CC BY
12БИОЛОГИЯ
УДК 581.19.036.5
М.М. Джанмирзаева, Г.А. Авилова
Роль салициловой кислоты в устойчивости проростков огурца к гипотермии
Дагестанский государственный университет; Россия, 367001, г. Махачкала, ул. М. Гаджиева, 43 а; gulyaraabilova@mail.ru
Изучен механизм противодействия салициловой кислоты (СК) окислительному стрессу в растениях огурца (Сисиш188айУшЬ.), вызванному действием пониженной положительной температуры различной длительности. Для этого 8-дневные проростки огурца, выросшие при температуре 220С и 12-часовом световом дне на дистиллированной воде (контроль) и 0,1мМ растворе СК (опыт) охлаждали до 60С в течение 24 часов и 48 часов. Часть контрольных и опытных образцов в это же время находились в темноте при температуре 220С. На 9 и 10-е сутки в проростках, подвергшихся гипотермии соответственно в течение 24 и 48 часов, в семядольных листьях (СЛ) определяли активность перекисного окисления липидов (ПОЛ), в СЛ и корнях -содержание аминокислоты пролин и активность фермента супероксиддисмутазы (СОД).
Установлено, что экзогенная СК способствовала усилению процессов ПОЛ в СЛ только после 48 часов культивирования проростков в темноте. После 24 часов гипотермии наблюдалась стабилизация процессов ПОЛ, а после 48 часов - их стимулирование. Изменения в защитной системе проростков огурца зависели от длительности гипотермии и специфики органа растений. В частности, установлено, что гипотермия вызывала увеличение содержания пролина и снижение активности СОД в СЛ и корнях и увеличение содержания пролина в СЛ в обоих вариантах опыта, а в корнях - только при длительности гипотермии 48 часов.
Таким образом, показана разная реакция на гипотермию фотосинтезирующей и подземной части растений в присутствии СК. Совокупность полученных данных согласуется с гипотезой о влиянии СК на прооксидантно-антиоксидантное равновесие в клетках растений в зависимости от условий их произрастания.
Ключевые слова: гипотермия, активные формы кислорода, супероксиддисмутаза, пере-кисное окисление липидов, пролин.
Введение
Действие пониженных положительных температур сопровождается накоплением в клетках и тканях растений активных форм кислорода (АФК) и окислительным стрессом [1]. Устойчивость растений к стрессору в значительной степени определяется соотношением уровня перекисного окисления липидов (ПОЛ) и активностью антиокси-дантной системы, представленной ферментами и низкомолекулярными соединениями. Поэтому о степени окислительного стресса, вызванного абиотическими факторами, можно судить по накоплению продукта ПОЛ - малонового диальдегида (МДА) и активности фермента супероксиддисмутазы (СОД), осуществляющего нейтрализацию супероксид-радикала с образованием пероксида водорода [2]. В «тушении» супероксид-радикала, запускающего цепь окислительных реакций, участвует и пролин [3].
При интенсивном образовании АФК в клетках растений отмечено накопление салициловой кислоты (СК)[4], что способствует формированию в растениях устойчиво-
сти к дефициту воды [5], высоким и низким температурам [6], действию тяжелых металлов [7].
Целью настоящего исследования явилось изучение действия СК при ее экзогенной обработке на активность ПОЛ, СОД и содержание пролина при гипотермии.
Материал и методы исследования
Семена огурца (CucumissativusL) сорта Пальчик проращивали в чашках Петри на фильтровальной бумаге с периодическим поливом дистиллированной водой (контроль) и раствором 0,1 мМ СК (опыт). Растения выращивали при температуре 22 С с освещенностью люминесцентными лампами (500лк) при 12-часовом световом дне. В возрасте 8 суток часть контрольных и опытных образцов помещали в камеру (6 С на 24 и 48 часов). Часть образцов находилась в темноте при температуре 220С. На 9 и 10-е сутки соответственно через 24 и 48 часов в семядольных листьях (СЛ) проростков определяли содержание конечного продукта ПОЛ МДА, в СЛ и корнях - содержание пролина и активность СОД. Содержание МДА определяли по цветной реакции с тиобарбитуровой кислотой с последующим измерением оптической плотности на спектрофотометре при 532нм [8]. Антиоксидантную систему клетки оценивали по активности СОД, а также по содержанию низкомолекулярного соединения пролина. Активность СОД измеряли с использованием нитросинего тетразолия [9], содержание пролина - с помощью кислого нингидринового реактива [10].
Полученные результаты представлены как средние арифметические и их стандартные отклонения, вычисленные из трех независимых опытов, выполненных в 3-4 биологических повторностях. Статистическую обработку данных проводили в программе «Excel».
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты опыта по определению активности ПОЛ показали, что СК в концентрации 0,1 мМ не влияла на содержание МДА в СЛ растений огурца после 24-часового нахождения проростков в темноте при температуре 22 С (табл.1). В этой же серии опытов при пониженной положительной температуре уровень ПОЛ в СЛ проростков, выросших на дистиллированной воде, достоверно возрос на 32%. Определенное накопление ТБК-активных продуктов наблюдали и в проростках, выросших на растворе СК при температуре 6 С, но эти значения не достигали достоверного уровня.
Таблица 1. Влияние СК (0,1мМ) на содержание МДА (нМоль МДА/г сырой массы) в СЛ проростков огурца при изменении температурных условий культивирования
Условия Варианты опыта
24 часа 48 часов
опыта Дист. вода СК Дист. вода СК
220С 72 ± 6 71 ± 7 52 ± 7 91 ± 6**
60С 95 ± 7* 83 ± 4 95 ± 8* 114 ± 7*
Примечание к табл.1-3: одной звездочкой отмечены достоверные отличия значений, полученных при гипотермии, по сравнению с нормотермией при одинаковой длительности эксперимента; двумя звездочками отмечены достоверные отличия действия СК при тех же температурных условиях по сравнению с контролем; уровень значимости различий р<0,05 по сравнению с контролем.
Увеличение длительности пребывания проростков до 48 часов привело к снижению интенсивности процессов пероксидации в контрольных растениях. Культивирование проростков огурца в растворе СК привело к увеличению содержания МДА в клетках СЛ на 75%. В условиях гипотермии содержание ТБК-активных продуктов во всех сериях опытов было выше по сравнению с контролем. Но, если в присутствии СК в среде при культивировании проростков в холодовой камере в течение 24 часов наблюдались стабилизация процессов ПОЛ и незначительное снижение содержания МДА, то после 48-часового культивирования при температуре 6 С уровень активности ПОЛ увеличился и достиг максимальных значений.
Изменение в интенсивности ПОЛ сопровождались перестройками в защитной антиоксидантной системе проростков огурца. Так, выдерживание растений при низкой температуре вызывало изменение в активности СОД, но интенсивность этих изменений зависела от длительности гипотермии и от органа растений.Если в клетках корней активность СОД изменялась несущественно, то в СЛ она снижалась на 13 и на 20% при длительности гипотермии соответственно 24 часа и 48 часов (табл. 2).
Таблица 2. Влияние СК (0,1 мМ) на активность СОД (усл.ед./г сырой массы) в СЛ и корнях проростков огурца в зависимости от длительности гипотермии 60С
Условия опыта Семядольные листья Корни
Дист. вода СК Дист. вода СК
24 часа
220С 60С 0.47 ± 0.01 0.41 ± 0.04 0.46 ± 0.02 0.58 ± 0.02* ** 0.09 ± 0.01 0.09 ± 0.01 0.13 ± 0.01** 0.13 ± 0.01**
48 часов
220С 60С 0.46 ± 0.02 0.37 ± 0.02* 0.37 ± 0.02** 0.40 ± 0.04** 0.07 ± 0.01 0.08 ± 0.01 0.11 ± 0.01** 0.11 ± 0.01**
В этих же условиях гипотермия способствовала увеличению содержания проли-на в СЛ (табл. 3). В клетках корневой системы уровень пролина достоверно увеличился только после 48-часовой гипотермии. В присутствии СК наблюдалась иная динамика и амплитуда изменений активности СОД и содержания пролина. При температуре 220С в СЛ контрольных проростков, находящихся в темноте 24 часа, активность фермента не изменялась, а при 48 часах - достоверно снижалась на 20%. В условиях гипотермии активность фермента увеличивалась и достигала более высоких значений при длительности пребывания проростков в холоде на протяжении 24 часов. В клетках корня при культивировании при 220С и 60С активность СОД в варианте с СК достоверно увеличивалась.
Таблица 3.Влияние СК (0,1 мМ) на содержание пролина (мкМ/г сырой массы) в СЛ и корнях проростков огурца в зависимости от длительности гипотермии 60С
Условия Семядольные листья Корни
опыта Дист. вода 0.1 мМ СК Дист. вода 0.1 мМ СК
24 часа
220С 4.86 ± 0.25 4.67 ± 0.36 1.37 ± 0.06 1.18 ± 0.06
60С 6.09 ± 0.38* 6.46 ± 0.31 1.33 ± 0.09 1.17 ± 0.07
48 часов
220С 4.88 ± 0.21 4.63 ±0.24 1.43 ± 0.11 1.29 ± 0.07
60С 7.55 ± 0.23* 7.01± 0.34* 1.79 ± 0.33 1.53 ± 0.35*
Что касается содержания пролина, то СК при температуре 220С подавляла его аккумуляцию вне зависимости от сроков нахождения проростков в темноте. При температуре 6 С интенсивность образования пролина возрастала. При этом высокий его уровень наблюдался после 24-часовой гипотермии, а затем снижался. Действие одного фактора - СК, а также совместное действие СК и пониженных положительных температур способствовало снижению аккумулирования пролина.
Заключение
Приведенные данные свидетельствуют о значимости СК для устойчивости растений к действию стрессовых факторов. Однако эффективность действия меняется в зависимости от условий культивирования проростков и специфики органа. Гипотермия способствует усилению процессов ПОЛ, вызывая окислительный стресс в СЛ растений огурца. При совместном действии гипотермии и СК наблюдалась аддитивность их эффекта, о чем свидетельствует более интенсивный уровень ПОЛ мембран СЛ проростков. При этом у многих видов растений выявлена обратно-коррелятивная зависимость между активностью СОД и уровнем пролина [11,12]. Об этом же свидетельствует вариант гипотермии, где в первые часы действия стресс-фактора растение использует для защиты ферментативную составляющую антиоксидантной системы. На более поздних этапах адаптационного процесса включается пролин, концентрация которого в этих условиях увеличивается. Присутствие в среде СК проявляется в повышении активности СОД при пониженных температурах, что может быть связано с появлением новых термостабильных изоформ СОД. Полученные данные позволяют заключить, что СК изменяла прооксидантно-антиоксидантное равновесие в проростках огурца, подвергнутых действию пониженных положительных температур. При этом действие СК осуществлялось через изменение уровня ПОЛ и активности антиоксидантной системы.
Литература
1. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.Я. Активные формы кислорода при адаптации растений к стрессовым температурам // Физиология и биохимия культ.растений. - 2009. -Т.41, №2. - С.95-108.
2. Кошкин Е.И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур. - М.: Дрофа, 2010. - 638 с.
3. Колупаев Ю.Е., Вайнер А.А., Ястреб Т.О.Пролин: физиологические функции и регуляция содержания в растениях в стрессовых условиях // Вестник Харьковского национального государственного университета.Сер. Биология. - 2014. - Вып.2(32). - С. 6-22.
4. Колупаев Ю.Е., Ястреб Т.О. Стресс-протекторные эффекты салициловой кислоты и ее структурных аналогов // Физиология и биохимия культурных растений. -2013. - Т.45, №2. - С.113-126.
