Научная статья на тему 'Активация некоторых защитных систем в растениях Thellungiella halophila при действии NaCl'

Активация некоторых защитных систем в растениях Thellungiella halophila при действии NaCl Текст научной статьи по специальности «Биохимия растений»

CC BY
321
29
Поделиться

Аннотация научной статьи по химии, автор научной работы — Карташов А. В., Иванов Ю. В., Радюкина Н. Л., Шевякова Н. И., Кузнецов Вл В.

Исследовали изменение активности антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутазы и различных форм пероксидаз), содержания пролина в зависимости от накопления Na+, K+, Cl в растениях Thellungiella halophila в условия засоления NaCl. Показано, что индукция исследованных защитных систем выше, чем у других модельных растений (Arabidopsis thaliana, Mesembryanthemum crystallinum).

Похожие темы научных работ по химии , автор научной работы — Карташов А.В., Иванов Ю.В., Радюкина Н.Л., Шевякова Н.И., Кузнецов Вл.В.,

Текст научной работы на тему «Активация некоторых защитных систем в растениях Thellungiella halophila при действии NaCl»

Как известно, для характеристики степени дифференциации профиля чернозёмов по илу используется показатель отношения количества илистых частиц в иллювиальном горизонте к такому же показателю в элювиальном горизонте (К1). В исследуемых нами почвах средневзвешенный показатель К1 равен: для чернозёмов слабовыщелоченных 1,011,05, чернозёмов выщелоченных 1,15-1,18, чернозёмов оподзоленных 1,4-1,5. Максимальных значений показатель К1 достигает под покровом древесных сообществ и в условиях повышенного внутрипоч-венного стока воды.

В качественном составе гумуса также прослеживается определённая закономерность. При увеличении степени выщелоченности и оподзоленности мобильность гумуса увеличивается, а отношение ГК: ФК уменьшается. Так, в чернозёмах типичных формируется гумус гуматного состава (в соответствии с классификацией Гришиной Л.А., Орловой Д.С., 1978). Отношение Сгк:Сфк = 2,17-2,64. В чернозёмах оподзоленных гумус приобретает фульватно-гуматный состав, отношение Сгк:Сфк в перегнойно-аккумулятивном горизонте 1,16-1,52, книзу уменьшается до 1,06-0,97. По-видимому, именно высокая мобильность гумуса чернозёма оподзоленного является причиной появления элювиальности, выщелачивания, иллимеризации. Эти процессы имеют место в условиях повышенного стока внутрипочвенной влаги, внедрения древесно-кустарниковых форм в травянистые сообщества. Следовательно и современное рельефообразование, приводящее к развитию дренирующей территорию овражно-балочной системы, усиливающей внутрипочвенный отток влаги, так же может вызвать постепенную трансформацию чернозёмов в сторону усиления признаков выщелачивания и оподзоливания. Наиболее интенсивное проявление данного процесса следует ожидать в условиях повышенных элементов рельефа - верхней части склонов, в плакорных условиях, где внутрипочвенный отток влаги под дренирующим воздействием овражно-балочной сети максимально выражен.

Отмеченные выше особенности динамики чер-нозёмообразования позволяют сделать вывод об особенностях использования агроландшафтов с целью

сохранения генетических особенностей чернозёмов и предотвращения их трансформации в менее ценные типы почв. Основными приёмами использования являются внедрение системы адаптивного земледелия с использованием многокомпонентных травянистых сообществ и сидератов в севооборотах с целью воспроизводства запасов гумуса, структурного состояния и биологической активности почв; борьба с эрозией почв - современным рельефообра-зованием; внедрение интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур, направленных на сохранение и повышение уровня почвенного плодородия.

Итак, почвенный покров Пензенской области, довольно сложный по своему составу, испытывает сильное антропогенное воздействие. Повсеместно развиты процессы дегумификации, деструктуриза-ции, подкисления, разрушения водными потоками, ветром. Возрождение силы земли возможно только на основе глубокого познания ее свойств и внедрения в сельскохозяйственное производство научно-обоснованных систем земледелия, позволяющих не только восстанавливать утраченное плодородие, но и повышать его.

список литературы.

Географический атлас Пензенской области. Пенза.: Об-

лиздат, 2005. С. 6-16. Гришина Л.А., Орлов Д.Е. Система показателей гумус-ного состояния почвы // Проблемы почвоведения. М.: Наука, 1978. С. 200-217. Добровольский Г.В., Урусевская И.С. География почв.

