Вторник, 18.06.2019, 15:43
Высшее образование
Приветствую Вас Гость | RSS
Поиск по сайту



Главная » Статьи » Сельское и приусадебное хозяйство

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛЗАВИСИМЫХ БЕЛКОВ ДОМИНИРУЮЩИХ ВИДОВ РАСТЕНИЙ И МИКРООРГАНИЗМОВ В АРИДНЫХ АГРОБИОЦЕНОЗАХ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

В.В.Новочадов, доктор медицинских наук, профессор, директор института естественных наук, Волгоградский государственный университет
Е.А.Иванцова, доктор сельскохозяйственных наук, доцент, заведующая кафедрой экологии и природопользования, Волгоградский государственный университет
П.А.Крылов, ассистент кафедры биоинженерии и биоинформатики, Волгоградский государственный университет
Н.В.Онистратенко, кандидат биологических наук, доцент кафедры экологии и природопользования, Волгоградский государственный университет
А.В.Холоденко, кандидат географических наук, доцент кафедры экологии и природопользования, Волгоградский государственный университет

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛЗАВИСИМЫХ БЕЛКОВ ДОМИНИРУЮЩИХ ВИДОВ РАСТЕНИЙ И МИКРООРГАНИЗМОВ В АРИДНЫХ АГРОБИОЦЕНОЗАХ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

Аннотация. Использование современных биоинформационных подходов для решения эколого-ориентированных задач обеспечивает получение новых данных, которые можно использовать для импактного управления агроценозами и экосистемами, восстанавливая их нарушения, обусловленные действием неблагоприятных факторов естественной и антропогенной среды. Данная работа направлена на выявление и определение металлзависимых белков в доминирующих видах растений и микроорганизмов в зерновом агро- ценозе, что позволяет создать информационную базу для накопления и обработки сведений о закономерностях функционирования сельскохозяйственных систем в аридных условиях, что будет способствовать повышению эффективности природопользования.

Основной целью работы являлось изучение наличия металлзависимых белков, входящих в протеом доминирующих видов растений и микроорганизмов типичных агроценозов Волгоградской области. Металлзависимые белки распределялись не только по их функциональным особенностям, участию в фотосинтезе и солеус- тойчивости, но и по степени их зависимости от конкретных металлов - марганца, цинка и меди. Результаты протеомного анализа металлзависимых белков у растений и микроорганизмов свидетельствуют о незначительном количестве белков у основных доминирующих видов. Наибольшим количеством металлзависимых белков отличается Hordeum vulgare L. (ячмень обыкновенный) как основа агроценоза, для которого описано 246 белков, в том числе 115 аннотированных. У сопутствующих ценозообразователю сорных растений количество белков значительно ниже либо протеом не изучался. Для почвенной микробиоты рассмотренного агроценоза также характерно достаточно большое количество металлзависимых белков: 4 874 - для представителей Рода Actinomyces и 5727 - для Bacillus subtilis, из которых примерно 45-50 % аннотированы. Полученные результаты свидетельствуют, что концентрация металлов в почве агроценоза является значимым фактором воздействия на жизнедеятельность сельскохозяйственных культур и микроорганизмов в почве.

Полученные результаты можно использовать как основу для осуществления адресного высокоточного управления биоценозами с целью повышения устойчивости природных сообществ и экономической эффективности агроценозов.

Ключевые слова: агроценозы, протеом, металлзависимые белки, сельскохозяйственное природопользование, управление агроценозами, база данных.

 

Введение. В настоящее время наиболее актуальным подходом в развитии АПК является экологический системный подход к управлению агроценозами [1; 2; 3]. Модификация такого подхода возможна с использованием биотехнологических решений, в частности, управление путем внедрения в агроце- ноз новых элементов - биотических (бактерии и грибы) или же абиотических (химические вещества) [4; 6; 8; 12; 14; 15; 17]. Зависимость динамики вещества и энергии в агро- биоценозах от влияния почвенно-климатичес- ких условий рассмотрена в ряде достаточно обширных исследований [3; 10; 13].

