Жоғары температураның зиянды әсері
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ 4
НЕГІЗГІ БӨЛІМ 6
1 ӘДЕБИЕТКЕ ШОЛУ 6
1.1 Жоғары температураның зиянды әсері 6
1.1.1 Жоғары температураның әсерінен болатын морфо.анатомиялық көрсеткіштер
8
1.1.2 Жоғары температураның өсімдіктің өсуі мен дамуына әсері 9
1.1.3 Жоғары температураның судың мөлшеріне әсері 10
1.1.4 Жоғары температураның фотосинтезге әсері 10
1.1.5 Өсімдіктердегі гормональды өзгерістер 12
1.2 Өсімдіктердің термотолеранттылық механизмдері 13
1.2.1 Тотығу стрессі және антиоксиданттар 17
1.2.2 Стресс белоктары 18
1.2.3 Осмолиттер 20
2 ЗЕРТТЕУ МАТЕРИАЛДАРЫ МЕН ӘДІСТЕРІ 24
2.1 Зерттеу объектілері 24
2.2 Зерттеу әдістері 24
2.2.1 Бидай сорттарына биометриялық параметрлеріне талдау жасау 24
2.2.2 Липидтердің асқын тотығын анықтау 24
2.2.3 Фотосинтездік пигменттердің мөлшерін сандық әдіспен анықтау 25
3 ЗЕРТТЕУ НӘТИЖЕЛЕРІ ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ТАЛҚЫЛАУ 26
3.1 Жоғары температураның бидай сорттарында биомасса жинақталуына әсері
26
3.2 Жоғары температураның бидай сорттарының липидтерінің асқын тотығуына әсері
27
3.3 Фотосинтездік пигменттердің мөлшеріне жоғары температураның әсері 28
ҚОРЫТЫНДЫ 31
ҚЫСҚАРҒАН СӨЗДЕР 32
ПАЙДАЛАНҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 33
КІРІСПЕ 4
НЕГІЗГІ БӨЛІМ 6
1 ӘДЕБИЕТКЕ ШОЛУ 6
1.1 Жоғары температураның зиянды әсері 6
1.1.1 Жоғары температураның әсерінен болатын морфо.анатомиялық көрсеткіштер
8
1.1.2 Жоғары температураның өсімдіктің өсуі мен дамуына әсері 9
1.1.3 Жоғары температураның судың мөлшеріне әсері 10
1.1.4 Жоғары температураның фотосинтезге әсері 10
1.1.5 Өсімдіктердегі гормональды өзгерістер 12
1.2 Өсімдіктердің термотолеранттылық механизмдері 13
1.2.1 Тотығу стрессі және антиоксиданттар 17
1.2.2 Стресс белоктары 18
1.2.3 Осмолиттер 20
2 ЗЕРТТЕУ МАТЕРИАЛДАРЫ МЕН ӘДІСТЕРІ 24
2.1 Зерттеу объектілері 24
2.2 Зерттеу әдістері 24
2.2.1 Бидай сорттарына биометриялық параметрлеріне талдау жасау 24
2.2.2 Липидтердің асқын тотығын анықтау 24
2.2.3 Фотосинтездік пигменттердің мөлшерін сандық әдіспен анықтау 25
3 ЗЕРТТЕУ НӘТИЖЕЛЕРІ ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ТАЛҚЫЛАУ 26
3.1 Жоғары температураның бидай сорттарында биомасса жинақталуына әсері
26
3.2 Жоғары температураның бидай сорттарының липидтерінің асқын тотығуына әсері
27
3.3 Фотосинтездік пигменттердің мөлшеріне жоғары температураның әсері 28
ҚОРЫТЫНДЫ 31
ҚЫСҚАРҒАН СӨЗДЕР 32
ПАЙДАЛАНҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 33
Температураның көтерілуі ауыл шаруашылығының басты проблемасы. Өзгермелі және тұрақты температуралар өсімдіктерде морфо-анатомиялық, физиологиялық және биохимиялық өзгерістердің пайда болуына себеп болады. Олар өсімдіктің өсуіне және дамуына, сонымен қатар, экономикалық кірістің жылдам төмендеуіне алып келуі мүмкін. Жоғары температураның қолайсыз әсерлерін ауыл шаруашылық өсімдіктердің термотолеранттылығын генетикалық әдістерді қолданып жоғарылату арқылы төмендетуге болады. Бірақ бұл үшін өсімдіктердің жоғары температураға физиологиялық реакциясын, төзімділік механизмдерін, дақылдардың термотолеранттылығын жоғарылату стратегиясын түсіну маңызды.
1.Hall A.E. Crop Responses to Environment.- CRCPress LLC, Boca Raton,
Florida, 2001.–P. 95-98.
2.Jones P.D., New M., Parker D.E., Mortin S., Rigor I.G. Surface areatemperature and its change over the past 150 years // Rev. Geophys.– 1999. – V. 37. –P. 173–199.
3. Schoffl F., Prandl R., Reindl A. Molecular responses to heat stress / In: Shinozaki K., Yamaguchi-Shinozaki K. Molecular Responses to Cold, Drought, Heat and Salt Stress in Higher Plants. - R.G. Landes Co., Austin, Texas, 1999.–P. 81-98.
4. Ahn Y.J., Zimmerman J.L. Introduction of the carrot HSP17.7 into potato (Solanumtuberosum L.) enhances cellular membrane stability and tuberization in vitro // Plant Cell Environ. – 2006. – V. 29.–P. 95-104.
5. Momcilovic I., Ristic Z. Expression of chloroplast protein synthesis elongation factor, EF-Tu, in two lines of maize with contrasting tolerance to heat stress during early stages of plant development //J.Plant Physiol. – 2007. –V. 21.–P. 90-99.
6. Camejo D., Rodriguez P., Morales M.A., Dellamico J.M., Torrecillas A., Alarcon J.J. High temperature effects on photosynthetic activity of two tomato cultivars with different heat suscebtibility// J.Plant Physiol. – 2005. –V. 25.–P. 281-289.
Florida, 2001.–P. 95-98.
2.Jones P.D., New M., Parker D.E., Mortin S., Rigor I.G. Surface areatemperature and its change over the past 150 years // Rev. Geophys.– 1999. – V. 37. –P. 173–199.
3. Schoffl F., Prandl R., Reindl A. Molecular responses to heat stress / In: Shinozaki K., Yamaguchi-Shinozaki K. Molecular Responses to Cold, Drought, Heat and Salt Stress in Higher Plants. - R.G. Landes Co., Austin, Texas, 1999.–P. 81-98.
4. Ahn Y.J., Zimmerman J.L. Introduction of the carrot HSP17.7 into potato (Solanumtuberosum L.) enhances cellular membrane stability and tuberization in vitro // Plant Cell Environ. – 2006. – V. 29.–P. 95-104.
5. Momcilovic I., Ristic Z. Expression of chloroplast protein synthesis elongation factor, EF-Tu, in two lines of maize with contrasting tolerance to heat stress during early stages of plant development //J.Plant Physiol. – 2007. –V. 21.–P. 90-99.
6. Camejo D., Rodriguez P., Morales M.A., Dellamico J.M., Torrecillas A., Alarcon J.J. High temperature effects on photosynthetic activity of two tomato cultivars with different heat suscebtibility// J.Plant Physiol. – 2005. –V. 25.–P. 281-289.
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ
4
НЕГІЗГІ БӨЛІМ
6
1
ӘДЕБИЕТКЕ ШОЛУ
6
1.1
Жоғары температураның зиянды әсері
6
1.1.1
Жоғары температураның әсерінен болатын морфо-анатомиялық көрсеткіштер
8
1.1.2
Жоғары температураның өсімдіктің өсуі мен дамуына әсері
9
1.1.3
Жоғары температураның судың мөлшеріне әсері
10
1.1.4
Жоғары температураның фотосинтезге әсері
10
1.1.5
Өсімдіктердегі гормональды өзгерістер
12
1.2
Өсімдіктердің термотолеранттылық механизмдері
13
1.2.1
Тотығу стрессі және антиоксиданттар
17
1.2.2
Стресс белоктары
18
1.2.3
Осмолиттер
20
2
ЗЕРТТЕУ МАТЕРИАЛДАРЫ МЕН ӘДІСТЕРІ
24
2.1
Зерттеу объектілері
24
2.2
Зерттеу әдістері
24
2.2.1
Бидай сорттарына биометриялық параметрлеріне талдау жасау
24
2.2.2
Липидтердің асқын тотығын анықтау
24
2.2.3
Фотосинтездік пигменттердің мөлшерін сандық әдіспен анықтау
25
3
ЗЕРТТЕУ НӘТИЖЕЛЕРІ ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ТАЛҚЫЛАУ
26
3.1
Жоғары температураның бидай сорттарында биомасса жинақталуына әсері
26
3.2
Жоғары температураның бидай сорттарының липидтерінің асқын тотығуына әсері
27
3.3
Фотосинтездік пигменттердің мөлшеріне жоғары температураның әсері
28
ҚОРЫТЫНДЫ
31
ҚЫСҚАРҒАН СӨЗДЕР
32
ПАЙДАЛАНҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
33
КІРІСПЕ
Температураның көтерілуі ауыл шаруашылығының басты проблемасы. Өзгермелі және тұрақты температуралар өсімдіктерде морфо-анатомиялық, физиологиялық және биохимиялық өзгерістердің пайда болуына себеп болады. Олар өсімдіктің өсуіне және дамуына, сонымен қатар, экономикалық кірістің жылдам төмендеуіне алып келуі мүмкін. Жоғары температураның қолайсыз әсерлерін ауыл шаруашылық өсімдіктердің термотолеранттылығын генетикалық әдістерді қолданып жоғарылату арқылы төмендетуге болады. Бірақ бұл үшін өсімдіктердің жоғары температураға физиологиялық реакциясын, төзімділік механизмдерін, дақылдардың термотолеранттылығын жоғарылату стратегиясын түсіну маңызды.
Жылулықтың бастапқы деңгейі дамудың әр сатысында өзгеріп тұрса да, онтогенез кезінде жылулық стресі өсімдіктің өсуіне кедергі жасайды. Мысалы, стресстің интенсивтілігіне және өсімдіктің түріне байланысты жоғары температура тұқымның өсуін баяулатады немесе толығымен тоқтатады. Кейінгі кезеңдерде жоғары температура фотосинтезге, тыныс алуға, мембранды тұрақтылыққа теріс әсер етеді және гормондар мен біріншілік, екіншілік метаболиттер деңгейін модульдейді. Онтогенез кезінде әр түрлі жылу стресс белоктарының және стресспен байланысты басқа белоктардың экспрессиясы, оттегінің активті формаларының (ROS) түзілуі өсімдіктің жылу стрессіне қарсы негізгі реакциялары болып табылады. Өсімдікке жоғары температурамен күресу үшін әр түрлі механизмдер реализациясы қажет, яғни мембрананың тұрақтылығын сақтау, оттегінің белсенді формаларының қоқымдарын жинау, антиоксиданттарды өндіру, бірге еритін заттардың жиналуы, митоген активті протеинкиназаның (MAPK) және кальций тәуелді протеинкиназаның (CDPK) каскадтарының индукциясы және ең бастысы транскрипцияның активациясы мен сигнализациясы.
Жылулық шоктың белоктарының (ЖШБ) экпрессиясы - маңызды адаптивті стратегия болып келеді. Молекулалық массасы 10-200 кДа болатын жылулық шок белоктарының (ЖШБ) функциясы шаперондардың функциясына ұқсас болады және жылулық стресс кезінде сигналдардың тасымалдануына қатысады [3]. Жылулық шок белоктары түзетін тұрақтылық физиологиялық құбылыстарды жақсартады. Олар фотосинтез, су мен қоректік заттардың сіңірілуі, мембрананың тұрақтылығы және эффективтілігі. Бұл жақсартулар өсімдіктің жоғары температурада өсуіне және дамуына мүмкіндік береді [4,5,6].
Жұмыстың мақсаты: Жоғары температураның өсімдіктерге зиянды әсерін және өсімдіктердің жоғары температураға тұрақтылығының механизмдерін анықтау және талдау.
