Белки, образующиеся в клетках растений при дегидратации

В формирование механизмов устойчивости растений к водному дефициту вовлечены белки, выполняющие различные функции. Многие из них синтезируются de novo как ответная реакция растения на дегидратацию.

Lea -белки. Часть индуцируемых водным дефицитом белков защищает цитоплазматические биополимеры и формируемые ими клеточные структуры от повреждений, вызываемых дегидратацией. К ним относятся Lea (late embryogenesis abundant) белки.

Lea-белки в соответствии с их аминокис л отными последовательностями и структурой объединяют в пять групп. Lea-белки группы 1 характеризуются высоким содержанием заряженных аминокислот и глицина, что позволяет им эффективно связывать воду. Наличие Lea-белков этой группы в цитоплазме придает ей высокую водоудерживающую способность.

Предполагается, что Lea-белки группы 2 выполняют функции шаперонов, образуя комплексы с другими белками, они предохраняют последние от повреждений в условиях дегидратации клетки. Некоторые Lea-белки (группы 3 и 5) участвуют в связывании ионов, которые концентрируются в цитоплазме при потере клетками воды. Наличие гидрофобной области у этих белков приводит к формированию гомодимера с гидрофобными последовательностями обращенными друг к другу, тогда как заряженные области на наружных поверхностях белка участвуют в связывании ионов. Lea-белки группы 4 могут заменятъ воду в примембранной области и этим поддерживать структуру мембран при дегидратации.

 

Шапероны и ингибиторы протеаз

Шаперонами называют белки, которые связывают полипептиды во время их сворачивания (folding), т. е. при формирования третичной структуры, и сборки белковой молекулы из субъединиц, т. е. при формировании четвертичной структуры. Взаимодействуя с полипептидами, шапероны предотвращают ошибки в сворачивании и сборке и этим препятствуют аггрегации полипептидных цепей. Некоторые шапероны играют роль «ремонтных станций», исправляющих неверное сворачивание. Одна из главных функций шаперонов – сворачивание и разворачивание (unfolding), а также сборка и разборка белков при их транспорте через мембраны. Полипептидная цепь может пройти через пору в мембране лишь в развернутом виде. Некоторые содержащиеся в цитозоле шапероны взаимодействуют с вновь синтезированными полипептидными цепями и поддерживают их линейную структуру, так что полипептидные цепи могут сразу транспортироваться в нужный компартмент клетки. Другие шапероны связываются с аминокислотами полипептидной цепи, как только она покажется на другой стороне мембраны, и осуществляют сворачивание. При дегидратации клеток тенденция к повреждениям и денатурации белков усиливается, поэтому защитная роль шаперонов в этих условиях возрастает. Стрессовые условия акти­вируют биосинтез шаперонов в клетках.

При осмотическом стрессе происходит также индукция биосинтеза ингибиторов протеаз, препятствующих протеолитическому расщеплению белков, которые при дегидратации клетки сохраняют свою структуру и функциональные свойства.

 

Протеазы и убиквитины

При обезвоживании клеток, несмотря на действие протекторных соединений и шаперонов, часть клеточных белков подвергается денатурации. Денатурированные белки должны быть гидролизованы. Эту функцию выполняют протеазы и убиквитины, экспрессия генов которых также индуцируется стрессовыми условиями. Убиквитины представляют собой низкомолекулярные (8,5 кДа) высококонсервативные белки. Присоединяясь к N-концу денатурированного белка, они делают белок доступным для действия протеаз. Таким путем осуществляется селективная деградация денатурированных белков.

 

Аквапорины

Трансмембранное движение воды происходит в основном через водные каналы, образованные белками аквапоринами. За счет изменения числа водных каналов в мембране и их проводимости осуществляется, быстрая регуляция трансмембранных потоков воды, это особенно важно при водном дефиците. В условиях стресса активируются гены, ответственные за синтез подобных белков.

 

СОЛЕВОЙ СТРЕСС

Согласно современным оценкам, одна пятнадцатая часть земной суши, включая территории, используемые в сельскохозяйственном производстве, занята золенными почвами. Приблизительно 5% земель мировых сельскохозяйственных угодий и почти 20% орошаемых земель в той или иной степени засолены.

