Физиология растений, 2021, T. 68, № 4, стр. 402-411

ВВЕДЕНИЕ

Низкотемпературное закаливание растений рассматривается как процесс формирования свойств холодо- и морозостойкости растений в соответствующих генотипу условиях и всегда сопровождается перестройкой ультраструктуры клеток и хлоропластов [1]. Изменения в ультраструктурной организации хлоропластов имеют особое значение, поскольку считается, что они направлены на сохранение фотосинтеза и обеспечение растений ассимилятами при низких температурах, что является необходимым условием приобретения устойчивости к холоду [2].

В литературе имеются многочисленные и довольно противоречивые сведения, касающиеся изменения ультраструктуры хлоропластов в условиях низких температур. Наиболее характерные особенности реорганизации хлоропластов при низкотемпературном закаливании можно разделить на три группы. К первой относятся изменения размеров и формы хлоропластов, ко второй – изменения мембранной системы хлоропластов, а к третьей группе – изменения числа и размеров пластоглобул и крахмальных зерен [3]. Ряд авторов наблюдали увеличение площади хлоропластов у теплолюбивых растений огурца [4] и фасоли [5], холодостойких растений картофеля [6] и у морозостойкой озимой пшеницы [7].

Изменения структуры мембранной системы хлоропластов в условиях низких температур описаны для разных видов растений. Так, у теплолюбивых растений табака за время низкотемпературного закаливания происходило снижение числа гран в хлоропласте одновременно с уменьшением площади одной граны, что приводило к 30% снижению суммарной площади гран в хлоропластах [8]. Хлоропласты растений ячменя в условиях закаливающей температуры демонстрировали уменьшение числа тилакоидов в гране, причем расположение тилакоидов становилось более плотным, с заметным уменьшением пространства между ними [9]. У растений морозостойкой озимой пшеницы наблюдали уменьшение площади гран в хлоропластах и снижение количества тилакоидов в гране при закаливании [10]. Как правило, такие изменения в мембранной системе растений трактуются с точки зрения защиты от фотоингибирования ФС II, компоненты которой в основном локализованы в тилакоидах граны [11].

Пластоглобулы, по современным представлениям, рассматриваются как липопротеидные частицы, включающие белки, триацилглицерины, токоферолы, а также свободные жирные кислоты [12]. Пластоглобулы в хлоропластах служат для накопления резервных высокоэнергетических метаболитов, участвуют в формировании тилакоидных мембран, регуляции фотосинтеза и метаболизме жасмоновой кислоты [12]. Как правило, при закаливании происходит увеличение площади и числа пластоглобул у морозостойких растений, таких как озимая пшеница и рожь [13]. У теплолюбивых растений наблюдали как увеличение числа пластоглобул (у фасоли [14]), так и полное их отсутствие (у томата и огурца [15]).

Площадь и количество крахмальных зерен в хлоропластах очень динамично изменяются в ответ на действие холода. Даже у одного вида растений (Arabidopsis thaliana Heynh. (L.) одни исследователи наблюдали гидролиз крахмальных зерен в хлоропластах [16], а другие фиксировали накопление крахмала в хлоропластах при закаливании [17].

