Adaptive mechanisms of xerophytic cereals seeds germination in Eastern Transbaikalia

Full Text

Введение

Представители семейства Мятликовые (Poaceae) имеют важное фитоценотическое значение и часто выступают доминантами и содоминантами в равнинных степях на территории Восточного Забайкалья [1]. Злаки в процессе эволюции выработали разнообразные адаптации, которые обеспечивают им приспособление к суровым условиям региона. Незначительное количество зимних и весенних осадков создает крайне неблагоприятные условия для зимовки растений и их развития весной и в начале лета. В связи с этим особый интерес представляют адаптации на ранних этапах онтогенеза. Поскольку семена и проростки в суровом климате Восточного Забайкалья подвергаются действию перепадов температуры и влажности, происходят изменения в составе запасных веществ. Семена большинства растений содержат много питательных веществ, которые откладываются в виде полимерных инертных соединений в клетках запасающих тканей [2; 3]. Эти запасные вещества сохраняются в семенах для обеспечения последующего прорастания. По преобладанию тех или иных запасных веществ различают три типа зрелых семян: крахмалистые, масличные и белковые. В семенах злаков основным запасным веществом является крахмал. Он же является основным углеродным резервом, который почти весь локализован в эндосперме [2; 4]. Разнообразные формы белков принимают участие во всех процессах, происходящих в живых организмах. Белки растений можно разделить на белки собственно протоплазмы и резервные белки [3; 5]. К первым относятся структурные и каталитические белки органелл, хромосом, рибосом и мембран клетки. Резервные белки обычно состоят из сравнительно небольшого числа компонентов и, как правило, не сбалансированы по незаменимым аминокислотам [6]. Распространенной является классификация белков по растворимости по Т.Б. Осборну [7]. Различают альбумины (водорастворимые), глобулины (растворимые в 5–10%-м растворе хлорида натрия), проламины (спирторастворимые), глютелины (растворимые в 0,1–0,2%-м растворе гидроксида натрия) и склеропротеины (нерастворимые белки оболочек и периферических слоев зерна). Наряду с белками в зерне содержится небелковый азот (0,7–12,9% от общего азота), включающий свободные аминокислоты (50–60%), пептиды, нуклеотиды и др. [8].

В процессе созревания семян происходит накопление запасных белков [5]. При этом в семенах двудольных, а также однодольных (за исключением злаковых) растений созревание сопровождается накоплением глобулинов. Злаки, как одна из эволюционно наиболее продвинутых форм растений, в ходе эволюции приобрели уникальную способность: запасать особую группу белков – проламины [4].

Мобилизация запасных отложений является одним из наиболее важных аспектов роста и развития проростка. Все питательные вещества, необходимые для роста растения, на начальных этапах онтогенеза извлекаются из запасных веществ семян. При прорастании образуются ферменты, расщепляющие запасные белки, а образующиеся аминокислоты и пептиды расходуются на синтез необходимых белков. Позднее проростки получают питание только из почвы и воздуха. До перехода к автотрофному питанию проросток нуждается в постоянном притоке азотистых веществ, которые выделяются при гидролизе белкового комплекса. Поэтому изучение белкового состава семян имеет важное значение для развития концепции устойчивости растений. Большинство работ в этой области посвящено сельскохозяйственным растениям [9–12]. Злаки, не относящиеся к этой группе, исследовались меньше [12–14], хотя для дикорастущих видов растений проблема сохранения жизнеспособности семян, их адаптации к меняющимся условиям среды актуальна. Эти особенности позволяют сохраняться видам в составе фитоценозов в условиях значительной конкуренции осваивать новые пространства для жизни.

Цель исследования: изучение содержания и динамики растворимых фракций запасных белков в зерновках и проростках ксерофитных дикорастущих злаков Восточного Забайкалья.

