CC BY
64
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2014, № 1 (2), с. 219-223
219
БИОЛОГИЯ
УДК 581.1
БИОХИМИЧЕСКИЕ И МОРФОМЕТРИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОРОСТКОВ ГОРОХА ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ МИКРОЭЛЕМЕНТАМИ
И САЛИЦИЛОВОЙ КИСЛОТОЙ И ПРИ ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ГИПЕРТЕРМИИ
© 2014 г. Р.Н. Фазилов, Е.В. Степшина, Е.О. Половинкина
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского г. fazilov@gmail .com
Поступила в редакцию 26.09.2013
Исследовано влияние некорневой обработки микроэлементами совместно с салициловой кислотой на стрессоустойчивость растений при воздействии хронической гипертермии. Обнаружено, что обработка растений составами с микроэлементами сдерживала окислительные процессы в липидной фракции клеточных мембран при выращивании растений в условиях хронической гипертермии и усиливала накопление пролина. Введение в состав салициловой кислоты приводило к усилению протекторного эффекта микроэлементного состава при хронической гипретермии.
Ключевые слова: стресс, микроэлементы, салициловая кислота, перекисное окисление липидов, пролин, хроническая гипертермия.
Введение
Многочисленные исследования последних десятилетий показали, что независимо от природы воздействия, ответ растения на него развивается по некоторой общей схеме, что позволяет говорить о существовании неспецифической стрессовой реакции на воздействия извне [1—3]. Одним из прикладных направлений современной физиологии растений является создание препаратов на основе биологически активных молекул с антистрессовым эффектом. Салициловая кислота - агент, позволяющий растению приобрести устойчивость к стресси-рующим факторам через воздействие на компоненты окислительно-восстановительного баланса клетки. Эндогенная салициловая кислота участвует в стрессовой реакции растений. Известно также, что ее экзогенное введение позволяет активизировать в растении механизмы адаптации и снизить негативное влияние стрессоров различной природы. В последнее время появилось большое количество жидких комплексных удобрений (ЖКУ) на основе микроэлементов, применяемых для листовой обработки. Достоинством ЖКУ являются низкие потери питательных веществ, равномерность распределения, возможность точного дозирования, низкая себестоимость, повышенная кон-
центрация элементов в единице объема, возможность совмещения внесения удобрения с применением пестицидов и другие преимущества.
В связи с этим в данной работе исследовано влияние некорневой обработки микроэлементами совместно с салициловой кислотой (СК) на стрессоустойчивость растений при воздействии гипертермии.
Экспериментальная часть
Испытывали 2 типа обработки растений: М/Э - обрабатывали составом, содержащим только элементы питания и микроэлементы (N - 0.49%, K - 0.06%, S - 5.04%, Cu - 0.64%, Zn - 1.36%, Mg - 0.89%, Ni - 0.006%, Li -0.04%, Co - 0.084%, Fe - 0.4%, Mn - 0.29%, Mo - 0.44%, B - 0.15%, Se - 0.009%), и М/Э+СК - составом на основе тех же элементов с добавлением салициловой кислоты. Семена гороха Pisum sativum L. сорта Альбумен проращивали в нормальных условиях (20°С) или в условиях гипертермии (29°С). Обработка препаратами проводилась на 10-й день проращивания в количестве 400 мкл на 1 м2, контрольные растения обрабатывали водой. Контролем (К) являлись необработанные растения. Анализ проводили на 14-е сутки. Интенсивность перекисного окисле-
Рис. 1. Содержание диеновых коньюгатов в листьях растений гороха после обработки составами с микроэлементами и салициловой кислотой в условиях гипертермии. * - Достоверное отличие от контроля в нормальных условиях; ** - достоверное отличие от нормы в одном варианте обработки; х - достоверное отличие от контроля при гипертермии
ния оценивали по содержанию диеновых конъ-югатов (ДК) и оснований Шиффа (ОШ) по И.А. Волчегорскому (2002), расчет вели на концентрацию общих липидов по В.С. Камышникову (2000), пролин определяли по методу L.S. Bates (1973) с нингидрином. Расчет морфометриче-ских показателей по цифровым изображениям листьев с помощью программы BioPs.
