Фракционный состав белков и посевные качества семян пихты сибирской (abies sibirica ledeb) в разных эколого-фитоценотических условиях (стр. 2 )

Наряду с полипептидными цепочками, представляющими собой наи­более устойчивую первичную структуру белковой молекулы, существен­ную роль играют связи, определяющие более высокие ее структурные уровни. Так, вторичные и третичные структуры представляют собой сложную пространственную упаковку полипептидных цепей. Наконец, четвертичная структура представляет собой ассоциацию нескольких це­пей в единую структуру. Она характерна для регуляторных белков. Ука­зывается также, что отложение белков в запас связано с образованием четвертичной структуры (Соболев белки растений. Новосибирск : Наука, 19с.).

В зависимости от химического состава А. Ленинджер выделяет простые и сложные белки ( Основы биохимии: в 3-х т. Т.1. М. : Мир, 19с.). Простые белки построены только из аминокислот, а сложные белки – из простого белка и простетической группы (небелкового компонента). В свою очередь, в зависимости от химической природы небелковые компоненты таких соединений делятся на фосфопротеины, хромопротеины, нуклеопротеины, гликопротеины, липопротеины и металлопротеины.

Наряду с выполнением белками различных физиологических функций, основная их масса откладывается в запас. В связи с этим, внимание исследователей направлено главным образом на изучение запасных белков (Николаева семян. С. 49). Запасные белки откладываются в семени в виде особых образований – белковых телец и алейроновых зерен. Эти термины нередко используют как синонимы. Однако некоторые авторы предлагают их различать. Так, J. Bewley и M. Blask, а затем и называют «белковыми тельцами» образования, локализованные в крахмалистом эндосперме, а под «алейроновыми зернами» понимают образования, заполняющие клетки алейронового слоя (Bewley J. D. Physiology and Biochemistry of Seeds in Relation to Germination. Berlin : Springer. Verlag, 19p.; Азаркович белка и фитина в алейроновых зернах семян клещевины при прорастании // Физиология растений. 1999. Т.46. №3. С. 410–418). считал, что они различаются путями образования, а также химическим составом и структурой (Соболев белки растений. 143 с.).

Единой классификации белков не существует. Первые шаги в направлении разделения на группы растительных белков были сделаны в начале XX века (Осборн белки. М. : Биомедгиз, 19с.), затем (Прянишников в жизни растений и земледелии СССР. 352 с.). Их классификация основывается на растворимости белков в различных растворах:

– альбумины растворимы в воде при нейтральном или слабокислом рН, они коагулируют при повышенной температуре. К этой группе от­носятся главным образом ферменты;

– глобулины нерастворимы в воде, но растворимы в растворе соли и не коагулируют при нагревании, как альбуми­ны;

– глютелины экстрагируются лишь pacтворами сильных кислот или ще­лочей;

– проламины растворяются в 90 % спирте (Николаева семян. С. 46–47).

По степени участия белков в метаболических процессах водорастворимые белки намного интенсивнее включают продукты фотосинтеза, чем щелочерастворимые их фракции (Судачкова хвойных и формирование древесины. Новосибирск : Наука, 19с.). Анализируя многочисленные работы о ферментных системах семян ( Химия и функции белков. М. : Мир, 19с.; Галимова белков в годичном цикле различных по зимостойкости древесных растений // Тез. докл. науч. Конф. 1967. С. 15–17; накопление белка в зерне пшеницы и кукурузы. 325 с.; Реймерс семян и температура. Новосибирск : Наука, 19с.; Наra I. Seed Globulin. Proteolytic Activities Involved in Globulin Degradation in Ingeminated Seeds // Plant Cell Physiol. 1980. V. 21. P. 219–232; Александров клеток и белки. Ленинград, 19с.; Семихов белкового комплекса семян и оценка эволюционной продвинутости таксонов растения. // Бюл. Моск. об-ва испытателей природы. Отд. Биол, 1989. №6. С. 9–19; Bewley J. D. Seeds: Physiology of Development and Germination. N. Y. : Plenum Press, 19p.; Обручева инициации прорастания семян // Физиология растений. 1997. Т.44. С. 287–302; Алексейчук и др., 1999; Новожилова и глобулины семян злаков и оценка их разнообразия // Известия РАН. Серия биологическая. 1999. №1. С. 16–25), можно заключить, что альбумины представляют собой полифункциональные ферменты, регулирующие активный транспорт ионов в клетке и их трансформацию (Благовещенский основы филогении высших растений. М. : Наука, 19с.). По мнению ряда авторов, альбумины могут также являться белками-ингибиторами и запасными белками (Соболев белки растений. 143 с.; Даскалюк стратификации, прорастания и изменения полипептидного состава // Физиология растений. 1996. Т.43. №4. С. 574–580).