М.: Издательство МГУ, 1984. 416 с. Кузнецов К.А. и др. Почвы Пензенской области. Пенза-Саратов: Приволжское книжное издательство, 1966. 125 с.

новикова л.А. Многолетняя динамика растительного покрова Островцовской лесостепи // Состояние, изучение и сохранение заповедных природных комплексов лесостепной зоны. Воронеж, 2000. С. 213-216.

Чистякова А.А. и др. Пензенская лесостепь (учебное

пособие по экологии). Пенза, 2002. С. 9-53. Солянов А.А. Растительный покров // Природа Пензенской области. Пенза-Саратов: Приволжское книжное издательство, 1966. 125 с.

УДК 581.1

активация некоторых защитных систем в растениях

THELLUNGIELLA HALOPHILA при действии NACL

А.В. КАРТАШОВ1, Ю.В. ИВАНОВ2, Н.Л. РАДЮКИНА2, Н.И. ШЕВЯКОВА2, ВЛ.В. КУЗНЕЦОВ2 Пензенский государственный педагогический университет,

кафедра ботаники, физиологии и биохимии растений1, Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН2

Исследовали изменение активности антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутазы и различных форм пероксидаз), содержания пролина в зависимости от накопления Na+, К+, Cl- в растениях Thellungiella halophila в условия засоления Na Cl. Показано, что индукция исследованных защитных систем выше, чем у других модель -ных растений (Arabidopsis thaliana, Mesembryanthemum crystallinum).

ИЗВЕСТИЯ ПГПУ • Естественные науки • № 1 (5) 2006 г.

Thellungiella halophila Mey. - факультативный галофит семейства Крестоцветных (Brassicaceae). В зарубежной научной литературе наравне с этим названием, как синоним, используется название Thellungiella salsuginea Pall. Однако эти виды были описаны в разное время и лишь в 1924 г. помещены в один род крупнейшим исследователем семейства Крестоцветных Шульцем (Schulz, 1924).

В настоящее время род Thellungiella включает 4 вида (Th. salsuginea, Th. botschantzevii, Th. halophila, Th. parvula). Th. halophila распространена на солонцеватых почвах на равнинах и в предгорьях, на территории восточного Казахстана и северо-западе Китая (Герман, 2002).

Th. halophila показывает уникальную толерантность к различным видам абиотического стресса. Этот вид может произрастать и размножаться при высоких концентрациях солей в почве. Высокая гомология геномов Th. halophila и её ближайшего родственника Arabidopsis thaliana позволяет использовать базу данных Arabidopsis Biological Resource Center, Ohio (США) для изучения экспрессии генов в молекулярных исследованиях (Gong, 2005). Th. halophila в настоящее время интенсивно изучается, однако, генетические и физиолого-биохимичес-кие причины столь высокой устойчивости практически неизвестны.

В связи с этим особый интерес представляет исследование некоторых ферментов антиоксидант-ных систем и накопление осморегулятора пролина у Th. halophila в ответ на действие засоления.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Семена растений Th. halophila для опытов любезно предоставлены профессором A. Амтман (Университет Глазго, Великобритания).

Исходя из данных о химическом составе засоленных почв и опыте зарубежных исследователей, изучающих действие засоления на растения, в качестве стресс-фактора был выбран NaCl.

Перед посевом семена подвергались поверхностной стерилизации в растворе 13%-ной перекиси водорода и 96% этанола. Высев производился на влажный перлит. Посевы помещались на стратификацию в течение 4-7 дней при +4°С. После прорастания и образования второй пары настоящих листьев растения переносились в сосуды для выращивания в водной культуре. В качестве питательного раствора использовалась среда Джонсона, модифицированная по Whinter. При достижении растениями возраста 6 недель, ежедневно в течение 7 суток в питательную среду вносили по 100 mM раствора NaCl. Отобранные образцы растений фиксировали жидким азотом и хранили при -70°С.

Содержание ионов Cl- в растениях определяли потенциометрическим методом на ионном анализаторе Orion Research Expandable ionanalyzer EA940 (Cambridge, USA) с помощью комбинированного хлоридного электрода.

Содержание ионов Na+ и K+ определяли на пламенном фотометре Carl Zeiss Model III (Jena, Germany).

