Транскрипция генов десатураз жирных кислот хлоропластов при низкотемпературном закаливании Solanum tuberosum L

Рис. 2. Изменение относительного содержания транскриптов генов десатураз жирных кислот хлоропласте® растений картофеля в динамике низкотемпературного закаливания (3°С, 7 сут). SAD - растворимая Д9-АПБ десатураза, FAD6 - Д12-ацил-липидная десатарураза, FAD7 - ю3(Д15)-ацил-липидная десатураза и HSFA8 - БТШ А8 (контроль холодового воздействия). На оси Y «Относительные единицы транскрипции, RQ», на оси X «продолжительность закаливания, сут». RQ определено методом ДДС_Т. Данные прелставлены в виде средних значений и их стандартных ошибок с использованием f-критерия Стьюдента. * - Статистически значимое отличие от контроля (р < 0,05)

Соединение С16.0-АПБ, являющееся предшественником С16.0 ЖК, используется в разных путях биосинтеза. Так, оно может в дальнейшем удлиняться до стеароил-АПБ с помощью фермента кетоацилсинтазы II (КАС II) или С16.0 ЖК может отделиться от АПБ с помощью ацил-АПБ тиоэстеразы (фермент, принадлежащий к классу ацил-АПБ-гидролаз) и подвергаться дальнейшей десатурации в липидсвязанной форме или транспортироваться из пластид в ЭПР. Таким образом, снижение активности фермента КАС II (одного из ферментов многокомпонентной синтазы ЖК), который удлиняет С16.0-АПБ до С18.0-АПБ, может приводить к повышению содержания пальмитиновой кислоты. С другой стороны, повышение активности ацил-АПБ тиоэстеразы также может приводить к повышению содержания пальмитиновой ЖК. Так, в литературе имеются данные о повышении содержания транскриптов гена пальмитоил-АПБ тиоэстеразы почти в четыре раза после кратковременного действия закаливающей температуры на растения картофеля [19].

Кроме того, в настоящей работе наблюдали повышение содержания С1(Н^А7 ЖК, как известно, играющей положительную роль в поддержании текучести мембран, поскольку при низкой температуре необходимо не только повышение количества ЖК с большим числом двойных связей, но и увеличение содержания ЖК с меньшим числом углеродных атомов. Это может свидетельствовать о повышении активности Д7-десатуразы FAD5, которая специфически образуют С1(Н ЖК в ФГ и МГДГ хлоропластов соответственно.

Согласно нашим данным, представленным в таблице, содержание а-линоленовой ЖК - главной ПНЖК хлоропластов, к седьмым суткам закаливания поддерживалось на высоком конститутивном уровне и составляло 50% от суммы ЖК. Представляет интерес сравнить эти показатели с данными литературы, согласно которым у картофеля сорта Невский происходило повышение содержания а-линоленовой кислоты после низкотемпературного закаливания с 38 до 43% [22], но эти показатели оставались даже ниже, чем у изученного нами сорта. Широко известно, что а-линоленовая кислота (и ее структурный аналог - гексадекатриеновая кислота) имеет уникальное значение в жизни растений [23] благодаря системе двойных связей. Она способна принимать спиральную конформацию и образовывать комплексы с мембранными липидами. Такие комплексы галактолипидов с белками обеспечивают построение фотосинтетических субъединиц хлоропласта, оптимальную пространственную ориентацию гидрофильных структур хлорофилла и возможность беспрепятственного переноса электронов в безводной среде. Следует отметить, что незначительное снижение содержания ПНЖК может быть связано как со снижением относительного содержания транскриптов гена SAD (рис. 2), кодирующего А9 стеароил-АПБ десатуразу ЖК, участвующую в образовании олеиновой кислоты, так и с интенсификацией пероксидного окисления липидов при резком снижении температуры в начале закаливания. Так, ранее нами показано возрастание его интенсивности у картофеля к третьим суткам низкотемпературного закаливания с последующим снижением до уровня вегетирующих растений к шестым суткам закаливания [24].

Таким образом, среди изученных генов А9-, Д12-, ю3-десатураз хло- ропластов обнаружено кратковременное (через 2 ч закаливания) увеличение содержания транскриптов только гена FAD6, кодирующего Д12-ацил- липидную десатуразу хлоропластов. Относительная транскрипция гена FAD7, кодирующего единственную ю3-десатуразу хлоропластов, оставалась на неизменном уровне, что, вероятно, способствовало поддержанию высокого конститутивного уровня триеновых ЖК.