Жұмыстың міндеттері:
1. Бидай өсімдіктерінің биомассасының жинақталуына жоғары температураның әсерін бақылау және анықтау
2. Жоғары температураның бидайдағы липидтердің асқын тотығуына әсерін бақылау және анықтау
3. Жоғары температураның бидай өсімдігінің фотосинтездік пигменттерінің мөлшеріне әсерін анықтау
Жұмыстың өзектілігі: Қоршаған ортаның температурасының көтерілуі дүние жүзінің ауылшаруашылық дақылдарына қауіп төндіріп тұр. Температураның көтерілуі дүние жүзінің басты проблемаларының бірі. Жоғары температура өсімдіктердің өсуі мен дамуына зиянды әсер етеді. Сонымен қатар, экономикалық кірістің төмендеуіне алып келуі мүмкін. Жоғары температураның ауыл шаруашылық өсімдіктеріне кері әсерін алдын алу үшін, прогрессивті технологияны қолданып ауылшаруашылық дақылдарын өндіру арқылы өсімдіктердің сапасы мен өнімділігін арттыру қажет.
НЕГІЗГІ БӨЛІМ
1 ӘДЕБИЕТКЕ ШОЛУ
1.1 Жоғары температураның зиянды әсері
Өте жоғары температурада клеткалардың қатты зақымдануы, сонымен қатар клеткалардың өлуі бірнеше минуттың ішінде жүруі мүмкін. Осы жағдайда клеткалық организацияның апаттық ыдырауына жатқызуға болады [3]. Өсімдіктер жоғары температураға қарағанда төмен температураға төзімдірек болып келеді. Қыста өсімдік төмен температуда бірнеше ай өсе алады, ал температураның көтерілуінен көптеген өсімдіктер бірнеше сағаттан кейін өледі. Жоғары өсімдіктердің ішінде нағыз термофилдер болмайды. Төмендеу температурада өсімдіктің зақымдауына мен өлімі ұзақ уақыт әсер етуден кейін болады. Жоғары температураның тікелей әсері белоктардың денатурациясын және агрегациясын қосады, мембранды липидтердің шығуын жоғарылатады. Жоғары температураның жанама әсері митохондрия мен хлоропласт ферменттерінің инактивациясын, белок деградациясын іске қосады [8]. Жылу стрессі микротүтікшелердің құрылымына митотикалық клеткаларда микротүтікшелердің түзілуі арқылы және микротүтікше фрагмопласттарының ұзаруы арқылы әсер етеді [9]. Бұл жарақаттар, ақыр соңында өсудің тоқталуына, токсикалық қосылыстардың және оттегінің активті формасының (ОАФ) түзілуіне себеп болады [3,7].
Жоғары температурада мембраналар бірінші болып бұзылады және олардың өткізгіштігі жоғарылайды. Басқа әсерлерге қарағанда жоғары температурада мембраманың өткізгіштігінің көтерілуі физиологиялық функциялардың бұзылуына алып келеді. Цитоплазманың жабысқақтығы өседі, сондықтан циклоздың (цитоплазманың қозғалысы) интенсивтілігі тоқтайды, клеткалық шырынның концентрациясыда жоғарылайды. Клеткадағы заттардың экзосмосының күшеюі осмотикалық қысымның төмендеуіне алып келеді. Бір уақытта органикалық заттардың негізгі полимерлерінің гидролизінің активациясы есебінен осмотикалық қысым көтеріледі. Құрғақшылық жағдайына қарағанда, жоғары температурада гидролиз күштірек жүреді. Сондықтан, белоктардың ыдырауы, мысалы, өсімдікте улы амиакка дейін жүруі мүмкін. Судың тасымалдануы, заттардың тамырмен сіңірілуі, жапырақтардан ассимиляторлардың шығуы бұзылады. Жарық фаза сияқты фотосинтезде және көмірқышқылының фиксациясы да тоқтайды. Жоғары температураға ІІ фотожүйедегі электрондардың транспорты сезімтал келеді. Бірақ фотосинтездің ингибирленуіне қарағанда фотосинтездің бөлек ферменттерінің денатурациясы жоғарырақ температурада жүреді. Инактивациямен тез алмасатын тыныс алудың уақытша активациясы іске қосылады. Тотығу энергиясы жылу түрінде ыдырайтын тыныс алудың альтернативті жолының үлесі көтеріледі. Сонымен қатар, жоғары температурада альтернативті жолдың активациясы болмайды деген мәліметтер бар. Микросомалы тотығу күшейеді, әсіресе липидтердің асқын тотығуы өседі. Организмнің түрлі функциялары әр түрлі температурада бұзылады. Фотосинтез тыныс алуға қарағанда төмен температурада ингибирленеді. Ол тыныс алу субстраттарының жетіспеушілігін тудырады. Нәтижесінде жоғары температурада, мысалы, көкөністер мен жемістерде қанттар азаяды. Сондықтан, олардың тәттілігі төмен болады. Жоғары температуралы стресстің эффектісінің бұзылуы тыныс алу мен фотосинтездің дисбалансынан туындайды. Әсердің жалғасуы немесе өте жоғары температурадағы әрекет жылулық шогына әкеп соғуы мүмкін. Термоинактивациялық фермент жүреді. Клеткада плазмолиз басталады. Клеткалық шырын вакуолдан шығып, клеткалық коллапсимен аяқталады. Жапырақта некротикалық дақ пайда болады. Олар күйіктер деп аталады. Қаншалықты құрғақшылыққа төзімді және ыстыққа тұрақты болса, құрғақшылыққа бейімделген механизм және жоғары температураға белгілі мөлшерде ұқсас болып келеді [3, 8, 50].
Басқа әсерлер сияқты жоғары температурада екі типтегі қорғаныс механизмі жұмыс жасайды: жоғары температураның жағдайының бар болуына бейімделуі және қызып кетуден сақтау. Қызып кетуден сақтау, біріншіден, анатомиялық көмегімен бейімделу болып келеді. Жапырақта ксероморфты құрылым болады. Ол тік орналасып оралуы мүмкін, талшық немесе балауызбен қапталған. Жапырақтар көп қабатты паренхимамен қоршалады. Эпидермисте сол сияқты көп қабатты болады. Кейбір шөл даланың бұтақтары жапырақтарын маусымға байланысты өзгертеді. Мысалы, қыста олар жасыл, талшықтарынан айырылған, ал жазда ақ және өте әлсіз болады. Барлық осы бейімделулер интенсивті күн радиациясын бейнелейді және булану кезінде судың төмендеуімен шығынданады. Екіншісі, өсімдіктер жоғары температураның әсерінен судың булануының интенсификациясын сақтайды. Өсімдіктер судың сіңіруін активтейді, транспорт және тасымалдау, нәтижесінде жапырақ мұздайды. Өсімдіктер жоғары температураның көмегімен биохимиялық адаптацияға жетеді [50].
Жылу стрессі белгілі уақыт ішінде температураның өз деңгейінен жоғарылауы арқылы анықталады. Жалпы айтқанда, қоршаған ортаның температурасының 10-15оС-тан жоғары болуы жылулық стресс немесе жылулық шок деп аталады. Дегенмен, жылулық стресс температураның интенсивтілігінің, көтерілу жылдамдығының, ұзақталығының комплексті функциясы болып келеді. Осылай болатын климаттық аймақтардың дәрежесі, түнде немесе күндіз болатын жоғары температураның кезеңіне және ықтималдығына тәуелді болады. Бірақ, кейбір ғалымдар түндегі температура негізгі ұстап тұрушы фактор деп есептесе, басқалары түндегі және күндізгі температура өсімдікке өздігінен әсер етпейді деп есептейді [10].
Транспирленген жапырақтардың температурасы ауа температурасынанда төмен болады. Негізінен өсімдік температураны транспирация көмегімен төмендетеді және осылай өзін қызып кетуден сақтайды. Су жетіспеушілігінен болған су дефициті жоғары температураның қолайсыз жағдайларының әсерін жоғарылатады. Жоғары температура организмге зиянды әсер етіп, мембраналар мен белоктарды зақымдайды. Әр түрлі белок - ферменттер әр түрлі температурада денатурацияланады. Бірақ кейбір термолобильді ферменттердің жиі болатын денатурациясы да зат алмасу процесстерін бұзады. Нәтижесінде еріген азотты қосылыстар және басқа да улы зат алмасу өнімдері түзіліп, клетканың өлуіне алып келеді. Жоғары температура фотосинтезді және тыныс алуды тоқтатады. Жоғары температураға фотосинтез сезімтал келеді. Бұл процесстің депрессиясы 35 -- 40°С-та басталады. Сонымен қатар, жоғары температурада фитогормондардың активтілігі төмендейді. Гиббереллиндердің активтілігі бірден төмендейді. Осылай төмендеу өсу процесстерінің тоқталу себептерінің бірі болып келеді [50].
1.1.1 Жоғарғы температура әсерінен болатын морфо-анатомиялық
өзгерістер
Тропикалық климат жағдайында радиация мен жоғарғы температураның артықшылығы өсімдіктің өсуіне және соңғы өнімге әсер ететін факторларды шектейді. Жоғарғы температура өнімді жинамастан бұрын және жинағаннан кейін де зиян келтіруі мүмкін, яғни жапырақта, бұтағында, сабағында күннен болатын күйіктер, өсімдіктің қартаюы және бойының ингибирленуі, жеміс түсінің өзгеруі және зақымдануы, өнімділіктің төмендеуі [11,12,13]. Біркелкі климатты аймақтарда өнімнің төмендеуіне жылулық стресс себепті [14].
Өсімдіктерде жоғарғы температура әсерінен болатын өзгерістер, олардың физиологиялық процесстері сияқты тікелей немесе жанама дамуы мүмкін. Бұл реакциялардың бір фенологиялық кезеңі екіншісінен ерекшеленеді. Мысалы, жоғары температураның ұзақ әсерінен тұқымның дамуы мен өсуі тоқтайды немесе энергиясы азаяды. Жоғарғы температура өскіннің ұзындығын қысқартады, нәтижесінде мезгілінен бұрын өлуіне алып келеді [15].
Жылу стрессі жеке немесе құрғақшылықпен бірге өсімдіктің гүлденуіне және тұқымның толығуына кері әсер етеді. Сонымен қатар, жүгері және басқа астық дақылдарының ядросында крахмал, белок, май мөлшері азаяды жіне діннің сапасы төмендейді [16, 17]. Бидайда жылу стрессіне сезімтал келеді. Оның масағындағы дәндер мөлшері температура көтерілген сайын азаяды [18]. Жоғарғы температураның әсерінен Phaseolus vulgaris, бұршақ тұқымдастар, арахис өнімділігін тез жоғалтады. Қызанақтың репродуктивті процесстері, яғни мейоз, аналық және аталық жыныс органдары, тозаң түтікшелерінің дамуы, жұмыртқа клетканың өміршеңдігі, ұрықтану, ұрықтанған эмбриондар жоғары температура әсерінен зақымдалады [19,20,21].
Өсімдік гүлдей бастаған кезде жоғары температураның әсері өте зиянды болып келеді және жоғарғы температураға сезімталдығы 10-15 күнге дейін жалғасады. Гаметогенезде (гүлдегенге дейін 8-9 күн) және ұрықтану (гүлденгеннен кейін 1-3 күн) кезінде репродуктивті фаза жоғары температураға сезімталдығы төмен болады. Өсімдіктің жоғары температураға сезімталдығы өсімдіктің түріне және фенологиялық кезеңіне байланысты болады. Жоғары температура әсерінен зақымдалған репродуктивті процесстер ұрықтану және ұрықтанғаннан кейінгі процесстерге әсер етеді және өнімділігін төмендетеді [10].
Қоршаған ортаның жоғары температурасынан анатомиялық өзгерістер пайда болуы мүмкін және құрғақшылық жағдайына ұқсас болады, яғни клетканың мөлшері кішірейеді, саңылаулар жабылады, су тапшылығына ұшырайды, саңылаулар тығыздығы көтеріледі. Субклеткалық деңгейде хлорапластар күрделі өзгерістерге ұшырайды. Ол фотосинтез процесінің өзгеруіне алып келеді. Мысалы, жоғары температура фотосинтезді төмендетеді де, тилакоидтардың құрылымын өзгертеді. Жоғары температура анатомиялық құрылымға ұлпалық және клеткалық деңгейде ғана емес, субклеткалық деңгейде де әсер етеді. Жоғары температура әсерінен осы өзгерістердің кумулятивті эффектілері өсуді төмендетеді [22].