Таким образом, представленные в литературе противоречивые данные не позволяют сделать однозначный вывод о роли изменений ультраструктуры хлоропластов в низкотемпературном закаливании теплолюбивых и морозостойких растений. Результаты экспериментов сильно варьируют в зависимости от видовой специфики, возраста растений и режимов низкотемпературного закаливания. В связи с этим, целью нашей работы было сравнительное исследование изменений ультраструктуры хлоропластов двух контрастных по отношению к температуре видов растений: экстремально теплолюбивого огурца и морозостойкой озимой ржи в связи с их способностью осуществлять фотосинтез в условиях кратковременного (5 сут) низкотемпературного закаливания. У обоих видов растений, наряду с ультраструктурной организацией хлоропластов, изучали холодоустойчивость, СО₂-газообмен и изменения в накоплении растворимых сахаров в результате низкотемпературного закаливания.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Растительный материал. Объектами исследования являлись теплолюбивые растения огурца обыкновенного (Cucumis sativus L., сорт Конкурент) и морозостойкие растения ржи посевной озимой (Secale cereale L., сорт Пурга). Растения выращивали в вазонах с почвой объемом 250 мл в камерах фитотрона ИФР РАН при температуре 22°С, 16-часовом фотопериоде и освещенности 100 мкмоль/(м² с). Возраст растений в начале экспериментов составлял 4 недели. Закаливание растений проводили в течение 5 сут в климатической камере KBW-240 (“Binder”, Германия) при следующих условиях: огурец – температура +12°С, 16-часовой фотопериод и освещенность 100 мкмоль/(м² с), озимая рожь – температура +2°С, 16-часовой фотопериод и освещенность 100 мкмоль/(м²с). Данные режимы закаливания были подобраны в ходе предварительных опытов. Контрольные растения оставляли при температуре 22°С в камерах фитотрона ИФР РАН.

Устойчивость растений к гипотермии. Для оценки устойчивости C. sativus и S. cereale к низким температурам незакаленные и закаленные растения обоих видов тестировали в климатической камере MIR-153 (“Sanyo”, Япония) в ходе трех отдельных экспериментов: 3°С 1 сут, 0°С 1 сут, –3°С 1 сут для огурца и –3°С 1 сут, –6°С 1 сут, –9°С 1 сут для озимой ржи. Степень устойчивости незакаленных и закаленных растений оценивали по выходу электролитов (в %) из листовой ткани в водную фазу. Для этого электропроводность водных экстрактов определяли при помощи кондуктометра SG7-ELK (“Mettler Toledo”, Швейцария). Выход электролитов из тканей листьев (V, в %) рассчитывали по формуле: V = 100 × (L_о/L_k), где L_о – электропроводность исследуемого образца до или после холодовой экспозиции и L_k – электропроводность того же образца после кипячения [18].

Электронно-микроскопическое исследование ультраструктуры хлоропластов. Для получения препаратов для микроскопии использовали фрагменты из срединной части четвертого листа C. sativus и S. сereale. Фрагменты листьев незакаленных и закаленных растений отбирали в середине светового дня и фиксировали в течение четырех часов 2.5% глутаровым альдегидом в 0.1 М фосфатном буфере (pH 7.4) при температуре 4°С. После 4‑кратной промывки фосфатным буфером материал фиксировали 1% водным раствором OsO₄, обезвоживали последовательно растворами этанола в возрастающих концентрациях и ацетоном, а затем заливали в Epon-812. Ультратонкие срезы листьев растений получали на ультрамикротоме LKB3 (“LKB”, Швеция). Срезы просматривали при помощи электронного микроскопа LIBRA120 (“ZEISS”, Германия) сначала при увеличении ×400 для отбора клеток столбчатого мезофилла листьев огурца и первого субэпидермального слоя мезофилла листьев озимой ржи, а затем в отобранных клетках просматривали хлоропласты при увеличении ×4000. Морфометрию хлоропластов проводили при помощи встроенного программного обеспечения электронного микроскопа LIBRA120 (“ZEISS”, Германия), при этом просматривали не менее 150 хлоропластов каждого варианта [19]. Измеряли площадь среза хлоропласта, граны, крахмального зерна, пластоглобулы, а также число гран, крахмальных зерен и пластоглобул на срезе хлоропласта. Суммарную длину мембран тилакоидов в хлоропласте определяли путем сложения длин мембран гранальных и стромальных тилакоидов. Коэффициент гранальности хлоропластов рассчитывали как отношение длины мембран гранальных тилакоидов к длине мембран тилакоидов, имеющих контакт со стромой.

