Роль жирных кислот мембранных липидов в холодоустойчивости растений

Экстремальная температура оказывает влияние в первую очередь на свойства мембран растительных клеток. Именно мембраны являются первичной мишенью (и повреждаются) при повышении и понижении температуры (Orvar et al., 2000).

Основной причиной повреждающего действия низких положительных температур на теплолюбивые растения является нарушение функционирования клеточных мембран из-за их «затвердевания», связанного с фазовыми переходами жирных кислот, поскольку при достаточно низких температурах липидные бислои ведут себя как твердые тела. При температуре выше фазового перехода структура бислоя сохраняется, однако при этом жирные кислоты «плавятся», в результате чего вращение и скручивание молекул происходит легче, чем при низких температурах. «Затвердевание» или «плавление» мембранных липидов зависит от состава содержащихся в них жирных кислот. Для насыщенных жирных кислот с длинной цепью характерны более высокие температуры фазовых переходов. Однако фазовые переходы в мембране индуцируются не только изменениями температуры. Они могут быть вызваны сдвигами pH и мембранного потенциала, двухвалентными катионами и гормонами (Lyons, 1981; Graham, Patterson, 1982; Медведев, 2004).

Различная реакция устойчивых и неустойчивых растений на низкие температуры определяется в первую очередь различиями в составе жирных кислот, входящих в состав мембранных фосфолипидов. Выявлено, что у холодостойких растений содержание ненасыщенных жирных кислот (таких, как линоленовая и линолевая) гораздо выше, чем у растений, чувствительных к холоду.

У растений, чувствительных к холоду, в составе мембранных липидов велико содержание насыщенных жирных кислот (пальмитиновой, стеариновой). Мембраны такого типа стремятся к затвердеванию до квазикристаллического состояния уже при низких положительных температурах. При этом они становятся менее текучими, что нарушает функционирование многих белков - каналов, переносчиков, рецепторов, ферментов и т. п. (Prasad et al., 1994; Медведев, 2004).

Соотношение насыщенных и ненасыщенных жирных кислот — одна из основных причин чувствительности, как к высоким, так и низким температурам (Uemura, Steponkus, 1997; Orvar et al., 2000). В ответ на холодовое стрессовое воздействие обычно инициируется переход мембранных липидов из жидко- кристалического состояния в твёрдо-гелевую фазу. В твёрдо-гелевой фазе мембраны не способны поддерживать ионные градиенты и это ведёт к нарушению функционирования рецепторов, мембранных переносчиков и клеточного метаболизма (Lyons, 1981; Graham, Patterson, 1982).

Повышение уровня ненасыщенных жирных кислот в липидах мембраны способствует повышению уровня холодоустойчивости в растениях.

Повышения устойчивости к холоду можно добиться транформацией растений генами, кодирующими десатуразы - ферменты, участвующие в синтезе ненасыщенных жирных кислот. Десатуразы превращают у жирных кислот связь C-C в C=C.

Так, например, в работе Ishizaki-Nishizawa и др. (1996) было показано, что у трансгенных растений табака (трансформированные геном desC из синезеленой водоросли Synechococcus vuleanus, кодирующим А9-ацил-липидную десатуразу) повышение содержания ненасыщенных жирных кислот в мембранных липидах приводит к увеличению устойчивости к холоду. В результате трансформации были получены несколько линий трансгенных растений, среди которых линии desl, des2, des7, deslθ отличались повышенной концентрацией олеиновой кислоты и понижением концентрации стеариновой кислоты (субстрата А9-ацил-липидной десатуразы).

В работе Шимшилашвили и др. (2007) также было показано, что гены DesA и DesC участвуют в защите организма от влияния низкой температуры. Экспрессия в растениях-трансформантах картофеля и нативных (DesA и DesC), и гибридных (DesA-LicBM2 и DesC-LicBM2) генов А12-десатуразы стимулирует биосинтез мембранных липидов и повышает уровень ненасыщенных жирных кислот, что может приводить к повышению холодостойкости.

Tasaka и др. (1996) удалось получить ряд мутантов Synechocystis, в которых была изменена степень ненасыщенное™ жирных кислот. Клетки Synechocystis дикого типа синтезировали моно-, ди- и триненасыщениые Cig жирные кислоты (Tasaka et al., 1996). У мутантов desA (desaturase А) и desD (desaturase D) были повреждены гены, кодирующие десатуразы жирных кислот D12 и D6, соответственно. В двойных мутантах (desA∕desD) синтезировались только Cj₆ насыщенная и Ci₈ мононенасыщенные жирные кислоты роста. C помощью FTIR спектрометрии удалось показать, что двойная мутация desA7desD приводит к затвердеванию плазматической мембраны даже при оптимальных для жизнедеятельности Synechocystis температурах (Szalontai et al., 2000).

Установлено, что у прокариот, в частности Bacillus subtilis, активность генов, кодирующих десатуразы, по-видимому, контролируется сигнальным каскадом, в который входит сенсор холода и белки, осуществляющие передачу сигнала в геном. Aguilar и др. (2001) идентифицировали DesK (Desaturase К), который является и сенсором холода, и трансдуктором сигнала холода в других организмах, а у Bacillus subtilis Hik и DesR (Desaturase R) функционирует как рецепторы холода и Rre (response regulator) как регулятор экспрессии индуцируемого холодом гена Des, кодирующего десатуразу D5.

Белок DesK является бифункциональным ферментом с киназной и фосфатазной активностью; в его состав, помимо четырех трансмембранных доменов, также входит киназный (Hik - histidine kinase) домен. Белок DesK вовлечен в две сигнальные реакции: фосфорилирование в ответ на «затвердевание» мембранных липидов и дефосфорилирование в ответ на «плавление» мембранных липидов (Mansilla et al., 2004). Предполагается, что трансмембранные сегменты DesK чувствительны к изменениям температуры благодаря изменениям фазового состояния мембранных липидов (Albanesi et al., 2004).

Таким образом, повышение содержания ненасыщенных жирных кислот в липидах мембраны приводит к увеличению устойчивости к холоду. Однако повышение уровня ненасыщенности жирных кислот мембранных липидов не является единственным механизм ответа на холод (Prasad et al., 1994).

1.3.9.