WWW.ДЕНЬСИЛЫ.РФ

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Медицина

 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |

Пектиновые вещества клеточных культур растений

-- [ Страница 1 ] --

на правах рукописи

Гюнтер Елена Александровна

Пектиновые вещества
клеточных культур растений

03.01.04 – биохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Казань - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физиологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук

Научные консультанты: академик РАН,

доктор химических наук, профессор

Оводов Юрий Семенович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор,

главный научный сотрудник ФГБУН

Института биохимии и физиологии растений

и микроорганизмов РАН.

Игнатов Владимир Владимирович

чл.-корр. РАН,

доктор химических наук, профессор,

заведующий лабораторией ФГБУН

Института органической и физической химии

им. А.Е.Арбузова Казанского научного центра РАН

Миронов Владимир Федорович

доктор биологических наук, профессор,

ведущий научный сотрудник ФГБУН

Казанского Института биохимии и

биофизики Казанского научного центра РАН.

Чиков Владимир Иванович

Ведущая организация: ФГБУН Институт физиологии растений РАН

Защита состоится «__» ________ 201_ г. в ___ ч. на заседании диссертационного совета Д.212.081.08 при ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского (Приволжского) федерального университета.

Автореферат разослан «___» ___________ 201_ г.

Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор биологических наук, профессор Абрамова З.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Пектиновые вещества относятся к большой группе гликаногалактуронанов и включают протопектин, пектиновые полисахариды (гомогалактуронан, рамногалактуронаны I и II (RG-I и RG-II), ксилогалактуронан и апиогалактуронан) и сопутствующие арабинаны, галактаны и арабиногалактаны (Оводов, 2009). Пектиновые вещества входят в состав клеточных стенок практически всех высших наземных и водных растений и выполняют важные биологические функции: обеспечивают ионный транспорт и водный режим, влияют на прорастание семян, рост и развитие растения, обеспечивают их засухоустойчивость и морозостойкость, выполняют защитную роль во взаимоотношениях растения с фитопатогенами (Mohnen, 2008; Оводов и др., 2009). Известно, что биологические функции и физиологическая активность растительных полисахаридов определяются особенностями их строения (Wagner et al., 1988; Roesler et al., 1991; Оводов, 2009).

Закономерности формирования пектиновых макромолекул в ходе биосинтеза и постсинтетической модификации в растительной ткани изучены недостаточно. Это связано, в первую очередь, со сложностью анализа клеточных стенок нативных растений, представляющих собой многокомпонентные и динамичные структуры (Горшкова, 2007). Как изучение процессов биохимического обеспечения функций клеточных стенок, так и получение физиологически активных и технически ценных пектиновых полисахаридов целесообразно проводить с использованием клеточных культур. Культура клеток растений, состоящая в основном из клеток с первичными клеточными стенками, представляет интерес как биологическая система, позволяющая прояснить процессы первичного метаболизма в культивируемых клетках, влияние на них трофических, гормональных и физических факторов, действие карбогидразных ферментов, выявить гены, участвующие в регуляции биосинтеза полисахаридов. Пектиновые вещества культур клеток частично изучены. В частности, гомогалактуронаны и RG-I клеточных стенок суспензионных культур явора (McNeil et al., 1984), риса (Thomas et al., 1989), криптомерии (Edashige and Ishii, 1996), картофеля (Pauly and Scheller, 2000), тополя (Kakegawa et al., 2000); RG-II и арабиногалактаны культур явора (McNeil et al., 1984), табака (Matoh et al., 2000) и др. Однако не известно, как отличаются пектины нативных растений и каллусных клеток. При незначительном количестве работ по сравнительному изучению пектиновых веществ культур клеток и нативных растений приводятся данные как о сходстве (Blaschek and Franz, 1983; Edashige and Ishii, 1996), так и о различиях в их составе (Stoddart et al., 1967; Wagner et al., 1988).

По современным представлениям растительная клеточная стенка является динамичной сложноорганизованной системой, состав которой может изменяться во время роста и дифференциации клеток, а также под влиянием внешних факторов (Carpita, 1993; Konno et al., 1999; Горшкова, 2007; McLeod et al., 2008). Изменения, происходящие в клеточной стенке, обусловлены наличием в ней большого количества ферментов, в первую очередь гидролаз, к которым относятся гликаназы и эстеразы (Fry, 1995; Minic, 2008). В этой связи, структура пектиновых веществ, формирующих гелевую фазу в матриксе клеточной стенки, может существенно изменяться. Известно, что строение боковых цепей пектина важно для архитектуры клеточной стенки, а небольшие изменения реологических свойств матрикса имеют последствия для биофизических свойств клеточной стенки (Srensen et al., 2000; Iwai et al., 2001).