Содержание свободного пролина определяли по методу Байтса (Bates, 1973), активность супероксид-дисмутазы по методу Фридович (Beauchamp, 1971) и гваякол-зависимых пероксидаз (Шевякова, 2002). Концентрация белка в полученных ферментных препаратах измерялась по методу Эсена (Esen, 1978). Все эксперименты выполнены в трёх биологических повторностях.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

При постепенном повышении концентрации NaCl в питательном растворе до 300 mM растения Th. halophila не имели признаков повреждения. Повышение концентрации NaCl до 700 mM вызывало устойчивое обезвоживание тканей и появление очагов некроза на листьях.

Содержание ионов Na+, К+ и Ct.

При постепенном увеличении концентрации NaCl в питательном растворе в листьях растений возрастало содержание ионов Na+ и Cl- (рис. 1).

Аналогичная зависимость наблюдалась и в корнях, но в абсолютных показателях содержание ионов выше, чем в листьях (рис. 2). При концентрации NaCl в среде 300 mM, в листьях опытных растений отмечено превышение содержание ионов Na+ и Cl- по отношению к контролю в 33 и 93 раза соответственно. При этом содержание ионов K+ как в листьях, так и и в корнях снижалось незначительно, по сравнению с контролем. Таким образом, засоление не вызывало ощутимого дефицита калия, который характерен для соленеустойчивых растений (гликофитов).

Рис. 1. Содержание ионов №+, О- в листьях ТЬ. Ьа!орЫ!а при действии различных концентраций №0

Одним из существенных отличий 1Ъ. halophila от типичного гликофита А. ьИаМапа является аккумуляция №+, что ранее было показано в работе Уега-Ев-

trella (Vera-Estrella, 2005). По данным этого автора, аккумуляция Na+ в тканях Th. halophila осуществляется с помощью активации №+/Н+-транспортеров и направлена на поддержание в клетках необходимого для их жизнедеятельности водного потенциала.

л о о

CS

s:

5S О Л

3 о и

4 о

4,5 -|

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

□ Na+

□ K+

□ Cl-

cCL

te

0 100 200 300

концентрация NaCl, mM

Рис. 2. Содержание ионов Na+, K+, Cl- в корнях Th. halophila при действии различных концентраций NaCl

Возможно, что солевой стресс регулирует активность калиевых транспортёров путём повышения экспрессии генов, кодирующих различные протеин-киназы и фосфатазы (Jian-Kang Zhu, 2003).

Содержание пролина.

Аккумуляция пролина рассматривается как важнейший фактор, необходимый для осморегуляции и защиты макромолекул клетки при действии на растения засоления (Deuschle, 2004).

В наших опытах наблюдалась положительная корреляция аккумуляции пролина с повышением концентрации NaCl в питательном растворе. Устойчивое увеличение содержания пролина в растениях наблюдалось до максимальной концентрации NaCl (700 mM) (рис. 3).

Конститутивный уровень пролина для Th. halophila был значительно выше, чем для растений A. thaliana и галофита Mesembryanthemum crystallinum. Можно предположить, что в растениях Th. halophila повышена экспрессия генов, кодирующих ферменты синтеза пролина, и снижена экспрессия генов, кодирующих ферменты его катаболизма.

Активности суперокиддисмутазы, свободной, ион-связанной и ковалентно-связанной гваякол-зависимых пероксидаз.

В настоящее время установлено, что действие любого стрессорного фактора сопровождается образованием активных форм кислорода (супероксид анион, гидроксил анион, перекись водорода), которые повреждают белки, нуклеиновые кислоты и вы-

зывают перекисное окисление липидов в мембранах клеток.

Деструкция супероксид аниона осуществляется супероксиддисмутазой (СОД). В результате реакции дисмутации супероксида образуется перекись водорода, которая оказывает повреждающее действие на клетки. Защита клетки от перекиси осуществляется с помощью ряда ферментов антиоксидантного действия (пероксидаза, каталаза, аскорбат пероксидаза, глутатион пероксидаза), а также низкомолекулярными осмопротекторами ^аЫоп, 1997; ВоисЬегеаи, 1999). Комплекс последовательно включающихся биохимических реакций, катализируемых вышеуказанными ферментами, и аккумуляция низкомолекулярных соединений составляют защитную систему растения.

