CC BY
22ПОПОВА, КУЗЬМИНА, ПАВЛОВА
УДК 581.1.03 (571.56)
Последействие низких положительных температур на антиоксидантную защиту проростков растений
А. С. Попова, С. С. Кузьмина, А. С. Павлова
По результатам количественного анализа малонового диальдегида (показатель интенсивности ПОЛ), суммы низкомолекулярных антиоксидантов, аскорбиновой кислоты, активностей пероксидазы, каталазы и полифенолок-сидазы в тканях проростков пшениц сортов Приленская-19, Омская-12 иячменя сорта Таммиустановлены коэффициенты, характеризующие степень антиоксидантной защиты растений при холодовом стрессе. Показано положительное влияние водных и водно-спиртовых извлечений (при разной концентрации спирта) из бурой сердцевины березы на антиоксидантный статус проростков, сопровождаемое снижением интенсивности процессов ПОЛ как в контрольных условиях (без холодового стресса), так и после действия низких положительных температур.
The results cfMDA, ascorbic acid, the sum of low - weight antioxidants and activity of peroxidase, catalase andpolyphenol oxidase quantitation by an example ofseedling allowed us to determine a rate that characterizes the efficiency ofantioxidant protection ofplants in the low-temperature stress conditions. There was established that extracts of rotten heart of the birch affect on the antioxidative status of wheat-seedlings by reducing the intensity of lipid peroxidation in normal and low-temperature stress conditions.
Важнейшие свойства растительных организмов (урожайность, засухо- и зимостойкость, устойчивость к заболеваниям и т.д.) во многом определяются направленностью и специфическим типом обмена веществ в организме. Динамичность факторов внешней среды, особенности климатических и экологических условий также сказываются на специфике обменных процессов. Любые резкие изменения условий внешней среды вызывают в растениях усиление свободнорадикальных реакций, которые усиливают перекисное окисление липидов ( ПОЛ). В здоровых клетках и тканях образование продуктов ПОЛ и их накопление регулируются природными антиоксидантами (АО). Поэтому при непрерывном процессе ПОЛ в норме накопления пероксидов не отмечается. Сбалансированность между ПОЛ и АО активностью (АОА) является необходимым условием для поддержания нормальной жизнедеятельности организмов [2].
Целью данной работы явилось изучение степени изменения соотношения системы АОА-ПОЛ при действии низких положительных температур у растений (на примере проростков пшеницы) с различными адаптивными свойствами и различной интенсивностью обмена веществ, а также влияние на этот показатель водно-спиртовых вытяжек из бурой сердцевины березы (БСБ).
ПОПОВА Альбина Саввична, доцент кафедры биохимии БГФ ЯГУ, к.б.н.; КУЗЬМИНА Саргылана Семеновна, доцент кафедры биохимии БГФ ЯГУ к.б.н.; ПАВЛОВА Александра Семеновна, ассистент кафедры биохимии БГФ ЯГУ.
Материал и методы исследования. Исследовались проростки пшеницы местного сорта Приленская-19 (адаптирована к условиям Якутии) [3], сорта Омская-12, районированного в Тюменской области (слабо адаптирована к условиям Якутии) [12] и ячменя сорта Тамми, районированного в Якутии с 1963 года (относительно адаптирован к условиям Якутии) [ 1 ], а также проростки дикорастущего вида из местной флоры - полыни замещающей.
Растения проращивали по стандартной методике [5] на дистиллированной воде. Эксперимент по воздействию низких положительных температур начинали на трехдневных проростках зерновых культур и 7-дневных проростках полыни замещающей, выращенных при комнатной температуре. Гипотермические условия были смоделированы путем ежесуточной экспозиции на 2 часа опытных образцов в холодильной камере при температуре +4°С в течение 4-х суток. Одновременно контрольные группы проростков затеняли при комнатной температуре, чтобы поддерживать идентичный с опытными вариантами световой режим.
