Физиология растений, 2023, T. 70, № 5, стр. 537-546

ВВЕДЕНИЕ

Древесные растения, произрастающие в условиях экстремально холодного климата и многолетней мерзлоты Центральной Якутии, отличаются необычайно высокой морозоустойчивостью благодаря их способности адаптироваться к холодовому фактору. Сверхнизкие зимние температуры воздуха (до –60°С и ниже) без возвратных потеплений, а также их резкие суточные перепады в межсезонье определяют жизнеспособность и видовой состав дендрофлоры в криолитозоне. В этой связи, в бореальных лесах Северо-Востока Сибири главную роль играют хвойные деревья сем. Сосновые (Pinaceae Lindl.) – лиственница Каяндера (Larix cajanderi Mayr) и лиственница даурская или Гмелина (L. dahurica Turcz. et Trautv. = syn. L. gmelinii (Rupr.) Rupr), далеко превосходящие по ареалу и количеству растений другие виды [1, 2].

Стрессовые факторы различной природы (низкие температуры, засуха, засоление и др.) могут индуцировать в растениях экспрессию генов специфических белков, в т.ч. с криопротекторными свойствами. В формировании устойчивости древесных растений к экстремальным климатическим условиям криолитозоны Якутии, вероятно, принимают участие и стрессовые белки-дегидрины, физиологическую роль которых связывают с защитой биополимеров и мембран клеток растений от повреждений, вызванных низкими температурами и дегидратацией [3–7].

Дегидрины представляют собой высокогидрофильные белки семейства LEA (Late Embryogenesis Abundant) или белки позднего эмбриогенеза и обнаружены у большинства таксономических групп растений [3, 5, 8, 9]. Для дегидринов характерны термостабильность, высокая степень конформационной лабильности и наличие в них специфических последовательностей, обогащенных полярными аминокислотами, особенно лизином и пролином. Наиболее распространенный пептидный мотив из 15 аминокислот (EKKGIMDKIKEKLPG) или консервативный K-сегмент, является общим для всех изученных дегидринов [3, 8, 10]. Различные сочетания консервативного K-сегмента и вариабельных (Y-, S-) сегментов определяют их функциональные свойства, связанные с криопротекторной, антифризной, антиоксидантной и металлсвязывающей функциями [4–6, 11, 12].

Стрессовые белки-дегидрины голосеменных растений изучены в гораздо меньшей степени, чем у покрытосеменных. При этом выявлены некоторые особенности в организации генома хвойных видов [13, 14]. Так, им свойственны значительно более крупные семейства генов дегидринов [15, 16]. Например, в базе данных транскриптома Picea glauca идентифицировано 53 разных генов дегидринов [17]. Кроме того, в составе дегидринов Pinaceae вместо Y-сегментов обнаружены A- и E-сегменты и специфичные N-концевые области [13, 14]. Разнообразие множества дегидринов с разным составом последовательностей A-, E-, S-, N- и K-сегментов предполагает не только сложность экспрессии их генов, но и возможность участия данных белков в развитии устойчивости хвойных древесных к различным стрессовым воздействиям, включая и низкие отрицательные температуры.

Резкое усиление экспрессии генов дегидринов и накопление их белковых продуктов отмечали при обезвоживании в тканях вегетирующих растений. Например, экспрессия семейства генов дегидринов выявлена у двух видов сосны – приморской (Pinus pinaster) и кедровой (P. pinea), подвергнутых водному стрессу [13, 18]. Наряду с этим, сообщалось, что дегидрины могут предотвращать коагуляцию макромолекул при различных температурах и низких осмотических условиях [8]. Короткий фотопериод и низкие закаливающие температуры, приводящие к дегидратации клеток, вызывали в разных органах и тканях растений умеренной зоны накопление дегидринов [4, 5, 9, 19], в том числе у хвойных деревьев [20–22]. К настоящему времени дегидрины обнаружены в хвое сосны обыкновенной Pinus sylvestris, произрастающей в разных природно-климатических условиях: в криолитозоне Центральной Якутии [23, 24] и в регионе Предбайкалья [21, 22], а также в хвое ели сибирской Picea obovata на северо-востоке Фенноскандии [16] и на юге Сибири [22]. Связь между сезонным накоплением некоторых дегидринов и развитием морозоустойчивости хвойных деревьев выявлена, например, у ели сибирской Picea obovata [16] и сосны веймутовой Pinus strobus [25].

