АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ ДИССИМИЛЯЦИИ САХАРОЗЫ В РАННЕМ ОНТОГЕНЕЗЕ РАЗНЫХ ФОРМ БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ

Юлия Леонидовна Мощенская, Наталия Алексеевна Галибина, Ксения Михайловна Никерова, Людмила Людвиговна Новицкая, Yulia Moshchenskaya, Natalia Galibina, Ksenia Nikerova, Ludmila Novitskaya

Аннотация


Изучено распределение активности сахарозорасщепляющих ферментов в акцепторных органах (стебли, корни) сеянцев обычной (Betula pendula var. pendula) и карельской (B. pendula var. carelica) березы. У 1,5‑месячных сеянцев основным аттрагирующим центром является корень, а расщепление сахарозы осуществляется преимущественно за счет сахарозосинтазы. Показано, что у карельской березы
метаболизация сахарозы происходила более интенсивно по сравнению с растениями обычной березы. Обнаружена высокая активность ферментов диссимиляции сахарозы в стеблях 5‑месячных растений, что свидетельствует о расходовании основной массы метаболитов на образование структуры этих органов. При этом у 5‑месячных сеянцев обычной березы наблюдается высокая активность сахарозосинтазы, у карельской березы – апопластной инвертазы. Таким образом, биохимические и молекулярные различия между растениями обычной и карельской березы закладываются еще на ранних этапах онтогенеза до появления у карельской березы видимых признаков аномальной по структуре древесины. Показано влияние уровня доступного азота на активность cахарозорасщепляющих ферментов. Выращивание опытных растений на среде с низким содержанием азота приводило к подавлению метаболизации сахарозы в акцепторных органах. У обычной березы – за счет снижения активности сахарозосинтазы, у карельской березы – активности кислых инвертаз. То есть у сеянцев березы повислой в условиях низкой обеспеченности азотом происходило подавление ксилогенеза и все ресурсы расходовались на поддержание биомассы корней, при этом у карельской березы снижалась метаболизация сахарозы в апопласте, приводящая к паренхиматизации тканей.


Ключевые слова


Betula pendula Roth; сахарозосинтаза; апопластная, вакуолярная, цитоплазматическая инвертаза

Полный текст:

PDF

Литература


Антонова Г. Ф. Формирование ксилемы и флоэмы хвойных // Структурные и функциональные отклонения от нормального роста и развития растений под воздействием факторов среды: материалы международной конференции (Петрозаводск, 20-24 июня 2011 г.). Петрозаводск, 2011. С. 6-11.

Галибина Н. А., Новицкая Л. Л., Красавина М. С., Мощенская Ю. Л. Активность сахарозосинтазы в тканях ствола карельской березы в период камбиального роста // Физиология растений. 2015 а. Т. 62, № 3. С. 1–10. doi: 10.7868/S0015330315030057.

Галибина Н. А., Новицкая Л. Л., Красавина М. С., Мощенская Ю. Л. Активность инвертазы в тканях ствола карельской березы // Физиология растений. 2015 б. Т. 62, № 6. С. 804–813. doi: 10.7868/S0015330315060068.

Галибина Н. А., Новицкая Л. Л., Мощенская Ю. Л., Никерова К. М. Аномальный морфогенез камбиальной зоны карельской березы (Betula pendula Roth var. carelica) // Годичное собрание общества физиологов растений России. Сигнальные системы растений: от рецептора до ответной реакции организма. (Санкт-Петербург, 21–24 июня 2016), С.-Петербург, 2016 а. С. 37-38.

Галибина Н. А., Новицкая Л. Л., Никерова К. М. Избыток экзогенных нитратов подавляет формирование аномальной древесины у карельской березы // Онтогенез. 2016 б. Т. 47, № 2. С. 83-91. doi:10.7868/S047514501602004X.

Никитин А. В., Измайлов С. Ф. Ферменты диссимиляции сахарозы как мишени действия нитрата в раннем онтогенезе гороха посевного // Физиология растений, 2016. том 63, № 1. С. 159–164. doi: 10.7868/S0015330315060135.

Новицкая Л. Л. Карельская береза: механизмы роста и развития структурных аномалий. Петрозаводск: Verso, 2008. 144 с.

Новицкая Л. Л., Галибина Н. А., Никерова К. М. Транспорт и запасание сахаров во флоэме Betula pendula Roth var. pendula и var. carelica // Труды Карельского научного центра РАН. № 11. 2015. С. 35–47. doi: 10.17076/eb216.

