Өсімдіктердің қоршаған ортаның стресстеріне төзімділігіне пролиннің тигізетін әсерін зерттеу
Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі
Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті
Рүстембек Меруерт Саматқызы
Өсімдіктердің қоршаған ортаның стресстеріне төзімділігіне пролиннің тигізетін әсерін зерттеу
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
5В070100 - Биотехнология
Нұр-Сұлтан 2019
Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі
Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті
Қорғауға жіберілсін
Биотехнология және микробиология
кафедра меңгерушісі
_______________Р.Т. Омаров
5В070100 - Биотехнология мамандығы бойынша
Өсімдіктердің қоршаған ортаның стресстеріне төзімділігіне пролиннің тигізетін әсерін зерттеу тақырыбына
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Орындаған: Рүстембек Меруерт Саматқызы
Ғылыми жетекшісі
б.ғ.д., профессор Аликулов Зерекбай Аликулович
Нұр-Сұлтан 2019
Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті
Факультет _______________________
Мамандығы _____________________
Кафедра _______________________
Бекітемін
Кафедра меңгерушісі
_____________________
_____________________
(күні, айы, жылы)
Дипломдық жұмысты (жобаны) орындау бойынша
ТАПСЫРМА
Студент____________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
курс, тобы, оқу формасы
1. Жұмыстың (жобаның) тақырыбы___________________________ ____
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
______________20___ж. № _____ бұйрықпен бекітілді
2. Студент бітірген жобаның тапсыру мерзімі ___________________________
3. Жобаның шығыс мәліметтері ___________________________________ ____
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
4. Түсіндірме-есептік жазбаның мазмұны (қарастырылуға тиісті сұрақтар тізімі)
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
5. Графикалық материалдың тізімі (міндетті нақты сызбаларды көрсету керек) ___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
6. Ұсынылған негізгі әдебиеттер тізімі ___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
7. Жоба бойынша кеңесшілер (оларға қатысты жоба бөлімдерін көрсетіңіз)
Бөлім
Кеңесші
Бақылау
мерзімі
қолы
8. Орындалған диплом жұмысының (жобасының) графигі
№
Жұмыстың бөлімдері
Жұмыс кезеңдерін бітіру мерзімі
Ескерту
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Тапсырманың берілу күні___________________________________ ____
Жобаның жетекшісі___________________________________ __________
Қолы, аты-жөні, лауазымы
Тапсырманы орындауға алған студент____________________________ __
Қолы, аты-жөні
МАЗМҰНЫ
Нормативтік сілтемелер
Белгілеулер мен қысқартулар
Анықтамалар
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .9
1 Негізгі бөлім ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 11
0.1 Өсімдіктерде тұздану процесі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...11
0.2 Полифункционалды қасиеттері бар метаболиттер ... ... ... ... ... ... ... ... 19
0.3 Пролиннің стресстік жағдайларда өсімдіктердегі физиологиялық
қызметі және олардың құрамын реттеу ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ...23
2 Өзіндік зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..38
2.1 Зерттеу нысаны ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .38
2.2 Зерттеу әдістері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...42
2.2.1 Бидай сорттарының тұзға төзімділігін анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... .42
2.2.2 Бидайдың вегетативті мүшелерінде пролиннің мөлшерін анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..42
2.2.3 Бидай тұқымдардың өнгіштігіне натрий тұздарының әсерін зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 43
2.2.4 Тәжірибе нәтижелерін статистикалық өңдеу тәсілі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..43
3 Өзіндік зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..44
3.1Бидай өсімдігінің тамыры мен өскінінің ұзындығына тұзды
ортаның әсерін зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 44
3.2 Бидай сорттарынының (Triticum aestivum L.) тамырында және
жерүсті мүшелерінде бос пролиннің мөлшерін анықтау генезіне натрий тұзының әсерін зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 48
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..52
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..53
Нормативтік сілтемелер
Осы дипломдық жұмыста келесі нормативтік сілтемелер пайдаланылды:
oo ҚРСТ 1.12-2000 Нормативтік мәтіндік құжаттар. Мәтіндік құжаттардың құрылымы, мазмұны, рәсімдеуінің жалпы талаптары.
oo ҚР МЖМБС 5.03.016-2006 Қазақстан Республикасының Білім беру жүйесі. Жоғарғы оқу орындарындағы Дипломдық жұмысты (жобаны) рәсімдеу eрежелері. Негізгі eрежелер.
oo METTER TOLEDO Фирмасының зертханалық таразы
oo ORION 710A Фирмасының pH-модельді құралы
oo МЕМСТ 5962-67
oo МЕМСТ 6709-72 Дистилденген су
oo МЕМСТ 10394-72 Химиялық 250, 400, 600 мл шыны стакандар
oo МЕМСТ 9876-73 Зертханалық шыны тамызғыштар
oo МЕМСТ 10515-75 Колориметриялық 10 мл шыны түтігі
oo МЕМСТ 24104-88 Зертханалық аналитикалық таразы, 1 және 2 класты дәлдікпен
oo МЕМСТ 1770-74 Зертханалық 100см3, 1000см3 өлшегіш құтылар
oo МЕМСТ 28561-90 Этил спирті
oo МЕМСТ 26889-86 Магний күкіртті қышқылы, сусыз
oo МЕМСТ 8756.21-89 Калий фосфор қышқылы (I) валентті
oo МЕМСТ 04-69-2011 Марганец күкіртті қышқылы
oo М 04-47-2007 Аммоний цитраты
oo МЕМСТ Р 51430-99 М 04-56-2009 Калий фосфор қышқылы(II) валентті
oo ТУ 9141-001-470119478-01
- МЕМ СТ 12038-84
Белгілеулер мен қысқартулар
Осы дипломдық жұмыста келесі белгілеулер мен қысқартулар пайдаланылды:
ГФ - L-глутамил-γ-фосфат;
ГҚЖА - γ- глутамин қышқылының жартылай альдегиді;
П5КҚ - Δ1-пирролин-5-карбон қышқылы;
ГК - глутаматкиназа;
ГФР - глутамилфосфатредуктаза;
П5КС - Δ1-пирролин-5-карбоксилатсинтаза;
П5КР - Δ1-пирролин-5-карбоксилатредуктаза;
ОАТ - орнитин-δ-аминотрансфераза;
ПДГ - пролиндегидрогеназа;
ПКДГ - Δ1-пирролин-5-карбоксилатдегидроген аза;
мит. - митохондрия;
хл. - хлоропласттар;
цит. - цитоплазма.
%-пайыз
г-грамм
мкг-миллиграмм
мм-милиметр
Анықтамалар
Осы дипломдық жұмыста келесі анықтамалар пайдаланылды:
Пролин - гетероциклді аминқышқылы, мұнда азот атомы екіншілік құрамда болады, сондықтан көбінесе иминоқышқыл деп атайды.
Стресс - әртүрлі типті стрессорлар әсеріне кешенді қорғаныштық реакцияны айтады.
Тұздану - топырақта су потенциалын төмендетеді, нәтижесінде өсімдікке судың түсуін қиындатады.
Гликофиттер - тұзды ортаға төзімділігі төмен, тұзсыз топырақта тіршілік ететін өсімдіктер.
Галофиттер - жоғары тұзды ортада, тұзды топырақта тіршілік ететін өсімдіктер.
Галотолеранттылық - топырақта немесе суда тұздың жоғары концентрациясына төзімді өсімдіктер.
КІРІСПЕ
Тақырыптың өзектілігі: құрғақшылық пен тұздану аридті және жартылай сортты жағдайларда өсімдіктердің өнімділігін төмендететін факторлар болып табылады. Қазақстанның ауыл шаруашылығы егіншілік аймағына жататыны белгілі, егістік жерлердің 50% - дан астамы тұздалған, ал құрғақшылық жылдары көптеген аймақтар су тапшылығын бастан кешуде.
Тұздану, жоғары немесе төмен температура, ылғалдың жетіспеушілігі, оттегінің жеткіліксіздігі, топырақтың жоғары сілтілігі немесе қышқылдығы сияқты сыртқы ортаның қолайсыз факторлары өсімдіктердің өсуі мен дамуына теріс әсер етеді. Көптеген агроклиматтық аймақтарда ауыл шаруашылығы өсімдіктерін өсіруді шектейтін елеулі факторлардың бірі топырақтың тұздануы болып табылады. Топырақтағы тұздың артық концентрациясы осмотикалық және оксидативті стресстер тудырады, ал хлор иондары уытты әсер етеді [1].
Тұздану - қоршаған ортадағы негізгі абиотикалық факторлардың бірі, тұзды ортада өсуге бейімделу өсімдіктердің тірі қалуы мен өнім беруін анықтайды. Көптеген ауыл шаруашылық дақылдар тұздың əсеріне сезімтал келеді. Тұзға төзімділіктің негізгі белгісі, ол өсімдіктің тұзды топырақта өнім беруі. Бірақ тұзды топырақтың егістік жерлерінде біркелкі таралмауы тұзға төзімді түрлерді сұрыптауда біршама қиындықтар əкеледі. Сондықтан өсімдіктердің тұзға төзімділігін бағалау əдістері бақыланатын зертханалық шарттарда жүзеге асырылады.
Өсімдіктер сыртқы стрессорлық факторлардың әсеріне гендер экспрессиясының, метаболизмінің қарқындылығының, жасушалық мембраналардың өткізгіштігінің, жасушалардағы иондардың балансы және т.б. өзгеруімен әсер етеді, атап айтқанда, жасушалардағы өсімдіктерге стрестік әсер ету кезінде транскрипциялық бақылауға қатысатын ақуыздар, жылу шок ақуыздары, осмопротектанттар синтезделе бастайды (пролиндер, бетаиндер, полиаминдер және т. б. шоғырланады), бұл жасушалық процестердің қалыпты өтуін қамтамасыз етеді.
Өсімдіктерде стресстік жағдайларда көп мөлшерде өсімдіктердің қолайсыз жай-күйінің индикаторлары болып табылатын қосылыстар пайда болады. Мұндай қосылыстардың біріне-пролин жатады. Пролиннің жиналуы стресстік әсер ету жағдайында осмостық шоктың дамуына кедергі келтіретін клетканың ең жылдам жауап реакцияларының бірі болып табылады.
Пролин жоғары өсімдіктерде ең кең таралған үйлесімді осмолит гидрофильді амин қышқылы болып табылады. Өсімдіктердің жасушаішілік концентрацияға дейін бос пролинді қарқынды жинау қабілеті әртүрлі иондардың құрамының артуынан, су тапшылығынан және температуралық факторлардан туындайтын стресстерге өсімдік жасушаларының бейімделуін арттырады.
Стресстік факторларға бейімделу механизмдерінің жылдамдығы өсімдіктердің стресстің әсеріне жауап ретінде пролиннің шоғырлану жүйесін жылдам индукциялау қабілеттілігімен анықталады [2].
Осылайша, төмен оң температураларда, сондай-ақ өсімдіктер үшін басқа да қолайсыз стресстік жағдайларда, өсімдіктер тіндерінде синтездеу белсендіріледі және пролин көп мөлшерде жинақталады. Ұлпадағы пролин деңгейі өсімдіктердің қолайсыз жағдайының өте маңызды көрсеткіші ретінде пайдаланылуы мүмкін [3].
Жұмыстың мақсаты: жұмсақ жаздық бидай сорттарының (Triticum aestivum L.,) тұзға төзімділігін және пролиннің жинақталуын зерттеу. Жұмыстың міндеті:
- Бидай өсімдігінің тамыры мен өскінінің ұзындығына тұзды ортаның әсерін зерттеу;
- Бидайдың вегетативті мүшелерінде жиналған пролиннің мөлшерін анықтау;
- Бидай сорттарынының онтогенез фазаларына натрий тұзының әсерін зерттеу.
1 Негізгі бөлім
3.1 Өсімдіктерде тұздану процесі
Стресс теориясын Ганс Селье тұжырымдады және "стресс" термині (ағылш. stress-күш салу) өсімдіктер физиологиясында медицина ғылымынан алынған. Өсімдіктердің стресс себептері, әдетте, өсімдіктің қолайсыз жағдайында, өсімдіктер "абиотикалық стресс" деп аталатын (мысалы, өте төмен немесе жоғары температура, тұздану, құрғақшылық, микроэлементтердің жетіспеушілігі және т.б.) немесе "биотикалық стресс" деп аталатын (ауру қоздырғыштарынан және өсімдіктерді зақымдайтын жәндіктерден туындайды) түрлері бар.
Әлбетте, әртүрлі стресс бар. Алайда, биологиялық жүйеге әсер ететін стресс, стресс тудыратын сыртқы факторларды атау дұрыс, олардыстрессті әсеріне жауап ретінде қалыптасатын организм жағдайы ретінде қарастыру керек. Стрессорлық әсерлерге реакциялар тек кейбір жағдайларда ғана патологиялық болып табылады, негізінде олар бейімді мәнге ие, сондықтан "жалпы бейімделу синдромы"деп аталды. Кейінірек деректерде "стресс" және "жалпы бейімделу синдромы" терминдерін біріктіріп, синонимдер ретінде қолданған [4].
Әдетте қолайсыз факторлардың әсеріне өсімдік реакциясының үш фазасы бөлінеді: бастапқы стресстік реакциялар, бейімделу және сарқылу. Бірінші кезеңде физиологиялық - биохимиялық процестерде елеулі ауытқулар байқалады, зақымдану симптомдары да, қорғаныс реакциясы да байқалады. Қорғаныс реакцияларының мәні, олар пайда болған зақымдануларды жоюға (бейтараптандыруға) бағытталуынан тұрады.
