Жирнокислотный состав и активность ацил-липидных десатураз в почках березы повислой в зимне-весенний период в Карелии и Якутии. С. 90-105

УДК

582.632.1:581.321.1:577.115.3:581.543.2+581.543.5(470.22+571.56)

DOI:

10.37482/0536-1036-2024-6-90-105

Аннотация

Изучена динамика жирнокислотного состава и активности ацил-липидных десатураз, содержащихся в почках березы повислой Betula pendula Roth, места произрастания которой находятся в контрастных природно-климатических условиях: на одной широте – 62° с. ш., но удалены друг от друга более чем на 5 тыс. км в долготном направлении – 34° в. д. (окрестности г. Петрозаводска) и 130° в. д. (окрестности г. Якутска). Установлено, что независимо от места произрастания в зимне-весенний период суммарные липиды почек березы повислой характеризовались высоким содержанием ненасыщенных жирных кислот. В то же время выявлены существенные различия по составу и соотношению моно-, ди-, триеновых жирных кислот, динамика которых в значительной степени зависела как от фазы зимне-весеннего развития растений, так и от степени континентальности климата. Показано, что в условиях Карелии во время вынужденного покоя (январь–март) в липидах почек березы повислой наблюдается повышенное содержание диеновых, а к началу их распускания (апрель–май) – триеновых жирных кислот, тогда как в Якутии в зимне-весенний период устойчиво преобладают моноеновые и диеновые жирные кислоты. Одновременно с этим выявлена высокая активность ω6- и ω3-десатураз (ответственных за синтез линолевой С18:2 и линоленовой С18:3 жирных кислот) в липидах почек березы повислой, произрастающей в Карелии, а ω9-десатуразы (катализирующей синтез олеиновой С18:1 жирной кислоты) – в Якутии. Высказано предположение, что в условиях многолетней мерзлоты существует взаимосвязь между экспрессией генов, контролирующих образование ω9-ацил-липидной десатуразы, и устойчивостью тканей зачаточных органов в период их внутрипочечного развития к отрицательным температурам не только воздуха, но и корнеобитаемого слоя почвы. По мнению авторов, особенности, выявленные в составе суммарных липидов в почках березы повислой в Якутии по сравнению с Карелией, могут рассматриваться как один из дополнительных механизмов, повышающих адаптивный потенциал вида в условиях многолетней мерзлоты и позволивший представителям рода Betula L. расширить ареал до северной границы распространения древесной растительности.

Сведения об авторах

Л.В. Ветчинникова^1*, д-р биол. наук, гл. науч. сотр.; ResearcherID: J-5665-2018, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2091-905X
А.Ф. Титов², чл.-корр. РАН, д-р биол. наук, проф., гл. науч. сотр.; ResearcherID: A-6705-2014, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6880-2411
Т.Д. Татаринова³, канд. биол. наук, ст. науч. сотр.; ResearcherID: J-9072-2018, ORCID: https://orcid.org/0009-0000-3107-4342
¹Институт леса Карельского научного центра РАН, ул. Пушкинская, д. 11, г. Петрозаводск, Россия, 185910; vetchin@krc.karelia.ru*
²Институт биологии Карельского научного центра РАН, ул. Пушкинская, д. 11, г. Петрозаводск, Россия, 185910; titov@krc.karelia.ru
³Институт биологических проблем криолитозоны СО РАН, просп. Ленина, д. 41, г. Якутск, Россия, 677007; t.tatarinova@gmail.com

Ключевые слова

Betula pendula Roth, адаптация, десатуразы, жирные кислоты, суммарные липиды, Карелия, Якутия

Для цитирования

Ветчинникова Л.В., Титов А.Ф., Татаринова Т.Д. Жирнокислотный состав и активность ацил-липидных десатураз в почках березы повислой в зимне-весенний период в Карелии и Якутии // Изв. вузов. Лесн. журн. 2024. № 6. С. 90–105. https://doi.org/10.37482/0536-1036-2024-6-90-105