1.1.2 Жоғарғы температураның өсімдіктің өсуі мен дамуына әсері
Әр түрлі фенологиялық кезеңдер жоғары температураға сезімталдығы бойынша ерекшеленеді, бірақ бұл өсімдіктің түріне және генотипіне байланысты болады [8, 23]. Жылулық стрессі өсімдіктің өсу жылдамдығына әсер ететін негізгі фактор [8, 15, 24].
Өсімдік стресске шалдығатын даму сатысында өнімнің зақымдалу деңгейін анықтауға болады. Өсімдік түрлері мен сорттарының жоғары температураға тұрақтылығы өсімдіктің даму кезеңіне байланысты өзгереді, бірақ барлық вегетативті және репродуктивті сатылары жылулық стресстің деңгейіне байланысты болады. Вегетативті сатысында, мысалы, күндізгі жоғары температура жапырақтардың газ алмасу қасиетін бұзады. Кейбір дәнді дақылдар төмен диапозонды температураға төзімді келеді. Ондай температура гүлдену фазасыда жоғары болған жағдайда, ұрықтануды және тұқымның түзілуін зақымдап, өнімділігін төмендетеді [7]. Жоғары температура әсер еткенде, гүлдену кезінде жасыл жапырақтар төзімді келеді және өнімділіктің төмендеуін азайтады [25].
Сонымен қатар, жоғары температура дәннің толығуы кезінде әсер етсе, ұн мен нанның сапасын және физико-химиялық қасиетін төмендетеді, ұндағы белоктың мөлшерін өзгертеді [26,27]. Сондықтан, ауылшаруашылық дақылдарын өсіру кезінде, өсімдіктің жылу стрессіне сезімтал даму сатылары мен процесстерін білу маңызды. Осындай түсініктер өсімдіктердің жоғары температураға тұрақтылығын анықтауға мүмкіндіктер береді.
1.1.3 Жоғары температураның судың мөлшеріне әсері
Қоршаған ортаның температурасы өзгергенде өсімдіктегі судың мөлшері де өзгереді [28]. Ылғалдылық жеткілікті болғанда, өсімдік температураға тәуелсіз, ұлпадағы судың тұрақты мөлшерін ұстап тұрады. Бірақ, су шектелгенде, жоғары температура бұл тенденцияны бұзуы мүмкін [29]. Дала жағдайында, судың төмендеуі жылу стрессіне байланысты болады [30]. Мысалы, түнде температураның көтерілуі Lotus creticus өсімдігінің жапырағындағы судың потенциалын төмендетеді. Қант қамысына жылу стрессі әсер еткенде, топырақтан судың тасымалдануы және оның компоненттері өзгерген [47]. Сонымен қатар, жылу стресінің әсерінен қызанақтың жапырақтарының су қатынасы және тамырдың гидравликалық өткізгіштігі қозады [48]. Түнгі уақытқа қарағанда, күндіз өсімдікте жоғары температураның әсерінен су мөлшерінің төмендеуі жоғарылайды. Түнгі уақытқа қарағанда, күндіз өсімдікте жоғары температураның әсерінен су мөлшерінің төмендеуі жоғарылайды [30].
1.1.4 Жоғары температураның фотосинтезге әсері
Жоғары температураның әсерінен әр түрлі фотосинтездік белгілердің өзгеруі өсімдіктің термотолеранттылығының жақсы индекаторы болып келеді және олар өсудің корреляциясын көрсетеді. Фотосинтез процессіндегі кез келген шектеулер жоғары температурада өсімдіктің өсуіне кедергі келтіреді. Ламеля тилакоидтардың фотохимиялық реакциялары және хлоропласттар стромасындағы заттардың көмірқышқыл айналымы жоғары температура кезіндегі жарақаттардың негізгі сайттары ретінде ұсынылады [31]. Хлорофилл флуоресценциясы, вариабильді флуоресценцияның максимальды флуоресценцияға қатынасы (FvFm), негізгі флуоресценция (F0) жылу толеранттылығымен байланысатын физиологиялық параметрлер
[32]. Томат генотиптерінің және қант қамысының термотолеранттылық қасиеті кезінде хлорофилл а:b қатынасы жоғарылайды, ал хлорофиллкаротиноид қатынасы төмендейді [34]. Жоғары температурада хлорофилл a және b деградациясы жақсы байқалады [22].
ФЖ ІІ өте термолабильді, жоғары температурада оның активтілігі төмендейді [6, 35]. Ол ФЖ ІІ орналасқан тилакоидтар мембранасының қасиеттерімен белгіленуі мүмкін [36]. Жылу стресі оттегінің дамушы комплексінің диссоциациясын тудыруы мүмкін. Нәтижесінде ФЖ ІІ акцепторлы бөлігіндегі оттегінің дамушы комплексінен ФЖ І реакционды орталығына дейінгі электрондар ағыны арасында дисбаланс түзіледі. Жылу стресі әсерінен ФЖ ІІ реакционды орталығынан Mn атомдарының шығуын реттейтін молекулалық массасы 33 кДа болатын белоктың диссоциациясы түзіледі. Жылу стресі реакционды орталықтың басқа бөліктерінде бұзуы мүмкін, мысалы, D1 немесе D2 белоктарды. Бидайда жоғары температураның әсерінен ФЖ ІІ зақымдалған аймақтары оның функционалды активтілігі арқылы қайта қалпына келу жолдарын іздестіреді [6, 34, 37]. Арпада жылу импульсынан кейін ФЖ ІІ зақымдалады және оттегінің шығуының төмендеуінен электронды транспорт бұзылады. Арпада және бұршақ тәрізділерде жылу стрессінің әсерінен ФЖ ІІ бірден зақымдалады және оттегінің бөлінуінің бұзылуы электронды транспорттың шектелуіне алып келеді. Жоғары температура жағдайында ФЖ І стромалды ферменттері және хлоропласттары термостабилді болады. Сонымен қатар, ФЖ І циклдік электронды жолды, тилакоидтардың протонды градиентін активирлеуге қабілетті [35].
Жоғары температура өсімдіктердегі фотосинтездің С3 жолына С4 жолына қарағанда қатты әсер етеді. Ол энергияның бөлінуін және көміртек метаболизмінің ферменттеріне әсер етеді [38]. Жылу фотосинтетикалық пигменттерді, ерігіш белоктарды кемітеді. Жылу стрессі кезінде крахмал мен сахароза синтезі фосфатсинтазаға ADP-глюкоза пирофосфорилаза және инвертазаға байланысты төмендеген [39].
Кез келген өсімдіктің жапырағында жылу стрессі кезінде газ алмасуы жүреді. Вегетативті сатыда күндізгі температура фотосинтезге әсер етеді және СО2 төмендейді. Температураның жоғарылауы фотосинтезді қысқартады және СО2 клеткааралық кеңістік арқылы өтуіне кедергі жасайды. RUBISCO ферментінің активтелуінің төмендеуінен саңылаулардың өткізгіштігі жоғарылайды [15].
Температураның жоғарылауы фотосинтезді қысқартады және көмірқышқыл газының клеткааралық кеңістік арқылы тасымалдануын, сонымен қатар, сайттардың карбоксилденуін жоғарлатады. Устьицалардың өткізгіштігі және фотосинтез көптеген өсімдіктерде RUBISCO ферментінің активтелінуі арқылы қалпына келеді. Бірақ температураның көтерілуі RUBISCO ферментінің каталитикалық активтілігін жоғарылатқанымен, ферменттің көмірқышқыл газымен төмен қатынасы және оксигеназа ретіндегі табиғаты фотосинтез қабілетінің қалпына келуін төмендетеді. Мысалы, температура 38оС-тан жоғары болғанда жүгері жапырағындағы фотосинтез тоқтаған және температураны бірден көтергенде фотосинтездің тоқталуы қиын болған. Бірақ фотосинтездің тоқталуы саңылаулардың реакциясынан тәуелсіз болған.
Температура жоғарылағанда фотосинтез және тыныс алу процесстерінде зақымдаулар болады. Жалпы айтқанда, фотосинтез жылдамдығы төмендейді және қараңғыда тыныс алу, фото тыныс алу жоғарылайды. Сонымен қатар, биохимиялық реакциялардың жылдамдығы төмендейді және жоғары температурада ферменттің инактивациясы мен денатурациясы фотосинтезді тоқтатады. Жылу стрессіне қарсы осындай өзгерістер түрге және генотипке байланысты болады [36,40].
Фотосинтездегі CO2 ассимиляциясы жылу стрессі әсерінен өсіп жатқан жапырақтарда аз ғана зақымдалған, ал өсіп жетілген жапырақтарда толығымен зақымдалған. Жылу стрессі негізінен даму фазасының ұзақтығын тоқтатады, жарықты қабылдауды төмендетеді және фотосинтез, тыныс алуға кері әсер етеді. Бірақ фотосинтез физиологиялық процесс ретінде қаралады. Ол жоғары температураға сезімтал келеді.
1.1.5 Өсімдіктердегі гормональды өзгерістер
Өсімдіктер қоршаған ортаның қолайсыз жағдайларына тез бейімделеді, бірақ бейімделу немесе тұрақтылық деңгейі түрге және генотипке байланысты түрленеді. Гормондар бұл қатынаста маңызды роль атқарады. Гормоналды сигнализацияда болатын бөгеттер организмнің интеграцияға қабілеттілігін көрсетеді. Гормоналды гомеостаз, тұрақтылық, биосинтез, құрамы жылу стрессіне байланысты өзгереді [17].
Абсциз қышқылы (АБҚ) және этилен (C2H4) стресс гормондары сияқты сигналды молекула ретінде көптеген физиологиялық қасиеттердің реттелуіне қатысады. Жоғары температура абсциз қышқылының деңгейін жоғарылатады. Мысалы, Agrostis palustris-те жылу стрессі кезінде абсциз қышқылының деңгейі көтерілмеген, бірақ стресстен кейін қалпына келгеннен соң жинала бастаған [41]. Стресске қарсы абсциз қышқылының жауабы гендер экспрессиясын өзгертеді. Абсциз қышқылының жауапты реакциялары промоторлардың бірнеше потенциалды цис және транс - әсері бар реттеуші элементтерін көрсетті. Абсциз қышқылы көптеген гендердің жоғары немесе төмен реттелуінің модуляция жолы арқылы өсімдіктердің құрғақшылыққа акклиматизацияадаптациясының делдалы. Егіншілік жағдайында ыстық пен құрғақшылық сәйкес келгенде АБҚ индукциясы термотолеранттылықтың маңызды компоненті болып келеді [42].
Абсциз қышқылы өсімдіктің көптеген жоғары немесе реттелетін гендерінің модуляция жолымен құрғақшылыққа адаптациясы мен акклиматизацияның делдалы. Дала жағдайында абсциз қышқылы индукциясы термотолеранттылықтың маңызды компоненті. Ол жоғары температураның әсерінен өсімдіктердің тірі қалуы үшін биохимиялық реакцияларға қатысады. Кейбір зерттеулер көрсеткендей, кейбір ЖШБ (HSPs) индукциясы, мысалы HSP70, АБҚ индукциясының механизміне ұқсас болады [43].
Газ тәріздес гормондар, этилен өсімдіктің өсу және даму процесстерінің барлығын реттейді. Этиленнің биологиялық активтілігі толығымен болады. Этилен биосинтезіне қатысатын ферменттер мен этилен деңгейі бір күн ішінде өзгеріп тұрады. Жылу стресі әсерінен әр түрлі өсімдікте этилен түзілуі түрліше болады. Мысалы, бидайдың жапырағында 35оС, ал сояда 40оС этилен түзілуі жоғарылайды. Этилен екі түрдеде 40оС-та жиналғанымен, этиленнің алдын-ала түзілуі сояда ғана байқалған [1].
