18 | 06 | 2018

Реферат Динамика липидов при прорастании семян

Реферат  Динамика липидов при прорастании семян

Липиды в растительном организме выступают как в роли компонентов клеточных структур, так и высокоэнергетического запасного материала.

Жиры являются одним из основных запасных веществ растений. При гидролизе выделяется необходимая энергия для процесса прорастания семян, а продукты распада жиров используются для синтеза органических кислот, сахаров и аминокислот.

Как запасные продукты липиды имеют преимущества перед углеводами и белками: они не растворяются в воде и клеточном соке, ни в какие реакции в водной среде не вступают, поэтому не изменяют существенно физико-химические свойства цитоплазмы. Следовательно липиды являются более стабильным источником питания при прорастании семян. Исходя из того, что в зародышах имеется высокое содержание жира, эту особенность необходимо считать важным фактором биологических свойств семян (Мартин, Большакова, 2003; Н. М. Макрушин и др., 2005).

Однако первичным субстратом для обеспечения процессов роста в начале прорастания семян являются не жиры, а запасные углеводы семян, а затем используются сахара, образующиеся из жиров [Энгель, Феофанова, 1967; Овчаров, 1976; Белозерова Л. С., Карпова Т. В., 1983].

Причем начальный процесс прорастания семян, фиксируемый их наклевыванием, осуществляется за счет запасных веществ собственно зародыша. Эти вещества находятся в легко усвоеваемых формах – аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты, а поэтому активно используются растущими тканями проростка. И. Э. Илли, С. С. Малышева, Л. Б. Рыжова (1971), Н. М. Макрушин, В. А. Капица (1972), в связи с этим выделяют период независимого от эндосперма, роста осевой части зародыша. Н. М. Макрушин (1985) гетеротрофный тип питания растений в ювениальном периоде онтогенеза разделяет на две фазы: гетеротрофную эмбриональную и гетеротрофную эндоспермальную. У пшеницы гетеротрофное эмбриональное питание проростка происходило в течение 12-14 часов, после чего наблюдалось использование для роста проростка запасных веществ эндосперма.

У кукурузы И. Э. Илли и др. (1977) независимый рост осевой части зародыша от эндосперма наблюдали в течение 15 часов прорастания.

Выше приведенные исследования подтверждают установленное J. Sachs (1862) положение, согласно которому первые процессы развития зародыша происходят при помощи веществ, заключенных в клетках самого зародыша. Разъедание зерен крахмала эндосперма ученый наблюдал, когда корешок достигал у пшеницы 1 см, а у кукурузы – 3 см.

Следует отметить, что как содержание жира, так и активность липаз в разных органах растений, анатомических структурах семян и органеллах клетки неодинаковые. Установлено [Ульченко Н. Т. и др., 2003], что у Cardaria repens (сердечница ползучая) триацилглицериды преобладают в липидах семян, а сложные эфиры стеролов с жирными кислотами – в липидах цветков и стручков. Общее содержание ненасыщенных жирных кислот в семенах в 4,5 раза выше, а в цветках почти в 2 раза ниже, чем насыщенных кислот.

В семенах жиры в основном накапливаются в зародышах и алейроновом слое. Особенно много жиров содержится в щитке зародыша, что играет важную роль при прорастании семян [Dure L. S., 1960; Oaks A. Beevers H., 1964].

В более молодых апикальных тканях корешков прорастающих семян гороха скорость биосинтезов липидов выше, чем в более старых сегментах корней. Отмечается также, что формирование эндоплазматической сети идет параллельно процессу синтеза жирных кислот пластидами [Brouen M. I., Sparace S. A., 1997].

Л. С. Белозерова и др. (1977) установили, что увеличение содержания жира в зародыше по мере прорастания семян кукурузы коррелирует с интенсивным ростом этой части семени. Такая же зависимость обнаружена и в отношении процесса дыхания.

Позже было показано, что между содержанием жиров и липазной активностью имеется четкая зависимость. Высокому содержанию жира в первые два дня прорастания соответствует наиболее низкая активность липаз. Снижение уровня запасных жиров в ходе прорастания семян кукурузы обусловлено ростом липолитической активности [Белозерова, Карпова, 1983].

