Сигнальные системы клеток и их роль в жизнедеятельности растений. Сигнальные системы защитных реакций растений к патогенам Сигнальные системы клеток растений

Тарчевский И. А. Сигнальные системы клеток растений / отв. ред. А. Н. Гречкин. М. : Наука, 2002. 294 с.

УДК 633.11(581.14:57.04)

ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАСТЕНИЙ В АГРОПОПУЛЯЦИИ ПШЕНИЦЫ ПО КЛАССАМ ВАРИАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОДУКТИВНОСТИ КОЛОСА

А. А. Горюнов, М. В. Ивлева, С. А. Степанов

Условия вегетации существенно сказываются на распределении растений в агропопуляции твердой пшеницы по классам вариации числа колосков, количества зерновок колоса и их массы. Среди сортов саратовской селекции в условиях экстремального по агроклиматическим условиям года характерно разное число растений: стародавним сортам - небольших классов, новым сортам - больших классов вариации. Благоприятные агроклиматические условия повышают число растений, относимых к более высоким классам вариации элементов продуктивности колоса.

Ключевые слова: сорт, колосок, зерновка, пшеница.

FEATURES DISTRIBUTION OF PLANTS IN WHEAT AGROPOPULATION ON CLASSES OF THE VARIATION OF ELEMENTS EFFICIENCY OF THE EAR

A. A. Goryunov, M. V. Ivleva, S. A. Stepanov

Vegetation conditions essentially affect distribution of plants in agropopulation of durum wheat on classes of a variation number of spikelets, quantities kernels an ear and their weight. Among cultivars of the Saratov selection in the conditions of extreme year on agroclimatic conditions it is characteristic various number of plants: to age-old cultivars - the small classes, to new cultivars - the big classes of a variation. Favorable agroclimatic conditions raise number of the plants carried to higher classes of a variation of elements of efficiency of an ear.

Key words: cultivar, spikelet, kernel, wheat.

В морфогенезе пшеницы, по мнению исследователей (Морозова, 1983, 1986), можно выделить несколько фаз: 1) морфогенез апикальной части меристемы зародышевой почки, приводящий к формированию зачаточного главного побега; 2) морфогенез элементов фитомеров зачаточного главного побега в органы растения, определяющий габитус куста. Первая фаза (первичный органогенез - по Ростовцевой,1984) определяет как бы матрицу растения. Как установлено (Ростовцева, 1978; Морозова, 1986; Степанов, Мостовая, 1990; Adams, 1982), особенности прохождения первичных процессов органогенеза отражаются в последующем структурообразовании.

Формирование фитомеров вегетативной зоны зачаточного главного побега является, по мнению исследователей (Морозова, 1986, 1988), процессом видоспецифическим, тогда как развертывание элементов фитоме-ров зачаточного главного побега в функционирующие органы растений - процесс сортоспецифический. Процесс формирования фитомеров генеративной зоны побега - более сортоспецифический (Морозова, 1994).

Наиболее контрастно выражена значимость первичных морфоге-нетических процессов, т.е. заложение и формирование фитомеров вегетативной и генеративной зон побега пшеницы и их последующая реализация в соответствующих агроклиматических условиях при анализе структуры урожая по вариационным кривым элементов продуктивности побегов (Морозова,1983, 1986; Степанов, 2009). Этому предшествует выборочный учёт распределения растений в их агропопуляции по классам вариации отдельных элементов продуктивности, в частности количеству колосков, числу зерновок в колосе, массе зерновок колоса.

Материал и методика

Исследования проводились в 2007-2009 гг. В качестве объектов изучения были выбраны следующие сорта яровой твёрдой пшеницы саратовской селекции: Гордеиформе 432, Мелянопус 26, Мелянопус 69, Саратовская 40, Саратовская 59, Саратовская золотистая, Людмила, Валентина, Ник, Елизаветинская, Золотая волна, Аннушка, Крассар. Основные наблюдения и учеты проводились в полевых мелкоделяночных опытах на полях пристанционного селекционного севооборота НИИСХ Юго-Востока и Ботанического сада СГУ, повторность опытов 3-кратная. Для проведения структурного анализа продуктивности сортов пшеницы брали в конце вегетации по 25 растений из каждой повторности, которые затем объединяли в группу и методом случайной выборки отбирали из неё для анализа 25 растений. Учитывались число колосков, число зерен в колосках, масса одного зерна. На основании полученных данных опре-

деляли в соответствии с методикой З. А. Морозовой (1983) особенности распределения растений в агропопуляции твёрдой пшеницы по классам вариации элементов продуктивности колоса. Статистическую обработку результатов исследований проводили с использованием пакета программы Excel Windows 2007.

