Научная статья на тему 'Влияние гипоксии на синтез низкомолекулярных антиоксидантов Fragaria viridis Duch'

Влияние гипоксии на синтез низкомолекулярных антиоксидантов Fragaria viridis Duch Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
280
100
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЭКОЛОГИЯ / РАСТЕНИЯ / ГИПОКСИЯ / АНТИОКСИДАНТЫ / FRAGARIA VIRIDIS DUCH. / FRAGARIA VIRIDIS DUCH / ECOLOGY / PLANTS / HYPOXIA / ANTIOXIDANTS

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Гусев Николай Фёдорович, Петрова Галина Васильевна, Немерешина Ольга Николаевна, Бомбела Татьяна Владимировна

В статье приведены данные по содержанию низкомолекулярных антиоксидантов (танидов) в тканях Fragaria viridis Duch., произрастающей в различных экологических условиях. Выявлены отличия в содержании антиоксидантов для растений, подвергшихся воздействию гипоксии.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Гусев Николай Фёдорович, Петрова Галина Васильевна, Немерешина Ольга Николаевна, Бомбела Татьяна Владимировна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

EFFECT OF HYPOXIA ON LOW-MOLECULAR ANTIOXIDANTS FRAGARIA VIRIDIS Duch

The article is concerned with data on the content of low-molecular antioxidants (tanids) in the tissues of Fragaria viridis Duch., growing under different ecological conditions. Distinctions in the antioxidants content in plants exposed to hypoxia have been revealed.

Текст научной работы на тему «Влияние гипоксии на синтез низкомолекулярных антиоксидантов Fragaria viridis Duch»

Влияние гипоксии на синтез низкомолекулярных антиоксидантов Fragaria viridis Duch.

Н.Ф. Гусев, д.б.н., профессор, Г.В. Петрова, д.с.-х.н., профессор, Оренбургский ГАУ; О.Н. Немерешина, к.б.н, Оренбургская ГМА; Т.В. Бомбела, к.фарм.н., Пермская ГФА

Кислородная недостаточность является одним из неблагоприятных экологических факторов, влияющих на рост и развитие растений, при затоплении растений во время весеннего разлива рек. Сразу после прекращения действия кислородной недостаточности, когда растения вновь оказываются в условиях нормальной аэрации, у них развивается окислительный стресс. Следовательно, растения, устойчивые к гипоксии, должны обладать устойчивостью и к окислению. Изучение путей адаптации растений к гипоксии и последующей реаэрации представляет как теоретический, так и практический интерес с точки зрения создания тестовых систем для селекции экоустойчивых форм полезных растений, а также для разработки способов выращивания растений

на затопляемых почвах и для программирования урожая растений, различающихся по устойчивости к кислородному дефициту.

Поэтому целью представленной работы явилось изучение уровня синтеза и накопления биологически активных веществ-антиоксидантов Fragaria viridis Duch. на плакорном участке и в зоне регулярного подтопления паводковыми водами.

Научные исследования, посвящённые проблеме окислительного стресса растительных организмов, ведутся в разных странах мира [1—3, 11, 15]. Указанное объясняется тем, что в клетках растений при работе цепей транспорта электронов в мембранах хлоропластов и митохондрий всегда идет образование некоторого количества активных форм кислорода (АФК), обладающих способностью повреждать практически все компоненты клетки. АФК представляют собой свободнорадикальные частицы (супероксидный анион-радикал, перекисные радикалы, гидрок-

сильный радикал) или нейтральные молекулы (пероксид водорода и синглетный кислород). Образование АФК является нормальным метаболическим процессом, их содержание в клетках невелико (2% по сравнению с 98% кислорода, используемого в дыхании), и они быстро ме-таболизируют. Однако в стрессовых условиях происходит чрезмерное накопление активных метаболитов кислорода, например при действии некоторых токсических веществ, ионизирующего и УФ-излучений, а также реоксигенации после гипоксии. Следствием повышенного образования АФК могут быть патологические изменения клеточных мембран и других структур, повреждение нуклеиновых кислот, белков и липидов. Доказано, что повышенные концентрации АФК тормозят экспрессию генов, рост и деление клетки, включают механизм апоптоза [4].

