Цитологические и биохимические маркеры аутофагии в клетках суспензионной культуры пшеницы при абиотическом стрессе

А.Б. Мазина^1,2, С.А. Дмитриева², А.Г. Ренкова², Ю.Н. Валитова², В.Р. Хабибрахманова^2,3, Ф.В. Минибаева^1,2

¹Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия

²Казанский институт биохимии и биофизики ФИЦ Казанский научный центр РАН, г. Казань, 420111, Россия

³Казанский национальный исследовательский технологический университет, г. Казань, 420015, Россия

Полный текст PDF

DOI: 10.26907/2542-064X.2020.4.541-556

Для цитирования: Мазина А.Б., Дмитриева С.А., Ренкова А.Г., Валитова Ю.Н., Хабибрахманова В.Р., Минибаева Ф.В. Цитологические и биохимические маркеры аутофагии в клетках суспензионной культуры пшеницы при абиотическом стрессе // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. – 2020. – Т. 162, кн. 4. – С. 541–556. – doi: 10.26907/2542-064X.2020.4.541-556.

For citation: Mazina A.B., Dmitrieva  S.A., Renkova А.Г., Valitova J.N., Khabibrakhma­nova V.R., Minibayeva F.V. Cytological and biochemical markers of autophagy in wheat suspension culture cells under abiotic stress. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 2020, vol. 162, no. 4, pp. 541–556. doi: 10.26907/2542-064X.2020.4.541-556. (In Russian)

Аннотация

Аутофагия – высококонсервативный процесс внутриклеточной деградации поврежденных, окисленных или избыточных макромолекул и органелл в клетках эукариот. Базовый уровень аутофагии при оптимальных условиях невысок, однако в стрессовых условиях активность аутофагических процессов значительно возрастает. Настоящая работа посвящена анализу биохимических характеристик аутофагосом, образующихся в клетках суспензионной культуры пшеницы при голодании и обработке полиамином спермином. Аутофагосомы, выделенные из клеток, испытывающих недостаток сахарозы, характеризовались высокой активностью кислой фосфатазы и протеазы – маркерных ферментов литических везикул, а также изменением липидного состава. Обнаружено, что полиамин спермин индуцирует аутофагию, которая сопровождалась изменением редокс-статуса клеток и энергетического статуса митохондрий. Спермин-индуцированные аутофагосомы характеризовались высокой ферментативной активностью кислой фосфатазы и протеазы. Полученные результаты свидетельствуют о функциональной универсальности основных биохимических маркеров аутофагосом в клетках растений.

Ключевые слова: суспензионная культура пшеницы, аутофагосомы, голодание, спермин, кислая фосфатаза, протеаза

Благодарности. Работа частично выполнена в рамках государственного задания ФИЦ КазНЦ РАН (характеристика аутофагической активности), а также частично за счет средств субсидии, выделенной в рамках государственной поддержки Казанского (Приволжского) федерального университета в целях повышения его конкурентоспособности среди ведущих мировых научно-образовательных центров (изолирование аутофагосом).

Исследование аутофагии в клетках суспензионной культуры пшеницы проведено с использованием штамма Triticum timopheevii (Zhuk.) Zhuk. из Всероссийской коллекции культур клеток высших растений Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН (г. Москва).