Влияние водных и водно-спиртовых вытяжек различных концентраций БСБ на АО статус проростков изучали на примере проростков пшеницы Приленская-19. Водные и водно-спиртовые извлечения были предварительно высушены при температуре +40°С, а сухой остаток количественно вносили в дистиллированную воду для проращивания. В этом эксперименте проростки были разделены на 4 группы:
1 -я - контрольная (проращивание на дистиллированной воде без стресс-факторов);
2-я - проращивание на дистиллированной воде + холодовой стресс;
3-я (6 вариантов концентраций БСБ) - с добавлением в проращиваемую среду экстрактов БСБ без стресс-факторов;
4-я (6 вариантов концентраций БСБ) - с добавлением в проращиваемую среду экстрактов БСБ + холодовой стресс.
Для биохимической характеристики исследуемого материала использовали общепринятые стандартные методики, адаптированные к современным измерительным приборам (СФ фирмы "Весктап" Ви-650 и др.). Были проведены следующие количественные анализы:
- определение интенсивности ПОЛ по количеству образовавшегося малонового диальдегида (МДА) [13];
- определение высокомолекулярных АО: перок-
Изменения интенсивности ПОЛ в проростках
сидазы [4, 7, 8], полифенолоксидазы [7] и катала-зы [7];
- определение низкомолекулярных антиокси-дантов - аскорбиновой кислоты (АК) [4,9], суммы флавоноидов [4] и суммы низкомолекулярных ан-тиоксидантов (НМАО) [4].
Результаты и их обсуждение. Согласно полученным данным, при понижении температуры окружающей среды интенсивность ПОЛ и анпгиок-сидантный статус в побегах проростков всех растений, выращенных в дистиллированной воде, достоверно меняется по сравнению с вариантом, выращенным в тех же условиях, но без гипотерми-ческого стресса. Значение ^ колебалось в пределах от 3,00 до 3,26, при -2,78, б<0,05, кроме МДА в проростках пшеницы Приленская-19 (табл. 1),
Таблица 1
действии холодового стресса (МДА в нмоль/г)
Пшеница Ячмень Пшеница
Приленская-19 Тамми Омская-12
Контроль 105,0 ±3,1 142 ±6,1 59,6 ±2,1
Опыт 114,0 ±2,9 174,1 ±7,7 99,0 ± 3,9
Разница,% + 8,6 + 22,6 + 67,8
Значение и 1,13 3,01 4,01
Результаты исследования показали, что у разных по степени приспособленности к местным условиям растений изменения показателей анти-оксидантной защиты (АОЗ), вызванные гипотер-мическим стрессом, характеризуются неравновесными соотношениями между степенью интенсификации ПОЛ и ответной реакцией антиоксидант-ной системы на него. Для уточнения степени дос-
товерности изменений эффективности АОЗ изученных растений мы провели статистический анализ отношения интенсивности ПОЛ к каждому из исследованных антиоксидантов. Степень адекватности повышения АО в ответ на интенсификации ПОЛ выражали в виде коэффициентов отношения числовых показателей отдельных АО к показателю ПОЛ (табл. 2).
