ISSN 0321-3005 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИИ РЕГИОН._ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. 2017. № 2
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2017. No. 2
УДК 633.511:581.5:547.963.3 DOI 10.23683/0321-3005-2017-2-63-67
ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ РНК И СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ ДНК ПРИ ЗАСОЛЕНИИ У СОРТООБРАЗЦОВ ХЛОПЧАТНИКА ВИДА G. BARBADENSE L., ОТЛИЧАЮЩИХСЯ РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНЬЮ УСТОЙЧИВОСТИ К СТРЕССУ
© 2017г. А.Д. Мамедова1, Р.Т. Алиев1
1Институт генетических ресурсов, Национальная академия наук Азербайджана, Баку, Азербайджан
CHANGES IN THE CONTENT OF RNA AND STRUCTURAL STATE OF THE DNA UNDER SALINITY IN VARIETY ACCESSIONS OF G. BARBADENSE L., WITH THE DIFFERENT LEVEL OF RESISTANCE TO STRESS
A.D. Mamedova1, R. T. Aliyev1
1Genetic Resources Institute, Azerbaijan National Academy of Sciences, Baku, Azerbaijan
Мамедова Афет Дадаш - кандидат биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, Институт генетических ресурсов, Национальная академия наук Азербайджана, пр. Азадлыг, 155, г. Баку, А2 1106, Азербайджан, email: afet.m@mail.ru
Алиев Рамиз Таги - доктор биологических наук, профессор, заведующий отделом физиологии, Институт генетических ресурсов, Национальная академия наук Азербайджана, пр. Азадлыг, 155, г. Баку, АZ 1106, Азербайджан, e-mail: aramiz@box. az
Afet D. Mamedova - Candidate of Biology, Associate Professor, Leading Researcher, Genetic Resources Institute, Azerbaijan National Academy of Sciences, Azadlyg Ave., 155, Baku, AZ 1106, Azerbaijan, e-mail: afet.m@mail.ru
Ramiz T. Aliyev - Doctor of Biology, Professor, Head of the Physiology Division, Genetic Resources Institute, Azerbaijan National Academy of Sciences, Azadlyg Ave., 155, Baku, AZ 1106, Azerbaijan, e-mail: aramiz@box.az
В первой серии исследований было проведено изучение всхожести семян различных сортообразцов хлопчатника в условиях засоления. Способность различных сортов адаптироваться к вредным условиям среды определяется ее генотипом. В зависимости от генотипа реакция растений на отрицательное действие стресса засоления различна: более толерантные характеризуются низким уровнем чувствительности к стрессу. Реакция различных образцов на стресс позволила ориентировочно разделить сортообразцы хлопчатника на группы с различной степенью устойчивости. Выбранные устойчивые сорта хлопка имеют перспективу для использования в селекционной практике для получения новых хозяйственно ценных форм. Эти сорта характеризуются отсутствием стресс-депрессии физиологических показателей.
В результате проведенных исследований установлено, что при действии засоления у устойчивых сортообразцов наблюдаются активация синтеза РНК, тотальной ДНК, а также увеличение лабильной и остаточной, уменьшение количества стабильной ДНК. Наоборот, у чувствительных к стрессу генотипов отмечалось снижение синтеза РНК, тотальной ДНК, лабильной и остаточной фракций ДНК, в то время как количество стабильной ДНКувеличи-валось.
Ключевые слова: стресс, засоление, РНК, фракции ДНК, G.barbadense L.
In the first series of investigations germination of seeds of different cotton variety accessions in salinization conditions was studied. Ability of different varieties to adapt to the harmful environment conditions is determined by its genotype. Depending on genotype, negative impacts of salinity stress on plant are different: more tolerant are characterized by low level of sensitivity to stress. The reaction of various accessions to stress enabled us to divide roughly the cotton accessions into groups with different degrees of resistance. Selected resistant cotton varieties have a perspective for being used in a breeding practice for obtaining new economically valuable forms. These varieties are characterized by lack of stress depression of physiological indicators.
Activation of the synthesis of RNA, total DNA, as well as labile and residual fraction of DNA, while reducing of the stabile DNA fraction synthesis in resistant cotton genotypes were observed under abiotic stress factors of environment. Contrary, there was not any changes on the synthesis of the RNA, total DNA, labile and residual fractions of DNA in susceptible genotypes, whereas increasing of the stabile fraction of DNA was observed.
