resarПриродные ресурсы Арктики и СубарктикиArctic and Subarctic Natural Resources2618-97122686-9683Академия наук Республики Саха (Якутия)10.31242/2618-9712-2024-29-4-597-607resar-599Research ArticleБиологические науки. ЭкологияBiological sciences. EcologyЖирнокислотный состав фосфолипидов в почках березы повислой в зимне-весенний период в условиях Карелии и ЯкутииFatty acid composition of phospholipids in silver birch buds in the winter-spring period in Karelia and Yakutiahttps://orcid.org/0000-0003-2091-905XВетчинниковаЛ. В.VetchinnikovaL. V.

Ветчинникова Лидия Васильевна, доктор биологических наук, доцент (РАН), главный научный сотрудник

ResearcherID: J-5665-2018

г. Петрозаводск

Vetchinnikova Lidiia Vasilievna, Dr. Sci. (Biol.), Associate Professor (RAS), Chief Researcher

ResearcherID: J-5665-2018

Petrozavodsk

vetchin@krc.karelia.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6880-2411ТитовА. Ф.TitovA. F.

Титов Александр Федорович, член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, профессор, главный научный сотрудник

ResearcherID: A-6705-2014

г. Петрозаводск

Titov Alexander Fedorovich, Corresponding Member of RAS, Dr. Sci. (Biol.), Chief Researcher

ResearcheID: A-6705-2014

Petrozavodsk

titov@krc.karelia.ruhttps://orcid.org/0009-0000-3107-4342ТатариноваТ. Д.TatarinovaT. D.

Татаринова Татьяна Дмитриевна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

ResearcherID: J-9072-2018, Scopus Author ID: 55506308300

г. Якутск

Tatarinova Tatiana Dmitrievna, Cand. Sci. (Biol.), Senior Researcher

ResearcherID: J-9072-2018, Scopus Author ID: 55506308300

Yakutsk

 

t.tatarinova@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0006-9716-6032ПономаревА. Г.PonomarevA. G.

Пономарев Анатолий Гаврильевич, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

ResearcherID: J-7717-2018, Scopus Author ID: 7102493328

г. Якутск

Ponomarev Anatoly Gavrilevich, Cand. Sci. (Biol.), Senior Researcher

ResearcherID: J-7717-2018, Scopus Author ID: 7102493328

Yakutsk

anaponomarev@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7817-8891ВасильеваИ. В.VasilyevaI. V.

Васильева Ирина Вениаминовна, инженер-исследователь

ResearcherID: KHY-3297-2024, Scopus Author ID: 53064833500

г. Якутск

Vasilyeva Irina Veniaminovna, Research Engineer

ResearcherID: KHY-3297-2024, Scopus Author ID: 53064833500

Yakutsk

ira_spira_vas@mail.ruИнститут леса Карельского научного центра РАНРоссияForest Research Institute, Karelian Research Centre of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут биологии Карельского научного центра РАНРоссияInstitute of Biology, Karelian Research Centre of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут биологических проблем криолитозоны СО РАНРоссияInstitute for Biological Problems of the Cryolithozone, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202426122024294597607Copyright © Ветчинникова Л.В., Титов А.Ф., Татаринова Т.Д., Пономарев А.Г., Васильева И.В., 20242024Ветчинникова Л.В., Титов А.Ф., Татаринова Т.Д., Пономарев А.Г., Васильева И.В.Vetchinnikova L.V., Titov A.F., Tatarinova T.D., Ponomarev A.G., Vasilyeva I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://resar.elpub.ru/jour/article/view/599