Таблица 2
Изменения показателей антиоксидантной защиты в побегах проростков при понижении температуры
Пшеница Приленская-19 Ячмень Тамми Пшеница Омская-12
к, (АО/МДА в контр.) К2 (АО/М ДАв опыте) К2/ К, К! (АО/МД Ав контр.) к2 (АО/МД А в опыте) К2/ К1 К! (АО/М ДАв контр.) к2 (АО/МД Ав опыте) Кг/К,
Перок-сидаза 11,4 11,1 1,0 7,4 8,8 1,2 15,4 10,1 0,7
Полифе-нолокси-даза п,з • 6,9 0,6 32,0 15,9 0,5 35,6 18,9 0,5
Катал аза 22,1 25,7 1,2 26,9 20,2 0,7
Общие НМАО 2,3 2,8 1,2 2,6 2,5 0,9 6,7 3,5 0,5
Аскорбиновая кислота 3,6 2,8 0,8 2,7 2,0 0,7 6,0 2,9 0,5
21 1; к
5
На
ПОПОВА, КУЗЬМИНА, ПАВЛОВА
Результаты анализа, приведенные в табл. 2, указывают на то, что повышение в тканях растений продуктов ПОЛ в результате холодового стресса приводит к адекватному увеличению активности пероксидазы, каталазы и концентрации НМАО у местного сорта пшеницы Приленская-19 и районированного в условиях Якутии ячменя Тамми. Это следует из того, что отношение К2/К) близко к 1,0, а по некоторым антиоксидантам >1. У сорта Омская-12 изменения аналогичных показателей при холодовом стрессе указывают на снижение АОЗ растений по сравнению с контролем, т.к. отношение К2/К, варьирует от 0,5 до 0,7. По-видимому, это связано с тем, что у сорта Омская-12 интенсификация ПОЛ составила более 60% по сравнению с контролем, а содержание суммы НМАО и АК -снизились. У проростков же сорта "Приленская-19" активация ПОЛ наблюдалась в пределах всего 8% по сравнению с контролем, на фоне отсутствия достоверных изменений концентрации АК в тканях и повышения более чем на 30% количества НМАО. Анализ данных, представленных в табл. 2, указывает также на то, что менее адаптированные к понижению температуры окружающей среды сорта защищают свои мембраны от избытка перок-сидов в основном за счет модификации белковых антиоксидантов, в то время как более устойчивые - за счет увеличения количества низкомолекулярных антиоксидантов.
Сравнительные опыты по действию холодового стресса, поставленные на проростках дикорастущего вида флоры Якутии - полыни замещающей и ячменя сорта Тамми, показали более интенсивное повышение концентрации флавоноидов, относящихся к низкомолекулярным АО, в тканях ячменя как растения менее адаптированного к низким температурам (рис. 1). Этот эффект, возможно, связан с тем, что для дикорастущих видов
□ контроль
200 150 100 50 О
флоры Якутии 2-часовая экспозиция при +4 С не вызывает в их организмах достаточно значимого стресс-эффекта. Кроме того, в контрольных вариантах количество суммы флавоноидов в проростках полыни было достоверно выше, чем в ячмене.
Для получения общей характеристики устойчивости организмов к стресс-факторам за счёт возможностей их антиоксидантной защиты (АОЗ) мы рассчитали коэффициенты адекватности как отношение АОЗ (среднеарифметическое суммы анти-оксидантных характеристик, нормированных к соответствующим показателям сорта Приленская-19) к ПОЛ (содержание МДА) для контрольного (К-1) и опытного вариантов (К-2). За единицу принято К-1 пшеницы Приленская-19. Сравнительное сопоставление этого показателя у разных по холодостойкости сортов растений в контроле и опыте представлено на рис. 2.
ШПриленская 19 В Тамми В Омская 12
Рис. 1. Изменение содержания флавоноидов в проростках при понижении температуры
2,5-, 2 1,5 1
0,5
К-1 К-2 К-2/К-1
Рис. 2. Изменения нормированныххарактеристик АОЗ при действии низкихтемператур
"К-1" - без стресса; "К-2" - после стресса
У холодостойких растений даже в стандартных условиях интенсивность биохимических процессов, в том числе биологического окисления, сравнительно высока, что повышает у них показатель ПОЛ. Такая интенсивность обменных процессов способствует более активному продуцированию низкомолекулярных АО и индуцированию синтеза белковых антиоксидантов. Это объясняет более низкий коэффициент отношения показателя АОЗ после гипотермического стресса к АОЗ до стресса у пшеницы Приленская-19 по сравнению с другими сортами. Следует отметить, что именно у этого растения наблюдаются самые низкие показатели коэффициентов отношения АОЗ к МДА как в контроле (К-1), так и после стресса (К-2).
Поэтому показателем устойчивости растения к холодовым стрессам может быть принят коэффициент отношения АОЗ/МДА растения после стресса к АОЗ/МДА до стресса. Таким образом, по степени изменения показателей АОЗ и МДА в тканях
Рис.