Особое место в динамике агробиоценозов занимают взаимодействия с прилегающими природно-антропогенными системами, которые при активном воздействии на искусственные биоценозы приобретают характер интрузий с плотным переходом или частичной заменой территории искусственного биоценоза [9; 14]. Для участков техногенных вторжений в агроценозы оптимально точечное управление [4; 6; 16], что приводит к негативным изменениям агроценоза и снижению эффективности его использования для решения экономических задач в целом, а также на территории Волгоградской области. Агроценозы этой территории характеризуются комплексом стрессовых факторов, оказывающих значительное влияние на перестройку метаболизма растений и микроорганизмов, обитающих на этих территориях [3; 5; 10; 11]. Все это подтверждает необходимость изучения молекулярного уровня организации агроценоза. Изучение металлзависимых белков, входящих в протеом сельскохозяйственных растений и микроорганизмов в почве, позволит выявить белки, участвующие в регулировании метаболизма. Полученные данные можно будет использовать для высокоточного управления за счет модуляции метаболизма как растений, так и микроорганизмов в агробиоценозе [7].

Цель работы - поиск и изучение металлзависимых белков доминирующих видов растений и представителей почвенной микробио- ты агроценозов Волгоградской области.

Материалы и методы. Для изучения протеома и металлзависимых белков были отобраны доминирующие виды растений в трех агроценозах, территориально локализованных:
Городищенский (аллея Ракутина) и Светлоярс- кий (агрохозяйственая зона) муниципальные районы Волгоградской области и Советский район г. Волгограда (Горная поляна). Следующим этапом стало проведение биоинформационного анализа с использованием виртуального скрининга базы UniProt (www.uniprot. org) и GeneOntology (http://geneontology.org). Предварительно были выбраны металлы: марганец, никель, кобальт, медь и цинк. Скрининг осуществлялся по следующим критериям: наличие в составе белка искомых металлов и возникновение взаимодействия с металлом. Для поиска использовались синонимические конструкты следующего типа - zincANDorganism: "Artemisiaabsinthium (Absinthwormwood) [72332]". Производился поиск по металлам, входящим в кофактор, а также по атомам - в металлсвязывающих сайтах. Таким образом проводился отбор всех метал- лзависимых белков, которые содержат металл в своей структуре либо связываются с металлом для проявления своей активности. Структура базы знаний о металлзависимых белках строилась с помощью MicrosoftExel (США) и включала в себя следующие строки: по горизонтали название вида, названия металлов, по вертикали функции белков в организме, названия белков, id белков в UniProt. Также по вертикали включены данные из GeneOntology, которые позволяют более подробно отразить функционирование белка, эти сведения были найдены и для белков, у которых не аннотировано функций в UniProt. У металлзависимых белков были выбраны основные функции: фотосинтез (Фотосистема II), солеустойчивость, дыхательная цепь. У микроорганизмов: фотосинтез, дыхательная цепь, транспорт и метаболизм. Окончательная структура базы знаний о металлза- висимых белках может быть расширена за счет включения новых параметров, таких как состав кофактора или металлсвязывающего сайта, ссылки на публикации в PubMed.

Результаты и их обсуждение. Произведен поиск металлазвисимых белков представителей доминирующих видов растений и микроорганизмов агробиоценозов Волгоградской области в UniProt. Поиск проводился по названиям организмов, металлы регистрировались в графах по Functions / Cofactors и Function / Sites / Metalbinding. Все белки, содержащие и связывающие металлы, были разделены по входящим в них металлам и выполняемым функциям. В процессе изучения протеома растений было выяснено, что среди всех представителей агро- биоценоза металлзависимые белки аннотированы у 6 видов: Amaranthus retroflexus L., Medicago sativa L., Melilotus officinalis L. Pall., Polygonum aviculare L., Convolvulus arvensis L., Hordeum vulgare L. (табл. 1).