Егер әсер тым үлкен болса, организм бірінші сағат ішінде дабыл сатысында өледі. Егер бұл болмаса, реакция екінші фазаға өтеді. Екінші кезеңде организм жаңа тіршілік ету жағдайларына бейімделеді немесе зақымдану күшейтіледі. Қолайсыз жағдайлардың баяу дамуы кезінде организм оларға оңай бейімделеді. Бейімделу кезеңі аяқталғаннан кейін өсімдіктер қолайсыз жағдайларда процестердің жалпы төмен деңгейі кезінде бейімделген жағдайда қалыпты түрде вегетацияланады. Зақымдану (сарқылу, жойылу) фазасында гидролитикалық процестер күшейтіледі, энергия түзуші және синтетикалық реакциялар басылады, гомеостаз бұзылады. Ағза үшін шекті мәннен асатын стресс қатты шиеленіс кезінде организм өледі. Стресс-фактордың әрекеті тоқтаған кезде және орта жағдайларын қалыпқа келтіргенде репарация, яғни зақымдануларды қалпына келтіру немесе жою процестері қосылады [5].
Бейімделу процесі (кең мағынада бейімделу) үнемі өтеді және факторлардың табиғи ауытқулары шегінде сыртқы ортаның өзгеруіне ағзаны "күйге келтіруді" жүзеге асырады. Бұл өзгерістер спецификалық емес және ерекше сипатта болуы мүмкін. Ағзаның әртүрлі стрессорлардың немесе әртүрлі ағзалардың бір стресс-факторға әсер етуіне бір типті реакциялары спецификалық емес болып табылады. Өсімдіктердің генотипі мен факторына байланысты сапалы ерекшеленетін жауап реакциялары ерекше болып табылады. Өсімдіктер, табиғи жағдайларда онтогенез ағымында өсу мен дамуға теріс әсер ететін әртүрлі стрессорлардың әсерінен болады,бұл ауыл шаруашылығы дақылдарының өнімділігінің айтарлықтай төмендеуіне әкеледі. Дақылға пайдаланылатын әлемдік егіс алқаптарының 20% - ы және суармалы жерлердің жартысы тұзды күйзеліске ұшырағанын ескеру қажет.
Тұздардың жоғары концентрациясы өсімдіктерге улы әсер ете отырып, олардың өнімділігінің төмендеуіне әкеледі. Сондықтан тұздардың жоғары концентрациясының өсімдіктердің метаболикалық процестеріне және олардың дамытатын қорғаныш реакцияларының әсерін анықтау өсімдіктер физиологиясында ғана емес, сонымен қатар ауыл шаруашылығы өндірісінің практикасында да үлкен маңызға ие [6].
Тұздану түрлері және тұздың өсімдікке тигізетін әсері.
Тұзданудың әртүрлі түрлері бар: хлоридті (NaCl), сульфатты (Na2SO4), карбонатты (NaHCO3), сульфатты-хлоридті, хлоридносульфатты және аралас. Карбонатты-магний және хлоридті-магний тұздары да кездеседі. Ылғалды аудандарда хлоридті тұздану басым, далалар мен шөлдерде - сульфатты және карбонатты. Өсімдік организмдеріне тұздану әсері, ең алдымен, су балансының нашарлауы және тұздардың жоғары шоғырлануының уытты әсері сияқты екі негізгі себептермен анықталады.
Тұздану топырақта төмен (күрт теріс) су потенциалының пайда болуына әкеледі, бұл өсімдікке судың түсуін қиындатады. Мұның себебі-топырақтан өсімдікке судың қозғалысы су потенциалының градиенті бойынша жүріп жатыр және судың тұздануымен бұзылған өсімдікке түсуін қалпына келтіру үшін оның су потенциалын төмендету қажет [7].
Сортаңдану ылғалды, аридті және жартылай сортты жағдайларда өсімдіктердің өсуі мен өнімділігін шектейтін негізгі стрессор болып табылады. Тұздану топырақ ерітіндісінің су потенциалын төмендеуін тудырады және өсімдіктерде су тапшылығының дамуына бастамашылық етеді. Тұзды стресс тек осмотикалық әсермен ғана емес, сонымен қатар жасуша метаболизміне Na+ және Cl иондарының жоғары құрамының уытты әсерімен де жүреді. Оның ішінде, Na және Cl - артық минералды қоректену элементтерімен өзара іс-қимылы өсімдіктегі өмірлік-қажетті компоненттердің балансы төмендейді және тапшылығына әкеледі.
Тұздану әсер етудің басында өте тез тұзға төзімді және сезімтал өсімдіктердің өсуін басады. Бұл тұздану әсерінің бірінші сатысында осмостық компонент басым екенін, яғни су тапшылығына реакцияны білдіреді, содан кейін ғана өсімдіктердің өздерін иондардың уытты әсерінен қорғау қабілеттілігінде айырмашылықтар байқалады. Өсімдіктегі су тапшылығы, ең алдымен, жасушалардың өсуіне әсер етеді. Бұл жағдайда өсуді ұстап тұру су алмасуының реттелуімен де, өсімдіктердің жасушалық қабырғалары қасиеттерінің өзгеруімен де байланысты. Тұзданудан туындаған су тапшылығы кезінде өсуді қолдау механизміне арнайы назар аударылды [8].
Өсімдікке тұзданудың теріс әсерлерінің арасында топырақтағы натрий концентрациясы басқа катиондардың, оның ішінде калий мен кальций сияқты тіршілік етуге қажетті өсімдіктердің жиналуына кедергі келтіретіні анықталды. Осмостикалық стресс болдырмау үшін осморегуляция маңызды. Бұл үшін өсімдік екі жолды пайдаланады: иондардың жиналуы және әсіресе, сахароза, сахароспирт (сорбит және т.б.), пролин, глицинбетаин сияқты еритін органикалық заттардың түзілуі. Өсімдіктердің тұздануына төзімділіктің көп себептерінің бірі органикалық қышқылдардың жиналуы болып табылады. Тұздардың уытты әсерінің екінші жағы метаболизм процестерінің бұзылуы (азот алмасуының бұзылуы), аммиактыңжиналуы және басқа да уытты өнімдер болып табылады. Тұзданудың әсері күкірт қосылыстарының алмасуындағы өзгерістермен тығыз байланысты. Өсімдіктің хлоридті тұздануы кезінде күкірт қосылыстарының күрт тапшылығын бастан кешкен. Күкіртті ашығу типтік белгілері бар [9, 10].
Тұздардың, әсіресе хлорлы тұздардың жоғары концентрациясы тотығу және фосфорлану процестерін ажырату ретінде әрекет ете алады және өсімдіктердің макроэргиялық фосфор қосылыстарымен жабдықталуын бұзуы мүмкін.
Өсімдік ұлпаларында тұздану жағдайында жоғары концентрацияларда азот алмасуының уытты аралық өнімдері: диаминдер, путресцин және кадаверин жиналады. Тұздану жағдайында өсімдіктердің тежелу себебі аммиакты улану болуы мүмкін. Бос аммиак құрамының едәуір артуы аминқышқылдарының синтезін тежеудің және құрамында азот бар қосылыстар протеолизінің күшеюінің салдары болып табылады.
Тұзды стресс кезінде ақуыз синтезі бәсеңдейді және қалыптасқан ақуыз кешендерінің ыдырауы күшейді. Ақуыз синтезін тежеу аминқышқылдарының ақуызға қосылу жылдамдығының төмендеуінен, сондай-ақ зарядталған аминқышқылдарының аминотоптары тұздарының иондарымен блокталуын және энергетикалық потенциалдың төмендеуінен пептидті байланыстардың синтезін тежеуде байқалады. Na+ және (немесе) Сl жоғары концентрациясы-фотосинтезді тежейді. Бұл фосфорлану және карбоксилдеу процестері тұздарының жоғары концентрациясына сезімталдыққа байланысты [11].
Ақуыз синтезінің басылуы және фотосинтездің тежелуі тұзды стресс кезінде өсімдіктердің өсу жылдамдығының елеулі төмендеуінің маңызды себептері болып табылады. Тұздардың жоғары концентрациясы ақуыз синтезін тежеп, олардың синтезі ферменттерінің бірқатар жұмысын белсендіре отырып, тұздардың әсері кезінде осморегуляцияға қатысатын заттар синтезінің ферменттерін кодтайтын көптеген гендердің жұмысы белсендіріледі. Осылайша, пролин синтезінің ферменті, бетаин синтезіне қатысатын фермент альдегиддегидрогеназадан пролинсинтаза активацияланады. Басқа ферменттер (мысалы, глицеринальдегидфосфатдегидрогеназа ) еритін қанттар құрамының ұлғаюына алып келеді, бұл өсімдік жасушаларындағы осмотикалық белсенді заттардың концентрациясына әсер етеді.
Тұздардың жоғары концентрациясының теріс әсері өсімдіктердің тамыр жүйесіне бұрын әсер етеді. Бұл ретте тамырларда тұз ерітіндісімен тікелей жанасатын сыртқы жасушалар зардап шегеді. Сабақтарда тұздардың ерітіндісі жер үсті органдарына көтерілетін өткізгіш жүйе жасушасы тұздарының әсеріне аса бейім. Тұздардың жоғары концентрациясының уытты әсері мембраналық құрылымдардың, атап айтқанда плазмалық мембрананың зақымдануымен байланысты.
Соның салдарынан оның өткізгіштігі артады,заттардың іріктеп жинақталу қабілеті жойылады. Бұл жағдайда тұздар транспирациялық су тоғымен бірге жасушаларға пассивті түседі.
Гликофиттерде топырақта тұздардың жоғары болуы кезінде клеткалық деңгейде де, тұтас өсімдік деңгейінде де су және иондық гомеостаз бұзылады. Өз кезегінде бұл цитоплазма биополимерлерінің зақымдалуынан көрінетін түрлі улы әсерлерге әкеледі. Жалпы топырақ сортаңдануы өсуді тежейді және жасушалық деңгейде пайда болатын сортаңдану әсерлерін өсімдіктердің жойып жіберуі мүмкін [12].
Өсімдіктің тұздану жағдайында топырақ ерітіндісінің жоғары осмостық қысымы салдарынан суды жоғалтатыны көрсетілген. Тұздану кезінде жасушалардың дегидратациясы топырақ ерітіндісінің су потенциалы төмендеуі нәтижесінде болады. Қазіргі уақытта тұздардың осмотикалық және уытты әсері жасушалық деңгейде басты зақымдаушы факторлар болып танылды. Иондардың уытты әсерінің табиғаты, әсіресе алғашқы молекулалық зақымданулар белсенді зерттеледі. Жоғары концентрациялардағы иондар жасушалық мембраналарды дезинтеграциялауы, ферменттердің белсенділігін басуы және жасушалық бөлу, көміртегі ассимиляциясы, минералды қоректену элементтерін сіңіру сияқты тіршілікке маңызды функциялардың бұзылуына әкеп соғатыны белгілі, тұздардың әсерінен жасушалардың ультрақұрылымының бұзылуы, атап айтқанда хлоропласт құрылымындағы өзгерістер болады. Бұл хлоридті тұздану кезінде көрінеді.
0,4М жоғары концентрациялардағы тұздану (NaCl) ақуыз молекулаларының құрылымын қолдайтын күштердің гидрофобты-электростатикалық балансының бұзылуы салдарынан көптеген ферменттерді тежейді. Алайда, әлдеқайда төмен концентрацияларда улы әсерлер өсімдіктерде пайда болады [13].
Макромолекулаларды зақымдайтын факторлар оттегінің белсенді түрлері (ОБТ) -- синглетті оттегі, супероксидті радикал, гидроксил-радикал, сутегі пероксиді және басқа да бірқатар нысандар болып табылады. Топырақтық тұздану және құрғақшылық кезінде өсімдіктер жасушаларында олардың шоғырлануы өседі.
Бұл жағдайда байқалатын уытты әсерлер қайталама процестер -- биополимерлердің стресс кезінде жинақталатын ОБТ өзара әрекеттесуі нәтижесінде пайда болады.
Тұздардың жоғары концентрациясы өсімдіктердің өсуін тежейді. Ингибитация өсімдіктердегі цитокинининнің өсуін ынталандыратын гормон құрамының азаюымен және абсциз қышқылының (АБҚ) өсуін тежейтін құрамының ұлғаюымен байланысты. Өсімдіктердің гормондық статусындағы өзгерістер тұрақтылық механизмдерін ынталандырады, себебі баяу өсу өсімдіктердің стресс кезінде өмір сүруіне мүмкіндік береді, өйткені қорғау бағдарламасын іске асыру үшін қажетті көптеген ресурстарды (құрылымдық блоктар мен энергияны) босатады.
Өсуді тежеудің басты механизмдерінің бірі- жапырақ саңылауында өткізгіштікті төмендету. Тұздану және су тапшылығы кезінде топырақ ерітіндісінің су потенциалы төмен клеткалармен, атап айтқанда, саңлауларды тұйықтайтын клеткалармен судың жоғалуына алып келеді, бұл сағалық саңылаулардың апертурасын азайтады және демек, судың транспирациялық тогының жылдамдығын төмендетеді. Бұл жағдайда тұздың тікелей әсерімен қатар АБК индукциялайтын процестер қатысады [14].
Түрлердің басым санының өсімдіктері тұздануға айқын төзімділігі жоқ тұзданбаған топырақтарда қалыптасады және өседі-гликофит (грек. glycos-тәтті, phyton-өсімдік). Гликофиттерге ауыл шаруашылығы дақылдарының басым көпшілігі жатады; олар үшін топырақтағы тұздың құрамы 0,5% - ға тең уытты. Тұздалған топырақта эволюциялық қалыптасқан және топырақ ерітіндісінде тұздардың жоғары концентрациясына бейімделген өсімдіктер түрлерінің басқа тобын галофит деп атайды (грекше. galos-тұз, phyton-өсімдік) немесе тұзға төзімді.