Устойчивость к холоду у древесных растений изначально развивается в ответ на сокращение фотопериода и снижение температуры окружающей среды, индуцирующими экспрессию специфических генов, чувствительных к низким температурам, и синтез стрессовых белков. Вероятно, стрессовые белки-дегидрины, накапливающиеся в период осеннего перехода к зимнему покою, принимают участие в осмо- и криозащитных механизмах при низкотемпературной адаптации древесных растений к условиям холодного климата [5, 7, 11].

Огромные территории лиственничных лесов, охватывающие различные географические и климатические условия, свидетельствуют об большой экологической пластичности лиственницы как вида. Среди древесных пород мира якутская популяция лиственницы не имеет конкурентов по своей морозоустойчивости, выдерживая в зимнее время температуру ниже –60°С [26, 27]. Более того, меристематические ткани почек лиственницы могут сохранять жизнеспособность при замораживании до критически низкой температуры –196°С [28]. Обладая специфическими особенностями в транспирации, лиственницы также легко переносят летнее обезвоживание при высокой температуре воздуха [29]. Такие свойства указывают на существование у данного вида сформированного и наследственно закрепленного механизма, позволяющего сохранить жизнеспособность клеток в условиях холодных регионов в самых северных в мире ареалах произрастания древесных растений. Вследствие этого, доминирующими из хвойных деревьев на территории Республики Саха (Якутия) являются лиственницы даурская (Гмелина) и Каяндера, занимающие более 79% лесопокрытой площади региона [26, 27].

Исследования роли стрессовых белков, включая дегидрины, в формировании криоустойчивости лесообразующих древесных растений на Северо-Востоке Евразии немногочисленны. Ранее нами впервые были идентифицированы дегидрины в тканях березы повислой и сосны обыкновенной, произрастающих в условиях Центральной Якутии [30–32]. Дегидрины хвойных деревьев, в основном, изучены у некоторых вечнозеленых видов, тогда как дегидрины летнезеленой лиственницы почти не исследованы. Вместе с тем, надземные органы древесных растений в условиях криолитозоны наиболее подвержены длительному воздействию низких температур, приводящих к осмотическому стрессу. В этой связи, изучение механизмов, ответственных за формирование уникальной способности лиственницы переносить экстремально низкие зимние температуры, характерные для криолитозоны, представляется весьма актуальным. Выяснение роли стрессовых белков-дегидринов в развитии необычайно высокой морозоустойчивости хвойных пород на примере L. cajanderi позволит выявить особенности их адаптации к специфическим условиям произрастания, а также обнаружить общие закономерности формирования низкотемпературной устойчивости древесных растений криолитозоны.

Целью настоящей работы явилось изучение особенностей состава стрессовых белков-дегидринов и их изменений в сезонном цикле хвойных растений на примере лиственницы Каяндера (L. cajanderi Mayr) в условиях холодного климата и многолетней мерзлоты Центральной Якутии.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследования в работе явилась лиственница Каяндера (Larix cajanderi Mayr) – бореальный восточноазиатский вид, главная лесообразующая порода Якутии и Северо-Востока Сибири. Произрастает в чрезвычайно суровых климатических условиях как на равнине, так и в горах. Следует отметить, что некоторые авторы рассматривают лиственницу Каяндера как восточную расу или подвид лиственницы даурской (Гмелина) [1, 2]. Эти же виды являются и самыми долгоживущими деревьями, отдельные экземпляры которых достигают возраста 900 лет.