Изучена динамика жирнокислотного состава фосфолипидов в зимне-весенний период (январь–май) в почках Betula pendula Roth в условиях Карелии и Якутии. Для выделения фосфолипидов из суммарных липидов использовали колоночную хроматографию, а для разделения жирных кислот – газовую. Об активности ацил-липидных десатураз судили по величине индексов, отражающих стеароил- (SDR), олеоил-(ODR) и линолеил- (LDR) десатуразные отношения. Показано, что в период внутрипочечного развития зачаточных органов у березы повислой, независимо от места ее произрастания, в фосфолипидах преобладают ненасыщенные жирные кислоты. В период вынужденного покоя среди них превалировали диеновые, но к началу вегетации их доля снижалась на фоне увеличения триеновых жирных кислот. Эти изменения сопровождались небольшим повышением индекса двойной связи. Коэффициент ненасыщенности, напротив, уже в марте возрастал почти вдвое, что особенно явно проявилось в Якутии. Одновременно с этим показаны высокие значения индексов SDR и ODR, косвенно свидетельствующих об активном участии ω9- и ω6-десатураз в поддержании жидкокристаллического состояния фосфолипидов. LDR по значениям было наименьшим, однако к началу вегетации как в Карелии, так и в Якутии оно увеличилось почти в 3 раза. Высказано предположение, что в фосфолипидах почек березы повислой, произрастающей в Карелии и Якутии, в зимне-весенний период жидкостное состояние фосфолипидов мембран клеток меристематических тканей поддерживается за счет высокой активности десатураз, но наиболее заметную реакцию на воздействие температуры среди них проявила ацил-липидная ω3-десатураза. Помимо этого, в Якутии в процессе эволюции у березы повислой выработался дополнительный механизм, связанный со значительным снижением оводненности клеток и тканей, что также способствует сохранению упорядоченного состояния фосфолипидов и их функций, особенно в период действия экстремально низких отрицательных температур воздуха и многолетней мерзлоты.

Changes in the fatty acid composition of phospholipids in buds during the winter-spring period (January–May) were studied in silver birch (Betula pendula Roth) growing in Karelia and Yakutia. Phospholipids were isolated from total lipids using column chromatography, while fatty acids were separated through gas chromatography. The metrics for acyl-lipid desaturase activity were represented by the ratios of stearoyl- (SDR), oleoyl- (ODR), and linoleoyl- (LDR) desaturases. Our findings demonstrate that, regardless of geographical location, the predominant phospholipid fraction during the development of primordia within the bud consists of unsaturated fatty acids. During the period of exogenous bud dormancy, dienoic acids were the most prevalent; however, their share declined by the onset of the growing season, while the proportion of trienoic acids increased. These changes were accompanied by a slight rise in the double bond index. Conversely, the unsaturation index nearly doubled by March, with this change being particularly pronounced in Yakutia. Simultaneously, the SDR and ODR values were high, indirectly indicating the active involvement of ω9 and ω6 desaturases in maintaining the liquid-crystalline state of phospholipids. The LDR value in phospholipids was the lowest, yet it nearly tripled by the onset of the growing season in both Karelia and Yakutia. We hypothesize that the liquid state of phospholipids in the cell membranes of meristematic tissue in the buds of silver birch growing in Karelia and Yakutia during the winter-spring period is sustained by high desaturase activity, with the most significant response to temperature changes observed in acyl-lipid ω3 desaturase. Furthermore, through the course of evolution, silver birch in Yakutia has developed an additional mechanism that involves a pronounced reduction in cell and tissue water content, which also contributes to maintaining an ordered state of phospholipids and their functions, particularly when exposed to extremely low air temperatures and permafrost.

