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
383
32
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.,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

* <D

ю

I—

^

о *

13

и

I—

§

§

А Н О

о X и S

2500

2000

1500

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.