Климат Центральной Якутии характеризуется экстремальными условиями: среднемесячная температура воздуха в январе составляет –38.6°С, годовое количество осадков – 237 мм. Температурные значения в регионе отслеживали по сайту URL http:meteo.ru/data. Климатические показатели в период сбора образцов в целом не отличались от среднемноголетних. Материалом исследования служили однолетние побеги лиственницы Каяндера без хвои, произрастающей в природных условиях (лесопарковая зона Ботанического сада ИБПК СО РАН, окрестности г. Якутска, 62° с.ш., 129° в.д.). Сбор и исследование биологического материала проводили в течение 2011–2016 гг. Методика сбора образцов и их обработка, в зависимости от условий эксперимента, варьировала. При отборе проб на биохимический анализ, материал сразу после получения фиксировали и хранили в жидком азоте до процедуры выделения белков. Для выявления полиморфизма дегидринов в период зимнего покоя (10.02.2011 г., минимальная температура воздуха –43.8°С, средняя –37.3°С) пробы отбирали индивидуально для каждого растения. Экземпляры деревьев (n = 13) обозначены региональным индексом и номером – YaL1-YaL13. При изучении сезонной динамики состава дегидринов сбор материала по отдельным растениям (YaL1, YaL6, YaL10, YaL11) осуществляли круглогодично (2011–2012 гг.) не реже одного раза в месяц.

Выделение суммарных белков из однолетних побегов лиственницы проводили согласно [21]. Навеску ткани (1.5–2.0 г) измельчали в ступке в жидком азоте в присутствии нерастворимого поливинилпирролидона (“Serva”, Германия, 2.5% по отношению к объему буфера). Все процедуры проводили при температуре +4°С. Белки экстрагировали буфером, содержащим 0.1 М Tрис-HCl, рН 7.5, 12 мМ β-меркаптоэтанол, 1% ДДС-Na, 10 мМ ЭДТА, 3 мМ ФМСФ (фенилметилсульфанилфторид). Гомогенат центрифугировали при 50 000 g в течение 40 мин. К супернатанту, профильтрованному через капроновую ткань, добавляли поливинилпирролидон (2.5%) и центрифугировали при 50 000 g в течение 35 мин. Суммарные белки осаждали пятью объемами ацетона при температуре −20°С в течение 1 ч. Осадок белка гомогенизировали в электрофоретическом буфере, содержащем 1 М Трис-HCl, рН 7.5, 10% ДДС-Na, 5% β-меркаптоэтанол, 10% глицерол. Раствор белка просветляли центрифугированием при 17 000 g (20 мин, +4°С) и использовали для проведения электрофореза. Содержание белка определяли по методу Bradford [34]. Электрофоретическое разделение белков проводили в 13.5% ПААГ в присутствии ДДС-Nа [35] с использованием маркеров молекулярной массы (“ThermoScientific”, США) и последующим окрашиванием Кумасси G-250 (“Serva”, Германия). На треки наносили равное количество белка (10–15 мкг). Выравнивание белков в треках ПААГ проводили опытным путем по интенсивности окраски белковых полос в сравнении с известным количеством контрольного образца (10–15 мкг). Перенос белков из ПААГ на ПВДФ (поливинилидендифторид) мембрану (“Bio-Rad”, США) проводили по методу Timmons и Dunbar [36]. Идентификацию дегидринов выполняли с помощью поликлональных антител против их К‑сегмента (EKKGIME/DKIKEKLPG) в разведении 1 : 500 (“Agrisera”, Швеция). Дегидрины визуализировали при помощи антикроличьих антител, конъюгированных с щелочной фосфатазой в разведении 1:2500 (“Sigma”, США). В качестве хромогенных субстратов использовали 5-бромо-4-хлоро-3-индолил фосфат и нитротетразолий синий (“AppliChem”, Германия). Данные сканирования гелей и мембран обрабатывали с помощью программы ImageJ 1.41o/Java 1.50_09 (США). Количественные показатели содержания дегидринов оценивали по интенсивности окраски мембраны в относительных единицах денситометрической плотности (отн. ед., D). Значение денситометрической плотности дегидрина с мол. м. 14 кД в июле принято за нулевой уровень. На рисунках представлены типичные мембраны, отражающие стабильно воспроизводимые результаты иммунодетекции дегидринов лиственницы с использованием специфических антител против К-сегмента.