Басқа гормондардың ішінде салицил қышқылы (СҚ) өсімдіктерде жылу стресіне қарсы реакцияларға қатысады. Салицил қышқылы сигналды жолдың маңызды компоненті [44]. Салицил қышқылы жылулық шоктың транскрипция факторларының тримерлерін тұрақтандырады. Са2+ гомеостазы мен антиоксидантты жүйе қатысатын ұзақ мерзімді термотұрақтылық салицил қышқылы арқылы болады. Салицил қышқылының туындысы сульфосалицил қышқылы (ССҚ) H2O2 эффективті жою мүмкін. Сонымен қатар, каталаза қиярда (Cucumus sativus) H2O2 жойғанда негізгі роль атқарады. Жылу стресі кезінде сульфосалицил қышқылымен қатар глутатионпероксидаза, аскорбатпероксидаза және глутатионредуктаза қатысады. Олар H2O2 жоюға қатысатын негізгі ферменттер емес. Өсімдіктердің термотолеранттылығын жапырақтарына ацетилсалицил қышқылын себу арқылы жоғарылатуға болады. Сонымен қатар, салицил қышқылының туындысы метилсалицилат бірнеше функция атқарады [12, 34, 46].
Жоғары температураға тұрақтылыққа гибберелин мен цитокиндердің әсері абсциз қышқылына қарама-қарсы. Гормондардың басқа сорты брассиностероидтар томат пен рапсқа термотолеранттылық береді [2].
1.2 Өсімдіктердің термотолеранттылық механизмдері
Өсімдік жоғары температураға төзімділігін сақтау үшін әр түрлі механизмдер қолданады, олар фенологиялық және морфологиялық адаптация, акклиматизация механизмі, мембранды липидтердің өзгеруі. Көптеген өсімдік дақылдарының ерте пісіп-жетілуі жоғары температураның әсерінен өнімділігінің көп мөлшерде жоғалуына жол бермейді. Өсімдіктің дамуының әр сатысында әр түрлі типті стресстер әсер етуі мүмкін және стресске қарсы реакциялары әр түрлі ұлпада түрленеді. Стресстің бірінші сигналы, мысалы, осмотикалық және ионды эффектілер, температураның өзгеруі, мембрананың аққыштығы сигналды процесстерді және гомеостазды, қорғанышты, зақымдалған белоктарды және мембрананы қалпына келтіру үшін транскрипцияны шақырады. Сигнализацияға дұрыс жауап бермесе клеткалық гомеостаз зақымдалуы, функционалды бұзылуы, мембрана мен белоктардың құрылымының бұзылуы клетканың өліміне алып келеді. Температураның бір күндік жиілігіне термотолеранттылықтың жалпы механизмі жасалуы мүмкін [45].
Өсімдіктің стресске қарсы реакцияларының механизмдерін анықтаудың практикалық маңызы зор. Негізгі тұрақтылық механизмдері, яғни ионды транспортерлар, осмопротекторлар, бос радикалдар, сигнал каскадтарына қатысатын факторларды транскрипционды бақылау стресске қарсы маңызды эффектілер [46]. Жылу стресінің эффектілері әр түрлі деңгейде ерекшеленеді. Мысалы, плазматикалық мембрана және биохимиялық жолдар цитозольде немесе цитоплазмалық органеллада әсер етеді. Жылу стресінің бірінші әсері плазмалеммада болады, ол липидті биқабаттың аққыштығына әсер етеді. Бұл Са2+ индукциясына және цитоскелеттің реорганизациясына әсер етіп, нәтижесінде митоген митоген активтелген протеинкиназа (МАРК) және кальций тәуелді протеинкиназа (CDPK) реттеледі. Ядерлік деңгейдегі осы каскадтардың сигнализациясы антиоксиданттарды және осмолиттерді, осмотикалық реттелуді түзеді. Оттегінің активті формаларының түзілуі және антиоксиданттардың түзілуі сигнализация үшін маңызды. Антиоксидантты қорғаныс механизмі жылулық стресске бейімделуі үшін қажет [45, 46].
Температураның жоғарылауына төзімді өсімдіктер жылуға тұрақты белок - ферменттер синтезіне қабілетті. Жоғары температурада клеткаларда арнайы белоктар синтезделеді. Олар қызып кетуге толерантты болады, сондықтан оларды жылулық шок белоктары деп атайды. Оларды 1962 жылы дрозофиладан табылған. Содан кейін адамдардан, кейіннен 1980 жылы өсімдіктен және микроорганизмдерден табылған. ЖШБ клетканың температуралық стресстен тірі қалуына көмектеседі және стресс тоқтағаннан кейін физиологиялық процесстерін қалпына келтіруге көмектеседі. ЖШБ белгілі бір гендердің экспрессиясы нәтижесінде түзіледі. Сояда 25-40°С температура аралығында спецификалық мРНҚ синтезделеді, ал 3-5 минуттан кейін температура жоғарылағанда белоктар пайда болады. Осындай белоктарды түзуге қабілетті клеткалар жоғары температураға төзімді болады. Мысалы, арабидопсистің ЖШБ синтезіне қатысатын транскрипционды факторының экспрессиясының индуцирленуі ыстыққа тұрақтылығын жоғарылатқан. ЖШБ синтезін төмендеткенде тұрақтылық бірден төмендеген. ЖШБ кейбір түрлері тек жоғары температурада ғана емес басқа стресс факторларныда да, мысалы, су жетіспеушілігінде, төмен температурада, тұздың әсерінде синтезделеді [40].
Термотолеранттылық механизмі жылулық шок белоктарының индукциясында жақсы зерттелген. Әр ЖШБ әсер ету механизмі шаперондардың қызметіне ұқсас. ЖШБ қорғаныс эффектілері шаперондардың бір-біріне хабар беру арқылы қызмет жасайтын іс-әрекетіне ұқсайды. ЖШБшаперон қатынасы басқа стресс механизмдермен әрекеттеседі. ЖШБшаперон стресс кезінде сигнал жіберуде және гендер активациясында маңызды қызмет атқарады. Олар осмолиттердің түзілуімен және антиоксиданттармен байланысты [5, 9, 11]. ЖШБ төмен молекулалы және жоғары молекулалы болады. Төмен молекулалы жылулық шок белоктарына молекулалық салмағы 15-35 кДа болатын белоктар, ал жоғары молекулалы жылулық шок белоктарына молекулалық салмағы 60-110 кДа болатын белоктар жатады. Олардың функциялары әр түрлі болады. Мысалы,
БТШ-100 шаперондардың қызметтерін атқарады. Олар белоктардың денатурациялануынан пайда болған белоктардың агрегаттарын ыдыратады және полипептидтік тізбегіні құралғанда, белоктардың 3-ші ретті құрылымын құрғанда қателіктерді түзетеді. БТШ-90 цитозольда, ядрода, цитоплазмалық ретикулумда болады. Олар молекулалық шаперондарға ұқсас қызмет атқарады. Бірақ олардың нағыз шаперондардан айырмашылығы, олар белгілі белоктарға жоғары спецификалық болып келеді және олармен байланысқа түседі. БТШ-70 - АТФ-тәуелді молекулалық шаперондар. Кейбір белоктар конститутивті экспрессияланады, басқалары жылы және суық шокпен индукцияланады. БТШ-70 цитозольда, ЭР, митохондрияда, пластидаларда орналасады. БТШ-70 полипептидтік тізбектердің жиналып таралуына қатысады, белоктардың 4-ші реттік құрылымының құрылуына қатысады. БТШ-60 молекулалық шаперондар болып келеді. Олар митохондрияның матриксінде және хлоропластың стромасында орналасады. БТШ-60 өсімдіктерде қалыпты жағдайларда да болады. Олардың басты қызметі бөліктерден тұратын белоктардың молекулаларын жинау. БТШ-60-ның бір түрі ядроның генімен кодтанған хлоропластық белокты рибозо-бисфосфаткарбоксилазаны жинауға қатысады. In vitro БТШ-60 белоктарды агрегациядан сақтайды [40, 50].
Төмен молекулалық салмағы бар ЖШБ 15-ден 30 кДа дейін клеткаларда көп болады. Төмен молекулалық салмағы бар ЖШБ молекулалық салмағы 200-ден 800 кДа дейін комплекстер құрады. Олардың қызметтері толық анықталмаған. Төмен молекулалық салмағы бар ЖШБ АТФ-ті қажет етпейді [50].
Жоғары температураның әсеріне тұрақтылыққа қаныққан липидті мембрана маңызды элемент болып саналады. Бидайдың термотұрақты мутантты линиясын термоөңдегенде жабайы түрге қарағанда линолен қышқылының мөлшері жоғары болады. Гендер экспрессиясының термотолеранттылығын өзгерту маңызды болып табылады. Жылу стрессі гендер экспрессиясын, ЖШБ экспрессиясын тудырып және басқа гендердің экспрессиясын ингибирлеп тез өзгертеді. Жылу стрессі мРНҚ сплайсингін ингибирлейді [35, 40].
Мембрана өткізгіштігі
Жоғары температура
Цитоқаңқаның қайта құрылуы және Ca2+ иондарының клетка іщіне тасымалдануы
МАПК каскады
ОАФ сигналы
ОАФ генерациясы (хлоропласт және митохондрия)
Цитоплазма
Ядро
Цитоплазма
Плазмалемма
Белок денатурациясы
ЖШБ-70, ЖШБ-90
Антиоксиданттар
Электрон тасымалы
Еріген заттардың жиналуы
Осмолиттер реттелуі
Кальций тәуелді протеинкиназа
Шаперондар сигналы және активтелген транскрипция
Жылулық шок элементтері
Басқалар
ЖШБ, рибосомалық белоктар, шаперондар
Белок фолдингі және ренатурациясы
Байланысқан микротүтікшелер
Сурет 1 - Өсімдіктердің термотолеранттылық механизмдері
1.2.1 Тотығу стрессі және антиоксиданттар
Жылу стрессі кезінде ұлпалардың сусыздануынан тотығу стрессі туындайды. Мысалы, оттегінің активтелген формасының реакциясы мен генерациясы, синглетті оттегінің қосылуы, супероксид радикалы, сутегінің асқын тотығы, гидроксил радикалы жоғары температура әсерінен клеткалардың зақымдалу симптомдары болып табылады [19]. Оттегінің активті формасы мембрана липидтерінің автокаталитикалық асқын тотығуына алып келеді. Ол өз кезегінде мембрананың жартылай өткізгіштігінің функцияларын өзгертеді [30].
Супероксид радикалы хлоропласттар мен митохондрияда синтезделеді және микроденешіктерде бірнеше мөлшерде түзіледі. Оттегінің супероксид дисмутазаға (СОД) айналуынан аскорбатпероксидаза немесе каталаза арқылы жойылған H2O2 түзіледі. Бірақ оттегі және сутегінің асқын тотығы гидроксил радикалы сияқты улы емес. Гидроксил радикалы хлорофиллді, белоктарды, ДНҚ, липидтерді және басқа маңызды макромолекулаларды зақымдап, өсімдіктің метаболизміне және өсуіне, өнімділігіне кері әсер етеді. Өсімдіктер активтелген оттегі формасына қарсы ферментативті және ферментативті емес детоксикация жүйесін жасайды және осы арқылы тотығудан сақтайды. Мысалы, өсімдіктегі СОД гиперэкспрессиясы бірқатар физиологиялық процестерге әсер етеді, яғни, H2O2 жоюлуы, токсикалық тотықсыздандырғыштардың тотығуы, клетка қабықшасындағы лигниннің деградациясы және биосинтезі, ауксиннің катобализмі, жараланған жердің қорғаныш реакциялары, патогендерге және жәндіктерге қарсы тұруы және кейбір тыныс алу процестері. Аскорбатпероксидаза активациясы жылу стресінің әсерінен болатын физиологиялық жарақаттармен байланысты [1, 6, 29].
Оттегінің активтелген формасының деңгейі жоғары болғанда антиоксидантты активтіліктің төмендеуі зақымдаулардың пайда болуына алып келеді.
1.2.2 Стресс белоктары
Стресс белоктарының экспрессиясы - өсімдіктердің экологиялық стресске бейімделуінің маңызды шешімі. Көптеген стресс белоктары суда жақсы ериді. Жылулық шок белоктары жылу стресінің реакцияларына қатысады және басқа да белоктар болады.