Результаты и их обсуждение

Как показали наши исследования, в условиях вегетации 2007 г. основное число главных побегов пшеницы сортов саратовской селекции по количеству колосков колоса находилось во 2- и 3-м классах вариации. Лишь незначительное число растений были отнесены к 1-му классу - 4% (табл. 1).

Таблица 1. Число побегов пшеницы сортов саратовской селекции по классам вариации количества колосков колоса, % (2007 г.)

Сорт Класс вариации

1-й 2-й 3-й 4-й 5-й

Гордеиформе 432 0 92 8 0 0

Мелянопус 26 4 76 20 0 0

Мелянопус 69 4 64 32 0 0

Саратовская 40 7 93 0 0 0

Стародавние 4 81 15 0 0

Саратовская 59 4 76 20 0 0

Саратовская золотистая 0 16 80 4 0

Людмила 8 44 48 0 0

Валентина 0 16 76 8 0

Ник 14 14 72 0 0

Елизаветинская 0 24 72 4 0

Золотая волна 8 16 52 24 0

Аннушка 0 20 64 16 0

Крассар 0 20 48 32 0

Новые 4 27 59 10 0

При анализе сортов по группам было установлено, что для стародавних сортов характерно большее число растений 2-го класса вариации (81%) и меньшее число растений 3-го класса вариации (15%). По группе новых сортов выявлено, что большее число растений относятся к 3-му классу вариации (59%), некоторая часть растений 4-го класса вариации (10%). Установлено, что у некоторых новых сортов число растений 4-го класса вариации больше 10% - Крассар (32%), Золотая волна (24%), Аннушка (16%), а у отдельных сортов их число меньше 10% (Валентина,

Саратовская золотистая, Елизаветинская) или не наблюдается вовсе - Саратовская 59, Людмила, Ник (см. табл. 1).

В условиях вегетации 2008 г., который отличался более благоприятным агроклиматическим состоянием, среди сортов саратовской селекции, как стародавних, так и новых, большее число растений по количеству колосков колоса были отнесены к 3-му классу вариации. Ни одного растения, как и в предшествующий год, не было представлено в 5-м классе вариации. Характерно, что, в отличие от новых сортов твердой пшеницы, большее число растений 2-го класса вариации отмечено у стародавних сортов - 41% (табл. 2).

Таблица 2. Число побегов пшеницы сортов саратовской селекции по классам вариации количества колосков колоса, % (2008 г.)

Сорт Класс вариации

1-й 2-й 3-й 4-й 5-й

Гордеиформе 432 12 20 60 8 0

Мелянопус 26 4 36 56 4 0

Мелянопус 69 4 48 48 0 0

Саратовская 40 4 60 28 8 0

Стародавние 6 41 48 5 0

Саратовская 59 28 48 24 0 0

Саратовская золотистая 0 28 64 8 0

Людмила 8 44 48 0 0

Валентина 4 28 64 4 0

Ник 4 28 68 0 0

Елизаветинская 8 36 52 4 0

Золотая волна 4 12 68 16 0

Аннушка 0 28 60 12 0

Крассар 8 28 32 32 0

Новые 7 32 52,5 8,5 0

Среди новых сортов твердой пшеницы выделялись сорта, для которых, как и в предыдущий год, характерно наличие части растений в 4-м классе вариации по количеству колосков колоса - Крассар (32%), Золотая волна (16%), Аннушка (12%), Саратовская золотистая (8%), Валентина (4%), Елизаветинская (4%), т. е. наблюдалась та же тенденция, что и в предыдущий, 2007 г. (см. табл. 2).

В условиях вегетации 2009 г. большая часть растений пшеницы сортов саратовской селекции по количеству колосков колоса была отнесена к 4-му и 3-му классам вариации: новые сорта - 45 и 43% соответственно, стародавние сорта - 30 и 51% соответственно. Характерно, что некото-

рым сортам свойственно наличие большего относительно среднего значения числа растений 4-го класса вариации - Аннушка (76%), Валентина (64%), Ник (56%), Золотая волна (52%), Саратовская 40 (48%). У некоторых сортов отмечены растения 5-го класса вариации - Золотая волна (12%), Крассар (8%), Людмила (8%), Гордеиформе 432 и Саратовская 40 - 4% (табл. 3).

Таблица 3. Число побегов пшеницы сортов саратовской селекции по классам вариации количества колосков колоса, % (2009 г.)