Роль глобулинов в прорастающих семенах очень велика, т. к. они являются основным запасным белком, который при действии ферментов легко мобилизуется и в виде аминокислот транспортируется к местам новообразования органов и тканей (Данович семян. М. : Наука, 19с.; Каримов растворимых белков в семенах хлопчатника в связи с их жизнеспособностью // Физиология растений. 1999. №3. С. 484–491).

В своей работе и др. предположили, что высокое содержание проламинов у прорастающих семян лиственницы Гмелина является одним из проявлений ее температурной адаптации, так как они считаются специализированной формой белка, характерной для растений из неблагоприятных мест произрастания (Прокушкин состав белков в семенах лиственниц Гмелина и сибирской // Лесоведение. 2009. №1. С. 33–41). По предположению , проламины также следует рассматривать как филогенетически молодые и специализированные белки, возникшие в процессе эволюции, как один из механизмов адаптации к неблагоприятным условиям произрастания на физиолого-биохимическом уровне (Семихов белкового комплекса семян и оценка эволюционной продвинутости таксонов растения С. 9–19).

Предполагается, что глютелины играют важную роль в адаптации растений к действию неблагоприятных факторов. По мнению ряда исследователей (Сергеева и биохимические основы зимостойкости древесных растений. М. : Наука, 19с.; Прокушкин температуры почвы на фракционный состав белков в корнях сосны обыкновенной. Устойчивость к неблагоприятным факторам среды и продуктивность растений: Тезисы Всес. Конференциисентября, 1984. С. 69–70.; К вопросу о существовании белка, гиперполяризующего клетки корней пшеницы в состоянии стресса // Физиология и биохимия культурных растений. 1992. № 2. С. 159–162) их содержание, как правило, выше у зимостойких и холодоустойчивых растений, по сравнению с восприимчивыми. Вместе с тем, высокое содержание глютелинов в семенах является одним из характерных признаков, способствующих повышению устойчивости их проростков к экстремальным условиям произрастания (Родченко растущих клеток корня к пониженным температурам. 149 с.; Семихов белкового комплекса семян и оценка эволюционной продвинутости таксонов растения С. 9–19).

При применении контрастных температурных условий во время дыхания семян выявлена положительная корреляция с содержанием нерастворимой фракции белкового азота в семенах лиственницы Гмелина, что может указывать на их высокую роль в физиологических процессах семян (Масягина температуры на фракционный состав белков и дыхание прорастающих семян лиственницы Гмелина и сибирской // Сибирский экологический журнал. 2009. № 6. С. 937–948.).

В качестве примера в таблице 1.1 показан фракционный состав белков семян некоторых растений, из которой видно, что у большинства злаков преобладают проламины и глютелины, а у бобовых, тыквы и хлопчатни­ка — глобулины. Однако надо иметь в виду, что состав белков во мно­гом зависит от сортовых особенностей растений и условий их выращи­вания (Данович семян. 318 с.).

К настоящему времени разработаны различные методы изучения бел­ков (электрофорез, ультрацентрифугирование, гельфильтрация, иммуно­логический анализ и др.), позволяющие изучать их фракционный состав и свойства (Там же, с. 53).

Преобладающей формой растворимого азота, поступающего в плоды и семена бобовых растений, являются амиды. В частности, у люпина белого аспарагин составляет от 50 до 70 % растворимого азота.