Арнайы белоктардың жиналуы және синтезі жылу стрессі әсер еткен кезде болады және бұл белоктарды жылулық шок белоктары деп атайды. Жылулық шок белоктардың түзілуі жоғары температура әсер еткенде жоғарылайды. Шөл немесе жартылай шөлді аймақтарда өсетін өсімдіктер ЖШБ көп мөлшерде синтездейді. Кейбір ЖШБ клеткада циклдік немесе даму сатыларында көрінеді. Бұндай жағдайда ЖШБ көрінуі дамудың белгілі сатыларында, мысалы, эмбриогенез, тозаңның дамуы және жемістерінің жетілуінде шектеледі. Жоғары температура жоғары сатыдағы өсімдіктерге әсер еткенде жылулық шок белоктары дамудың әр сатысында индуцирленеді. Жылулық шок белоктары термотолеранттылыққа жауап береді. Олардың организмдегі индукциясы стресс жағдайында байқалады. ЖШБ биосинтезі организмнің әр түрлі клеткаларында тез жүреді [20, 26, 45].
Белоктың үш класы молекулалық массасына қарамастан жылулық шок белоктарының үлкен бөлігін құрайды. Олардың массасы 15-200 кДа болатын төмен белоктар. ЖШБ өсімдіктер құрамында көп және әр түрлі болады. Бұл үш класс өсімдіктің түріне байланысты ерекшеленеді. ЖШБ-90 мен ЖШБ-70 мРНҚ құрамында 10 есе жоғарылайды. Ал төмен молекулалы ЖШБ 200 есе көбеюі мүмкін. Басқа белоктардың молекулалық массасы 110 кДа полипептидтер мен убиквитин маңызды болмағанымен жылулық шок белоктары болып есептеледі. Ядрода кодталған ЖШБ төмен және жоғары температурада цитозольде жиналады. Ал хлоропласта біркелкі температурада жиналады [19, 32].
Иммунолокализациялы зерттеулер көрсеткендей, ЖШБ хлоропластарда, рибосомада, митохондрияда ассоцирленеді. Жүгері мен бидайда 42 оС температурада ұстағанда 5 митохондриальды LMW-HSPs (28, 23, 22, 20 және 19 кДа) жүгеріде көрінген, ал бидайда тек біреуі (20 кДа) ғана болған. Осыдан жүгерінің бидайға қарағанда жоғары температураға төзімділігін көруге болады. ЖШБ жоғары температура әсерін болатын басқа белоктардың денатурациясын тоқтатуы мүмкін. Төмен молекулалы ЖШБ агрегатты күйі және конформационды динамикасы өсімдіктер клеткасының термотұрақтылығы үшін маңызды. Төмен молекулалы жылулық шок белоктарының жылулық шоктың гранулаларын жинайтын қабілеті бар және олардың ыдырауы өсімдік клеткасының жоғары температурада тірі қалуына мүмкіндік береді [27, 33, 45].
Жылулық шок белоктарының жоғары температураға реакциялары әр түрлі өсімдіктерде анықталған. Мысалы, HSP68 митохондрияда орналасқан және ол картопта, жүгеріде, қызанақта, сояда, арпада табылған. Термиялық өңдеген кезде өсімдіктің жылу стрессін ұстап тұратын қабілеті бар ЖШБ деңгейі жоғарылайды. Мысалы, молекулалық массасы 45 кДа ЖШБ жылу стрессінен кейін өсімдіктің қалпына келуінде маңызды роль атқарады [7, 9].
Әр түрлі өсімдіктерде түзілген ЖШБ құрылымында ерекшеліктер болады. ЖШБ сезімтал органдарда немесе ұлпада жиналуы клетканың метаболиттік аппаратын қорғауда маңызды рөл атқарады. Термотолеранттылық жылулық шок белоктарының синтезіне және оның жиналуына байланысты. Осылардың ішінде HSP70 жақсы зерттелген. Соңғы кезеңде LMW-HSP21 екі түрлі қызметі томатта ФЖ ІІ тотыға зақымдалудан қорғайды ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
КІРІСПЕ
4
НЕГІЗГІ БӨЛІМ
6
1
ӘДЕБИЕТКЕ ШОЛУ
6
1.1
Жоғары температураның зиянды әсері
6
1.1.1
Жоғары температураның әсерінен болатын морфо-анатомиялық көрсеткіштер
8
1.1.2
Жоғары температураның өсімдіктің өсуі мен дамуына әсері
9
1.1.3
Жоғары температураның судың мөлшеріне әсері
10
1.1.4
Жоғары температураның фотосинтезге әсері
10
1.1.5
Өсімдіктердегі гормональды өзгерістер
12
1.2
Өсімдіктердің термотолеранттылық механизмдері
13
1.2.1
Тотығу стрессі және антиоксиданттар
17
1.2.2
Стресс белоктары
18
1.2.3
Осмолиттер
20
2
ЗЕРТТЕУ МАТЕРИАЛДАРЫ МЕН ӘДІСТЕРІ
24
2.1
Зерттеу объектілері
24
2.2
Зерттеу әдістері
24
2.2.1
Бидай сорттарына биометриялық параметрлеріне талдау жасау
24
2.2.2
Липидтердің асқын тотығын анықтау
24
2.2.3
Фотосинтездік пигменттердің мөлшерін сандық әдіспен анықтау
25
3
ЗЕРТТЕУ НӘТИЖЕЛЕРІ ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ТАЛҚЫЛАУ
26
3.1
Жоғары температураның бидай сорттарында биомасса жинақталуына әсері
26
3.2
Жоғары температураның бидай сорттарының липидтерінің асқын тотығуына әсері
27
3.3
Фотосинтездік пигменттердің мөлшеріне жоғары температураның әсері
28
ҚОРЫТЫНДЫ
31
ҚЫСҚАРҒАН СӨЗДЕР
32
ПАЙДАЛАНҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
33
КІРІСПЕ
Температураның көтерілуі ауыл шаруашылығының басты проблемасы. Өзгермелі және тұрақты температуралар өсімдіктерде морфо-анатомиялық, физиологиялық және биохимиялық өзгерістердің пайда болуына себеп болады. Олар өсімдіктің өсуіне және дамуына, сонымен қатар, экономикалық кірістің жылдам төмендеуіне алып келуі мүмкін. Жоғары температураның қолайсыз әсерлерін ауыл шаруашылық өсімдіктердің термотолеранттылығын генетикалық әдістерді қолданып жоғарылату арқылы төмендетуге болады. Бірақ бұл үшін өсімдіктердің жоғары температураға физиологиялық реакциясын, төзімділік механизмдерін, дақылдардың термотолеранттылығын жоғарылату стратегиясын түсіну маңызды.
Жылулықтың бастапқы деңгейі дамудың әр сатысында өзгеріп тұрса да, онтогенез кезінде жылулық стресі өсімдіктің өсуіне кедергі жасайды. Мысалы, стресстің интенсивтілігіне және өсімдіктің түріне байланысты жоғары температура тұқымның өсуін баяулатады немесе толығымен тоқтатады. Кейінгі кезеңдерде жоғары температура фотосинтезге, тыныс алуға, мембранды тұрақтылыққа теріс әсер етеді және гормондар мен біріншілік, екіншілік метаболиттер деңгейін модульдейді. Онтогенез кезінде әр түрлі жылу стресс белоктарының және стресспен байланысты басқа белоктардың экспрессиясы, оттегінің активті формаларының (ROS) түзілуі өсімдіктің жылу стрессіне қарсы негізгі реакциялары болып табылады. Өсімдікке жоғары температурамен күресу үшін әр түрлі механизмдер реализациясы қажет, яғни мембрананың тұрақтылығын сақтау, оттегінің белсенді формаларының қоқымдарын жинау, антиоксиданттарды өндіру, бірге еритін заттардың жиналуы, митоген активті протеинкиназаның (MAPK) және кальций тәуелді протеинкиназаның (CDPK) каскадтарының индукциясы және ең бастысы транскрипцияның активациясы мен сигнализациясы.
Жылулық шоктың белоктарының (ЖШБ) экпрессиясы - маңызды адаптивті стратегия болып келеді. Молекулалық массасы 10-200 кДа болатын жылулық шок белоктарының (ЖШБ) функциясы шаперондардың функциясына ұқсас болады және жылулық стресс кезінде сигналдардың тасымалдануына қатысады [3]. Жылулық шок белоктары түзетін тұрақтылық физиологиялық құбылыстарды жақсартады. Олар фотосинтез, су мен қоректік заттардың сіңірілуі, мембрананың тұрақтылығы және эффективтілігі. Бұл жақсартулар өсімдіктің жоғары температурада өсуіне және дамуына мүмкіндік береді [4,5,6].
Жұмыстың мақсаты: Жоғары температураның өсімдіктерге зиянды әсерін және өсімдіктердің жоғары температураға тұрақтылығының механизмдерін анықтау және талдау.
Жұмыстың міндеттері:
1. Бидай өсімдіктерінің биомассасының жинақталуына жоғары температураның әсерін бақылау және анықтау
2. Жоғары температураның бидайдағы липидтердің асқын тотығуына әсерін бақылау және анықтау
3. Жоғары температураның бидай өсімдігінің фотосинтездік пигменттерінің мөлшеріне әсерін анықтау
Жұмыстың өзектілігі: Қоршаған ортаның температурасының көтерілуі дүние жүзінің ауылшаруашылық дақылдарына қауіп төндіріп тұр. Температураның көтерілуі дүние жүзінің басты проблемаларының бірі. Жоғары температура өсімдіктердің өсуі мен дамуына зиянды әсер етеді. Сонымен қатар, экономикалық кірістің төмендеуіне алып келуі мүмкін. Жоғары температураның ауыл шаруашылық өсімдіктеріне кері әсерін алдын алу үшін, прогрессивті технологияны қолданып ауылшаруашылық дақылдарын өндіру арқылы өсімдіктердің сапасы мен өнімділігін арттыру қажет.
НЕГІЗГІ БӨЛІМ
1 ӘДЕБИЕТКЕ ШОЛУ
1.1 Жоғары температураның зиянды әсері
Өте жоғары температурада клеткалардың қатты зақымдануы, сонымен қатар клеткалардың өлуі бірнеше минуттың ішінде жүруі мүмкін. Осы жағдайда клеткалық организацияның апаттық ыдырауына жатқызуға болады [3]. Өсімдіктер жоғары температураға қарағанда төмен температураға төзімдірек болып келеді. Қыста өсімдік төмен температуда бірнеше ай өсе алады, ал температураның көтерілуінен көптеген өсімдіктер бірнеше сағаттан кейін өледі. Жоғары өсімдіктердің ішінде нағыз термофилдер болмайды. Төмендеу температурада өсімдіктің зақымдауына мен өлімі ұзақ уақыт әсер етуден кейін болады. Жоғары температураның тікелей әсері белоктардың денатурациясын және агрегациясын қосады, мембранды липидтердің шығуын жоғарылатады. Жоғары температураның жанама әсері митохондрия мен хлоропласт ферменттерінің инактивациясын, белок деградациясын іске қосады [8]. Жылу стрессі микротүтікшелердің құрылымына митотикалық клеткаларда микротүтікшелердің түзілуі арқылы және микротүтікше фрагмопласттарының ұзаруы арқылы әсер етеді [9]. Бұл жарақаттар, ақыр соңында өсудің тоқталуына, токсикалық қосылыстардың және оттегінің активті формасының (ОАФ) түзілуіне себеп болады [3,7].