Amor Y., Haigler C. H., Johnson S., Wainscott M., Delmer D. P. A membrane-associated form of sucrose synthase and its potential role in synthesis of cellulose and callose in plants // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1995. Vol. 92:93. P. 9353–9357.

Baluška F., Mancuso S., Volkmann D. Communication in Plants – Neuronal Aspects of Plant Life. Berlin: Springer, 2006. 438 p.

Barratt D. H., Derbyshire P., Findlay K., Pike M., Wellner N., Lunn J., Feil R., Simpson C., Maule A. J., Smith A. M. Normal growth of Arabidopsis requires cytosolic invertase but not sucrose synthase.// PNAS. 2009. Vol. 106. P. 13124–13129. doi: 10.1073/pnas.0900689106.

Canam T., Mak S. W. Y., Mansfield S. D. Spatial and temporal expression profiling of cell wall invertase genes during early development in hybrid poplar // Tree Physiol. 2008. Vol. 28. P. 1059–1067. doi: 10.1093/treephys/28.7.1059.

Chikov V. I., Bakirova G. G., Role of the apoplast in the control of assimilate transport, photosynthesis, and plant productivity // Russ. J. Plant Physiol. 2004. Vol. 53. P. 420–431. doi:10.1023/B:RUPP.0000028691.49600.c2.

Coleman H. D., Beamish L., Reid A., Park J. Y., Mansfield S.D. Altered sucrose metabolism impacts plant biomass production and flower development // Transgenic Res. 2010. Vol. 19. P. 269–283. doi:10.1007/s11248-009-9309-5

Coleman H. D., Samuels A. L., Guy R. D., Mansfield S. D. Perturbed lignification impacts tree growth in hybrid poplar- a function of sink strength, vascular integrity, and photosynthetic assimilation // Plant Physiology. 2008. Vol. 148. P. 1229–1237.

Coruzzi G., Bush D. R. Nitrogen and carbon nutrient and metabolite signalling in plants// Plant Physiol. 2001. Vol. 125. P. 61–64. doi: 10.1104/pp.108.25500

Crawford N. M. Mechanisms for nitric oxide synthesis in plants // J. Exp. Bot. 2006. Vol. 57. P. 471–478. doi: 10.1093/jxb/erj050.

Gerber L., Zhang B., Roach M., Rende U., Gorzsas A., Kumar M., Burgert I., Niittylla T., Sundberg B. Deficient sucrose synthase activity in developing wood does not specifically affect cellulose biosynthesis, but causes an overall decrease in cell wall polymers // New Phytologist. 2014. Vol. 203. P. 1220–1230. doi: 10.1111/nph.12888.

Godt D. E., Roitsch T. The developmental and organ specific expression of sucrose cleaving enzymes in sugar beet suggests a transition between apoplasmic and symplasmic phloem unloading in the tap roots // Plant Physiol. Biochem. 2006. Vol. 44. P. 656–665. doi:10.1016/j.plaphy.2006.09.019.

Iraqi D., Le V. Q. Lamhamedi M. S., Tremblay F. M. Sucrose utilization during somatic embryo development in black spruce: involvement of apoplastic invertase in the tissue and of extracellular invertase in the medium // J. Plant Physiol. 2005. Vol. 162. P. 115–124. doi:10.1016/j.jplph.2003.06.001.

Koch K. E Sucrose metabolism: regulatory mechanisms and pivotal roles in sugar sensing and plant development // Current Opinion in Plant Biology. 2004. Vol. 7. P. 235–246. doi:10.1016/j.pbi.2004.03.014.

Nilsson R., Bernfur K., Gustavsson N., Bygdell J., Wingsle G., Larsson C. Proteomics of plasma membranes from poplar trees reveals tissue distribution of transporters, receptors, and proteins in cell wall formation // Mol. Cell. Proteomics. 2010. Vol. 9. P. 368–387. doi: 10.1074/mcp.M900289-MCP200.

Ruan Y. L., Llewellyn D. J., Furbank R. T. Suppression of sucrose synthase gene expression represses cotton fiber cell initiation, elongation, and seed development // Plant Cell Online. 2003. Vol. 15. P. 952–964. doi: 10.1105/tpc.010108.

