Пшеница умеет адаптироваться к тепловому стрессу
Не секрет, что высокая температура негативно влияет на развитие растений и значительно снижает их продуктивность. Будет ли культура устойчива к стрессу, определяется тем, насколько её клетки обеспечены энергией. Как сообщает «Наука в Сибири» со ссылкой на старшего научного сотрудника лаборатории физиологической генетики СИФИБР СО РАН кандидата биологических наук Ольгу Боровик, именно от этого зависит ответ на стрессовое воздействие.
Если энергии достаточно и она тратится в нужном русле, то растение выживает, адаптируется, а если нет — в конечном итоге оно погибает. Основные процессы, поставляющие и преобразующие энергию в клетках растений, это 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 чувствительны мембраны, в том числе 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.
Предполагается, что в стрессовых условиях дыхание участвует в поддержании фотосинтеза. 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 пшеницы «Новосибирская-29». В первую очередь учёные 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 подвергали воздействию 50 °C в течение одного и трёх часов. После листья исследовали на содержание водорастворимых углеводов, белков теплового шока и белка альтернативной оксидазы.
Исследователи выделяли из листьев митохондрии, очищали их от хлоропластов и определяли функционирование альтернативной оксидазы. Эксперименты показали, что вклад альтернативной оксидазы и содержание её 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», — рассказала Ольга Боровик.
Также было показано, что функционирование альтернативной оксидазы зависит от пула водорастворимых углеводов. 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, а в перспективе результаты исследования можно будет использовать для создания устойчивых к воздействию высоких температур сортов пшеницы.