Ю Масікевич - Дослідження активності фс 2 гетерозисних гібридів кукурудзи та їхніх вихідних форм - страница 1

Страницы:
1 

ВІСНИК ЛЬВІВ. УН-ТУ VISNYK OF L'VIV UNIV.

Серія біологічна. 2007. Вип. 43. С. 216-220    Biology series. 2007. Is. 43. P. 216-220

Фізіологія рослин

УДК 576.315.42

ДОСЛІДЖЕННЯ АКТИВНОСТІ ФС 2 ГЕТЕРОЗИСНИХ ГІБРИДІВ КУКУРУДЗИ ТА ЇХНІХ ВИХІДНИХ ФОРМ

Ю. Масікевич

Чернівецький факультет Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» вул. Головна, 203а, Чернівці 58018, Україна e-mail: masikevich@gmail.com, krona2004@sacura.chernovtsy.ua

Вивчено акіивність фотосистем 1 і 2 різних за рівнем прояву гетерозису гібридів кукурудзи шляхом дослідження їхньої фотохімічної активності хлоропластів, фосфо-рилування та флуоресценції. З'ясовано, що підвищення функціональної ак­тивності хлоропластів гетерозисних гібридів кукурудзи забезпечене змінами в інтенсивності синтезу білків хлоропластного кодування.

Ключові слова: кукурудза, гетерозис, інгібітори білкового синтезу, фотосис­тема.

Кукурудза належить до С4-рослин, для яких характерною ознакою є кранц-анатомія листка з чітким розмежуванням у клітинах обкладки та мезофілу двох типів хлоропластів, специфі­чним просторовим розміщенням та функціональним поєднанням двох фотосистем (ФС). У хлоропластах клітин обкладки провідних пучків, переважно, функціонує ФС 1, тоді як у клітинах мезофілу листка - одночасно два типи фотосистем - ФС 1 та ФС 2 [4, 5]. Вивчен­ню енергетичних функцій хлоропластів у зв'язку з проявом гетерозису присвячені праці [1, 11]. Виконані нами раніше дослідження [8] засвідчили, що як інбридинг, так і гібридизація рослин призводять до змін в ультраструктурі хлоропластів. Не з'ясованим є питання, як у цьому разі модифікується активність фотосистем? Яка із фотосистем зазнає кардинальніших функціональних змін унаслідок реконструкції електронтранспортного ланцюга (ЕТЛ), що відбувається під час селекції рослин кукурудзи на гетерозис?

Об'єктом дослідження слугували проростки гетерозисних гібридів кукурудзи та їхніх вихідних форм у фазі появи другого листка. Як тести на активність фотосистем ми вибрали показники фотохімічної активності хлоропластів, фосфорилування та флуоресцен­ції, що досить широко використовують для з'ясування подібних питань.

Швидкість реакції Хілла вимірювали спектрофотометрично при 420 нм за кількіс­тю відновленого фериціаніду калію [2]. Реакційна суміш містила: 4 мл суспензії хлоропластів, що еквівалентне 50-100 мкг хлорофілу, та 1 мл водного розчину, що вміщав 2 мкмоля фериціаніду калію. Концентрацію хлорофілу в суспензії визначали за методом Арнона [12]. Хлоропласти виділяли за методом [14].

Швидкість фотофосфорилування визначали люмінесцентним методом [7] за допо­могою автоматичної системи дослідження хемілюмінесценції "Люцифер-02 М" і біолю-мінесцентного АТФ-реагенту на основі розчинної люциферази світляків. Як кофактори під час визначення циклічного фотофосфорилування застосовували 0,05 мкм феназинме-тасульфат, а нециклічного - 1 мМ фериціанід калію. Змінну і повільну флуоресценції ви­являли за методом, який запропонував Закир'янов зі співавт. [3]. Використана експрес-методика дає змогу визначити швидкість відновлення первинних акцепторів електронів в електронтранспортному ланцюзі фотосистеми 2 (ЕТЦ ФС 2) і часу запуску темнових реа-

© Масікевич Ю., 2007кцій циклу Кальвіна шляхом визначення співвідношення фонової і змінної флуоресценції (FJFo), а також часу напівзагасання флуоресценції (т/2).

