CC BY
27
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2011, № 5
Биохимия и физиология
УДК 633.16:581.1:57.043
ДЕЙСТВИЕ НИЗКИХ ДОЗ УФ-В РАДИАЦИИ НА БИОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И РОСТ РАСТЕНИЙ ЯЧМЕНЯ
К.В. МАНИН, Л.И. ГОНЧАРОВА
В мелкоделяночном опыте показано, что у ячменя сорта Зазерский 85 под влиянием низких доз УФ-В излучения (0,9; 1,77; 2,75 кДж/м2) повышалось содержание фотосинтетических пигментов, флавоноидов и свободного пролина в листьях, увеличивалась высота растений. Количество глутатиона снижалось, аскорбиновой кислоты — оставалось неизменным. При облучении в дозе 2,75 кДж/м2 уменьшалось содержание малонового диальдегида и возрастала биомасса растений.
Ключевые слова: низкие дозы УФ-В радиации, фотосинтетические пигменты, хлорофил-лы, каротиноиды, малоновый диальдегид (МДА), антиоксидантная система, свободный пролин, флавоноиды, аскорбиновая кислота и глутатион.
Keywords: low dozes UV-B radiation, photosynthetic pigments, chlorophylls, carotenoids, malondialdehyde (MDA), antioxidative system, free proline, flavonoids, ascorbate and glutathione.
Снижение общего содержания озона (ОСО) в атмосфере Земли — одно из следствий интенсификации антропогенного воздействия на окружающую среду (1). Так, в средних широтах на территории России и сопредельных стран в 1999 и 2002 годах зафиксировано существенное уменьшение ОСО (2, 3). Снижение количества атмосферного озона приводит к увеличению активности солнечного излучения в ультрафиолетовой области В-диапазона (280320 нм) (4, 5). В опытах на различныж культурах показано, что при повышении УФ-В радиации снижается масса семян, корнеплодов и клубней, угнетаются ростовые процессы, уменьшается биомасса, возникают некрозы, происходит увядание листьев (6, 7). В ряде исследований установлена нелинейная зависимость между невысокими дозами УФ-В радиации и эффектом, который они оказывают на биологические системы (8, 9).
Целью нашей работы бышо изучение влияния повышенныж доз УФ-В радиации на формирование адаптивных реакций у растений ячменя, которые оценивали по изменению биохимических и морфофизиологических показателей.
Методика. Объектом исследования служил ячмень (Hordeum vulga-re L.) сорта Зазерский 85. Мелкоделяночный опыгт быш заложен в 2007 году на экспериментальном поле Всероссийского НИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии (размер делянки 2 м2, повторность опыта 3-кратная).
В качестве источника УФ-В радиации использовали люминесцентные эритемные лампы ЛЭР-40 (Россия). Облучение проводили, начиная с фазы кущения, в течение 25 сут с 1000 до 1400. Плотность потока энергии УФ-В излучения измеряли на спектрофотометре AvaSpec-2048—FT-SPU2 («Avantes», Голландия). Дополнительные дневные дозы биологически эффективной УФ-В радиации, рассчитанные с учетом генерализованного спектра действия для растений по M.M. Caldwell (10), составляли 0,9; 1,77 и 2,75 кДж/м2 (превышение фона соответственно на 25, 50 и 75 %).
Биохимические показатели учитывали на 20-е сут после посева в объединенных образцах листьев, взятых с 10 растений на каждой делянке в 3-кратной биологической повторности. Количество хлорофиллов и каро-тиноидов рассчитывали по уравнениям, позволяющим оценить содержание этих соединений, исходя из спектральной поглотительной способности растворов различной концентрации (11). Содержание водорастворимыгх
пигментов, представленных в основном флавоноидами, определяли, как описано (12), калибровочную кривую строили по рутину. Изменение интенсивности перекисного окисления липидов (ПОЛ) оценивали по количеству малонового диальдегида (МДА) (13), содержание свободного пролина (полифункциональное стресс-протекторное соединение) — методом L.S. Bates (14), аскорбиновой кислоты и глутатиона — по методике Петта (15). Ростовые показатели — высоту растений, площадь листьев (16), сухую биомассу — определяли на 20-е сут после посева в выборке из 30 растений.
