Фізіологічна та метаболічна характеристики молодих цукрових буряків в умовах посухи (частина 4)

 

За матеріалами наукової статті на тему «Фізіологічна та метаболічна характеристики молодих цукрових буряків в умовах тимчасової посухи» («A physiological and metabolic characterization of young sugar beets under temporary drought»), Боннський університет, Німеччина, 2018 р.

Обговорення

Зменшення пошкоджень було важливим під час процесу відновлення і включало гліцин бетаїн

Стрес від посухи викликає різні фізіологічні та біохімічні реакції у рослин. Щодо цукрових буряків, які мають обмежену здатність регулювати транспірацію, особливо актуальною є проблема адаптації метаболізму після засушливого періоду. Хоча метаболічні зміни, викликані посухою, були детально описані, про динаміку та повноту відновлення метаболізму в Beta vulgaris майже нічого не відомо. У даному дослідженні молоді рослини зазнали значного пошкодження мембрани та перекисного окислення ліпідів після 13 днів посухи до початку відновлення зрошення.

Типове накопичення первинних метаболітів, таких як розчинні вуглеводи, органічні та амінокислоти, а також аміди, спостерігалося наприкінці посушливого періоду в обох органах (Графік 3), що узгоджується з іншими дослідженнями. У той час як через 12 днів після відновлення зрошення фізіологічні параметри повернулися до контрольних рівнів, метаболіти, особливо накопичення амінокислот (ААА), відновлювалися досить повільно. Це не дивно, оскільки під час відновлення зрошення багато процесів потребують переналаштування, щоб досягти нового балансу, а метаболічні корективи необхідні для координації вкладення накопичених ресурсів у зменшення пошкоджень та відновлення росту. Крім того, пагони забезпечують фотосинтез для підтримки енергетичного живлення, в той час як корені гарантують надходження води та поживних речовин. Для цього потрібні різні набори метаболітів навіть в умовах зрошення, а під час посухи та після неї накопичені ресурси потрібно перерозподілити для забезпечення ефективних стратегій відновлення в кожному органі. Відмінні функції пагонів і коренів, ймовірно, призводять до різного рівня стресу і, отже, чітко вираженої динаміки метаболічних реакцій.

Перекисне окислення ліпідів, спричинене активними формами кисню (ROS), зазвичай спостерігається в умовах сильної посухи. Оскільки функціональні мембрани незамінні для фотосинтезу, поглинання поживних речовин, води чи дихання, можна припустити, що відновлення мембран у пріоритеті під час процесу відновлення. Однак детоксикація ROS є енерговитратним процесом і вимагає багато відновлювальної енергії для ферментативного та неферментативного очищення. Постійне збільшення витоку електроліту (EL) в пагонах протягом перших двох днів відновлення зрошення та повільне відновлення малондіальдегіду (MDA) вказують на те, що або подача редуктантів була недоступною, або системи очищення ROS не повністю відновилися після початку зрошення.

Відомі вчені стверджують, що доля клітинних компонентів, що перебувають у стані стресу, залежить від балансу між пошкодженням та відновленням, а не від тяжкості пошкодження, а підвищений рівень ROS перешкоджає процесам відновлення, ще до того, як можна визначити ступінь пошкодження. Припускається, що сумісні осмоліти, такі як гліцин бетаїн та пролін, захищають механізм синтезу білка від окислювального стресу, таким чином підтримуючи умови, за яких механізми відновлення відбуваються з високою швидкістю. Таким чином, сумісні осмоліти виконують подвійну роль, підтримуючи осмотичну регуляцію (ОА) під час посухи, а також сприяючи високій швидкості відновлення під час періоду відновлення після посухи. У Beta vulgaris гліцин бетаїн є конститутивним цитоплазматичним сумісним осмолітом і може накопичуватися у значних кількостях у стресових умовах. Цілком ймовірно, що мембрани пагону зазнають більш серйозних ушкоджень, ніж коренів, оскільки спричинений посухою дисбаланс між фотосинтетичною активністю та ростом призводить до збільшення виробництва ROS. У даному дослідженні і гліцин бетаїн, і пролін збільшилися в обох органах дуже пізно в період посухи, їх накопичення було більшим у пагонах, порівняно з коренями. Це може свідчити про те, що вони беруть участь у захисті, а не в осмотичній регуляції (ОА) під час останньої фази посухи, а також забезпечують необхідні механізми відновлення.