Галотолеранттылық - бұл өсімдіктердің топырақта немесе суда тұздардың жоғары концентрациясына тұрақтылығы. Гликофиттер тек әлсіз тұздануға төзімді. Олардың кейбіреулері мақта, сұлы, қара бидай және бидай сияқты-орташа. Топырақтағы тұздардың құрамы егістіктің өнімділігі төмендейді. Өсімдік өсімдіктерінің тұздануы кезінде өсуі тежеледі, әдетте тұздар жер үсті ағзаларына қарағанда, тұздалған топырақпен үнемі байланыста болуы мүмкін. Тұздар созылу аймағының жасушалары мен түбір түстер аймағының жасушалары - минералды элементтерді сіңіру мен су түсуінің басты аймақтары зақымданады. Бұл аймақтардың зақымдануы транспирация қарқындылығының төмендеуіне қарамастан, тіндердегі су тапшылығын арттырады. Тамыр шаштары аймағындағы жасушалардың зақымдануы минералды қоректену элементтерінің, ең алдымен азот, фосфор және калийдің нашар жұтылу себебі болып табылады [15].
Тұздану натрий, калий және магний сіңуі арасындағы арақатынастың бұзылуына әкеледі: натрийдің қарқынды сіңуі калий мен магний сіңуін азайтады.
Тамырдың клеткаларында су мембраналарының өткізгіштігі төмендейді,бұл өсімдіктің тұздалған топырақтың су режиміне бейімделуінің бірі болып табылады. Тұздану тыныс алудың қысқа мерзімді қарқындылығын арттыруы мүмкін, ұзақ уақыт оның қарқындылығын төмендетуге әкеледі. Тұздану кезінде тыныс алудың ұштасуы және АТФ синтезі бұзылады. Галофиттер қатты тұздалған топырақтарда және сортаң топырақтарда толық өмір циклін жүзеге асыруға қабілетті.
Типтік галофиттерге (Chenopodiaceae), (солерос европалық (Salicomia europaea), кохия (Kochia prostrata), петросимония (Petrosimonia triandrd) және т. б.)өсімдіктер тұқымдасы жатады. Топырақтағы тұздардың жоғары мөлшері олардың өсуін бәсеңдетпейді, бірақ тіпті ынталандырады.
Табиғатта галофит пен гликофит арасындағы айқын шекара жоқ. Мысалы, мақта тұзданбаған жағдайда дамиды, бірақ оған өте табысты бейімделуі мүмкін. Мұндай өсімдіктер факультативті галофиттер деп аталады.
Галофиттердің тұздардың артық концентрациясына бейімделуінің үш негізгі механизмі белгілі:
1) тұздардың көп мөлшерін сіңіру және оларды вакуольдерде шоғырландыру, бұл жасушалық шырынның су потенциалының төмендеуіне және судың түсуіне әкеледі;
2) арнайы жасушалардың көмегімен өсімдік сіңіретін тұздарды бөліп алу және түскен жапырақтары бар тұздардың артығын алып тастау;
3) тамырдың жасушаларымен тұздардың сіңірілуін шектеу.
Тұздануға төзімділікті сипаттайтын белгілер бойынша галофиттердің үш тобы бөлінеді.
Эугалофиттер (шынайы галофиттер). Бұл топтың өсімдіктері көптеген тұздарда жиналады. Тұздарды шоғырландыру вакуольдерде жүреді. Бұл түрдегі галофиттер тұздалған топырақтарда (солерос, свеа) өседі. Зерттеулер тұздардың қалыпты құрамы кезінде хлорлы натрийдің қосылуы олардың өсуіне жағымды әсер ететінін көрсетті. Бұл топтағы өсімдіктер жасушалары тұздардың жоғары концентрациясымен (су потенциалы төмен) сипатталады, соның арқасында олар тұздалған топырақтан су ала алады. Бір мезгілде бұл өсімдіктердің цитоплазмасы үлкен гидрофильділікке, ақуыздың жоғары мөлшеріне, тұздардың жиналуына жоғары төзімді [16].
Криптогалофиттер (тұз бөлетін). Тұздар тамырларға сіңеді, бірақ жасушалық шырынға жинақталмайды. Сіңірілген тұздар барлық жер үсті органдарында бар арнайы секретирлеуші жасушалар арқылы бөлінеді, осының арқасында осы өсімдіктердің жапырақтары әдетте тұздардың тұтас қабатымен жабылған.
Бұл өсімдіктер фотосинтездің едәуір қарқындылығымен сипатталады,бұл оларда жасушалық шырынның жоғары концентрациясын жасайды. Бұл ерекшелік оларға тұзды топырақтан суды сіңіруге мүмкіндік береді. Олардың цитоплазмасы тұрақсыз және тұздармен оңай зақымданады. Мұндай өсімдіктерге орташа тұздалған топырақта өсетін тамариск, кермек, лох және т.б. өсімдіктер жатады.
Гликогалофиттер (тұз өткізбейтін). Жасушалардың плазмалық мембранасы тұздарды мүлдем өткізбейді, сондықтан олар өсімдікке түспейді.
Осы топтағы өсімдіктер жасушаларының жоғары осмотикалық концентрациясы фотосинтездің үлкен қарқындылығы және еритін көмірсулардың жинақталуы есебінен құрылады.
Галофиттердің барлық бейімделген ерекшеліктері олардың тұқым қуалайтын негізде салынған. Өсімдіктердің тұзға төзімділігін шыңдауарқылы жүзеге асырады. Бұл үшін әртүрлі өсімдіктердің ісіп қалған тұқымдары хлорлы натрийдің 3% ерітіндісінде бір сағат бойы ұстайды. Мұндай тұқымдардан өскен өсімдіктер метаболизмнің төмен қарқындылығымен сипатталады, бірақ тұздануға неғұрлым төзімді болып табылады. Фитомелиоранттарды пайдалану агротехникалық әдістерден перспективалы болып саналады. Бірақ қазіргі уақытта мәдени өсімдіктердің тұзға төзімді сорттарын шығару үшін классикалық генетика және жасушалық селекция әдістерімен қатар, өсімдіктердің тұзға төзімділігіне жауап беретін бөтен гендерді генге көшіру жолымен артық тұздануға төзімділігін арттыруға мүмкіндік беретін гендік инженерия әдістері дамуда [17].
Тұздану өсімдіктерге кешенді әсер етеді. Ең алдымен, ол су статусына және өсімдіктердің иондық гомеостазына теріс әсерден құралады. Топырақтағы тұздың артық болуы осмотикалық стресс тудыра отырып, өсімдікке судың түсуін қиындатады, иондардың құрамы бойынша тепе-теңсіз түсуі жасушалардағы ион гомеостаздың бұзылуына әкеледі, бұл әсіресе топырақта Na+ иондарының жоғары концентрациясы кезінде қатты көрінеді.
Тұзданудың уытты әсері жасушалар мен тұтас өсімдіктер деңгейінде метаболизмнің және көлік процестерінің бұзылуымен байланысты. Тұздану кезінде су және ион гомеостазының бұзылуына қосымша құрылымдық және ферментативті белоктардың конформациясы мен денатурациясының бұзылуына алып келетін тотықтырғыш стресс дамиды. Нәтижесінде, тұздануды қоса алғанда, әртүрлі абиотикалық әсерлер үйлесімді осмолиттердің жиналуы, стресті белоктар мен антиоксиданттардың синтезі сияқты ұқсас сигналдық жолдар мен клеткалық жауаптарды белсендіреді.
Осылайша тұздануға тұрақтылық өсімдіктердің бірден үш тәуелсіз стресстік әсерге: осмотикалық, уытты және тотығу стресстеріне бейімделу қажеттілігін негіздейді [18].
Тұздану кезіндегі осмотикалық стресс топырақта немесе қоректік ортада тұздардың жоғары концентрациясы тамыр қоректенетін аймақта төмен су әлеуетінің пайда болуына әкеледі, бұл судың өсімдікке түсуін қиындатады. Осмотикалық әсер судың төмен сіңуі мен жасушалар мен тіндердегі су тұз алмасудың қолайсыз өзгерістерінде, негізінен өсімдіктердің жер үсті бөліктерінде байқалады, бұл бұрын айтылғандай, өсуді тежеуде көрінеді. Тұздардың осмостикалық әсерінің нәтижесі болып табылатын тіндердегі су тапшылығы органикалық қосылыстар синтезінде азотты пайдалануды тежейді, қанттың тотығуын баяулатады, ақуыздардың азып кетуін тудырады, бұл ақыр соңында өсімдіктердегі физиологиялық-биохимиялық үдерістер теріс әсер етеді.
Анықтау бойынша, осмотикалық қысым-бұл жартылай өткізгіш мембранамен бөлінген сұйылтылған, ерітінділерден тұратын жүйедегі тепе-теңдік кезінде бар қысымның айырмашылығын айтады [19].
Жасушалық шырынның осмотикалық қысымы-мәні бойынша тең, бірақ осмотикалық потенциал белгісі бойынша кері мәнге тең. Көптеген өсімдіктер тұзды стресстің пайда болуы кезінде осмотикалық потенциалы реттеуге жәнеосылайша тургордың төмендеуін болдырмауға қабілетті. Бұл құбылыс осмостық реттеу деп аталады. Өсімдіктердің жалпы түрлерінде осмотикалық қысымды реттеуге қабілетсіз, оның нәтижесі сағалардың жабылуы және фотосинтетикалық белсенділіктің төмендеуі болып табылатын тургалық қысымды да қолдай алмайды. Осмотикалық реттеу, тұздық әсерге реакция ретінде Brassica туысының көптеген түрлерінде жасушалық және ағзалық деңгейлерде байқалды, бірақ оның қарқындылығы түрдің тұзға төзімділік дәрежесіне байланысты өзгерді.
Осмотикалық фаза тамыр жанындағы ортадағы тұздың концентрациясы деңгейге дейін артады. Көптеген өсімдіктер үшін мұндай шекті деңгей 40 мМ NaCl концентрациясы болып табылады, тұзға төзімді өсімдіктер үшін ол жоғары. Тұздану кезінде су және осмотикалық потенциалдар қатты төмендейді, ал тургалық қысым мен ксилеманың қысымы артады.
Тұздар өзінің теріс әсері бойынша арнайы токсиндерге сәйкес келеді. Токсиндердің өсімдік және жануар ағзасына әсері олардың концентрациясы бар. Белгілі болғандай, аздаған концентрациялар ағзаның тіршілік әрекетін арттырады, ал жоғары концентрациялар тежейді немесе тіпті оның жойылуын тудырады [20].
Тұздану негізінен топырақтағы бейорганикалық иондардың жоғары болуымен байланысты. Ең улы әсері иондар Na+ және СІ- олардың әсері алмасу процестері, әсіресе азот алмасуы бұзылады. Өсімдіктерде тұздардың әсерінен азот алмасуы бұзылады, бұл ақуыздардың қарқынды ыдырауына әкеледі, соңғысы аммиактың және басқа да уытты өнімдердің жиналуына әкеледі. Тұздану жағдайында кадаверин және путресцин сияқты уытты қосылыстар түзеді. Сульфатты тұздану аясында құрамында күкірті бар аминқышқылдарының (сульфоксидтер мен сульфондар) тотығу өнімдері жинақталады, олар өсімдіктер үшін улы болып табылады. Тұздардың жоғары концентрациясы ақуыз синтезін тікелей немесе жанама түрде басады, құрылымын бұзады және азот бастапқы ассимиляциясының ферменттерінің белсенділігін тежейді.
3.2 Полифункционалды қасиеттері бар метаболиттер
Өсімдіктер үшін стресс-қоршаған орта жағдайларының күрт өзгеруі болып табылады. Өсімдіктердің абиотикалық күйзеліске төзімділігін арттыру ауыл шаруашылығы биотехнологиясының өзекті міндеттерінің бірі. Құрғақшылық, топырақтың тұздануы, төмен температура, радиацияның жоғары деңгейі, топырақтың ауыр металдардың тұздарымен ластануы, шамадан тыс қарқынды жарықтандыру және жоғары температура өсімдіктерде осмотикалық стрессін тудырады. Осмотикалық стресске жауап ретінде өсімдіктер осмопротектанттар немесе үйлесімді осмолиттер атауын алған, олар төмен молекулярлы органикалық метаболиттерді жинақтайды. Мұндай қосылыстар қатарына өсімдіктер мен жануарларда, сондай-ақ микроорганизмдерде кездесетін кейбір амин қышқылдары, сахароспирттер, бетаиндер жатады. Олардың жиналуы жасушалар үшін улы емес, себебі бұл молекулалар ақуыз молекулаларының құрылымын бұзбайды және бұл цитоплазманың осмотикалық потенциалын қауіпсіз режимде модульдеуге мүмкіндік береді. Осмолиттер метаболикалық жолдардың түпкі өнімдері де, олардың интермедиаттары да болуы мүмкін.
Өсімдіктердің стресске төзімділігін арттыру тәсілдері ұзақ уақыт бойы физиология тұрғысынан зерттелді. Қазіргі уақытта жинақталған физиологиялық деректер қазіргі заманғы гендік инженерия әдістерінің көмегімен жеке метаболиттердің деңгейін арттыру бойынша міндеттерде табысты пайдаланылады. Стреске төзімділік белгілерінің көпшілігі гендердің көптігімен (гендік желілермен - өзара әрекеттесетін гендердің күрделі иерархиялық ұйымдастырылған жүйелерімен) бақыланатыны және стреске төзімділікті дәстүрлі селекция әдістерімен арттырудың тиімділігі шектеулі екені белгілі. Өсімдіктердің кейбір түрлері осмопротектанттардың өте төмен деңгейлері бар немесе мүлдем жоқ болғандықтан, трансгенез арқылы олардың биосинтез жолдарының модификациясы стреске төзімділікті арттырудың мүмкін жолдарының бірі болып табылады. Гендік инженерияның қазіргі заманғы әдістері мен қол жетімді гендер пулы өсімдіктердің өз гендерін ғана емес, сонымен қатар өсімдіктерде мақсатты метаболит деңгейін арттыру үшін басқа организмдердің гендерін пайдалануға мүмкіндік береді, бұл биотехнологияда бар мүмкіндіктерді сапалы арттырады.
Қазіргі уақытта үйлесімді осмолиттер бойынша жинақталған деректер олардың кейбірінің полифункционалды қасиеттерге ие екендігін, басқалары тек стресстің белгілі бір түріне ғана әсер ететінін дәлелдейді. Осы шолуда полифункционалды қасиеттері бар өсімдіктердің ең көп таралған метаболиттерін зерттеу нәтижелері келтірілген: пролин, глицинбетаин, маннитол, полиаминдер, сондай-ақ осмотикалық қысымды бақылау үшін маңызды метаболиттер жатады.