Сорт Класс вариации

Гордеиформе 432 4 12 52 28 4

Мелянопус 26 4 36 44 16 0

Мелянопус 69 0 8 64 28 0

Саратовская 40 0 4 44 48 4

Стародавние 2 15 51 30 2

Саратовская 59 0 28 48 24 0

Саратовская золотистая 4 8 72 16 0

Людмила 0 4 56 32 8

Валентина 0 0 36 64 0

Ник 4 4 36 56 0

Елизаветинская 4 12 40 44 0

Золотая волна 0 4 32 52 12

Аннушка 0 0 24 76 0

Крассар 0 8 40 44 8

Новые 1 8 43 45 3

Таким образом, проведенные исследования показали, что условия вегетации существенно сказываются на распределении растений в агро-популяции по классам вариации количества колосков колоса. Среди сортов саратовской селекции в условиях экстремального по агроклиматическим условиям года характерно большее число растений: стародавним сортам - 2-го класса, новым сортам - 3-го класса, а некоторым из них 4-го класса вариации. При благоприятных агроклиматических условиях повышается число растений, относимых к более высоким классам вариации по числу колосков колоса твердой пшеницы.

В условиях вегетации 2007 г. число главных побегов пшеницы сортов саратовской селекции по количеству зерновок колоса находилось во 1-м и 2-м классах вариации. Лишь часть растений некоторых сортов были отнесены к 3-, 4-и 5-му классам (табл. 4).

Сорт Класс вариации

1-й 2-й 3-й 4-й 5-й

Гордеиформе 432 96 4 0 0 0

Мелянопус 26 96 4 0 0 0

Мелянопус 69 92 8 0 0 0

Саратовская 40 93 7 0 0 0

Стародавние 94 6 0 0 0

Саратовская 59 80 20 0 0 0

Саратовская золотистая 20 48 32 0 0

Людмила 0 64 24 12 0

Валентина 48 36 16 0 0

Ник 28 62 10 0 0

Елизаветинская 48 48 4 0 0

Золотая волна 12 32 48 4 4

Аннушка 52 36 12 0 0

Крассар 88 8 4 0 0

Новые 42 39 17 1,5 0,5

При анализе сортов по группам было установлено, что для стародавних сортов характерно большее число растений 1-го класса вариации (94%) и очень незначительная доля растений 2-го класса вариации (6%). По группе новых сортов выявлено, что большее число растений отдельных сортов также относятся к 1-му классу вариации - Крассар (88%), Саратовская 59 (80%), Аннушка (52%), Валентина (48%), Елизаветинская (48%), отдельных сортов - ко 2-му классу вариации - Людмила (64%), Ник (62%), Саратовская золотистая (48%), Елизаветинская (48%) или же к 3-му классу - Золотая волна - 48% (см. табл. 3). У двух сортов отмечены растения 4-го класса вариации по количеству зерновок колоса - Людмила (12%) и Золотая волна - 4% (см. табл. 4).

В период вегетации 2008 г., который, как уже отмечалось ранее, отличался более благоприятными агроклиматическими условиями, среди сортов саратовской селекции, как стародавних, так и новых, большее число растений по количеству колосков колоса было отнесено ко 2- и 3-му классам вариации. Однако среди стародавних сортов два сорта отличались большим относительно средних значений числом растений 2-го класса - Саратовская 40 и Мелянопус 69 - соответственно 72 и 48%. Среди новых сортов 3 сорта также отличались большим относительно средних значений числом растений 2-го класса - Саратовская 59 и Валентина (72%), Людмила - 64%.

В отличие от предыдущего года среди сортов саратовской селекции характерно наличие некоторого числа растений, отнесенных к 4-му классу вариации по количеству зерновок колоса. Особенно это свойственно сортам Мелянопус 26, Елизаветинская, Людмила, Гордеиформе 432, Мелянопус 69, Ник, Аннушка (табл. 5).

Таблица 5. Число побегов пшеницы сортов саратовской селекции по классам вариации количества зерновок колоса, % (2008 г.)

Сорт Класс вариации

1-й 2-й 3-й 4-й 5-й

Гордеиформе 432 0 28 56 8 8

Мелянопус 26 0 24 48 24 4

Мелянопус 69 4 48 40 8 0

Саратовская 40 0 72 24 4 0

Стародавние 1 43 42 11 3

Саратовская 59 20 72 8 0 0

Саратовская золотистая 4 36 56 4 0

Людмила 0 64 24 12 0

Валентина 0 72 28 0 0

Ник 0 32 60 8 0

Елизаветинская 0 48 32 20 0

Золотая волна 12 32 48 4 4

Аннушка 4 44 40 8 4

Крассар 4 40 52 4 0

Новые 5 49 39 6 1

В условиях вегетации 2009 г. распределение растений пшеницы сортов саратовской селекции по количеству колосков колоса было различным в зависимости от групповой принадлежности - стародавние или новые сорта. По группе стародавних сортов большая часть растений были отнесены к 3- и 4-му классам вариации - 42,5% и 27% соответственно. У двух сорта, Мелянопус 26 и Мелянопус 69, наблюдались растения 5-го класса вариации по количеству зерновок колоса (табл. 6).