Литература

1. Siyiannis V.F., Protonotarios V.E., Zechmann B., Chorianopoulou S.N., Müller M., Hawkesford M.J., Bouranis D.L. Comparative spatiotemporal analysis of root aerenchyma formation processes in maize due to sulphate, nitrate or phosphate deprivation // Protoplasma. – 2012. – V. 249, No 3. – P. 671–686. – doi: 10.1007/s00709-011-0309-y.
2. Filomeni G., De Zio D., Cecconi F. Oxidative stress and autophagy: The clash between damage and metabolic needs // Cell Death Differ. – 2015. – V. 22, No 3. – P. 377–386. – doi: 10.1038/cdd.2014.150.
3. Takatsuka C., Inoue Y., Higuchi T., Hillmer S., Robinson D.G., Moriyasu Y. Autophagy in tobacco BY-2 cells cultured under sucrose starvation conditions: Isolation of the autolysosome and its characterization // Plant Cell Physiol. – 2011. – V. 52, No 12. – P. 2074–2087. – doi: 10.1093/pcp/pcr137.
4. Дмитриева С.А., Пономарева А.А., Рябовол В.В., Минибаева Ф.В. Эффекты окислительного стресса на ультраструктуру и функциональную активность растительных митохондрий in vivo // Биол. мембраны. – 2012. – Т. 29, № 4. – С. 267–275.
5. Minibayeva F.V., Dmitrieva S.A., Ponomareva A.A., Ryabovol V.V. Oxidative stress-induced autophagy in plants: The role of mitochondria // Plant Physiol. Biochem. – 2012. – V. 59. – P. 11–19. – doi: 10.1016/j.plaphy.2012.02.013.
6. Рябовол В.В., Минибаева Ф.В. Молекулярные механизмы аутофагии в растениях: роль белка ATG8 в формировании и функционировании аутофагосом // Биохимия. – 2016. – Т. 81, Вып. 4. – С. 348–363.
7. Dmitrieva S.A., Ponomareva A.A., Gurjanov O.P., Mazina A.B., Andrianov V.V., Iyudin V.S., Minibayeva F.V. Spermine induces autophagy in plants: Possible role of NO and reactive oxygen species // Dokl. Biochem. Biophys. – 2018. –V. 483, No 4. – P. 341–343. – doi: 10.1134/S1607672918060121.
8. Loyola-Vargas V.M., Vázquez-Flota F. An introduction to plant cell culture // Loyola-Vargas V.M., Vázquez-Flota F. (Eds.) Plant Cell Culture Protocols. Methods in Molecular Biology, V. 318. – 2006. – P. 3–8. – doi: 10.1385/1-59259-959-1:003.
9. Yang X., Bassham D.C. New insight into the mechanism and function of autophagy in plant cells // Int. Rev. Cell. Mol. Biol. – 2015. – V. 320. – P. 1–40. – doi: 10.1016/bs.ircmb.2015.07.005.
10. Bahmani P., Schellenberger E., Klohs J., Steinbrink J., Cordell R., Zille M., Farr T.D. Visualization of cell death in mice with focal cerebral ischemia using fluorescent annexin A5, propidium iodide, and TUNEL staining // J. Cereb. Blood Flow Metab. – 2011. –V. 31, No 5. – P. 1311–1320. – doi: 10.1038/jcbfm.2010.233.0.
11. Scaduto R.C. Jr., Grotyohann L.W. Measurement of mitochondrial membrane potential using fluorescent rhodamine derivatives // Biophys. J. – 1999. – V. 76, No 1, Pt. 1. – P. 469–477. – doi: 10.1016/S0006-3495(99)77214-0.
12. Семихатова О.А., Чулановская М.В. Манометрические методы изучения дыхания и фотосинтеза растений. – М.-Л.: Наука, 1965. – 168 с.
13. Gay C., Gebicki J.M. A critical evaluation of the effect of sorbitol on the ferric–xylenol orange hydroperoxide assay // Anal. Biochem. – 2000. – V. 284, No 2. – P. 217–220. – doi: 10.1006/abio.2000.4696.
14. Nichols B.W. Separation of the lipids of photosynthetic tissues: Improvements in analysis by thin-layer chromatography // Biochim. Biophys. Acta. – 1963. – V. 70. – P. 417–422. – doi: 10.1016/0006-3002(63)90771-6.
15. Scott R.C., Schuldiner O., Neufeld T.P. Role and regulation of starvation-induced autophagy in the Drosophila fat body // Dev. Cell. – 2004. – V. 7, No 2. – P. 167–178. – doi: 10.1016/j.devcel.2004.07.009.
16. Zaffagnini G., Martens S. Mechanisms of selective autophagy // J. Mol. Biol. – 2016. – V. 428, No 9, Pt. A. – P. 1714–1724. – doi: 10.1016/j.jmb.2016.02.004.
17. Juhasz G., Neufeld T.P. Autophagy: A forty-year search for a missing membrane source // PloS Biol. – 2006. – V. 4, No 2. – Art. e36, P. 161–164. – doi: 10.1371/journal.pbio.0040036.
18. Kameoka S., Adachi Y., Okamoto K., Iijima M., Sesaki H. Phosphatidic acid and cardiolipin coordinate mitochondrial dynamics // Trends Cell Biol. – 2018. – V. 28. No 1. – P. 67–76. – doi: 10.1016/j.tcb.2017.08.011.
19. Kuznetsov V.V., Shevyakova N.I. Polyamines and stress tolerance of plants // Plant Stress. – 2007. – V. 1, No 1. – P. 50–71.
20. Madeo F., Eisenberg T., Pietrocola F., Kroemer G. Spermidine in health and disease // Science. – 2018. – V. 359, No 6374. – Art. eaan2788, P. 1–10. – doi: 10.1126/science.aan2788.
21. Wimalasekera R., Tebartz F., Günther F.E. Polyamines, polyamine oxidases and nitric oxide in development, abiotic and biotic stresses // Plant Sci. – 2011. – V. 181, No 5. – P. 593–603. – doi: 10.1016/j.plantsci.2011.04.002.
22. Gupta K., Sengupta A., Chakraborty M., Gupta B. Hydrogen peroxide and polyamines act as double edged swords in plant abiotic stress responses // Front. Plant Sci. – 2016. – V. 7. – Art. 1343, P. 1–19. – doi: 10.3389/fpls.2016.01343.
23. Votyakova T.V., Bazhenova E.N., Zvjagilskaya R.A. Polyamines improve Ca²⁺ transport system of the yeast mitochondria // FEBS Lett. – 1990. – V. 261, No 1. – P. 139–141. – doi: 10.1016/0014-5793(90)80655-3.
24. Bird S.W., Maynard N.D., Covert M.W., Kirkegaard K. Nonlytic viral spread enhanced by autophagy components // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. – 2014. – V. 111, No 36. – P. 13081–13086. – doi: 10.1073/pnas.1401437111.