Эндосперм зерновки кукурузы состоит из крахмальной, роговой частей и из наружного алейронового слоя, богатого белками, а также жирами. Ткань эндосперма, помимо алейронового слоя, состоит из неживых паренхимных клеток, тогда как клетки алейрона являются живыми и секретируют ферменты. Они представляют собой источник гормонов и других веществ, способствующих прорастанию семян [Malhort R. C., 1932, 1934; Крокер, Бартон, 1955]. Известно также, что щиток зародыша, являясь непосредственным источником ферментативной активности, выделяет фитогормон гиббереллин, который поступает в алейроновый слой вместе с разными ферментами, проявляя инициацию их действия.

Ферменты, расщепляющие жиры, в семенах присутствуют уже в состоянии их покоя. Е Леманн и Ф. Айхеле (1936) приводят исследования Noguchi (1923), A. Nemec (1923), Suzuki U. (1913), в которых были обнаружены в покоящихся семенах риса, кукурузы, ячменя, пшеницы, овса и проса ферменты липазу, глицеро-фосфатазу и фатазу, расщепляющие жиры. Однако активность этих ферментов очень низкая, недостаточная для возбуждения ростовых процессов осевой части зародыша [А. Г. Верещагин, 1958, 1972; Н. Е. Овчаров, 1976].

Одним из важных факторов физиологического покоя семян является их влажность. Каждому виду растений соответствует оптимальное количество влаги в семенах, обусловливающее их анаболитическое состояние. При этом ферментативные системы метаболизма находятся на критическом уровне, позволяющем при минимальном, еле уловимом расходовании веществ и энергии, сохранять жизнеспособность семян на протяжении длительного времени.

Thakurta A. G., Dutt B. K. (1935) установили, что у семян Cajanus при влажности 80,5% потреблялось кислорода при дыхании 456,7 мм3 на 1 г сухого вещества в 1 мин., при влажности 66,1% – 44,8 мм3, при влажности 12% – 0,0053 м3 и при влажности 7-8% – 0,00056 мм3. В зернах пшеницы скачек интенсивности дыхания наблюдался при влажности более 14,5%. Как показал Kolkwitt R. (1901), влажность семян ячменя 14-16% является критической, при дальнейшем повышении влажности интенсивность дыхания энергично возрастает.

Согласно данным ряда авторов [Walter H., 1931; Barton L., 1945; Николаева, 1967, 1985; Bewley J., Black, 1985], при оптимальной влажности семян в процессе хранения устойчивость зародышей к действию неблагоприятных факторов оказывается очень высокой.

Ряд авторов отмечает связь состояния покоя семян с содержанием в них жира. Л. М. Бабенко и др. (2002) отсутствие глубокого покоя у семян каштана конского относят за счет незначительного количества запасных липидов и высокого содержания воды в клетках осевой части зародыша. Другие ученые [Izadyar Amir b., Mang Shiow Y., 1999] в конце периода покоя почек ежевики отмечали рост содержания фосфолипидов и гликолипидов.

В. В. Рогожин (1999) указывает на тесную связь скорости выхода семян из состояния покоя с перекисным окислением липидов (ПОЛ) – этот процесс является инициатором пусковых механизмов прорастания семян. Набухание и прорастание семян сопровождается активированием ПОЛ, изменением в составе антиоксидантов и значительным повышением активности пероксидазы.

Прорастание семян начинается с поглощения воды. При этом покоящиеся сухие семена адсорбируют воду до критического состояния, после чего начинается набухание. Причем набухание семян – это не просто физическое явление, а сложный физиолого-биохимический процесс. При набухании повышается жизнедеятельность клеток, их ферментативные системы переходят в активное состояние, усиливаются гидролитические процессы, происходит перестройка коллоидов, сильно увеличивается дыхательный коэффициент [Кулешов Н. Н., 1963; Обручева Н. В., Антипова О. В., 1985; Мартин, Нестерова, 1989; Макрушин, Макрушина, Петерсон, Мельников, 2005]. Набухание сопровождается поглощением семенем кислорода, выделением углекислоты и расходованием запасных питательных веществ [Крокер, Бартон, 1955].