Литература

1. Алаудинова Е.В., Симкина С.Ю., Миронов П.В. Сезонные изменения содержания воды в меристематических тканях почек Picea obobata L. и Pinus sylvestris L. и ее распределение в клетках // Хвойные бореал. зоны. 2007. Т. XXIV, No 4–5. С. 487–491.
2. Берестовой М.А., Павленко О.С., Голденкова-Павлова И.В. Десатуразы жирных кислот растений: роль в жизнедеятельности растений и биотехнологический потенциал // Успехи соврем. биологии. 2019. Т. 139, No 4. С. 338–351. https://doi.org/10.1134/S0042132419040045
3. Бубякина В.В., Татаринова Т.Д., Пономарев А.Г., Перк А.А., Соломонов Н.Г. Особенности сезонной динамики дегидринов Betula platyphylla Sukacz., ассоциированные с формированием морозоустойчивости в условиях криолитозоны // Докл. акад. наук. 2011. Т. 439, No 6. С. 844–847. https://doi.org/10.1134/S0012496611040193
4. Венжик Ю.В., Титов А.Ф., Таланова В.В. Кратковременное охлаждение проростков или корней пшеницы вызывает изменения в ультраструктуре клеток мезофилла листа // Тр. Карел. науч. центра Рос. акад. наук. 2017. No 5. С. 66–78. https://doi.org/10.17076/eb516
5. Ветчинникова Л.В., Татаринова Т.Д., Серебрякова О.С., Перк А.А., Пономарев А.Г., Ильинова М.К., Петрова Н.Е., Васильева И.В. Жирнокислотный состав мембранных липидов в почках березы повислой в зимне-весенний период в условиях криолитозоны // Цитология. 2019. Т. 61, No 5. С. 412–424. https://doi.org/10.1134/S0041377119050079
6. Иванова М.В., Макаренко С.П., Суворова Г.Г. Жирнокислотный состав суммарных липидов хвои Picea obovata в весенний период вегетации // Сиб. экол. журн. 2018. No 2. С. 239–247. https://doi.org/10.15372/SEJ20180208
7. Лось Д.А. Десатуразы жирных кислот. М.: Науч. мир, 2014. 372 с.
8. Нохсоров В.В., Дударева Л.В., Петров К.А. Сезонная динамика липидов и их жирных кислот в почках Betula pendula Roth и Alnus alnobetula subsp. fruticosa (Rupr.) Raus в условиях криолитозоны // Физиология растений. 2020. Т. 67, No 3. С. 319–328. https://doi.org/10.31857/S0015330320030185.
9. Пономарев А.Г., Татаринова Т.Д., Перк А.А., Васильева И.В., Бубякина В.В. Дегидрины, ассоциированные с формированием морозоустойчивости березы плосколистной // Физиология растений. 2014. Т. 61, No 1. С. 114–120. https://doi.org/10.7868/S0015330313060092. 
10. Семенова Н.В., Макаренко С.П., Шмаков В.Н., Константинов Ю.М., Дударева Л.В. Жирнокислотный состав суммарных липидов хвои и каллусов некоторых хвойных: Pinus sylvestris L., Picea pungens Engelm., Pinus koraiensis Siebold Zucc. и Larix sibirica Ledeb. // Биол. мембраны: Журн. мембран. и клеточ. биологии. 2017. Т. 34, No 4. С. 298–306. (In Russ.). https://doi.org/10.7868/S0233475517040053.
    
11. Татаринова Т.Д., Бубякина В.В., Ветчинникова Л.В., Перк А.А., Пономарев А.Г., Васильева И.В. Стрессовые белки-дегидрины в почках березы в контрастных по климату регионах // Цитология. 2017. Т. 59, No 2. C. 156–160. https://doi.org/10.1134/S1990519X17060098
12. Титов А.Ф., Акимова Т.В., Таланова В.В., Топчиева Л.В. Устойчивость растений в начальный период действия неблагоприятных температур. М.: Наука, 2006. 143 с.
    
13. Трунова Т.И. Растение и низкотемпературный стресс. М.: Наука, 2007. 54 с.
    
14. Цельникер Ю.Л., Малкина И.С. Баланс органического вещества в онтогенезе листа у лиственных деревьев // Физиология растений. 1986. Т. 33, No 5. С. 935–943.
    