Для интегральной количественной оценки морозоустойчивости растений использовали показатель проницаемости клеточных мембран, оцениваемый по выходу электролитов (electrolyte leakage method) [33]. Навеску свежесобранных побегов (1 г) сразу после сбора нарезали и инкубировали в 40 мл дистиллированной воды в термостате при постоянной температуре 25°С в течение 24 ч. Затем образцы подвергали кипячению для полного выхода электролитов. Условия опытов были подобраны в ходе предварительных экспериментов с варьированием соотношений массы навески к объему воды и длительности последующей экстракции. Выход электролитов до и после фиксации проб кипячением определяли по электропроводности (G) вытяжек с помощью реохордного моста Р38 на переменном токе частотой 50 Гц с использованием кондуктометрического датчика УК-02/1. Величина G водных вытяжек прямо пропорциональна повреждающему клеточные мембраны фактору. Степень морозоустойчивости растений в их годовом цикле оценивали в виде коэффициента морозоустойчивости (К_М), выражаемого отношением G_Н нативной вытяжки к G_Ф фиксированных кипячением образцов.

Измерения выполнены в трехкратной биологической повторности с привлечением статистического пакета Microsoft Office Excel 2010, в результатах приведены средние арифметические величины и их стандартные отклонения, различия значимы при P < 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Произрастающие в суровых природно-климатических условиях Центральной Якутии древесные растения приобрели необычайно высокую морозоустойчивость. В защите клеток растений в ответ на стресс-факторы различной природы, в т.ч. к холодовому, связанному с дегидратацией, основная роль отводится стрессовым белкам-дегидринам. В данной работе впервые с использованием специфических антител в однолетних побегах лиственницы Каяндера обнаружены дегидрины в области мол. м. 14–42 и 73 кД. При сравнении отдельных экземпляров в период зимнего покоя деревьев (февраль) выявлен высокий уровень полиморфизма данных белков в центрально-якутской популяции L. cajanderi. Существенным отличием дегидринов в побегах лиственницы явилось их необычайно высокое разнообразие, поскольку большая часть этих белков обнаруживалась в диапазоне мол. м. 14–42 кД (рис. 1).

Рис. 1.

Результаты иммуноблоттинга дегидринов в побегах отдельных экземпляров (YaL1-YaL13) лиственницы Каяндера (Larix cajanderi) в Центральной Якутии в период зимнего покоя. Все образцы (n = 13) собраны 10.02.2011 г. (минимальная температура воздуха составила –43.8°С) и фиксированы для хранения в жидком азоте. Представлены типичные мембраны иммунодетекции дегидринов. Указаны молекулярные массы: слева – маркеров (М), справа – дегидринов.

Во всех изученных образцах лиственницы в низкомолекулярной области в сравнительно большем количестве обнаружены дегидрины с мол. м. 17, 18 и 20 кД, в меньшем – 14 и 15 кД, а также в среднемолекулярной области представлены мажорные дегидрины с мол. м. 37, 39, 42 кД. Из других дегидринов, белки с мол. м. 29 кД наблюдали в побегах большинства деревьев лиственницы, тогда как белки 23, 26 и 27 кД встречались лишь у отдельных экземпляров. Среди высокомолекулярных полипептидов в зимний период в побегах всех изученных деревьев идентифицировали дегидрин с мол. м. 73 кД. Наличие или отсутствие в спектре белков тех или иных дегидринов, а также их количественное содержание определяли индивидуальные различия между отдельными лиственницами. Таким образом, дегидрины в побегах лиственницы в зимний период во время покоя проявляли более высокую вариабельность в среднемолекулярной области 23–29 кД, чем в низко- и высокомолекулярных областях.