Статистичне опрацювання даних виконували за Масловим [10].

Дослідження кривих флуоресценції низки гетерозисних гібридів та їхніх вихідних форм свідчать (табл. 1) про те, що гетерозисні гібриди кукурудзи мають більші значення спів­відношення змінної та сталої флуоресценції (Fv /Fo) порівняно з вихідними формами. Подібне збільшення змінної флуоресценції в разі стабільних рівнів фонової флуоресценції є ознакою інтенсивного відновлення первинних акцепторів ФС 2. І навпаки, зменшення цього співвід­ношення є доказом вищої активності ФС 1.

Отримані нами результати (див. табл. 1) підтверджують, що вихідні форми простих між-лінійних гібридів - гомозиготні лінії - значно відрізняються від гібридів та між собою за співвідношенням Fv /F0. У більшості випадків материнська форма гібридів має вищу актив­ність ФС 2 порівняно з батьківською, гібрид у цьому разі успадковує криві флуоресценції мате­ринської форми. Що стосується реципрокних комбінацій вивчених нами гібридів кукуру­дзи, то для них характерне зменшення зазначеного співвідношення. Вивчення впливу інгі­біторів білкового синтезу на індукційні криві флуоресценції дало змогу з'ясувати, що лінкомі-цин - інгібітор трансляції на 70S рибосомах - призводить до різкого зменшення співвідно­шення Fv /F0, а отже, значно гальмує активність ФС 2. Отримані результати узгоджуються з дослідженнями ролі синтезу білка на 70S рибосомах та значенням генетичної інформації плас-тому для функціонування ФС [15].

Відомо, що фотохімічна активність хлоропластів (реакція Хілла) забезпечувана функці­онуванням ФС 2. Наші дослідженні засвідчили, що прості міжлінійні гібриди кукурудзи пере­вершують батьківські форми за активністю реакції Хілла на 30-45%, тоді як низькогетерозисні подвійні гібриди такої переваги не мають. Використання інгібіторної техніки дало змогу з' ясу­вати, що прояв гетерозису за фотохімічною активністю хлоропластів супроводжується активу­ванням 70S білоксинтезувальної системи органел (табл. 2). Отримані результати підтвер­джують на різний ступінь участі пластидної білоксинтезувальної системи в забезпеченні функ­ціональної активності хлоропластів різних за генетичною природою форм кукурудзи.

Вивчення активності процесів циклічного фотофосфорилування (забезпечене ФС 1) у різних типів гібридів кукурудзи, як і у випадку досліджень [13], не дало змоги виявити гетерозису за цим показником. Зазначимо, що за нециклічним типом фотофос-форилування (забезпечене двома типами фотосистем - ФС 1 та ФС 2) гібриди достовірно переважають вихідні форми (табл. 3).

Таблиця 1

Вплив інгібіторів білкового синтезу на параметри індукційних кривих флуоресценції гетерозисних гібридів кукурудзи та їхніх вихідних форм ± m; n = 4)

 

л. ВІР 44

г. Слава

л. ВІР 38

г. Слава

г. ВІР 42

г. Світоч

 

Варіанти досліду

( ? )

( Fi )

( в )

( ? )

( F1 )

( S)

 

 

Fv /Fo |т./2 , с

Fv /Fo |ii/2 , с

Fv /Fo |ii/2, с

Fv /F0 К1/2, с

Fv /F0 К1/2, с

Fv /F0 |l1/2, с

 

Контроль 1,20

56

1,65

48

0,86

70

1,65

48

1,50

50

1,40

52

Відсоток 100%

 

100%

 

100%

 

100%

 

