изменения в спектре свободной и конъюгированных форм

УДК 158.1
ИЗМЕНЕНИЯ В СПЕКТРЕ СВОБОДНОЙ И
КОНЪЮГИРОВАННЫХ ФОРМ ИНДОЛИЛ-3-УКСУСНОЙ
КИСЛОТЫ ПРИ ДЕЙСТВИИ
ЭКЗОГЕННОЙ ИУК НА ПРОРОСТКИ ПШЕНИЦЫ
Л. Н. Олюнина, О. М. Лабынцева, А. Г. Куватова
Нижегородский госуниверситет
Выявлено, что для надземных органов проростков пшеницы в поддержании
ауксинового гомеостаза существенную роль играют реакции конъюгирования, в
частности перевод свободной ИУК в форму ее амидных конъюгатов. Указанный
механизм реализуется при низких концентрациях экзогенной ИУК (10-9 М). Для
корней и в варианте с высокими концентрациями экзогенной ИУК (10-6 М) более
характерно включение ИУК-оксидазного контроля, сдвиг ауксинового метаболизма в сторону окислительного распада ИУК и, соответственно, снижение пула эндогенной индолил-3-уксусной кислоты.
Проблемы физиологии взаимодействия между растениями и микроорганизмами развиваются в направлении познания внутренних механизмов жизнедеятельности бактерий, а также растения-хозяина. Предполагается, что образование растительно-бактериального ассоциата в значительной степени находится
под контролем фитогормонов, и в частности индолил-3-уксусной кислоты (ИУК).
Ауксины, присутствуя в клетках про- и эукариот, у высших растений выполняют
функции регуляторов роста, для микроорганизмов – это один из экзометаболитов,
выделяющийся в значительных количествах в окружающую среду (Полевой,
1985). Конкретная роль бактериальной ИУК в функционировании ассоциата «бактерии – высшие растения» до сих пор не установлена. Наименее изученным остается биохимизм ответных реакций растения на действие данной ИУК.
Задача настоящей работы состояла в исследовании влияния экзогенно введенного препарата индолил-3-уксусной кислоты на содержание различных форм эндогенной ИУК в корнях и листьях проростков пшеницы. В одной из ранее опубликованных работ (Shabajev e. a., 1993) нами были выявлены изменения в гормональном (ауксиновом) статусе указанных проростков при их инокуляции бактериями рода Pseudomonas – P. putida, P. fluorescenus. Последние являются активными продуцентами ИУК (Олюнина, Шабаев, 1996). Представлял интерес ответ
на вопрос – можно ли действие бактериального инокулята на растения заменить
или приравнять к действию экзогенной ИУК? Другими словами – имеет ли место
адекватность ответа растений на инокуляцию и повышенное содержание (экзогенно введенной) ИУК в среде их выращивания?
Объектом исследований служили проростки яровой пшеницы (сорт Московская-35). Семена стерилизовали раствором перекиси водорода (10%, 10 мин.),
промывали дистиллированной водой, раскладывали в чашки Петри и проращивали в термостате (260С). Проросшие семена высаживали в пластиковые сосуды на
раствор CaSO4 (5·10-4 М). При достижении проростками 7-дневного возраста в
питательную среду вносили препарат индолил-3-уксусной кислоты в конечной
концентрации 10-9 или 10-6 М. Контролем служили проростки, выращенные на
109
растворах без добавления ИУК. Выделение свободной ИУК и отдельных ее фракций из корней и надземных частей исследуемых проростков осуществляли согласно схеме, подробно описанной в статье А. П. Веселова и др. (1998). Связанные
формы ИУК, которые представлены амидными и эфирными ее конъюгатами, определяли после щелочного гидролиза (рН 11–12, t=100°, 1 ч). Гидролизат центрифугировали и далее использовали для анализа свободной ИУК, как указано выше.
Количество выделенной ИУК определяли методом твердофазного иммуноферментного анализа (Кудоярова и др., 1986).