СО₂-газообмен растений. Измерение СО₂-газообмена растений C. sativus и S. сereale проводили на установке открытого типа с инфракрасным газоанализатором URAS 2T (Германия) при интенсивности освещения 500 мкмоль/(м² с) для огурца и 800 мкмоль/(м² с) для озимой ржи. Содержание СО₂ в продуваемом через листовую камеру воздухе составляло 380 ppm. Измерения проводили у контрольных растений огурца и озимой ржи (при температуре 22°С) и у растений после процедуры низкотемпературного закаливания (при температурах 12°С для огурца и 2°С для озимой ржи), т.е. при температурах, идентичных температурам вегетации и холодового закаливания. Длительность единичного измерения составляла не менее 20 мин на свету после достижения постоянной скорости ассимиляции СО₂ и 20 мин после выключения света. Определение сухой массы листьев проводили путем их высушивания при температуре 80°С до постоянного веса. Измерения газообмена включали определение скорости видимой ассимиляции СО₂ и темнового дыхания, которые выражали в мг СО₂/(г сухой массы ч). На основе этих параметров рассчитывали отношение видимый фотосинтез/темновое дыхание [20].

Определение содержания сахаров. Навески листьев и корней C. sativus и S. сereale (~500 мг) отбирали в середине светового дня и фиксировали 96% кипящим этанолом. Ткань растирали в фарфоровой ступке и сахара извлекали трехкратной экстракцией 80% этанолом. В полученных экстрактах определяли содержание глюкозы – глюкозооксидазным методом, сахарозы и фруктозы – по методу Рое. Полученные результаты выражали в мг/г сухой массы [21].

Во всех экспериментах биологическая повторность измерений была 6-кратной, аналитическая – 3–4-кратной. Каждый эксперимент повторяли не менее 3–4 раз. При морфометрических исследованиях обработку полученных результатов проводили на основании данных по 150 хлоропластам каждого варианта. Результаты экспериментов обработаны статистически с помощью программы SigmaPlot 12.3. На гистограммах представлены средние значения и их стандартные ошибки. Достоверность различий между средними значениями оценена по t-критерию Стьюдента для 95% уровня значимости (P < 0.05). Достоверно различающиеся между собой величины обозначены разными надстрочными буквами.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Устойчивость растений C. sativus и S. cereale к гипотермии

Данные по выходу электролитов из листьев исследуемых растений представлены на рисунках 1 и 2. Выход электролитов у растений огурца при температурах вегетации (22°С) и закаливания (12°С) находился на уровне 9 – 10%. Незакаленные растения огурца демонстрировали 5-кратный рост выхода электролитов (до 50%) уже после обработки низкой положительной температурой 3°С в течение 1 сут. При температурах 0 и –3°С выход электролитов достигал 87–92%, и все незакаленные растения погибали. Растения огурца, прошедшие процедуру низкотемпературного закаливания, сохраняли свою жизнеспособность после действия температур 3 и 0°С (выход электролитов 18 и 40%, соответственно), и погибали только после применения отрицательной температуры –3°С, когда выход электролитов достигал 90%.

Рис. 1.

Выход электролитов (%) из клеток листьев незакаленных и закаленных растений огурца, подвергнутых охлаждению и промораживанию (1 – до охлаждения и промораживания, 2 – после охлаждения при температуре 3°С в течение 1 сут, 3 – после охлаждения при температуре 0°С в течение 1 сут, 4 – после промораживания при температуре –3°С в течение 1 сут). Достоверные различия средних значений при P < 0.05 отмечены разными латинскими буквами над барами.

Рис. 2.

Выход электролитов (%) из клеток листьев незакаленных и закаленных растений озимой ржи, подвергнутых промораживанию (1 – до промораживания, 2 – после промораживания при температуре –3°С в течение 1 сут, 3 – после промораживания при температуре –6°С в течение 1 сут, 4 – после промораживания при температуре –9°С в течение 1 сут). Достоверные различия средних значений при P < 0.05 отмечены разными латинскими буквами над барами.

Величина выхода электролитов у озимой ржи при температурах вегетации (22°С) и закаливания (2°С) составляла 6–7%. У незакаленных растений озимой ржи после промораживания при температуре –3°С значение выхода электролитов возрастало лишь до 15%, существенный уровень повреждений (выход электролитов около 60.0%) наблюдался только после промораживания при температуре –6°С, а гибель наступала при температуре –9°С. Закаленные растения озимой ржи выживали после промораживания во всем диапазоне температур от ‒3 до –9°С, а выход электролитов не превышал 30% даже при температуре промораживания –9°С.