Основное количество азота (до 90 % общего содержания) находится в семенах в составе белка. Растительные белки содержат азота от 14 до 18 %, т. е. в среднем, около 16 %. Наиболее богаты азотом семена бобовых и масличных культур, меньше его в зерне злаков (Овчаров основы всхожести семян. 280 с.), в то время как его содержание в голосеменных растениях, в частности в семенах лиственницы Гмелина, невелико и составляет всего 1.6–1.7 % а. с.м с преобладанием в составе фракции глобулинов ­– 34–52 % от белкового азота.

Таблица 1.1 – Фракционный состав белков семян

Растения	Общий белок ( % от а. с.в.)	Доля различных фракций, % от общего белка
Альбумины	Глобулины	Проламины	Глютелины
Овес	8-14	2-8	19-25	8-13	46-80
Пшеница	10-15	3-5	6-10	40-50	30-40
Рис	5-7	5	10	5	80
Рожь	9-14	5-10	5-10	30-50	30-50
Ячмень	10-16	3-4	10-20	35-45	35-45
Табак	33	24	26	следы	50
Тыква	-	следы	92	следы	мало
Соя	30-50	мало	85-95	следы	следы
Лиственница Гмелина[4]	1.6-1.7	10-19	34-52	1-5	5-12

Потребность растений в азоте тесно связана со скоростью их роста. Деревья, у которых большая часть годового прироста происходит в начале используют в это время много азота. Источником его в этот период являются в основном, запасы самого дерева, так как поглощение азота из почвы весной происходит крайне медленно (Прокушкин азота сеянцами сосны обыкновенной при пониженной температуре почвы // Известия СО РАН. Серия биологическая. 1982. Вып.2. С. 31–38).

По мере созревания семян содержание растворимых форм азота снижается, так как они превращаются в пептиды, а затем в белки. Наряду с выполнением белками различных физиологических функций, основная их масса откладывается в запас (Николаева и биохимия покоя и прорастания семян. 495 с.). В связи с этим внимание исследователей направлено главным образом на изучение запасных белков у семян растений (Николаева семян. 232 с.).

1.5. Роль белков в устойчивости растений к различным экологическим условиям

Условия внешней среды оказывают большое влияние на метаболизм формирующихся семян (Коровин и экстремальная температура. Ленинград : Гидрометеоиздат, 19с.; Алехина среды и адаптационные свойства ферментов ассимиляции азота у растений // Вестник МГУ. 1988. Т.16. С. 3–15; Короткий температурного режима на поглощение воды в прорастающих семенах лиственниц Гмелина и сибирской // Лесоведение. 2002. № 5. С. 53–57). Поэтому семена одного вида, созревающие при разных климатических условиях, различаются как по содержанию запасных веществ, так и по соотношению отдельных групп веществ – белков, жиров, углеводов.

Среди многочисленных функций особую роль соединения азота играют в устойчивости растений к экстремальным условиям, в частности, к гипотермии (Прокушкин азота сеянцами сосны обыкновенной при пониженной температуре почвы // Известия СО РАН. Серия биологическая. 1982. Вып.2. С. 31–38; Судачкова экологических стрессов на состав метаболитов в сеянцах сосны обыкновенной // Лесоведение. 1990. № 1. С. 49–57; Судачкова индикаторы стрессового состояния древесных растений. Новосибирск : Наука, 19с.; Судачкова и перспективы изучения влияния стрессов на древесные растения // Лесоведение. 1998. № 2. С. 3–9; Физико-химические свойства криозащитных белков меристем зимующих почек ели и пихты / [и др.] // Лесной журнал. 2003. № 6. С. 75–81).

Известно, что температура, при которой происходит прорастание, оказывает большое влияние на физиолого-биохимические реакции семени, связанные с изменением соотношения процессов синтеза и распада, что, в конечном счете, отражается на скорости прорастания (Овчаров формирования и прорастания семян. М. : Колос, 19с.; Алехина среды и адаптационные свойства ферментов ассимиляции азота у растений. С. 3–15; Родченко и адаптация растений к низким температурам // Рост и устойчивость растений. Новосибирск, 1988. С. 144–154; Рост и морозоустойчивость растений. Новосибирск: Наука, 1988. С. 133–143; Титов устойчивости растений в условиях нарастающего температурного стресса // Адаптация, рост и развитие растений. Петрозаводск, 1994. С. 46–55; Thomashow M. F. Plant cold acclimation: Freezing tolerance genes and regulatory mechanisms // Ann. Rev. Plant Mol. Biol. 1999. V.50. P. 571–599). Одним из возможных показателей нарушения метаболических процессов в семенах при низких температурах служит перестройка в азотном обмене (Volke E. Р. 61–63.).

