Статья: 60 лет в строю: особенности молекулярной биологии озимой мягкой пшеницы сорта Безостая 1

Фактор времени имеет нередко решающее значение в жизни растения, продлевая работу одних генетических систем и задерживая смену их другими и, наоборот, ускоряя этот процесс. Изменение скорости роста и развития определяет такие свойства как стрессоустойчивость и фотопериодизм. Известно, что на практике имеют превосходство по морозоустойчивости те сорта озимой пшеницы, закалка которых происходит сравнительно быстро.

Важно отметить особенности реакции проростков пшеницы на закаливующую температуру (4оС) по изменению общей РНКазной активности: по мере увеличения морозостойкости сорта активность РНКаз снижалась в проростках сортов озимой пшеницы: так у Безостой 1 она составляла - 121 единиц, а у Краснодарской 39 - только 80 [12].

Таким образом, влияние света и закаливающей температуры на стабильность мРНК в системе ommp также сортоспецифично. Вполне вероятно, что это определяется соотношением в геноме доминантных и рецессивных генов, ответственных за яровизацию (vrn) и за фотопериодическую реакцию (ppd) растения.

Взаимосвязь морозоустойчивости озимой мягкой пшеницы, содержания в зрелом зерне нуклеиновых кислот, катионов магния и электрофоретических характеристик долгоживущей рРНК

Кратковременный щелочной гидролиз, при отсечении поли-(А)-сегмента мРНК, осуществлялся в суммарном препарате высокополимерной РНК (табл. 7). При этом выяснилось, что рРНК, составляющая основную часть суммарной РНК, гидролизуется определённым образом в зависимости от сорта и физиологического состояния растения. Вместе с тем, в ходе этих экспериментов визуально наблюдалось дифференциальное выпадение осадков, предположительно гидрата окиси магния, по тем же особенностям генетики и физиологии проростков пшеницы. Поэтому возникло предположение, что важным фактором сортоспецифических особенностей как мРНК, так и рРНК является вариабельность в содержании молекулами РНК катионов магния (Mg++), которые с одной стороны стабилизируют молекулы РНК, а с другой - определяют рибозимные свойства РНК [7, 6, 24, 27].

Изучение препарата высокополимерной РНК из зелёных проростков сортов озимой мягкой пшеницы, выращенных при 20оС и контрастно различающихся по морозоустойчивости, показало, что содержание магния в РНК разных сортов различно и имеет довольно чёткую отрицательную связь с морозоустойчивостью взятых в исследование сортов пшеницы. Минимальное содержание магния в РНК было у высокоморозостойкого сорта Зимородок, а максимальное - у среднеморозостойкого сорта Безостая 1 (табл. 8).

Поскольку рРНК составляет основную массу РНК клетки, было логично предположить, что разницу в содержании катионов магния между сравниваемыми сортами можно увидеть, не выделяя РНК, а подвергнув озолению высушенные проростки соответствующих сортов. Эксперимент показал справедливость такого предположения: содержание магния в золе проростков этих сортов пшеницы также было различным и имело отрицательную связь с морозоустойчивостью сортов (табл. 8).

Так как зерно проращивали на дистиллированной воде, то единственным источником магния являлась прорастающая зерновка. Анализ РНК и золы сухого зерна показал, что и здесь содержание магния и морозоустойчивость сорта имеют обратную зависимость (табл. 8).

Таблица 8. Относительное содержание катионов магния (Mg++) в зерне, проростках и РНК двух сортов озимой мягкой пшеницы, различающихся морозоустойчивостью, % [25, 27]

Важно отметить, что в ходе выделения РНК в присутствии катионов магния, но с осаждением РНК концентрированной солью (LiCl), происходит потеря 90% катионов магния РНК. Предположительно, в РНК остаются только так называемые сайт-специфические катионы магния, относительно прочно связанные с молекулой РНК в отличие от диффузных катионов магния, легко теряемых при выделении. Поэтому принципиально важными представляются данные о содержании катионов магния в золе зерна, отражающие общее содержание катионов магния, в значительной мере связанных с РНК. Известно, что сотни ферментов содержат катион магния как кофактор, но высокополимерная РНК, по-видимому, содержит большую часть катионов магния в клетке (например, более 100 катионов магния приходится на одну молекулу 23S рРНК [7-9, 27]).

В целом зрелое зерно слабо морозоустойчивых сортов содержало на 25-40% больше катионов магния по сравнению с сильно морозоустойчивыми сортами озимой мягкой пшеницы.

Известно, что недостаток магния приводит к уменьшению содержания фосфора в растениях, даже если фосфаты в достаточном количестве имеются в питательном субстрате. Весьма существенно, что при недостатке магния в клетках растений накапливаются моносахариды, т.е. тормозится превращение их в полисахариды [27], что, как известно, является важным фактором формирования морозоустойчивости.