Не аннотированы металлзависимые белки по следующим представителям агробиоце- ноза: Atriplex tatarica L., Lactuca tatarica L., Xanthium albinum (Widd.) H. Scholz & Sukopp, Vincetoxicum scandens (Kusn.) Litv., Descurainia sophia L., Lycopsis arvensis L., Tripleurospermum inodorum Sch. Bip., Rumex confertus W., Crepis tectorum L., Artemisia absinthium L., Cichorium intybus L., Delphnnium dictyocarpum DC, Euphorbia seguieriana Neck., Lepidium perfoliatum L., Convolvulus arvensis L., Elytrigia repens (L.) Nevski, Euphorbia helioscopia L., Consolida regalis L., Artemisia austriaca Jacq., Artemisia lercheana Web. ex Stechm., Tragopogon dubius Scop., Delphinium consolida L., Achillea micrantha Willd., Stipa capillata L., Silene wolgensis Willd., Bromopsis inermis Holub., Bryum argenteum Hedw., Bromus inermis Leyss. , Filago arvensis L., Achillea millefolium L., Salvia aethiopis L., Centaurea ruthenica Lam., Poa pratensis L., Euphorbia seguieriana Neck, Scorzonera mollis M. Bieb., Lolium perenne L., Centaurea diffusa Lam, Onobrychis arenaria Kit., Medicago falcate L., Thlaspi arvense L., Turgenia latifolia L., Raphanus raphanistrum L.

Металлзависимые белки аннотированных в UniProt представителей агробиоценоза отвечают за выполнение функций, таких как фотосинтез (фотосистема II), регуляция клеточного цикла и метаболизма, биосинтез пигментов, участие в дыхательной цепи. Среди растений найдены такие металлзависимые белки, как марганец, медь и цинк.

У Amaranthus retroflexus L. как и Convolvulus arvensis L. по марганцу аннотированы 2 белка, отвечающие за фотосинтез, для Amaranthus retroflexus L. также выделены 2 белка по цинку с неизвестной функцией. У Medicago sativa L. аннотировано наибольшее количество металлзависимых белков - 27, 6 из которых связаны с марганцем и ответственны за функцию фотосинтеза, и 1 белок, содержащий медь, участвующий в дыхательной цепи. Остальные 10 белков, связанных с цинком, отвечают за уничтожение радикалов в клетках, солеустойчивость, проте- олитическую активность, лигнификацию, регуляцию метаболизма и участие в обратимой гидратации углекислого газа.

Таблица 1
Металлзависимые белки, входящие в протеом доминирующих видов растений и почвенной микробиоты в агроценозах Волгоградской области (по данным UniProt)

Таблица 2
Описание металлзависимых белков, входящих в протеом доминирующих видов растений в агроценозах Волгоградской области

У Melilotus officinalis L. Pall. найдены 6 белков, содержащих медь и марганец, отвечающих за фотосинтез и клеточное дыхание. У Polygonum aviculare L. найдены 2 белка, включающие медь и участвующие в дыхательной функции. В вегетативных органах Artemisia absinthium L. металлзависимых белков обнаружено не было. Hordeum vulgare L. имеет 246 металлзависимых белка, из которых 115 аннотированы по марганцу (22), меди (3) и цинку (90). Белки, содержащие цинк, выполняют метаболические функции, а также участвуют в убиквитинировании и последующей протеасомаль- ной деградации целевых белков. Белки, связанные с марганцем, ответственны за образование S-аденозилметионина из метионина и АТФ, участвуют в защитных механизмах (табл. 2).

Установлено, что мелаллсодержащие белки отвечают за различные функции, такие как участие в фотосинтезе (преимущественно белки, содержащие марганец), в дыхании (медьсодержащие белки). Белки, содержащие цинк, участвуют в выполнении таких специфических функций, как лигнификация, синтез душистых веществ растения, а также поддержание солеустойчивости, регуляция синтеза жирных кислот.

