АДАПТАЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ
В последние годы вопросы адаптации живых организмов к окружающей среде, к изменению климата, воздействию антропогенного и техногенного факторов привлекают во всем мире повышенное внимание ученых и специалистов разных отраслей и направлений науки. Раскрытие общих свойств биологических систем и объяснение причин их многообразия, выявление связей между их строением и условиями окружающей среды являются основополагающими для изучения механизмов адаптации. Теоретически любая биологическая система на уровне молекулярной организации, клетки, ткани, органа, организма, популяции, вида, биоценоза и экосистем может стать мишенью для воздействия тех или иных факторов. Поскольку значение разных классов и видов молекул для поддержания гомеостаза организма не одинаково, последствия этого воздействия тоже различны.
Таджикистан отличается богатой флорой, которая насчитывает более 9 тыс. видов, многие из которых могут быть исследованы и использованы в решении продовольственной безопасности страны, а также в изучении механизмов устойчивости к неблагоприятным условиям среды.
Учитывая научное и прикладное значение (для практической медицины, сельского хозяйства, охраны природы) и уровень исследований, проводимых в Таджикистане по проблемам адаптации биологических систем, а также принимая во внимание тенденции развития мировой науки, эти направления исследований были определены как приоритетные и вошли в Перечень приоритетных направлений научных исследований Стратегии Республики Таджикистан в области науки и технологий на 2007-2015 годы. К их числу относятся: «Изучение влияния изменения климата, антропогенного и техногенного факторов на биоразнообразие, природные экологические системы и сельскохозяйственные культуры, физиолого-биохимическая адаптация и регуляторные механизмы устойчивости живых организмов к действию стрессов».
Цикл научных трудов академика Академии наук Республики Таджикистан М.М. Якубовой «Адаптационные механизмы функционирования биологических систем» состоит из трех книг: «Белки теплового шока в клетках спирулины» Душанбе, Дониш, 2003; «Н+-АТФаза хлоропластов хлопчатника и арабидопсиса», Душанбе, Дониш, 2005; «Фотосинтез и ассимиляция азота у хлопчатника», Душанбе, Дониш, 2015; материалов Республиканской конференции «Адаптационные аспекты функционирования живых систем», Душанбе, Дониш, 2007, а также разных научных статей, изданных в международных научных журналах являются неисчерпаемым ресурсом для изучения механизмов адаптации к изменению климата биологических систем в условиях Таджикистана.
Специфические изменения экспрессии генов в ответ на различные внешние воздействия, особенно при изменении климата, наблюдаются у большинства организмов. Особый интерес в этом отношении представляет эффект теплового шока, важной особенностью которого является синтез набора полипептидов, или «белков теплового шока» (БТШ). Не прибегая к помощи химических веществ, а изменяя, например, только температуру, можно контролировать экспрессию определенных генов. На их основе возникла серия новых проблем. Как стресс воспринимается клеткой, каков механизм взаимодействия внешнего индуктора (например, температуры) с внутриклеточными рецепторами, каким образом сигнал о стрессе передается в ядро, как активируются и как функционируют гены стрессовых белков, какова роль этих белков в метаболизме клетки и, наконец, зависит ли образование стрессовых белков от физиологического состояния, возраста растений.
В монографии академика Якубовой М.М. под названием «Н+-АТФаза хлоропластов хлопчатника и арабидопсиса» раскрыты общие свойства живых организмов и причины их многообразия и адаптации к воздействию стрессовых факторов на уровне их молекулярной организации. Как известно, Н+ — АТФ-аза хлоропластов является составной частью энзиматической системы, обеспечивающей аккумуляцию и использование энергии в ходе физиолого–биохимических процессов в организме. Исследование активности данного фермента и выявление его функциональных особенностей представляют еще больший интерес в связи с изучением мутантных форм растений, которые позволяет исследовать механизм действия генетических факторов на функциональную активность хлоропластов, а также выявить лимитирующие звенья в проявлении фотосинтетической активности. Исходя из этого, изучение АТФ-азы сопрягающего фактора CF1, выполняющего одну из ключевых функций в заключительном этапе энергетического метаболизма клетки, а также в процессе реализации энергии в метаболических процессах в хлоропластах растений позволит выявить воздействие того или иного фактора на отдельные субклеточные комплексы (ферментные системы) на молекулярном уровне.