15. Boldizsár Á., Soltész A., Tanino K., Kalapos B., Marozsán-Tóth Z., Monostori I., Dobrev P., Vankova R., Galiba G. Elucidation of Molecular and Hormonal Background of Early Growth Cessation and Endodormancy Induction in Two Contrasting Populus Hybrid Cultivars. BMC Plant Biology, 2021, vol. 21, art. no. 111. https://doi.org/10.1186/s12870-021-02828-7
16. Dar A.A., Choudhury A.R., Kancharla P.K., Arumugam N. The FAD2 Gene in Plants: Occurrence, Regulation, and Role. Frontiers in Plant Science, 2017, vol. 8, art. no. 1789. https://doi.org/10.3389/flps.2017.91789
17. Delgado del Mar M., Roslin T., Tikhonov G., Meyke E., Lo C., Gurarie E., Abadonova M., Abduraimov O., Adrianova O., Akimova T., Akkiev M., Ananin A., Andreeva E., Andriychuk N., Antipin M. Differences in Spatial versus Temporal Reaction Norms for Spring and Autumn Phenological Events. PNAS, 2020, vol. 117, no. 49, pp. 31249–31258.
18. Grimberg Å., Lager I., Street N.R., Robinson K.M., Marttila S., Mähler N., Ingvarsson P.K., Bhalerao R.P. Storage Lipid Accumulation is Controlled by Photoperiodic Signal Acting via Regulators of Growth Cessation and Dormancy in Hybrid Aspen. New Phytology, 2018, vol. 219, iss. 2, pp. 619–630. https://doi.org/10.1111/nph.15197
19. Hernández M.L., Cejudo F.J. Chloroplast Lipids Metabolism and Function. A Redox Perspective. Frontiers in Plant Science, 2021, vol. 12, art. no. 712022. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.712022
20. Hugly S., Somerville C. A Role for Membrane Lipid Polyunsaturation in Chloroplast Biogenesis at Low Temperature. Plant Physiology, 1992, vol. 99, iss. 1, pp. 197–202. https://doi.org/10.1104/pp.99.1.197
21. Junttila O., Hänninen H. The Minimum Temperature for Budburst in Betula Depends on the State of Dormancy. Tree Physiology, 2012, vol. 32, iss. 3, pp. 337–345. https://doi.org/10.1093/treephys/tps010
22. Junttila O., Nilsen J., Igeland B. Effect of Temperature on the Induction of Bud Dormancy in Ecotypes of Betula pubescens and Betula pendula. Scandinavian Journal of Forest Research, 2003, vol. 18, iss. 3, pp. 208–217. https://doi.org/10.1080/02827581.2003.9728291
23. Karlson D.T., Zeng Y., Stirm V.E., Joly R.J., Ashworth E.N. Photoperiodic Regulation of a 24-kD Dehydrin-Like Protein in Red-Osier Dogwood (Cornus sericea L.) in Relation to Freeze-Tolerance. Plant Cell Physiology, 2003, vol. 44, iss. 1, pp. 25–34. https://doi.org/10.1093/pcp/pcg006
24. Kosová K., Prášil I.T., Vítámvás P. Role of Dehydrins in Plant Stress Response. Handbook of Plant and Crop Stress. 4th ed. CRC Press, 2019, chapt. 10, pp. 239–286. https://doi.org/10.1201/9781351104609-10
25. Lyons J.M., Wheaton T.A., Pratt H.K. Relationship between the Physical Nature of Mitochondrial Membranes and Chilling Sensitivity in Plants. Plant Physiology, 1964, vol. 39, iss. 2, pp. 262–268. https://doi.org/10.1104/pp.39.2.262
26. Maurya J.P., Bhalerao R.P. Photoperiod- and Temperature-Mediated Control of Growth Cessation and Dormancy in Trees: a Molecular Perspective. Annals of Botany, 2017, vol. 120, iss. 3, pp. 351–360. https://doi.org/10.1093/aob/mcx061
27. Quinn P.J., Williams W.P. Plant Lipids and Their Role in Membrane Function. Progress in Biophysics and Molecular Biology, 1979, vol. 34, iss. 1979, pp. 109–173.https://doi.org/10.1016/0079-6107(79)90016-6
28. Román A., Hernández M.L., Soria-García Á., López-Gomollón S., Lagunas B., Picorel R., Martínez-Rivas J.M., Alfonso M. Non-Redundant Contribution of the Plastidial FAD8 ω-3 Desaturase to Glycerolipid Unsaturation at Different Temperatures in Arabidopsis. Molecular Plant, 2015, vol. 8, iss. 11, pp. 1599–1611. https://doi.org/10.1016/j.molp.2015.06.004
29. Sakamoto T., Murata N. Regulation of the Desaturation of Fatty Acids and its Role in Tolerance to Cold and Salt Stress. Current Opinion in Microbiology, 2002, vol. 5, iss. 2, pp. 206–210. https://doi.org/10.1016/S1369-5274(02)00306-5
30. Soria-García Á., Rubio M.C., Lagunas B., López-Gomollón S., de los Ángeles Luján M., Díaz-Guerra R., Picorel R., Alfonso M. Tissue Distribution and Specific Contribution of Arabidopsis FAD7 and FAD8 Plastid Desaturases to the JA- and ABA-Mediated Cold Stress or Defense Responses. Plant & Cell Physiology, 2019, vol. 60, iss. 5, pp. 1025–1040. https://doi.org/10.1093/pcp/pcz017
31. Strimbeck G.R., Schaberg P.G., Fossdal C.G., Schröder P.W., Kjellsen T.D. Extreme Low Temperature Tolerance in Woody Plants. Frontiers in Plant Science, 2015, vol. 6, art. no. 884. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.00884
32. Theocharis A., Clément C., Barka E.A. Physiological and Molecular Changes in Plants Grown at Low Temperatures. Planta, 2012, vol. 235 (6), pp. 1091–1105. https://doi.org/10.1007/s00425-012-1641-y
33. Upchurch R. Fatty Acid Unsaturation, Mobilization, and Regulation in the Response of Plants to Stress. Biotechnology Letters, 2008, vol. 30, pp. 967–977. https://doi.org/10.1007/s10529-008-9639-z
34. Wallin E., Gräns D., Jacobs D.F., Lindström A., Verhoef N. Short-Day Photoperiods Affect Expression of Genes Related to Dormancy and Freezing Tolerance in Norway Spruce Seedlings. Annals of Forest Science, 2017, vol. 74, art. no. 59. https://doi.org/10.1007/s13595-017-0655-9
35. Xiao R., Zou Y., Guo X., Li H., Lu H. Fatty Acid Desaturases (FADs) Modulate Multiple Lipid Metabolism Pathways to Improve Plant Resistance. Molecular Biology Reports, 2022, vol. 49, pp. 9997–10011. https://doi.org/10.1007/s11033-022-07568-x