250 -|

0

0 100 200 300 400 500 600 700 концентрация №С1, тМ

Рис. 3. Содержание свободного пролина в растениях ТЬ. halophila при действии различных концентраций №0

Активность СОД в исследованных растениях в ответ на действие засоления повышалась и достигала максимума при 200 тМ №С1, как в корнях, так и в листьях (рис. 4). Активность СОД в корнях была выше активности в листьях при одинаковой концентрации №С1 в питательной среде. Это различие составило 2,5-3 раза. Конститутивный уровень активности СОД также был выше, чем у А. ЛаНапа и М. ау^аШпит.

Пероксидаза (ПО) является одним из маркерных ферментов и практически первой активируется в ответ на стресс. Этот мультифункциональный фермент в дополнение к антиоксидантной функции участвует в огромном числе биохимических реакций. В зависимости от локализации в растительных клетках различают растворимые (вакуоль, цитоплазма), ион-связанные (мембраны, клеточная стенка) и ковалентно-связанные (клеточная стенка) формы пероксидазы (Шевякова, 2002). В нашей работе исследована активность всех трёх форм пероксидазы.

ИЗВЕСТИЯ ПГПУ - Естественные науки - № 1 (5) 2006 г.

1200

0 100 200 300

концентрация NaCl, mM

Рис. 4. Активность супероксиддисмутазы в растениях Th. halophila при действии различных концентраций NaCl

Активность ПО повышалась при действии засоления и достигала максимума при концентрации 300-400 mM NaCl в питательной среде (рис. 5, 6). При этом разница в уровне активности ПО в корнях и листьях была ещё более значительной, чем у СОД (почти в 8 раз).

0 100 200 300 400 500

концентрация NaCl, мм о ль

□ ковалентно-вязанная

□ ион-связанная

Рис. 5. Активность форм пероксидазы в листьях ТЬ. Ьа!орЫ!а при действии различных концентраций №С

Вклад в общую активность разных форм пероксидазы был неодинаков в листьях и корнях. В листьях большую роль в изменении общей активности играет свободная пероксидаза, а в корнях - ион-свя-

занная. Возможно, в корнях это связано с необходимостью укрепления клеточной стенки, поскольку корни являются первым барьером при действии повышенных концентраций ИаС1.

Запаздывающий характер повышения активности ПО в течение опыта можно объяснить тем, что функционирование пероксидазы начинается после повышения концентрации перекиси водорода, образующейся в реакции деструкции супероксид аниона СОД. В дальнейшем повышения активности ПО не наблюдалось. Возможно, в этом случае деструкция перекиси происходит с помощью каталазы, которая работает при более высокой концентрации перекиси в клетке. Можно предполагать и активацию низкомолекулярных механизмов ее деградации.

* <D

ю

I—

^

о *

13

и

I—

§

§

А Н О

о X и S

2500

2000

1500

1000

500

0 100 200 300 400 500

концентрация NaCl, ммоль

□ коваленгно-связанная

□ ион-связанная В свободная

Рис. 6. Активность форм пероксидазы в корнях Th. halophila при действии различных концентраций NaCl

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о конститутивно высокой активности исследованных защитных систем в Th. Halophila, значительно превышающих активность не только у гликофитов, но и у галофита М. crystallinum. Такие свойства открывают большие перспективы в изучении механизмов адаптации с использованием нового модельного объекта.

Работа поддержана грантом 04-04-392 РФФИ, и грантом «Молекулярная биология клетки».

список ЛИТЕРАТУРЫ

Asim Esen. A Simple Method for Quantitative, Semiquantitative, and Qualitative Assay of Protein. Analytical Biochemistry. 1978. v.89. №2. P. 264-273. Bates L.S, Waldren R.P. Teare ID 1973 Rapid determination of free proline for water stress studies. Plant & Soil 39. P. 205-207.

0

Bouchereau A., Aziz A., Larher F., Martin-Tanguy J. Poly-amines and environmental challenges: recent development. // Plant Science. 1999. V. 140, P. 103-125.

Beauchamp Ch., Fridovich I., Superoxide Dismutase improved assays and an assay applicable to acrylamide gels; Analytical Biochemistry. 1971. №44, P. 276-287.

Galston A.W., Kaur-Sawhney R., Altabella T. and Tibur-cio A.F. Plant polyamines in reproductive activity and response to abiotic stress. // Bot. Acta. 1997. V. 110. P. 197-207.

Jian-Kang Zhu. Regulation of ion homeostasis under salt stress. // Current opinion in plant biology. 2003. Vol. 6, P. 441-445.