Данные по влиянию абиотических и биотических факторов, в том числе экстремальных, на содержание и строение пектиновых веществ клеточной стенки растения крайне малочисленны. Не известно как реагирует на эти воздействия матрикс клеточной стенки, в частности, как изменяются основные структурные характеристики пектиновых макромолекул. Не исключается возможность того, что стрессовые факторы по-разному влияют на синтез полисахаридов матрикса и происходит изменение метаболизации отдельных полимеров клеточной стенки. Установлено, что клеточная стенка может являться источником сигналов для запуска ответных реакций растительного организма (Горшкова, 2007).

Можно предположить, что одним из составляющих механизма реагирования растительной клетки на абиотические и биотические факторы является постсинтетическая модификация пектиновых веществ клеточной стенки, что, вероятно, является частью адаптационной программы растений, подвергшихся воздействию неблагоприятных факторов. Такого рода исследования актуальны для выявления механизмов функционирования клеточной стенки, в частности, устойчивости к неблагоприятным воздействиям среды, а также выяснения молекулярных механизмов реагирования клеточных компонентов и живых организмов на экстремальные воздействия.

Актуальность исследования усиливается в связи с тем, что модификация пектиновых веществ культур клеток растений под действием различных факторов может служить одним из подходов для получения полисахаридов с заданным строением и свойствами. Принципиально важным представляется выяснение влияния ферментов, трофических и гормональных факторов, ультрафиолета и фитопатогенных грибов на молекулярный вес, содержание остатков арабинозы и галактозы в боковых углеводных цепях пектинов и степень метилэтерифицирования пектинов. Известно, что именно от данных особенностей зависит физиологическая активность пектинов (Попов, 2010). Разработка способов направленной модуляции активности ферментов клеточной стенки открывает перспективу целенаправленного получения полисахаридов с конкретными ценными свойствами и заданной структурой, что может иметь прикладное значение.

Настоящая работа выполнена с использованием культур клеток лекарственных растений, распространенных на территории европейского Севера России: смолевки обыкновенной Silene vulgaris (M.) G., смолевки татарской Silene tatarica L. (сем. гвоздичные Caryophyllaceae), ряски малой Lemna minor L. (сем. рясковые Lemnaceae) и пижмы обыкновенной Tanacetum vulgare L. (сем. сложноцветные Compositae). Клеточные культуры содержат пектиновые вещества с различным строением углеводной цепи, проявляющие физиологическую активность.

Цель работы исследование состава и строения пектиновых веществ клеточных культур растений и выявление роли гликаназ в модификации их строения при действии абиотических и биотических факторов.

Задачи исследования:

1. Определить качественный и количественный состав пектиновых веществ каллусных культур в сравнении с нативными растениями.

2. Дать сравнительную химическую характеристику пектиновых веществ суспензионной культуры и генетически трансформированной культуры корней (hairy roots) смолевки обыкновенной.

3. Установить влияние экзогенных гликаназ на активность ферментов клеточных культур и модификацию продуцируемых ими пектинов и арабиногалактанов с различным строением углеводной цепи.

4. Изучить влияние трофических и гормональных факторов на строение пектинов и арабиногалактанов каллусных культур.

5. Выявить модификацию строения пектиновых веществ и активность гликаназ в каллусных культурах под действием ультрафиолетового облучения.

6. Определить характер действия фитопатогенных грибов на полисахаридный состав и активность гликаназ каллусных культур.

7. Установить роль агробактериальных генов rol в регуляции биосинтеза растительных полисахаридов.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Культуры клеток разных видов растений синтезируют пектиновые вещества: пектиновые полисахариды и арабиногалактаны. Дедифференцированные клетки продуцируют пектины как близкие, так и отличные от пектинов нативных растений.
  2. Качественный и количественный состав пектиновых веществ и биосинтетическая активность линий различаются у каллусных культур разных видов растений, а также у каллусных, суспензионных культур и культуры корней одного вида растения.
  3. Трофические и гормональные факторы культивирования влияют на молекулярно-массовое распределение полисахаридов клеточных стенок, что позволяет регулировать биосинтез полисахаридов в культурах клеток.
  4. УФ-облучение вызывает увеличение активности гликаназ и эстераз, метилдеэтерификацию пектина и изменение строения боковых углеводных цепей пектиновых веществ клеточных стенок.
  5. Экзогенные ферменты: полигалактуроназа и галактозидаза, - приводят к модификации пектиновых веществ клеточных стенок, которая определяется особенностями их структуры.
  6. Трансформация агробактериальными генами rol регулирует биосинтетическую активность культивируемых клеток растений, изменяет моносахаридный состав полисахаридов и модулирует активность гликаназ в клетках.
  7. Направленная модуляция активности ферментов клеточной стенки с помощью биотехнологических подходов открывает возможность получения полисахаридов с заданной структурой и свойствами.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное изучение состава, строения, содержания и трансформации пектиновых веществ и изменения активности гликаназ и эстераз клеточной стенки в процессе роста растительных клеток под действием абиотических и биотических факторов. Выявлена регуляция содержания 1,4--D-галактуронана в пектиновой макромолекуле, молекулярной массы пектина, степени метилэтерификации остатков галактуроновой кислоты пектиновой макромолекулы, содержания остатков галактозы и арабинозы в боковых углеводных цепях RG-I и в макромолекуле AG при изменении состава культуральной среды, действии фитопатогенных грибов, УФ-облучении и трансформации агробактериальными генами rol.