Изменение относительного содержания жирных кислот липидов хлоропластов в результате низкотемпературного закаливания (3°С, 7 сут) растений картофеля, мас % + m

Примечание. Мас % - отражает содержание ЖК относительно суммы ЖК, ± m - стандартная ошибка, * - статистически значимое отличие от контроля (р < 0,05)

Суммарная доля ПНЖК липидов хлоропластов картофеля в незакаленных растениях составляла почти 90% от общего содержания всех ЖК и за время низкотемпературного закаливания сохранялась на высоком уровне. Высокое содержание ПНЖК способствует поддержанию тилакоидных мембран хлоропластов в функциональном состоянии, что в свою очередь позволяет растениям картофеля реализовать прохождение других процессов, способствующих закаливанию растений к низким температурам [25].

Заключение

На основании полученных данных можно предположить, что закаливание изученного сорта картофеля в целом направлено на поддержание конститутивно высокого содержания ПНЖК хлоропластов в процессе закаливания и увеличение синтеза ЖК de novo. Повышение содержания транскриптов гена FAD6 в начале этого периода, по-видимому, способствовало сохранению и поддержанию в активном состоянии пула Д12-десатураз, осуществляющих синтез линолевой кислоты, благодаря чему растения были обеспечены достаточным количеством этих жизненно важных ЖК. Стабильно высокое содержание ПНЖК, входящих в состав мембранных липидов хлоропластов, на протяжении всего периода закаливания способствует поддержанию тила- коидных мембран хлоропластов в функциональном состоянии, что позволяет растениям картофеля успешно закаливаться к гипотермии.

Литература

1. Liu Y, Dang P., Liu L., He C. Cold acclimation by the CBF-COR pathway in a changing climate: Lessons from Arabidopsis thaliana // Plant Cell Reports. 2019. Vol. 38. PP. 511-- 519. doi: 10.1007/s00299-019-02376-3

2. Трунова Т.И. Растение и низкотемпературный стресс (64-е Тимирязевские чтения). М.: Наука, 2007. 54 с.

3. Титов А.Ф., Акимова Т.В., Таланова В.В., Топчиева Л.В. Устойчивость растений в начальный период действия неблагоприятных температур. М.: Наука, 2006. 143 с.

4. Lyons J.M. Chilling injury in plants // Annu. Rev. Plant. Physiol. 1973. Vol. 24. PP. 445-466.

5. Лось Д.А. Молекулярные механизмы холодоустойчивости растений // Вестник РАН. 2005. Т 75. С. 338-345.

6. Harwood J.L. Lipids: structure and function // The biochemistry of plants / ed. P.K. Stumpf. New York: Acad. Press, 1980. PP. 1-55.

7. Iba K. Acclimative response to temperature stress in higher plants: approaches of gene engineering for temperature tolerance // Ann. Rev. Plant Biol. 2002. Vol. 53. PP. 225-244. doi: 10.1146/annurev.arplant.53.100201.160729

8. Chi X., Zhang Z., Chen N., Zhang X., Wang M., Chen M., Wang T., Pan L., Chen J., Yang Z., Guan X., Yu S. Isolation and functional analysis of fatty acid desaturase genes from peanut (Arachis hypogaea L.) // PLoS ONE. 2017. Vol. 12(12): e0189759. PP. 1-28. doi: 10.1371/ journal. pone.0189759

9. Ishizaki-Nishizawa O., Fujii T., Azuma M., Sekiguchi K., Murata N., Ohtani T., Toguri T. Low-temperature resistance of higher plants is significantly enhanced by a nonspecific cyanobacterial desaturase // Nat. Biotechnol. 1996. Vol. 14. PP. 1003-1006.

10. Lee S.H., Ahn S.J., Im YJ., Cho K., Chung C.-C., Cho B.H., Han O. Differential impact of low temperature on fatty acid unsaturation and lipoxygenase activity in figleaf gourd and cucumber roots // Biochem. and Biophys. Research Communications. 2005. Vol. 330. PP. 1194-1198.

