Лекция 6 Моделирование холодового и солевого стресса с

Лекция 6. Моделирование холодового и солевого стресса с помощью элементов транскрипционного контроля и лигандрецепторных взаимодействий Подготовила Вера Абрамова 2 курс магистратуры Специальность «Биотехнология»

Сенсоры низкой температуры • Адаптация к холодовому стрессу является очень важным свойством растений. Возможные сенсоры низкой температуры в клетке: • 1)снижение подвижности мембран; • 2) интенсивность работы светособирающих систем хлоропластов не снижается, но снижена интенсивность работы цикла Кальвина.

Общий вид холодового ответа • Мембранная ригидификация вызывает накопление Са 2+ в цитоплазме, а также в ядре. В дальнейшем преобразовании этого сигнала задействованы Са 2+ сенсоры – Ca. M (calmodulin), CML (calmodulin-like), CDPK (Ca 2+ dependent protein kinase) и другие. • В результате повышается экспрессия генов COR cold responsive genes. Это происходит за счет активности транскрипционного фактора CBF- C repeat binding factors. • CBF 1/DREB 1 связываются в промоторной области COR-генов с последовательностью A/GCCGAC.

• Фермент Е 1 активирует С-конец убиквитина, используя энергию АТФ, аденилированием и переносом тиоэфирной связи с цистеина на E 1. Фермент Е 1 переносит убиквитин к транспортному ферменту Е 2, который при помощи Е 3 лигазы присоединяет его к субстрату.

SUMO=s(mall) u(biquitin-related) mo(difier)

Деградация протеинов в протеасоме

Регуляция холодового ответа • Выше CBF по иерархии находится ICE 1 - inducer of CBF expression. Количество ICE 1 также регулируется. Наиболее хорошо описаны посттрансляционные модификации, прямо влияющие на его стабильность. • Убиквитинилирование, опосредованное HOS 1 приводит к деградации ICE 1 в протеасоме, сумоилирование, опосредованное SIZ 1, противостоит первой модификации и приводит к стабилизации уровня ICE 1.

Посттрансляционная регуляция ICE 1

Изменения уровня гормонов растений при холодовом стрессе • Уровень абсцизовой кислоты повышается • Уровень гиббереловой кислоты снижается. При холоде повышается уровень катаболизирующего гиббереллин фермента – ГА 2 -оксидазы, и снижается уровень вовлеченного в синтез ферменты – ГА 20 оксидазы. • Уровень салициловой кислоты повышается

Индукция десатураз • В ответе растений на холодовой стресс важную роль играет индукция экспрессии десатураз – необходимо увеличить количество жирных кислот с ненасыщенными связями, что увеличит текучесть мембран при холоде

• В мире большие площади возделываемых земель засолены (20% всех возделываемых земель). • Засоленными считаются земли с содержанием Na. Cl 40 m. M/L или более. • Соленость вызывает водный стресс, ионную токсичность, дисбаланс питательных веществ, окислительный стресс, дисорганизацию мембраны, снижение пролиферации • В отличие от К+, Na+ не выступает в роли кофактора ферментов и т. п. Na+ поступает в через каналы а) с высокой аффиностью к K+ и слабой аффинностью к Na+, б) через каналы со слабой аффинностью к обоим ионам.

Соленость почвы • Главные катионы: Na+, Ca 2+, Mg 2+, K+ Главные анионы: Cl-, SO 42 -, HCO 3 -, CO 32 -, NO 3 • Засоленные почвы: избыток Na. Cl, Na 2 SO 4 • Защелаченные почвы: избыток Na 2 CO 3, Na. HCO 3

Резистентность растений к солевому стрессу • Галофиты – выдерживают концентрацию Na. Cl до 300 mmol/L • Гликофиты- 100 -200 mmol/L являются критической концентрацией солей

Одни из самых устойчивых галофитов Atriplex vesicaria Salicornia europaea

Степень толерантности растений к солевому стрессу

Проникновение солей в растение – побочный процесс при транспирации

Механизмы борьбы с солевым стрессом • Компартментализация Na+ • Клетки галофитов в равной степени чувствительны к высокой концентрации солей, но в отличие от гликофитов, избыток ионов эффективнее переносится в вакуоли. • Это обеспечивается Na+/H+ антипортерами. Источником протонов в вакуоли является активность вакуолярной АТФазы и пирофосфатазы

SOS-ответ при компартментализации Na+ в тонопласт • SOS (Salt Overly Sensitive) • Включает такие протеины как SOS 1, SOS 2, SOS 3. Сигнальный путь регулирует Na+, H+ гомеостаз и активируется Са 2+. • SOS 3 кодирует Са 2+ связывающий протеин. • SOS 2 является серин/треониновой киназой, в обычном состоянии находится в аутоингибирующей форме • При солевом стрессе Ca 2+ связывается с SOS 3, SOS 3 взаимодействует с SOS 2, при этом аутоингибирование снимается. SOS 2 далее взаимодействет с SOS 1 и активирует его. SOS 1 является Н+/Na+ антипортером

Механизмы борьбы с солевым стрессом (продолжение) • Ограничение апопластного транспорта Na+. На границе эктодермы и эндодермы корня расположен гидрофобный пояс Каспари, состоящий, г. о. , из лигнина и суберина. Это служит ограничителем для апопластного тока Na+. Утолщение пояса Каспари наблюдается при солевом стрессе. • Закрытие устьиц. При солевом стрессе повышается уровень абсцизовой кислоты, что приводит к закрытию устьиц и снижению транспирации.

Ограничение апопластного переноса NA+

Механизмы борьбы с солевым стрессом (продолжение) Синтез осмопротекторов Спирты линейные, циклические и их производные; Аминокислоты и бетаин. Экспериментально показано, что трансгенные растения, несущие гены, кодирующие ферменты лимитирующих стадий метаболизма указанных осмотпротекторов, становятся более толерантными к солевому стрессу (например, ген холинмонооксигеназы, необходимый для синтеза холин-бетаина) • Переход на САМ – фотосинтез (фотосинтез толстянковых) • •

Осмопротекторы

Механизмы борьбы с солевым стрессом (продолжение) • У галофитов – экскреция избытка солей через специальные солевые железы • Накопление избытка солей в стареющих листьях

Солевые железы галофитов

Источники • Hasegawa P. et al. Plant cellular and molecular responses to high salinity// Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 2000. 51: 463– 99 • Jian-Kang Zhu. Plant Salt Stress//Encyclopedia of life sciences, doi: 10. 1002/9780470015902. a 0001300. pub 2 • http: //www. visitmungo. com. au/plants • http: //en. wikipedia. org/wiki/Salicornia_europaea • http: //www. asknature. org/strategy/0 ef 4 cce 98 e 8 4127 a 384 ff 963259 e 4724