Пролин-аминқышқыл, ақуыздардың құрылымдық компоненті ретінде және бос аминқышқыл ретінде маңызды рөл атқарады. Оның жиналуы әртүрлі стресстерге ұшыраған қарапайым, бактериялар мен өсімдіктердің жасушаларында байқалды. Өсімдіктерде пролиннің жиналуы жоғары және төмен температуралардың әсерінен, NaCl және ауыр металдардың жоғары концентрацияларынан, оксидативті стресстен және ультракүлгін сәулеленудің әсерінен кейін жүреді. Стресстік жағдайларда пролиннің жиналу деңгейі әртүрлі түрлерде әртүрлі және бастапқы деңгейден 100 есе артық болуы мүмкін. Осмотикалық стресс кезінде пролиннің жиналуы-бұл синтездің күшеюінің, оның тозуының жылдамдығының және жасушаның компартменттері мен өсімдік бөліктерінің арасындағы белсенді тасымалдануының төмендеуінің аралас нәтижесі. Жоғары сатылы өсімдіктердің пролин екі жолмен синтезделеді: біріншіжағдайда пролиннің алыну көзі глутамат, екіншісінде - орнитин болып табылады [21]. Пролиннің синтезі жасушалардың қарқынды бөлінуімен, мысалы, өскіннің апикальды меристемасы және флоральды меристемалар және өсіп келе жатқан ұрықтар сияқты ұлпаларында жүреді. Қалыпты жағдайда бұл амин қышқылының деңгейі өсімдіктің генеративті органдарында вегетативті көрсеткіштермен салыстырғанда әрқашан жоғары [22].
Стресс жағдайында негізінен пролин биосинтезінің глутаматты жолы жұмыс атқарады деп саналады. Пролиннің биосинтезі цитоплазмада және стресс кезінде жасушаның хлоропластында, ал оның деградациясы митохондрияда болуы мүмкін. Гендік инженерия әдістерімен өсімдіктерде пролин деңгейін арттырудың негізгі стратегиясы-модельдік өсімдіктер-темекі және арабидопсис геномасында пролин синтезінің бірінші ферментін кодтайтын пирролин - 5-карбоксилатсинтаза (P5CS) генінің тасымалдануы болып табылады. Стресс жағдайында P5CS генінің экспрессиясы жоғарылаған және бұл арттыру пролиннің жиналуымен корреляциаланған [5, 6].
Алғашқы мұндай эксперименттер темекі геніне көшірілген P5CS вигна генімен жүргізілді. Алынған трансгендік өсімдіктер пролинді 10-18 есе көп синтездеген және тұз стрессіне төзімді болды [7]. P5CS генінің экспрессиясын тежеуге арналған конструкциялары бар өсімдіктер экспериментте эпидермальді және паренхимиялық жасушалардың дамуында ауытқулар көрсетті, сондықтан клетка қабырғасын қалыптастыруда пролиннің ақуызға бай екендігін көрсетеді [8]. Арабидопсистің P5CS гені бар мутанттары тұздылыққа толеранттылығы төмен болуымен сипатталды. Бұл эксперименттер бос радикалдарды байланыстыру мен инактивациялаудағы пролиннің рөлін растады. Глутатион-аскорбаттық цикл ферменттері P5CS мутанттарында тұзды стресс кезінде айтарлықтай төмен белсенділікке ие болды [9].
Трансген P5CS өсімдіктердің стресске төзімділігін әрдайым ұлғайтпағанын атап өткен жөн: мысалы, темекі өсімдіктерінің геніне соя генінің P5CS енгізу оның осмотолеранттылығын жоғарылатпады [10], алайда соя өсімдіктерінің геніне көшірілген арабидопсис гені құрғақшылыққа төзімділігін арттырды [11].
Пролин деградациясының негізгі ферменті пролиндегидрогеназа (PDH) ферменті болып табылады. Стресстік жағдайда PDH генінің экспрессия деңгейі төмендеді және оның өсуі стресс аяқталғаннан кейін ғана қалпына келтіру кезеңінде байқалды [23]. PDH генінің экспрессиясын тежейтін біртізбекті құрылымдарды енгізу өсімдіктердің дамуына әсер еткен жоқ, алайда өсімдіктердің тұз стрессіне, құрғақшылыққа төзімділігін арттырды [24]. Жалпы, қазіргі гендік-инженерлік тәсілдер өсімдіктердің стресске төзімділігін қалыптастыруда пролиннің рөлін анықтауға мүмкіндік береді, сондай-ақ осы белгіні бақылауда метаболикалық тізбектің әртүрлі ферменттерінің функцияларын анықтады.
Полиаминдер вирустардан жануарларға дейін барлық тірі ағзалардың компоненттері болып табылады. Олар белсенді бөлінетін жасушаларда үлкен концентрацияларда жиналады және жасушадағы барлық тіршілікке маңызды процестерге қатысады. Полиаминдердің жиналуы есебінен стреске төзімділікті арттыру негізіне кіретін молекулалық механизмдер әлі белгісіз. Arabidopsis thaliana-да қуаңшылыққа және зақымдауға жауапта путресциннің рөлі көрсетілген. ADC2 (аргинин-декарбоксилаза)-өсімдіктер де путресцин синтезінің негізгі ферменті. Бұл ферменттің белсенділігі мен путресциннің деңгейі калий аштық пен осмостық стреске жауап ретінде 20-30 есе өсті. Арабидопсисжапырақтарынпаракватпенө ңдеу барысында (тотығу стресініңиндукторы) путресциннің деңгейін арттырады, бірақ спермин және спермидин деңгейлеріне қатыспайды [18]. Сперминнің стресстік жауаптағы рөлі бақылауымен ион каналдарын және рецепторларды байланыстырады. Апопластта сперминнің жиналуы өсімдіктердің патогендермен жұқтыруына жауап берудің сигналдық жолдарымен байланысты [19]. Жалпы, полиаминдердің метаболизм гендерінің стресстік жауаптағы қатысуын зерттеу үшін өсімдіктерде одан әрі зерттеулер жүргізу талап етіледі.
Маннитол әртүрлі таксономиялық текті организмдерде (бактериялар, балдырлар, саңырауқұлақтар, жануарлар және жоғары сатылы өсімдіктер) кездеседі. Бұл метаболит 100-ден астам өсімдік түрінде болады. Алайда, кейбір түрлерде бұл қосылыс синтезделмейді. Мысалы темекі өсімдіктері. Эксперименттерде маннитол синтезін жүзеге асыратын mtlD бактериялық гені Nicotiana tabacum өсімдік геномына ауыстырылды. Трансформант-өсімдіктер маннитолдың жоғары концентрациясын жинақтап, тұз стрессіне жоғары төзімділікпен сипатталды. NaCl құрамы ұлғайған ортада 30 күннен кейін жаңа тамырлар мен жапырақтардың қалыптасуы трансгендік өсімдіктердің 75%-да байқалды, ал бақылауда-тек 33% жағдайда ғана байқалады [20].
Маннитолдың бос радикалдардың инактиваторы ретінде рөлі in vitro эксперименттерінде көрсетілген. Маннитол-1-фосфатдегидрогеназа ферментін бақылайтын mltD бактериялық генітемекінің хлоропластына ауыстырылды.Хлоропласттарда маннитолды жинақтау барысында оларды метилвиологеномменөңдегеннен кейін де жапырақта хлорофилдің мөлшері төмендемеді, бұл фотосинтездің стреске басым тұрақтылығын көосетеді. Маннитолмен жасушаларды бос радикалдармен зақымданудан қорғауды қамтамасыз ететін механизмітолық зерттелмеген [21, 25].
MltD генімен өзгертілген бидай өсімдіктері (Triticum aestivum) жоғары стресстік жағдайымен сипатталды. Стреске төзімділікті бағалау үшін ортаға полиэтиленгликоль немесе 100 мМ NaCl қосу арқылы каллусты дақылдарда жүргізілді. Каллус массасының салмағы полиэтиленгликольдің қатысуымен 40% - ға және тұзды стресстің шамасы 37% - ға төмендеді. Трансгендік каллусты дақылдарда каллус салмағының төмендеуі байқалған жоқ. Каллустағы маннитолдың мөлшері және ересектер өсімдіктер жапырақтарында тым жеткіліксіз және таза салмағы 0,6-2,0 мкмг мөлшерді құрады [23]. Бақылауда маннитолдың стресске төзімділігін MTD (маннитолдегидрогеназа) гені промоторының транскрипциялық белсенділігін талдау арқылы зерттелді. Арабидопсистрансгенді өсімдігінде балдыркөктің mtd ген промоторы қан тамырларының тіндерде экспрессияланды, бұл mtd өсімдік гені мен қанттардың метаболизмі (тасымалдануы) өзара байланыстың бар екендігін болжауға мүмкіндік береді [26].
Осмотикалық потенциалды бақылайтын маңызды өсімдіктер метаболиттері
Цитруллин-аминқышқыл, оның аты латын citrullus, қарбыздың туыстық атауынан шыққан. L-цитруллин қарбыз мен қауын шырынында, сондай-ақ бұршақ өсімдіктерінің түйнектерінде бос күйінде болады. Цитруллин табиғи ақуыздардың құрамына кірмейді және аргинин биосинтезінің аралық өнімі болып табылады.
Калахари шөлінде өсетін жабайы қарбыз жапырақтарында цитрулиннің жиналуы өсімдіктердің осы түрінің жоғары жарықтандырылуы мен құрғақшылыққа жоғары төзімділігі үшін маңызды. Жапырақтарға қатты жарықтың және жоғары температураның (60°С дейін) комбинациясынан туындаған тотығу күйзеліске бейімделуге мүмкіндік беретін механизм бар деп болжануда. Цитруллиннің құрамы жарық беру кезінде 30 мМ-ге дейін өсті. Мұндай стресстік жағдайларға жауап ретінде аргинин құрамының артуы байқалады. Цитруллин аргинин синтезінің аралық өнімі болып табылады, бірақ аргинин цитруллинмен салыстырғанда айтарлықтай аз: стрессирленген жапырақтарда 7 мМ-ге дейін және стрессирленген емес жапырақтарда 0,3 мМ-ге дейін мөлшерді құрайды. Дегенмен, цитруллинді жинақтау механизмі осы уақытқа дейін белгісіз. Белгілі үйлесімді осмолиттердің арасында цитруллин жарқын жарық пен жоғары температурадағы гидроксильді радикалдардың ең күшті тежегіші болып табылады.
Цитроллин мен аргининнің синтезін реттеу прокариоттар мен ашытқыларда жақсы зерттелген. Өсімдіктер үшін мұндай деректер әлі фрагментарлы. Цитроллин глютамат-N-ацетилтрансфераз (CLGAN) синтезінің негізгі ферменттерінің бірі жоғары термостабильділікке ие (70°С дейін) және оның белсенділігі жоғары температура мен жарық беру кезінде жапырақтарда жоғарылайды [27].
Өсімдіктерде цитрулиннің синтезі хлоропласттарда болады деп болжанады. Canavia lineate-тіңцитруллин және аргининді синтездеуге қатысатын кейбір ферменттеріхлоропластарда шоғырланған [28, 29]. Өсімдіктерде цитрулиннің биосинтезін егжей-тегжейлі зерттеу осы метаболиттің функциялары туралы түсініктерді дамыту үшін қажет.
Орнитин-амин қышқылдары, аргинин метаболизмінің интермедиаты, полиаминдер мен пролин сияқты осмопротектанттардың ізашары болып табылады. Өсімдіктерде аргинин көптеген физиологиялық процестерге, сонымен қатар қоршаған ортаның стресстік жағдайына жауапты болып табылады. Аргининнің синтезіне қатысатын және SlNAGS1 геномын көшіретін фермент қызанақта клондалған.
Эксперименттерде оттегінің төмен концентрациясына жауап беретін mRNA Gen SlNAGS1 деңгейінің жоғарылауы көрсетілді. Бұл ген түсті қырыққабат теңбіл вирусының РНК 35S промотор бақылауымен арабидопсис геніне көшірілді. Трансгендік өсімдіктердің тұқымдары құрамында 250 мМ NaCl бар ортада өскен, ересек трансгендік өсімдіктер оларды тұз ерітіндісімен суару кезінде концентрациясы 300 мМ-ге дейін төзімділікті көрсетті. Бұл жұмыстың авторлары орнитиннің стресске төзімділікке әсері оның синтезге бірнеше үйлесімді осмолитпен байланысты болуы мүмкін деп болжайды [30].
1.3 Пролиннің стресстік жағдайларда өсімдіктердегі физиологиялық қызметі және олардың құрамын реттеу
Пролин өсімдіктердің ең көпфункционалды стресс метаболиттерінің бірі болып табылады. Қазіргі уақытта осмопротекторлық функциядан басқа пролин шаперонды, антиоксиданттық, сигналдық-реттегіш және басқа да функцияларды орындайды деп саналады. Стрессорлардың әрекеті кезінде көрсетілген пролиннің әсерлерін барынша айқын көрсету үшін жағдайлар жасалады. Бұл иминқышқыл өсімдіктердің стрессорлардың әсеріне бейімделуіне байланысты емес бірқатар функцияларды орындайды. Осылайша, физиологиялық қалыпты жағдайларда пролиннің едәуір мөлшері өсімдіктердің репродуктивті органдарына тасымалданады. Пролиннің жиналуы гүлдену үшін маңызды сигналдардың бірі болып саналады. Бұл иминқышқыл тозаң мен тұқымдардың қалыпты дамуы үшін қажет [31].