Все опыты проводились в 3-кратной биологической и 3-кратной биохимической повторно-стях. Достоверность определяли, используя критерий Стьюдента при 5%-ном уровне значимости. Обсчет результатов проводили с помощью программы SigmaPlot. На рисунках представлены средние арифметические значения и их среднеквадратичные отклонения.
Результаты и их обсуждение
В клетке существует равновесие между процессом образования и разрушения активных форм кислорода. В ответ на любое воздействие извне это равновесие сдвигается в сторону более активного образования свободных радикалов - окислительный стресс. Окислительный стресс характеризуется активацией окислительных процессов на клеточных мембранах с образованием продуктов перекисного окисления липидов. С этим процессом в современной литературе связывают рецепторную роль мембранных липидов, реагирующих таким образом на любые изменения окружающей клетку среды [4]. Активация ПОЛ может являться сигналом для запуска защитных реакций клетки.
Продуктами, образующимися на первой стадии ПОЛ, являются диеновые конъюгаты нена-
сыщенных жирных кислот мембранных липидов. Дальнейшее окисление липидов мембран идет с образованием низкомолекулярных продуктов. Одними из конечных продуктов ПОЛ являются основания Шиффа. Опасность этих продуктов заключается в возникновении гидрофильных пробоев в мембранах и токсическом действии.
Обработка растений микроэлементным составом не вызывала накопления продуктов ПОЛ в нормальных условиях, состав с добавлением СК вызывал незначительное накопление ОШ (на 10% от контроля), что показано также в более ранних многочисленных исследованиях [57]. Кроме того известно, что СК может ингиби-ровать активность имеющийся в клетке катала-зы [8], но в то же время способствует усилению синтеза этого фермента [9] и активации АФК-генерирующих форм пероксидазы, росту активности супероксиддисмутазы. Эти эффекты СК, вероятно, могли запускать адаптацию растений к тепловой обработке: в проростках, обработанных МЭ+СК и выращенных при гипертермии, уровень продуктов перекисного окисления ли-пидов не отличался от контроля, в то время как в контрольных растениях, выращенных в тех же условиях, накапливались продукты ПОЛ до 130%.
Таким образом, обработка М/Э не приводила к развитию стресса, но СК индуцировала окислительный стресс. В условиях гипертермии оба состава снижали накопление токсичных продуктов ПОЛ и ОШ, причем состав с СК - в большей степени. Из литературы известно, что стрессоры различной природы повышают активность антиоксидантной (АО) системы, что
норма
гипертермия
К
М/Э
М/Э+СК
Рис. 2. Содержание оснований Шиффа в листьях растений гороха после обработки составами с микроэлементами и салициловой кислотой в условиях гипертермии. Пояснения - под рис. 1
л о
опр
ж р
е
д
о С
1
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
норма
гипертермия
К М/Э М/Э+СК
Рис. 3. Содержание пролина в листьях растений гороха после обработки составами с микроэлементами и салициловой кислотой в условиях гипертермии
предупреждает окислительные изменения мембраны. В работе [7] показано, что 500 мкм СК при нанесении на листья повышают активность каталазы и супероксиддисмутазы в условиях кратковременного теплового шока.
В многочисленных исследованиях показано, что пролин накапливается в растении при действии экстремальных факторов среды и является одним из компонентов стресс-реакции У многих растений свободный пролин накапливается в ответ на разнообразные стрессы, биотические и абиотические, такие как засоление, дефицит воды, неблагоприятные температуры, нехватка питания или УФ-излучение. Для про-лина характерна высокая скорость аккумуляции в ответ на действие экстремального фактора, а также относительная неспецифичность ряда биологических эффектов, что свойственно для всех защитных систем стресс-реакции. Накопление пролина может происходить вследствие ингибирования его распада, усиленного синтеза, подавленного использования для синтеза белка или гидролиза белков.