Для выявления вероятной связи дегидринов с формированием морозоустойчивости лиственницы Каяндера в специфических условиях криолитозоны Якутии было предпринято изучение их сезонной динамики. Нами обнаружено, что в течение годичного цикла деревьев большая часть мажорных дегидринов в побегах лиственницы в осенне-зимний и зимне-весенний периоды представлена равномерно, но подвергается существенным изменениям в летние месяцы (рис. 2).

Рис. 2.

Сезонные изменения дегидринов в побегах лиственницы Каяндера (Larix cajanderi) (YaL1) в Центральной Якутии. Образцы были собраны в течение годового цикла (2011–2012 гг.) и фиксированы для хранения в жидком азоте. Представлены типичные мембраны иммунодетекции дегидринов. Указаны молекулярные массы: слева – маркеров (М), справа – дегидринов.

Дегидрины с мол. м. 33, 37, 39, 42 кД оказались менее подвержены сезонным изменениям – они не исчезали полностью в летние месяцы, хотя их количество уменьшалось. Более сглаженная динамика в годичном цикле лиственницы проявлялась в высокомолекулярной области у дегидрина 73 кД, который почти пропадал в летние месяцы и появлялся вновь в сентябре. Такие особенности этой группы дегидринов могут указывать на их более вероятные конститутивные свойства, связанные с участием в метаболических процессах в клетках хвойных. Наиболее отчетливо ход сезонных изменений дегидринов лиственницы прослеживается в изменениях низкомолекулярных белков, особенно в области мол. м. 14–29 кД, во время вегетации (в июне – июле). Почти все дегидрины появлялись к сентябрю в период осеннего перехода древесных растений к зимнему покою. При этом, уровень дегидринов 17 и 18 кД в побегах лиственницы был значительно выше, чем таковой других низкомолекулярных 14, 15 и 20, 23, 26, 27, 29 кД, содержание которых заметно возрастало осенью с августа до октября (до 22 раз). Затем дегидрины достигали и сохраняли стабильно высокий уровень в самые холодные месяцы зимы (ноябрь – март), когда отмечались наиболее низкие отрицательные температуры. Можно предположить, что в этот низкотемпературный период морозоустойчивость древесных растений в условиях криолитозоны достигала максимальных значений.

Весной (апрель – май), на фоне подъема температуры воздуха и начала оттаивания мерзлотных почв в побегах лиственницы в начале вегетации деревьев происходило заметное падение уровня дегидринов. В летние месяцы содержание большинства данных белков значительно снижалось, а некоторые, особенно в низкомолекулярной области с мол. м. 14, 15, 21, 23, 26, 27, 29 кД почти исчезали. Количество низкомолекулярных дегидринов 17, 18 кД, уменьшалось в гораздо большей степени от 460–520 до 40–50 отн. ед., чем среднемолекулярных, например, белков с мол. м. 37 и 39 кД от 370–410 до 130–160 отн. ед., соответственно, но те и другие не исчезали полностью. Обнаруженные изменения в составе индивидуальных дегидринов в годичном цикле центрально-якутской популяции лиственницы четко прослеживаются на гистограммах (рис. 3).

Рис. 3.

Динамика сезонных изменений состава отдельных дегидринов (а–г) в побегах лиственницы Каяндера (Larix cajanderi) (YaL1) в Центральной Якутии. Образцы были собраны в течение годового цикла (2011–2012 гг.) и фиксированы для хранения в жидком азоте. На гистограммах значение денситометрической плотности (D, отн. ед.) дегидрина 14 кД в июле принято за нулевой уровень. Представлены данные в виде средних арифметических значений и их стандартных отклонений, различия значимы при P < 0.05.

Из приведенных данных следует, что максимальное накопление дегидринов происходило к концу фенологической осени и устойчиво сохранялось в холодный период года. Самый высокий уровень дегидринов в побегах лиственницы наблюдали во время зимнего покоя деревьев в период экстремально низких температур, что указывает на тесную связь данных белков с низкотемпературной адаптацией лиственницы к условиям криолитозоны.