Keywords: stress, salinity, RNA, DNA fractions, G.barbadense L.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
Возделываемые виды и сорта растений различаются по чувствительности к засолению [1]. Солевой стресс сопровождается как осмотическим, так и токсическим эффектом избыточного содержания ионов (прежде всего, ионов натрия) [2].
Основное внимание исследователей привлекает изучение механизмов, обеспечивающих ионный гомеостаз при засолении [3].
Накоплено немало сведений об изменении физиологических параметров у растений в условиях стресса [4, 5]. При солевом стрессе подавляется синтез белка и усиливается распад уже сформированных белковых комплексов [6]. Засоление вызывает повышение активности пероксидазы, полифе-нолоксидазы, увеличение набора изоферментов у более устойчивых сортов [7].
Действие стрессовых факторов среды является причиной многочисленных структурных и функциональных изменений, которые направлены на выживание организма. Среди этих изменений существенную роль играет реакция генетического аппарата, от которого во многом зависит, какие в конечном итоге белки, с какой интенсивностью и последовательностью будут синтезированы клеткой в создавшейся ситуации.
В литературе немало данных, указывающих на существенные изменения показателей функционирования генов растений, подвергнутых воздействию абиотических стрессовых факторов [8, 9].
В морфологическом отношении хромосома динамична, быстро претерпевает структурные изменения в зависимости от функционального состояния клетки, что наглядно отмечается в фазе её развития. Функциональная активность хроматина сопряжена с его структурным состоянием. В лабильном хроматине локализована генетически активная ДНК, которая не насыщена гистонами, имеет много свободных фосфатных групп и метастабильных легкоденатурируемых участков, благодаря чему чувствительна к кислотному гидролизу. ДНК стабильного хроматина насыщена гистонами и сравнительно бедна свободными фосфатными группами [10].
Настоящая работа посвящена изучению изменений содержания нуклеиновых кислот и соотношения фракций ДНК при действии стресса засоления на растения хлопчатника с целью выяснения их возможной роли в формировании механизма устойчивости у растений.
Материалы и методы
Исследования проводились на коллекционных сортообразцах хлопчатника вида G. barbadense Ь.
NATURAL SCIENCE. 2017. No. 2
В качестве показателей устойчивости растений к засолению использовался способ прорастания семян хлопчатника в растворе 0,2 М NaCI [11].
Для изучения содержания нуклеиновых кислот растения, выращенные в полевых условиях в фазе 3-4 листьев, подвергались в лабораторных условиях солевому стрессу, после чего в опытных и контрольных растениях изучалось изменение синтеза нуклеиновых кислот. Определение фракционного состава ДНК осуществляли методом ступенчатого воздействия на хроматин растворами разной ионной силы и факторами депр о-теинизации [12]. Данные анализа обрабатывались статистически [13].
Результаты исследований
Как показали результаты исследования, в зависимости от генотипа сортообразцы отличались амплитудой физиологических показателей при адаптивных процессах. Реакция сортообразцов на действие солевого стресса позволила в пределах вида ориентировочно разделить сортообразцы на группы, определив различную степень сравнительной устойчивости (табл. 1).
Сортообразцы АР-154, 5010-V, Señare, S-6022 высокоустойчивы к засолению. Стресс-депрессия всхожести семян в солевом растворе у этих образцов полностью отсутствовала.
У солеустойчивых сортообразцов наблюдалось увеличение тотальной, лабильной и остаточной ДНК. Так, например, у контрольных растений сортообразца Señare содержание тотальной ДНК составило 16,102 мг %, лабильной - 5,107, у опытных растений этого сортообразца активация синтеза указанных показателей составила соответственно 6,611 и 6,215 %. При этом отмечается уменьшение количества стабильной ДНК. Так, например, при стрессе у сортообразца Señare процент стабильной ДНК уменьшается на 7,1 % (рис. 1).
Наряду с этим в условиях стресса солеустойчи-вые сортообразцы характеризовались различной активацией синтеза РНК. Так, у сортообразца Señare увеличение синтеза РНК при засолении составило 20,9 %.