Среди новых сортов большая часть растений была отнесена к 3- и 2-му классам - 50,5 и 24% соответственно (табл. 6) . Характерно, что некоторым сортам свойственно наличие большего относительно среднего значения числа растений соответствующего класса: 2-го класса вариации - Саратовская 59 (56%), Елизаветинская (32%), Крассар (32%), Гордеиформе 32 (28%), Саратовская золотистая (28%); 3-го класса вариации - Валентина (72%), Аннушка (60%), Крассар (56%), Саратовская 40 (52%), Ник (52%), Елизаветинская (52%); 4-го класса вариации - Зо-

лотая волна (36%), Аннушка (32%), Саратовская золотистая и Людмила (20%). Примечательно, что в отличие от предыдущих лет в условиях 2009 г. часть растений половины сортов находилась в 5-м классе вариации по количеству зерновок колоса - Людмила, Ник, Золотая волна, Аннушка, Мелянопус 26 и Мелянопус 69 (см. табл. 6).

Таблица 6. Число побегов пшеницы сортов саратовской селекции по классам вариации количества зерновок колоса, % (2009 г.)

Сорт Класс вариации

1-й 2-й 3-й 4-й 5-й

Гордеиформе 432 12 28 28 32 0

Мелянопус 26 8 22 46 20 4

Мелянопус 69 12 8 44 32 4

Саратовская 40 4 20 52 24 0

Стародавние 9 19,5 42,5 27 2

Саратовская 59 12 56 24 8 0

Саратовская золотистая 4 28 48 20 0

Людмила 0 12 52 20 16

Валентина 4 20 72 4 0

Ник 8 24 52 8 8

Елизаветинская 4 32 52 12 0

Золотая волна 4 12 40 36 8

Аннушка 4 0 60 32 4

Крассар 12 32 56 0 0

Новые 6 24 50,5 15,5 4

Проведенные исследования показали, что условия вегетации существенно сказываются на распределении растений в агропопуляции по классам вариации количества зерновок колоса. Среди сортов саратовской селекции в условиях экстремального по агроклиматическим условиям года характерно большее число растений: стародавним сортам - 1-го класса, новым сортам -1-, 2- и 3-го классов, а некоторым из них 4-го класса вариации. При благоприятных агроклиматических условиях повышается число растений, относимых к более высоким классам вариации по числу зерновок колоса твердой пшеницы.

В условиях вегетации 2007 г. число главных побегов пшеницы сортов саратовской селекции по массе зерновок колоса находилось в 1- и 2-м классах вариации (табл. 7).

При анализе сортов по группам было установлено, что для некоторых стародавних сортов число растений 1-го класса вариации составляло

100% - Гордеиформе 432 и Мелянопус 26,93% - Саратовская 40. Существенно отличался в этом плане стародавний сорт Мелянопус 69, для которого характерно большее число растений 2-го класса - 80%. По группе новых сортов выявлено, что некоторым сортам свойственно большее относительно среднего значения число растений соответствующего класса: 1-го класса - Золотая волна (96%), Саратовская 59 (80%), Крассар (76%), Аннушка (68%); 2-го класса - Ник (52%), Людмила (48%), Саратовская золотистая (44%), Валентина и Елизаветинская (40%); 3-го класса вариации - Людмила (28%), Саратовская золотистая (24%), Ник (14%), Валентина - 12%. Примечательно, что у двух сортов, Людмила и Валентина, наблюдались растения 5-го класса вариации по массе зерновок колоса -соответственно 12 и 4% (см. табл. 7).

Таблица 7. Число побегов пшеницы сортов саратовской селекции по классам вариации массы зерновок, % (2007 г.)

Сорт Класс вариации

1-й 2-й 3-й 4-й 5-й

Гордеиформе 432 100 0 0 0 0

Мелянопус 26 100 0 0 0 0

Мелянопус 69 4 80 16 0 0

Саратовская 40 93 7 0 0 0

Стародавние 74 22 4 0 0

Саратовская 59 80 16 4 0 0

Саратовская золотистая 32 44 24 0 0

Людмила 12 48 28 12 0

Валентина 44 40 12 4 0

Ник 28 52 14 6 0

Елизаветинская 56 40 4 0 0

Золотая волна 96 4 0 0 0

Аннушка 68 32 0 0 0

Крассар 76 20 4 0 0

Новые 55 33 9,5 2,5 0

В условиях вегетации 2008 г. наблюдалось разное число растений соответствующего класса вариации по массе зерновок колоса. Среди стародавних сортов саратовской селекции большее число растений по этому элементу продуктивности соответствовало 2-му классу вариации - 48%, среди новых сортов - 3- и 2-му классам вариации - соответственно 38 и 36%. Некоторое число растений соответствующих сортов распределено в 4- и 5-м классах вариации (табл. 8).