В базе UniProt по Actinomyces weissii как основному представителю рода Actinomyces найдены 2 белка - шаперонины, которые не включают в себя металлы. В целом для рода Actinomyces, обнаружены 1906 цинкзависимых белков с аннотированными функциями и еще 1 743 белков, связанных с цинком, без аннотированных функций. Большая часть белков, включающих цинк, выполняет функцию регуляции экспрессии генов. Среди белков, связывающих медь, найдены 30 с аннотированными функциями и 246 без аннотированных функций. Основная часть белков, включающих в состав медь, участвует в дыхательной цепи и связывании меди.

Таблица 3
Описание металлзависимых белков, входящих в протеом доминирующих представителей почвенной микробиоты агроценозов Волгоградской области

У представителей почвенной микробиоты аннотированные металлзависимые белки обнаружены у Bacillus subtilis, для которого они участвуют в регулировании ряда функций: участие в метаболизме, регуляция транспорта, фотосинтез (табл. 3). У представителей Bacillus subtilis функции в большинстве случаев связаны с белками, содержащими металлы. За функцию метаболизма ответственно большинство белков, связанных со всеми тремя металлами, среди которых цинк является наиболее значимым. Марганец в большей степени вовлечен в процессы гидролиза и разрушения биологических молекул, медь в основном участвует в дыхании, как и у растений, а цинк в большей степени - в превращении веществ, синтезе. В протеолитической активности не участвуют белки, связанные с марганцем и медью. Белки, содержащие цинк, участвуют в транспортной системе Bacillus subtilis в качестве распределителей энергии АТФ. В транспорте веществ также участвуют белки, содержащие марганец и медь. Белки, содержащие цинк, участвуют также в защитных механизмах, в отличие от остальных металлзависимых белков. В обеспечении фотосинтеза участвует только один аннотированный медьсодержащий белок - пластоцианин.

Сравнивая металлзависимые белки доминирующих видов растений и представителей почвенной микробиоты, можно отметить, что металлсодержащие белки отвечают за формирование защитных механизмов (солеу- стойчивость и лигнификация клеток) относительно внешних стрессовых факторов, характерных для аридной зоны.

В фотосинтезе и энергетических обменах у растений, как и у представителей Bacillus subtilis, преобладают содержащие марганец и медь белки, что связано с производством АТФ и его использованием. Это может быть связано как с адаптацией к условиям окружающей среды на энергетическом уровне, так и с транспортом веществ через мембрану. Основными адаптационными функциями, исходя из аннотирования металлзависимых белков, являются транспортная и метаболическая.

Заключение. Поиск и анализ металлза- висимых белков, входящих в протеом доминирующих растений и почвенной микробиоты, показали, что на сегодняшний момент белковый состав не изучен у большинства произрастающих растений, входящих в состав типичных агроценозов аридной зоны на территории Волгоградской области. Данные, полученные в ходе исследования, могут быть использованы для высокоточного управления развитием агроценозов путем воздействия на металлзависимые механизмы растений и представителей почвенной микробиоты для обеспечения необходимого уровня эффективного природопользования и достижения оптимального экономического эффекта.

 

ПРИМЕЧАНИЕ
1 Публикация подготовлена при финансовой поддержке Государственного задания Минобрнау- ки РФ по теме «Разработка экологоориентирован- ных биотехнологий оптимизации аридных агробиоценозов Юга России на основе достижений физико-химической биологии и биоинформатики» (проект № 40.7534.2017/8.9).