Позитивное изменение в синтезе лабильной, остаточной ДНК и РНК свидетельствует о повышении функциональной активности генома, что, в свою очередь, обеспечивает ускорение синтетических процессов, в особенности синтеза белков, и тем самым способствует повышению устойчивости организма к стрессовому фактору.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2017. No. 2
Таблица 1
Изменение всхожести семян, содержания нуклеиновых кислот и фракций ДНК у стрессоустойчивых сортов хлопчатника в условиях засоления (Х±х) / Change of seed germination, nucleic acids content and DNA fractions among stress-resistant cotton cultivars in conditions of salinity (Х±х)
Сорт Всхожесть семян при засухе, % ДНК, на 100 г сырой массы, мг % РНК, на 100 г сырой массы, мг %
Контроль Опыт % от контроля Стресс- депрессия, % Фракции ДНК Контроль Опыт Контроль Опыт
АР-154 76,0 76,0 100 0 Лабильная 4Д74±0,11 5,657±0,04 105,0±4,35 137,63±1Д9
Стабильная 7Д09±0,04 6,310±0,09
Остаточная 1Д24±0,06 1,472±0,06
Сумма 12,707 13,439
5010-V 100 100 100 0 Лабильная 5,595±0,07 6Д07±0,09 107,64±5,18 113,71±2,72
Стабильная 7,661±0Д2 7,067±0,08
Остаточная 2Д99±0,07 2,509±0,06
Сумма 15,555 15,783
Senare 94,8 94,8 100 0 Лабильная 5,107±0,08 6Д15±0,15 122,36±2,434 147,93±1,35
Стабильная 8,494±0,10 7,891±0,10
Остаточная 2,501±0,03 2,505±
Сумма 16,102 16,611
S-6022 95,0 95,0 100 0 Лабильная 5,187±0,08 6Д42±0,05 123,832±1,50 147,016±2,48
Стабильная 9Д83±0,11 8,503±0,08
Остаточная 2,021±0,04 2,385±0,05
Сумма 16,491 17,130
( ■ п V Ж
Т 3 ^Г
Сортообразцы
■ РНК И лабил.ДНК □стабил.ДНК Шостат.ДНК I тотал.ДНК
Рис. 1. Изменение синтеза нуклеиновых кислот при засолении у стрессоустойчивых сортообразцов: 1 - AP-154; 2 - 5010-V; 3 - Senare; 4 - S-6022 / Fig. 1. Change of nucleic acid synthesis among stress-resistant varieties in conditions of salinity: 1 - AP-154; 2 - 5010-V; 3 - Senare; 4 - S-6022
У генотипов хлопчатника, отличающихся стресс-депрессией физиологических показателей в растворе засоления, наблюдается снижение синтеза РНК, тотальной и лабильной ДНК в сравнении с контрольными растениями (табл. 2). При этом чем большей чувствительностью к засолению отличалось растение, тем больше отмечалось снижение синтеза тотальной и лабильной ДНК, а также РНК. Так, например, стресс-депрессия всхожести семян при засолении у сортообразца 741 составила 15 %, депрессия синтеза лабильной ДНК у опытных растений в сравнении с контрольными составила 9,5 %. У сортообразца С-6040-1 депрессия всхожести семян при стрессе составила 49,2 %, депрессия
синтеза лабильной ДНК - 18,6 %. Одновременно этот процесс сопровождался увеличением количества стабильной ДНК (рис. 2).
10
Сортообразцы
■ РНК ■ лабил.ДНК □стабил.ДНК Востат.ДНК Итотал.ДНК
Рис. 2. Изменение синтеза нуклеиновых кислот при засолении у сортообразцов хлопчатника, характеризующихся
различной чувствительностью к стрессу: 1 - С-6002; 2 - 741; 3 -5904-1; 4 - C-6040-1 / Fig. 2. Change of nucleic acid synthesis among cotton varieties characterized by different sensitivity to stress in conditions of salinity: 1 - С-6002; 2 - 741; 3 - 5904-1; 4 - C-6040-1
Таким образом, при действии стресса засоления у устойчивых сортообразцов наблюдаются активация синтеза РНК, увеличение лабильной и уменьшение количества стабильной ДНК. Эти данные согласуются с результатами исследований по изучению действия стресса засухи на фракционный состав ДНК [14]. Холодовой стресс также приводит к увеличению доли гетерохроматина и уменьшению доли эухроматина [15].