Sturm A., Tang G. Q. The sucrose-cleaving enzymes of plants are crucial for development, growth and carbon partitioning // Trends Plant Sci. 1999. Vol. 4. P. 401–407. doi:10.1016/S1360-1385(99)01470-3.

Tsay Y. F, Ho C. H, Chen H. Y, Lin S. H Integration of nitrogen and potassium signaling // Annu. Rev. Plant Biol. 2011, Vol. 62. P. 207–226. doi: 10.1146/annurev-arplant-042110-103837.

Wang L., Ruan Y. L. Shoot–root carbon allocation, sugar signalling and their coupling with nitrogen uptake and assimilation // Functional Plant Biology. 2016. Vol. 43, no. 2. P.105-113. doi: 10.1071/FP15249.

Winter H., Huber S. C. Regulation of Sucrose Metabolism in Higher Plants: localization and regulation of activity of key enzymes // Critical Reviews in Plant Sciences. 2000. Vol. 19. P. 31–67. doi: 10.1080/07352680091139178.

REFERENCES in ENGLISH

Amor Y., Haigler C. H., Johnson S., Wainscott M., Delmer D. P. A membrane-associated form of sucrose synthase and its potential role in synthesis of cellulose and callose in plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1995. Vol. 92:93. P. 9353–9357.

Antonova G. F. Formation of xylem and phloem in coniferous. Structural and functional deviations from normal growth and development of plants: material of international conference (Pedrosavodsk, 20-24 June 2011 g.). Pedrosavodsk, 2011. P. 6-11.

Baluška F., Mancuso S., Volkmann D. Communication in Plants – Neuronal Aspects of Plant Life. Berlin: Springer, 2006. 438 p.

Barratt D. H., Derbyshire P., Findlay K., Pike M., Wellner N., Lunn J., Feil R., Simpson C., Maule A. J., Smith A. M. Normal growth of Arabidopsis requires cytosolic invertase but not sucrose synthase. PNAS. 2009. Vol. 106. P. 13124–13129. doi: 10.1073/pnas.0900689106.

Canam T., Mak S. W. Y., Mansfield S. D. Spatial and temporal expression profiling of cell wall invertase genes during early development in hybrid poplar. Tree Physiol. 2008. Vol. 28. P. 1059–1067. doi: 10.1093/treephys/28.7.1059.

Chikov V. I., Bakirova G. G., Role of the apoplast in the control of assimilate transport, photosynthesis, and plant productivity. Russ. J. Plant Physiol. 2004. Vol. 53, P. 420–431. doi: 10.1023/B:RUPP.0000028691.49600.c2.

Coleman H. D., Beamish L., Reid A., Park J. Y., Mansfield S.D. Altered sucrose metabolism impacts plant biomass production and flower development. Transgenic Res. 2010. Vol. 19. P. 269–283. doi: 10.1007/s11248-009-9309-5

Coleman H. D., Samuels A. L., Guy R. D., Mansfield S. D. Perturbed lignification impacts tree growth in hybrid poplar- a function of sink strength, vascular integrity, and photosynthetic assimilation. Plant Physiology. 2008. Vol. 148. P. 1229–1237.

Coruzzi G., Bush D. R. Nitrogen and carbon nutrient and metabolite signalling in plants// Plant Physiol. 2001. Vol. 125. P. 61–64. doi: 10.1104/pp.108.25500

Crawford N. M. Mechanisms for nitric oxide synthesis in plants. J. Exp. Bot. 2006. Vol. 57. P. 471–478. doi: 10.1093/jxb/erj050.

Galibina N. A., Novitskaya L. L., Krasavina M. S., Moshchenskaya Yu. L. Activity of sucrose synthase in trunk tissues of karelian birch during cambial growth. Russian Journal of Plant Physiology. 2015 a. Vol. 62, no. 3. P. 381–389. doi: 10.1134/S102144371503005X.

Galibina N. A., Novitskaya L. L., Krasavina M. S., Moshchenskaya Yu. L. Invertase activity in trunk tissues of Karelian birch. Russian Journal of plant physiology. 2015 b. Vol. 62, no.6. P. 804-813. doi: 10.1134/S1021443715060060.