Ультраструктурная организация хлоропластов растений C. sativus и S. cereale

Электронно-микроскопические наблюдения показали, что строение клеток столбчатого мезофилла листьев огурца и первого субэпидермального слоя мезофилла листьев озимой ржи представлено слоем цитоплазмы и центральной вакуолью. Хлоропласты обоих видов исследуемых растений имели удлиненно-овальную или округлую форму и всегда располагались в цитозоле вдоль клеточных стенок.

Морфометрические исследования показали, что в процессе закаливания растений огурца наблюдались существенные изменения в ультраструктурной организации хлоропластов (рис. 3a, б). Можно отметить снижение площади хлоропласта более чем на 10% (с 16.27 до 14.54 мкм²) и увеличение площади крахмального зерна более чем в 3 раза (табл. 1). При этом количество крахмальных зерен в хлоропласте оставалось неизменным. При закаливании площадь пластоглобулы не изменялась, а количество пластоглобул в хлоропласте снижалось более чем на 30% (табл. 1). Что касается изменения ультраструктуры тилакоидной системы хлоропластов, то за время низкотемпературного закаливания площадь одной граны и число гран на срезе хлоропласта достоверно не изменялись (табл. 2). При закаливании происходило снижение суммарной длины мембран тилакоидов в хлоропласте (с 206.1 до 172.2 мкм) в результате снижения длины мембран как гранальных, так и стромальных тилакоидов. Коэффициент гранальности при этом не изменялся.

Рис. 3.

Изменение ультраструктуры хлоропластов растений огурца при низкотемпературном закаливании (а – незакаленные растения, б – закаленные растения). КЗ – крахмальное зерно. Масштабная шкала – 1 мкм.

Таблица 1.

Изменение площади и числа структурных элементов хлоропластов листьев растений огурца и озимой ржи при низкотемпературном закаливании

Показатель	Огурец		Озимая рожь
	незакаленные растения	закаленные растения	незакаленные растения	закаленные растения
Площадь среза, мкм2:
хлоропласта	16.27 ± 0.49a	14.54 ± 0.65b	11.36 ± 0.37c	12.32 ± 0.29d
крахмального зерна	0.76 ± 0.13a	2.34 ± 0.48b	0.13 ± 0.05c	–
пластоглобулы	0.02 ± 0.006a	0.03 ± 0.005a	0.02 ± 0.005a	0.02 ± 0.005a
Число на срезе хлоропласта, шт.:
крахмальных зерен	2.92 ± 0.31a	2.89 ± 0.28a	1.06 ± 0.15b	–
пластоглобул	6.44 ± 0.45a	4.08 ± 0.51b	13.30 ± 0.36c	14.48 ± 0.42d

Примечание. Надстрочные латинские буквы обозначают достоверность различий средних значений при P < 0.05 по каждому показателю, представленному в таблице.

Таблица 2.

Изменение ультраструктуры тилакоидной системы хлоропластов листьев растений огурца и озимой ржи при низкотемпературном закаливании

Показатель	Огурец		Озимая рожь
	незакаленные растения	закаленные растения	незакаленные растения	закаленные растения
Площадь среза граны, мкм2	0.09 ± 0.04a	0.11 ± 0.05a	0.09 ± 0.03a	0.08 ± 0.04a
Число гран на срезе, шт.	21.52 ± 5.10a	19.10 ± 4.82a	21.02 ± 4.91a	20.47 ± 5.22a
Длина мембран гранальных тилакоидов, мкм	127.6 ± 8.1a	106.6 ± 9.2b	103.4 ± 8.7b	69.2 ± 7.5c
Длина мембран стромальных тилакоидов, мкм	78.5 ± 4.6a	65.6 ± 5.2b	61.2 ± 5.4b	58.1 ± 6.2b
Суммарная длина мембран тилакоидов в хлоропласте, мкм	206.1 ± 12.5a	172.2 ± 14.2b	164.6 ± 13.6b	127.3 ± 14.3c
Коэффициент гранальности	1.6 ± 0.1a	1.6 ± 0.1a	1.7 ± 0.1a	1.2 ± 0.1b

Примечание. Надстрочные латинские буквы обозначают достоверность различий средних значений при P < 0.05 по каждому показателю, представленному в таблице.