Стресстік пролиннің физиологиялық функцияларын көп жылдық зерттеуге қарамастан, оның өсімдіктердің қолайсыз жағдайларға бейімделуіне қатысуына байланысты көптеген мәселелер толық анықтаудан алыс. Пролиннің синтезі және деградациясы. Өсімдіктерде пролин екі жолмен ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті
Рүстембек Меруерт Саматқызы
Өсімдіктердің қоршаған ортаның стресстеріне төзімділігіне пролиннің тигізетін әсерін зерттеу
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
5В070100 - Биотехнология
Нұр-Сұлтан 2019
Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі
Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті
Қорғауға жіберілсін
Биотехнология және микробиология
кафедра меңгерушісі
_______________Р.Т. Омаров
5В070100 - Биотехнология мамандығы бойынша
Өсімдіктердің қоршаған ортаның стресстеріне төзімділігіне пролиннің тигізетін әсерін зерттеу тақырыбына
ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС
Орындаған: Рүстембек Меруерт Саматқызы
Ғылыми жетекшісі
б.ғ.д., профессор Аликулов Зерекбай Аликулович
Нұр-Сұлтан 2019
Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті
Факультет _______________________
Мамандығы _____________________
Кафедра _______________________
Бекітемін
Кафедра меңгерушісі
_____________________
_____________________
(күні, айы, жылы)
Дипломдық жұмысты (жобаны) орындау бойынша
ТАПСЫРМА
Студент____________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
курс, тобы, оқу формасы
1. Жұмыстың (жобаның) тақырыбы___________________________ ____
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
______________20___ж. № _____ бұйрықпен бекітілді
2. Студент бітірген жобаның тапсыру мерзімі ___________________________
3. Жобаның шығыс мәліметтері ___________________________________ ____
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
4. Түсіндірме-есептік жазбаның мазмұны (қарастырылуға тиісті сұрақтар тізімі)
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
5. Графикалық материалдың тізімі (міндетті нақты сызбаларды көрсету керек) ___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
6. Ұсынылған негізгі әдебиеттер тізімі ___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
___________________________________ _____________________________
7. Жоба бойынша кеңесшілер (оларға қатысты жоба бөлімдерін көрсетіңіз)
Бөлім
Кеңесші
Бақылау
мерзімі
қолы
8. Орындалған диплом жұмысының (жобасының) графигі
№
Жұмыстың бөлімдері
Жұмыс кезеңдерін бітіру мерзімі
Ескерту
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Тапсырманың берілу күні___________________________________ ____
Жобаның жетекшісі___________________________________ __________
Қолы, аты-жөні, лауазымы
Тапсырманы орындауға алған студент____________________________ __
Қолы, аты-жөні
МАЗМҰНЫ
Нормативтік сілтемелер
Белгілеулер мен қысқартулар
Анықтамалар
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .9
1 Негізгі бөлім ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 11
0.1 Өсімдіктерде тұздану процесі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...11
0.2 Полифункционалды қасиеттері бар метаболиттер ... ... ... ... ... ... ... ... 19
0.3 Пролиннің стресстік жағдайларда өсімдіктердегі физиологиялық
қызметі және олардың құрамын реттеу ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ...23
2 Өзіндік зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..38
2.1 Зерттеу нысаны ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .38
2.2 Зерттеу әдістері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...42
2.2.1 Бидай сорттарының тұзға төзімділігін анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... .42
2.2.2 Бидайдың вегетативті мүшелерінде пролиннің мөлшерін анықтау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..42
2.2.3 Бидай тұқымдардың өнгіштігіне натрий тұздарының әсерін зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 43
2.2.4 Тәжірибе нәтижелерін статистикалық өңдеу тәсілі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..43
3 Өзіндік зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..44
3.1Бидай өсімдігінің тамыры мен өскінінің ұзындығына тұзды
ортаның әсерін зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 44
3.2 Бидай сорттарынының (Triticum aestivum L.) тамырында және
жерүсті мүшелерінде бос пролиннің мөлшерін анықтау генезіне натрий тұзының әсерін зерттеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 48
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..52
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..53
Нормативтік сілтемелер
Осы дипломдық жұмыста келесі нормативтік сілтемелер пайдаланылды:
oo ҚРСТ 1.12-2000 Нормативтік мәтіндік құжаттар. Мәтіндік құжаттардың құрылымы, мазмұны, рәсімдеуінің жалпы талаптары.
oo ҚР МЖМБС 5.03.016-2006 Қазақстан Республикасының Білім беру жүйесі. Жоғарғы оқу орындарындағы Дипломдық жұмысты (жобаны) рәсімдеу eрежелері. Негізгі eрежелер.
oo METTER TOLEDO Фирмасының зертханалық таразы
oo ORION 710A Фирмасының pH-модельді құралы
oo МЕМСТ 5962-67
oo МЕМСТ 6709-72 Дистилденген су
oo МЕМСТ 10394-72 Химиялық 250, 400, 600 мл шыны стакандар
oo МЕМСТ 9876-73 Зертханалық шыны тамызғыштар
oo МЕМСТ 10515-75 Колориметриялық 10 мл шыны түтігі
oo МЕМСТ 24104-88 Зертханалық аналитикалық таразы, 1 және 2 класты дәлдікпен
oo МЕМСТ 1770-74 Зертханалық 100см3, 1000см3 өлшегіш құтылар
oo МЕМСТ 28561-90 Этил спирті
oo МЕМСТ 26889-86 Магний күкіртті қышқылы, сусыз
oo МЕМСТ 8756.21-89 Калий фосфор қышқылы (I) валентті
oo МЕМСТ 04-69-2011 Марганец күкіртті қышқылы
oo М 04-47-2007 Аммоний цитраты
oo МЕМСТ Р 51430-99 М 04-56-2009 Калий фосфор қышқылы(II) валентті
oo ТУ 9141-001-470119478-01
- МЕМ СТ 12038-84
Белгілеулер мен қысқартулар
Осы дипломдық жұмыста келесі белгілеулер мен қысқартулар пайдаланылды:
ГФ - L-глутамил-γ-фосфат;
ГҚЖА - γ- глутамин қышқылының жартылай альдегиді;
П5КҚ - Δ1-пирролин-5-карбон қышқылы;
ГК - глутаматкиназа;
ГФР - глутамилфосфатредуктаза;
П5КС - Δ1-пирролин-5-карбоксилатсинтаза;
П5КР - Δ1-пирролин-5-карбоксилатредуктаза;
ОАТ - орнитин-δ-аминотрансфераза;
ПДГ - пролиндегидрогеназа;
ПКДГ - Δ1-пирролин-5-карбоксилатдегидроген аза;
мит. - митохондрия;
хл. - хлоропласттар;
цит. - цитоплазма.
%-пайыз
г-грамм
мкг-миллиграмм
мм-милиметр
Анықтамалар
Осы дипломдық жұмыста келесі анықтамалар пайдаланылды:
Пролин - гетероциклді аминқышқылы, мұнда азот атомы екіншілік құрамда болады, сондықтан көбінесе иминоқышқыл деп атайды.
Стресс - әртүрлі типті стрессорлар әсеріне кешенді қорғаныштық реакцияны айтады.
Тұздану - топырақта су потенциалын төмендетеді, нәтижесінде өсімдікке судың түсуін қиындатады.
Гликофиттер - тұзды ортаға төзімділігі төмен, тұзсыз топырақта тіршілік ететін өсімдіктер.
Галофиттер - жоғары тұзды ортада, тұзды топырақта тіршілік ететін өсімдіктер.
Галотолеранттылық - топырақта немесе суда тұздың жоғары концентрациясына төзімді өсімдіктер.
КІРІСПЕ
Тақырыптың өзектілігі: құрғақшылық пен тұздану аридті және жартылай сортты жағдайларда өсімдіктердің өнімділігін төмендететін факторлар болып табылады. Қазақстанның ауыл шаруашылығы егіншілік аймағына жататыны белгілі, егістік жерлердің 50% - дан астамы тұздалған, ал құрғақшылық жылдары көптеген аймақтар су тапшылығын бастан кешуде.
Тұздану, жоғары немесе төмен температура, ылғалдың жетіспеушілігі, оттегінің жеткіліксіздігі, топырақтың жоғары сілтілігі немесе қышқылдығы сияқты сыртқы ортаның қолайсыз факторлары өсімдіктердің өсуі мен дамуына теріс әсер етеді. Көптеген агроклиматтық аймақтарда ауыл шаруашылығы өсімдіктерін өсіруді шектейтін елеулі факторлардың бірі топырақтың тұздануы болып табылады. Топырақтағы тұздың артық концентрациясы осмотикалық және оксидативті стресстер тудырады, ал хлор иондары уытты әсер етеді [1].
Тұздану - қоршаған ортадағы негізгі абиотикалық факторлардың бірі, тұзды ортада өсуге бейімделу өсімдіктердің тірі қалуы мен өнім беруін анықтайды. Көптеген ауыл шаруашылық дақылдар тұздың əсеріне сезімтал келеді. Тұзға төзімділіктің негізгі белгісі, ол өсімдіктің тұзды топырақта өнім беруі. Бірақ тұзды топырақтың егістік жерлерінде біркелкі таралмауы тұзға төзімді түрлерді сұрыптауда біршама қиындықтар əкеледі. Сондықтан өсімдіктердің тұзға төзімділігін бағалау əдістері бақыланатын зертханалық шарттарда жүзеге асырылады.
Өсімдіктер сыртқы стрессорлық факторлардың әсеріне гендер экспрессиясының, метаболизмінің қарқындылығының, жасушалық мембраналардың өткізгіштігінің, жасушалардағы иондардың балансы және т.б. өзгеруімен әсер етеді, атап айтқанда, жасушалардағы өсімдіктерге стрестік әсер ету кезінде транскрипциялық бақылауға қатысатын ақуыздар, жылу шок ақуыздары, осмопротектанттар синтезделе бастайды (пролиндер, бетаиндер, полиаминдер және т. б. шоғырланады), бұл жасушалық процестердің қалыпты өтуін қамтамасыз етеді.
Өсімдіктерде стресстік жағдайларда көп мөлшерде өсімдіктердің қолайсыз жай-күйінің индикаторлары болып табылатын қосылыстар пайда болады. Мұндай қосылыстардың біріне-пролин жатады. Пролиннің жиналуы стресстік әсер ету жағдайында осмостық шоктың дамуына кедергі келтіретін клетканың ең жылдам жауап реакцияларының бірі болып табылады.
Пролин жоғары өсімдіктерде ең кең таралған үйлесімді осмолит гидрофильді амин қышқылы болып табылады. Өсімдіктердің жасушаішілік концентрацияға дейін бос пролинді қарқынды жинау қабілеті әртүрлі иондардың құрамының артуынан, су тапшылығынан және температуралық факторлардан туындайтын стресстерге өсімдік жасушаларының бейімделуін арттырады.
Стресстік факторларға бейімделу механизмдерінің жылдамдығы өсімдіктердің стресстің әсеріне жауап ретінде пролиннің шоғырлану жүйесін жылдам индукциялау қабілеттілігімен анықталады [2].
Осылайша, төмен оң температураларда, сондай-ақ өсімдіктер үшін басқа да қолайсыз стресстік жағдайларда, өсімдіктер тіндерінде синтездеу белсендіріледі және пролин көп мөлшерде жинақталады. Ұлпадағы пролин деңгейі өсімдіктердің қолайсыз жағдайының өте маңызды көрсеткіші ретінде пайдаланылуы мүмкін [3].
Жұмыстың мақсаты: жұмсақ жаздық бидай сорттарының (Triticum aestivum L.,) тұзға төзімділігін және пролиннің жинақталуын зерттеу. Жұмыстың міндеті:
- Бидай өсімдігінің тамыры мен өскінінің ұзындығына тұзды ортаның әсерін зерттеу;
- Бидайдың вегетативті мүшелерінде жиналған пролиннің мөлшерін анықтау;
- Бидай сорттарынының онтогенез фазаларына натрий тұзының әсерін зерттеу.
1 Негізгі бөлім
3.1 Өсімдіктерде тұздану процесі
Стресс теориясын Ганс Селье тұжырымдады және "стресс" термині (ағылш. stress-күш салу) өсімдіктер физиологиясында медицина ғылымынан алынған. Өсімдіктердің стресс себептері, әдетте, өсімдіктің қолайсыз жағдайында, өсімдіктер "абиотикалық стресс" деп аталатын (мысалы, өте төмен немесе жоғары температура, тұздану, құрғақшылық, микроэлементтердің жетіспеушілігі және т.б.) немесе "биотикалық стресс" деп аталатын (ауру қоздырғыштарынан және өсімдіктерді зақымдайтын жәндіктерден туындайды) түрлері бар.
Әлбетте, әртүрлі стресс бар. Алайда, биологиялық жүйеге әсер ететін стресс, стресс тудыратын сыртқы факторларды атау дұрыс, олардыстрессті әсеріне жауап ретінде қалыптасатын организм жағдайы ретінде қарастыру керек. Стрессорлық әсерлерге реакциялар тек кейбір жағдайларда ғана патологиялық болып табылады, негізінде олар бейімді мәнге ие, сондықтан "жалпы бейімделу синдромы"деп аталды. Кейінірек деректерде "стресс" және "жалпы бейімделу синдромы" терминдерін біріктіріп, синонимдер ретінде қолданған [4].
Әдетте қолайсыз факторлардың әсеріне өсімдік реакциясының үш фазасы бөлінеді: бастапқы стресстік реакциялар, бейімделу және сарқылу. Бірінші кезеңде физиологиялық - биохимиялық процестерде елеулі ауытқулар байқалады, зақымдану симптомдары да, қорғаныс реакциясы да байқалады. Қорғаныс реакцияларының мәні, олар пайда болған зақымдануларды жоюға (бейтараптандыруға) бағытталуынан тұрады.