Впервые получены каллусные культуры смолевки татарской, ряски малой, пижмы обыкновенной и суспензионной культуры смолевки обыкновенной, высокопродуктивные по биомассе и продуцируемым полисахаридам. Создана коллекция каллусных культур этих видов растений и проведена их сравнительная физиолого-биохимическая характеристика. Установлено, что в каллусных и суспензионных культурах, наряду с пектином, характерным для нативных растений, синтезируются кислые арабиногалактаны, которые секретируются в культуральную среду. Дедифференцированные клетки разных видов и классов растений могут продуцировать пектины как близкие, так и отличные от пектинов нативных растений. Выявлены различия в строении пектиновых веществ культур клеток и нативных растений. С помощью каллусных культур показано, что водные растения могут продуцировать пектины, отличающиеся большим количеством, и вероятно, большей разветвленностью боковых цепей макромолекулы RG-I, чем пектины наземных растений.

Обнаружена активация пектинэстеразы с последующей метилдеэтерификацией пектина клеточных стенок под действием УФ-облучения. Выявлены однотипные изменения в клеточных стенках растительных клеток при инфицировании различными фитопатогенными грибами, которые включают снижение молекулярной массы пектина и содержания 1,4--D-галактуронана в пектиновой макромолекуле. Продемонстрировано, что биосинтез растительных полисахаридов зависит от уровня экспрессии агробактериальных генов rol. На основании полученных результатов высказано предположение, что механизм действия генов связан как с регуляцией активности гликаназ и эстераз, так и с регуляторным эффектом генов на эндогенные гормоны.

На основании полученных данных сформулирована концепция: реализация механизма реагирования растительных клеток на абиотические и биотические факторы осуществляется путем увеличения или снижения активности гликаназ и эстераз клетки, которые оказывают влияние на постсинтетическую модификацию пектиновых веществ клеточной стенки, в частности, содержание 1,4--D-галактуронана в пектиновой макромолекуле, молекулярную массу пектина, степень метилэтерификации остатков галактуроновой кислоты пектиновой макромолекулы, содержание остатков галактозы и арабинозы в боковых углеводных цепях пектина и в макромолекуле арабиногалактана.

Научно-практическая значимость. Полученные новые данные о влиянии абиотических и биотических факторов на строение пектиновых веществ и активность гидролаз растительных клеток вносят вклад в понимание механизмов функционирования клеточной стенки, в частности, устойчивости к неблагоприятным воздействиям среды, помогают глубже понять принципы взаимодействия живых систем с внешней средой. Результаты исследований имеют значение для понимания и дальнейшего изучения механизмов регуляции физиолого-биохимических процессов в растении и его адаптации к постоянно меняющимся внешним факторам. Полученные результаты исследований вносят вклад в развитие представления о клеточной стенке как о динамичной структуре. Установленный полисахаридный состав культур клеток расширяет представление о строении полисахаридов клеточных стенок наземных и водных растений.

Оптимизированы и запатентованы питательные среды для получения и культивирования каллусных культур смолевки обыкновенной и ряски малой. Разработан и запатентован способ получения пектиновых полисахаридов из биомассы культивируемых тканей растений. С помощью каллусных культур получены пектины, обладающие иммуностимулирующими, противовоспалительными и антиоксидантными свойствами. Созданная коллекция каллусных культур может служить перспективным материалом для получения линий-продуцентов ценных соединений для различных областей промышленности и сельского хозяйства.

Впервые предложены способы направленной модуляции активности ферментов клеточной стенки, в частности, активации гликаназ и эстераз (-L-арабинофуранозидазы, галактозидазы, полигалактуроназы и пектинэстеразы). Они включают в себя добавление пектиназы и галактозидазы в культуральную среду; культивирование каллусных клеток с фитопатогенными грибами и на среде с компонентами клеточных стенок микромицетов; облучение растительных клеток ультрафиолетом; трансформацию агробактериальными генами rolA, rolB и rolC. На основании этих способов предложена стратегия получения из каллусных культур пектинов и арабиногалактанов с заданным строением.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |
 


Похожие работы:







 
2013 www.деньсилы.рф - «МЕДИЦИНА-ЛЕЧЕНИЕ-ОЗДОРОВЛЕНИЕ»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.