Betula pendulaадаптациядесатуразыжирные кислотыфосфолипидыКарелияЯкутияBetula pendulaadaptationdesaturasesfatty acidsphospholipidsKareliaYakutiaФинансирование исследований осуществлялось из средств федерального бюджета на выполнение государственного задания ФИЦ «Карельский научный центр Российской академии наук» (Институт леса КарНЦ РАН – № FMEN-2021-0018) и Института биологических проблем криолитозоны Сибирского отделения Российской академии наук (№ FWRS-2021-0024).This study was funded by the federal budget of Russia through the state assignment for the Karelian Research Centre RAS (Forest Research Institute KarRC RAS – No. FMEN-2021-0018) and the Institute for Biological Problems of Cryolithozone SB RAS (No. FWRS-2021-0024).ReferencesЧупров Н.П. Березовые леса. М.: Агропромиздат; 1986. 103 с.Chuprov N.P. Birch forests. Moscow: Agropromizdat Publ.; 1986. 103 p. (In Russ.)Тимофеев П.А. Деревья и кустарники Якутии. Якутск: Бичик; 2003. 64 с.Timofeev P.A. Trees and shrubs of Yakutia. Yakutsk: Bichik Publ.; 2003. 64 p. (In Russ.)Ветчинникова Л.В., Титов А.Ф., Кузнецова Т.Ю. Карельская береза: биологические особенности, динамика ресурсов и воспроизводство. Петрозаводск: КарНЦ РАН; 2013. 312 с.Vetchinnikova L.V., Titov A.F., Kuznetsova T.Yu. Curly birch: biological characteristics, resource dynamics, and reproduction. Petrozavodsk; 2013. 312 р. (In Russ.)Cook R., Lupette J., Benning C. The role of Chloroplast membrane lipid metabolism in plant environmental responses. Cells. 2021;10:706. https://doi.org/10.3390/cells10030706Cook R., Lupette J., Benning C. The role of Chloroplast membrane lipid metabolism in plant environmental responses. Cells. 2021;10:706. https://doi.org/10.3390/cells10030706Xiao R., Zou Y., Guo X., et al. Fatty acid desaturases (FADs) modulate multiple lipid metabolism pathways to improve plant resistance. Molecular Biology Reports. 2022;49(10):9997–10011. https://doi.org/10.1007/s11033-022-07568-xXiao R., Zou Y., Guo X., et al. Fatty acid desaturases (FADs) modulate multiple lipid metabolism pathways to improve plant resistance. Molecular Biology Reports. 2022;49(10):9997–10011. https://doi.org/10.1007/s11033-022-07568-xVoronkov A., Ivanova T. Significance of lipid fatty acid composition for resistance to winter conditions in Asplenium scolopendrium. Biology. 2022;11(4):507. https://doi.org/10.3390/biology11040507Voronkov A., Ivanova T. Significance of lipid fatty acid composition for resistance to winter conditions in Asplenium scolopendrium. Biology. 2022;11(4):507. https://doi.org/10.3390/biology11040507Лось Д.А. Десатуразы жирных кислот. М.: Научный мир; 2014. 372 с.Los D.A. Fatty acid desaturases. Moscow: Nauchniy Mir Publ.; 2014. 372 p. (In Russ.).He M., Qin C.X., Wang X., Ding N.Z. Plant unsaturated fatty acids: Biosynthesis and regulation. Frontiers in Plant Science. 2020;11:390. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.00390He M., Qin C.X., Wang X., Ding N.Z. Plant unsaturated fatty acids: Biosynthesis and regulation. Frontiers in Plant Science. 2020;11:390. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.00390Schenk M.F., Thienpont C.-H., Koopman W.J.M., et al. Phylogenetic relationships in Betula (Betulceae) based on AFLP markers. Tree Genetics and Genomes. 2008;4:911–924. https://doi.org/10.1007/s11295-008-0162-0Schenk M.F., Thienpont C.-H., Koopman W.J.M., et al. Phylogenetic relationships in Betula (Betulceae) based on AFLP markers. Tree Genetics and Genomes. 2008;4:911–924. https://doi.org/10.1007/s11295-008-0162-0Скворцов К.И., Нешатаева В.Ю., Нешатаев В.