Егер әсер тым үлкен болса, организм бірінші сағат ішінде дабыл сатысында өледі. Егер бұл болмаса, реакция екінші фазаға өтеді. Екінші кезеңде организм жаңа тіршілік ету жағдайларына бейімделеді немесе зақымдану күшейтіледі. Қолайсыз жағдайлардың баяу дамуы кезінде организм оларға оңай бейімделеді. Бейімделу кезеңі аяқталғаннан кейін өсімдіктер қолайсыз жағдайларда процестердің жалпы төмен деңгейі кезінде бейімделген жағдайда қалыпты түрде вегетацияланады. Зақымдану (сарқылу, жойылу) фазасында гидролитикалық процестер күшейтіледі, энергия түзуші және синтетикалық реакциялар басылады, гомеостаз бұзылады. Ағза үшін шекті мәннен асатын стресс қатты шиеленіс кезінде организм өледі. Стресс-фактордың әрекеті тоқтаған кезде және орта жағдайларын қалыпқа келтіргенде репарация, яғни зақымдануларды қалпына келтіру немесе жою процестері қосылады [5].
Бейімделу процесі (кең мағынада бейімделу) үнемі өтеді және факторлардың табиғи ауытқулары шегінде сыртқы ортаның өзгеруіне ағзаны "күйге келтіруді" жүзеге асырады. Бұл өзгерістер спецификалық емес және ерекше сипатта болуы мүмкін. Ағзаның әртүрлі стрессорлардың немесе әртүрлі ағзалардың бір стресс-факторға әсер етуіне бір типті реакциялары спецификалық емес болып табылады. Өсімдіктердің генотипі мен факторына байланысты сапалы ерекшеленетін жауап реакциялары ерекше болып табылады. Өсімдіктер, табиғи жағдайларда онтогенез ағымында өсу мен дамуға теріс әсер ететін әртүрлі стрессорлардың әсерінен болады,бұл ауыл шаруашылығы дақылдарының өнімділігінің айтарлықтай төмендеуіне әкеледі. Дақылға пайдаланылатын әлемдік егіс алқаптарының 20% - ы және суармалы жерлердің жартысы тұзды күйзеліске ұшырағанын ескеру қажет.
Тұздардың жоғары концентрациясы өсімдіктерге улы әсер ете отырып, олардың өнімділігінің төмендеуіне әкеледі. Сондықтан тұздардың жоғары концентрациясының өсімдіктердің метаболикалық процестеріне және олардың дамытатын қорғаныш реакцияларының әсерін анықтау өсімдіктер физиологиясында ғана емес, сонымен қатар ауыл шаруашылығы өндірісінің практикасында да үлкен маңызға ие [6].
Тұздану түрлері және тұздың өсімдікке тигізетін әсері.
Тұзданудың әртүрлі түрлері бар: хлоридті (NaCl), сульфатты (Na2SO4), карбонатты (NaHCO3), сульфатты-хлоридті, хлоридносульфатты және аралас. Карбонатты-магний және хлоридті-магний тұздары да кездеседі. Ылғалды аудандарда хлоридті тұздану басым, далалар мен шөлдерде - сульфатты және карбонатты. Өсімдік организмдеріне тұздану әсері, ең алдымен, су балансының нашарлауы және тұздардың жоғары шоғырлануының уытты әсері сияқты екі негізгі себептермен анықталады.
Тұздану топырақта төмен (күрт теріс) су потенциалының пайда болуына әкеледі, бұл өсімдікке судың түсуін қиындатады. Мұның себебі-топырақтан өсімдікке судың қозғалысы су потенциалының градиенті бойынша жүріп жатыр және судың тұздануымен бұзылған өсімдікке түсуін қалпына келтіру үшін оның су потенциалын төмендету қажет [7].
Сортаңдану ылғалды, аридті және жартылай сортты жағдайларда өсімдіктердің өсуі мен өнімділігін шектейтін негізгі стрессор болып табылады. Тұздану топырақ ерітіндісінің су потенциалын төмендеуін тудырады және өсімдіктерде су тапшылығының дамуына бастамашылық етеді. Тұзды стресс тек осмотикалық әсермен ғана емес, сонымен қатар жасуша метаболизміне Na+ және Cl иондарының жоғары құрамының уытты әсерімен де жүреді. Оның ішінде, Na және Cl - артық минералды қоректену элементтерімен өзара іс-қимылы өсімдіктегі өмірлік-қажетті компоненттердің балансы төмендейді және тапшылығына әкеледі.
Тұздану әсер етудің басында өте тез тұзға төзімді және сезімтал өсімдіктердің өсуін басады. Бұл тұздану әсерінің бірінші сатысында осмостық компонент басым екенін, яғни су тапшылығына реакцияны білдіреді, содан кейін ғана өсімдіктердің өздерін иондардың уытты әсерінен қорғау қабілеттілігінде айырмашылықтар байқалады. Өсімдіктегі су тапшылығы, ең алдымен, жасушалардың өсуіне әсер етеді. Бұл жағдайда өсуді ұстап тұру су алмасуының реттелуімен де, өсімдіктердің жасушалық қабырғалары қасиеттерінің өзгеруімен де байланысты. Тұзданудан туындаған су тапшылығы кезінде өсуді қолдау механизміне арнайы назар аударылды [8].
Өсімдікке тұзданудың теріс әсерлерінің арасында топырақтағы натрий концентрациясы басқа катиондардың, оның ішінде калий мен кальций сияқты тіршілік етуге қажетті өсімдіктердің жиналуына кедергі келтіретіні анықталды. Осмостикалық стресс болдырмау үшін осморегуляция маңызды. Бұл үшін өсімдік екі жолды пайдаланады: иондардың жиналуы және әсіресе, сахароза, сахароспирт (сорбит және т.б.), пролин, глицинбетаин сияқты еритін органикалық заттардың түзілуі. Өсімдіктердің тұздануына төзімділіктің көп себептерінің бірі органикалық қышқылдардың жиналуы болып табылады. Тұздардың уытты әсерінің екінші жағы метаболизм процестерінің бұзылуы (азот алмасуының бұзылуы), аммиактыңжиналуы және басқа да уытты өнімдер болып табылады. Тұзданудың әсері күкірт қосылыстарының алмасуындағы өзгерістермен тығыз байланысты. Өсімдіктің хлоридті тұздануы кезінде күкірт қосылыстарының күрт тапшылығын бастан кешкен. Күкіртті ашығу типтік белгілері бар [9, 10].
Тұздардың, әсіресе хлорлы тұздардың жоғары концентрациясы тотығу және фосфорлану процестерін ажырату ретінде әрекет ете алады және өсімдіктердің макроэргиялық фосфор қосылыстарымен жабдықталуын бұзуы мүмкін.
Өсімдік ұлпаларында тұздану жағдайында жоғары концентрацияларда азот алмасуының уытты аралық өнімдері: диаминдер, путресцин және кадаверин жиналады. Тұздану жағдайында өсімдіктердің тежелу себебі аммиакты улану болуы мүмкін. Бос аммиак құрамының едәуір артуы аминқышқылдарының синтезін тежеудің және құрамында азот бар қосылыстар протеолизінің күшеюінің салдары болып табылады.
Тұзды стресс кезінде ақуыз синтезі бәсеңдейді және қалыптасқан ақуыз кешендерінің ыдырауы күшейді. Ақуыз синтезін тежеу аминқышқылдарының ақуызға қосылу жылдамдығының төмендеуінен, сондай-ақ зарядталған аминқышқылдарының аминотоптары тұздарының иондарымен блокталуын және энергетикалық потенциалдың төмендеуінен пептидті байланыстардың синтезін тежеуде байқалады. Na+ және (немесе) Сl жоғары концентрациясы-фотосинтезді тежейді. Бұл фосфорлану және карбоксилдеу процестері тұздарының жоғары концентрациясына сезімталдыққа байланысты [11].
Ақуыз синтезінің басылуы және фотосинтездің тежелуі тұзды стресс кезінде өсімдіктердің өсу жылдамдығының елеулі төмендеуінің маңызды себептері болып табылады. Тұздардың жоғары концентрациясы ақуыз синтезін тежеп, олардың синтезі ферменттерінің бірқатар жұмысын белсендіре отырып, тұздардың әсері кезінде осморегуляцияға қатысатын заттар синтезінің ферменттерін кодтайтын көптеген гендердің жұмысы белсендіріледі. Осылайша, пролин синтезінің ферменті, бетаин синтезіне қатысатын фермент альдегиддегидрогеназадан пролинсинтаза активацияланады. Басқа ферменттер (мысалы, глицеринальдегидфосфатдегидрогеназа ) еритін қанттар құрамының ұлғаюына алып келеді, бұл өсімдік жасушаларындағы осмотикалық белсенді заттардың концентрациясына әсер етеді.
Тұздардың жоғары концентрациясының теріс әсері өсімдіктердің тамыр жүйесіне бұрын әсер етеді. Бұл ретте тамырларда тұз ерітіндісімен тікелей жанасатын сыртқы жасушалар зардап шегеді. Сабақтарда тұздардың ерітіндісі жер үсті органдарына көтерілетін өткізгіш жүйе жасушасы тұздарының әсеріне аса бейім. Тұздардың жоғары концентрациясының уытты әсері мембраналық құрылымдардың, атап айтқанда плазмалық мембрананың зақымдануымен байланысты.
Соның салдарынан оның өткізгіштігі артады,заттардың іріктеп жинақталу қабілеті жойылады. Бұл жағдайда тұздар транспирациялық су тоғымен бірге жасушаларға пассивті түседі.
Гликофиттерде топырақта тұздардың жоғары болуы кезінде клеткалық деңгейде де, тұтас өсімдік деңгейінде де су және иондық гомеостаз бұзылады. Өз кезегінде бұл цитоплазма биополимерлерінің зақымдалуынан көрінетін түрлі улы әсерлерге әкеледі. Жалпы топырақ сортаңдануы өсуді тежейді және жасушалық деңгейде пайда болатын сортаңдану әсерлерін өсімдіктердің жойып жіберуі мүмкін [12].
Өсімдіктің тұздану жағдайында топырақ ерітіндісінің жоғары осмостық қысымы салдарынан суды жоғалтатыны көрсетілген. Тұздану кезінде жасушалардың дегидратациясы топырақ ерітіндісінің су потенциалы төмендеуі нәтижесінде болады. Қазіргі уақытта тұздардың осмотикалық және уытты әсері жасушалық деңгейде басты зақымдаушы факторлар болып танылды. Иондардың уытты әсерінің табиғаты, әсіресе алғашқы молекулалық зақымданулар белсенді зерттеледі. Жоғары концентрациялардағы иондар жасушалық мембраналарды дезинтеграциялауы, ферменттердің белсенділігін басуы және жасушалық бөлу, көміртегі ассимиляциясы, минералды қоректену элементтерін сіңіру сияқты тіршілікке маңызды функциялардың бұзылуына әкеп соғатыны белгілі, тұздардың әсерінен жасушалардың ультрақұрылымының бұзылуы, атап айтқанда хлоропласт құрылымындағы өзгерістер болады. Бұл хлоридті тұздану кезінде көрінеді.
0,4М жоғары концентрациялардағы тұздану (NaCl) ақуыз молекулаларының құрылымын қолдайтын күштердің гидрофобты-электростатикалық балансының бұзылуы салдарынан көптеген ферменттерді тежейді. Алайда, әлдеқайда төмен концентрацияларда улы әсерлер өсімдіктерде пайда болады [13].
Макромолекулаларды зақымдайтын факторлар оттегінің белсенді түрлері (ОБТ) -- синглетті оттегі, супероксидті радикал, гидроксил-радикал, сутегі пероксиді және басқа да бірқатар нысандар болып табылады. Топырақтық тұздану және құрғақшылық кезінде өсімдіктер жасушаларында олардың шоғырлануы өседі.
Бұл жағдайда байқалатын уытты әсерлер қайталама процестер -- биополимерлердің стресс кезінде жинақталатын ОБТ өзара әрекеттесуі нәтижесінде пайда болады.
Тұздардың жоғары концентрациясы өсімдіктердің өсуін тежейді. Ингибитация өсімдіктердегі цитокинининнің өсуін ынталандыратын гормон құрамының азаюымен және абсциз қышқылының (АБҚ) өсуін тежейтін құрамының ұлғаюымен байланысты. Өсімдіктердің гормондық статусындағы өзгерістер тұрақтылық механизмдерін ынталандырады, себебі баяу өсу өсімдіктердің стресс кезінде өмір сүруіне мүмкіндік береді, өйткені қорғау бағдарламасын іске асыру үшін қажетті көптеген ресурстарды (құрылымдық блоктар мен энергияны) босатады.
Өсуді тежеудің басты механизмдерінің бірі- жапырақ саңылауында өткізгіштікті төмендету. Тұздану және су тапшылығы кезінде топырақ ерітіндісінің су потенциалы төмен клеткалармен, атап айтқанда, саңлауларды тұйықтайтын клеткалармен судың жоғалуына алып келеді, бұл сағалық саңылаулардың апертурасын азайтады және демек, судың транспирациялық тогының жылдамдығын төмендетеді. Бұл жағдайда тұздың тікелей әсерімен қатар АБК индукциялайтын процестер қатысады [14].
Түрлердің басым санының өсімдіктері тұздануға айқын төзімділігі жоқ тұзданбаған топырақтарда қалыптасады және өседі-гликофит (грек. glycos-тәтті, phyton-өсімдік). Гликофиттерге ауыл шаруашылығы дақылдарының басым көпшілігі жатады; олар үшін топырақтағы тұздың құрамы 0,5% - ға тең уытты. Тұздалған топырақта эволюциялық қалыптасқан және топырақ ерітіндісінде тұздардың жоғары концентрациясына бейімделген өсімдіктер түрлерінің басқа тобын галофит деп атайды (грекше. galos-тұз, phyton-өсімдік) немесе тұзға төзімді.
Галотолеранттылық - бұл өсімдіктердің топырақта немесе суда тұздардың жоғары концентрациясына тұрақтылығы. Гликофиттер тек әлсіз тұздануға төзімді. Олардың кейбіреулері мақта, сұлы, қара бидай және бидай сияқты-орташа. Топырақтағы тұздардың құрамы егістіктің өнімділігі төмендейді. Өсімдік өсімдіктерінің тұздануы кезінде өсуі тежеледі, әдетте тұздар жер үсті ағзаларына қарағанда, тұздалған топырақпен үнемі байланыста болуы мүмкін. Тұздар созылу аймағының жасушалары мен түбір түстер аймағының жасушалары - минералды элементтерді сіңіру мен су түсуінің басты аймақтары зақымданады. Бұл аймақтардың зақымдануы транспирация қарқындылығының төмендеуіне қарамастан, тіндердегі су тапшылығын арттырады. Тамыр шаштары аймағындағы жасушалардың зақымдануы минералды қоректену элементтерінің, ең алдымен азот, фосфор және калийдің нашар жұтылу себебі болып табылады [15].