100%

 

100%

 

Лінкоміцин (500 мкг/мл ) 1,05

58

0,82

54

0,70

72

0,82

54

0,77

54

0,62

54

Відсоток прояву показника 87,5%

 

49,5%

 

81,4%

 

49,5%

 

51,2%

 

44,6%

 

Відсоток інгібування 12,5%

-

50,5%

-

18,6%

-

50,5%

-

48,8%

-

55,4%

-

Циклогексимід (100 мкг/мл) 0,48

57

0,86

65

0,32

71

0,86

55

75,8

70

0,63

67

Відсоток прояву показника 40,0%

 

52,0%

 

37,2%

 

52,0%

 

50,5%

 

45,0%

 

Відсоток інгібування 60,0%

-

48,0%

-

62,8%

-

48,0%

-

49,5%

-

55,0%

-

Примітка. F0 - фоновий рівень флуоресценції, що відповідає точці "0"; Fm - максимальний рівень флуоресценції; Fv - змінна флуоресценція, Fv = Fm - F0; Fpl - плато, ділянка сповільнення флуоре­сценції; т1/2 - час напівзагасання флуоресценції.

Вплив інгібіторів білкового синтезу на активність реакції Хілла гетерозисних гібридів кукурудзи та їхніх вихідних форм ± m; n = мкмоль відновленого K3Fe(CN)6 /мг хлорофілу/год

Таблиця 2

4),

Варіанти досліду

л. ВІР 44

г. Слава

л. ВІР 38

г. Слава

г. ВІР 42

г. Світоч

 

( ? )

( F1 )

( в )

( ? )

( F1 )

( в )

Контроль

118,6 ± 7,8

170,4 ± 5,2

101,8 ± 3,2

170,4 ± 5,2

145,4 ± 3,6

130,6 ± 4,2

Відсоток

100 %

100 %

100 %

100 %

100 %

100 %

Лінкоміцин (500 мкг/мл )

88,5 ± 2,1

84,5 ± 3,6

74,6 ± 2,9

84,5 ± 3,6

73,9 ± 2,4

70,0 ± 1,6

Відсоток прояву показника

74,6 %

49,6 %

73,3 %

49,6 %

50,8 %

53,6 %

Відсоток інгібування

25,4 %

50,4 %

26,7 %

50,4 %

49,2 %

46,4 %

Циклогексимід (100 мкг/мл)

46,6 ± 2,0

90,8 ± 4,3

35,8 ± 2,4

90,8 ± 4,3

70,1 ± 1,9

58,6 ± 2,7

Відсоток прояву показника

39,3 %

53,3 %

35,2 %

53,3 %

48,2 %

44,9 %

Відсоток інгібування

60,7 %

46,7 %

64,8 %

46,7 %

51,8 %

55,1 %

Таблиця 3

Вплив інгібіторів білкового синтезу на активність циклічного (ЦФФ) та нециклічного фотофосфорилування (НЦФФ) гетерозисних гібридів кукурудзи та їхніх вихідних форм ± m; n = 4), мкм Р/мг хл./год

Варіанти досліду

л. ВІР 44

( ? )

г. Слава ( F1 )

л. ВІР 38

( в )

г. Слава

( ? )

г. ВІР 42

( F1 )

г. Світоч

( S )

ЦФФ НЦФФ

ЦФФ НЦФФ

ЦФФ НЦФФ

ЦФФ НЦФФ

ЦФФ НЦФФ

ЦФФ НЦФФ

Контроль 225,6 Відсоток ± 0,46

Лінкоміцин (500 мкг/мл ) 125,2 Відсоток прояву показника ± 0,55

Відсоток інгібування 44,5 % Циклогексимід (100 мкг/мл) 167,8 Відсоток прояву показника ± ^60