У растений озимой ржи за время низкотемпературного закаливания происходило увеличение площади хлоропластов почти на 10% (с 11.36 до 12.32 мкм²) (табл. 1). Площадь пластоглобулы не изменялась, а их количество в хлоропласте увеличивалось почти на 10% (табл. 1). После закаливания крахмальные зерна в хлоропластах полностью отсутствовали (рис. 4a, б). У озимой ржи, как и у огурца, в процессе закаливания площадь одной граны и число гран в хлоропласте достоверно не изменялись (табл. 2). При этом наблюдалось снижение суммарной длины мембран тилакоидов в хлоропласте (с 164.6 до 127.3 мкм). Но, в отличие от огурца, у растений озимой ржи это снижение происходило за счет уменьшения длины мембран гранальных тилакоидов. Протяженность мембран стромальных тилакоидов оставалась без изменений, в результате чего коэффициент гранальности снижался с 1.7 до 1.2 (табл. 2).

Рис. 4.

Изменение ультраструктуры хлоропластов растений озимой ржи при низкотемпературном закаливании (а – незакаленные растения, б – закаленные растения). КЗ – крахмальное зерно. Масштабная шкала – 1 мкм.

СО₂-газообмен растений C. sativus и S. cereale

При закаливании растений наблюдались существенные изменения СО₂-газообмена у обоих исследуемых видов. У огурца интенсивность видимого фотосинтеза снижалась в 3 раза (с 4.2 до 1.4 мг СО₂/г сухой массы ч), а интенсивность темнового дыхания – в 3.5. Это приводило к росту отношения видимый фотосинтез/темновое дыхание всего на 25% (рис. 5). У озимой ржи величина видимого фотосинтеза за время закаливания уменьшалась только в 2 раза (с 14.5 до 6.9 мг СО₂/г сухой массы ч), а интенсивность темнового дыхания снижалась, как и у огурца, в 3.5 раза. За счет этого у озимой ржи происходило увеличение отношения видимый фотосинтез/темновое дыхание более чем в 1.5 раза (рис. 6).

Рис. 5.

Изменение параметров СО₂-газообмена растений огурца при низкотемпературном закаливании (1 – видимый фотосинтез, 2 – темновое дыхание, 3 – отношение видимый фотосинтез/темновое дыхание). Достоверные различия средних значений при Р < 0.05 отмечены разными латинскими буквами над барами.

Рис. 6.

Изменение параметров СО₂-газообмена растений озимой ржи при низкотемпературном закаливании (1 – видимый фотосинтез, 2 – темновое дыхание, 3 – отношение видимый фотосинтез/темновое дыхание). Достоверные различия средних значений при Р < 0.05 отмечены разными латинскими буквами над барами.

ОБСУЖДЕНИЕ

Эффективность низкотемпературного закаливания сильно зависит от видовой специфики исследуемых растений. Одна и та же температура может быть закаливающей для морозостойких видов растений и повреждающей – для теплолюбивых [1]. Именно поэтому мы использовали разные температуры (12°С для огурца и 2°С для озимой ржи) при закаливании и различные температуры (3, 0, –3°С для огурца и –3, –6, –9°С для озимой ржи) при оценки устойчивости C. sativus и S. сereale к гипотермии. Измерение величины выхода электролитов считается одним из достоверных способов оценки степени повреждения растений низкими температурами и широко применяется в научных исследованиях [22].

Полученные нами данные убедительно показали, что оба вида исследуемых растений в результате низкотемпературного закаливания повышали свою устойчивость к гипотермии, но в разной степени. Закаленные растения огурца приобретали способность успешно выдерживать низкие положительные и нулевые температуры, но оказались неспособны сформировать устойчивость к отрицательной температуре. Растения озимой ржи в ходе закаливания существенно повышали свою устойчивость к отрицательным температурам, что характерно для данного вида [23].