Тұздану натрий, калий және магний сіңуі арасындағы арақатынастың бұзылуына әкеледі: натрийдің қарқынды сіңуі калий мен магний сіңуін азайтады.
Тамырдың клеткаларында су мембраналарының өткізгіштігі төмендейді,бұл өсімдіктің тұздалған топырақтың су режиміне бейімделуінің бірі болып табылады. Тұздану тыныс алудың қысқа мерзімді қарқындылығын арттыруы мүмкін, ұзақ уақыт оның қарқындылығын төмендетуге әкеледі. Тұздану кезінде тыныс алудың ұштасуы және АТФ синтезі бұзылады. Галофиттер қатты тұздалған топырақтарда және сортаң топырақтарда толық өмір циклін жүзеге асыруға қабілетті.
Типтік галофиттерге (Chenopodiaceae), (солерос европалық (Salicomia europaea), кохия (Kochia prostrata), петросимония (Petrosimonia triandrd) және т. б.)өсімдіктер тұқымдасы жатады. Топырақтағы тұздардың жоғары мөлшері олардың өсуін бәсеңдетпейді, бірақ тіпті ынталандырады.
Табиғатта галофит пен гликофит арасындағы айқын шекара жоқ. Мысалы, мақта тұзданбаған жағдайда дамиды, бірақ оған өте табысты бейімделуі мүмкін. Мұндай өсімдіктер факультативті галофиттер деп аталады.
Галофиттердің тұздардың артық концентрациясына бейімделуінің үш негізгі механизмі белгілі:
1) тұздардың көп мөлшерін сіңіру және оларды вакуольдерде шоғырландыру, бұл жасушалық шырынның су потенциалының төмендеуіне және судың түсуіне әкеледі;
2) арнайы жасушалардың көмегімен өсімдік сіңіретін тұздарды бөліп алу және түскен жапырақтары бар тұздардың артығын алып тастау;
3) тамырдың жасушаларымен тұздардың сіңірілуін шектеу.
Тұздануға төзімділікті сипаттайтын белгілер бойынша галофиттердің үш тобы бөлінеді.
Эугалофиттер (шынайы галофиттер). Бұл топтың өсімдіктері көптеген тұздарда жиналады. Тұздарды шоғырландыру вакуольдерде жүреді. Бұл түрдегі галофиттер тұздалған топырақтарда (солерос, свеа) өседі. Зерттеулер тұздардың қалыпты құрамы кезінде хлорлы натрийдің қосылуы олардың өсуіне жағымды әсер ететінін көрсетті. Бұл топтағы өсімдіктер жасушалары тұздардың жоғары концентрациясымен (су потенциалы төмен) сипатталады, соның арқасында олар тұздалған топырақтан су ала алады. Бір мезгілде бұл өсімдіктердің цитоплазмасы үлкен гидрофильділікке, ақуыздың жоғары мөлшеріне, тұздардың жиналуына жоғары төзімді [16].
Криптогалофиттер (тұз бөлетін). Тұздар тамырларға сіңеді, бірақ жасушалық шырынға жинақталмайды. Сіңірілген тұздар барлық жер үсті органдарында бар арнайы секретирлеуші жасушалар арқылы бөлінеді, осының арқасында осы өсімдіктердің жапырақтары әдетте тұздардың тұтас қабатымен жабылған.
Бұл өсімдіктер фотосинтездің едәуір қарқындылығымен сипатталады,бұл оларда жасушалық шырынның жоғары концентрациясын жасайды. Бұл ерекшелік оларға тұзды топырақтан суды сіңіруге мүмкіндік береді. Олардың цитоплазмасы тұрақсыз және тұздармен оңай зақымданады. Мұндай өсімдіктерге орташа тұздалған топырақта өсетін тамариск, кермек, лох және т.б. өсімдіктер жатады.
Гликогалофиттер (тұз өткізбейтін). Жасушалардың плазмалық мембранасы тұздарды мүлдем өткізбейді, сондықтан олар өсімдікке түспейді.
Осы топтағы өсімдіктер жасушаларының жоғары осмотикалық концентрациясы фотосинтездің үлкен қарқындылығы және еритін көмірсулардың жинақталуы есебінен құрылады.
Галофиттердің барлық бейімделген ерекшеліктері олардың тұқым қуалайтын негізде салынған. Өсімдіктердің тұзға төзімділігін шыңдауарқылы жүзеге асырады. Бұл үшін әртүрлі өсімдіктердің ісіп қалған тұқымдары хлорлы натрийдің 3% ерітіндісінде бір сағат бойы ұстайды. Мұндай тұқымдардан өскен өсімдіктер метаболизмнің төмен қарқындылығымен сипатталады, бірақ тұздануға неғұрлым төзімді болып табылады. Фитомелиоранттарды пайдалану агротехникалық әдістерден перспективалы болып саналады. Бірақ қазіргі уақытта мәдени өсімдіктердің тұзға төзімді сорттарын шығару үшін классикалық генетика және жасушалық селекция әдістерімен қатар, өсімдіктердің тұзға төзімділігіне жауап беретін бөтен гендерді генге көшіру жолымен артық тұздануға төзімділігін арттыруға мүмкіндік беретін гендік инженерия әдістері дамуда [17].
Тұздану өсімдіктерге кешенді әсер етеді. Ең алдымен, ол су статусына және өсімдіктердің иондық гомеостазына теріс әсерден құралады. Топырақтағы тұздың артық болуы осмотикалық стресс тудыра отырып, өсімдікке судың түсуін қиындатады, иондардың құрамы бойынша тепе-теңсіз түсуі жасушалардағы ион гомеостаздың бұзылуына әкеледі, бұл әсіресе топырақта Na+ иондарының жоғары концентрациясы кезінде қатты көрінеді.
Тұзданудың уытты әсері жасушалар мен тұтас өсімдіктер деңгейінде метаболизмнің және көлік процестерінің бұзылуымен байланысты. Тұздану кезінде су және ион гомеостазының бұзылуына қосымша құрылымдық және ферментативті белоктардың конформациясы мен денатурациясының бұзылуына алып келетін тотықтырғыш стресс дамиды. Нәтижесінде, тұздануды қоса алғанда, әртүрлі абиотикалық әсерлер үйлесімді осмолиттердің жиналуы, стресті белоктар мен антиоксиданттардың синтезі сияқты ұқсас сигналдық жолдар мен клеткалық жауаптарды белсендіреді.
Осылайша тұздануға тұрақтылық өсімдіктердің бірден үш тәуелсіз стресстік әсерге: осмотикалық, уытты және тотығу стресстеріне бейімделу қажеттілігін негіздейді [18].
Тұздану кезіндегі осмотикалық стресс топырақта немесе қоректік ортада тұздардың жоғары концентрациясы тамыр қоректенетін аймақта төмен су әлеуетінің пайда болуына әкеледі, бұл судың өсімдікке түсуін қиындатады. Осмотикалық әсер судың төмен сіңуі мен жасушалар мен тіндердегі су тұз алмасудың қолайсыз өзгерістерінде, негізінен өсімдіктердің жер үсті бөліктерінде байқалады, бұл бұрын айтылғандай, өсуді тежеуде көрінеді. Тұздардың осмостикалық әсерінің нәтижесі болып табылатын тіндердегі су тапшылығы органикалық қосылыстар синтезінде азотты пайдалануды тежейді, қанттың тотығуын баяулатады, ақуыздардың азып кетуін тудырады, бұл ақыр соңында өсімдіктердегі физиологиялық-биохимиялық үдерістер теріс әсер етеді.
Анықтау бойынша, осмотикалық қысым-бұл жартылай өткізгіш мембранамен бөлінген сұйылтылған, ерітінділерден тұратын жүйедегі тепе-теңдік кезінде бар қысымның айырмашылығын айтады [19].
Жасушалық шырынның осмотикалық қысымы-мәні бойынша тең, бірақ осмотикалық потенциал белгісі бойынша кері мәнге тең. Көптеген өсімдіктер тұзды стресстің пайда болуы кезінде осмотикалық потенциалы реттеуге жәнеосылайша тургордың төмендеуін болдырмауға қабілетті. Бұл құбылыс осмостық реттеу деп аталады. Өсімдіктердің жалпы түрлерінде осмотикалық қысымды реттеуге қабілетсіз, оның нәтижесі сағалардың жабылуы және фотосинтетикалық белсенділіктің төмендеуі болып табылатын тургалық қысымды да қолдай алмайды. Осмотикалық реттеу, тұздық әсерге реакция ретінде Brassica туысының көптеген түрлерінде жасушалық және ағзалық деңгейлерде байқалды, бірақ оның қарқындылығы түрдің тұзға төзімділік дәрежесіне байланысты өзгерді.
Осмотикалық фаза тамыр жанындағы ортадағы тұздың концентрациясы деңгейге дейін артады. Көптеген өсімдіктер үшін мұндай шекті деңгей 40 мМ NaCl концентрациясы болып табылады, тұзға төзімді өсімдіктер үшін ол жоғары. Тұздану кезінде су және осмотикалық потенциалдар қатты төмендейді, ал тургалық қысым мен ксилеманың қысымы артады.
Тұздар өзінің теріс әсері бойынша арнайы токсиндерге сәйкес келеді. Токсиндердің өсімдік және жануар ағзасына әсері олардың концентрациясы бар. Белгілі болғандай, аздаған концентрациялар ағзаның тіршілік әрекетін арттырады, ал жоғары концентрациялар тежейді немесе тіпті оның жойылуын тудырады [20].
Тұздану негізінен топырақтағы бейорганикалық иондардың жоғары болуымен байланысты. Ең улы әсері иондар Na+ және СІ- олардың әсері алмасу процестері, әсіресе азот алмасуы бұзылады. Өсімдіктерде тұздардың әсерінен азот алмасуы бұзылады, бұл ақуыздардың қарқынды ыдырауына әкеледі, соңғысы аммиактың және басқа да уытты өнімдердің жиналуына әкеледі. Тұздану жағдайында кадаверин және путресцин сияқты уытты қосылыстар түзеді. Сульфатты тұздану аясында құрамында күкірті бар аминқышқылдарының (сульфоксидтер мен сульфондар) тотығу өнімдері жинақталады, олар өсімдіктер үшін улы болып табылады. Тұздардың жоғары концентрациясы ақуыз синтезін тікелей немесе жанама түрде басады, құрылымын бұзады және азот бастапқы ассимиляциясының ферменттерінің белсенділігін тежейді.
3.2 Полифункционалды қасиеттері бар метаболиттер
Өсімдіктер үшін стресс-қоршаған орта жағдайларының күрт өзгеруі болып табылады. Өсімдіктердің абиотикалық күйзеліске төзімділігін арттыру ауыл шаруашылығы биотехнологиясының өзекті міндеттерінің бірі. Құрғақшылық, топырақтың тұздануы, төмен температура, радиацияның жоғары деңгейі, топырақтың ауыр металдардың тұздарымен ластануы, шамадан тыс қарқынды жарықтандыру және жоғары температура өсімдіктерде осмотикалық стрессін тудырады. Осмотикалық стресске жауап ретінде өсімдіктер осмопротектанттар немесе үйлесімді осмолиттер атауын алған, олар төмен молекулярлы органикалық метаболиттерді жинақтайды. Мұндай қосылыстар қатарына өсімдіктер мен жануарларда, сондай-ақ микроорганизмдерде кездесетін кейбір амин қышқылдары, сахароспирттер, бетаиндер жатады. Олардың жиналуы жасушалар үшін улы емес, себебі бұл молекулалар ақуыз молекулаларының құрылымын бұзбайды және бұл цитоплазманың осмотикалық потенциалын қауіпсіз режимде модульдеуге мүмкіндік береді. Осмолиттер метаболикалық жолдардың түпкі өнімдері де, олардың интермедиаттары да болуы мүмкін.
Өсімдіктердің стресске төзімділігін арттыру тәсілдері ұзақ уақыт бойы физиология тұрғысынан зерттелді. Қазіргі уақытта жинақталған физиологиялық деректер қазіргі заманғы гендік инженерия әдістерінің көмегімен жеке метаболиттердің деңгейін арттыру бойынша міндеттерде табысты пайдаланылады. Стреске төзімділік белгілерінің көпшілігі гендердің көптігімен (гендік желілермен - өзара әрекеттесетін гендердің күрделі иерархиялық ұйымдастырылған жүйелерімен) бақыланатыны және стреске төзімділікті дәстүрлі селекция әдістерімен арттырудың тиімділігі шектеулі екені белгілі. Өсімдіктердің кейбір түрлері осмопротектанттардың өте төмен деңгейлері бар немесе мүлдем жоқ болғандықтан, трансгенез арқылы олардың биосинтез жолдарының модификациясы стреске төзімділікті арттырудың мүмкін жолдарының бірі болып табылады. Гендік инженерияның қазіргі заманғы әдістері мен қол жетімді гендер пулы өсімдіктердің өз гендерін ғана емес, сонымен қатар өсімдіктерде мақсатты метаболит деңгейін арттыру үшін басқа организмдердің гендерін пайдалануға мүмкіндік береді, бұл биотехнологияда бар мүмкіндіктерді сапалы арттырады.
Қазіргі уақытта үйлесімді осмолиттер бойынша жинақталған деректер олардың кейбірінің полифункционалды қасиеттерге ие екендігін, басқалары тек стресстің белгілі бір түріне ғана әсер ететінін дәлелдейді. Осы шолуда полифункционалды қасиеттері бар өсімдіктердің ең көп таралған метаболиттерін зерттеу нәтижелері келтірілген: пролин, глицинбетаин, маннитол, полиаминдер, сондай-ақ осмотикалық қысымды бақылау үшін маңызды метаболиттер жатады.