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дудченко, Л. В. Эффективный биологический способ подавления сорных растений в полезащитных лесных насаждениях / Л. В. Дудченко // Достижения науки и техники АПК. - 2012. - № 7. - С. 37-38.
2. Зубков, А. Ф. Агробиоценологическая модернизация защиты растений / А. Ф. Зубков. - СПб. : ВИЗР, 2014. - 116 с. - (Приложение к журналу «Вестник защиты растений», № 12).
3. Мушаева, К. Б. Оценка современного состояния агропастбищных ландшафтов полупустынной зоны республики Калмыкия с применением ГИС-технологий / К. Б. Мушаева // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 11, Естественные науки. - 2015. - № 1. - С. 103-110.
4. Снижение негативного воздействия на аг- роценозы путем управления примыкающими природно-антропогенными системами / Е. А. Иванцова [и др.] // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 3: Экономика. Экология. - 2017. - Т. 19, № 4 (41). - С. 138-146. - DOI: 10.15688/ jvolsu3.2017.4.15.
5. Трифонова, Т. А. Моделирование стационарных состояний системы фитоценоз-почва (на примере бассейна р. Клязьма) / Т. А. Трифонова, Л. А. Ширкин, Н. В. Мищенко // Почвоведение. - 2012. - № 8. - С. 889.
6. A functional trait perspective on plant invasion / R. E. Drenovsky [et al.] // Ann. Bot. - 2012. - Vol. 110, № 1. - P. 141-153. - DOI: 10.1093/aob/mcs100.
7. Biochemical and molecular mechanisms of plant-microbe-metal interactions: relevance for phytoremediation / Y. Ma [et al.] // Front Plant Sci. - 2016. - Vol. 7. - DOI: 10.3389/fpls.2016.00918
8. Biotic and abiotic drivers of intraspecific trait variation within plant populations of three herbaceous plant species along a latitudinal gradient / K. Helsen, [et al.] // BMC Ecol. - 2017. - № 17. - P. 38.
9. Ecological aspects of phytosanitary optimization of arid agrobiocenoses of the south of Russia / E. A. Ivantsova [et al.] // Bulgarian J. Agric. Sci. - 2017. - Vol. 23, № 5. - P. 834-842.
10. In vitro antagonistic activity, plant growth promoting traits and phylogenetic affiliation of rhizobacteria associated with wild plants grown in arid soil / W. S. El-Sayed [et al.] // Front. Microbiol. - 2014. - Vol. 5.
11. Influence of life form, taxonomy, climate, and soil properties on shoot and root concentrations of 11 elements in herbaceous plants in a temperate desert / M. He [et al.] // Plant and Soil. - 2016. - Vol. 398, № 102. - P. 339-350.
12. Invasive plants rapidly reshape soil properties in a grassland ecosystem / S. M. Gibbons [et al.] // mSystems. - 2017. - Vol. 2, № 2.
13. Leaf nitrogen and phosphorus of temperate desert plants in response to climate and soil nutrient availability / M. He [et al.] // Scientific Reports. - 2014. - № 4. - P. 6932. - DOI: https://doi.org/10.1038/srep06932.
14. Phylogenetic plant community structure along elevation is lineage specific / C. Ndiribe [et al.] // Ecology and Evolution. - 2013. - Vol. 3, № 15. - P. 4925-4939.
15. Plant communities in harsh sites are less invaded: a summary of observations and proposed explanations / E. Zeferman [et al.] // AoBPlants. - 2015. - № 7.
16. Synergistic effects of the components of global change: Increased vegetation dynamics in open, forest-steppe grasslands driven by wildfires an d year- to-year precipitation differences / M. Kertesz, R. Aszalos, A. Lengyel, G Onodi // PLoS One. - 2017. - Vol. 12, № 11.
17. The database of the PREDICTS (Projecting Responses of Ecological Diversity In Changing Terrestrial Systems) project / L. N. Hudson [et al.] // Ecol. Evol. - 2017. - Vol. 7, № 1. - P. 145-188.

Источник: "Вестник Волгоградского государственного университета". Серия 3. Экономика. Экология. 2018. Т. 20. № 4


Категория: Сельское и приусадебное хозяйство | Добавил: x5443 (27.05.2019)
Просмотров: 23 | Теги: металлзависимые белки, агроценозы, протеом | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
...




Copyright MyCorp © 2019 Обратная связь