Достоверность различий по сравнению с контролем оценивали по ¿-критерию Стьюдента в программе Microsoft Excel 2003.
Результаты. Известно, что повышенные дозы УФ-В радиации либо не влияют на выработку фотосинтетических пигментов, либо обусловливают снижение их содержания (17, 18). В нашем эксперименте (рис. 1) при действии УФ-В излучения в дозах 0,9 и 1,77 кДж/м2 различия с контролем по изученным показателям были недостоверны, тогда как при дозе 2,75 кДж/м2 обнаруживалось достоверное увеличение количества хлоро-филлов а и b (в 1,4 раза), а также отмечалась тенденция к повышению содержания каротиноидов и флавоноидов (соответственно в 1,2 и 1,1 раза).
Содержание малонового диалвдепда (МДА) Под влиянием повы0ен-
и свободного пролина в листьях у 20- ных д°з УФ-В рЭДиации в ли-сугочных растений ячменя сорта Зазер- стьях у большинства высших рас-ский 85 в зависимости от дозы УФ-В ра- тений накапливаются фенольные диации (X±x, Калужская обл., 2007 год) соединения, которые защищают
клетки не только от радиации, но и от сопутствующих климатических стрессоров (засуха, засоленность почвы). D.C. Close и C. McArthur предположили, что увеличение содержания некото-
Доза УФ-В ра- МДА, моль/г Свободный пролин,
диации, кДж/м2 сырой массы мкмоль/г сырой массы
0 127,2±2,6 1,059±0,017
0,9 128,4±13,3 0,994±0,077
1,77 121,0±8,1 1,441±0,040*
2,75 107,8±4,0* 1,373±0,029*
* P < 0,05 по сравнению с контролем.
рых групп фенолов зависит от степени фотоповреждения (19). МсС1иге (20) доказал, что соединениями, абсорбирующими УФ-В, преимущественно являются флавоноиды.
На мутанте арабвдопсиса, устойчивом к УФ-В, при летальной для чувствительныж форм дозе облучения обнаружено существенное увеличение аккумуляции флавоноидов и других фе-нольныгх соединений (21). Наблюдаемое в нашем опыгте повышение содержания флавонои-дов при воздействии низких доз УФ-В радиации, возможно, стало адаптивной реакцией зерновых культур в ответ на стрессовое воздействие (22). В опытах на озимой пшенице полу-
Рис. 1. Содержание фотосинтетических пигментов в листьях у 20-суточных растений ячменя сорта Зазер-ский 85 в зависимости от дозы УФ-В радиации: а —
хлорофилл а, б — хлорофилл Ь, в — каротинои-ды, г — флавоноиды (Калужская обл., 2007 год). * Р < 0,05 по сравнению с контролем.
чены аналогичные данные (23).
Интенсивность ПОЛ служит показателем окислительно-восстановительного гомеостаза в растении (18, 24). УФ-В излучение в дозах 0,9 и 1,77 кДж/м2 не влияло на активность окислительных процессов, а при облучении в дозе 2,75 кДж/м2 содержание МДА в листьях ячменя уменьшилось в 1,2 раза (табл.), что, по-видимому, было связано с увеличением ак-
тивности системы антиоксидантной защиты. Под влиянием УФ-В радиации в дозах 1,77 и 2,75 кДж/м2 (см. табл.) в листьях у растений ячменя в среднем в 1,З раза относительно контроля повышалось количество свободного пролина (соединения, обладающего антиоксидантным и протекторным действием в отношении белков и мембран) (25).
Накопление неэнзиматических компонентов системы антиоксидант-ной защиты (аскорбиновой кислоты и глутатиона) также указывает на развитие окислительного стресса. Недавние исследования позволяют заключить, что эти вещества действуют независимо друг от друга. Увеличение активности их производных способствует передаче сигналов, возникающих в ответ на изменение окислительно-восстановительного равновесия в клетке (26). В наших экспериментах увеличение дозы УФ-В облучения не вызывало достоверных изменений содержания аскорбиновой кислоты в листьях ячменя, количество глутатиона снижалось во всех вариантах опыта в среднем в 1,4 раза относительно контроля (рис. 2). Вероятно, стабильное содержание аскорбиновой кислоты указывает на высокую адаптивную способность ячменя, а изменение пула глутатиона стало следствием акклиматизации растений после воздействия УФ-В облучения (по мнению других авторов, оно может быть реакцией на засоление и засуху) (27, 28).
