Сотрудники Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН изучили воздействие высокой температуры на яровую пшеницу. В частности, выяснилось, что в устойчивость этого растения к тепловому стрессу вовлечена альтернативная оксидаза митохондрий. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Plant Physiology.
Высокая температура негативно влияет на развитие растений и снижает их продуктивность. Будет ли культура устойчива к стрессу, определяется тем, насколько ее клетки обеспечены энергией. «Именно от этого зависит ответ на стрессовое воздействие. Если энергии достаточно, и она тратится в нужном русле, то растение выживает, адаптируется, если нет — в конечном итоге погибает», — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории физиологической генетики СИФИБР СО РАН кандидат биологических наук Ольга Андреевна Боровик.
Основные процессы, поставляющие и преобразующие энергию в клетках растений, — фотосинтез и дыхание. В результате фотосинтеза происходит синтез сахаров, которые используются для дыхания, поддержания роста и развития. Однако этот механизм оказывается чрезвычайно восприимчивым к влиянию высоких температур.
«К высоким температурам очень чувствительны мембраны, в том числе мембраны хлоропластов и митохондрий. Происходят структурные изменения в клетке, инактивируются многие ферменты, усиливается дыхание, ингибируется фотосинтез, истощается или ограничивается пул доступных восстановительных эквивалентов и сахаров, и растение погибает. Как внешне листья увядают, так и на физиолого-биохимическом уровне происходит угасание многих процессов, — говорит исследовательница. — В последнее время активно изучается взаимодействие фотосинтеза и дыхания. Предполагается, что в стрессовых условиях второй процесс участвует в поддержании первого. Важная роль здесь отводится альтернативным ферментам дыхания — тем, которые выступают заменой основным, если происходит ограничение их функционирования. Один из таких ферментов — альтернативная оксидаза митохондрий».
Сотрудники СИФИБР СО РАН изучили, как тепловое закаливание и тепловой стресс влияют на выживаемость яровой пшеницы, на синтез белков теплового шока и содержание водорастворимых углеводов в листьях, а также на функционирование изолированных хлоропластов и митохондрий. Для исследования взяли распространенный в Сибири сорт «новосибирская-29». В первую очередь ученые подбирали такие условия теплового закаливания, чтобы растение смогло выдерживать длительное воздействие высоких температур. Контейнеры с проростками пшеницы на 24 часа помещали в камеру при температуре 39 °C. Затем их подвергали воздействию 50 °C в течение одного и трех часов. После листья исследовали на содержание в них водорастворимых углеводов, белков теплового шока, белка альтернативной оксидазы. Ученые выделяли из листьев митохондрии, очищали их от хлоропластов и определяли функционирование альтернативной оксидазы.
Эксперименты показали, что вклад альтернативной оксидазы и содержание ее белка увеличивается при тепловом закаливании и поддерживается на высоком уровне при воздействии теплового стресса. «Мы продемонстрировали, что этот фермент участвует в развитии термотолерантности растения. Благодаря ему культура более устойчива к воздействию высоких температур. Мы предположили, что альтернативная оксидаза участвует в поддержании фотосинтеза и помогает растению адаптироваться к тепловому стрессу», — рассказывает Ольга Боровик.
Также было показано, что функционирование альтернативной оксидазы зависит от пула водорастворимых углеводов. «До сих пор в мировой литературе были противоречивые сведения на этот счет. В нашем исследовании мы увидели: когда сахаров много, вклад этого фермента в дыхание увеличивается», — отмечает исследовательница.
Одной из причин активации альтернативной оксидазы может быть увеличение содержания в хлоропластах и митохондриях пероксида водорода, который выполняет сигнальную функцию. В следующих экспериментах ученые СИФИБР СО РАН будут проверять эту гипотезу. В перспективе результаты таких исследований можно будет использовать для создания сортов пшеницы, наиболее устойчивых к воздействию высоких температур.
Эта исследовательская работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 17-74-10096 Президентской программы исследовательских проектов «Проведение инициативных исследований молодыми учеными».
Диана Хомякова, газета «Наука в Сибири».
Фото предоставлено исследователями.