CC BY
136
Биология
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2008, № 1, с. 73-76
УДК 581.1
АКТИВНОСТЬ АНТИОКСИДАНТНЫХ ФЕРМЕНТОВ И СОДЕРЖАНИЕ ПРОДУКТОВ ПЕРЕКИСНОГО ОКИСЛЕНИЯ ЛИПИДОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ КРАТКОВРЕМЕННОГО ЗАСОЛЕНИЯ НА РАСТЕНИЯ, РАЗЛИЧАЮЩИЕСЯ ПО СОДЕРЖАНИЮ АБК
© 2008 г. Д.Л. Вадов, А.А. Брилкина, А.П. Веселов
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского [email protected]
По ступила в редакцию 23.01.2008
Исследована реакция прооксидантно-антиоксидантной системы растений гороха, различающихся по содержанию АБК, на кратковременное солевое воздействие (200 мМ №С1, 15 - 120 минут). Показано, что растения, обладающие большим количеством свободной АБК, являются более устойчивыми к воздействию соли, о чем свидетельствует отсутствие накопления в клетках листьев конечного продукта окисления липидов - малонового диальдегида, и характеризуются повышением активности важнейших антиоксидантных ферментов - супероксиддисмутазы и аскорбатпероксидазы.
Ключевые слова: прооксидантно-антиоксидантная система, АБК, малоновый диальдегид, суперок-сиддисмутаза, аскорбатпероксидаза.
Засоление относится к числу распространенных неблагоприятных условий окружающей среды. Согласно современным оценкам, одна пятнадцатая часть земной суши занята засоленными почвами. Осмотический шок, вызванный высоким уровнем NaCl, приводит к нарушению в водном балансе, снижению тургорного давления, закрытию устьиц, угнетению фотосинтеза и в конечном итоге к разрушению мембран и гибели организма [1, 2]. Под воздействием солевого шока происходит усиленное образование АФК, таких как О2 - и Н2О2, активирующих ан-тиоксидантные ферменты, в частности аскор-батпероксидазу (АПО), каталазу [3, 4]. С другой стороны, повышение содержания абсцизовой кислоты считается одним из центральных моментов реакции растений на солевое воздействие. В настоящее время предполагается, что физиологическое действие АБК связано с про-оксидантно-антиоксидантной (ПОЛ-АО) системой клеток. АФК могут быть посредниками при передаче сигнала АБК в норме и при стресс-реакции.
Целью работы было выявление изменений состояния ПОЛ-АО системы листьев гороха сортов с различным содержанием АБК при помещении корней в 200 мМ NaCl. В качестве объекта исследования был использован горох Pisum sativum L. двух сортов, значительно (в пять раз) различающихся уровнем свободной АБК: АБК-богатый сорт Лучезарный и АБК-бедный сорт Надежда. Окислительный статус растений оценивали по содержанию гидропере-
кисей (ГП), диеновых конъюгатов (ДК) и малонового диальдегида (МДА) [5]. Активность и изоформенный состав супероксиддисмутазы (СОД) определяли методом нативного электрофореза в полиакриламидном геле [6]. Активность аскорбатпероксидазы определяли согласно У. Какаш, К. Asada [7].
Кратковременное воздействие 200 мМ КаС1 на растения гороха вызывало изменения ПО-АО равновесия в листьях. Содержание гидропере-кисных группировок в листьях гороха обоих сортов снижалось к двум часам солевого шока, причем наиболее сильно у сорта Надежда - до 50% от контроля (рис. 1а). Хотя в листьях гороха сорта Лучезарный наблюдалось повышение концентрации Н2О2 в первые 15-30 минут почти на 30%. Увеличение количества ГП в листьях сорта Лучезарный при обработке 200 мМ КаС1 в наших опытах могло быть связано с активацией липоксигеназ, а также со сбоем в работе ЭТЦ [8]. Возможно, что повышение количества ГП в листьях сорта Лучезарный связано с увеличением уровня именно Н2О2, а не липоперекисей, так как повышения содержания продуктов окисления липидов - ДК - не наблюдалось (рис. 1б).
В результате распада гидроперекисей образуются промежуточные или вторичные продукты ПОЛ - альдегиды, в частности МДА, кето-ны, спирты, эфиры [5]. Содержание МДА в листьях гороха сорта Лучезарный оставалось на уровне контроля на протяжении всего эксперимента, тогда как в листьях гороха сорта Надежда наблюдалось повышение МДА при 30-ми-
нутной экспозиции на 20% (рис. 1в). Малоновый диальдегид, являясь токсичным соединением, способен взаимодействовать со свободными аминогруппами белков, фосфолипидов, что приводит к нарушению клеточных мембран.