Важно отметить прикладной аспект исследования, который позволяет использовать АТФ-азную активность CF1тилакоидных мембран в качестве биохимического инструмента, определяющего потенциальные возможности хлоропластов для выявления адаптационных механизмов при отборе продуктивных форм растений и усилении селекционно-генетических исследований в будущем.
В другой книге Якубовой М.М. «Фотосинтез и ассимиляция азота у хлопчатника» впервые рассматриваются физиолого-биохимические и биофизические аспекты координации метаболизма двух органогенных элементов углерода и азота, т.е. анаболического энерго- и масса накопительного процесса и серии катаболических процессов превращения и использования энергии фотосинтетического происхождения. Это позволяет понять механизм действия света на ассимиляцию азота, а также поступление и накопление NO3, и интенсивность ее редукции в зависимости от роста и развития растения. Важным компонентом необходимым понять онтогенетический аспект взаимосвязи углеродного и азотного метаболизма позволит также выявить и рекомендовать в качестве тест-систем отдельные ключевые показатели, ответственные за устойчивость и продуктивность растения.
Впервые выдвинута концепция об интегральной позиции ростовых процессов в координации восстановления углерода и азота в зависимости от адаптационных механизмов ответственных за условия роста и развития хлопчатника и дана обобщающая схема ассимиляции азота. Заслуживает внимания тот факт, что от сопряженности процессов ассимиляции CO2 и N, поскольку они представляют собой две стороны единого процесса питания растений и находятся в постоянном взаимодействии, зависит гармоничный рост, биологическая и хозяйственная продуктивность, а также устойчивость растения к неблагоприятным факторам внешней среды.
Прикладные аспекты, в представленных трудах, свидетельствуют о возможности разработки необходимых подходов и практических рекомендаций по повышению адаптационных возможностей, снижению риска негативного воздействия неблагоприятных факторов на природную среду и агроэкологические системы. Показаны перспективные методические приемы с использованием посевов смешанных культур для выявления механизмов влияния генетических факторов, условий среды и ценоза на конкурентоспособность в связи с формированием высокопродуктивных растительных сообществ.
Следует отметить, что одной из сложнейших проблем при изучении устойчивости и конкурентоспособности растений является совокупное взаимодействия стрессовых факторов и генотипа растений. В связи с этим одним из подходов в решении данной проблемы является их влияние на отдельные физиолого-биохимические параметры и, в конечном счете, на продуктивность растения.
Таким образом, в опубликованных научных книгах и статьях академика Якубовой М.М. рассмотрены роль и влияние абиотических стрессов, оказывающих решающее воздействие на глубинные механизмы стресс-толерантности растений в связи с их устойчивостью. Именно расшифровка механизмов устойчивости и адаптации является главным ключом для генетики, классической селекции и биотехнологических подходов в создании стресс-устойчивых сортов сельскохозяйственных культур.
Научные результаты многолетних исследований М.М.Якубовой имеют большое научное и практическое значение в развитии перспективного направления в области изучения влияния изменения климата на регуляторные механизмы, определяющие адаптацию, устойчивость и продуктивность сельскохозяйственных растений.
Алиев К.А. – член-корр. АН РТ, заведующий лабораторией молекулярной биологии и биотехнологии Института ботаники, физиологии и генетики растений АН РТ,
Партоев К. – доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник Института ботаники, физиологии и генетики растений АН РТ,
Давлятназарова З.Б. – кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник Института ботаники, физиологии и генетики растений АН РТ.