Deuschle K., Funck D., Forlani G., Stransky H., Biehl A., Leister D., Eric van der Graaf, Reinhard Kunze, Wolf B. Frommer. The role of A1-pyrroline-5-carboxylate dehydrogenase in proline degradation. // The plant cell. 2004. Vol. 16. P. 3413-3425.

Gong Q., Li P., Ma S., Rupassara S.I., Bohnert H. J. Salinity stress adaptation competence in the extremophile Thellungiella halophila in comparison with its rela-

tive Arabidopsis thaliana. // The Plant Journal. 2005. Blackwell Publishing Ltd.

Vera-Estrella R., Barkla B. J., Garcia-Ramirez L., Pantoja O.. Salt stress in salt cress activates Na+ transport mechanisms required for salinity tolerance. // Plant Physiology. 2005. Vol. 139. P. 1507-1517.

Schulz O.E. Cruciferae-Sisymbrieae//Engler A. Das Pflanzerreich. - Leipzig, 1924. - Hf.86. (IV-105). - S. 1-388.

Герман ДА. О роде Thellungiella O.E. Schulz (Crucif-erae) // Turczaninowia. 2002. 5(2): 32-41.

Шевякова Н.И., Стеценко ЛА., Мещеряков A.B., Кузнецов Вл. В. Изменение активности пероксидазной системы в процессе стресс-индуцированного формирования CAM // Физиология растений. 2002. т. 49. № 5. с. 670-677.

Шевякова Н.И., Стеценко ЛА., Мещеряков A.B., Кузнецов Вл. В. Изменение активности пероксидазной системы в процессе стресс-индуцированного формирования CAM // Физиология растений. 2002. т. 49, № 5, с. 670-677.

УДК 591.4

ВЛИЯНИЕ СЕЛЕНАТА НАТРИЯ НА РОСТОВЫЕ ПРОЦЕССЫ У РАЗНЫХ СОРТОВ конопли

СА СОЛДАТОВ, ХРЯНИН В.Н Пензенский государственный педагогический университет, кафедра ботаники, физиологии и биохимии растений

Изучено влияние селената натрия в лабораторных условиях на рост и развитие конопли посевной (Cannabis sativa L.). Отмечено, что величина и направленность действия селена зависит от доз микроэлемента, а также сорта конопли. Установлено, что селенат натрия в оптимальных концентрациях обладает по отношению к растениям конопли разных сортов на ранних этапах онтогенеза ростостимулирующим действием. При этом увеличивается накопление опытными растениями сырой и сухой биомассы по сравнению с контролем.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

В качестве объекта исследования были взяты разные сорта двудомной конопли. При выборе объекта исследования учитывались биологические особенности и хозяйственная ценность растения.

Для опытов были взяты следующие сорта конопли:

"Кубанская ранняя" - скороспелый сорт коноп-

ли южного типа, выведен методом многократного семейственно-группового отбора с индивидуальной оценкой каждого элитного растения по комплексу хозяйственно-ценных признаков из гибридной популяции (ЮС-22 х Кавказская) х Кавказская. Вегетационный период составляет 130-132 дня.

"Зеница" - среднеспелый сорт южной конопли, выведен методом гибридизации и многократного семейственного отбора. Вегетационный период - 145150 дней.

"Славянка" - позднеспелый сорт южной конопли, выведен методом многократного семейственно-группового отбора из сорта Краснодарская 56. Вегетационный период составляет 150-155 дней.

Выбранные сорта отличаются длиной вегетационного периода. Это дает возможность выяснить,

одинаковый ли характер действия имеет селен на раннеспелые и позднеспелые сорта.

Более подробную характеристику используемых в опытах сортов можно найти в Государственном реестре селекционных достижений, допущенных к использованию (1997; 2000; 2001).

Семена для опытов получены из лаборатории селекции конопли Краснодарского НИИСХ.

В ходе лабораторных опытов изучали влияние селената натрия на ростовые процессы и накопление биомассы у 10-ти дневных проростков конопли.

Во всех лабораторных опытах были следующие варианты:

1 - для выращивания использовалась дистиллированная вода (контроль);

2-9 - для выращивания использовались растворы селената натрия в концентрациях: 529,10; 52,91; 5,29; 0,53; 0,05; 0,005; 0,0005; 0,00005 мМ соответственно.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты опытов по влиянию селена на рост 10-ти дневных проростков конопли представлены в таблице 1 и на рисунках 1-2.