Так, связывает устойчивость семян к воздействию стрессовых температур с изменениями азотного обмена в них, в частности, с изменением содержания общего белка и отдельных форм белкового азота (Пахомова положения современной теории стресса и неспецифической адаптационный синдром у растений. С. 66–69).

T. L. Noland и J. B. Mulphy проводили стратификацию семян Pinus lambertiana в течение 90 дней при температуре +5ºС и обнаружили, что скорость синтеза белка в зародыше семян увеличилась в 18 раз, причем наблюдались количественные изменения содержания отдельных белков (Noland T. L. Changes in isocitratelyase activity and ATP content during stratification and germination of sugar pine seeds // Seed Sci. Technol. 19– P. 777–787; Noland T. L. Protein synthesis and amino peptidase activity in dormant sugar pine seed during stratification and warm incubation // J. Plant Physiol. 19№1/2. P. 1–10).

В работе представлены данные о том, что под влиянием низких положительных температур на начальном этапе прорастания семян яблони и клена татарского образуются или активизируются гидролитические и окислительные ферменты, а из сложных и малорастворимых соединений возникают сахара, аминокислоты и другие растворимые органические соединения (Николаева семян. 232 с.).

и проводили исследования различий в содержании общего, белкового азота и его фракций в семенах лиственниц Гмелина в зависимости от их местопроизрастания. Было выявлено, что при прорастании семян общее содержание белкового азота в них уменьшилось, причем в семенах северного климатипа это происходило в основном за счет уменьшения содержания глобулинов, в то время как в семенах южного климатипа – за счет уменьшения всех форм растворимого белка. Однако при анализе этих же семян без учета их жизнеспособности большее содержание белкового азота и лучшие посевные качества обнаружены у семян южного климатипа. Это связано с тем, что у северного климатипа лиственницы Гмелина встречается много пустых и поврежденных семян, чем, возможно, и объясняется их низкая энергия прорастания, лабораторная и потенциальная всхожесть. Семена лиственницы сибирской южного климатипа (среднегорный таежный пояс, Тыва) на всех стадиях прорастания при оптимальной температуре, в отличие от других климатипов, имели максимальное содержание всех белковых фракций (Прокушкин состав белков в семенах лиственниц Гмелина и сибирской. С. 33–41).

Известно, что при адаптации к неблагоприятным условиям процессы жизнедеятельности клеток не затухают, а структурно и функционально перестраиваются (Алаудинова белков меристем почек Pinus sylvestris L. // Химия растительного сырья. 2002. № 4. С. 25–29; Фракционный состав водорастворимых цитоплазматических белков меристем зимующих почек ели и пихты / [и др.] // Хвойные бореальной зоны. 2006. № 2. С. 228–231; Алаудинова характеристика водорастворимых белков меристем почек Larix sibirica L., Picea obovata L. и Abies sibirica L. // Химия природных соединений. 2010. № 3. С. 364–358). В результате растения приобретают возможность длительно существовать в измененных условиях. Отсутствие такой адаптации у неустойчивых растений приводит к дискоординации процессов жизнедеятельности и, в конечном итоге, к гибели растительного организма (Трунова и биохимические основы адаптации растений к морозу // Сельскохозяйственная биология. 1984. №6. С. 3–10). При этом в основе всех многочисленных изменений, происходящих при низкотемпературной адаптации, как в метаболизме, так и в структуре клеток, лежат первичные изменения в синтезе белка (Сергеев -метаболические механизмы адаптации древесных растений к неблагоприятным факторам внешней среды // Сезонные структурно-метаболические ритмы и адаптации древесных растений : под. ред. и др. Уфа : Башк. фил. АН СССР, 1977. С. 11–36; Стрессовые белки растений,. 143 с.; Guy C. L. Cold acclimation and freezing stress Tolerance Role of protein metabolism Annu. // Rev. Plant Physiol. And Plant Mol. Biol. 1990. V. 41. P. 187–223).