Galibina N. A., Novitskaya L. L., Moshchenskaya Yu. L, Nikerova K. M., Abnormal morphogenesis of cambial zone in Karelian birch (Betula pendula Roth var. carelica). Godichnoe sobranie obshhestva fiziologov rastenij Rossii. Signal'nye sistemy rastenij: ot receptora do otvetnoj reakcii organizma (S.-Petresburg 21-24 June 2016 g.) [Annual meeting of Russian Society of Physiologists of plants. Signal system of plants: from the receptor to the response of organism]. S.-Petersburg, 2016 a. P.37-38.

Galibina N. A., Novitskaya L. L., Nikerova K. M. Excess of exogenous nitrates inhibits formation of abnormal wood in the Karelian birch. Russian Journal of Developmental Biology. 2016 b. Vol. 47, no. 2. P. 69-76. doi: 10.1134/S106236041602003X.

Gerber L., Zhang B., Roach M., Rende U., Gorzsas A., Kumar M., Burgert I., Niittylla T., Sundberg B. Deficient sucrose synthase activity in developing wood does not specifically affect cellulose biosynthesis, but causes an overall decrease in cell wall polymers. New Phytologist. 2014. Vol. 203. P. 1220–1230. doi: 10.1111/nph.12888.

Godt D. E., Roitsch T. The developmental and organ specific expression of sucrose cleaving enzymes in sugar beet suggests a transition between apoplasmic and symplasmic phloem unloading in the tap roots. Plant Physiol. Biochem. 2006. Vol. 44. P. 656–665. doi:10.1016/j.plaphy.2006.09.019.

Iraqi D., Le V. Q. Lamhamedi M. S., Tremblay F. M. Sucrose utilization during somatic embryo development in black spruce: involvement of apoplastic invertase in the tissue and of extracellular invertase in the medium. J. Plant Physiol. 2005. Vol. 162. P. 115–124. doi:10.1016/j.jplph.2003.06.001.

Koch K. E Sucrose metabolism: regulatory mechanisms and pivotal roles in sugar sensing and plant development. Current Opinion in Plant Biology. 2004. Vol. 7. P. 235–246. doi:10.1016/j.pbi.2004.03.014.

Nikitin A. V., Izmailov S. F. Enzymes of sucrose dissimilation as targets for nitrate in early ontogenesis of garden pea. Russian Journal of Plant Physiology. 2016. Vol. 63, no. 1, P. 152–157. doi: 10.1134/S1021443715060138.

Nilsson R., Bernfur K., Gustavsson N., Bygdell J., Wingsle G., Larsson C. Proteomics of plasma membranes from poplar trees reveals tissue distribution of transporters, receptors, and proteins in cell wall formation. Mol. Cell. Proteomics. 2010. Vol. 9. P. 368–387. doi: 10.1074/mcp.M900289-MCP200.

Novitskaya L. L. Karelian birch: mechanisms of growth and development of structural abnormalities. Petrozavodsk: Verso, 2008. 144 p.

Novitskaya L. L., Galibina N. A., Nikerova K. M. Sugar transport and storage in the phloem of Betula pendula Roth var. pendula and var. carelica. Transactions of the Russian Academy of Sciences. 2015. no. 12. P. 35-47. doi: 10.17076/eb216.

Ruan Y. L., Llewellyn D. J., Furbank R. T. Suppression of sucrose synthase gene expression represses cotton fiber cell initiation, elongation, and seed development. Plant Cell Online. 2003. Vol. 15. P. 952–964. doi: 10.1105/tpc.010108.

Sturm A., Tang G. Q. The sucrose-cleaving enzymes of plants are crucial for development, growth and carbon partitioning. Trends Plant Sci. 1999. Vol. 4. P. 401–407. doi:10.1016/S1360-1385(99)01470-3.

Tsay Y. F, Ho C. H, Chen H. Y, Lin S. H Integration of nitrogen and potassium signaling. Annu. Rev. Plant Biol. 2011, Vol. 62. P. 207–226. doi: 10.1146/annurev-arplant-042110-103837.

Wang L., Ruan Y. L. Shoot–root carbon allocation, sugar signalling and their coupling with nitrogen uptake and assimilation. Functional Plant Biology. 2016. Vol. 43, no. 2. P.105-113. doi: 10.1071/FP15249.

Winter H., Huber S. C. Regulation of Sucrose Metabolism in Higher Plants: localization and regulation of activity of key enzymes. Critical Reviews in Plant Sciences. 2000. Vol. 19. P. 31–67. doi: 10.1080/07352680091139178.




DOI: http://dx.doi.org/10.17076/eb461

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


© Труды КарНЦ РАН, 2014-2019