CC BY
53
УДК / UDC 634.233:581.19
РЕАКЦИЯ АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ И ИНТЕНСИВНОСТЬ ПЕРЕКИСНОГО ОКИСЛЕНИЯ ЛИПИДОВ PRUNUS CERASUS L. В ОТВЕТ НА
ДЕЙСТВИЕ ГИПЕРТЕРМИИ
REACTION OF ANTIOXIDANT SYSTEM AND INTENSITY OF OVERSOUR LIPIDS OXIDATION OF PRUNUS CERASUS L. IN RESPONSE TO THE HYPERTHERMIA
EFFECT
Прудников П.С.*, кандидат биологических наук Prudnikov P.S., Candidate of Biological Sciences Кривушина Д.А., аспирант Krivushina D.A., Postgraduate Student Гуляева A.A., кандидат сельскохозяйственных наук Gulyaeva A.A., Candidate of Agricultural Sciences ФГБНУ ВНИИ селекции плодовых культур, Орловская область, Россия All Russian Research Institute of Fruit Crop Breeding, Orel Region, Russia
*E-mail: prudnicov@inbox.ru
Одним из первых симптомов начала физиологического страдания растений под действием неблагоприятных факторов среды является развитие на клеточном уровне окислительного стресса. При этом за счет образования активных форм кислорода (АФК) отмечается интенсификация перекисного окисления липидов и изменение активности антиоксидантной системы. В связи с этим для функциональной диагностики устойчивости сортов культурных растений в период действия стрессового фактора можно вести мониторинг уровня АФК на примере перекиси водорода, активности компонентов антиоксидантной системы - каталазы, содержание пролина, а также количества продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ) - малонового диальдегида (МДА). Цель работы заключалась в изучении ответной реакции антиоксидантной системы и процессов ПОЛ в условиях действия гипертермии на растительный организм. Объектами исследования служили сорта вишни Новелла, Прощальная, Подарок учителям из генетической коллекции ФГБНУ ВНИИСПК Показано, что при моделировании высокой температуры по сравнению с нормальными условиями в клетках листового аппарата, наблюдалось значительное на 19-50% увеличение содержания перекиси водорода, что способствовало интенсификации процессов ПОЛ на 11-59%. Также при этом отмечалось повышение содержания пролина на 23-56% и возрастание активности каталазы в 1,2-1,87 раза. Наиболее чувствительными на стресс по указанным показателям оказались сорта Прощальная и Подарок учителям. У сорта Новелла степень выраженности ответных реакций была ниже, что может указывать на устойчивость данного генотипа к действию высокой температуры. Таким образом, определение степени напряжённости перекисного окисления липидов и активности компонентов антиоксидантной системы в ответ на искусственно-моделированное воздействие гипертермией могут являться маркерными признаками стрессоустойчивости сортов вишни.
Ключевые слова: каталаза, пролин, перекись водорода, перекисное окисление липидов, гипертермия, вишня обыкновенная.
One of the first symptoms of the beginning of plants physiological suffering under the environmental insult is development at the cellular level of an oxidative stress. At the same time due to the formation of the active forms of oxygen (AFO) the intensification of oversour lipids oxidation and change of the antioxidant system activity is noted. In this regard it is possible to conduct monitoring of the AFO level on the example of hydrogen peroxide, activity of components of antioxidant system - catalase, proline content and also a quantity of products of the oversour lipids oxidation (OLO) - malondialdehyde (MDA) for a functional diagnostics of resistance of cultivated plants varieties under the influence of a stress factor.
The purpose of the work was to study a response of antioxidant system and processes of OLO under the conditions of hyperthermia effect on a plant body. The objects of the research were cherry varieties Novella, Farewell, Gift to teachers from the FSBSI ARRIFCB collection. It is shown that when modeling high temperature in comparison with normal conditions in the cages of the leaf apparatus, a considerable increase in the content of hydrogen peroxide by 19-50% was observed that promoted an intensification of the processes of OLO by 11-59%. Also at the same time an increase in the content of proline by 23-56% and increase of a catalase activity by 1,2-1,87 times were noted. The most sensitive to the stress for the specified indicators were varieties Farewell and Gift to teachers. Novella had a lower degree of response intensity that could indicate a resistance of this genotype to the high temperature effect. Thus, the definition of the degree of intensity of oversour lipids oxidation and activity of the components of antioxidant system in response to an artificial modeled influence of hyperthermia can be the signs of stress resistance of cherry varieties. Key words: catalase, proline, hydrogen peroxide, oversour oxidation of lipids, hyperthermia, sour cherry.