Жоғары температурада мембраналар бірінші болып бұзылады және олардың өткізгіштігі жоғарылайды. Басқа әсерлерге қарағанда жоғары температурада мембраманың өткізгіштігінің көтерілуі физиологиялық функциялардың бұзылуына алып келеді. Цитоплазманың жабысқақтығы өседі, сондықтан циклоздың (цитоплазманың қозғалысы) интенсивтілігі тоқтайды, клеткалық шырынның концентрациясыда жоғарылайды. Клеткадағы заттардың экзосмосының күшеюі осмотикалық қысымның төмендеуіне алып келеді. Бір уақытта органикалық заттардың негізгі полимерлерінің гидролизінің активациясы есебінен осмотикалық қысым көтеріледі. Құрғақшылық жағдайына қарағанда, жоғары температурада гидролиз күштірек жүреді. Сондықтан, белоктардың ыдырауы, мысалы, өсімдікте улы амиакка дейін жүруі мүмкін. Судың тасымалдануы, заттардың тамырмен сіңірілуі, жапырақтардан ассимиляторлардың шығуы бұзылады. Жарық фаза сияқты фотосинтезде және көмірқышқылының фиксациясы да тоқтайды. Жоғары температураға ІІ фотожүйедегі электрондардың транспорты сезімтал келеді. Бірақ фотосинтездің ингибирленуіне қарағанда фотосинтездің бөлек ферменттерінің денатурациясы жоғарырақ температурада жүреді. Инактивациямен тез алмасатын тыныс алудың уақытша активациясы іске қосылады. Тотығу энергиясы жылу түрінде ыдырайтын тыныс алудың альтернативті жолының үлесі көтеріледі. Сонымен қатар, жоғары температурада альтернативті жолдың активациясы болмайды деген мәліметтер бар. Микросомалы тотығу күшейеді, әсіресе липидтердің асқын тотығуы өседі. Организмнің түрлі функциялары әр түрлі температурада бұзылады. Фотосинтез тыныс алуға қарағанда төмен температурада ингибирленеді. Ол тыныс алу субстраттарының жетіспеушілігін тудырады. Нәтижесінде жоғары температурада, мысалы, көкөністер мен жемістерде қанттар азаяды. Сондықтан, олардың тәттілігі төмен болады. Жоғары температуралы стресстің эффектісінің бұзылуы тыныс алу мен фотосинтездің дисбалансынан туындайды. Әсердің жалғасуы немесе өте жоғары температурадағы әрекет жылулық шогына әкеп соғуы мүмкін. Термоинактивациялық фермент жүреді. Клеткада плазмолиз басталады. Клеткалық шырын вакуолдан шығып, клеткалық коллапсимен аяқталады. Жапырақта некротикалық дақ пайда болады. Олар күйіктер деп аталады. Қаншалықты құрғақшылыққа төзімді және ыстыққа тұрақты болса, құрғақшылыққа бейімделген механизм және жоғары температураға белгілі мөлшерде ұқсас болып келеді [3, 8, 50].
Басқа әсерлер сияқты жоғары температурада екі типтегі қорғаныс механизмі жұмыс жасайды: жоғары температураның жағдайының бар болуына бейімделуі және қызып кетуден сақтау. Қызып кетуден сақтау, біріншіден, анатомиялық көмегімен бейімделу болып келеді. Жапырақта ксероморфты құрылым болады. Ол тік орналасып оралуы мүмкін, талшық немесе балауызбен қапталған. Жапырақтар көп қабатты паренхимамен қоршалады. Эпидермисте сол сияқты көп қабатты болады. Кейбір шөл даланың бұтақтары жапырақтарын маусымға байланысты өзгертеді. Мысалы, қыста олар жасыл, талшықтарынан айырылған, ал жазда ақ және өте әлсіз болады. Барлық осы бейімделулер интенсивті күн радиациясын бейнелейді және булану кезінде судың төмендеуімен шығынданады. Екіншісі, өсімдіктер жоғары температураның әсерінен судың булануының интенсификациясын сақтайды. Өсімдіктер судың сіңіруін активтейді, транспорт және тасымалдау, нәтижесінде жапырақ мұздайды. Өсімдіктер жоғары температураның көмегімен биохимиялық адаптацияға жетеді [50].
Жылу стрессі белгілі уақыт ішінде температураның өз деңгейінен жоғарылауы арқылы анықталады. Жалпы айтқанда, қоршаған ортаның температурасының 10-15оС-тан жоғары болуы жылулық стресс немесе жылулық шок деп аталады. Дегенмен, жылулық стресс температураның интенсивтілігінің, көтерілу жылдамдығының, ұзақталығының комплексті функциясы болып келеді. Осылай болатын климаттық аймақтардың дәрежесі, түнде немесе күндіз болатын жоғары температураның кезеңіне және ықтималдығына тәуелді болады. Бірақ, кейбір ғалымдар түндегі температура негізгі ұстап тұрушы фактор деп есептесе, басқалары түндегі және күндізгі температура өсімдікке өздігінен әсер етпейді деп есептейді [10].
Транспирленген жапырақтардың температурасы ауа температурасынанда төмен болады. Негізінен өсімдік температураны транспирация көмегімен төмендетеді және осылай өзін қызып кетуден сақтайды. Су жетіспеушілігінен болған су дефициті жоғары температураның қолайсыз жағдайларының әсерін жоғарылатады. Жоғары температура организмге зиянды әсер етіп, мембраналар мен белоктарды зақымдайды. Әр түрлі белок - ферменттер әр түрлі температурада денатурацияланады. Бірақ кейбір термолобильді ферменттердің жиі болатын денатурациясы да зат алмасу процесстерін бұзады. Нәтижесінде еріген азотты қосылыстар және басқа да улы зат алмасу өнімдері түзіліп, клетканың өлуіне алып келеді. Жоғары температура фотосинтезді және тыныс алуды тоқтатады. Жоғары температураға фотосинтез сезімтал келеді. Бұл процесстің депрессиясы 35 -- 40°С-та басталады. Сонымен қатар, жоғары температурада фитогормондардың активтілігі төмендейді. Гиббереллиндердің активтілігі бірден төмендейді. Осылай төмендеу өсу процесстерінің тоқталу себептерінің бірі болып келеді [50].
1.1.1 Жоғарғы температура әсерінен болатын морфо-анатомиялық
өзгерістер
Тропикалық климат жағдайында радиация мен жоғарғы температураның артықшылығы өсімдіктің өсуіне және соңғы өнімге әсер ететін факторларды шектейді. Жоғарғы температура өнімді жинамастан бұрын және жинағаннан кейін де зиян келтіруі мүмкін, яғни жапырақта, бұтағында, сабағында күннен болатын күйіктер, өсімдіктің қартаюы және бойының ингибирленуі, жеміс түсінің өзгеруі және зақымдануы, өнімділіктің төмендеуі [11,12,13]. Біркелкі климатты аймақтарда өнімнің төмендеуіне жылулық стресс себепті [14].
Өсімдіктерде жоғарғы температура әсерінен болатын өзгерістер, олардың физиологиялық процесстері сияқты тікелей немесе жанама дамуы мүмкін. Бұл реакциялардың бір фенологиялық кезеңі екіншісінен ерекшеленеді. Мысалы, жоғары температураның ұзақ әсерінен тұқымның дамуы мен өсуі тоқтайды немесе энергиясы азаяды. Жоғарғы температура өскіннің ұзындығын қысқартады, нәтижесінде мезгілінен бұрын өлуіне алып келеді [15].
Жылу стрессі жеке немесе құрғақшылықпен бірге өсімдіктің гүлденуіне және тұқымның толығуына кері әсер етеді. Сонымен қатар, жүгері және басқа астық дақылдарының ядросында крахмал, белок, май мөлшері азаяды жіне діннің сапасы төмендейді [16, 17]. Бидайда жылу стрессіне сезімтал келеді. Оның масағындағы дәндер мөлшері температура көтерілген сайын азаяды [18]. Жоғарғы температураның әсерінен Phaseolus vulgaris, бұршақ тұқымдастар, арахис өнімділігін тез жоғалтады. Қызанақтың репродуктивті процесстері, яғни мейоз, аналық және аталық жыныс органдары, тозаң түтікшелерінің дамуы, жұмыртқа клетканың өміршеңдігі, ұрықтану, ұрықтанған эмбриондар жоғары температура әсерінен зақымдалады [19,20,21].
Өсімдік гүлдей бастаған кезде жоғары температураның әсері өте зиянды болып келеді және жоғарғы температураға сезімталдығы 10-15 күнге дейін жалғасады. Гаметогенезде (гүлдегенге дейін 8-9 күн) және ұрықтану (гүлденгеннен кейін 1-3 күн) кезінде репродуктивті фаза жоғары температураға сезімталдығы төмен болады. Өсімдіктің жоғары температураға сезімталдығы өсімдіктің түріне және фенологиялық кезеңіне байланысты болады. Жоғары температура әсерінен зақымдалған репродуктивті процесстер ұрықтану және ұрықтанғаннан кейінгі процесстерге әсер етеді және өнімділігін төмендетеді [10].
Қоршаған ортаның жоғары температурасынан анатомиялық өзгерістер пайда болуы мүмкін және құрғақшылық жағдайына ұқсас болады, яғни клетканың мөлшері кішірейеді, саңылаулар жабылады, су тапшылығына ұшырайды, саңылаулар тығыздығы көтеріледі. Субклеткалық деңгейде хлорапластар күрделі өзгерістерге ұшырайды. Ол фотосинтез процесінің өзгеруіне алып келеді. Мысалы, жоғары температура фотосинтезді төмендетеді де, тилакоидтардың құрылымын өзгертеді. Жоғары температура анатомиялық құрылымға ұлпалық және клеткалық деңгейде ғана емес, субклеткалық деңгейде де әсер етеді. Жоғары температура әсерінен осы өзгерістердің кумулятивті эффектілері өсуді төмендетеді [22].
1.1.2 Жоғарғы температураның өсімдіктің өсуі мен дамуына әсері
Әр түрлі фенологиялық кезеңдер жоғары температураға сезімталдығы бойынша ерекшеленеді, бірақ бұл өсімдіктің түріне және генотипіне байланысты болады [8, 23]. Жылулық стрессі өсімдіктің өсу жылдамдығына әсер ететін негізгі фактор [8, 15, 24].
Өсімдік стресске шалдығатын даму сатысында өнімнің зақымдалу деңгейін анықтауға болады. Өсімдік түрлері мен сорттарының жоғары температураға тұрақтылығы өсімдіктің даму кезеңіне байланысты өзгереді, бірақ барлық вегетативті және репродуктивті сатылары жылулық стресстің деңгейіне байланысты болады. Вегетативті сатысында, мысалы, күндізгі жоғары температура жапырақтардың газ алмасу қасиетін бұзады. Кейбір дәнді дақылдар төмен диапозонды температураға төзімді келеді. Ондай температура гүлдену фазасыда жоғары болған жағдайда, ұрықтануды және тұқымның түзілуін зақымдап, өнімділігін төмендетеді [7]. Жоғары температура әсер еткенде, гүлдену кезінде жасыл жапырақтар төзімді келеді және өнімділіктің төмендеуін азайтады [25].
Сонымен қатар, жоғары температура дәннің толығуы кезінде әсер етсе, ұн мен нанның сапасын және физико-химиялық қасиетін төмендетеді, ұндағы белоктың мөлшерін өзгертеді [26,27]. Сондықтан, ауылшаруашылық дақылдарын өсіру кезінде, өсімдіктің жылу стрессіне сезімтал даму сатылары мен процесстерін білу маңызды. Осындай түсініктер өсімдіктердің жоғары температураға тұрақтылығын анықтауға мүмкіндіктер береді.
1.1.3 Жоғары температураның судың мөлшеріне әсері
Қоршаған ортаның температурасы өзгергенде өсімдіктегі судың мөлшері де өзгереді [28]. Ылғалдылық жеткілікті болғанда, өсімдік температураға тәуелсіз, ұлпадағы судың тұрақты мөлшерін ұстап тұрады. Бірақ, су шектелгенде, жоғары температура бұл тенденцияны бұзуы мүмкін [29]. Дала жағдайында, судың төмендеуі жылу стрессіне байланысты болады [30]. Мысалы, түнде температураның көтерілуі Lotus creticus өсімдігінің жапырағындағы судың потенциалын төмендетеді. Қант қамысына жылу стрессі әсер еткенде, топырақтан судың тасымалдануы және оның компоненттері өзгерген [47]. Сонымен қатар, жылу стресінің әсерінен қызанақтың жапырақтарының су қатынасы және тамырдың гидравликалық өткізгіштігі қозады [48]. Түнгі уақытқа қарағанда, күндіз өсімдікте жоғары температураның әсерінен су мөлшерінің төмендеуі жоғарылайды. Түнгі уақытқа қарағанда, күндіз өсімдікте жоғары температураның әсерінен су мөлшерінің төмендеуі жоғарылайды [30].