Наряду с гидролизом запасных веществ происходит синтез новых соединений, обеспечивающий активное деление клеток, образование новых тканей и развитие органов проростка. При этом происходит активирование и новообразование рибосом и митохондрий, нуклеиновых кислот и белков [Spedding, Wilson 1968; Овчаров, 1976].

К. Е. Овчаров (1976) приводит сведения о том, что в процессе набухания активируются и образуются РНК. Прекращение доступа воды к прорастающим семенам влияет на взаимодействие и РНК с рибосомами. Нормальное оводнение прорастающих семян обеспечивает активную деятельность митохондрий [Овчаров, Доман, Попов, 1970].

Биохимические реакции, протекающие при прорастании семян, сопровождаются сложным комплексом ферментов. Многочисленными исследованиями установлено, что при прорастании семена интенсивно расходуют жиры с одновременным ростом активности липаз. Промежуточными продуктами такого гидролиза являются жирные кислоты и глицерол, а конечными – СО2 и Н2О.

Е. Леманн и Д. Айхеле (1936) приводят сводку ранних исследований о расщеплении жиров (глицеридов) с помощью липаз, об отщеплении жирных кислот из глицериновой связи при прорастании семян злаков. При изучении расщепления липидов было установлено, что фосфатиды, включающие азотсодержащие радикалы «жировых кислот» расщепляются определенными фосфатазами и лецитазами [Sigmund, 1890; Hesse, 1929). Энзиматическое расщепление органических соединений фосфатов начинается уже при набухании, что было установлено при проращивании семян ячменя [Windisch, 1901]. При дальнейшем прорастании наблюдается более интенсивное расщепление. Микроскопически и химически наличие фосфорной кислоты в прорастающих семенах пшеницы было обнаружено Л. Ивановым (1904) и Н. Liiers (1920).

Одними из наиболее важных в метаболизме растений являются фосфолипиды, являющиеся структурным компонентом мембран. Рассмотрение обмена фосфолипидов при прорастании семян представляет особый интерес, поскольку этот процесс сопровождается интенсивным новообразованием тканей развивающегося проростка [Абдулаева, Валиханов, Рахимов, 1988; Рахимов и др., 1981; Васьковский, Некрасов, 1999].

Исследованиями И. М. Абдулаевой 2002; Kohovcovc, Odavic, 1999; Бобаев и др., 1974; Рахимов и др., 1981 детально изучена динамика фосфолипидов в прорастающих семенах сои и арахиса. Авторами установлено, что при прорастании семян сои и арахиса имеют место гидролитические изменения фосфолипидов, причем их содержание в первые сутки возрастает, а последующие – снижается. Основное гидролитическое действие при этом выполняет фермент фосфолипаза Д. Кроме гидролитической этот фермент проявляет трансферазную функцию при катализе трансалкидной реакции [Рахимова и др., 1989].

В результате изучения содержания фосфолипидов в составе хроматина ядерного матрикса и ядерной мембраны зародышей пшеницы было установлено, что ядерные субфракции интактных ядер сухих зародышей различаются по составу и содержанию отдельных фосфолипидов. При прорастании семян происходит перераспределение фосфолипидов в ядерных субфракциях. Предполагается, что этот процесс может привести к изменению проницаемости ядерной мембраны и заряда на ее поверхности [Минанасбекян Л. А. и др., 2004].

Л. В. Девятин [1997] выявил участие фосфолипидов в хлоропластах в различные периоды прорастания семян и проростках ряда зерновых и бобовых растений. Отмечена активация новых фракций фосфолипидов на 6 день прорастания в зародыше и эндосперме.

