Роль компонентов глутатионового цикла в проявлении защитного действия салициловой кислоты на растения пшеницы при воздействии токсических ионов Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 631.811.98:633.11

РОЛЬ КОМПОНЕНТОВ ГЛУТАТИОНОВОГО ЦИКЛА В ПРОЯВЛЕНИИ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ САЛИЦИЛОВОЙ КИСЛОТЫ НА РАСТЕНИЯ ПШЕНИЦЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ТОКСИЧЕСКИХ ИОНОВ

© Д. Р. Масленникова, Ф. М Шакирова*

Институт биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, пр. Октября, 71.

Тел./факс: +7 (347) 235 60 88.

*Етай: shakirova@anrb.ru

Исследовали влияние салициловой кислотой (СК) на рост и состояние ключевых компонентов глутатионового цикла при воздействии ионов натрия и кадмия на растения пшеницыы. Выгявлен защитныый эффект предобработки СК на растения пшеницыы, о чем свидетельствуют повыышенное содержание глутатиона восстановленного (GSH) относительно окисленного (GSSG), сниженныгй уровень активности глутатион^-трансферазыы, а также содержание МДА и степень повреждающего действия токсических ионов на ростовыые показатели этих проростков.

Ключевые слова: ТгШсит aestivum L., глутатион, глутатион^-трансфераза, салициловая кислота, ацетат кадмия, хлорид натрия.

Введение

Использование природных регуляторов роста для повышения продуктивности важнейших сельскохозяйственных культур является одним из приоритетных направлений современного растениеводства. К таким регуляторам роста относят салициловую кислоту (СК), признанного индуктора системной устойчивости, обладающего способностью повышать устойчивость растений к неблагоприятным факторам разной природы, однако механизмы, лежащие в основе защитного действия СК на растения, подвергнутые воздействию абиотических стрессов, пока в полной мере не изучены [1, 2]. В ходе предыдущих исследований нами было выявлено, что обработка проростков пшеницы СК приводит к изменениям в балансе активных форм кислорода и активности антиоксидант-ных ферментов, что играет важную роль в проявлении предадаптирующего и антистрессового действия этого фитогормона на растения пшеницы [1]. Значительную роль в нейтрализации активных форм кислорода отводят низкомолекулярному антиоксиданту глутатиону и ферментам глутатионового цикла. Из литературы известно, что обработка СК вызывает в растениях значительные сдвиги в балансе восстановленной и окисленной форм глутатиона, GSH и GSSG, соответственно, приводит к активации транскрипцию генов, кодирующих глутатион^-транферазу (GST), глутатион редуктазу и монодегидроаскорбат редукта-зу, вносящих важный вклад в снижении степени повреждающего действия засухи на ростовые процессы [3]. Цель работы состояла в выявлении роли компонентов глутатионового цикла в проявлении защитного действия СК на проростках пшеницы к нарушению водного режима, вызываемого токсическими ионами натрия и кадмия.

Материалы и методы

Работу проводили на 4-5-сут проростках пшеницы Triticum aestivum L. сорта Башкирская 26. Се-

мена после стерилизации 96%о-ным этанолом проращивали в кюветах на фильтровальной бумаге в течение 3-х суток. После отделения эндосперма часть проростков помещали в стаканы с раствором 2% сахарозы в качестве питательной среды на 24 ч, другую часть проростков помещали в стаканы с 2% раствором сахарозы, содержащим 50 мкМ СК на 24 ч. Затем 4-сут необработанные и обработанные СК проростки переносили на смесь 2% сахарозы и 2% ШС1 или 1 мМ ацетата кадмия (Cd(CHзCOO)2 х 2Н20) на разные промежутки времени в течение суток. Контролем во всех опытах служили проростки, инкубированные на растворе 2% сахарозы. Методы определения содержания малонового диальдегида (МДА), сырой и сухой массы проростков, а также оценки митотического индекса (МИ) детально описаны ранее [4]. Содержание GSH и GSSG анализировали согласно [5], активность фермента глутатион^-трансферазы определяли согласно [6].

На рисунках представлены данные средних арифметических и стандартные ошибки средних трех- шести независимых опытов.

Результаты и их обсуждение

Важнейшим интегральным показателем физиологического состояния растений является рост. Воздействие стресса, как засоления, так и ацетата кадмия, привело к торможению роста проростков пшеницы, о котором судили по их сырой и сухой массе (рис. 1), а также МИ корней (табл. 1).

Из приведённых данных видно, что сама обработка СК оказывает ростстимулирующий эффект на растения, вместе с тем, предобработка СК хотя и не предотвращает, но существенно снижает уровень негативного действия токсических ионов натрия и кадмия на ростовые процессы проростков. Проявление защитного эффекта СК на рост подвергнутых стрессу проростков, вероятно, является следствием стимуляции всех исследуемых показа-

128

БИОЛОГИЯ

9 п

Контроль СК 2%NaCl (СК) + Cd 2% N8^

Ч\\У

(СК) + Cd

2

га" ^

Ь

о ср о ср п. га о о га

к га

х

Зу

О

6 -

Контроль СК

2%№С1 (СК) + 2% N8^

(СК) + Cd

Рис. 1.Влияние 24 ч 2% NaCl и 1 мМ ацетата кадмия на сырую (а) и сухую массу (б) необработанных и пре-

добработанных СК 5-сут растений пшеницы.

а

б

3

Таблица 1

Митотический индекс корней 4-5-сут предобработанных и необработанных СК проростков пшеницы _при воздействии токсических ионов*_

МИ, % Вариант

Контроль СК 2 %№С1 (СК)+2%ШС1 1 мМ ацетат кадмия (СК)+ацетат кадмия

5.1±0.08 7.4±0.09 3.7±0.07 5.3±0.09 3.1±0.08 4.9±0.09

*4 - сут растения пшеницы предобработанные и необработанные СК подвергали воздействию 2 %№С1 и 1 мМ ацетата кадмия в течение 7 ч и 24 ч, соответственно. Часть необработанных 4 - сут растений 24 ч инкубировали на растворе 50 мкМ СК.

телей роста в ходе суточной предобработки этим фитогормоном (рис. 1 и табл. 1).

Глутатиону и глутатион^-трансферазе отводится важная роль в формировании устойчивости растений к вызываемому стрессовыми факторами окислительному стрессу. Анализ соотношения GSH/GSSG в корнях растений пшеницы показал, что кадмий приводит к резкому снижению величины соотношения GSH/GSSG в сравнении с контролем, поскольку окислительный стресс, вызываемый ацетатом кадмия, приводит к значительному преобладанию окисленного глутатиона над восстановленным (рис. 2). Сама обработка СК не вызывает существенных сдвигов в балансе восстановленного и окисленного глутатиона. Вместе с тем, предобработка СК не предотвращает, но способствует поддержанию отношения GSH/GSSG в корнях подвергнутых ацетату кадмия проростков на протяжении всего опыта на более высоком уровне. Полученные результаты указывают на способность СК поддерживать повышенное содержание GSH при стрессе, вероятно, посредством позитивной регуляции активности глутатион-редуктазы [7]. Сходные результаты по соотношению GSH/GSSG в корнях необработанных и предобработанных СК растений получены и при воздействии натрий-хлоридного засоления.

Известно, что глутатион^-трансферазе отводят ключевую роль в защите растений от окислительного стресса. Сравнительный анализ активности глутатион^-трансферазы в предобработанных и необработанных СК проростках пшеницы в усло-

виях засоления выявил относительно контроля наибольшую активность фермента с максимумом, приходящимся на 2 ч, в корнях необработанных СК растений (рис. 3). В корнях предобработанных СК проростков активность глутатион^-трансферазы поддерживалась на заметно меньшем уровне, что служит показателем меньшей степени повреждающего действия стресса на эти проростки. Следует заметить, что сама обработка СК способствует некоторому увеличению активности фермента (рис. 3), которое, однако, судя по данным ростовых параметров, является вполне благоприятным.

16

0

С/5

С/512 С5

1 С/5

О ш

о 4

О

□ Контроль □ СК

I Cd

ЕЗ СК + Cd

Время, ч

Рис. 2. Величина соотношения GSH/GSSG в корнях предобработанных и необработанных СК 4-сут проростков пшеницы в ходе воздействия 1 мМ ацетата кадмия.