Підвищений рівень гліцин бетаїну в коренях цукрових буряків може негативно впливати на вихід цукру. По-перше, гліцин бетаїн вступає в реакцію з сахарозою під час переробки і, таким чином, погіршує кристалізацію цукру; по-друге, його біосинтез є досить енергозатратним процесом, оскільки для синтезу 1 моля гліцин бетаїну необхідно приблизно стільки ж енергії, що і для 1 моля сахарози. Отже, енергія та асиміляти, що використовуються в цій реакції, не доступні ні для накопичення сахарози, ні для інших процесів, пов'язаних із промисловою продукцією. У даному дослідженні концентрації гліцин бетаїну повернулися до контрольних рівнів протягом 12 днів після відновлення зрошення, але залишається зрозуміти, чи можуть майбутні посушливі періоди призвести до збільшення концентрацій гліцин бетаїну і, таким чином, викликати скорочення виходу цукру.

Метаболічне регулювання відбувається за рахунок відновлення росту

Посуха впливає на ріст і врожайність цукрових буряків, і навіть короткочасні посушливі періоди можуть спричинити значні втрати врожаю, особливо коли вони виникають на ранньому етапі розвитку рослин. У даному дослідженні рослини відновили ріст під час відновлення зрошення, але до кінця всього експерименту зберігалися нижчі темпи росту обох органів, що свідчить про необхідність виділення вуглецю (С) для метаболічного регулювання, постійної подачі енергії та ефективного зменшення пошкоджень після припинення дії стресу.

Тимчасове збільшення біомаси кореня, в порівнянні з контрольними рослинами, протягом останніх днів посухи було пов'язано, головним чином, з інтенсивним формуванням мережі тонких бічних корінців, а не збільшенням головного кореня (дані не вказані). Бічні корінці збільшують об'єм ґрунту, який можна використовувати для поглинання води, але перенаправлення накопичених ресурсів у бічні корені відбувається за рахунок формування головного кореня і, зрештою, зменшення вмісту сахарози. Тому ймовірно, що погіршення формування головного кореня на ранньому етапі розвитку рослин може сприяти втратам у виході цукру під час збирання врожаю. Залишається визначити, чи можна це компенсувати під час розвитку, особливо у випадку майбутніх посушливих періодів.

Перерозподіл вуглецю, викликаний посухою, лише частково змінюється під час відновлення зрошення

В умовах посухи схеми розподілу вуглецю (С) змінюються з метою направлення накопичених ресурсів саме туди, де вони найбільше потрібні під час аклімації та відновлення після стресу. Посуха призвела до збільшення рівня розчинних цукрів у пагонах, паралельно зі зменшенням рівня крохмалю. Зниження рівня крохмалю в пагонах, що зазнали посухи, спостерігалося в цукрових буряках та інших культурах та є результатом притупленого біосинтезу крохмалю або посиленого обороту з метою забезпечення розчинних цукрів для осмотичної регуляції (ОА).

Відновлення зрошення викликало зміни рівнів сахарози та крохмалю, що чітко вказує на швидке відновлення фотосинтезу. Цікаво, що рівень крохмалю досягнув і залишався на значно вищому, порівняно з контролем, рівні протягом другої половини періоду відновлення зрошення. Оскільки ріст відновився лише через 18 днів (5 день після відновлення зрошення, DAR), але зі зниженими темпами він, можливо, сприяв накопиченню крохмалю. Було б цікаво дізнатися, чи повернуться концентрації крохмалю до контрольних рівнів після більш тривалого періоду відновлення, або це відбиток стресу, який впливає на цукровий обмін протягом усього періоду розвитку. Крім того, синтез та деградація крохмалю дотримуються циркадного регулювання, що може бути порушено в посушливих умовах. В умовах регулярного зрошення вдень листя накопичує крохмаль, а вночі використовує його для підтримки метаболізму та росту.

Амінокислоти накопичуються під час посухи і по-різному реагують на відновлення зрошення

Аналіз основних компонентів (PCA) вказує на те, що амінокислоти (АА) представляли основні навантаження в умовах сильної посухи як у корені, так і в пагоні (Графік 9). Іншими словами, збільшення амінокислот (АА) свідчило про перехід від легкого до сильного стресу. Завдяки повільній дисиміляції, ці АА представляють прекрасний резерв для відновлення білків після стресу. Цей резерв може поповнюватися або асиміляцією азоту, або обміном хлорофілу та білка. Збільшення амінокислот (АА) супроводжувалося зниженням загальної концентрації білка в обох органах, що може свідчити про посилений розпад білка, викликаний стресом, у поєднанні з повільною дисиміляцією АА. Однак накопиченню амінокислот в посушливих умовах передувало значне зменшення концентрацій NO3- (Графік 6). Оскільки поглинання NO3- в корені, ймовірно, гальмувалося під час посухи, таке падіння рівнів NO3- може бути показником тривалої асиміляції азоту, принаймні протягом перших днів посухи та до тих пір, допоки резерв NO3- не буде поповнено. Дійсно, це було б чудово для позбавлення від зайвої енергії, викликаної пригніченням росту через посуху, в той час як функціонує фотосинтез. Однак інші дослідження свідчать про швидке пригнічення активності нітратредуктази (NR) в посушливих умовах у різних видів. Проводяться додаткові дослідження для оцінки асиміляції азоту та активності NR у цукрових буряках в умовах посухи.