Ю. и др. Новые данные о распространении березы плосколистной (Betula platyphylla Sukacz.) в Олюторском районе Корякского округа (Камчатский край). Труды Карельского научного центра РАН. 2022;(1):89–97. https://doi.org/10.17076/bg1531Skvortsov K.I., Neshataeva V.Yu., Neshataev V.Yu., et al. New data on the distribution of japanese white birch (Вetula platyphylla Sukacz.) in the Оlyutorsky district of the Кoryak okrug (Кamchatsky krai). Trudy Karel’skogo nauchnogo tsentra RAN=Transactions of the Karelian Research Centre of RAS. 2022;(1):89–97. (In Russ.) https://doi.org/10.17076/bg1531Filatov N., Baklagin V., Efremova T., et al. Climate change impacts on the watersheds of lakes Onego and Ladoga from remote sensing and in situ data. Inland Waters. 2019;9(2):130–141. https://doi.org/10.1080/20442041.2018.1533355Filatov N., Baklagin V., Efremova T., et al. Climate change impacts on the watersheds of lakes Onego and Ladoga from remote sensing and in situ data. Inland Waters. 2019;9(2):130–141. https://doi.org/10.1080/20442041.2018.1533355Ананичева М.Д., Литвиненко Т.В., Филиппова В.В. Изменение климата в Республике Саха (Якутия) и его влияние на население: инструментальные измерения и наблюдения местных жителей. Географическая среда и живые системы. 2021;(3):6–21. https://doi.org/10.18384/2712-7621-2021-3-6-21Ananicheva M.D., Litvinenko T.V., Filippova V.V. Climate change in the republic of Sakha (Yakutia) and its impact on the population: instrumental measurement and observations of the local population. Geographical Environment and Living Systems. 2021;(3):6–21. (In Russ.) https://doi.org/10.18384/2712-7621-2021-3-6-21Климатические данные регионов. ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД». http://meteo.ru/data (дата обращения: 20.03.2024Climatic data of the region. FSBI “VNIIGMI-MCD”. http://meteo.ru/data/ (accessed: 20.03.2024). (In Russ.)Piispanen R., Saranpää P. Seasonal and withinstem variations of neutral lipids in silver birch (Betula pendula) wood. Tree Physiology. 2004;24(9):991–999. https://doi.org/10.1093/treephys/24.9.991Piispanen R., Saranpää P. Seasonal and withinstem variations of neutral lipids in silver birch (Betula pendula) wood. Tree Physiology. 2004;24(9):991–999. https://doi.org/10.1093/treephys/24.9.991Nakamura Yu., Shimizu K., Ando Ya. Gas chromatographic equivalent chain length (ECL) values of fatty acid methyl esters on a highly polar ionic liquid column, SLBIL111. Bulletin of Fisheries Sciences. 2014;64(1):9–16.Nakamura Yu., Shimizu K., Ando Ya. Gas chromatographic equivalent chain length (ECL) values of fatty acid methyl esters on a highly polar ionic liquid column, SLBIL111. Bulletin of Fisheries Sciences. 2014;64(1):9–16.Lyons J.M., Wheaton T.A., Pratt H.K. Relationship between the physical nature of mitochondrial membranes and chilling sensitivity in plants. Plant Physiology. 1964;39(2):262–268. https://doi.org/10.1104/pp.39.2.262Lyons J.M., Wheaton T.A., Pratt H.K. Relationship between the physical nature of mitochondrial membranes and chilling sensitivity in plants. Plant Physiology. 1964;39(2):262–268. https://doi.org/10.1104/pp.39.2.262Jaworski J.G., Stumpf P.K. Fat metabolism in higher plants. Properties of a soluble stearyl-acyl carrier protein desaturase from maturing Carthamus tinctorius. Archive of Biochemistry and Biophysics. 1974;162(1): 158–165.Jaworski J.G., Stumpf P.K. Fat metabolism in higher plants. Properties of a soluble stearyl-acyl carrier protein desaturase from maturing Carthamus tinctorius. Archive of Biochemistry and Biophysics. 1974;162(1): 158–165.Иванова М.В., Макаренко С.П., Суворова Г.