Объекты и методы исследования

Объектами изучения служили ксерофитные злаки: Agropyron cristatum (L.) Beauv – житняк гребенчатый, Stipa krylovii Roshev – ковыль Крылова, Tripogon chinensis (Franch.) Hack. – трехбородник китайский. По отношению к ресурсам влаги A. cristatum относится к группе мезоксерофитов [15]. У мезоксерофитов по сравнению с ксерофитами снижены значения максимумов транспирации, а обводненность листьев немного выше. S. krylovii и T. chinensis относятся к группе эуксерофитов, отличающейся умеренной или пониженной скоростью транспирации и низким уровнем обводненности листьев. Сбор семян исследуемых злаков проводили в различных популяциях на территории Забайкальского края (Оловяннинский район, пос. Калангуй – площадка 1, Красночикойский район, окрестности с. Усть-Урлук – площадка 2, Акшинский район, с. Курулга – площадка 3) в 2013 и 2014 гг. Семена хранились в условиях лаборатории, в бумажных пакетах. Перед проращиванием зерновки стерилизовали с поверхности 70%-м этанолом в течение минуты, затем 1%-м раствором перманганата калия в течение 20 минут и тщательно промывали дистиллированной водой [16]. Семена проращивали в чашках Петри в термостате при температуре 21°С в течение 7 суток (увлажнитель – дистиллированная вода). Проводили подсчет проросших семян (в %). Для проведения эксперимента использовали 3-кратную повторность, в каждой повторности содержалось 50 семян.

Растворимые запасные белки семян выделялись последовательно из навески массой 100±0,1 мг в трехкратной повторности, для определения запасных белков в проросших семенах брали целиком и семя, и проросток. Фракционирование по Осборну [3] проводили по общепринятым методикам [17–20] с модификациями под дикорастущие злаки [14; 21] и получали экстракты трех протеиновых фракций – альбумины и глобулины, проламины и глютелины объемом 5–7 мл. Для выделения белков семена размалывали в фарфоровых ступках до 70% выхода муки, навеску муки обезжиривали н-бутанолом. Альбумины и глобулины экстрагировали трижды водным раствором NaCl, 0,4 моль/л. Осадок отмывали от электролита и оставшихся альбуминов и глобулинов дистиллированной водой. Проламины получали трехкратной экстракцией 70%-м этанолом при комнатной температуре, фракцию глютелиновых белков – трехкратно с 0,1 моль/л уксусной кислотой. Количественно белки определяли фотометрическим методом по методу Lowry (фотометр «Эксперт003», λ = 626), с реактивом Фолина–Чокалтеу (стандарт альбумин плазмы крови).

Результаты и их обсуждение

В ходе серии экспериментов по проращиванию при достаточном уровне увлажненности семена исследуемых злаков показали разную динамику прорастания (рис. 1). Повышенная всхожесть была отмечена у зерновок A. cristatum (94%), что может быть связано с мезоксерофитной природой этого вида. У типичных ксерофитов (S. krylovii, T. сhinensis) в подобных условиях процент проросших семян был ниже (75–82% и 52% соответственно). Видимое прорастание зерновок A. cristatum и S. krylovii отмечается на вторые сутки, у T. chinensis только на четвертые.

 

Рисунок 1 – Динамика прорастания семян, %

 

Также было отмечено, что всхожесть семян S. krylovii, собранных с площадки 1, на вторые сутки превышала этот же показатель для проб, собранных на площадке 2 в 5 раз (65% и 12,5% соответственно). Возможно, что это обеспечивается более высоким содержанием запасных белков. При определении растворимых фракций протеинов было выяснено, что белковость семян S. krylovii с первой площадки оказалась выше (81,99 мг/г сырой массы), чем у собранных со второй площадки (68,7 мг/г сырой массы) (табл. 1).

 

Таблица 1 – Динамика растворимых фракций запасных белков при прорастании семян злаков, мг/г сырой массы