Відсоток інгібування   25,6 %

282,9 146,2 410,8 ± 0,90 ± 1,50 ± 2,00

267,3 63,2 336,9 ± 0,85 ± 1,20 ± 1,85

5,5 % 56,8 % 18,0 %

148,8 73,8 287,6

1,35   ± 1,05 ± 1,44

47,4 % 49,5 % 30,0 %

120,4 80,5

± 2,20 ± 1,60

102,3 35,7

± 0,62 ± 0,56 15,0 % 45,6 %

62,1 72,4

± 0,48 ± 0,90

48,4 % 10,1 %

146,2 410,8 130,5 405,2

± 1,50 ± 2,00 ± 2,40 ± 0,85

63,2 336,9 54,2 322,1

± 1,20 ± 1,85 ± 0,35 ± 1,10 56,8 % 18,0 % 58,5 % 20,5 %

73,8 287,6 64,9 290,9

± 1,05 ± 1,44 ± 0,82 ± 2,15 49,5 % 30,0 % 50,3 % 28,2 %

112,4 360,8

± 0,50 ± 1,50

61,6 309,2

± 0,36 ± 1,75 55,2 % 16,3 %

54,2 243,5

± 0, 40 ± 1,22 51,8 % 32,5 %

На підставі результатів блокування двох типів фотофосфорилування гетерозисних гібри­дів кукурудзи можна дійти висновку, що вдалий підбір батьківських форм, який приводить до отримання високогетерозисних комбінацій, супроводжується своєрідною докомплемента-цією білоксинтезувальних систем, які забезпечують циклічне та нециклічне транспортування електронів. Майже у всіх випадках батьківські форми відрізняються між собою за чутливістю до одних і тих же інгібіторів білкового синтезу за двома типами фотофосфорилування. Напри­клад, якщо одна з вихідних форм виявляє більшу чутливість до лінкоміцину за циклічним і мен­шу чутливість за нециклічним фотофосфорилуванням, то інша - нижчу чутливість до цього антибіотика за двома типами фотофосфорилування. Зазначимо, що стосовно циклогексиміду є аналогічна ситуація за чутливістю циклічного та нециклічного фотофосфорилування вихідних батьківських форм досліджених нами гібридів кукурудзи.

Завдяки зіставлянню результатів аналізу кривих флуоресценції з активністю фото-фосфорилування маємо змогу спостерігати тісний взаємозв' язок між співвідношенням змінної та фонової флуоресценції, з одного боку, та рівнем нециклічного фотофосфори-лування, - з іншого. Наприклад, гетерозисні гібриди кукурудзи, що мають високу актив­ність ФС 2, достовірно переважають у два і більше разів вихідні форми за рівнемнециклічного фосфорилування. Гомозиготні лінії, що уступають гібриду за нециклічним фотофосфорилуванням, також виявляють меншу активність ФС 2. Отож, можна провести паралель між приростом активності ФС 2 та відновленням макроергічних попередників завдяки нециклічному транспортуванню електронів. Іншими словами, активація ФС 2, що простежується у гетерозисних гібридів, суттєво впливає на утворення енергії нециклічним шляхом. Цей факт узгоджується з отриманими раніше [6] результатами про підвищення чутливості гібридів до лінкоміцину щодо інгібування синтезу поліпептидів з молекулярною масою 43 та 47 кД. Як відомо, ці поліпептиди перебувають під контролем хлоропластного генома і є в складі реакційного центру ФС 2.

Отже, підвищення функціональної активності хлоропластів гетерозисних гібридів кукурудзи, а саме: флуоресценції, нециклічного фотофосфорилування, реакції Хілла, що зумовлене функціонуванням ФС 2, вірогідніше всього, забезпечуване змінами в інтенсив­ності синтезу білків хлоропластного кодування.

1. Бабицкий А. Ф. Энергетическая функция хлоропластов мезофилла и клеточные пара­метры эпидермиса листа кукурузы в связи с явлением гетерозиса: Автореф. дисс. ... канд. биол. наук. Кишинев, 1984. 20 с.