По накоплению МДА можно судить об устойчивости растений к внешним воздействиям [9]. Вероятно, отсутствие накопления МДА в листьях сорта Лучезарный связано с большей устойчивостью к солевому воздействию. Горох сорта Лучезарный обладает изначально сниженным уровнем ГП и несколько более низким количеством МДА, на фоне большей концентрации АБК и активности АО-ферментов. Возможно, все это способствует большей толерантности растений этого сорта и более быстрому включению защитных механизмов. При воздействии двухчасового солевого шока на корни растений гороха сорта Надежда наблю-
далось более интенсивное увядание листьев, поэтому, вероятно, этот сорт более чувствителен к воздействию КаС1, что подтверждалось повышением содержания МДА.
Обработка раствором соли корней растений также оказывала влияние и на активность анти-оксидантных ферментов в листьях гороха. Общая активность СОД в листьях сорта Надежда не изменялась, а в листьях АБК-богатого сорта Лучезарный увеличивалась на 18% к 30 минутам опыта (табл.). Различные изоформы СОД в течение всего эксперимента неоднозначно отвечали на солевое воздействие, исключение составила Мп-СОД, активность которой снижалась на 30% в листьях гороха обоих сортов (табл.). В листьях сорта Надежда не наблюдалось изменений в активности цитозольной и хлоропластной Си/^-СОД, активность Бе-СОД возрастала в первые 15 минут и к окончанию
о
л
Я
§
О
К
л
н
о
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
а)
0 15
□ Лучезарный
60 120 время, мин
о и « И
о
р.
л
р
ы
с
к
0 15
□ Лучезарный
30
60
120 время,мин
□ Надежда
в)
3,5
й 3
Я 2,5
(-н 2
га 1,5
0,5
0
0 15 30 60 120
время,мин
□ Лучезарный □ Надежда
4
Рис. 1. Содержание общих гидроперекисей (а), диеновых конъюгатов (б) и малонового диальдегида (в) в листьях гороха при воздействии 200 мМ ЫаС1 на корни
Таблица
Активность изоформ СОД в листьях гороха при воздействии 200 мМ №С1 (относительные оптические единицы)
Время, мин АБК-бедный сорт Надежда
Мп-СОД Бе-СОД Си/7п-СОД „л Си/7п-СОД Общая активность
0 6.34+0.29 1.27+0.76 15.05+5.75 8.64+0.91 31.30
15 4.74+0.99* 1.72+1.10* 14.96+3.34 8.22+0.97 29.64
30 4.04+0.77* 0.88+0.14* 15.14+2.78 8.31+0.76 28.37
60 4.16+0.69* 1.04+0.14* 14.42+2.26* 8.83+1.59 28.45
120 4.28+1.12* 0.83+0.06* 15.38+3.39* 8.42+1.28 28.91
Время, мин АБК-богатый сорт Лучезарный
Мп-СОД Бе-СОД Си/7п-СОДцит Си/гп-СОДхл Общая активность
0 14.93+0.26 2.04+0.27 27.49+7.39 26.87+6.16 71.33
15 12.43+1.55* 2.50+0.07* 33.07+4.11* 27.36+3.09 75.36
30 11.52+1.61* 2.72+0.11* 37.58+5.82 32.10+5.07 83.92*
60 10.58+2.02* 2.73+0.44* 34.06+3.96 30.64+4.66 78.01*
120 10.38+1.88* 2.20+0.42 29.59+6.96 28.23+7.52 70.40
* - данные достоверны прир<0.05.
экспозиции снижалась. В течение первого воздействия №С1 в листьях АБК-богатого сорта Лучезарный активности Си/2п-СОД цитозольной и Бе-СОД возрастали на 37% и 34% соответственно, что согласуется с данными, представленными в литературе [3].
время, мин —О—Лучезарный —□—Надежда
Рис. 2. Активность аскорбатпероксидазы в листьях гороха при воздействии 200 мМ ЫаС1 на корни
Аскорбатпероксидаза листьев также оказалась чувствительна к обработке раствором КаС1 корней гороха (рис. 2). В листьях сорта Лучезарный активность фермента повышалась, достигая максимального значения к 30 минутам солевого шока, а затем возвращалась к уровню контроля. Активность АПО в листьях сорта Надежда падала на протяжении всего опыта. Отмеченное нами увеличение активности АПО в
растениях сорта Лучезарный может быть связано с повышением концентрации Н2О2, которое и приводит к активации фермента [4, 10]. Действительно, при воздействии соли на корни содержание гидроперекисей в листьях сорта Лучезарный увеличивалось к 15-30 минутам (рис. 1а), что могло способствовать возрастанию в листьях активности АПО через 30 минут. Напротив, в листьях сорта Надежда наблюдается резкое уменьшение количества ГП и снижение активности аскорбатпероксидазы.