1.1.4 Жоғары температураның фотосинтезге әсері
Жоғары температураның әсерінен әр түрлі фотосинтездік белгілердің өзгеруі өсімдіктің термотолеранттылығының жақсы индекаторы болып келеді және олар өсудің корреляциясын көрсетеді. Фотосинтез процессіндегі кез келген шектеулер жоғары температурада өсімдіктің өсуіне кедергі келтіреді. Ламеля тилакоидтардың фотохимиялық реакциялары және хлоропласттар стромасындағы заттардың көмірқышқыл айналымы жоғары температура кезіндегі жарақаттардың негізгі сайттары ретінде ұсынылады [31]. Хлорофилл флуоресценциясы, вариабильді флуоресценцияның максимальды флуоресценцияға қатынасы (FvFm), негізгі флуоресценция (F0) жылу толеранттылығымен байланысатын физиологиялық параметрлер
[32]. Томат генотиптерінің және қант қамысының термотолеранттылық қасиеті кезінде хлорофилл а:b қатынасы жоғарылайды, ал хлорофиллкаротиноид қатынасы төмендейді [34]. Жоғары температурада хлорофилл a және b деградациясы жақсы байқалады [22].
ФЖ ІІ өте термолабильді, жоғары температурада оның активтілігі төмендейді [6, 35]. Ол ФЖ ІІ орналасқан тилакоидтар мембранасының қасиеттерімен белгіленуі мүмкін [36]. Жылу стресі оттегінің дамушы комплексінің диссоциациясын тудыруы мүмкін. Нәтижесінде ФЖ ІІ акцепторлы бөлігіндегі оттегінің дамушы комплексінен ФЖ І реакционды орталығына дейінгі электрондар ағыны арасында дисбаланс түзіледі. Жылу стресі әсерінен ФЖ ІІ реакционды орталығынан Mn атомдарының шығуын реттейтін молекулалық массасы 33 кДа болатын белоктың диссоциациясы түзіледі. Жылу стресі реакционды орталықтың басқа бөліктерінде бұзуы мүмкін, мысалы, D1 немесе D2 белоктарды. Бидайда жоғары температураның әсерінен ФЖ ІІ зақымдалған аймақтары оның функционалды активтілігі арқылы қайта қалпына келу жолдарын іздестіреді [6, 34, 37]. Арпада жылу импульсынан кейін ФЖ ІІ зақымдалады және оттегінің шығуының төмендеуінен электронды транспорт бұзылады. Арпада және бұршақ тәрізділерде жылу стрессінің әсерінен ФЖ ІІ бірден зақымдалады және оттегінің бөлінуінің бұзылуы электронды транспорттың шектелуіне алып келеді. Жоғары температура жағдайында ФЖ І стромалды ферменттері және хлоропласттары термостабилді болады. Сонымен қатар, ФЖ І циклдік электронды жолды, тилакоидтардың протонды градиентін активирлеуге қабілетті [35].
Жоғары температура өсімдіктердегі фотосинтездің С3 жолына С4 жолына қарағанда қатты әсер етеді. Ол энергияның бөлінуін және көміртек метаболизмінің ферменттеріне әсер етеді [38]. Жылу фотосинтетикалық пигменттерді, ерігіш белоктарды кемітеді. Жылу стрессі кезінде крахмал мен сахароза синтезі фосфатсинтазаға ADP-глюкоза пирофосфорилаза және инвертазаға байланысты төмендеген [39].
Кез келген өсімдіктің жапырағында жылу стрессі кезінде газ алмасуы жүреді. Вегетативті сатыда күндізгі температура фотосинтезге әсер етеді және СО2 төмендейді. Температураның жоғарылауы фотосинтезді қысқартады және СО2 клеткааралық кеңістік арқылы өтуіне кедергі жасайды. RUBISCO ферментінің активтелуінің төмендеуінен саңылаулардың өткізгіштігі жоғарылайды [15].
Температураның жоғарылауы фотосинтезді қысқартады және көмірқышқыл газының клеткааралық кеңістік арқылы тасымалдануын, сонымен қатар, сайттардың карбоксилденуін жоғарлатады. Устьицалардың өткізгіштігі және фотосинтез көптеген өсімдіктерде RUBISCO ферментінің активтелінуі арқылы қалпына келеді. Бірақ температураның көтерілуі RUBISCO ферментінің каталитикалық активтілігін жоғарылатқанымен, ферменттің көмірқышқыл газымен төмен қатынасы және оксигеназа ретіндегі табиғаты фотосинтез қабілетінің қалпына келуін төмендетеді. Мысалы, температура 38оС-тан жоғары болғанда жүгері жапырағындағы фотосинтез тоқтаған және температураны бірден көтергенде фотосинтездің тоқталуы қиын болған. Бірақ фотосинтездің тоқталуы саңылаулардың реакциясынан тәуелсіз болған.
Температура жоғарылағанда фотосинтез және тыныс алу процесстерінде зақымдаулар болады. Жалпы айтқанда, фотосинтез жылдамдығы төмендейді және қараңғыда тыныс алу, фото тыныс алу жоғарылайды. Сонымен қатар, биохимиялық реакциялардың жылдамдығы төмендейді және жоғары температурада ферменттің инактивациясы мен денатурациясы фотосинтезді тоқтатады. Жылу стрессіне қарсы осындай өзгерістер түрге және генотипке байланысты болады [36,40].
Фотосинтездегі CO2 ассимиляциясы жылу стрессі әсерінен өсіп жатқан жапырақтарда аз ғана зақымдалған, ал өсіп жетілген жапырақтарда толығымен зақымдалған. Жылу стрессі негізінен даму фазасының ұзақтығын тоқтатады, жарықты қабылдауды төмендетеді және фотосинтез, тыныс алуға кері әсер етеді. Бірақ фотосинтез физиологиялық процесс ретінде қаралады. Ол жоғары температураға сезімтал келеді.
1.1.5 Өсімдіктердегі гормональды өзгерістер
Өсімдіктер қоршаған ортаның қолайсыз жағдайларына тез бейімделеді, бірақ бейімделу немесе тұрақтылық деңгейі түрге және генотипке байланысты түрленеді. Гормондар бұл қатынаста маңызды роль атқарады. Гормоналды сигнализацияда болатын бөгеттер организмнің интеграцияға қабілеттілігін көрсетеді. Гормоналды гомеостаз, тұрақтылық, биосинтез, құрамы жылу стрессіне байланысты өзгереді [17].
Абсциз қышқылы (АБҚ) және этилен (C2H4) стресс гормондары сияқты сигналды молекула ретінде көптеген физиологиялық қасиеттердің реттелуіне қатысады. Жоғары температура абсциз қышқылының деңгейін жоғарылатады. Мысалы, Agrostis palustris-те жылу стрессі кезінде абсциз қышқылының деңгейі көтерілмеген, бірақ стресстен кейін қалпына келгеннен соң жинала бастаған [41]. Стресске қарсы абсциз қышқылының жауабы гендер экспрессиясын өзгертеді. Абсциз қышқылының жауапты реакциялары промоторлардың бірнеше потенциалды цис және транс - әсері бар реттеуші элементтерін көрсетті. Абсциз қышқылы көптеген гендердің жоғары немесе төмен реттелуінің модуляция жолы арқылы өсімдіктердің құрғақшылыққа акклиматизацияадаптациясының делдалы. Егіншілік жағдайында ыстық пен құрғақшылық сәйкес келгенде АБҚ индукциясы термотолеранттылықтың маңызды компоненті болып келеді [42].
Абсциз қышқылы өсімдіктің көптеген жоғары немесе реттелетін гендерінің модуляция жолымен құрғақшылыққа адаптациясы мен акклиматизацияның делдалы. Дала жағдайында абсциз қышқылы индукциясы термотолеранттылықтың маңызды компоненті. Ол жоғары температураның әсерінен өсімдіктердің тірі қалуы үшін биохимиялық реакцияларға қатысады. Кейбір зерттеулер көрсеткендей, кейбір ЖШБ (HSPs) индукциясы, мысалы HSP70, АБҚ индукциясының механизміне ұқсас болады [43].
Газ тәріздес гормондар, этилен өсімдіктің өсу және даму процесстерінің барлығын реттейді. Этиленнің биологиялық активтілігі толығымен болады. Этилен биосинтезіне қатысатын ферменттер мен этилен деңгейі бір күн ішінде өзгеріп тұрады. Жылу стресі әсерінен әр түрлі өсімдікте этилен түзілуі түрліше болады. Мысалы, бидайдың жапырағында 35оС, ал сояда 40оС этилен түзілуі жоғарылайды. Этилен екі түрдеде 40оС-та жиналғанымен, этиленнің алдын-ала түзілуі сояда ғана байқалған [1].
Басқа гормондардың ішінде салицил қышқылы (СҚ) өсімдіктерде жылу стресіне қарсы реакцияларға қатысады. Салицил қышқылы сигналды жолдың маңызды компоненті [44]. Салицил қышқылы жылулық шоктың транскрипция факторларының тримерлерін тұрақтандырады. Са2+ гомеостазы мен антиоксидантты жүйе қатысатын ұзақ мерзімді термотұрақтылық салицил қышқылы арқылы болады. Салицил қышқылының туындысы сульфосалицил қышқылы (ССҚ) H2O2 эффективті жою мүмкін. Сонымен қатар, каталаза қиярда (Cucumus sativus) H2O2 жойғанда негізгі роль атқарады. Жылу стресі кезінде сульфосалицил қышқылымен қатар глутатионпероксидаза, аскорбатпероксидаза және глутатионредуктаза қатысады. Олар H2O2 жоюға қатысатын негізгі ферменттер емес. Өсімдіктердің термотолеранттылығын жапырақтарына ацетилсалицил қышқылын себу арқылы жоғарылатуға болады. Сонымен қатар, салицил қышқылының туындысы метилсалицилат бірнеше функция атқарады [12, 34, 46].
Жоғары температураға тұрақтылыққа гибберелин мен цитокиндердің әсері абсциз қышқылына қарама-қарсы. Гормондардың басқа сорты брассиностероидтар томат пен рапсқа термотолеранттылық береді [2].
1.2 Өсімдіктердің термотолеранттылық механизмдері
Өсімдік жоғары температураға төзімділігін сақтау үшін әр түрлі механизмдер қолданады, олар фенологиялық және морфологиялық адаптация, акклиматизация механизмі, мембранды липидтердің өзгеруі. Көптеген өсімдік дақылдарының ерте пісіп-жетілуі жоғары температураның әсерінен өнімділігінің көп мөлшерде жоғалуына жол бермейді. Өсімдіктің дамуының әр сатысында әр түрлі типті стресстер әсер етуі мүмкін және стресске қарсы реакциялары әр түрлі ұлпада түрленеді. Стресстің бірінші сигналы, мысалы, осмотикалық және ионды эффектілер, температураның өзгеруі, мембрананың аққыштығы сигналды процесстерді және гомеостазды, қорғанышты, зақымдалған белоктарды және мембрананы қалпына келтіру үшін транскрипцияны шақырады. Сигнализацияға дұрыс жауап бермесе клеткалық гомеостаз зақымдалуы, функционалды бұзылуы, мембрана мен белоктардың құрылымының бұзылуы клетканың өліміне алып келеді. Температураның бір күндік жиілігіне термотолеранттылықтың жалпы механизмі жасалуы мүмкін [45].
Өсімдіктің стресске қарсы реакцияларының механизмдерін анықтаудың практикалық маңызы зор. Негізгі тұрақтылық механизмдері, яғни ионды транспортерлар, осмопротекторлар, бос радикалдар, сигнал каскадтарына қатысатын факторларды транскрипционды бақылау стресске қарсы маңызды эффектілер [46]. Жылу стресінің эффектілері әр түрлі деңгейде ерекшеленеді. Мысалы, плазматикалық мембрана және биохимиялық жолдар цитозольде немесе цитоплазмалық органеллада әсер етеді. Жылу стресінің бірінші әсері плазмалеммада болады, ол липидті биқабаттың аққыштығына әсер етеді. Бұл Са2+ индукциясына және цитоскелеттің реорганизациясына әсер етіп, нәтижесінде митоген митоген активтелген протеинкиназа (МАРК) және кальций тәуелді протеинкиназа (CDPK) реттеледі. Ядерлік деңгейдегі осы каскадтардың сигнализациясы антиоксиданттарды және осмолиттерді, осмотикалық реттелуді түзеді. Оттегінің активті формаларының түзілуі және антиоксиданттардың түзілуі сигнализация үшін маңызды. Антиоксидантты қорғаныс механизмі жылулық стресске бейімделуі үшін қажет [45, 46].