2. Гавриленко В. Ф., Ладыгина М. Е., Хандобина Л. М. Большой практикум по физио­логии растений. М.: Высшая шк., 1975. 392 с.

3. Закирьянов Ф. К., Караваев В. А., Кукушкин А. К. О связи характерных времен пере­ходных процессов с ативностью темновых процессов фотосинтеза // Биофизика. 1992. Т. 37. Вып. 2. С. 219-221.

4. Корнеев Д. Ю. Гетерогенность акцепторной стороны фотосистемы 2 // Физиология и биохимия культурных растений. 2000. Т. 32. № 2. С. 96-105.

5. Кочубей С. М. Физико-химические процессы фотосинтеза: история исследований и современное состояние // Физиология и биохимия культурных растений. 1996. Т. 28. № 1. № 2. С. 73-87.

6. Крылов О. А. Структурно-функциональная характеристика хлоропластов гетерозис-ных растений кукурузы: Автореф. дисс. .   канд. биол. наук.: Минск, 1994. 24 с.

7. Ладыгина М. Е., Рубин Б. А. Биолюминисцентный метод количественного определе­ния отдельных компонентов адениловой системы // Биофизические методы в физио­логии растений. М.: Наука, 1971. С. 72-84.

8. Масикевич Ю. Г., Орлов П. А., Решетников В. Н. и др. Ультраструктура хлоропластов мезофилла и обкладки гетерозисных гибридов кукурузы и их исходных форм // Докл. АН Беларуси. 1993. Т. 37. № 6. С. 59-61.

9. Масикевич Ю. Г. Морфометрическая характеристика ассимиляционного аппарата прямых и реципрокных гибридов кукурузы // Цитология и генетика. 1994. Т. 28. № 2. С. 19-25.

10. Маслов Ю. И. Статистическая обработка данных биохимических исследований // Методы биохимического анализа растений. Л.: Наука, 1978. С. 163-187.

11. Хотылева Л. В., Разумович А. Н., Титок В. В. и др. Биоэнергетические процессы при гетерозисе. Минск: Навука і тэхннка, 1991. 176 с.

12. Arnon D. J. Conversion of light into chemical energy in photosynthesis // Nature. 1954. Vol. 184. N 1. Р. 10-21.

13. Sinha S. K., Khanna R. Physiological, biochemical and genetic basis of heterosis // Adv. Agron. 1975. Vol. 27. N 1. P. 123-174.

14. Wollenberg L., Stefansson H., Yu S.G., Albertson P.A. Isolation and characterization of vesi­cles originating from the chloroplast grana margins // Adv. Agron. 1994. Vol. 1184. N 1.

Р. 93-102.

15. Wrischer M. Ultrastructural localization of photosynthetic activity in thylakoids during chloroplast development in maize // Planta. 1989. Vol. 177. N 1. P. 18-23.

INVESTIGATION OF PHS. 2 ACTIVITY OF MAIZE HETEROSISE HYBRIDS AND THEIR RESULTATIVE FORMS

Yu. Masikevych

Chernivtsi Faculty of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" Holovna Str, 203a, Chernivtsi 58018, Ukraine e-mail: masikevych@gmail.com, krona2004@sacura.chernovtsy.ua

The activity of photosystems 1 and 2 belonging to different levels of ex­pressions of heterosise maize hybrids has been studied in the way of investiga­tion their photochemical activity chloroplast, phosphorizing and fluoroscence. It is stated that increase of functional activity of chloroplast heterosise maize hy­brids is provided by changes in the intensity of the synthesis albumen of chloro-plast codes.

Key words: maize, heterosise, ingibitors of albumen synthesis, photosystem.

Стаття надійшла до редколегії 30.08.06 Прийнята до друку 07.09.06

Страницы:
1 


Похожие статьи

Ю Масікевич - Дослідження активності фс 2 гетерозисних гібридів кукурудзи та їхніх вихідних форм