о

2

3

Таблица 2

Концентрация МДА, выраженная в нМ на г сырой массы, в 4-5-суточных предобработанных и необработанных СК проростках пшеницы, подвергнутых действию токсических ионов*

МДА Вариант

Контроль СК 2 %NaCl (СК)+ 2%NaCl 1 мМ ацетат кадмия (СК)+ацетат кадмия

54±1.6 55±1.7 92±2.6 72±1.9 93±2.7 73±2.0

*4 - сут проростки пшеницы предобработанные и необработанные СК подвергали воздействию 2 %№С1 и 1 мМ ацетата кадмия в течение 7 ч и 24 ч, соответственно. Часть необработанных 4 - сут растений 24 ч инкубировали на растворе 50 мкМ СК.

t/5

X

о

12

10 -

Я!

ц

о „

ц I « * -

£ J <D h п Ю

я га

ш

<D

I- О < (Л

— □— СК

—х—(СК) + 2%NaCl

----5

-5-ч

--э-

_ — £

0 2 4 6 8

Время,ч

Рис. 3. Активность глутатион-S-трансферазы в корнях предобработанных и необработанных СК 4-сут растений пшеницы в ходе воздействия 2% №С1.

К характерным ответным реакциям растений на окислительный стресс, вызываемый токсическими ионами, относится нарушение целостности мембранных структур вследствие стресс-индуцированного развития перекисного окисления липидов, об интенсивности которого можно судить по содержанию МДА в тканях. Так, выявлено, что воздействие ионов натрия и кадмия вызывает сходное по уровню резкое увеличение концентрации МДА в проростках, тогда как предобработанные СК растения при стрессе характеризуются существенно меньшим уровнем накопления МДА, при этом сама обработка СК не вызывает изменений в этом показателе (табл. 2). Эти данные свидетельствуют об эффективности обработки растений СК с целью повышения устойчивости пшеницы к натрий-хлоридному засолению и кадмиевому стрессу, в формировании которой важный вклад вносит способность СК регулировать соотношение GSH/GSSG и активность глутатион^-трансферазы.

Выводы

Полученные результаты демонстрируют важный вклад глутатиона и глутатион^-трансферазы в реализации индуцированной СК устойчивости растений к воздействию токсических ионов. В целом это отражается в уменьшении уровня повреждающего действия этих стрессоров на предобработан-ные СК проростки и поддержании ростовых процессов у этих растений на уровне контроля.

Работа поддержана Грантом Республики Башкортостан по итогам конкурса работ молодых ученых и молодежных научных коллективом за 2014 год (договор № 17 от 25.02.2014).

ЛИТЕРАТУРА

1. Shakirova F. M., Bezrukova M. V., Maslennikova D. R. Endogenous ABA as a Hormonal Intermediate in the Salicylic Acid Induced Protection of Wheat Plants Against Toxic / In book: Salicylic Acid, (S. Hayat et al. (eds.)). Springer Sci-ence+Business Media Dordrecht, 2013. Chapter 7. P. 119-140.

2. Масленникова Д. Р., Фатхутдинова Р. А., Безрукова М. В., Аллагулова Ч. Р., Ключникова Е. О., Шакирова Ф. М. Механизмы протекторного действия салициловой кислоты на растения пшеницы в условиях кадмиевого стресса // Агрохимия. 2013. №3. С. 72-79.

3. Kang G. Z., Li G. Z., Liu G. Q., Xu W., Peng X. Q., Wang C. Y., Zhu Y. J., Guo T. C. Exogenous salicylic acid enhances wheat drought tolerance by influence on the expression of genes related to ascorbate-glutathione cycle // Biologia Planta-rum. 2013. V. 57. №4. P. 718-724.

4. Безрукова М. В., Фатхутдинова Р. А., Лубянова А. Р., Мурзабаев А. Р., Федяев В. В., Шакирова Ф. М. Участие лектина в формировании устойчивости пшеницы к токсическому действию кадмия // Физиология растений. 2011. Т. 58. С. 907-914.

5. Шалыго Н. В., Щербаков Р. А., Доманская И. Н., Радюк М. С. Спектрофлуориметрический метод определения окисленного и восстановленного глутатиона в растениях // Физиология и биохимия культурных растений. 2007. Т. 39. №3. С. 264-270.