Температураның жоғарылауына төзімді өсімдіктер жылуға тұрақты белок - ферменттер синтезіне қабілетті. Жоғары температурада клеткаларда арнайы белоктар синтезделеді. Олар қызып кетуге толерантты болады, сондықтан оларды жылулық шок белоктары деп атайды. Оларды 1962 жылы дрозофиладан табылған. Содан кейін адамдардан, кейіннен 1980 жылы өсімдіктен және микроорганизмдерден табылған. ЖШБ клетканың температуралық стресстен тірі қалуына көмектеседі және стресс тоқтағаннан кейін физиологиялық процесстерін қалпына келтіруге көмектеседі. ЖШБ белгілі бір гендердің экспрессиясы нәтижесінде түзіледі. Сояда 25-40°С температура аралығында спецификалық мРНҚ синтезделеді, ал 3-5 минуттан кейін температура жоғарылағанда белоктар пайда болады. Осындай белоктарды түзуге қабілетті клеткалар жоғары температураға төзімді болады. Мысалы, арабидопсистің ЖШБ синтезіне қатысатын транскрипционды факторының экспрессиясының индуцирленуі ыстыққа тұрақтылығын жоғарылатқан. ЖШБ синтезін төмендеткенде тұрақтылық бірден төмендеген. ЖШБ кейбір түрлері тек жоғары температурада ғана емес басқа стресс факторларныда да, мысалы, су жетіспеушілігінде, төмен температурада, тұздың әсерінде синтезделеді [40].
Термотолеранттылық механизмі жылулық шок белоктарының индукциясында жақсы зерттелген. Әр ЖШБ әсер ету механизмі шаперондардың қызметіне ұқсас. ЖШБ қорғаныс эффектілері шаперондардың бір-біріне хабар беру арқылы қызмет жасайтын іс-әрекетіне ұқсайды. ЖШБшаперон қатынасы басқа стресс механизмдермен әрекеттеседі. ЖШБшаперон стресс кезінде сигнал жіберуде және гендер активациясында маңызды қызмет атқарады. Олар осмолиттердің түзілуімен және антиоксиданттармен байланысты [5, 9, 11]. ЖШБ төмен молекулалы және жоғары молекулалы болады. Төмен молекулалы жылулық шок белоктарына молекулалық салмағы 15-35 кДа болатын белоктар, ал жоғары молекулалы жылулық шок белоктарына молекулалық салмағы 60-110 кДа болатын белоктар жатады. Олардың функциялары әр түрлі болады. Мысалы,
БТШ-100 шаперондардың қызметтерін атқарады. Олар белоктардың денатурациялануынан пайда болған белоктардың агрегаттарын ыдыратады және полипептидтік тізбегіні құралғанда, белоктардың 3-ші ретті құрылымын құрғанда қателіктерді түзетеді. БТШ-90 цитозольда, ядрода, цитоплазмалық ретикулумда болады. Олар молекулалық шаперондарға ұқсас қызмет атқарады. Бірақ олардың нағыз шаперондардан айырмашылығы, олар белгілі белоктарға жоғары спецификалық болып келеді және олармен байланысқа түседі. БТШ-70 - АТФ-тәуелді молекулалық шаперондар. Кейбір белоктар конститутивті экспрессияланады, басқалары жылы және суық шокпен индукцияланады. БТШ-70 цитозольда, ЭР, митохондрияда, пластидаларда орналасады. БТШ-70 полипептидтік тізбектердің жиналып таралуына қатысады, белоктардың 4-ші реттік құрылымының құрылуына қатысады. БТШ-60 молекулалық шаперондар болып келеді. Олар митохондрияның матриксінде және хлоропластың стромасында орналасады. БТШ-60 өсімдіктерде қалыпты жағдайларда да болады. Олардың басты қызметі бөліктерден тұратын белоктардың молекулаларын жинау. БТШ-60-ның бір түрі ядроның генімен кодтанған хлоропластық белокты рибозо-бисфосфаткарбоксилазаны жинауға қатысады. In vitro БТШ-60 белоктарды агрегациядан сақтайды [40, 50].
Төмен молекулалық салмағы бар ЖШБ 15-ден 30 кДа дейін клеткаларда көп болады. Төмен молекулалық салмағы бар ЖШБ молекулалық салмағы 200-ден 800 кДа дейін комплекстер құрады. Олардың қызметтері толық анықталмаған. Төмен молекулалық салмағы бар ЖШБ АТФ-ті қажет етпейді [50].
Жоғары температураның әсеріне тұрақтылыққа қаныққан липидті мембрана маңызды элемент болып саналады. Бидайдың термотұрақты мутантты линиясын термоөңдегенде жабайы түрге қарағанда линолен қышқылының мөлшері жоғары болады. Гендер экспрессиясының термотолеранттылығын өзгерту маңызды болып табылады. Жылу стрессі гендер экспрессиясын, ЖШБ экспрессиясын тудырып және басқа гендердің экспрессиясын ингибирлеп тез өзгертеді. Жылу стрессі мРНҚ сплайсингін ингибирлейді [35, 40].
Мембрана өткізгіштігі
Жоғары температура
Цитоқаңқаның қайта құрылуы және Ca2+ иондарының клетка іщіне тасымалдануы
МАПК каскады
ОАФ сигналы
ОАФ генерациясы (хлоропласт және митохондрия)
Цитоплазма
Ядро
Цитоплазма
Плазмалемма
Белок денатурациясы
ЖШБ-70, ЖШБ-90
Антиоксиданттар
Электрон тасымалы
Еріген заттардың жиналуы
Осмолиттер реттелуі
Кальций тәуелді протеинкиназа
Шаперондар сигналы және активтелген транскрипция
Жылулық шок элементтері
Басқалар
ЖШБ, рибосомалық белоктар, шаперондар
Белок фолдингі және ренатурациясы
Байланысқан микротүтікшелер
Сурет 1 - Өсімдіктердің термотолеранттылық механизмдері
1.2.1 Тотығу стрессі және антиоксиданттар
Жылу стрессі кезінде ұлпалардың сусыздануынан тотығу стрессі туындайды. Мысалы, оттегінің активтелген формасының реакциясы мен генерациясы, синглетті оттегінің қосылуы, супероксид радикалы, сутегінің асқын тотығы, гидроксил радикалы жоғары температура әсерінен клеткалардың зақымдалу симптомдары болып табылады [19]. Оттегінің активті формасы мембрана липидтерінің автокаталитикалық асқын тотығуына алып келеді. Ол өз кезегінде мембрананың жартылай өткізгіштігінің функцияларын өзгертеді [30].
Супероксид радикалы хлоропласттар мен митохондрияда синтезделеді және микроденешіктерде бірнеше мөлшерде түзіледі. Оттегінің супероксид дисмутазаға (СОД) айналуынан аскорбатпероксидаза немесе каталаза арқылы жойылған H2O2 түзіледі. Бірақ оттегі және сутегінің асқын тотығы гидроксил радикалы сияқты улы емес. Гидроксил радикалы хлорофиллді, белоктарды, ДНҚ, липидтерді және басқа маңызды макромолекулаларды зақымдап, өсімдіктің метаболизміне және өсуіне, өнімділігіне кері әсер етеді. Өсімдіктер активтелген оттегі формасына қарсы ферментативті және ферментативті емес детоксикация жүйесін жасайды және осы арқылы тотығудан сақтайды. Мысалы, өсімдіктегі СОД гиперэкспрессиясы бірқатар физиологиялық процестерге әсер етеді, яғни, H2O2 жоюлуы, токсикалық тотықсыздандырғыштардың тотығуы, клетка қабықшасындағы лигниннің деградациясы және биосинтезі, ауксиннің катобализмі, жараланған жердің қорғаныш реакциялары, патогендерге және жәндіктерге қарсы тұруы және кейбір тыныс алу процестері. Аскорбатпероксидаза активациясы жылу стресінің әсерінен болатын физиологиялық жарақаттармен байланысты [1, 6, 29].
Оттегінің активтелген формасының деңгейі жоғары болғанда антиоксидантты активтіліктің төмендеуі зақымдаулардың пайда болуына алып келеді.
1.2.2 Стресс белоктары
Стресс белоктарының экспрессиясы - өсімдіктердің экологиялық стресске бейімделуінің маңызды шешімі. Көптеген стресс белоктары суда жақсы ериді. Жылулық шок белоктары жылу стресінің реакцияларына қатысады және басқа да белоктар болады.
Арнайы белоктардың жиналуы және синтезі жылу стрессі әсер еткен кезде болады және бұл белоктарды жылулық шок белоктары деп атайды. Жылулық шок белоктардың түзілуі жоғары температура әсер еткенде жоғарылайды. Шөл немесе жартылай шөлді аймақтарда өсетін өсімдіктер ЖШБ көп мөлшерде синтездейді. Кейбір ЖШБ клеткада циклдік немесе даму сатыларында көрінеді. Бұндай жағдайда ЖШБ көрінуі дамудың белгілі сатыларында, мысалы, эмбриогенез, тозаңның дамуы және жемістерінің жетілуінде шектеледі. Жоғары температура жоғары сатыдағы өсімдіктерге әсер еткенде жылулық шок белоктары дамудың әр сатысында индуцирленеді. Жылулық шок белоктары термотолеранттылыққа жауап береді. Олардың организмдегі индукциясы стресс жағдайында байқалады. ЖШБ биосинтезі организмнің әр түрлі клеткаларында тез жүреді [20, 26, 45].
Белоктың үш класы молекулалық массасына қарамастан жылулық шок белоктарының үлкен бөлігін құрайды. Олардың массасы 15-200 кДа болатын төмен белоктар. ЖШБ өсімдіктер құрамында көп және әр түрлі болады. Бұл үш класс өсімдіктің түріне байланысты ерекшеленеді. ЖШБ-90 мен ЖШБ-70 мРНҚ құрамында 10 есе жоғарылайды. Ал төмен молекулалы ЖШБ 200 есе көбеюі мүмкін. Басқа белоктардың молекулалық массасы 110 кДа полипептидтер мен убиквитин маңызды болмағанымен жылулық шок белоктары болып есептеледі. Ядрода кодталған ЖШБ төмен және жоғары температурада цитозольде жиналады. Ал хлоропласта біркелкі температурада жиналады [19, 32].
Иммунолокализациялы зерттеулер көрсеткендей, ЖШБ хлоропластарда, рибосомада, митохондрияда ассоцирленеді. Жүгері мен бидайда 42 оС температурада ұстағанда 5 митохондриальды LMW-HSPs (28, 23, 22, 20 және 19 кДа) жүгеріде көрінген, ал бидайда тек біреуі (20 кДа) ғана болған. Осыдан жүгерінің бидайға қарағанда жоғары температураға төзімділігін көруге болады. ЖШБ жоғары температура әсерін болатын басқа белоктардың денатурациясын тоқтатуы мүмкін. Төмен молекулалы ЖШБ агрегатты күйі және конформационды динамикасы өсімдіктер клеткасының термотұрақтылығы үшін маңызды. Төмен молекулалы жылулық шок белоктарының жылулық шоктың гранулаларын жинайтын қабілеті бар және олардың ыдырауы өсімдік клеткасының жоғары температурада тірі қалуына мүмкіндік береді [27, 33, 45].
Жылулық шок белоктарының жоғары температураға реакциялары әр түрлі өсімдіктерде анықталған. Мысалы, HSP68 митохондрияда орналасқан және ол картопта, жүгеріде, қызанақта, сояда, арпада табылған. Термиялық өңдеген кезде өсімдіктің жылу стрессін ұстап тұратын қабілеті бар ЖШБ деңгейі жоғарылайды. Мысалы, молекулалық массасы 45 кДа ЖШБ жылу стрессінен кейін өсімдіктің қалпына келуінде маңызды роль атқарады [7, 9].
Әр түрлі өсімдіктерде түзілген ЖШБ құрылымында ерекшеліктер болады. ЖШБ сезімтал органдарда немесе ұлпада жиналуы клетканың метаболиттік аппаратын қорғауда маңызды рөл атқарады. Термотолеранттылық жылулық шок белоктарының синтезіне және оның жиналуына байланысты. Осылардың ішінде HSP70 жақсы зерттелген. Соңғы кезеңде LMW-HSP21 екі түрлі қызметі томатта ФЖ ІІ тотыға зақымдалудан қорғайды ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz