Влияние 1-аминоциклопропан-1-карбоксилат-дезаминазы на устойчивость растений к стрессовым условиям окружающей среды

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Биологический факультет

Кафедра генетики

 

 

 

ВЛИЯНИЕ 1-АМИНОЦИКЛОПРОПАН-1-КАРБОКСИЛАТ  –            ДЕЗАМИНАЗЫ НА УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ К СТРЕССОВЫМ УСЛОВИЯМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

 

 

Курсовая работа

студентки 3 курса

 Капацевич Н. А.

 

 

 

Научный руководитель:

Доцент кафедры  генетики

Кандидат биологических  наук

Храмцова Елена Аркадьевна

 

 

Минск

2010

 

Оглавление

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ…………………	……………………….	3
ВВЕДЕНИЕ
I. Обзор литературы
1.1. Растительный  гормон этилен и его роль в регулировании физиологических процессов в растении
1.1.1. Роль этилена  в растении
1.2.1. Биосинтез  этилена
1.2. Стимуляция  роста растений бактериями, синтезирующими  АЦК – дезаминазу
1.2.1. Роль бактериальной  АЦК – дезаминазы в снижении  уровня этилена в растении
1.2.3. Способность  к синтезу АЦК-дезаминазы у  ризосферных микроорганизмов
1.3. Влияние бактериального  гена acdS  на устойчивость растений к стрессовым факторам среды
1.4. Создание  трансгенных растений, несущих бактериальный ген acdS
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

 

Введение

Бактерии, стимулирующие  рост растений – это свободноживущие  почвенные и ризосферные микроорганизмы. Они обитают в ризосфере и находятся в тесной взаимосвязи с корнями растений. Бактерии, относящиеся к этой группе, оказывают положительное влияние на рост и развитие растений, а также способствуют сохранению плодородности почв (B. R. Glick, 1995). Бактерии, стимулирующие рост растений, ассоциированы со многими, если не со всеми, видами растений. Как правило, они обитают на поверхности корней растения и в тесно прилегающих к корням участках почвы – ризосфере (J. W. Kloepper, M. N. Schroth, 1978; J. W. Kloepper et. al., 1999).  Некоторые из бактерий могут проникать внутрь корня и образовывать там эндогенную популяцию (J. W. Kloepper et. al., 1999; E. J Gray, D. L. Smith, 2005). Далее такие бактерии могут перемещаться из коры корня в сосуды растения и распространяться по всему растению, населяя его органы (C. R. Bell et al., 1995; J. Hallman et al., 1997). Такие бактерии называются эндофитными. 

Бактерии, стимулирующие  рост растений, оказывают положительное  влияние на рост и развитие растений двумя путями (C. Bayliss et. al., 1997; B. R. Glick et. al., 1999; D. M. Penrose, B. R. Glick, 2001).

• Опосредованное действие бактерий обусловлено подавлением размножения патогенных почвенных микроорганизмов и предотвращением их негативного влияния на растение (Б. Глик, Дж. Пастернак, 2002). Механизмами такого действия бактерий являются: 1) конкуренция за экологическую нишу; 2) конкуренция за питательные вещества; 3) образование антибиотических веществ, ингибирующих жизнедеятельность патогенных микроорганизмов; 4) индукция системной устойчивости растения к широкому спектру патогенов (B. R. Glick, 1995; J. Hallman et al., 1997; A. V. Sturz, 2000; G. V.Bloemberg, B. J. J. Lugtenberg, 2001; C.Lodewyckx, 2002; S. Dobbelaere, 2003).
• К основным механизмам стимуляции роста растений микроорганизмами   «прямого действия» относятся: 1) фиксация атмосферного азота, который затем используется растением; 2) синтез сидерофоров, которые солюбилизируют и связывают железо из почвы и обеспечивают им растительные клетки; 3) солюбилизация других минеральных веществ (таких, как фосфор), которые затем используются растением; 4) синтез фитогормонов, ускоряющих различные стадии роста растений (ауксины, цитокинины); 5) синтез ферментов, способных регулировать количество растительных гормонов (M. E. Brown, 1974; J. Davison, 1988; J. W. Kloepper et. al., 1989; C. L. Patten, B. R. Glick, 1996; В. R. Glick et. al., 1998). Конкретный вид бактерий может оказывать влияние на рост и развитие растений, используя только один или несколько механизмов; кроме того, один вид бактерий может использовать различные механизмы в различных условиях.

Одним из главных механизмов, которые используются бактериями для стимуляции роста растений, является снижение уровня растительного гормона этилена путем дезаминирования непосредственного предшественника этилена 1-аминоциклопропан-1-карбоксилата (АЦК). Эту реакцию осуществляет фермент АЦК – дезаминаза, обнаруженный у многих почвенных бактерий. Благодаря активности этого фермента бактерии снижают негативный эффект этилена на растение, способствуют удлинению корней растения и образованию клубеньков. АЦК – дезаминаза играет важную роль во взаимодействии растения и микроорганизмов (N. Hontzeas et. al., 2004)

Цель: систематизировать данные о способности к синтезу почвенными и ризосферными бактериями фермента АЦК-дезаминазы и влиянии этого фермента на повышение устойчивости растений к стрессовым факторам среды.

Задачи:

Изучить и обобщить литературные данные о:

- влиянии фитогормона  этилена на различные физиологические  процессы                            в растении;

- биосинтезе  фитогормона этилена и  способах  его регуляции;

-способности  к синтезу АЦК-дезаминазы у  ризосферных микроорганизмов; 

- роли бактериальной  АЦК – дезаминазы в снижении  уровня этилена в растениях;

- использовании бактериальной АЦК-дезаминазы в создании трансгенных растений и перспективах внедрения таких растений в сельское хозяйство.

 

I ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Фитогормон  этилен и его роль в регулировании  физиологических процессов в  растении

1.1.1. Роль этилена в растении

Растительный  гормон  этилен является важной сигнальной молекулой, участвующей во многих процессах, происходящих в растениях, включая прорастание, развитие цветков, созревание плодов и реакцию на многие факторы окружающей среды (J. C. Stearns, B. R. Glick, 2003). Этилен необходим для нормального развития и роста растения. Он отвечает за за развитие цветков и плодов, изменения, происходящие в семенах при прорастании, осуществление растением некоторых защитных механизмов, а также участвует во взаимодействии с другими фитогормонами (F. B. Abeles et. al., 1992). С другой стороны, этилен ускоряет процессы старения, усиливает опадение листьев и плодов. Большое количество этилена подавляет удлинение корней, проростков, останавливает рост листьев у растений (В. В. Полевой, 1989; В. R. Glick et al., 1998). Этилен подавляет образование клубеньков у бобовых растений (W.Ma et. al., 2003).  Характерным эффектом этилена является пожелтение листьев, что связано с разрушением хлоропластов (В. В. Полевой, 1982). Кроме того, этилен может способствовать проявлению симптомов заболевания или усиливать действие факторов окружающей среды на растение (J. C. Stearns, B. R. Glick, 2003). Резко усиливается его выработка при стрессе и повреждении тканей (стрессовый этилен) (В. В. Полевой, 1989). Этилен является антагонистом действия оптимальных концентраций ауксина (ИУК), тормозит его транспорт (К. З. Гамбург, 1976; В. В. Полевой, 1989). Образование этилена индуцируется различными внешними факторами, включая вирусные инфекции, повреждения, обработку ауксином, засуху (S. F.Yang, N. E. Hoffman, 1984; F. B. Abeles, 1992; X. Liang et. al., 1996; A. B. Bleecker, H. Kende, 2000; B. P.Thomma et. al., 2001).

1.1.2. Биосинтез этилена в растении

Этилен синтезируется  в тканях большинства растений. У высших растений этилен синтезируется из L-метионина через образование промежуточных продуктов S-аденозил-L-метионин (SAM) и АЦК (рис. 1). Эти реакции катализируются SAM-синтетазой, превращающей метионин в SAM; АЦК-синтетазой, ответственной за гидролиз SAM до АЦК и 5'-метиладенозина, и АЦК-оксидазой, превращающей АЦК в этилен, диоксид углерода и цианид (рис.10) (B. R. Glick et al., 1998; W. Ma et al., 2002; D. M. Penrose, B. R. Glick, 2001). Лимитирующими скорость реакциями являются АЦК-синтетазная и АЦК-оксидазная. В частности, ИУК стимулирует экспрессию АЦК-синтетазных генов, а этилен – также и АЦК-оксидазных (W. Ma et al., 2002).Ферменты данных реакций кодируются многокопийными генами, экспрессия которых находится под контролем различных внешних и внутренних сигналов.

