чому проявлялась токсичність сумісного впливу двох негативних факторів. Нікель при цьому проявляв найбільшу токсичну дію.

 Вільні амінокислоти, які утворюються як за рахунок розщеплення білків, так і при їх біосинтезі є дуже важливими складовими клітин рослин, особливо при стресах. Відмічено підвищення вмісту вільних амінокислот у зерні при проростанні за дії важких металів (на 7% - 20% ), температури (+48°С) (на 4% - 9%) та їх сумісної дії (на 3% - 13%), що могло відбуватися за рахунок посилення їх біосинтезу та підвищення активності протеїназ, як захисна реакція рослинного організму. Після дії температури сумісно з металами на більш пізніх етапах вміст вільних амінокислот знижувався нижче контролю, що відбивало негативний вплив (особливо нікелю) вивчених факторів та можливу недостачу вільних амінокислот для  білкового синтезу. У коренях  виявлено зниження вмісту вільних амінокислот (на 2% -  8%) за дії самих металів та  сумісно з температурою (на 7 – 9 доби).

  Інгібітори протеїназ, які є регуляторами процесу ендогенного протеолізу, входять до захисної системи рослин, пригнічуючи активність протеїназ шкідливих комах та фітопатогенних мікроорганізмів, вони є важливими складовими клітинного метаболізму білків, особливо при стресах та за дії токсичних сполук. Виявлено, що якщо на ранніх етапах (6 доба) за дії металів активність інгітора трипсину була знижена у проростаючому зерні кукурудзи, то потім (7 -  9 доби) під впливом самих металів, однієї підвищеної температури (+42°С) та при сумісній дії металів та температури активність інгібітора трипсину підвищувалась (антагонізм дії двох факторів), як посилення захисних функцій рослин. Це  приводило до зниження активності нейтральних протеїназ та узгоджувалось з підвищенням вмісту водорозчинних білків. Активність інгіботора хімотрипсину у проростаючому зерні кукурудзи за дії досліджуваних факторів головним чином підвищувалось, що теж відбивало посилення адаптивних та захисних реакцій  рослин. Тільки за дії нікелю на ранніх етапах розвитку рослин та при сумісній дії кадмію та довготривалої підвищеної температури (+42°С, 24 год.) виявлено зниження активності інгібітора хімотрипсину, що свідчило про значну токсичність цих факторів при данних варіантах впливу на рослини.

  При підвищенні температури до +48°С сама дія підвищеної температури та її сумісний вплив з важкими металами пригнічували активність обох інгібіторів протеаз у проростаючому зерні кукурудзи. Виявлено при цьому антагонізм дії двох факторів, а в окремих випадках і синергізм негативного впливу важких металів та підвищеної температури. Знайдене зниження  рівня активності інгібіторів трипсину та хімотрипсину свідчило про зниження захисних властивостей рослин та в окремих випадках приводило до підвищення активності нейтральних протеїназ.

  У цілому виявлені зміни вмісту водорозчинних білків, вільних амінокислот і активності протеїназ та інгібіторів у проростаючому зерні кукурудзи за дії свинцю, нікелю, кадмію та підвищених температур свідчили про більш негативний вплив більш високої температури (+48°С) та їх комплексної дії на систему протеолізу та білковий і амінокислотний обміни в насінні кукурудзи при проростанні. Нікель також проявляв більш токсичну дію на сільськогосподарські рослини. Вплив важких металів у комплексі з температурою проявлявся також у змінах системи протеолізу в зерні при проростанні, активації процесів розщеплення білків та зниження активності інгібіторної системи. Зміни вмісту водорозчинних білків та активності нейтральних протеїназ  та інгібіторів протеолізу відбивали здатність рослинного організму до активації адаптивних процесів за дії стрес факторів, а в окремих випадках відмічено навіть пригнічення цих процесів. Отже, при забрудненні грунтів важкими металами та при глобальному потеплінні і підвищенні температури середовища, що є зараз у Дніпропетровському регіоні, вже на ранніх етапах проростання насіння сільськогосподарських рослин знижуються захисні та адаптивні властивості рослин і навіть менші концентрації важких металів (10-5 моль/л) приводять до руйнівних змін у метаболізмі білків і амінокислот. Це надалі приводить до затримки росту і розвитку рослин та зниження їх продуктивності, що необхідно приймати до уваги при вирощуванні зернових культур у промислових регіонах.

 

Література

1. Войников В.К., Боровский Г.Б. Роль стрессовых белков в клетках при гипертермии // Успехи современной биологии:  - 1994. – Т.114, №1. – С. 85 – 95.  

2. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. - М.: Мир, 1989. – 439с.

3. Серегин И.В., Иванов В.Б. Физиологические аспекты токсического действия кадмия и свинца на высшие растения // Физиология растений. – 2001. -  Т.48,  №4. – С. 606 –  630.  

4. Темп Г.А. Никель в растениях в связи с его токсичностью //  Устойчивость к тяжелым металлам дикорастущих видов / под ред. Алексеевой – Поповой   Н.В. Л.: Ленуприздат, 1991. – С. 139 – 146.

5. Шевченко О.В., Будзанівська І.Г., Патика В.П., Бойко А.Л.,Поліщук В.П. Вплив забруднення довкілля важкими металами на розвиток вірусної інфекції рослин // Агроекологічний журнал. – 2002. - спец.вип. – С. 62-72.

6. Ougham H. J., Peacock J. M. etc. High Temperature Effects on Seedling Emergence and Embryo Protein Syntesis of Sorghum // Crop. Sci. – 1988. – V.28, N2. – P. 251 – 253.