Статья: ФОТОСИНТЕЗ: ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ (2023)

Проведена комплексная оценка изменений, происходящих при потемнении каллуса, полученного из вегетативных почек 40-летних деревьев сосны обыкновенной Pinus sylvestris L. На основании биометрической оценки каллуса (интенсивность каллусообразования, доля светлого каллуса, масса каллуса) из 32 проанализированных деревьев (16 генотипов, представленных двумя клонами) выделили два генотипа с высокой каллусообразующей способностью. Анализ митоза показал, что хотя доля аберрантных клеток в каллусе не превышает нормы спонтанного мутирования для P. sylvestris, спектр нарушений на стадии мета-, ана- и телофазы в каллусной культуре был шире по сравнению с таковым у семенного потомства тех же деревьев сосны. Потемнение каллуса сопровождалось снижением метаболизации сахарозы в клетке (снижение цитоплазматической, вакуолярной инвертазы и сахарозосинтазы) и существенным снижением активности пероксидазы. При этом активность апопластной инвертазы поддерживалась на постоянном уровне. Активность супероксиддисмутазы, каталазы, полифенолоксидазы и фенилаланинаммиаклиазы, наоборот, была выше в темном каллусе. Обсуждается возможное использование изученных ферментов как биохимических маркеров перехода к потемнению каллусных культур сосны.

Изучено влияние полиметаллического загрязнения и сопутствующей обработки брассиностероидами (гомокастастероном или гомобрассинолидом) на растения ячменя и на ионообменную способность клеточных стенок, выделенных из побегов и корней. При воздействии полиметаллов наблюдалось снижение сухой массы корней, оводненности и доли клеточной стенки в них, но добавление в среду гомокастастерона приводило к восстановлению значений этих параметров почти до контрольного уровня. В надземной части растений влияние как полиметаллов, так и брассиностероидов на данные показатели было слабо выражено. В присутствии гомокастастерона возрастало содержание деметилированных карбоксильных групп полигалактуроновой кислоты в составе пектинов клеточных стенок корней и листьев, являющихся основными сайтами связывания ионов тяжелых металлов в апопласте. Таким образом, можно полагать, что обработка брассиностероидами (гомокастастероном) приводит к изменению состава и ионообменных свойств клеточной стенки, что позволяет снизить токсическое действие полиметаллов за счет их иммобилизации в апопласте.

В литературе представлены противоречивые данные относительно роли PTF1/ ТСР13 из семейства транскрипционных факторов TCP в регуляции экспрессии пластидного гена psbD, кодирующего D2 белок ФС II. Для анализа биологических функций PTF1/ ТСР13 нами был использован трансформант, у которого ген PTF1/TCP13 экспрессировался под действием β-эстрадиол-индуцибельного промотора. Оверэкспрессия PTF1/TCP13 не способствовала ожидаемому увеличению накопления транскриптов гена psbD, транскрибируемых с промотора BLRP (Blue Light Responsive Promoter), хотя их уровень существенно повышался под действием света или АБК. PTF1/TCP13 активировался АБК, причем в регуляции экспрессии PTF1/TCP13 принимали участие гены канонического пути передачи сигнала АБК. Кроме того, PTF1/TCP13 индуцировался в ответ на солевой стресс. Однако у оверэкспрессирующей линии были снижены солеустойчивость и экспрессия маркеров солевого стресса, а также ряда генов синтеза и сигналинга АБК по сравнению с аналогами с нормальным уровнем экспрессии этого транс-фактора, то есть, PTF1/TCP13 действовал как отрицательный регулятор солевого стресса. Таким образом, PTF1 не является транскрипционным фактором пластид. Тем не менее, он представляет один из компонентов АБК-зависимой регуляторной цепи, способной модифицировать экспрессию ядерных и хлоропластных генов в ответ на изменение гомеостаза.

Дитерпеноиды таксанового ряда (таксоиды) встречаются только у представителей семейства Taxaceae (разные виды тисов), однако уникальная структура и востребованные в медицине терапевтические свойства таксоидов сделали эти соединения одними из самых изучаемых вторичных метаболитов высших растений. В настоящей работе впервые проведено подробное изучение структурного разнообразия полиэфиров 14-гидроксилированных таксоидов у Taxus canadensis – вида тисов, для интактных растений которого неполярные 14-гидроксилированные таксоиды ранее описаны не были. На первом этапе работы с помощью хромато-масс-спектрометрии было показано, что в каллусной культуре клеток T. canadensis полиэфиры 14-гидроксилированных таксоидов (юннанксан, таксуюннанин C, синенксан B, синенксан C) являются доминирующими дитерпеноидными вторичными метаболитами. На основании этих результатов, а также описанного многими исследователями сходства метаболизма культивируемых in vitro растительных клеток и клеток корней in planta, высказано предположение, что в интактных растениях T. canadensis полиэфиры 14-гидроксилированных таксоидов преимущественно будут накапливаться в корнях. Справедливость этой гипотезы была подтверждена с помощью хромато-масс-спектрометрии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). По данным хромато-масс-спектрометрического скрининга в хвое T. canadensis полиэфиры 14-гидроксилированных таксоидов действительно обнаруживаются только в следовых количествах, а в корнях они являются одними из мажорных (в количественном отношении) дитерпеноидов. Один из основных 14-гидроксилированных таксоидов корней T. canadensis – юннанксан – был препаративно выделен в индивидуальном виде и однозначно идентифицирован с применением спектроскопии ЯМР и масс-спектрометрии высокого разрешения. Данная работа является первым сообщением о наличии полиэфиров 14-гидроксилированных таксоидов в интактных растениях тиса канадского.