Сорт Класс вариации

1-й 2-й 3-й 4-й 5-й

Гордеиформе 432 12 48 32 4 4

Мелянопус 26 0 32 44 12 12

Мелянопус 69 16 60 20 4 0

Саратовская 40 24 52 12 8 4

Стародавние 13 48 27 7 5

Саратовская 59 48 48 4 0 0

Саратовская золотистая 4 24 64 4 4

Людмила 12 48 28 12 0

Валентина 4 36 56 0 4

Ник 12 44 32 12 0

Елизаветинская 8 36 36 20 0

Золотая волна 8 28 40 20 4

Аннушка 8 36 36 16 4

Крассар 4 28 48 20 0

Новые 12 36 38 12 2

Некоторые саратовские сорта отличались большим относительно среднего значения представительством растений соответствующего класса вариации по массе зерновок колоса: 1-го класса - Саратовская 59 (48%), Саратовская 40 (24%), Мелянопус 69 (16%); 2-го класса - Мелянопус 69 (60%), Саратовская 40 (52%), Саратовская 59 и Людмила (48% соответственно), Ник (44%); 3-го класса - Саратовская золотистая (64%), Валентина (56%), Крассар (48%), Мелянопус 26 (44%); 4-го класса - Елизаветинская, Золотая волна и Крассар (20% соответственно); 5-го класса вариации - Мелянопус 26 - 12% (см. табл. 8).

В условиях вегетации 2009 г. большая часть растений пшеницы сортов саратовской селекции по массе зерновок колоса была отнесена к 3- и 4-му классам вариации. Причём средние значения классов вариации группы стародавних сортов и группы новых сортов существенно различались. В частности, стародавние сорта отличались большим представительством растений 3- и 4-го классов вариации - 41,5 и 29,5% соответственно, новые сорта отличались преимущественным присутствием в агропопуляции растений 4- и 3-го классов вариации - 44 и 26% соответственно. Обращает на себя внимание значительное число растений 5-го класса вариации по массе зерновок колоса, что особенно свойственно сортам Крассар (32%), Валентина (24%), Золотая волна (20%), Саратовская 40-16% (табл. 9).

Сорт Класс вариации

1-й 2-й 3-й 4-й 5-й

Гордеиформе 432 4 16 48 32 0

Мелянопус 26 4 28 38 18 12

Мелянопус 69 0 8 48 40 4

Саратовская 40 4 20 32 28 16

Стародавние 3 18 41,5 29,5 8

Саратовская 59 14 36 38 8 4

Саратовская золотистая 4 8 28 52 8

Людмила 0 0 12 80 8

Валентина 0 8 28 40 24

Ник 8 20 28 36 8

Елизаветинская 0 20 24 44 12

Золотая волна 0 16 32 32 20

Аннушка 4 8 32 56 0

Крассар 0 8 12 48 32

Новые 3 14 26 44 13

Так же как и в другие годы, некоторые сорта отличались большим относительно среднего значения представительством растений соответствующего класса вариации по массе зерновок колоса: 1-го класса - Саратовская 59 (14%); 2-го класса - Саратовская 59 (36%), Мелянопус 26 (28%), Саратовская 40, Ник и Елизаветинская (соответственно 20%); 3-го класса вариации - Гордеиформе 432 и Мелянопус 69 (48% соответственно), Саратовская 59 (38%), Золотая волна и Аннушка (32% соответственно); 4-го класса вариации - Людмила (80%), Аннушка (56%), Саратовская золотистая (52%), Крассар (48%), Мелянопус 69-40% (см. табл. 9).

Таким образом, проведенные исследования показали, что на распределение растений в агропопуляции по классам вариации массы зерновок колоса существенно влияют условия вегетации. Для большинства стародавних сортов в экстремальных условиях вегетации число растений 1-го класса составляет 93-100%, тогда как новые сорта выгодно отличаются существенным представительством растений 2- и 3-го классов. В благоприятных условиях вегетации доля растений более высокого класса вариации увеличивается, но для новых сортов сохраняется та же тенденция - большее число растений более высоких классов вариации по массе зерновок колоса по сравнению со стародавними сортами.

Морозова З. А. Морфогенетический анализ в селекции пшеницы. М. : МГУ, 1983. 77 с.

Морозова З. А. Основные закономерности морфогенеза пшеницы и их значение для селекции. М. : МГУ, 1986. 164 с.

Морозова З. А. Морфогенетический аспект проблемы продуктивности пшеницы // Морфогенез и продуктивность растений. М. : МГУ, 1994. С. 33-55.

Ростовцева З. П. Влияние фотопериодической реакции растения на функцию верхушечной меристемы в вегетативном и генеративном органогенезе // Свет и морфогенез растений. М., 1978. С. 85-113.

Ростовцева З. П. Рост и дифференцировка органов растения. М. : МГУ 1984. 152 с.