Поступила в редакцию

10.03.2020

Мазина Анастасия Борисовна, аспирант кафедры биохимии, биотехнологии и фармакологии; младший научный сотрудник

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

Казанский институт биохимии и биофизики ФИЦ Казанский научный центр РАН

ул. Лобачевского, д. 2/31, г. Казань, 420111, Россия

E-mail: abmazina@gmail.com

Дмитриева Светлана Анатольевна, кандидат биологических наук, научный сотрудник

Казанский институт биохимии и биофизики ФИЦ Казанский научный центр РАН

ул. Лобачевского, д. 2/31, г. Казань, 420111, Россия

E-mail: s_dmitrieva@list.ru

Ренкова Альбина Гарифулловна, кандидат биологических наук, научный сотрудник

Казанский институт биохимии и биофизики ФИЦ Казанский научный центр РАН

ул. Лобачевского, д. 2/31, г. Казань, 420111, Россия

E-mail: renkova@kibb.knc.ru

Валитова Юлия Наилевна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

Казанский институт биохимии и биофизики ФИЦ Казанский научный центр РАН

ул. Лобачевского, д. 2/31, г. Казань, 420111, Россия

E-mail: yulavalitova@mail.ru

Хабибрахманова Венера Равилевна, кандидат химических наук, старший научный сотрудник, доцент кафедры пищевой биотехнологии

Казанский институт биохимии и биофизики ФИЦ Казанский научный центр РАН

ул. Лобачевского, д. 2/31, г. Казань, 420111, Россия

Казанский национальный исследовательский технологический университет

ул. К. Маркса, д. 68, г. Казань, 420015, Россия

E-mail: venerakhabibrakhmanova@gmail.com

Минибаева Фарида Вилевна, доктор биологических наук, профессор кафедры биохимии, биотехнологии и фармакологии; главный научный сотрудник

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

Казанский институт биохимии и биофизики ФИЦ Казанский научный центр РАН

ул. Лобачевского, д. 2/31, г. Казань, 420111, Россия

E-mail: minibayeva@kibb.knc.ru

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.