Стресс-толерантный эффект пролина в растениях носит мультинаправленный (полифункциональный) характер. Это является одной из
причин способности пролина повышать выживаемость растений в условиях действия стрессоров различной физической природы и тем самым выполнять роль одного из компонентов общих клеточных защитных систем.
Обработка составами приводила к активации синтеза пролина в листьях гороха, выращенных и в нормальных условиях, и при гипертермии, в среднем на 10-15%.
Обработка составами и выращивание в гипертермических условиях вызывали возрастание площади листьев в среднем на 25-30%. При этом вес листьев не менялся. Кроме того, показана сильная корреляция между площадью и содержанием пролина.
Другой изучаемый морфометрический показатель - это степень инвариантности листовой пластинки, то есть неизменности изображения листа относительно его оси симметрии. Обработка М/Э и М/Э+СК вызывала снижение степени инвариантности соотвественно на 13% и 17% по сравнению с контрольным образцом. В условиях гипертермии наблюдалось увеличение показателя примерно на 15% в обработанных образцах.
С одной стороны, пролин является эффективным антиоксидантом, а с другой - проявляет
■ норма i гипертермия
К
М/Э
М/Э+СК
Рис. 4. Площадь листьев гороха после обработки составами с микроэлементами и салициловой кислотой в условиях гипертермии
0.9
К
н и о к н я
ш
S £
со я
К л
я
V
с
и
н
о
«
2
.4
:=
а
Ч =
норма
гипертермия
К
М/Э
М/Э+СК
Рис. 5. Степень инвариантности листьев гороха после обработки составами с микроэлементами и салициловой кислотой в условиях гипертермии
осмопротекторные свойства, и его накопление после обработки листьев составами могло обусловливать усиление роста растяжением, т.к. обработка составами приводила к росту средней площади листовых пластинок в среднем на 20%. И гипертермия, и микроэлементные составы, изменяя метаболические процессы, вызывали изменение хода развития листовой пластинки, уменьшая степень ее инвариантности.
Таким образом, обработка растений составами с микроэлементами сдерживало окислительные процессы в липидной фракции клеточных мембран при выращивании растений в условиях хронической гипертермии и усиливало накопление пролина. Введение в состав салициловой кислоты приводило к усилению протекторного эффекта микроэлементного состава.
Список литературы
1. Веселов А.П. Математическая модель возможного триггера обратимого включения режима стресса у растений // Физиология растений. 2001. Т. 48. № 1. С. 124-131.
2. Пахомова В.М. Основные положения современной теории стресса и неспецифический адаптационный синдром у растений // Цитология. 1995. Т. 37. Вып. 1-2. С. 66-87.
3. Курганова Л.Н., Веселов А.П., Синицына Ю.В., Еликова Е.Н. Продукты перекисного окисления липидов как возможные посредники между воздействием повышенной температуры и развитием стресс-реакций у растений // Физиология растений. 1999. Т. 46. № 2. С. 276-282.
4. Тарчевский И.А. Сигнальные системы клеток растений. М.: Наука, 2002. 294 с.
5. Пестова Е.Л., Абрамова Н.А., Курганова Л.Н., Веселов А.П. Влияние салициловой кислоты на пе-рекисный гомеостаз хлоропластов гороха при тепловом шоке // Вестник Нижегородского ун-та им. Н.И. Лобачевского. 2006. Вып. 1. C. 84-87.
6. Вовчук С.В., Адамовская В.Г., Левицкий А.П., Молодченкова О.О. Изменение белок-протеинкиназ-ного комплекса озимой пшеницы под действием салициловой кислоты // Физиология и биохимия культурных растений. 1997. Т. 29. С. 363-369.