В умовах відновлення зрошення рівні амінокислот BCAA та AAA повернулися до контрольних рівнів протягом декількох днів, але в коренях це відбувалося повільніше, порівняно з пагонами. В умовах обмежених ресурсів BCAA та AAA відіграють роль у мітохондріальному диханні та можуть бути катаболізовані в циклі трикарбонових кислот, щоб сприяти енергетичному обміну клітин. Крім того, метаболіти, похідні BCAA, такі як жирні кислоти та ацильні цукри, сприяють росту та захисту рослин, що може бути корисним для процесу відновлення. Швидше зниження рівнів ВСАА, аспартату, аспарагіну та фенілаланіну в пагонах під час відновлення зрошення може свідчити про те, що ці амінокислоти (АА) мали важливе значення для сприяння енергозабезпечення фотосинтетичних тканин, які були сильно пошкоджені утворенням ROS, в той час як асимільований вуглець спочатку був використаний для відновлення основних структур перед його перенесенням у корінь. Більш тривала підтримка підвищених рівнів АА в коренях також може бути пов’язаною із загальним сповільненим відновленням синтезу білка та росту підземних органів (коренів).

Дивно, але концентрації ААА лише тимчасово поверталися до контрольних рівнів у пагонах, а друге сильне збільшення було очевидне до кінця періоду відновленого зрошення, на відміну від коренів. Ароматичні амінокислоти (АА) є попередниками вторинних метаболітів, включаючи антоціани, які, в свою чергу, є попередниками лігніну, суберину та ауксину, який відіграє провідну роль у формуванні органів рослини. На даний момент можна лише припускати, що друге збільшення ААA у пагонах може свідчити про підвищену потребу в цих речовинах під час початку відновлення росту або представляє стресовий відбиток, який може надати конкурентну перевагу під час майбутніх посушливих періодів.

Ще одна різниця між коренями та пагонами полягала в інтенсивнішому збільшенні серину в коренях у результаті впливу посухи. Серин бере участь у різних біологічних процесах, таких як проліферація, метаболізм С-1, сигналізація та біосинтез сфінголіпідів, та є попередником біосинтезу триптофану. Отже, достатні концентрації серину є основою для всіх тканин для забезпечення розвитку рослин та свідченням збільшення його участі в абіотичних та біотичних реакціях на стрес.

Висновки

Нецільовий метаболомічний підхід 1H-NMR представив детальну метаболічну картину рослин Beta vulgaris в умовах тимчасової посухи. Викликані посухою зміни в первинному метаболізмі, а також погіршення водного режиму рослин і стійкості мембран майже повністю відновилися протягом 12 днів періоду відновлення, але чітко відмічена різна динаміка відновлення в коренях і пагонах, можливо, пов'язана з різними функціями та потребою в ефективній стратегії відновлення кожного органу. Ця різниця відображається в результатах аналізу основних компонентів (PCA), які вказували на те, що корені, відібрані в кінці періоду відновлення зрошення, були метаболічно відмінні від контрольних рослин, на відміну від пагонів. Лише в пагонах було виявлено повторне збільшення ААА до кінця періоду відновлення зрошення. На даний момент залишається незрозумілим, чи це вказує на підвищену потребу в AAA під час початку відновлення росту або представляє стресовий відбиток, який може бути корисним під час майбутніх посушливих періодів.

Зменшення пошкоджень здавалося особливо важливим під час початкової фази відновлення. Запізніле збільшення гліцин бетаїну та проліну до кінця посушливого періоду, особливо в пагонах, може свідчити про їх захисну функцію для підтримки сприятливих умов із метою відновлення клітин.

Навіть незважаючи на те, що цільовий аналіз додаткових метаболітів, таких як нітрати, вказував на тривалу асиміляцію азоту принаймні протягом перших днів посухи, метаболічне регулювання та процеси відновлення відбувалися за рахунок росту принаймні 12 днів. Незалежно від сповільненого росту чи переналаштування добового обміну крохмалю, протягом періоду відновлення спостерігається значне збільшення його концентрацій.

У цілому можна зробити висновок, що посуха та відновлення — це два різних процеси, що підлягають різним регуляторним механізмам у рослині. Хоча тривала посуха призводить до процесів аклімації, необхідних для нового метаболічно стабільного стану в довготривалих умовах обмеження доступності води, відновлення зрошення призводить до перерозподілу накопичених ресурсів для забезпечення процесу відновлення, специфічно для кожного органу.


1747