Введение. Растительные организмы в естественных условиях среды обитания постоянно подвергаются негативному воздействию экологических факторов, от которых во многом зависит реализация генетической программы. Под воздействием стресса за счет образования активных форм кислорода (АФК) отмечается активация свободно-радикального и перекисного окисления липидов (ПОЛ), что приводит к увеличению проницаемости мембран, изменению взаимодействия между липидами, комплементарными цепями нуклеиновых кислот, белками, гормонами и рецепторами [1-3]. К активным формам кислорода, которые образуются в электрон-транспортных путях митохондрий и хлоропластов, в пероксисомах и глиоксисомах относят: перекись водорода (H2O2), супероксидрадикал (H3O+), синглетный кислород (O2*), гидроксил-радикал (Oh-). Основными продуктами ПОЛ являются диеновые конъюгаты, гидроперекиси, малоновый диальдегид. Главная опасность перекисного окисления липидов заключается в том, что агрессивные липидные перекиси легко могут превращаться в новые радикалы, количество которых способно возрастать в геометрической прогрессии и вызывать структурно-функциональные повреждения клетки и даже ее гибель.
С другой стороны, под воздействием стресса индуцируются стресс-защитные адаптивные механизмы, которые связаны с синтезом белков теплового шока, накоплением стрессовых гормонов, антиоксидантов, осмолитов и других защитных соединений.
Ограничение процессов окисления и поддержания структурно-функционального состояния мембранных липидов осуществляется за счет работы антиоксидантной системы защиты, состоящей из низко- и высокомолекулярных соединений. К группе низкомолекулярных антиоксидантов относят: дигоксин, каротиноиды, аскорбиновую кислоту, гидрохинон, мочевую кислоту, полиамины, глутатион, пролин, витамин Е, селен и др. [4, 5]. В комплекс высокомолекулярной системы антиоксидантной системы защиты входят ферменты: каталаза, пероксидаза, супероксиддисмутаза, глутатионпероксидаза, глутатионредуктаза и др. [6-9].
Как правило, растения, различающиеся по устойчивости, на стрессовые воздействия реагируют однотипно, но отличаются по скорости физиологических и структурных перестроек [10]. Разный уровень устойчивости обусловлен биологическими особенностями видов или сортов. Повышение устойчивости к экологическим стрессам часто коррелирует с эффективностью работы антиоксидантной системы и напряженностью перекисного окисления мембранных липидов.
В связи с этим для функциональной диагностики устойчивости сортов культурных растений целесообразно в период действия стрессового фактора вести мониторинг уровня активных форм кислорода на примере перекиси водорода, активности некоторых компонентов антиоксидантной системы -каталазы, содержание пролина, а также количества продуктов перекисного окисления липидов - малонового диальдегида.
Цель работы состояла в проведении оценки устойчивости генотипов вишни к гипертермии на основе активности антиоксидантной системы защиты и интенсивности процессов ПОЛ.
Условия, материалы и методы. Исследования проводили на базе лаборатории физиологии устойчивости плодовых растений ФГБНУ ВНИИСПК.
Объектами исследований служили листья растений вишни сорта Прощальная, Подарок учителям, Новелла (генетическая коллекция ФГБНУ ВНИИСПК). Варианты опыта включали в себя: Контроль - изолированные листья растений в емкости с водой при нормальных условиях; Гипертермия -листья растений в емкости с водой в условиях действия высокой температуры 50°С. Время экспозиции 1 ч.
О работе антиоксидантной системы судили по количеству накопления в листьях пролина, определение которого проводилось с помощью нингидринового реактива [11], определение активности каталазы - на основе учета количества кислорода, выделяющегося в результате разложения перекиси водорода ферментом [12]. Анализ продуктов перекисного окисления липидов - малонового диальдегида (МДА) оценивали по реакции взаимодействия с тиобарбитуровой кислотой [13], количество перекиси водорода - по реакции с тетрахлористым титаном [14]. Анализы проводили в 5 - кратной биологической повторности. Достоверность результатов оценивали по стандартным методикам с использованием программ EXCEL.
Результаты и обсуждения. Показано, что под влиянием стрессовых условий в листьях растений вишни отмечается развитие перекисного окисления липидов, которое определяли по содержанию малонового диальдегида. Более низким уровнем развития процессов окисления липидов, а, следовательно, и меньшим нарушением структурно-функционального состояния клеток, характеризовался сорт вишни Новелла. В данном сорте увеличение содержания МДА под воздействием гипертермии увеличилось на 11% по отношению к контролю, тогда как в листьях Прощальной и Подарка учителям уровень малонового диальдегида повышался на 39 и 59% (рис. 1).
•С
о <
■=1
учителям ■ контроль ■ гипертермия
Рисунок 1 - Влияние гипертермии на содержание МДА в листьях вишни
Интенсификация перекисного окисления липидов под влиянием стресса, по-видимому, связана с высоким уровнем образования активных форм кислорода, о содержании которых судили по пероксиду водорода, участвующему в окислении мембранных липидов (рис. 2). При этом в сортах с повышенным уровнем образования Н2О2 под действием стресса пропорционально увеличивалось и количество МДА (коэффициент корреляции 0,9). Так под влиянием гипертермии у Прощальной и Подарка учителям содержание перекиси водорода увеличилось на 36 и 50%, тогда как у Новеллы на 19%.
Прощальная Подарок Новелла
учителям
■ контроль ■ гипертермия
Рисунок 2 - Влияние гипертермии на содержание перекиси водорода
в листьях вишни
Определение степени влияния факторов летнего стресса на уровень свободного пролина показало, что у Новеллы накопление данной аминокислоты протекало менее интенсивно, чем у остальных сортов. Так, в варианте гипертермия у Новеллы количество свободного пролина увеличилось на 23%, тогда как у Прощальной и Подарка учителям на 41 и 56% относительно контроля (рис. 3).