7. Шакирова Ф.М. Неспецифическая устойчивость растений к стрессовым факторам и ее регуляция. Уфа: Гилем, 2001. 159 с.
8. Chen Z., Iyer S., Caplan A. Differential accumulation of salicylic acid sensitive catalase in different rice tissues // Plant Phisiol. 1997. V. 114. P. 193-201.
9. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В., Ястреб Т.О., Мусатенко Л.И. Участие пероксидазы и супероксид-дисмутазы в усилении генерации активных форм
кислорода колеоптилями пшеницы при действии салициловой кислоты // Физиология и биохимия культурных растений. 2010. Т. 42. № 3. С. 210-217.
BIOCHEMICAL AND MORPHOLOGICAL CHARACTERISTICS IN PISUM SATIVUM L. GERMS
AFTER MICROELEMENTS AND SALICYLIC ACID TREATMENT FOLLOWED BY HYPERTHERMIA
R.N. Fazilov, E. V. Stepshina, E.O. Polovinkina
The effect of foliar treatment with microelements and salicylic acid is studied on plant stress tolerance under lasting hyperthermia. Microelement treatment has been found to inhibit oxidative processes in the lipid fraction of cell membranes and enhance the accumulation of proline under conditions of chronic hyperthermia whereas salicylic acid reinforced protecting action of microelements.
Keywords: stress, microelements, salicylic acid, lipid peroxidation, proline, chronic hyperthermia.
References
1. Veselov A.P. Matematicheskaja model' voz-mozhnogo triggera obratimogo vkljuchenija rezhima stressa u rastenij // Fiziologija rastenij. 2001. T. 48. № 1. S. 124-131.
2. Pahomova V.M. Osnovnye polozhenija sovre-mennoj teorii stressa i nespecificheskij adaptacionnyj sindrom u rastenij // Citologija. 1995. T. 37. Vyp. 1-2. S. 66-87.
3. Kurganova L.N., Veselov A.P., Sinicyna Ju.V., Elikova E.N. Produkty perekisnogo okisle-nija lipidov kak vozmozhnye posredniki mezhdu vozdejstviem povyshennoj temperatury i razvitiem stress-reakcij u rastenij // Fiziologija rastenij. 1999. T. 46. № 2. S. 276282.
4. Tarchevskij I.A. Signal'nye sistemy kletok rastenij. M.: Nauka, 2002. 294 s.
5. Pestova E.L., Abramova N.A., Kurganova L.N., Veselov A.P. Vlijanie salicilovoj kisloty na perekisnyj
gomeostaz hloroplastov goroha pri teplovom shoke // Vestnik Nizhegorodskogo un-ta im. N.I. Lobachevskogo. 2006. Vyp. 1. S. 84-87.
6. Vovchuk S.V., Adamovskaja V.G., Levickij A.P., Molodchenkova O.O. Izmenenie belok-proteinkinaznogo kompleksa ozimoj pshenicy pod dejst-viem salicilovoj kisloty // Fiziologija i biohimija kul'turnyh rastenij. 1997. T. 29. S. 363-369.
7. Shakirova F.M. Nespecificheskaja ustojchi-vost' rastenij k stressovym faktoram i ee reguljacija. Ufa: Gilem, 2001. 159 s.
8. Chen Z., Iyer S., Caplan A. Differential accumulation of salicylic acid sensitive catalase in different rice tissues // Plant Phisiol. 1997. V. 114. P. 193-201.
9. Kolupaev Ju.E., Karpec Ju.V., Jastreb T.O., Musatenko L.I. Uchastie peroksidazy i superoksid-dismutazy v usilenii generacii aktivnyh form kisloro-da koleoptiljami pshenicy pri dejstvii salicilovoj kisloty // Fiziologija i biohimija kul'turnyh rastenij. 2010. T. 42. № 3. S. 210-217.