Как видно из данных, представленных в таблице, для 7-дневных проростков
яровой пшеницы характерно присутствие в тканях высоких концентраций конъюгированных форм ИУК. Последние в листьях составляли 79.7% от общей суммы
всех фракций; процент конъюгатов ИУК в корнях был ниже – 49.1%. Снижение
доли связанной ИУК в клетках корня обусловлено более высокой концентрацией
свободной ИУК. Факт преобладания свободной (активной) формы индолилуксусной кислоты в корнях проростков пшеницы был отмечен нами ранее и, повидимому, связан с данной конкретной стадией онтогенеза растений (Олюнина и
др., 1990). Из конъюгированных форм в исследуемых проростках пшеницы повышена концентрация ИУК, входящей в состав спирторастворимой фракции.
Таблица
Содержание свободной и связанной форм ИУК
в 7-дневных проростках яровой пшеницы
Определяемая форма
ИУК
Свободная
Связанная
спирторастворимая
фракция
спиртонерастворимая
фракция
Сумма
Надземная часть
проростков
Корни
мкг ИУК/
г сырой массы
нг ИУК/
растение
мкг ИУК/
г сырой массы
нг ИУК/
растение
0.18±0.03
0.37±0.07
10.48±1.74
20.07±4.35
0.79±0.20
0.41±0.07
31.00±8.02
15.00±2.55
0.34±0.08
18.70±1.30
0.36±0.05
13.75±2.44
0.89±0.06
49.18±2.46
1.54±0.11
59.75±4.33
Изменения в пуле эндогенных ауксинов после обогащения среды выращивания
проростков экзогенной индолилуксусной кислотой происходили быстро и могли
быть обнаружены уже через 15 мин. после внесения препарата. При этом интересно отметить, что наибольшее возрастание уровня ауксинов имело место в варианте с низкой (10-9 М) концентрацией экзогеннодобавленной ИУК (см. рис.). Сумма
всех определяемых фракций в данном варианте после 20-часового экспонирования увеличивалась в листьях до 12.64 мкг⋅г сырой массы (в контроле 0.89). В корнях эти величины соответствовали: опыт – 4.80 мкг⋅г сырой массы; контроль –
1.55 мкг⋅г сырой массы. В обогащении побегов пшеницы индолил-3-уксусной кислотой (см. рис., А) большую роль играла фракция спиртонерастворимых конъюгированных форм ИУК – в основном это конъюгаты индолилуксусной кислоты с
пептидами и белками. Вероятно, именно данная фракция связанной ИУК «снима110
ет» избыток гормона, который появляется в растениях при их экспонировании на
среде с экзогенной ИУК. Таким образом, по-видимому, правомерно предположить, что система конъюгирования ауксинов, в частности, образования амидных
конъюгатов, играет большую роль в поддержании гомеостаза свободной, активной
формы ИУК в листьях проростков.
А
В
экспозиция:
ИУК, мкг⋅г-1 сырой массы
20
1 – 1.5 ч
2 – 20 ч
15
10
0.5
1
0
2
-9
10 М
1
2
-6
10 М
1
0
2
1
-9
10 М
концентрация экзогенной ИУК
2
10
-6
Ряд3– спиртонерастворимая фракция связанной ИУК
Ряд2– спирторастворимая фракция связанной ИУК
Ряд1– свободная ИУК
Рис. Влияние экзогенной ИУК на содержание свободной и связанной
(спирторастворимой и спиртонерастворимой) фракций ИУК
в надземной части (А) и корнях (В) проростков пшеницы
В корнях кинетика изменения исследуемых форм ИУК имела несколько иной
характер (см. рис., В). Корни проростков отличаются от листьев повышенной активностью ИУК-оксидазы (Олюнина и др., 1990), и не исключено, что эта органоспецифичность была определяющей в развитии их реакции на экзогенную ИУК.