Степанов С. А., Мостовая Л. А. Оценка продуктивности сорта по первичному органогенезу побега пшеницы // Продукционный процесс, его моделирование и полевой контроль. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1990. С. 151-155.

Степанов С. А. Морфогенетические особенности реализации продукционного процесса у яровой пшеницы // Изв. СГУ Сер., Химия, биология, экология. 2009. Т. 9, вып.1. С. 50-54.

Adams M. Plant development and crop productivity // CRS Handbook Agr. Productivity. 1982. Vol.1. P. 151-183.

УДК 633.11: 581.19

Ю. В. Даштоян, С. А. Степанов, М. Ю. Касаткин

Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83 e-mail: [email protected]

Установлены особенности в содержании пигментов различных групп (хлорофиллов а и b, каротиноидов), как и соотношения между ними в листьях пшеницы, принадлежащих разным фитомерам побега. Минимальное или максимальное содержание хлорофиллов и каротиноидов может наблюдаться в различных листьях, что зависит от условий вегетации растений.

Ключевые слова: фитомер, хлорофилл, каротиноид, лист, пшеница.

STRUCTURE AND THE MAINTENANCE OF PIGMENTS OF PHOTOSYNTHESIS IN THE PLATE OF LEAVES OF WHEAT

Y. V. Dashtojan, S. A. Stepanov, M. Y. Kasatkin

Features in the maintenance of pigments of various groups (chlorophyll а and chlorophyll b, carotenoids), as well as parities between them in the leaves of wheat

БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, 2000, том 26, № 10, с. 779-781

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ -

СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КЛЕТОК И ГЕНОМ © 2000 г. А. И. Гречкин#, И. А. Тарчевский

Казанский институт биохимии и биофизики РАН, Казань; Институт биохимии имени А.Н. Баха РАН, Москва

Прогнозы о будущем молекулярной и клеточной биологии до 2000 года, сделанные Ф. Криком в 1970 году, были достаточно смелыми. Задача изучения генома представлялась гигантской и долговременной, однако концентрация огромных научных и финансовых ресурсов привела к быстрому решению многих проблем, стоявших 30 лет назад перед молекулярной биологией и молекулярной генетикой. В то время было еще сложнее предвидеть прогресс в области клеточной биологии. За прошедшие годы в значительной степени стерлась грань между клеточным и молекулярным уровнями исследований. В 1970 году, например, не существовало представления о клеточных сигнальных системах, которое достаточно четко оформилось лишь к середине 80-х годов. В настоящей статье будет сделана попытка осветить существующее состояние и перспективы развития исследований сигнальных систем клеюк - одного из важнейших направлений современной биологии, объединяющих биохимию, биоорганическую химию, молекулярную биологию, молекулярную генетику, физиологию растений и микроорганизмов, физиологию человека и животных, медицину, фармакологию, биотехнологию.

Исследования последних лет показали, что между сигнальными системами и геномом существует двусторонняя связь. С одной стороны, ферменты и белки сигнальных систем закодированы в геноме, с другой - сигнальные системы управляют геномом, экспрессируя одни и супресси-руя другие гены. Сигнальные молекулы, как правило, отличаются быстрым метаболическим оборотом и малым временем жизни. Исследования, связанные с сигнальными системами, интенсивно развиваются, но молекулярные механизмы сигнальных связей остаются во многом не выясненными. В этом направлении многое предстоит сделать в следующие два-три десятилетия.

Общие принципы работы сигнальных систем в значительной степени универсальны. Универсальность ДНК, "главной" молекулы жизни, определяет сходство механизмов ее обслуживания в клетках микроорганизмов, растений и животных. В последние годы все больше утверждается универсальность механизма передачи экстраклеточ-

ных сигналов в генетический аппарат клетки. Этот механизм включает рецепцию, преобразование, умножение и передачу сигнала на промо-торные участки генов, репрограммирование экспрессии генов, изменение спектра синтезируемых белков и функциональный ответ клеток, например, у растений - повышение устойчивости к неблагоприятным экологическим факторам или иммунитета к патогенам. Универсальным участником сигнальных систем является блок протеин-киназы-фосфопротеинфосфатазы, определяющий активность многих ферментов, а также белкового фактора регуляции транскрипции (взаимодействующего с промоторными участками генов), от которого зависит изменение интенсивности и характера репрограммирования экспрессии генов, что, в свою очередь, определяет функциональный ответ клетки на сигнал.

В настоящее время выявлено, как минимум, семь видов сигнальных систем: циклоаденилат-

ная, МАР*-киназная, фосфатидатная, кальциевая, оксилипиновая, супероксидсинтазная и N0-синтазная . В первых шести системах (рисунок, сигнальный путь 1) белковые рецепторы сигналов, имеющие универсальный тип структуры, "пмонтированы" в клеточную мембрану и воспринимают сигнал вариабельным экстраклеточным К-доменом. При этом происходит изменение конформации белка, в том числе его цитоплазма-тического С-участка, что приводит к активации ассоциированного с ним в-белка и передаче импульса возбуждения на первый фермент и последующие интермедиа™ сигнальной цепи.