Сорта Зимородок и Безостая 1 при расчете содержания катионов магния на 1 мг золы различаются на 20%, при расчете на одну зерновку - на 46%, а в пересчёте на единицу РНК - на 69%. Вместе с тем, зрелое зерно этих сортов существенно различается по содержению РНК: 0,54 мг на г шрота у Зимородка и 0,43 мг на г шрота у Безостой 1 [27]. Эту закономерность далее исследовали подробно на примере зрелого зерна ряда сортов озимой мягкой пшеницы (табл. 9).

Таблица 9. Содержание суммарной РНК, ДНК и катионов магния (Mg++) в шроте зрелых сухих зерновок сортов озимой мягкой пшеницы, ранжированных по морозоустойчивости [7, 8, 27].

В литературе имеются сходные данные по сравнительному изучению содержания нуклеиновых кислот в зародышах семян разных сортов пшеницы [13]: было показано, что среднеморозоустойчивый сорт Безостая 1 как РНК, так и ДНК накапливает меньше, чем высокоморозоустойчивый сорт Мироновская 808, а абсолютное содержание нуклеиновых кислот у яровых сортов пшеницы выше, чем у озимых.

Оценка количества долгоживущей РНК в шроте зрелых семян нескольких десятков сортов озимой мягкой пшеницы модифицированным методом Шмидта и Тангаузера показала, что повышение морозоустойчивости сорта сопряжено с увеличением количества РНК в зрелом зерне. Данные позволяют предполагать, что стабильность мРНК и стабильность рРНК под влиянием катионов магния изменяются в противоположных направлениях: увеличение количества Mg++ приводит к стабилизации рРНК, но дестабилизирует мРНК. Таким образом, морозоустойчивость сортов озимой мягкой пшеницы прямо пропорциональна содержанию РНК в зрелом зерне и обратно пропорциональна содержанию катионов магния [3, 6-8, 26, 27].

Количественная оценка содержания РНК и ДНК модифицированным методом Шмидта и Тангаузера самый простой метод в химии и биохимии нуклеиновых кислот и требует лишь наличия гидрата окиси калия и хлорной кислоты, а из лабораторных приборов: центрифуга и спектрофотометр.

Эту закономерность исследовали более широко на примере зрелого зерна сортов озимой мягкой пшеницы, морозоустойчивость которых была ранжирована селекционерами методом прямого промораживания (табл. 10). Всего было изучено около 100 сортов. При этом была обнаружена сортоспецифическая вариабельность в содержании РНК, ДНК и катионов магния, коррелирующая с морозоустойчивостью изученных сортов озимой мягкой пшеницы (коэффициенты корреляции для содержания РНК - +0,88, для ДНК - +0,80, для магния - -0,51).

Таким образом, морозоустойчивость сортов озимой мягкой пшеницы прямо пропорциональна содержанию РНК и ДНК в зрелом зерне и обратно пропорциональна содержанию катионов магния. Слабоморозостойкие сорта также могут иметь высокое содержание РНК в зрелом зерне, но это наблюдается на фоне высокого содержания катионов магния, что определяет иные качественные характеристики РНК (табл. 10).

Эта принципиально важная закономерность была проверена на разных видах злаков. В ряду по мере возрастания морозоустойчивости: озимая мягкая пшеница - тритикале - рожь- показана прямо пропорциональная связь морозоустойчивости культуры и содержания долгоживущей РНК в зрелом зерне (таблица 11).

Подобная закономерность обнаружена и у сортов ярового и зимующего гороха (табл. 12).

Аналогичные результаты получены и на рисе: холодостойкость его сортов положительно коррелирует с содержанием РНК в зародыше зрелого зерна [7].

Таблица 10. Содержание катионов магния (Mg++) и РНК в зрелом зерне различных сортов озимой мягкой пшеницы, ранжированных по морозоустойчивости

Таблица 11. Содержание долгоживущей РНК в шроте зрелого зерна ржи, тритикале и пшеницы (среднее из четырёх измерений, мкг/мг) [6]

Таблица 12. Содержание долгоживущей РНК в шроте зрелого зерна яровых и зимующих сортов гороха, мкг/мг

Таблица 13. Относительные величины содержания катионов магния (Mg++), долгоживущей РНК и электрофоретической характеристики (25S/18S) её рРНК в зрелом зерне сортов озимой мягкой пшеницы, различающихся по морозоустойчивости, % [7, 8, 11, 27]

Исследования электрофоретического спектра рРНК зрелого зерна показали, что морозоустойчивость сортов озимой мягкой пшеницы прямо пропорциональна величине 25S/18S (табл. 13). Изменения в соотношении 25S/18S рРНК в основном связаны с варьированием в спектре количества 25S рРНК.