S-аденозилметионин

   аденозин          COOH

         |                    |

CH₃―S―CH₂―CH₂―C―NH₂

                              |

                              H

                 ║       

                 ║  AЦК - синтетаза   

                 ║

                 ▼              

                                        AЦК-дезаминаза  

1-аминоциклопропан-1-карбоксилат ═══► аммиак + α-кетобутират

 

             NH₃⁺  COO^-                                    NH₄ + CH₃―CH₂―C―COOH                           

                 \/                                                              ׀׀                 

                 С                                                              O

                 /\

            CH₂–CH₂

                 ║  AЦК-оксидаза

                 ║  ═══════════════►  CO₂ + NH₃ + HCOOH

                 ║

                 ▼

          Этилен

           CH₂ ═ CH₂

Рис.1. Путь биосинтеза этилена у растений (Б. Глик, Дж. Пастернак, 2002).

1.2. Стимуляция  роста растений бактериями, синтезирующими  АЦК – дезаминазу

1.2.1. Роль бактериальной  АЦК–дезаминазы в снижении уровня этилена в растении

Многие стратегии, которые используются для повышения урожайности сельскохозяйственных растений, направлены на снижение уровня этилена, синтезируемого растением. Для этого используются разные методы. Были созданы трансгенные растения, синтезирующие антисмысловые версии мРНК ферментов, необходимых для синтеза растением этилена. Кроме того, было обнаружено, что многие бактерии, стимулирующие рост растений, синтезируют фермент, способный регулировать уровень этилена в растении. Этот фермент, 1-аминоциклопропан-1-карбоксилат – дезаминаза, гидролизует 1-аминоциклопропан-1-карбоксилат – непосредственный  предшественник этилена при биосинтезе в растениях (Б. Глик, Дж. Пастернак, 2002).

В 1978 году из бактерий Pseudomonas sp. был выделен фермент, способный разлагать АЦК (M. Honma, T. Shimomura, 1978).  Позже этот фермент был выделен из других видов бактерий, а также из некоторых грибов и дрожжей, причем все они обитали в почве. Этот фермент разлагает предшественник этилена АЦК с образованием аммиака и α–кетобутирата, которые затем метаболизируются микроорганизмами. В 1998 году B. R. Glick et al. предположили, что микроорганизмы, способные синтезировать фермент АЦК – дезаминазу, могут усиливать рост растения, поскольку они используют в качестве источника азота АЦК, снижая таким образом уровень этилена в развивающемся или подверженном стрессу растении.

Была разработана модель, согласно которой бактерии, стимулирующие  рост растений, прикрепляются к поверхности  семени или корня развивающегося растения; в ответ на действие триптофана или других небольших молекул, содержащихся в выделениях растения, бактерии синтезируют и секретируют ИУК, часть которой поглощается растением (рис. 2). Эта ИУК, совместно с ИУК, синтезируемой растением, стимулирует рост растения и индуцирует синтез АЦК – синтазы, превращающей S- аденозилметионин в АЦК. АЦК, образовавшийся в результате в растении, выделяется из семян или корня, поглощается бактериями и затем разлагается АЦК – дезаминазой с образованием аммиака и α-кетобутирата. Это приводит к уменьшению количества АЦК снаружи растения, и растение должно выделять больше АЦК, чтобы поддерживать равновесие между количеством АЦК в самом растении и вне него. Таким образом, с одной стороны бактерии заставляют растение синтезировать больше АЦК, чем ему нужно, а с другой стимулируют выделение АЦК из растения и тем самым выводят АЦК из пути биосинтеза этилена. В результате уровень АЦК в растении снижается, что и приводит к уменьшению количества этилена (C. L. Patten, B. R. Glick, 1996; C. Bayliss et. al., 1997; D. M. Penrose, B. R. Glick, 2001; B. R. Glick, 2003).     

              Удлинение и деление клеток

                                         ▲

                                         │

                                         │       

                                       ИУК        ◄――――        ИУК

                                         │

  S- аденозилметионин  │

                                         ▼                                               

                      ║

                      ║          AЦК  – синтетаза 

                      ║

                      ▼

             АЦК                                    ――――►       АЦК                                                                                                            

               ║                                                           ║

               ║         АЦК –  оксидаза                       ║ AЦК - дезаминаза

               ║                                                           ║