Не исключено, что некоторые первичные сигналы действуют на рецепторы, локализованные в цитоплазме и связанные сигнальными путями с геномом (рисунок, сигнальный путь 2). Интересно, что в случае.МО-сигнальной системы этот путь включает локализованный в клеточной мембране фермент Ж)-синтазу (рисунок, сигнальный путь 4-3). Некоторые физические или химические сигналы могут взаимодействовать непосредственно с липидной составляющей клеточной мембраны, вызывая ее модификацию, что приводит к изменению конформации рецепторного белка и вклю-

*МАР - mitogen activated protein, активируемый митогеном белок.

ГРЕЧКИН, ТАРЧЕВСКИЙ

Схема разнообразия сигнальных путей клеток. Обозначения: 1,5,6- рецепторы, локализованные в клеточной мембране; 2,4- рецепторы, локализованные в цитоплазме; 3 - ИО-синтаза, локализованная в клеточной мембране; 5 - рецептор, активируемый изменением конформации липидной фазы мембраны; ФРТ - факторы регуляции транскрипции; СИБ - сигналиндуцированные белки.

чению сигнальной системы (рисунок, сигнальный путь 5).

Известно, что восприятие сигнала рецепторами клеточной мембраны приводит к быстрому изменению проницаемости ее ионных каналов. Более того, считается, например, что сигналинду-цируемое изменение концентрации протонов и других ионов в цитоплазме может играть роль ин-термедиатов в сигнальной системе, индуцируя в итоге синтез сигналзависимых белков (рисунок, сигнальный путь 6).

О результатах функционирования сигнальных систем у растений можно судить по патоген(эли-ситор)-индуцируемым белкам, которые подразделяются на несколько групп по тем функциям, которые они выполняют. Одни являются участниками сигнальных систем растений, и их интенсивное образование обеспечивает расширение сигнальных каналов, другие ограничивают питание патогенов, третьи катализируют синтез низкомолекулярных антибиотиков - фитоалексинов, четвертые - реакции укрепления клеточных стенок растений. Функционирование всех этих патоген-индуцированных белков может существенно ограничивать распространение инфекции по растению. Пятая группа белков вызывает деградацию клеточных стенок грибов и бактерий, шестая дезорганизует функционирование их клеточной мембраны, изменяя ее проницаемость для ионов, седьмая подавляет работу белоксинтезирующей машины, блокируя синтез белков на рибосомах грибов и бактерий или действуя на вирусную РНК.

эволюционно более молоды, так как при их функционировании используется молекулярный кислород. Последнее привело к тому, что к важнейшей функции передачи информации об экстраклеточном сигнале в геном клетки добавилась еще одна, связанная с появлением активных форм липидов (в случае оксилипиновой системы), кислорода (во всех трех случаях) и азота (в случае ЫО-сигнальной системы). Сопутствующие этим трем системам реакции с участием молекулярного кислорода отличаются очень высокой скоростью, что характеризует их как "системы быстрого реагирования". Многие продукты этих систем цитотоксичны и могут подавлять развитие патогенов или убивать их, приводить к некрозу инфицированных и соседних клеток, затрудняя тем самым проникновение патогенов в ткань.

К числу наиболее важных сигнальных систем относится оксилипиновая сигнальная система, широко распространенная у всех эукариотических организмов . Недавно введенный термин "оксилипины" обозначает продукты окислительного метаболизма полиеновых жирных кислот независимо от их структурных особенностей и длины цепи (С18, С20 и другие). Оксилипины выполняют не только функцию сигнальных медиаторов при передаче преобразованной информации к геному клетки, но и ряд других функций. Ко времени выхода статьи Ф. Крика были известны ферменты липоксигеназы и сравнительно небольшое количество оксилипинов, например некоторые простагландины. За прошедшие тридцать лет не только был выяснен циклооксигеназный путь биосинтеза простагландинов, но и обнаруже-

СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КЛЕТОК И ГЕНОМ

ны многие новые биорегуляторы-оксилипины. Оказалось, что простаноиды и другие эйкозанои-ды (продукты метаболизма С20-жирных кислот) поддерживают гомеостаз у млекопитающих на клеточном и организменном уровнях, контролируют многие жизненно важные функции, в частности, сокращение гладкой мускулатуры, свертывание крови, деятельность сердечно-сосудистой, пищеварительной и дыхательной систем, воспалительные процессы, аллергические реакции. Первая из перечисленных функций, контроль сокращений гладкой мускулатуры, совпадает с одним из предсказаний Ф. Крика, прогнозировавшего расшифровку механизмов функционирования мышц.