Г. Жирнокислотный состав суммарных липидов хвои Picea obovata в весенний период вегетации. Сибирский экологический журнал. 2018;11(2):239–247. https://doi:10.15372/SEJ20180208Ivanova М.V., Makarenko S.P., Suvorova G.G. Fatty acid composition of total lipids in needles of Picea obovata in spring vegetation period. Sibirskiy ekologicheskiy zhurnal=Contemporary Problems of Ecology. 2018;11(2): 239–247. (In Russ.) https://doi:10.15372/SEJ20180208Dar A.A, Choudhury A.R, Kancharla P.K., Arumugam N. The FAD2 gene in plants: occurrence, regulation, and role. Frontiers in Plant Science. 2017;8(1789):2–16. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01789Dar A.A, Choudhury A.R, Kancharla P.K., Arumugam N. The FAD2 gene in plants: occurrence, regulation, and role. Frontiers in Plant Science. 2017;8(1789):2–16. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01789Алаудинова Е.В., Симкина С.Ю., Миронов П.В. Сезонные изменения содержания воды в меристиматических тканях почек Picea obobata L. и Pinus sylvestris L. и ее распределение в клетках. Хвойные бореальной зоны. 2007;24(4–5):487–491.Alaudinova E.V., Simkina S.Yu., Mironov P.V. Seasonal changes of water content in meristematic tissues of Picea obovata L. and Pinus sуlvestris L. buds and its subcellular distribution. Conifers of the Boreal Area. 2007;24(4–5):487–491. (In Russ.).Nokhsorov V.V., Senik S.V., Sofronova V.E., et al. Role of lipids of the evergreen shrub Ephedra monosperma in adaptation to low temperature in the cryolithozone. Plants. 2023;12(1):15. https://doi.org/10.3390/plants12010015Nokhsorov V.V., Senik S.V., Sofronova V.E., et al. Role of lipids of the evergreen shrub Ephedra monosperma in adaptation to low temperature in the cryolithozone. Plants. 2023;12(1):15. https://doi.org/10.3390/plants12010015Трунова Т.И. Растение и низкотемпературный стресс. М.: Наука; 2007. 54 с.Trunova T.I. Plant and low temperature stress. Moscow: Nauka; 2007. 54 p. (In Russ.).Ozolina N.V., Kapustina I.S., Gurina V.V., et al. Comparison of the functions of plasma membrane and vacuolar membrane lipids in plant cell protection against hyperosmotic stress. Planta. 2023;258:39. https://doi.org/10.1007/s00425-023-04191-3Ozolina N.V., Kapustina I.S., Gurina V.V., et al. Comparison of the functions of plasma membrane and vacuolar membrane lipids in plant cell protection against hyperosmotic stress. Planta. 2023;258:39. https://doi.org/10.1007/s00425-023-04191-3Tatarinova T.D., Bubyakina V.V., Vetchinnikova L.V., et al. Dehydrin stress proteins in birch buds in regions with contrasting climate. Cell Tissue Biol. 2017;11:483. https://doi.org/10.1134/S1990519X17060098Tatarinova T.D., Bubyakina V.V., Vetchinnikova L.V., et al. Dehydrin stress proteins in birch buds in regions with contrasting climate. Cell Tissue Biol. 2017;11:483. https://doi.org/10.1134/S1990519X17060098Kosova K., Prasil I.T., Vitamvas P. Role of dehydrins in plant stress response. In: Pessarakli M. (ed.) Handbook of plant and crop stress. Boca Raton: CRC Press; 2019, рр. 175–196.Kosova K., Prasil I.T., Vitamvas P. Role of dehydrins in plant stress response. In: Pessarakli M. (ed.) Handbook of plant and crop stress. Boca Raton: CRC Press; 2019, рр. 175–196.Betula pendula subsp. mandshurica (Regel) Ashburner & McAll. The Genus Betula: a taxonomic revision of birches. 2013:291. https://www.gbif.org/species/8245043 (accessed: 22.04.2024).Betula pendula subsp. mandshurica (Regel) Ashburner & McAll. The Genus Betula: a taxonomic revision of birches. 2013:291. https://www.gbif.org/species/8245043 (accessed: 22.04.2024).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.