6. Habig W. H., Pabst M. S., Jacoby W. B. Glutathione-S-transferase. The first enzymatic step in mercapturic acid formation // J. Biol. Chem. 1974. V. 246. P. 7130-7139.

7. Daneshmandi F., Arvin M. J., Kalantari K. M. Acetyls alicylic acid ameliorates negative effects of NaCl or osmotic stress in Solanum stoloniferum in vitro // Biologia Plantarum. 2010. V. 54. № 4. P. 781-784.

6

4

Поступила в редакцию 05.12.2014 г.

130

БИОЛОГИЯ

ROLE OF GLUTATHIONE CYCLE COMPONENTS IN THE PROTECTIVE ACTION OF SALICYLIC ACID ON WHEAT PLANTS AGAINST TOXIC IONS

© D. R. Maslennikova, F. M. Shakirova*

Institute of Biochemistry and Genetics, Ufa Scientific Centre, Russian Academy of Sciences 71 Oktyabrya Ave., 450054 Ufa, Republic of Bashkortostan, Russia.

Phone: +7 (347) 235 60 88.

*Email: shakirova@anrb.ru

Salicylic acid (SA) is an important signaling molecule capable of increasing the plant resistance to environmental stress of different nature. However, the mechanisms underlying the protective effect of SA on the plants still remains poorly studied. In the present article with the help of the methods of microscopy, spectrofluorimetry and spectrophotometry, we have investigated the effect of SA on the growth and state of the key components of glutathione cycle in wheat plants (Triticum aestivum L.) under the influence of sodium and cadmium ions. During the experiments, we found that treatment of plants with SA itself had no effect on the value of the reduced glutathione (GSH) / oxidized glutathione (GSSG) ratio and MDA content, thus causing an increase in the activity of gluta-thione-S-transferase, and this was beneficial for plants as estimated by increased growth rate of seedlings. We have detected the protective effect of SA pretreatment on wheat plants as indicated by increased GSH/GSSG ratio, reduced activity of glutathione-S-transferase, decrease in MDA content as well as alleviation of the damaging effect of toxic ions on the growth indices of these seedlings. These results demonstrated the important contribution of glutathione and glutathione-S-transferase in the implementation of SA-induced plant resistance to toxic ions.

Keywords: Triticum aestivum L., glutathione, glutathione-S-transferase, salicylic acid, cadmium acetate, sodium chloride.

Published in Russian. Do not hesitate to contact us at bulletin_bsu@mail.ru if you need translation of the article.

REFERENCES

1. Shakirova F. M., Bezrukova M. V, Maslennikova D. R. Endogenous ABA as a Hormonal Intermediate in the Salicylic Acid Induced Protection of Wheat Plants Against Toxic / In book: Salicylic Acid, (S. Hayat et al. (eds.)). Springer Science+Business Media Dordrecht, 2013. Chapter 7. Pp. 119-140.

2. Maslennikova D. R., Fatkhutdinova R. A., Bezrukova M. V, Allagulova Ch. R., Klyuchnikova E. O., Shakirova F. M. Agrokhimiya. 2013. No. 3. Pp. 72-79.

3. Kang G. Z., Li G Z., Liu G. Q., Xu W., Peng X. Q., Wang C. Y., Zhu Y. J., Guo T. C. Biologia Plantarum. 2013. Vol. 57. No. 4. Pp. 718724.

4. Bezrukova M. V., Fatkhutdinova R. A., Lubyanova A. R., Murzabaev A. R., Fedyaev V V., Shakirova F. M. Fiziologiya rastenii. 2011. Vol. 58. Pp. 907-914.

5. Shalygo N. V, Shcherbakov R. A., Domanskaya I. N., Radyuk M. S. Fiziologiya i biokhimiya kul'turnykh rastenii. 2007. Vol. 39. No. 3. Pp. 264-270.

6. Habig W. H., Pabst M. S., Jacoby W. B. J. Biol. Chem. 1974. Vol. 246. Pp. 7130-7139.

7. Daneshmandi F., Arvin M. J., Kalantari K. M. Biologia Plantarum. 2010. Vol. 54. No. 4. Pp. 781-784.

Received 05.12.2014.