S. krylovii, площадка 1, 2014 г.
Фракция белков	Альбумины + Глобулины	Проламины	Глютелины	Σ фракций, мг/г сырой массы
0 часов	25,74±0,44	20,83±1,41	35,42±1,15	81,99
24 часа	3,45±0,42	2,56±0,11	4,80±0,21	10,85
48 часов	10,17±0,97	5,07±0,04	12,02±0,14	27,30
72 часа	14,25±1,19	11,04±0,54	33,67±0,37	58,96
7-е сутки	10,26±1,01	13,75±0,91	22,24±1,07	46,24
S. krylovii, площадка 2, 2014 г.
0 часов	23,40±1,80	18,60±1,60	26,70±1,50	68,70
24 часа	1,64±0,04	2,64±0,28	5,45±1,24	9,69
48 часов	8,49±0,05	5,15±0,08	19,66±1,04	33,40
72 часа	9,99±0,13	7,39±0,05	20,01±0,79	37,40
7-е сутки	26,03±0,04	15,83±2,11	25,09±2,43	66,95
A. cristatum, площадка 1, 2013 г.
0 часов	37,0±0,05	15,0±1,02	20,0±1,54	72,0
24 часа	10,44±1,60	6,12±0,84	6,1752±0,07	22,72
48 часов	11,94±1,64	4,39±0,37	1,27±0,07	17,70
72 часа	17,34±1,85	12,38±0,24	14,07±1,83	43,80
7-е сутки	17,68±1,05	11,38±1,02	16,26±1,20	45,32
T. сhinensis, площадка 3, 2013 г.
0 часов	20,0±0,99	17,01±0,15	8,0±0,35	45,01
24 часа	17,32±0,90	9,49±1,71	7,56±1,26	34,37
48 часов	11,14±0,46	8,56±0,98	6,45±0,35	26,15
72 часа	10,56±0,59	7,09±0,41	5,80±0,37	23,45
7-е сутки	9,02±1,11	7,07±0,33	5,78±1,36	21,87

 

Запас питательных веществ мог обеспечить более быстрый переход к ростовым процессам и соответственно большую всхожесть. Количество запасных белков в семенах T. сhinensis оказалось значительно меньше (45,01 мг/г сырой массы), и это также могло сыграть роль в замедлении темпов прорастания семян этого злака, видимое прорастание которых произошло на четвертые сутки. Зерновки S. krylovii отличаются преобладанием глютелиновой фракции в белковом комплексе (38–40%) по сравнению с A. cristatum и T. сhinensis, что может свидетельствовать о древности вида (табл. 2).

 

Таблица 2 – Динамика растворимых фракций запасных белков при прорастании семян злаков, %

	S. krylovii, площадка 1			S. krylovii, площадка 2			A. cristatum, площадка 1			T. сhinensis, площадка 3
	А+Г	Пр.	Гл.	А+Г	Пр.	Гл.	А+Г	Пр.	Гл.	А+Г	Пр.	Гл.
0 ч.	31,4	25,4	43,2	34,06	27,1	38,9	51,4	20,8	27,8	44,4	37,8	17,8
24 ч.	32	24	44	16,9	27	56	45,7	27	27,3	50,4	27,6	22
48 ч.	37,4	18,6	44	25	15,4	59	67,8	25	7	42,6	33	25
72 ч.	24	18,7	57	26,7	19,8	53,5	39,2	28,6	32,3	45	30	25
120 ч.	31	24	45	29	22,6	48	21	12,4	13,5	41,2	32,3	26,5
168 ч.	22,3	29,6	48	39	23,6	37,5	39	25	36	41,2	32,3	26,5

Примечание. А + Г – альбуминовая и глобулиновая фракция, Пр. – проламины, Гл. – глютелины.

 

Несмотря на то, что семена S. krylovii были собраны в разных популяциях, значительно удаленных друг от друга, соотношение растворимых фракций запасных белков в них оказалось примерно равным. В них преобладают глютелины (38–40%), несколько меньше содержание альбуминов и глобулинов (31–34%), а количество проламиновой фракции было меньшим (25%). У зерновок A. cristatum и T. сhinensis в белковом комплексе преобладают водо- и солерастворимые фракции (табл. 2). Доля проламинов у изученных злаков имеет большее значение у семян T. сhinensis и составляет 38% от суммы всех фракций.

В первые сутки после увлажнения семян у S. krylovii повышается доля глютелиновой фракции, идет незначительное уменьшение альбуминов и глобулинов, доля проламинов практически не изменялась. У A. cristatum уменьшилась доля альбуминов и глобулинов. То есть у видов, которые имели большую всхожесть и более быстрые темпы прорастания (S. krylovii, A. cristatum), в первые сутки происходит мобилизация альбуминов и глобулинов. В то время как вид с замедленным прорастанием (T. сhinensis) в первые сутки использует проламиновую фракцию запасных белков.