проростков в ответ на действие стресс-факторов можно судить об адаптивных возможностях растения. У организмов, которые способны изменять свой метаболизм в ответ на внешние раздражители без ущерба для своего организма, этот коэффициент устойчивости составляет 0,8+1,2.
Мы также исследовали влияние на степень АОЗ проростков пшеницы комплекса биологически активных веществ
w *с
водной и водно-спиртовой извлечений бурой сердцевины березы (БСБ). Водные вытяжки БСБ народ саха использовал издавна как повседневный напиток (березовый чай), поэтому они могут быть отнесены к традиционным пищевым добавкам.
Образование бурой сердцевины березы начинается с непаразитарной, или физиологической болезни, которая обусловлена неблагоприятными абиотическими факторами внешней среды, основными из которых являются почвенные или/и метеорологические факторы. На поврежденных тканях происходят патологические изменения, связанные с воздействием экзо- и эндопаразитов. В этих местах локально меняется не только цвет древесины, она разрушается. При этом значительно трансформируются физические, химические и механические свойства древесины [10]. Исследования многих авторов показали наличие в БСБ антибиотиков, повышение активности окислительных ферментов, в том числе антиоксидантов, а также количества аскорбиновой кислоты [10,11,14]. В предыдущих работах нами показано, что в вытяжках БСБ содержатся биологически активные вещества: ряд высоко- и низкомолекулярных АО, в том числе флавоноиды, сердечные гликозиды, аскорбиновая кислота, а также сапонины [6]. Анализ на алкалоиды дал отрицательный результат [6].
Влияние извлечений из БСБ на эффективность АО защиты проростков от избытка прооксидантов оценивали по коэффициенту интенсивности ПОЛ (Кпол; за единицу принято содержание МДА в проростках пшеницы, выращенных на дистиллированной воде и не подверженных стрессовым воздействиям). А также по коэффициенту АО защиты (Кдш), который рассчитывали как среднеарифметическое суммы активности пероксидазы (Кп) и содержания низкомолекулярных антиоксидантов (Кнмд0), нормированных к соответствующим показателям проростков, не подверженных ни холодо-
■ ПОЛ без
стресса
РТПТ □ ПОЛ
стресс
— К- без
стресса
- -•- . К стресс «03 •
конц. этанола
«5х5 Л
3. Влияние экстрактов БСБ на изменение нормированных характеристик АОЗ и ПОЛ проростков
вому стрессу, ни обработке БСБ. За единицу КД[ была принята сумма Кп и КНМА0 проростков, вы росших на дистиллированной воде без стресса. Б рис.3 представлены полученные результаты в за висимости от состава извлечения из БСБ, связав ного с изменением соотношения воды и этанола! экстракционной смеси.
Видно, что березовые экстракты во всех вар« антах достоверно снижают интенсивность ПОЛ особенно в экспериментах без холодового стрес са. Следует отметить результаты экспериментов водным извлечением из БСБ (концентрация этано ла равна 0), в которых в обоих случаях (даже not ле холодового стресса) заметно снижены интенсив ность ПОЛ по сравнению с контролем и наблюда ется резкое повышение КАШ.
Водно-спиртовые извлечения стабильно снижа ют интенсивность процессов ПОЛ в проростках! благоприятных условиях (без стресса). Меныпа эффективность АО защиты проростков, обработан ных 10% и 30%-ными этанольными извлечениям! из БСБ, ведет к некоторому увеличению накопле ния в них МДА. Тем не менее уровень ПОЛ ш этих экспериментах ниже контроля.
Данные, приведенные на рис. 3, демонстрир) ют также обратную зависимость между интенсив ностью ПОЛ и уровнем АО защиты проростки Следует отметить и то, что проростки, выраще» ные в среде, содержащей 30% и 50%-ные этаноль ные извлечения из БСБ, имея КА03, почти равны контролю, накапливают значительно меньше МДА чем последние. Это, возможно, объясняется теп что в таких растворах может функционировать дру гая ферментная система АО защиты или проявл! ется эффект синергизма АО.