Устойчивость растений к холоду во многом зависит от функционирования хлоропластов, реорганизация ультраструктуры которых является одним из факторов низкотемпературного закаливания [24]. Наши исследования выявили ряд существенных изменений в организации тилакоидной системы хлоропластов при закаливании растений огурца и озимой ржи. К числу общих для обоих видов ультраструктурных изменений можно отнести снижение суммарной длины мембран тилакоидов в хлоропласте на 20 – 30%. Поскольку при гипотермии интенсивность фотосинтеза лимитируется, главным образом, активностью ключевых ферментов цикла Кальвина [25], то можно предположить, что в хлоропластах растений огурца и озимой ржи происходило снижение длины тилакоидных мембран, избыточных для обеспечения фотосинтетической активности в условиях закаливающих температур. Важно отметить, что у растений озимой ржи, в отличие от огурца, снижение суммарной длины мембран тилакоидов сопровождалось существенным изменением соотношения длины гранальных и стромальных тилакоидов в хлоропласте. Коэффициент гранальности хлоропластов озимой ржи снижался на 30% за счет уменьшения длины мембран гранальных тилакоидов при сохранении длины мембран тилакоидов стромы на уровне незакаленных растений. Данная перестройка мембранной системы хлоропластов озимой ржи, по-видимому, была направлена на увеличение доли стромальных тилакоидов, содержащих компоненты более устойчивой к холоду ФС I, и на снижение доли гранальных тилакоидов, в которых локализованы компоненты чувствительной к холоду ФС II [11].

Можно предположить, что в результате таких изменений фотосинтетический аппарат озимой ржи окажется более адаптированным к пониженным температурам по сравнению с растениями огурца. Действительно, наши эксперименты показали, что при температурах холодового закаливания интенсивность видимого фотосинтеза у озимой ржи снижалась в 2 раза по сравнению с незакаленными растениями, в то время как у огурца – в 3 раза (рис. 5, 6). Важной особенностью СО₂-газообмена растений огурца и озимой ржи являлось то, что интенсивность видимого фотосинтеза за время закаливания уменьшалась в меньшей степени, чем интенсивность темнового дыхания. Это приводило к увеличению отношения видимый фотосинтез/темновое дыхание, что является предпосылкой накопления большого количества продуктов фотосинтеза в условиях низких температур [20].

Помимо перестройки тилакоидной системы хлоропластов, при закаливании C. sativus и S. сereale происходили существенные изменения площади хлоропластов и крахмальных зерен. Изменение площади хлоропластов является одной из наиболее часто встречающихся реакций в ответ на действие холода [10]. Как правило, происходит увеличение площади хлоропластов за счет разбухания их стромы, что связывают с осмотическими явлениями, а именно – с накоплением совместимых осмолитов (сахаров, пролина, глицин-бетаина), которые защищают хлоропласты от обезвоживания, а также выполняют криопротекторные, антиоксидантные и резервные функции [26]. В наших экспериментах наблюдалось уменьшение площади хлоропласта у огурца и её увеличение у озимой ржи примерно на 10%. Такие диаметрально противоположные реакции хлоропластов могут быть связаны с различиями в накоплении и распределении продуктов фотосинтеза в исследуемых растениях. Из данных таблиц 3 и 4 видно, что за время закаливания в листьях огурца суммарное содержание сахаров увеличилось только на 20%, в то время как в листьях озимой ржи – более чем в 3 раза. У огурца в то же время происходил интенсивный синтез крахмала (рост площади крахмальных зерен более чем в 3 раза), а у озимой ржи крахмальные зерна отсутствовали.