С целью оценки степени морозоустойчивости лиственницы Каяндера и выявления ее связи с уровнем дегидринов было предпринято изучение проницаемости клеточных структур побегов с использованием метода электролитов. Ежемесячная динамика изменения суммарных дегидринов Σ_D и относительной морозоустойчивости K_M деревьев на фоне среднемесячных температур воздуха t°C в Центральной Якутии приведена на рис. 4.

Рис. 4.

Динамика изменения суммарных дегидринов Σ_D и морозоустойчивости K_M (1) в побегах лиственницы Каяндера (Larix cajanderi) (YaL1) на фоне среднемесячных температур воздуха t°C (2) в Центральной Якутии (2011 г.). Степень морозоустойчивости растений в их годовом цикле оценивали в виде коэффициента морозоустойчивости (К_М). Приведены результаты экспериментов трех биологических повторностей с привлечением статистического пакета Microsoft Office Excel 2010. Представлены данные в виде средних арифметических значений и их стандартных отклонений, различия значимы при P < 0.05.

Данный метод ранее хорошо зарекомендовал себя при изучении некоторых видов плодово-ягодных культур в условиях Якутии [33]. Как и ожидалось, наибольшие значения коэффициента морозоустойчивости в побегах лиственницы наблюдали в зимние месяцы, когда он достигал показателей 0.53–0.65. Тенденцию спада К_М у деревьев фиксировали в начале весны (апрель), когда он уменьшался до 0.43–0.45 и далее снижался до минимальных значений в летние месяцы – 0.34. Ближе к осенне-зимнему периоду при подготовке растений к покою (август), показатели К_М снова возрастали. При этом, в побегах лиственницы Каяндера наблюдали синхронные однонаправленные изменения коэффициента морозоустойчивости К_М и содержания суммарных дегидринов D (отн. ед.) (рис. 4). Обратная зависимость имеет место для связи температуры воздуха с К_М и уровнем дегидринов, особенно их низкомолекулярных форм.

ОБСУЖДЕНИЕ

Устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды формируется в результате комплекса структурных и физиолого-биохимических изменений клеток и тканей, однако механизмы их низкотемпературной адаптации в природных условиях до сих пор изучены недостаточно.

Особую роль в адаптации растений к абиотическим стрессорам играют защитные белки-дегидрины, препятствующие потере клеткой воды за счет высокой гидрофильности и стабилизирующие клеточные белки. В данном исследовании показано, что в годичных побегах L. cajanderi в условиях криолитозоны обнаружены стрессовые белки-дегидрины, преимущественно в области мол. м. 14–42 и 73 кД. Мажорные дегидрины лиственницы представлены белками с мол. м. 17, 18, 20, 37, 39 и 42 кД. Несколько меньше по содержанию составляли 14, 15, 17, 18, 20 кД, а также 73 кД дегидрины. Кроме того, в области мол. м. 20–37 кД отмечали большое разнообразие минорных изоформ дегидринов (от 3 до 5), которые определяли индивидуальные качественные и количественные различия между отдельными экземплярами лиственницы, особенно в зимний период. Высокий уровень полиморфизма дегидринов в побегах отдельных экземпляров центрально-якутской популяции лиственницы может свидетельствовать о значительном потенциале холодоустойчивости изучаемого вида, направленного для защиты и обеспечения жизнедеятельности растений и, вероятно, обусловлен особенностями низкотемпературной адаптации древесных растений рода Larix к условиям климата криолитозоны. Известно, что лиственница имеет наиболее высокий уровень летней транспирации среди хвойных деревьев, превосходя вечнозеленые виды по данному показателю в 2–3 раза [29]. В связи с этим она вынуждена сбрасывать хвою с наступлением морозов, обеспечивая свою криотолерантность, в том числе, за счет снижения потери воды в результате зимней транспирации. Сведения о внутривидовом полиморфизме дегидринов, а также их предполагаемой связи с адаптацией у других видов древесных, в том числе хвойных растений, практически отсутствуют. Так, была выявлена аллельная изменчивость данного типа белков в пяти природных популяциях Quercus petraea [37].