В заключение следует отметить интегральны положительный эффект воздействия водного и boj но-спиртового извлечений из бурой сердцевин!
БУРЦЕВА
березы на систему антиоксидантной защиты организма растений при гипотермических воздействиях на них.
Литература
1. Анисимова К.А., Болотова Н.П. Каталог районированных сортов сельскохозяйственных культур по Якутской АССР на 1983-1984 годы. - Якутск: Отдел сортоиспытания, 1984. - 47 с.
2. Барабой B.Ä. Перекисное окисление и стресс. -СПб.: Наука, СПб. отделение, 1992. -148 с.
3. Васильев П.П. Производство зерна в Якутии. - Якутск, 2000. - 200 с.
4. Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П. Методы биохимических исследований растений. - Л.: Агро-промиздат. Ленинградское отделение. - 1987. - 430 с.
5. Николаева М.Г., Разумова М.В., Гладкова В.Н. Справочник по проращиванию покоящихся семян. - Л.: Наука, 1985.-348 с.
6. Павлова A.C., Попова A.C. О содержании биологически активных веществ в растениях, используемых для традиционных напитков якутов // Медицинская экология: Сборник статей II Международной научно-прак-
тической конференции. - Пенза, 2003. - С. 54-56.
7. Починок Х.Н. Методы биохимического анализа растений. - Киев: Наукова думка, 1976. - 334 с.
8. Рогожин В.В. Методы биохимических исследований.-Якутск, 1999.- 113 с.
9. Рогожин В.В., Верхотуров В. В. Аскорбиновая кислота-медленно окисляемый субстрат пероксидазы хрена//Биохимия. - 1997.-Т.62.-№12. - С. 1686-1690.
10. Синадский Ю.В. Курс лекций по лесной фитопатологии. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 177. - 214 с.
\\. Сухорукое К.Т., Строганов Б.П. Активаторы пероксидазы при заболеваниях растения // Докл. АН СССР. 1937.-С. 555-557.
12.Среднеранний сорт яровой мягкой пшеницы Омская-12 / Отв. ред. Н.Г. Бушкова. - Омск: Изд-во Сиб-НИИСХоз, 1983.
13 .Стальная И.Д., Гаришвили Т.Г. Метод определения малонового диальдегида с помощью тиобарбиту-ровой кислоты // Современные методы в биохимии/ Под ред. В.Н. Ореховича. - М.: Медицина, 1977. - С. 66-68.
14. ШавардаА.Л., Чемесова И.И. и др. Антиоксидан-тная активность видов флоры Алтая // Растительные ресурсы. - 1998. - Т. 34. - Вып. 2. - С. 1-2.
УДК 502.313:33 (571.56)
Комплексная эколого-экономическая оценка состояния окружающей среды
Республики Саха (Якутия)
Е.И. Бурцева
Приводятся результаты комплексной эколого-экономической оценки состояния окружающей среды РС (Я), выполненной на основе средних значений признаков по 29 показателям, объединенных в три блока: антропогенная нагрузка, экологические и социальные последствия, уязвимость территорий к техногенным воздействиям. В большинстве улусов республики (преимущественно сельскохозяйственных) экологическая ситуация благополучная и удовлетворительная. Напряженная (разной степени) категория состояния ОС выделена в 10 улусах, в структуре хозяйства которых получила определенное развитие горно-добывающая промышленность. Крайне напряженная экологическая ситуация к настоящему времени сложилась в г. Якутске с подчиненной ему территорией.
Проблема единой системы комплексной оценки состояния окружающей среды на сегодняшний день еще не решена, хотя в последние десять лет были разработаны различные методические подходы к ее решению как официального, так и на-
БУРЦЕВА Евдокия Иннокентьевна, в.н.с. ИПЭС АН PC (Я), к.б.н.
учного характера. В 1992 г. Минприродой РФ были разработаны «Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия» [8]. Документ получил достаточно много критических оценок [1, 10]. Основными недостатками документа считаются слишком