Известно, что ростовые показатели (высота растений, площадь листьев, биомасса) наиболее чувствительны к стрессовым воздействиям (б). В изученном нами интервале доз УФ-В излучения существенных отличий от контроля по высоте растений и площади листьев не выявили. Наблюдалась тенденция к увеличению биомассы (рис. З).
Таким образом, действие низких доз УФ-В радиации приводило к повышению содержания фотосинтетических пигментов, флавоноидов и свободного пролина в листьях растений ячменя. Количество глутатиона снижалось, аскорбиновой кислоты — оставалось неизменным. Достоверных изменений по ростовым показателям не выявлено. Эти данные свидетельствуют об усилении функционально-приспособительных реакций у растений ячменя в ответ на действие УФ-В радиации.
Л И Т Е Р A Т У Р A
1. И з р а э л ь ЮА., Р о в и н с к и й Ф.Я., Ч е р х а н о в Ю.П. Mониторинг фонового загрязнения природных сред. Л., 1984.
2. Ч е р н и к о в A.A., Б о р и с о в ЮА., З в я г и н ц е в A.M., И в а н о в а Н.С., К р у ч е н и ц к и й r.M. Содержание озона над Россией и прилегающими территориями в 1999 г. Mетеорология и гидрология, 2000, 2: 120-126.
3. Ч е р н и к о в A.A., З в я г и н ц е в A.M., И в а н о в а Н.С., К р у ч е н и ц к и й r.M., К у з н е ц о в а И.Н. Содержание озона над территорией Российской Федерации и сопредельных стран во втором квартале 2002 г. Mетеорология и гидрология, 2002, 8: 114-120.
4. C a l d w e l l M.M. Solar ultraviolet radiation as an ecological factor for alpine plants. Ecological Monographs, 19б8, З8(5): 24З-2б8.
5. A л е к с а н д р о в Э.Л., С е д у н о в Ю. Человек и стратосферный озон. Л., 1979.
6. К а н а ш Е.В., С а в и н В.Н. Изучение чувствительности различных сельскохозяйственных растений к непродолжительному УФ-стрессу. Космическая биология и авиакос-
Доза УФ-В радиации, кДж/м-
Рис. 2. Содержание аскорбиновой кислоты (а) и глутатиона (б) в листьях у 20-суточных растений ячменя сорта Зазерский 85 в зависимости от дозы УФ-В радиации (Калужская обл., 2007 год). * Р < 0,05 по сравнению с контролем.
мическая медицина, 1991, 4: 18-20.
7. 3 я б л и ц к а я Е.Я., К о з ь м и н Г.В., С и м о н е н к о в а Е.Д., 3 е й н а л о в А.А., Т о л с т и к о в Ю.В. Влияние хронического УФ облучения зоны В на рост, развитие и продуктивность кормовой свеклы. Космическая биология и авиакосмическая медицина, 1991, 4: 23-25.
8. А р х и п о в М.В. Действие ионизирующей и УФ радиации на состав клеточной популяции и состояние ДНП в корневой меристеме ячменя. Автореф. канд. дис. Л., 1974.
9. Г е р а с ь к и н С.А. Критический анализ современных концепций и подходов к оценке биологического действия малых доз ионизирующего излучения. Радиационная биология. Радиоэкология, 1995, 35(5): 563-571.
10. C a l d w e l l M.M. Solar UV irradiance and the growth and development of higher plants. Photophysiology, 1971, 6: 131-177.
11. L i c h t e n t h a l e r H.K., W e l l b u r n A.R. Determinations of total carotenoids and chlorophylls a and b of leaf extracts in different solvents. Biochem. Soc. Transact., 1983, 11: 591-592.
12. T e v i n i M., I w a n z i k W., T h o m a U. Some effects of enhanced UV-B irradiation on the growth and composition of plants. Planta, 1981, 153: 388-394.