Анализ сезонных изменений дегидринов показал, что стрессовым белкам-дегидринам в годичном цикле лиственницы Каяндера свойственны характерные изменения, приводящие к их накоплению в период осеннего перехода растений к покою, стабильно высокому уровню в зимние месяцы (ноябрь – март) и затем снижению их содержания в весенний период года (апрель – май). По данным литературы, изучение сезонной вариабельности экспрессии генов дегидринов и содержания этих белков у различных видов выявило их высокий уровень зимой и низкий – летом во время их интенсивного роста. Большинство дегидринов древесных растений индуцируется в ответ на низкую температуру, а некоторые из них – на низкую температуру и на короткий день [11]. У древесных растений умеренных зон отмечалось накопление дегидринов при уменьшении содержания воды во время осеннего перехода к зиме, например, в тканях Picea obovata [16], Pinus sylvestris [20, 21], Cornus sericea [38], Betula pubescens [39]. Как следует из наших данных, в сезонном цикле L. cajanderi для спектра белков характерно высокое разнообразие состава дегидринов, максимальное содержание которых выявлено в период зимнего покоя деревьев (февраль), когда наблюдались сверхнизкие отрицательные температуры. По-видимому, индуцируемые холодовым фактором и накапливающиеся в самые морозные месяцы зимы в побегах лиственницы стрессовые белки-дегидрины, могут быть ассоциированы с формированием низкотемпературной устойчивости этого вида хвойных растений. С наступлением осени заметное сокращение длины дня и снижение температуры окружающего воздуха вызывают остановку роста и развития растений, тем самым одновременно включая процессы дегидратации, с которыми коррелирует возрастание уже в августе некоторых дегидринов (например, с мол. м. 33, 37 и 39 кД), а затем и четкое появление в сентябре их низкомолекулярных форм (с мол. м. 17, 18, 26 и 27 кД), вероятно, необходимых для компенсации потери воды. Такое же возрастание уровня экспрессии низкомолекулярных дегидринов в условиях дефицита влаги наблюдали в хвое ели сизой Picea glauca [14]. Появление дегидринов, особенно низкомолекулярных, в период осенней акклимации растений к холоду указывает на их индуцибельный характер, вызванный процессами сокращения долготы дня и нарастания холодового фактора. Накопление в побегах при осеннем переходе к зимнему покою и поддержание высокого уровня дегидринов указывают на их возможное участие в защите клеток деревьев, что наряду с опадением хвои, предохраняет лиственницы от обезвоживания во время низкотемпературного периода. С установлением постоянного снежного покрова на территории Центральной Якутии (конец октября – начало ноября) содержание всех дегидринов в побегах достигает стабильно высокого уровня и остается таковым в течение всего зимнего периода. Наряду с этим, сезонные изменения состава данной группы белков согласуются с показателями, полученных с помощью кондуктометрического метода по относительному выходу электролитов из побегов. Так, древесные растения в условиях сверхнизких температур характеризуются максимальными значениями морозоустойчивости на основе измерения их клеточной проницаемости побегов лиственницы методом электролитов (К_М = = 0.53–0.65). Наблюдаемые синхронные однонаправленные изменения морозоустойчивости, выраженные измеряемым коэффициентом К_М и уровнем накопления дегидринов в побегах, также могут свидетельствовать о связи криотолерантности лиственницы Каяндера с накоплением специфических белков-дегидринов. Весной (апрель – май) по мере прогревания воздуха и начала оттаивания мерзлотных почв в побегах лиственницы происходит резкое снижение содержания, а затем фактическое исчезновение летом низкомолекулярных дегидринов с мол. м. 14, 15 и 23, 26, 27, 29 кД, за которым следовали