Столь значительные различия между растениями огурца и озимой ржи могут быть связаны с особенностями транспорта ассимилятов из листьев в корни у этих растений. Известно, что C. sativus имеет преимущественно симпластный транспорт ассимилятов, который отличается крайней чувствительностью к холоду и полностью прекращается при температурах ниже 7–8°С. Напротив, для S. сereale свойствен преимущественно апопластный транспорт ассимилятов, который сопряжен с высоким осмотическим давлением клеточного раствора и сохраняется в диапазоне низких положительных температур [27]. Экспериментальные данные по изменению содержания сахаров в корнях огурца и озимой ржи подтверждают это предположение. Снижение содержания растворимых сахаров в корнях огурца в конце периода закаливания может свидетельствовать о торможении оттока ассимилятов и возникновении дефицита сахаров в корнях. В пользу этой гипотезы свидетельствует и снижение содержания транспортной формы сахаров (сахарозы) не только в корнях, но и в листьях огурца (табл. 3). В отличие от C. sativus, в корнях S. сereale содержание растворимых сахаров увеличивалось в 2 раза, что дает основания предположить сохранение оттока ассимилятов из листьев в корни в условиях закаливающей температуры (табл. 4).

Обеспечение сахарами всех органов и тканей растения является важнейшим условием для успешного закаливания целого растения к гипотермии [28]. Эта задача достигалась за счет того, что донор ассимилятов – фотосинтез продолжал функционировать у обоих видов исследуемых растений, несмотря на полное подавление низкими температурами основного акцептора ассимилятов – ростовых процессов. Считается, что в таких условиях поддержание фотосинтеза становится возможным благодаря накоплению продуктов фотосинтеза в цитозоле и в новообразованных ультраструктурных элементах клетки (крахмальные зерна, пластоглобулы), а также за счет синтеза более восстановленных химических соединений (МГДГ, ДГДГ, увеличение доли ПНЖК в составе липидов) [29]. Последнее позволяет поддерживать текучесть мембран и сохранять мембрансвязанные функции клеток растений в условиях гипотермии [30].

Таким образом, на основе полученных данных можно констатировать, что у растений C. sativus и S. сereale реорганизация ультраструктуры хлоропластов была тесно связана с формированием устойчивости к гипотермии. При этом у теплолюбивых растений огурца и у морозостойких растений озимой ржи четко проявлялась видовая специфика в изменении ультраструктурной организации хлоропластов, что во многом определяло эффективность низкотемпературного закаливания данных видов. У растений огурца за время закаливания перестройка ультраструктуры тилакоидной системы ограничивалась лишь снижением суммарной длины мембран тилакоидов в хлоропласте и не сопровождалась изменением соотношения длины мембран гранальных и стромальных тилакоидов. Увеличение площади крахмальных зерен в хлоропластах огурца в 3 раза свидетельствовало о выведении значительной части продуктов фотосинтеза из осмотического пула. Такие изменения ультраструктуры хлоропластов огурца, по-видимому, ограничивали продуктивность фотосинтеза и возможность накапливать растворимые сахара, что лимитировало эффективность закаливания C. sativus лишь возможностью развивать устойчивость к низким положительным и нулевым температурам.

При закаливании озимой ржи перестройка ультраструктуры тилакоидной системы не ограничивалась лишь снижением суммарной длины мембран тилакоидов в хлоропласте, но и сопровождалась уменьшением коэффициента гранальности хлоропластов. Можно предположить, что формирование хлоропластов с пониженным коэффициентом гранальности, содержащих большую долю устойчивых к холоду мембран стромальных тилакоидов, было направлено на сохранение функциональной активности хлоропластов S. сereale в условиях закаливающих температур [3, 4]. Поддержание фотосинтеза на более высоком, чем у огурца уровне, а также отсутствие синтеза крахмала в хлоропластах давало возможность кратно увеличивать содержание растворимых сахаров в клетках озимой ржи. Последнее предотвращало внутриклеточное льдообразование, обеспечивало защиту клеток от обезвоживания в условиях образования льда в межклетниках [2] и тем самым создавало возможность для формирования устойчивости S. сereale к отрицательным температурам.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках государственного задания (номер темы 121040800153-1 “Механизмы адаптации растений к факторам аридизации глобального климата и антропогенному загрязнению окружающей среды”).

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей и животных в качестве объектов. Авторы заявляют об отcутствии конфликта интересов.