На вторые сутки у S. krylovii, A. cristatum наступает так называемое видимое прорастание, которое характеризуется тем, что часть зародыша, как правило зародышевый корень, растягивается и проникает в окружающие зародыш структуры. В это время уменьшилось количество проламинов (табл. 2), у S. krylovii уменьшение более сильное, у A. cristatum – незначительное. Как известно, эта фракция белков легче мобилизуется и на этом этапе может обеспечить ростовые процессы субстратами. Различия выявлены в использовании этими видами глютелинов. В семенах A. cristatum сильно уменьшается доля этой фракции белков (до 7%), а S. krylovii на этом этапе прорастания медленно использует эту фракцию. У A. cristatum в это время значительно повышается доля альбуминов и глобулинов (68%). В эту фракцию входят белки, обладающие ферментативной активностью, которые могут способствовать мобилизации глютелинов и наряду с этим участвовать в синтетических процессах, обеспечивающих прорастание. У T. сhinensis в это время уменьшается доля альбуминов и глобулинов, но соотношение фракций в целом остается постоянным. К концу периода наблюдения за прорастанием (7 сутки) у всех исследованных злаков происходило уменьшение общего количества растворимых фракций белков (табл. 1). У семян S. krylovii с первой площадки уменьшилось количество альбуминов, глобулинов и глютелинов и незначительно возросло количество проламинов. В совокупности это привело к уменьшению общего количества экстрагируемого белка. Зерновки этого вида со второй площадки характеризуются значительным увеличением доли альбуминов, глобулинов и проламинов (почти в 2 раза) в период от третьих до седьмых суток, тогда как доля глютелинов изменяется незначительно. В результате отмечается 2-кратное увеличение суммы растворимых фракций. У A. cristatum и T. сhinensis к седьмым суткам прорастания отмечается стабилизация концентрации каждой из фракций и общего количества этих белков. Вероятно, переход от гетеротрофного питания к автотрофному активирует ферментные комплексы, гидролизующие прочные связи в трудноэкстрагируемых фракциях.

Заключение

Семена изучаемых злаков отличаются соотношением растворимых фракций запасных белков и общим количеством запасных белков. Увеличение количества белка в зерновках может обеспечить интенсивный темп набухания и более быстрое прорастание. Начинающийся гидролиз запасных белков ведет к образованию осмотически активных веществ, что формирует градиент концентрации влаги, обеспечивающий интенсивность поступления воды в ткани из субстрата. Это позволяет зерновкам быстрее перейти к прорастанию даже в условиях дефицита влаги за короткий промежуток времени. Различия в количественном соотношении и разных стратегиях использования фракций белков семенами и проростками могут свидетельствовать о видовых особенностях. У вида, выдерживающего наиболее экстремальные условия увлажнения (T. сhinensis), расход проламинов имел тенденцию к уменьшению, тогда как у других злаков интенсивнее расходовались альбумины и глобулины. Таким образом, проламины имеют существенное значение для метаболизма проростков и могут обеспечивать прорастание и рост ксерофитных злаков в условиях дефицита влаги.

About the authors

Irina Nikitichna Plyaskina

Chita State Medical Academy

Email: thebestdamnthing@mail.ru

laboratory assistant of Biology Department

Russian Federation, Chita

Evgeniy Alexandrovich Bondarevich

Chita State Medical Academy

Email: bondarevich84@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of General Chemistry and Biochemistry Department

Russian Federation, Chita

Natalia Nikolaevna Kotsyurzhinskaya

Chita State Medical Academy

Email: nata_nik_k@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor, head of General Chemistry and Biochemistry Department

Russian Federation, Chita

Igor Anatolyevich Boriskin

Zabaykalsky Agrarian Institute - branch of Irkutsk State Agricultural University named after A.A. Ezhevsky

Author for correspondence.
Email: boriskin1985@inbox.ru

candidate of biological sciences, director

Russian Federation, Chita

References

Supplementary files