среднемолекулярные дегидрины с мол. м. 33, 39, 42 кД. Подобные циклы сезонных изменений уровня дегидринов, связанные с акклимацией и деакклимацией растений при изменениях светового и температурного факторов, обнаружены у разных древесных и кустарниковых видов. Ранее в почках березы B. pubescens, произрастающей в Финляндии, в зимний период отмечались дегидрины с мол. м. 24, 30 и 33 кД [39]. Сходная динамика в накоплении дегидринов, разных по мол. м., обнаружена и у хвойных древесных растений [16, 21, 40]. Характерные для двух видов ели Picea glauca и P. obovata дегидрины 32, 34 и 50 кД накапливались в период холодового стресса и исчезали в оптимальных условиях произрастания [40]. Значительное возрастание уровня дегидрина 16 кД в хвое совпадало с приобретением морозоустойчивости сосны веймутовой Pinus strobus [25]. В условиях Предбайкалья к специфичным для зимнего покоя сосны обыкновенной Pinus sylvestris относят дегидрины с мол. м. 17, 26 и 32 кД [21], в хвое ели сибирской Picea obovata в октябре месяце выявлены дегидрины 14.5, 34, 38, 55 кД [22], близкие по значениям мол. м. к таковым в хвое ели Picea obovata 33, 35 и 53 кД, ранее описанных в работе [16]. Накопление низкомолекулярных дегидринов у зимующих древесных растений происходило, в основном, только в периоды низких отрицательных температур, что свидетельствует об их отчетливой связи с адаптацией деревьев к холодовому фактору. Белки, сходные с низкомолекулярными дегидринами, ассоциированными с перезимовкой древесных растений, произрастающих в условиях многолетней мерзлоты, обнаружены в хвое сосны P. sylvestris (дегидрин с мол. м 14.5–15 кД) [23, 24], в побегах и почках березы повислой Betula pendula (дегидрин с мол. м. 17 кД) [31, 32]. Обнаруженные в побегах лиственницы низкомолекулярные дегидрины с мол. м. 14, 15, 17, 18 кД сходны с таковыми других хвойных, в частности, с дегидринами сосны обыкновенной и ели сибирской. Белок с мол. м. 73 кД, который присутствовал постоянно в побегах лиственницы в осенне-зимний период, по мол. м. также близок к дегидрину 72 кД в хвое сосны из Предбайкалья [22]. Вероятно, близкие по мол. м. стрессовые белки-дегидрины у разных древесных хвойных могут осуществлять сходные функции в их защите от зимнего обезвоживания в низкотемпературный период. Приведенные в работе данные согласуются с физиологической ролью дегидринов, связанной с противостоянием дегидратации, в первую очередь, при низкотемпературном стрессе. Наличие и разнообразие состава дегидринов, обнаруженных у отличающейся высокой морозоустойчивостью лиственницы Каяндера, по-видимому, является необходимым условием достижения оптимального уровня ее низкотемпературной устойчивости для успешной перезимовки в суровых климатических условиях криолитозоны Якутии.

Таким образом, с использованием специфических антител в побегах лиственницы Каяндера (Larix cajanderi) в условиях многолетней мерзлоты Центральной Якутии изучены особенности стрессовых белков-дегидринов и их изменения в годичном цикле. Характер сезонных изменений, значительное разнообразие состава и связанный с морозоустойчивостью высокий уровень данных белков в побегах L. cajanderi указывают на важную роль дегидринов в общих механизмах формирования низкотемпературной устойчивости при адаптации древесных растений к экстремально холодному климату криолитозоны.

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России по проекту “Исследование биогеохимических циклов и адаптивных реакций растений бореальных и арктических экосистем северо-востока России” (код научной темы: FWRS-2021-0024; № гос. регистрации в ЕГИСУ: ААААА-21-121012190034-2).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Настоящая статья не содержит исследований с участием людей и животных в качестве объектов изучения.