5. БезруковаМ.В., Сахабутдинова А.Р., Фатхутдинова Р.А., Кильдиярова И.А., Ша-кирова Ф.М. Влияние салициловой кислоты на содержание гормонов в корнях и рост проростков пшеницы при водном дефиците //Агрохимия. - 2001. - №2. - С.51-54.
6. Абилова Г.А. Влияние салициловой кислоты на перекисное окисление липидов и содержание пролина в растениях огурца в связи с преадаптацией к холодовому стрессу // Вестник Дагестанского государственного университета. - 2015. - Вып.6. - С.66-70.
7. Chao Y-Y., Chen C-Y., Yuang W-D., Rao C.H. Salicylic acid-mediated hydrogen peroxide accumulation and protection against Cd toxicity in rice leaves //Plant Soil. - 2010. -V. 329. - P. 327-337.
8. Лукаткин А.С., Голованова В.С. Интенсивность перекисного окисления липидов в охлажденных листьях теплолюбивых растений // Физиология растений. - 1998. -Т.35. - Вып.4. - С.773-778.
9. Полесская О.Г., Каширина Е.И., Алехина Н.Д. Влияние солевого стресса на антиоксидантную систему растений в зависимости от условий азотного питания // Физиология растений. - 2006. - Т.53, №2. - С.1-8.
10. Bates L.S., Waldren R.P., Teare I.D. Rapid Determination of Free Proline for Water Stress Studies // Plant Soil. - 1973. - V.39. - P.205-207.
11. Радюкина Н.Л., Шашукова А.В., Шевякова Н.И., Кузнецов Вл.В. Участие про-лина в системе антиоксидантной защиты у шалфея при действии NaCl и параквата // Физиология растений. - 2008. - Т. 55,№5. - С.721-730.
12. Фенько А.А., Репкина Н.С., Таланова В.В. Влияние салициловой кислоты на холодоустойчивость проростков огурца // Труды Карельского научного центра РАН. -2015. - №11. - С.26-34.
Поступила в редакцию 18 января 2016 г.
UDC 581.19.036.5
The role of salicylic acid in counteracting of the cucumber seedlings tohypothermia
M.M. Dzhanmirzayeva, G.A. Abilova
Dagestan State University; Russia, 367001, Makhachkala, M. Gadzhiyevst., 43 a; gu-lyaraabilova@mail.ru
The article studies the mechanism of counteraction of salicylic acid (SA) to oxidative stress in cucumber plants (Cucumis sativus L.), caused by the effect of low positive temperature of various duration. For this purpose 8-day-old cucumber seedlings grown at 22 0C and within 12-hour photoperiod with distilled water (control) and 0,1mm SA solution (experiment) were cooled to 6 0C during 24 and
48 hours.At the same time part of the control and experimental samples were in the dark at a temperature of 22 0C. The study determined the activity of lipid peroxidation (LPO) in the cotyledon leaves (CL), the content of amino acid proline and the activity of the enzyme superoxide dismutase (SOD) in the CL and roots of seedlings exposed by hypothermia for 24 and 48 hours on the 9th and 10th days, respectively.
It was found that exogenous SA helped to strengthen the process of LPO in CL of seedlings, cultivated during 48 hours in darkness. After 24 hours of hypothermia the stabilization of LPO was observed, and after 48 hours - the stimulation of the processes. Changes in the protective system of cucumber seedlings depended on the duration of hypothermia and specific plant organ. In particular, it was found that hypothermia caused an increase of the content of proline and decrease of SOD activity in SL and roots, increase the content of proline in SL in both variants of experiment, but in roots only at duration of hypothermia during 48 hours.
Thus, the study has shown different reactions on hypothermia of photosynthetic and underground parts of plant in the presence of SA. The obtained data is consistent with the hypothesis of the effect of SA on antioxidant-prooxidant balance in plant cells depending on their growth conditions.
Keywords: hypothermia, reactive oxygen species, superoxide dismutase, lipid peroxidation, proline.
Received 18January, 2016