Действие на растения биотических и абиотических стрессовых факторов приводит к изменениям в составе и содержании метаболитов различной химической природы, в том числе липофильных соединений. Одним из способов моделирования стрессовой ситуации является экзогенная обработка растений фитогормонами. Настоящая работа посвящена изучению органоспецифичности состава липофильных соединений, а также изменения их содержания в проростках пшеницы Triticum aestivum L. при экзогенном действии “стрессовых фитогормонов”: абсцизовой кислоты (АБК), салициловой кислоты (СК) и метилжасмоната (МеЖ). Установлено, что корни и листья проростков пшеницы имеют одинаковый состав липофильных соединений, но значительно отличаются по их содержанию. В листьях количество углеводородов, включая сквален, а также тритерпенов, стеринов и фосфатидилхолина значительно больше, чем в корнях. В листьях преобладают гликоцерамиды 1 типа, содержащие в своем составе ЖК остаток с α-гидроксильной группой, а в корнях, наоборот, превалируют гликоцерамиды 2 типа, в ЖК остатках которых отсутствует α-гидроксильная группа. Кроме того, в липидных экстрактах листьев содержатся липофильные пигменты (хлорофилл a и b, каротиноиды) и гидрофобные фенольные соединения, представленные оксикоричными кислотами. Действие “стрессовых фитогормонов” приводит к существенным изменениям ростовых показателей, интенсивности фотосинтеза, профиля липофильных соединений проростков пшеницы в зависимости от органа растения и химической природы фитогормона. При воздействии АБК и МеЖ наблюдалось угнетение роста корней и листьев, повышался уровень нефотохимического тушения, изменялось содержание фотосинтетических пигментов. Необычный эффект наблюдался при действии МеЖ, который повышал уровень холестерина и фосфатидилсерина. Отличительной особенностью действия СК был органоспецифический характер изменений в содержании продуктов мевалонатного пути, тритерпенов и стеринов. Таким образом, моделирование стрессовых условий путем экзогенного воздействия фитогормонов на проростки пшеницы оказало существенное влияние на состав липофильных соединений. Специфические изменения в липидном составе, индуцированные гормонами, могут вносить вклад в адаптационные структурные перестройки клеточных мембран, а изменения в содержании гидрофобных фенольных метаболитов и фотосинтетических пигментов усиливать антиоксидантную защиту растений при стрессе.

Хитозан является природным полисахаридом и при внешнем применении способен стимулировать как рост, так и защиту растения, повышая устойчивость к абиотическим стрессам и подавляя развитие многих фитопатогенов. Иммунный ответ включает активацию защитных белков – карбогидраз, таких как хитиназы и глюканазы, которые также известны своим участием в регуляции морфогенеза. В работе впервые исследовано влияние обработки нефракционированным (гидролизат) хитозаном низкой (ГХ1) и средней (ГХ2) молекулярной массы на хитиназную и глюканазную активности, а также на экспрессию генов хитиназ и β-1,3-глюканаз в корнях двух сортов чеснока Allium sativum L., различающихся устойчивостью к фузариозной гнили. Продемонстрировано, что воздействие хитозанов на ферментативную активность и экспрессию генов β-1,3-глюканаз (AsPR2a, AsPR2b и AsPR2c) и хитиназ (AsCHI1, AsCHI3, AsCHI7, AsCHI17 и AsCHI23) сортоспецифично, что может быть связано с различиями в чувствительности сортов к фузариозу. Сходная между сортами экспрессия генов хитиназ AsCHI10, AsCHI27 и AsCHI34 предполагает их участие в морфогенезе корневой ткани. Результаты свидетельствуют о большем стимулирующем эффекте ГХ2 в сравнении с ГХ1 на хитиназную и глюканазную активность. Большее ингибирующее воздействие ГХ2 в сравнении с ГХ1 на экспрессию генов хитиназ и β-1,3-глюканаз коррелирует с меньшим фунгицидным эффектом ГХ2 на Fusarium proliferatum. Полученные данные могут быть использованы в селекционной биотехнологии для повышения устойчивости чеснока к фузариозу.