Одним из перспективных направлений является исследование оксилипиновой сигнальной системы и ее роли у растений и немлекопитающих. Интерес к этой области связан во многом с тем, что метаболизм оксилипинов у млекопитающих и растений имеет больше различий, чем сходства. За последние тридцать лет были достигнуты заметные успехи в изучении оксилипинового сигнального метаболизма у растений . Некоторые из обнаруженных оксилипинов контролируют рост и развитие растений, участвуют в формировании местной и системной устойчивости к патогенам и в адаптации к действию неблагоприятных факторов.

Особый интерес представляют факты управления сигнальными системами экспрессией генов, кодирующих белковые интермедиа™ самих сигнальных систем. Это управление включает автокаталитические циклы или, в случае экспрессии генов фосфопротеинфосфатаз, приводит к подавлению той или иной сигнальной системы. Было обнаружено, что может происходить сигна-линдуцируемое образование как начальных белковых участников сигнальных цепей - рецепторов, так и конечных - факторов регуляции транскрипции. Имеются данные и об элиситориндуцируемой активации синтеза белковых промежуточных ин-термедиатов сигнальных систем, вызванной, например, экспрессией генов МАР-киназы, кальмо-дулина, различных липоксигеназ, циклооксигена-зы, ]ЧО-синтазы, протеинкиназ и т.д.

Геном и сигнальная сеть клетки образуют сложную самоорганизующуюся систему, своеобразный биокомпьютер. В этом компьютере жестким носителем информации является геном, а сигнальная сеть играет роль молекулярного процессора, выполняющ

Чтобы сузить результаты поисковой выдачи, можно уточнить запрос, указав поля, по которым производить поиск. Список полей представлен выше. Например:

Можно искать по нескольким полям одновременно:

Логически операторы

По умолчанию используется оператор AND .
Оператор AND означает, что документ должен соответствовать всем элементам в группе:

исследование разработка

Оператор OR означает, что документ должен соответствовать одному из значений в группе:

исследование OR разработка

Оператор NOT исключает документы, содержащие данный элемент:

исследование NOT разработка

Тип поиска

При написании запроса можно указывать способ, по которому фраза будет искаться. Поддерживается четыре метода: поиск с учетом морфологии, без морфологии, поиск префикса, поиск фразы.
По-умолчанию, поиск производится с учетом морфологии.
Для поиска без морфологии, перед словами в фразе достаточно поставить знак "доллар":

$ исследование $ развития

Для поиска префикса нужно поставить звездочку после запроса:

исследование*

Для поиска фразы нужно заключить запрос в двойные кавычки:

" исследование и разработка"

Поиск по синонимам

Для включения в результаты поиска синонимов слова нужно поставить решётку "# " перед словом или перед выражением в скобках.
В применении к одному слову для него будет найдено до трёх синонимов.
В применении к выражению в скобках к каждому слову будет добавлен синоним, если он был найден.
Не сочетается с поиском без морфологии, поиском по префиксу или поиском по фразе.

# исследование

Группировка

Для того, чтобы сгруппировать поисковые фразы нужно использовать скобки. Это позволяет управлять булевой логикой запроса.
Например, нужно составить запрос: найти документы у которых автор Иванов или Петров, и заглавие содержит слова исследование или разработка:

Приблизительный поиск слова

Для приблизительного поиска нужно поставить тильду "~ " в конце слова из фразы. Например:

бром~

При поиске будут найдены такие слова, как "бром", "ром", "пром" и т.д.
Можно дополнительно указать максимальное количество возможных правок: 0, 1 или 2. Например:

бром~1

По умолчанию допускается 2 правки.

Критерий близости

Для поиска по критерию близости, нужно поставить тильду "~ " в конце фразы. Например, для того, чтобы найти документы со словами исследование и разработка в пределах 2 слов, используйте следующий запрос:

" исследование разработка"~2

Релевантность выражений

Для изменения релевантности отдельных выражений в поиске используйте знак "^ " в конце выражения, после чего укажите уровень релевантности этого выражения по отношению к остальным.
Чем выше уровень, тем более релевантно данное выражение.
Например, в данном выражении слово "исследование" в четыре раза релевантнее слова "разработка":

исследование^4 разработка

По умолчанию, уровень равен 1. Допустимые значения - положительное вещественное число.

Поиск в интервале

Для указания интервала, в котором должно находиться значение какого-то поля, следует указать в скобках граничные значения, разделенные оператором TO .
Будет произведена лексикографическая сортировка.

Такой запрос вернёт результаты с автором, начиная от Иванова и заканчивая Петровым, но Иванов и Петров не будут включены в результат.
Для того, чтобы включить значение в интервал, используйте квадратные скобки. Для исключения значения используйте фигурные скобки.