Существенное накопление пролина у Подарка учителям и Прощальной в неблагоприятных условиях может свидетельствовать о более сильном «шоковом» состоянии растений, тогда как сорт вишни Новелла, по-видимому, еще не достиг порога стресса.
25
5
I ^
л о а
0 I I I
Прощальная Подарок Новелла
учителям ■ контроль ■ гипертермия
Рисунок 3 - Влияние гипертермии на содержание свободного пролина
в листьях вишни
Как правило, пролин накапливается под воздействием стресса, для нейтрализации активных форм кислорода. Одна из причин его накопления - это недостаточная активность ферментных систем [15]. В связи с этим, чем интенсивней он накапливается, тем сильнее влияние стресса на растение. Тем не менее, определение каталазы, фермента утилизирующего перекись водорода, показало значительное увеличение ее активности у Прощальной и Подарка учителям (в 1,45 и 1,87 раза против контроля, соответственно), тогда как у Новеллы в 1,25 раза (рис. 4).
Прощальная Подарок Новелла
учителям ■ контроль ■ гипертермия
Рисунок 4 - Влияние гипертермии на содержание каталазы
в листьях вишни
Выводы. Таким образом, гипертермия способствовала значительному увеличению содержания АФК у сортов Прощальная и Подарок учителям, что в значительной мере инициировало процесс ПОЛ мембранных липидов на фоне увеличения содержания пролина и активности каталазы. Сорт вишни Новелла проявил большую устойчивость к действию высокой температуры. Определение степени напряжённости перекисного окисления липидов и активности компонентов антиоксидантной системы в ответ на искусственно-моделированное воздействие гипертермией могут являться маркерными признаками стрессоустойчивости сортов вишни.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Мерзляк М.Н. Активированный кислород и окислительные процессы в мембранах растительной клетки // Итоги науки и техники. Физиол. Растений. Т. 6. М., 1989.
2. Перекисное окисление и стресс / В.А. Барабой, И.И. Брехман, В.Г. Голотин, Ю.Б. Кудряшов // СПб.: Наука. 1992. 148 с.
3. Прудников П.С., Гуляева A.A. Влияние гипертермии на гормональную систему и антиоксидантный статус Prunus Cerarus L. / П.С. Прудников, A.A. Гуляева // Современное садоводство. № 3 (15). 2015. С. 37-44.
4. Кения М.В., Лукаш А.И., Гуськов Е.Г. Роль низкомолекулярных антиоксидантов при окислительном стрессе // Успехи современной биологии. 1993. Т.113. № 4. С. 456-471.
5. Верхотуров В.В. Взаимное влияние пероксидазы и низкомолекулярных антиоксидантов при прорастании семян пшеницы: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Иркутск. 1999. 20 с.
6. Basaga H.S. Biochemical aspects of free radicals // Biochem. and Cell Biol. 1990. V. 68. P. 989-998.
7. Активность антиокислительной системы и интенсивность ПОЛ в растениях пшеницы в связи с сортовой устойчивостью к переувлажнению почвы / Ю.Е. Калашников, Т.И. Балахнина, Р.Н. Беннингелли, В. Степневский, С. Степневская // Физиология растений. 1999. Т.46. С.218-222.
8. Blokhina O, Virolainen E, Fagerstedt K.V. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivation stress: a review, Annals of Botany. 2003. Vol. 91. P. 179-194
9. Прудников П.С., Седов Е.Н. Оценка устойчивости яблони к гипертермии на основе перекисного окисления липидов и антиоксидантной системы защиты // Вестник Орловского государственного аграрного университета. 2015. Т. 57. № 6. С. 79-83.
10. Удовенко Г.В. Механизмы адаптации растений к стрессам // Физиология и биохимия культурных растений. 1979. Т. 11. № 2. С. 99-107.
11. Bates L.S., Waldren R.P., Teare I.D. Rapid determination of free proline for water-stress studies // Plant and Soil. 1973. Vol. 39. P. 205-207.
12. Третьяков H.H. Практикум по физиологии растений / Под ред. Н.Н. Третьякова. М.: Агропромиздат. 1990. 271 с.
13. Стальная И.Д., Гаришвили Т.Г. Метод определения малонового диальдегида с помощью тиобарбитуровой кислоты // Современные методы в биохимии / Под ред. В.Н. Ореховича. М.: Медицина. 1977. С. 66-68.
14. Kumar G.N.M., Knowles N.R. Changes in lipid peroxidation and lipolitic and freeradical scavenging enzyme activities during aging and sprouting of potato (Solanumtuberosum) seed-tubers // Plant. Physiol. 1993. V. 102. P. 115-124.
15. Alia S., Saradhi P., Mohanty P. Involvement of proline in protecting thylakoid membranes against free radical-induced photodamage // J. Photochem photobiol. 1997. T. 38. P. 253-257.