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2017. No. 2
Таблица 2
Изменение всхожести семян, содержания нуклеиновых кислот и фракций ДНК у стрессочувствительных сортов хлопчатника в условиях засоления (Х±х) / Change of seed germination, nucleic acids content and DNA fractions among stress-sensitive cotton cultivars in conditions of salinity (Х±х)
Сорт Всхожесть семян при засухе, % ДНК, на 100 г сырой массы, мг % РНК, на 100 г сырой массы, мг %
Контроль Опыт % от контроля Стресс-депрессия, % Фракции ДНК Контроль Опыт Контроль Опыт
S-6002 92,0 86,8 94,3 5,7 Лабильная 4,699±0,02 4,501±0,11 109,48±2,55 102,304±1,75
Стабильная 7,253±0,07 7,341±0,08
Остаточная 1,489±0,05 1,472±0,06
Сумма 13,417 13,314
741 80,0 68,0 85,0 15,0 Лабильная 4,859±0,08 4,398±0,11 112,056±1,59 102,672±1,69
Стабильная 7,093±0,09 7,404±0,09
Остаточная 2,101±0,04 2,004±0,05
Сумма 14,053 13,806
5904-1 78,5 58,5 74,5 25,5 Лабильная 5,533±0,03 4,833±0,08 120,152±1,44 104,328±2,40
Стабильная 7,652±0,08 8,007±0,06
Остаточная 2,341±0,03 1,986±0,02
Сумма 15,526 14,826
С-6040-1 73,2 37,2 50,8 49,2 Лабильная 5,905±0,11 4,806±0,05 125,304±2,60 101,752±1,22
Стабильная 8,406±0,08 7,767±0,06
Остаточная 2,500±0,05 2,013±0,07
Сумма 16,811 14,586
Полученные данные свидетельствуют о том, что стрессовые факторы воздействуют на структуру и функциональную активность генома растений, что сопровождается смещением соотношения ДНК в сторону лабильной и стабильной. Если воздействие стрессового фактора среды не оказывает отрицательного влияния на устойчивые к стрессу сорто-образцы, то на чувствительные генотипы они оказывают негативное влияние.
Литература
1. Flowers T.J. Improving crop salt tolerance // J. of Experimental Botany. 2004. Vol. 55, № 396. P. 307-319.
2. Sairam R.K., Tyagi A. Physiology and molecular biology of salinity stress tolerance in plants // Curr. Sci. 2004. Vol. 86, № 3. P. 407-421.
3. Deinlein U., Stephan A.B., Horie T., Luo W., Xu G., Schroeder J.I. Plant salt-tolerance mechanisms // Trends in Plant Science. 2014. Vol. 19, № 6. Р. 371-379.
4. Ashagre H., Hamza I. A., Fasika E., Temesgen F. Effect of salinity stress on germination and seedling vigour of chickpea (Cicer arietinum L.) cultivars // Academia J. of Agricultural Research. 2013. Vol. 9, № 1. Р. 161-166.
5. Кузнецова С.А., Климачев Д.А., Карташов С.Н., Старикова В.Т. Влияние засоления на показатели фотосинтетической активности растений // Вестн. МГОУ. Естеств. науки. 2014. № 1. С. 63-68.
6. Abbas M.A., Goinis M.E., Snurky W.M. Plant growth, metabolism and adaptation in relation to stress condition. Effect of salinity on the internal solute concentration in Phaseolus vulgaris // J. Plant Physiol. 1991. Vol. 138, № 6. Р. 722-727.
7. Аббасова З.И., Аллахвердиев С.Р., Зейналова Э.М. Реакция ферментов дыхания в проростках пшеницы (Triticum aestivum) на биогумус и засоление субстрата // Теоретические и практические проблемы агропромышленного комплекса. 2010. № 2. С. 19-21.
8. Choi C.S., Sano H. Abiotic-stress induces de-methylation and transcriptional activation of a gene encoding a glycerophosphodiesterase-like protein in tobacco plants // Mol. Genet. Genomics. 2007. Vol. 277, № 5. P. 589-600.
9. Madlung A., Comai L. The effect of stress on genome regulation and structure // Ann. Bot. 2004. Vol. 94, № 4. P. 481-495.
10. Конарев В.Г. Белки, нуклеиновые кислоты и проблемы прикладной ботаники и селекции // Тр. по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1973. Т. 52, № 1. С. 5-28.
11. Диагностика устойчивости растений к стрессовым воздействиям : метод. руководство / под ред. Г.В. Удовенко. Л. : ВИР, 1988. 227 с.
12. Алексеев В.Г. Гетерогенность ДНК проростков пшеницы и активность генома // Тр. по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1973. Т. 52, № 1. С. 46-56.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2017. No. 2
13. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). М. : Агропромиздат, 1985. 351 с.