Подводя итог данной главе, можно отметь, что существует множество работ, посвященных изучению азотных соединений в жизнедеятельности растений, но большинство из них детально освещают процессы, протекающие в вегетативных органах хвойных.

Особенности азотного обмена в семенах пихты сибирской, как и других лесообразующих пород, изучены мало. В то время как подобные исследования могли бы не только расширить наши представления о физиологии и биохимии семян пихты сибирской, но и выявить пути адаптации хвойных растений к неблагоприятным антропогенным и климатическим условиям в период их прорастания.

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1. Характеристика объектов и районов исследования

В работе рассматривается фракционный состав белков и посевные качества семян пихты сибирской в разных эколого-фитоценотических условиях, сформировавшихся в пихтовых биогеоценозах и обусловленных лесорастительными зонами, типами леса, структурой древостоев по степени роста и развития отдельных деревьев и морфоструктурой их крон.

В качестве объектов исследований использовали семена пихты сибирской, сбор которых проводился в пихтовых фитоценозах различных лесорастительных зон Красноярского края: в средней тайге – Енисейское лесничество, 59˚с. ш. и 92˚ в. д.; южной тайге – Таежинское лесничество, 57ос. ш. и 90о в. д.; южной тайге (южной границе зоны) – Козульское лесничество, 56˚ с. ш. и 92˚ в. д., (Миркин понятий и терминов современной фитоценологии. М. : Наука. 19с.; Атлас Красноярского края и республики Хакасия, / под ред. . Новосибирск. 1994. С. 37; Лесной план Красноярского края: Министерство природных ресурсов. Красноярск. 20с.). Эти районы отличаются целым комплексом экологических условий и соответственно срокам вегетации, составляющим 86 дней для средней тайги и 112–145 для зоны южной тайги (рис. 1; табл. 2.1).

КГУ «Енисейское лесничество» согласно приказу № 68 об утверждении перечня лесорастительных зон и лесных районов РФ, относится к Западно-Сибирскому равнинному таежному району таежной зоны средней тайги (Приказ Минсельхоза России «Об утверждении перечня лесорастительных зон и лесных районов Российской Федерации». М. 12 с.). Климат района расположения лесничества континентальный: весна затяжная с резким колебанием температур, лето жаркое с достаточным увлажнением, осень скоротечная, зима многоснежная, с сильными морозами.

Отдельные климатические факторы северного климата отрицательно влияют на рост и развитие древесной растительности. К ним относятся: ранне-осенние и поздне-весенние заморозки, резкая смена температур.

В целом же климат расположения лесничества вполне благоприятен для произрастания древесных кустарниковых пород, о чем говорит наличие высокобонитетных насаждений (13 %), от всего лесного фонда.

Рисунок 2.1 – Карта-схема мест отбора семян пихты сибирской в отдельных лесорастительных зонах Красноярского края:

Енисейское – средняя тайга;

Таежинское – южная тайга;

Козульское лесничество – южная тайга (южная граница зоны)

По рельефу территория лесничества делится на две части – западная часть, являющаяся восточной окраиной Западно-сибирской низменности, представляет собой плоско-холмистую равнину, где широкие долины рек чередуются с водоразделами, относительные превышения которых достигают 70–80 м.

Таблица 2.1 Характеристика районов исследования

Лесорастительная зона	Лесничество	Вегетационный период, (дни) [5]	Количество осадков (мм/год)2	Период t≥5˚С (сут.) 2	tср. июля, ºС 2	tср. января, ºС 2
Таежная (средняя тайга)	Енисейское	86	400	140	+ 17	- 23
Таежная (южная тайга)	Таежинское	112	450	140	+ 18	- 21
Таежная (южная граница зоны южной тайги)	Козульское	145	522	145	+ 19	- 19

Надпойменные террасы рек имеют депрессии, заполненные верховыми и переходными болотами. Восточная часть территории лесничества расположена на Средне-Сибирском плоскогорье (район Енисейского кряжа).