13. H e a t h R.L., P a c k e r L. Photoperoxidation in isolated chloroplasts. 1. Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation. Arch. Biochem. Biophys., 1968, 125(1): 189-198.
14. B a t e s L.S., W a l d r i n R.P., T e r J.D. Rapid determination of free proline for water stress studies. Plant and Soil, 1973, 39(1): 205-207.
15. Практикум по физиологии растений /Под ред. Н.Н. Третьякова. М., 1990: 130-133.
16. Д о в н а р В.С. К методике измерения площади листьев у злаковых культур. С.-х. биол., 1979, 14(2): 235-237.
17. C a r l e t t i P., M a s i A., W o n i s c h A., G r i l l D., T a u s z M., F e r r e t t i M. Changes in antioxidant and pigments pool dimensions in UV-B irradiated maize seedlings. Environ. Exp. Bot., 2003, 50: 149-157.
18. A l e x i e v a V., S e r g i e v I., M a p e l l i S., K a r a n o v E. The effect of drought and ultraviolet radiation on growth and stress markers in pea and wheat. Plant Cell Environ., 2001, 24: 1337-1344.
19. C l o s e D.C., M c A r t h u r C. Rething the role of many plant phenolics — protection from photodamage not herbivores? Oikos, 2002, 99: 166-172.
20. M c C l u r e J.W. The flavonoids /J.B. Harborne, T.J. Marby, H. Mabry (eds.). Academic Press, N.Y., 1975: 970-1055.
21. B i e z a K., L o i s R. An Arabidopsis mutant tolerant to lethal ultraviolet-B levels shows constitu-tively elevated accumulation of flavonoids and other phenolics. Plant Physiol., 2001, 126: 1105-1115.
22. W e l l m a n n E. Phenylpropanoid pigment synthesis and growth induction as adaptive reaction to increased UV-B radiation. In: Biological effects of UV-B radiation. Munich, 1982: 145-149.
23. К о н о н е н к о Л.А. Адаптивные свойства сортов мягкой озимой пшеницы по содержанию хлорофилла. Докл. РАСХН, 2006, 4: 19-21.
24. В е р х о т у р о в В.В. Взаимное влияние пероксидазы и низкомолекулярных антиокси-дантов при прорастании семян пшеницы. Автореф. канд. дис. Иркутск, 1999.
25. К у з н е ц о в В.В., Ш е в я к о в а Н.И. Пролин при стрессе: биологическая роль, метаболизм и регуляция. Физиол. раст., 1999, 46(2): 321-336.
26. N o c t o r G. Metabolic signaling in defence and stress: the central roles of soluble redox couples. Plant Cell Environ., 2006, 29: 409-425.
27. Ч а н и ш в и л и Ш., Б а д р и д з е Г., Р а п а в а Л., Д ж а н у к а ш в и л и Н. Влияние высотного фактора на содержание антиоксидантов в листьях некоторых травянистых растений. Экология, 2007, 5: 395-400.
28. T a u s z M., S i r c e l j H., G r i l l D. The glutathione system as a stress marker in plant ecophysiology: is a stress-response concept valid? J. Exp. Bot., 2004, 55(404): 1955-1962.
ГНУ Всероссийский НИИ сельскохозяйственной Поступила в редакцию
радиологии и агроэкологии Россельхозакадемии, 17 июня 2009 года
249032 Калужская обл., г. Обнинск, Киевское ш., 109 км, e-mail: [email protected]
EFFECT OF LOW DOSES OF UV-B RADIATION ON BIOCHEMICAL INDICES AND GROWTH IN BARLEY PLANTS
K.V. Manin, L.I. Goncharova S u m m a r y
In microfield experiment the authors investigated the effect of low doses of UV-B radiation (0.9, 1.77, 2.75 kJ/m2) on biochemical and morphophysiological indices in barley plants. Under the radiation action the content of photosynthetic pigments, flavonoids and free proline in leaves is increasing, height of stem is raising. The amount of glutathione is reducing, but the amount of ascorbic acid remains constant. During the exposure to radiation in dose of 2.75 kJ/m2 the concentration of malonic dialdehyde is decreasing, but the plant biomass is increasing.