Пролин-аминқышқыл, ақуыздардың құрылымдық компоненті ретінде және бос аминқышқыл ретінде маңызды рөл атқарады. Оның жиналуы әртүрлі стресстерге ұшыраған қарапайым, бактериялар мен өсімдіктердің жасушаларында байқалды. Өсімдіктерде пролиннің жиналуы жоғары және төмен температуралардың әсерінен, NaCl және ауыр металдардың жоғары концентрацияларынан, оксидативті стресстен және ультракүлгін сәулеленудің әсерінен кейін жүреді. Стресстік жағдайларда пролиннің жиналу деңгейі әртүрлі түрлерде әртүрлі және бастапқы деңгейден 100 есе артық болуы мүмкін. Осмотикалық стресс кезінде пролиннің жиналуы-бұл синтездің күшеюінің, оның тозуының жылдамдығының және жасушаның компартменттері мен өсімдік бөліктерінің арасындағы белсенді тасымалдануының төмендеуінің аралас нәтижесі. Жоғары сатылы өсімдіктердің пролин екі жолмен синтезделеді: біріншіжағдайда пролиннің алыну көзі глутамат, екіншісінде - орнитин болып табылады [21]. Пролиннің синтезі жасушалардың қарқынды бөлінуімен, мысалы, өскіннің апикальды меристемасы және флоральды меристемалар және өсіп келе жатқан ұрықтар сияқты ұлпаларында жүреді. Қалыпты жағдайда бұл амин қышқылының деңгейі өсімдіктің генеративті органдарында вегетативті көрсеткіштермен салыстырғанда әрқашан жоғары [22].
Стресс жағдайында негізінен пролин биосинтезінің глутаматты жолы жұмыс атқарады деп саналады. Пролиннің биосинтезі цитоплазмада және стресс кезінде жасушаның хлоропластында, ал оның деградациясы митохондрияда болуы мүмкін. Гендік инженерия әдістерімен өсімдіктерде пролин деңгейін арттырудың негізгі стратегиясы-модельдік өсімдіктер-темекі және арабидопсис геномасында пролин синтезінің бірінші ферментін кодтайтын пирролин - 5-карбоксилатсинтаза (P5CS) генінің тасымалдануы болып табылады. Стресс жағдайында P5CS генінің экспрессиясы жоғарылаған және бұл арттыру пролиннің жиналуымен корреляциаланған [5, 6].
Алғашқы мұндай эксперименттер темекі геніне көшірілген P5CS вигна генімен жүргізілді. Алынған трансгендік өсімдіктер пролинді 10-18 есе көп синтездеген және тұз стрессіне төзімді болды [7]. P5CS генінің экспрессиясын тежеуге арналған конструкциялары бар өсімдіктер экспериментте эпидермальді және паренхимиялық жасушалардың дамуында ауытқулар көрсетті, сондықтан клетка қабырғасын қалыптастыруда пролиннің ақуызға бай екендігін көрсетеді [8]. Арабидопсистің P5CS гені бар мутанттары тұздылыққа толеранттылығы төмен болуымен сипатталды. Бұл эксперименттер бос радикалдарды байланыстыру мен инактивациялаудағы пролиннің рөлін растады. Глутатион-аскорбаттық цикл ферменттері P5CS мутанттарында тұзды стресс кезінде айтарлықтай төмен белсенділікке ие болды [9].
Трансген P5CS өсімдіктердің стресске төзімділігін әрдайым ұлғайтпағанын атап өткен жөн: мысалы, темекі өсімдіктерінің геніне соя генінің P5CS енгізу оның осмотолеранттылығын жоғарылатпады [10], алайда соя өсімдіктерінің геніне көшірілген арабидопсис гені құрғақшылыққа төзімділігін арттырды [11].
Пролин деградациясының негізгі ферменті пролиндегидрогеназа (PDH) ферменті болып табылады. Стресстік жағдайда PDH генінің экспрессия деңгейі төмендеді және оның өсуі стресс аяқталғаннан кейін ғана қалпына келтіру кезеңінде байқалды [23]. PDH генінің экспрессиясын тежейтін біртізбекті құрылымдарды енгізу өсімдіктердің дамуына әсер еткен жоқ, алайда өсімдіктердің тұз стрессіне, құрғақшылыққа төзімділігін арттырды [24]. Жалпы, қазіргі гендік-инженерлік тәсілдер өсімдіктердің стресске төзімділігін қалыптастыруда пролиннің рөлін анықтауға мүмкіндік береді, сондай-ақ осы белгіні бақылауда метаболикалық тізбектің әртүрлі ферменттерінің функцияларын анықтады.
Полиаминдер вирустардан жануарларға дейін барлық тірі ағзалардың компоненттері болып табылады. Олар белсенді бөлінетін жасушаларда үлкен концентрацияларда жиналады және жасушадағы барлық тіршілікке маңызды процестерге қатысады. Полиаминдердің жиналуы есебінен стреске төзімділікті арттыру негізіне кіретін молекулалық механизмдер әлі белгісіз. Arabidopsis thaliana-да қуаңшылыққа және зақымдауға жауапта путресциннің рөлі көрсетілген. ADC2 (аргинин-декарбоксилаза)-өсімдіктер де путресцин синтезінің негізгі ферменті. Бұл ферменттің белсенділігі мен путресциннің деңгейі калий аштық пен осмостық стреске жауап ретінде 20-30 есе өсті. Арабидопсисжапырақтарынпаракватпенө ңдеу барысында (тотығу стресініңиндукторы) путресциннің деңгейін арттырады, бірақ спермин және спермидин деңгейлеріне қатыспайды [18]. Сперминнің стресстік жауаптағы рөлі бақылауымен ион каналдарын және рецепторларды байланыстырады. Апопластта сперминнің жиналуы өсімдіктердің патогендермен жұқтыруына жауап берудің сигналдық жолдарымен байланысты [19]. Жалпы, полиаминдердің метаболизм гендерінің стресстік жауаптағы қатысуын зерттеу үшін өсімдіктерде одан әрі зерттеулер жүргізу талап етіледі.
Маннитол әртүрлі таксономиялық текті организмдерде (бактериялар, балдырлар, саңырауқұлақтар, жануарлар және жоғары сатылы өсімдіктер) кездеседі. Бұл метаболит 100-ден астам өсімдік түрінде болады. Алайда, кейбір түрлерде бұл қосылыс синтезделмейді. Мысалы темекі өсімдіктері. Эксперименттерде маннитол синтезін жүзеге асыратын mtlD бактериялық гені Nicotiana tabacum өсімдік геномына ауыстырылды. Трансформант-өсімдіктер маннитолдың жоғары концентрациясын жинақтап, тұз стрессіне жоғары төзімділікпен сипатталды. NaCl құрамы ұлғайған ортада 30 күннен кейін жаңа тамырлар мен жапырақтардың қалыптасуы трансгендік өсімдіктердің 75%-да байқалды, ал бақылауда-тек 33% жағдайда ғана байқалады [20].
Маннитолдың бос радикалдардың инактиваторы ретінде рөлі in vitro эксперименттерінде көрсетілген. Маннитол-1-фосфатдегидрогеназа ферментін бақылайтын mltD бактериялық генітемекінің хлоропластына ауыстырылды.Хлоропласттарда маннитолды жинақтау барысында оларды метилвиологеномменөңдегеннен кейін де жапырақта хлорофилдің мөлшері төмендемеді, бұл фотосинтездің стреске басым тұрақтылығын көосетеді. Маннитолмен жасушаларды бос радикалдармен зақымданудан қорғауды қамтамасыз ететін механизмітолық зерттелмеген [21, 25].
MltD генімен өзгертілген бидай өсімдіктері (Triticum aestivum) жоғары стресстік жағдайымен сипатталды. Стреске төзімділікті бағалау үшін ортаға полиэтиленгликоль немесе 100 мМ NaCl қосу арқылы каллусты дақылдарда жүргізілді. Каллус массасының салмағы полиэтиленгликольдің қатысуымен 40% - ға және тұзды стресстің шамасы 37% - ға төмендеді. Трансгендік каллусты дақылдарда каллус салмағының төмендеуі байқалған жоқ. Каллустағы маннитолдың мөлшері және ересектер өсімдіктер жапырақтарында тым жеткіліксіз және таза салмағы 0,6-2,0 мкмг мөлшерді құрады [23]. Бақылауда маннитолдың стресске төзімділігін MTD (маннитолдегидрогеназа) гені промоторының транскрипциялық белсенділігін талдау арқылы зерттелді. Арабидопсистрансгенді өсімдігінде балдыркөктің mtd ген промоторы қан тамырларының тіндерде экспрессияланды, бұл mtd өсімдік гені мен қанттардың метаболизмі (тасымалдануы) өзара байланыстың бар екендігін болжауға мүмкіндік береді [26].
Осмотикалық потенциалды бақылайтын маңызды өсімдіктер метаболиттері
Цитруллин-аминқышқыл, оның аты латын citrullus, қарбыздың туыстық атауынан шыққан. L-цитруллин қарбыз мен қауын шырынында, сондай-ақ бұршақ өсімдіктерінің түйнектерінде бос күйінде болады. Цитруллин табиғи ақуыздардың құрамына кірмейді және аргинин биосинтезінің аралық өнімі болып табылады.
Калахари шөлінде өсетін жабайы қарбыз жапырақтарында цитрулиннің жиналуы өсімдіктердің осы түрінің жоғары жарықтандырылуы мен құрғақшылыққа жоғары төзімділігі үшін маңызды. Жапырақтарға қатты жарықтың және жоғары температураның (60°С дейін) комбинациясынан туындаған тотығу күйзеліске бейімделуге мүмкіндік беретін механизм бар деп болжануда. Цитруллиннің құрамы жарық беру кезінде 30 мМ-ге дейін өсті. Мұндай стресстік жағдайларға жауап ретінде аргинин құрамының артуы байқалады. Цитруллин аргинин синтезінің аралық өнімі болып табылады, бірақ аргинин цитруллинмен салыстырғанда айтарлықтай аз: стрессирленген жапырақтарда 7 мМ-ге дейін және стрессирленген емес жапырақтарда 0,3 мМ-ге дейін мөлшерді құрайды. Дегенмен, цитруллинді жинақтау механизмі осы уақытқа дейін белгісіз. Белгілі үйлесімді осмолиттердің арасында цитруллин жарқын жарық пен жоғары температурадағы гидроксильді радикалдардың ең күшті тежегіші болып табылады.
Цитроллин мен аргининнің синтезін реттеу прокариоттар мен ашытқыларда жақсы зерттелген. Өсімдіктер үшін мұндай деректер әлі фрагментарлы. Цитроллин глютамат-N-ацетилтрансфераз (CLGAN) синтезінің негізгі ферменттерінің бірі жоғары термостабильділікке ие (70°С дейін) және оның белсенділігі жоғары температура мен жарық беру кезінде жапырақтарда жоғарылайды [27].
Өсімдіктерде цитрулиннің синтезі хлоропласттарда болады деп болжанады. Canavia lineate-тіңцитруллин және аргининді синтездеуге қатысатын кейбір ферменттеріхлоропластарда шоғырланған [28, 29]. Өсімдіктерде цитрулиннің биосинтезін егжей-тегжейлі зерттеу осы метаболиттің функциялары туралы түсініктерді дамыту үшін қажет.
Орнитин-амин қышқылдары, аргинин метаболизмінің интермедиаты, полиаминдер мен пролин сияқты осмопротектанттардың ізашары болып табылады. Өсімдіктерде аргинин көптеген физиологиялық процестерге, сонымен қатар қоршаған ортаның стресстік жағдайына жауапты болып табылады. Аргининнің синтезіне қатысатын және SlNAGS1 геномын көшіретін фермент қызанақта клондалған.
Эксперименттерде оттегінің төмен концентрациясына жауап беретін mRNA Gen SlNAGS1 деңгейінің жоғарылауы көрсетілді. Бұл ген түсті қырыққабат теңбіл вирусының РНК 35S промотор бақылауымен арабидопсис геніне көшірілді. Трансгендік өсімдіктердің тұқымдары құрамында 250 мМ NaCl бар ортада өскен, ересек трансгендік өсімдіктер оларды тұз ерітіндісімен суару кезінде концентрациясы 300 мМ-ге дейін төзімділікті көрсетті. Бұл жұмыстың авторлары орнитиннің стресске төзімділікке әсері оның синтезге бірнеше үйлесімді осмолитпен байланысты болуы мүмкін деп болжайды [30].
1.3 Пролиннің стресстік жағдайларда өсімдіктердегі физиологиялық қызметі және олардың құрамын реттеу
Пролин өсімдіктердің ең көпфункционалды стресс метаболиттерінің бірі болып табылады. Қазіргі уақытта осмопротекторлық функциядан басқа пролин шаперонды, антиоксиданттық, сигналдық-реттегіш және басқа да функцияларды орындайды деп саналады. Стрессорлардың әрекеті кезінде көрсетілген пролиннің әсерлерін барынша айқын көрсету үшін жағдайлар жасалады. Бұл иминқышқыл өсімдіктердің стрессорлардың әсеріне бейімделуіне байланысты емес бірқатар функцияларды орындайды. Осылайша, физиологиялық қалыпты жағдайларда пролиннің едәуір мөлшері өсімдіктердің репродуктивті органдарына тасымалданады. Пролиннің жиналуы гүлдену үшін маңызды сигналдардың бірі болып саналады. Бұл иминқышқыл тозаң мен тұқымдардың қалыпты дамуы үшін қажет [31].
Стресстік пролиннің физиологиялық функцияларын көп жылдық зерттеуге қарамастан, оның өсімдіктердің қолайсыз жағдайларға бейімделуіне қатысуына байланысты көптеген мәселелер толық анықтаудан алыс. Пролиннің синтезі және деградациясы. Өсімдіктерде пролин екі жолмен ... 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