Возможно, что именно АПО принадлежит особая роль в защите клеток листьев растений при солевом воздействии. Увеличение актив но-сти фермента в сорте Лучезарный способствует сохранению уровня продуктов ПОЛ (ДК и МДА) около контрольного уровня, тогда как падение активности АПО в сорте Надежда сопровождается повышением содержания МДА.
Таким образом, при кратковременном воздействии соли на корни растений АБК-бедного сорта Надежда наблюдалось увядание листьев, накопление в них МДА, в то время как антиок-сидантные ферменты СОД и АПО не изменяли своей активности. При кратковременном воздействии раствора №С1 на корни растений АБК-богатого сорта Лучезарный происходило повышение содержания гидроперекисных группировок, а уровень ДК и МДА практически не изменялся. Вероятно, всплеск уровня ГП способствовал активации СОД и АПО, которые, в свою очередь, содействовали сдерживанию процессов окисления. По-видимому, изначально повышенный уровень АБК в листьях растений сорта Лучезарный способствует большей толерантности этих растений при воздействии на них засоления.
Список литературы
1. Кузнецов В.В., Шевякова Н.И. Пролин при стрессе: биологическая роль, метаболизм, регуляция // Физиология растений. 1999. Т. 46. № 2. С. 321-336.
2. Hasegawa P.M., Bressan R.A., Zhu J.-K., Bohnert H.J. Plant Cellular and Molecular Responses to High Salinity // Plant Physiol. 2000. V. 51. P. 463-499.
3. Hernandez J.A., Campillo A., Jimenez A., et al. Response of antioxidant systems and leaf water relations to NaCl stress in pea plants // New Phytologist. 1999. V. 141. P. 241-251.
4. Xiong L., Zhu J.-K. Molecular and genetic aspects of plant responses to osmotic stress // Plant, Cell and Environment. 2002. V. 25. P. 131-139.
5. Курганова Л.Н., Веселов А.П., Синицына Ю.В., Еликова Е.А. Продукты перекисного окисления липидов как возможные посредники между воздействием повышенной температуры и развитием стресс-реакции у растений // Физиология растений. 1999. Т. 46. № 2. С. 218-222.
6. Вадов Д.Л., Брилкина А.А., Пепелина Т.Ю. и др. Активность супроксиддисмутазы в связи с уров-
нем абсцизовой кислоты в растениях гороха // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. Сер. Биология. 2005. Вып. 2 (10).
С. 191-193.
7. Nakano Y., Asada K. Hydrogen peroxide is scavenged by ascorbate-specific peroxidase in spinach chloroplasts // Plant Cell Physiol. 1981. V. 22. P. 867-880
8. Molina A., Bueno P., Marin M.C., et al. Involvement of endogenous salicylic acid content, lipoxygenase and antioxidant enzyme activities in the response of tomato cell suspension cultures to NaCl // New Phy-tologist. 2002. V. 156. P. 409-415.
9. Жиров В.К., Мерзляк М.Н., Кузнецов Л.В. Перекисное окисление мембранных липидов холодостойких растений при повреждении отрицательными температурами // Физиология растений. 1982. Т. 29. № 6. С. 1045-1053.
10. Prasad T.K., Anderson M.D., Martin B.A., Stewart C.R. Evidence for Chilling-Induced Oxidative Stress in Maize Seedlings and a Regulatory Role for Hydrogen Peroxide // The Plant Cell. 1994. V. 6. P. 65-74.
ANTIOXIDANT ENZYME ACTIVITY AND LIPID PEROXIDATION PRODUCT CONTENT UNDER SHORT-TERM SALINIZATION OF PLANTS WITH DIFFERENT ABA LEVELS
D.L. Vadov, A. A. Brilkina, A. P. Veselov
We have studied the reaction of prooxidant - antioxidant system of Pisum sativum sorts with different ABA levels on short-term salinization (200 mM NaCl during 15-120 min). Plants with higher ABA level appeared to be more stable to the salt shock. Leaf cells of these plants did not contain the final product of lipid peroxidation, malo-nic dialdehyde (MDA), and the plants were characterized by high activity of the main antioxidant enzymes, superoxide dismutase (SOD) and ascorbate peroxidase (APX).