11. Miquel М., James D., Dooner H., Browse J. Arabidopsis requires polyunsaturated lipids for low-temperature survival // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1993. Vol. 90. PP. 6208-6212.

12. Crosatti C., Rizza F., Badeck F.W., Mazzucotelli E., Cattivelli L. Harden the chloroplast to protect the plant // Physiologia Plantarum. 2013. Vol. 147. PP. 55-63. doi: 10.1111/j.1399- 3054.2012.01689.x

13. Лось Д.А. Десатуразы жирных кислот. М.: Научный мир, 2014. 372 с.

14. Анисимов Б.В., Еланский С.Н., Зейрук В.Н., Кузнецова М.А. Сорта картофеля, возделываемые в России: справочное издание. М.: Агроспас, 2013. 144 с.

15. Rao X., Huang X., Zhou Z., Lin X. An improvement of the AAC_T method for quantitative real-time polymerase chain reaction data analysis // Biostat. Bioinforma. Biomath. 2013. Vol. 3. PP. 71-85.

16. Lang E.G.E., Mueller S.J., Hoernstein S.N.W., Porankiewicz-Asplund J., Vervliet- Scheebaum M., Reski R. Simultaneous isolation of pure and intact chloroplasts and mitochondria from moss as theb for sub-cellular proteomics // Plant Cell Rep. 2011. Vol. 30. PP. 205-215. doi: 10.1007/s00299-010-0935-4

17. Маали Амири Р, Голденкова-Павлова И.В., Юрьева Н.О., Пчелкин В.П., Цыдендамбаев В.Д., Верещагин А.Г., Дерябин А.Н., Трунова Т.И., Лось Д.А., Носов А.М. Жирнокислотный состав липидов растений картофеля, трансформированных геном Д12-десатуразы цианобактерий // Физиология растений. 2007. T. 54. C. 678-685. doi: 10.1134/S1021443707050056

18. Сидоров Р.А., Жуков А.В., Верещагин А.Г., Цыдендамбаев В.Д. Низшие алкиловые эфиры жирных кислот из плодов бересклета // Физиология растений. 2012. T. 59. C. 362-368. doi: 10.1134/S1021443712030156

19. Koc I., Vatansever R., Ozyigit I. I., Filiz E. Identification of differentially expressed genes in chilling-Induced potato (Solanum tuberosum L.); a data analysis study // Appl. Biochem. Biotechnol. 2015. Vol. 177. PP 792-811. doi: 10.1007/s12010-015-1778-9

20. Kachroo A., Shanklin J., Whittle E., Lapchyk L., Hildebrand D., Kachroo P The Arabidopsis stearoyl-acyl carrier protein-desaturase family and the contribution of leaf isoforms to oleic acid synthesis // Plant Mol. Biol. 2007. Vol. 63. PP 257-271. doi: 10.1007/s11103-006-9086-y

21. Жуков А.В. Жирные кислоты с очень длинной цепью в составе мембранных липидов растений // Физиология растений. 2018. Т. 65. С. 418-437. doi: 10.1134/ S1021443718050187

22. Лаврова В.В., Сысоева М.И., Матвеева Е.М. Жирнокислотный состав липидов листьев картофеля в условиях периодической и длительной гипотермии // Труды Карельского научного центра РАН. 2012. № 2. С. 91.

23. Верещагин А.Г. Липиды в жизни растений (66-е Тимирязевские чтения). М.: Наука, 2007. 78 с.

24. Нарайкина Н.В., Синькевич М.С., Дёмин И.Н., Селиванов А.А., Мошков И.Е., Трунова Т.И. Изменения активности изоформ СОД при низкотемпературной адаптации у растений картофеля (Solanum tuberosum L.) дикого типа и трансформированных геном Д12-ацил-липидной десатуразы // Физиология растений. 2014. T. 61. C. 359366.

25. Нарайкина Н.В., Астахова Н.В., Дерябин А.Н., Синькевич М.С., Трунова Т.И. Адаптивные изменения ультраструктуры хлоропластов, содержания пигментов и сахаров при низкотемпературном закаливании растений картофеля: роль Д12-ациллипидной десатуразы // Известия РАН. Серия биологическая. 2018. № 6. С. 635-642.

Размещено на Allbest.ru