Одним из важнейших физиологических свойств мембран является подвижность их двойного липидного слоя, которая нарушается при низкотемпературной адаптации [Levitt, 1980]. Подвижность билипидного слоя обусловливается жирнокислотным составом фосфолипидов [Levitt, 1980; Lyons I., 1973]. Установлено, что у растений более устойчивых к низким температурам, имеет место повышенное содержание ненасыщенных жирных кислот [Dela Roche et al., 1975; Kuiper P., 1970; Martin C. E. et al, 1976]. Повышение содержания ненасыщенных аминокислот при действии низких температур отмечено на многих видах растений [Wilson I., 1974; Nordby et al., 1987; Wang C. et al., 1992]. К. П. Нохрина и В. С. Кравец (1998) исследовали изменчивость жирнокислотного состава фосфолипидов в листьях, колеоптилях и мезокотилях в 4-суточных этиолированных проростках кукурузы при холодной закалке. Авторы показали, что при этом относительное содержание ненасыщенных жирных кислот фосфолипидов повышается во всех органах проростков. Отмечается наиболее активное изменение количества линоленовой кислоты в наиболее чувствительном к холоду мезокотиле. Такой же вывод делают и другие авторы [Clarkcson D et al., 1980; Nordby H. et al., 1987]. Считается, что повышение уровня линоленовой жирной кислоты в процессе низкотемпературной закалки является физиологической адаптивной реакцией, имеющей значение для формирования устойчивости растений к низким температурам (Сhapman, 1975; Нюппиева К. А. и др., 1982; Christiansen M., 1985; Kodama H. et al., 1994).

При действии низких температур значительно изменяется активность и функциональная направленность ряда ферментов. Например, десатуразы жирных кислот значительно увеличивают свою активность, а синтетазы более стабильны [Williams J. et al., 1988]. Фосфолипиды с большим содержанием ненасыщенных жирных кислот обладают повышенной способностью регулирования активности ферментов мембран [Raisen, 1973]. Изучен также механизм действия ряда других ферментов при действии холода на прорастающие семена, что сводится к перестройке молекулярных структур фосфолипидов, обусловливающей низкотемпературную адаптацию [Lynch D., Thompson, 1984; Raison J., 1973; Norman H., 1986; Thompson, Einspahr et al., 1989; Ramesha, Thompson, 1983].

При прорастании семян различные ферменты проявляют специфическую деятельность. Растительные липоксигеназы участвуют в процессах защиты растений роста, развития, при формировании и прорастании семян. Изучение четырех изоформ липогеназ показало, что при прорастании семян гороха их экспрессия регулировалась дифференцированно во времени и органах. Липоксигеназы типа ЛОГ-2 и ЛОГ-3 присутствовали в осях и семядолях сухих семян, но исчезали после появления корней. Другие транскрипты (ЛОГ-д и ЛОГ-1) появлялись в оси в самом начале прорастания. Предполагается, что эти ферменты являются маркерами возобновления роста оси зародыша (Chateigner et al., 1999).

При изучении действия двух форм фосфолипаз Д-зависимой и независимой от присутствия фосфата РIP2 было установлено, что активность PIP2- зависимого фермента увеличивалась при прорастании семян рапса, в то время как PIP2-независимая фосфолипаза появлялась в самом начале созревания семян [Novotna Z. et al., 2000]. При обработке семян огурца электростатическим полем повышалась скорость прорастания семян при росте активности пероксидазы и каталазы, а содержание гидроперекисей уменьшалось [Zhu Cheng et al., 2000].

В прорастающих семенах при каталитическом действии ферментов происходит не только количественное изменение состава отдельных жирных кислот, но и их взаимопревращение. Установлено, что в процессе прорастания семян Lesguerella меченая олеиновая превращается в гидроксилированную рицинолеиновую жирную кислоту, которая затем десатурируется до денсиполовой. Под действием фермента десатуразы в семенах льна наблюдалось превращение верноловой кислоты [Engeseth, Stymme, 1996].

В период прорастания семян клещевины происходит резкая убыль триглицеридов за счет ферментативного распада. Причем к моменту образования проростков значительно уменьшается содержание рицинолевой кислоты [Букатченко, 1975].

Энзиматическая специфичность при распаде жиров наблюдается не только при прорастании семян разных видов растений, но и в сортовом разрезе. При изучении пяти различных сортов сои было показано, что в покоящихся семенах эстераза содержится приблизительно в равных количествах и не изменяется при прорастании семян. Однако количество липазы в сухих семенах разных сортов изменялось значительно. В покоящихся семенах преобладала эстераза, а в прорастающих – липаза. Причем, сравнительное изучение показало, что липаза в семенах сои и клещевины представлена изомерами, являющимися совершенно различными ферментами [Leonard J., 1941].