Если содержание суммы неорганических ионов в почве в расчете на ее сухую массу не превышает 0,2 %, то такие почвы считаются незасоленными, от 0,2 до 0,4% – слабозасоленными, от 0,4 до 0,7% – среднезасоленными и от 0,7 до 1,0% – сильнозасоленными. При содержании неорганических ионов свыше 1,0% почвы называют солончаками. В засоленных почвах из катионов преобладает по массе, как правило, Na⁺, однако встречаются почвы с высоким coдержанием Mg⁺ и Са⁺. Из анионов наибольший вклад в почвенное засоление чаще всего вносят С1^- и SO₄^2-.

Растения, эволюционно сформировавшиеся на засоленных почвах и адаптированные к высоким концентрациям солей в почвенном растворе, называются галофитами (от греч, galos – соль, phyton – растение), а сформировавшие на незасоленных почвах – гликофитами (греч. glycos – сладкий, phyton – растение). Подавляющее большинство видов сельскохозяйственных культур переносит низкую степень засоленности почв, и лишьнекоторые, такие как хлопчатник (Gossipium hirsutum), овес (Ovena cativa), рожь (Secale sereale) и пшеница, – среднюю. При высоком содержании солей в почве снижается продуктивность посевов. Галофиты в отличие от гликофитов способны осуществлять жизненный цикл на сильнозасоленных почвах и со­лончаках. К типичным галофитам относятся растения семейства маревые (Chenopodiaceae), такие, как солерос европейский (Salicornia europaea), кохия распростертая (Kochia prostrata), петросимония трехтычинковая (Petrosimonia triandra)и др. Высокое содержание солей в почве не только не подавляет, но даже стимулирует их рост.

Повреждающее действие солей

При повышенном содержании солей в почве у гликофитов нарушается водный и ионный гомеостаз как на клеточном уровне, так и на уровне целого растения. В свою очередь это ведет к различным токсическим эффектам, которые выражаются в повреждениях биополимеров цитоплазмы. В целом почвенное засоление затормаживает рост и может вызвать гибель растений.

Первым был открыт эффект соли, связанный с дегидратацией клеток. В начале XX в. А. Ф. Шимпер показал, что в условиях засоления растения теряют воду вследствие высокого осмотического давления почвенного раствора. Осмотическое действие соли при этом не зависит от того, какими ионами оно вызвано, важна суммарная концентрация ионов и других осмотически активных веществ в почвенном растворе.

В 50-х гг. XX в. Б. П. Строгонов обратил внимание на различие симптомов поражений, вызванных у растений хлоридным и сульфатным засолениями. На основе этого была выдвинута концепция токсического действия ионов, согласно которой разные ионы вызывают нарушения метаболизма, приводящие к специфическим токсическим эффектам. В настоящее время осмотическое и токсическое действия солейпризнаны главными повреждающими факторами на клеточном уровне.

Природа токсического действия ионов, особенно первичных молекулярных повреждений, изучена мало. Известно, что ионы в высоких концентрациях могут дезинтегрировать клеточные мембраны, подавлять активность ферментов и приводить к нарушениям таких жизненно важных функций, как клеточное деление, ассимиляция углерода, поглощение элементов минерального питания и др. NaCl в концентрациях выше 0,4 М ингибирует многие ферменты вследствие нарушения гидрофобно-электростатического баланса сил, поддерживающих структуру белковых молекул. Однако токсические эффекты проявляются уже при гораздо более низких концентрациях соли (меньше 0,1 М), указывая на специфические мишени действия ионов.

Высокие концентрации солей, как уже отмечалось, подобно многим стрессорам ингибируют рост растений. Ингибирование опосредовано уменьшением синтеза цитокинина и увеличением содержания абсцизовой кислоты и этилена.

Медленный рост позволяет растениям выживать при стрессе, так как освобождает множество ресурсов, необходимых для реализации защитной программы.

Один из главных механизмов ингибирования роста – снижение устьичной проводимости. Низкий водный потенциал почвенного раствора при засолении и водном дефиците приводит к потере воды клетками, в частности замыкающими клетками устьиц, что в свою очередь уменьшает апертуру устьичных щелей и, следовательно, снижает скорость поступления в листья СО₂, а также транспирационного тока воды. Отток К⁺ и Сl^- из замыкающих клеток сопровождается потерей тургора и закрытием устьиц. Последний эффект сберегает воду для растения, но снижает скорость фотосинтеза и ингибирует рост.

Высокие концентрации соли и водный дефицит могут ингибировать рост, влияя на процессы деления и дифференцировки клеток. Подавление роста сопряжено с экспрессией некоторых генов, индуцируемых стрессорным воздействием и не экспрессирующихся в нормальных условиях. Продукты этих генов ингибируют процессы клеточного деления и растяжения и таким путем подавляют рост.