14.Mammadova A.D., Aliyev R.T., Babayeva S.M., Abbasov M.A. Adaptive reaction of cotton accessions of G. hirsutum L. and G. barbadense L. species to a drought stress // Genetika. Serbia. 2015. Vol. 47, № 2. Р. 617626.
15. Stepinski D. Levels of DNA methylation and his-tone methylation and acetylation change in root tip cells of soybean seedlings grown at different temperatures // Plant Physiol. Biochem. 2012. Vol. 61. P. 9-17.
References
1. Flowers T.J. Improving crop salt tolerance. J. of
Experimental Botany. 2004, vol. 55, No. 396, pp. 307319.
2. Sairam R.K., Tyagi A. Physiology and molecular biology of salinity stress tolerance in plants. Curr. Sci. 2004, vol. 86, No. 3, pp. 407-421.
3. Deinlein U., Stephan A.B., Horie T., Luo W., Xu G., Schroeder J.I. Plant salt-tolerance mechanisms. Trends in Plant Science. 2014, vol. 19, No. 6, pp. 371379.
4. Ashagre H., Hamza I. A., Fasika E., Temesgen F. Effect of salinity stress on germination and seedling vigour of chickpea (Cicer arietinum L.) cultivars. Academia J. of Agricultural Research. 2013, vol. 9, No. 1, pp. 161166.
5. Kuznetsova S.A., Klimachev D.A., Kartashov S.N., Starikova V.T. Vliyanie zasoleniya na pokazateli fotosinteticheskoi aktivnosti rastenii [Influence of salinity on the photosynthetic activity of plants]. Vestn. MGOU. Estestv. nauki. 2014, No. 1, pp. 63-68.
6. Abbas M.A., Goinis M.E., Snurky W.M. Plant growth, metabolism and adaptation in relation to stress condition. Effect of salinity on the internal solute concentration in Phaseolus vulgaris. J. Plant Physiol. 1991,
vol. 138, No. 6, pp. 722-727.
7. Abbasova Z.I., Allakhverdiev S.R., Zeinalova E.M. Reaktsiya fermentov dykhaniya v prorostkakh
pshenitsy (Triticum aestivum) na biogumus i zasolenie substrata [Respiration of respiratory enzymes in sprouts of wheat (Triticum aestivum) on biohumus and saliniza-tion of substrate]. Teoreticheskie i prakticheskie problemy agropromyshlennogo kompleksa. 2010, No. 2, pp. 19-21.
8. Choi C.S., Sano H. Abiotic-stress induces demethylation and transcriptional activation of a gene encoding a glycerophosphodiesterase-like protein in tobacco plants. Mol. Genet. Genomics. 2007, vol. 277, No. 5, pp. 589-600.
9. Madlung A., Comai L. The effect of stress on genome regulation and structure. Ann. Bot. 2004, vol. 94, No. 4, pp. 481-495.
10. Konarev V.G. Belki, nukleinovye kisloty i problemy prikladnoi botaniki i selektsii [Proteins, nucleic acids and problems of applied botany and breeding]. Tr. po prikladnoi botanike, genetike i selektsii. 1973, vol. 52, No. 1, pp. 5-28.
11. Diagnostika ustoichivosti rastenii k stressovym vozdeistviyam [Diagnosis of plant resistance to stress]. Methodical guidance. Ed. G.V. Udovenko. Leningrad, VIR, 1988, 227 p.
12. Alekseev V.G. Geterogennost' DNK prorostkov pshenitsy i aktivnost' genoma [Heterogeneity of wheat germ DNA and genome activity]. Tr. po prikladnoi botanike, genetike i selektsii. 1973, vol. 52, No. 1, pp. 4656.
13. Dospekhov B.A. Metodika polevogo opyta (s osnovami statisticheskoi obrabotki rezul'tatov issledovanii) [Methodology of field experience (with the basics of statistical processing of research results)]. Moscow, Agropromizdat, 1985, 351 p.
14. Mammadova A.D., Aliyev R.T., Babayeva S.M., Abbasov M.A. Adaptive reaction of cotton accessions of G. hirsutum L. and G. barbadense L. species to a drought stress. Genetika. Serbia. 2015, vol. 47, No. 2, pp. 617626.
15. Stepinski D. Levels of DNA methylation and his-tone methylation and acetylation change in root tip cells of soybean seedlings grown at different temperatures. Plant Physiol. Biochem. 2012, vol. 61, pp. 9-17.
Поступила в редакцию /Received
16 февраля 2017 г. /February 16, 2017