В плодах сортов перца видов Capsicum annuum (Сиреневый куб), C. frutescens (Самоцвет) и C. chinense (Pimenta da Neyde), различающихся профилем пигментации в процессе созревания, определено содержание антоцианов и профили экспрессии структурных и регуляторных генов биосинтеза антоцианов. Антоцианы выявлены в кожице плода сорта Сиреневый куб, а также в кожице и мякоти сортов Самоцвет и Pimenta da Neyde. В кожице плодов всех трех анализируемых сортов перца уровни экспрессии структурных генов биосинтеза антоцианов в 2 и более раз выше, чем в мякоти. У сортов Самоцвет и Pimenta da Neyde в мякоти экспрессия CHS, F3’5’H, DFR, ANS и UFGT выше, чем у сорта Сиреневый куб. Для сорта Pimenta da Neyde характерна высокая экспрессия структурных генов в мякоти и кожице спелого плода. Экспрессия генов факторов транскрипции anthocyanin2 (R2R3-MYB) и MYC (bHLH) выявлена в кожице плодов сорта Сиреневый куб, а также в кожице и мякоти плодов сортов Самоцвет и Pimenta da Neyde на всех анализируемых стадиях созревания. Для всех структурных генов пути биосинтеза антоцианов выявлена высокая корреляция (r = 0.54‒0.93) уровней экспрессии с содержанием антоцианов в плодах. Высокая корреляция (r = 0.88) показана также для гена MYC. Для гена anthocyanin2 корреляция (r = 0.85) присутствует только для сортов Сиреневый куб и Pimenta da Neyde, но не для сорта Самоцвет.

Исследовали взаимодействие водорастворимого и иммобилизованного на BrCN-активированной агарозе марганец-стабилизирующего белка PsbO с катионами Mn2+, Mn3+ и препаратами реакционного центра D1-D2- cyt b559 (РЦ) фотосистемы II (ФС II). Методом электрофореза в нативных условиях установлено образование димера и агрегированной формы белка PsbO в присутствии ионов Mn2+, Mg2+ и Fe2+. Димеризация PsbO наблюдалась после облучения УФ-светом препарата белка. Электростатическое взаимодействие иммобилизованного PsbO с РЦ возрастает в присутствии катионов Mn3+, связанных с белком, о чем свидетельствует увеличение концентрации CaCl2, необходимой для диссоциации комплекса PsbO-РЦ. Впервые показаны СОД-активность белка в ПААГ после электрофореза при инкубации геля с раствором катионов Mn3+ и тетразолий-редуктазная активность после электрофореза белка в смеси с препаратами кислород-выделяющего хлорофилл-белкового комплекса (КВК). Предполагается, что взаимодействие белка с ионами Mn в присутствии О2, а также кратковременное облучение УФ-светом восстанавливают тирозин и дисульфидную связь белка PsbO с образованием радикала тирозила и SH-групп, которые участвуют в редоксреакциях с компонентами ЭТЦ. Взаимодействие PsbO с ионами Mn и УФ-светом в тилакоидах хлоропластов может регулировать его связывание с РЦ, изменять структурную организацию белка и способствовать его участию в альтернативных путях электронного транспорта при воздействии стрессовых факторов. Обсуждается гипотетическая схема взаимодействия иммобилизованного белка PsbO с ионами Mn и РЦ.

Фотосистема II (ФС II) фотосинтетического аппарата оксигенных организмов содержит каталитический центр, осуществляющий одну из важнейших биоэнергетических реакций – светозависимое окисление воды до молекулярного кислорода. Каталитический центр представляет собой кластер Mn4CaO5, состоящий из 4 катионов марганца и 1 катиона кальция, соединенных кислородными мостиками. Ранее нами было установлено, что в области рН 5.7 в кластере имеет место структурный переход, сопровождающийся изменением редокс-потенциала катиона(ов) марганца и повышением устойчивости Mn-кластера к действию восстановителей. Обнаруженный эффект был изучен нами в ряде исследований, обзор которых представлен в данной работе. Установлено, что при рН 5.7 катионы Fe(II) замещают не два катиона марганца как при рН 6.5, а только один катион, формируя химерный кластер Mn3Fe1. Мембранные препараты ФС II с таким химерным кластером способны в присутствии экзогенных ионов кальция выделять кислород при освещении (около 25% скорости в нативной ФС II). Обнаружено, что фотоингибирование, в котором значительную роль играют процессы окисления/восстановления, при рН 5.7 замедляется по сравнению с рН 6.5. Препараты ФС II также были более устойчивы к термоинактивации при рН 5.7, чем при рН 6.5. Однако в препаратах ФС II без катионов марганца в кислород-выделяющем комплексе разницы в скоростях фотоингибирования при рН 6.5 и 5.7 не наблюдалось. В тилакоидных мембранах протонофоры, сбрасывающие протонный градиент и увеличивающие рН люмена, где локализован марганцевый кластер, c 5.7 до 7.0, значительно увеличивали скорость фотоингибирования ФС II. Предполагается, что структурный переход в Mn-кластере в области рН 5.7 вовлечен в механизм защиты ФС II от фотоингибирования.