По мнению К. З. Гамбурга (1976), именно ИУК-оксидаза выполняет защитную
функцию, предохраняя клетки растений от сверхоптимальных концентраций гормона. Поэтому снижение количества эндогенной ИУК в корнях и меньший эффект
на пул ауксинов в надземной части проростков пшеницы, зафиксированные при
высоких концентрациях экзогенной ИУК (10-6 М), могут быть отнесены на счет
111
увеличения активности ИУК-оксидазы. Указанная концентрация гормона, вероятно, оказалась достаточно высокой, чтобы индуцировать ИУК-оксидазную активность и, таким образом, способствовала сдвигу метаболизма ИУК в сторону ее
катаболизма. Следствием этих изменений, как мы предполагаем, и было снижение
общего уровня ауксинов, особенно четко выраженное в корнях в варианте с повышенной концентрацией препарата индолилуксусной кислоты.
Суммируя приведенные выше данные, можно сделать следующее заключение.
За счет бактериальной, экзогенной для инокулированных растений ИУК возможно
возрастание уровня гормона в клетках растений. Это возрастание может служить
одним из механизмов активирующего действия бактерий и, в частности, бактериальных удобрений на рост и продуктивность сельскохозяйственных культур. Однако, как свидетельствуют выполненные эксперименты, увеличение и распределение ИУК по отдельным фракциям будет в значительной степени зависеть от количества ИУК в ризосфере и, следовательно, от количества экзометаболитов бактерий, а также и экзометаболитов растений. В составе последних наиболее тесно
связанными с метаболизмом ауксинов являются аминокислота триптофан и ряд
фенольных соединений, которые могут выполнять функцию ингибиторов (хлорогеновая, кофейная, галловая кислоты) или активаторов (п-кумаровая, феруловая
кислоты) ИУК-оксидазы. На основании наших опытов можно заключить, что данная ферментная система, так же как и реакции образования конъюгатов ИУК, являются участниками формирования ответа растений на экзогенную ИУК, в том
числе, по-видимому, и ту, которая представляет собой один из экзометаболитов
бактериальных клеток.
ЛИТЕРАТУРА
Веселов А. П., Лобов В. П., Олюнина Л. Н. Изменение содержания фитогормонов в ответной реакции растений при тепловом шоке и в период его последействия // Физиология
растений. 1998. Т. 45, № 5. С. 709-715.
Гамбург К. З. Биохимия ауксина и его действие на клетки растений. Новосибирск, 1976.
Кудоярова Г. Р., Веселов С. Ю., Еркеев М. И., Гюли-Заде В. З., Гимаева Р. М., Загидуллин И. В., Шакирова Ф. М. Иммуноферментное определение содержания индолилуксусной кислоты в семенах кукурузы с использованием меченых антител // Физиология растений. 1986. Т. 33, № 6. С. 1221-1227.
Олюнина Л. Н., Гордей В. Н., Ельцова Л. В., Анисимов А. А. Биосинтез и окисление
индолилуксусной кислоты в условиях различной обеспеченности проростков пшеницы
минеральным азотом // Регуляция ферментативной активности у растений: Межвуз. сб.
Горький, 1990. С. 4-12.
Олюнина Л. Н., Шабаев В. П. Продукция индолил-3-уксусной кислоты ризосферными
бактериями рода Pseudomonas в процессе роста // Микробиология. 1996. Т. 65, № 6. С. 813817.
Полевой В. В. Эволюция гормональной системы растений // Эволюция функций в растительном мире. Л., 1985. С. 216-229.
Shabajev V. P., Smolin V. Yu., Oljunina L. N., Gordejeva S. P., Safrina O. S. Nitrogen
fixation in the rhizosphere and growth of non-legumes inoculated with Pseudomonas genus
bacteria // Abstract book of 6 simposium of biological nitrogen fixation with non-legumes.
Ismailia (Egypet), 1993. P. 126.
112