Система защиты клеток и тканей растений от свободных радикалов состоит из ферментативного и неферментативного звеньев антиокис-лительной клеточной защиты. Известно, что растения обладают способностью к индукции компонентов антиокислительных систем под действием стрессов [5]. Механизм работы ферментативного и неферментативного звеньев антиокислительной зашиты растений в условиях перехода от гипоксии к нормальной аэрации до конца не выяснен, хотя фрагментарные исследования в мире ведутся длительное время [4, 11, 12].

Ферментативное звено системы защиты от свободных радикалов включает супероксиддис-мутазу и различные пероксидазы. Антиоксидантную защиту, связанную с восстановлением пероксида водорода, осуществляют главным образом аскорбатпероксидаза и глутатионпе-роксидаза. Кроме того, в вакуолях растений, а также у видов с низкой активностью аскорбатпе-роксидазы обезвреживание пероксида водорода или органических пероксидов эффективно обеспечивается гваяколпероксидазой [4]. Различные изоформы гваяколпероксидазы играют важную роль в защите клеток от окислительного стресса, а также участвуют в процессах лигнификации клеток растений и распада ауксинов. Субстратом для реакций, катализируемых гваяколпероксидазами, являются растительные полифенолы.

Неферментативное звено антиокислительной защиты клеток растений включает биологически активные вещества, обладающие высокой окис-ляемостью: аскорбиновую кислоту, токоферолы, полифенолы, глутатион, каротиноиды и другие соединения.

Ферментативные и неферментативные компоненты антиокислительной защиты образуют сложную высокоэффективную систему, все части которой являются взаимосвязанными. Так, из-

вестно, что в вакуолях или клеточной стенке, не имеющих высокоактивных изоформ аскорбатпе-роксидаз, но содержащих высокие концентрации полифенольных соединений и аскорбата, обезвреживание свободных радикалов осуществляется комплексом гваяколпероксидаза-полифенолы-аскорбат. При этом полифенолы сначала окисляются гваяколпероксидазой, а затем восстанавливаются аскорбатом, в результате происходит детоксикация продуктов окисления. Благодаря работе систем клеточной защиты происходит эффективное обезвреживание АФК и других форм свободных радикалов, что предотвращает повреждения клеточных структур и в итоге апоптоз клетки [4].

Механизмы метаболической адаптации растений к гипоксии весьма разнообразны и направлены на обеспечение противодействия и репарацию изменений при возвращении в нормальные условия аэрации (у устойчивых растений) либо ведут к необратимым повреждениям вследствие истощения приспособительных возможностей [5]. Метаболические изменения при гипоксии растений связаны прежде всего с использованием альтернативных путей окисления восстановленных коферментов при накоплении в клетках малата, сукцината и других метаболитов, что призвано поддерживать необходимый для выживания уровень протекания энергетических процессов. Перестройка метаболических процессов растений при гипоксии существенно меняет также параметры углеводного и липидного обменов [5].

Ф.М. Шакирова отмечает активацию поли-фенолоксидаз в тканях растений при гипоксии. Выявлено, что на стадии кислородной недостаточности клетки растений индуцируют синтез полифенольных соединений, являющихся важным компонентом их защиты от свободных радикалов при реоксигенации тканей [3].

Для полифенольных соединений характерна высокая антиоксидантная активность, поскольку они могут являться донорами водорода. Значение полифенолов как антиоксидантов выше, чем у токоферолов и аскорбата, так как многие из них обладают способностью связывать металлы переменной валентности, которые служат катализаторами свободнорадикального окисления [13].

Полифенолы способны блокировать взаимодействие окисляющегося субстрата с перекисным радикалом и, следовательно, тормозить цепное окисление по схеме:

риои+ю; ^ ръо • + яоои.

В результате при окислении фенолят-иона образуется феноксильный радикал, который претерпевает димеризацию с образованием связей углерод — углерод или углерод — кислород:

Феноксильные радикалы могут также обезвреживаться глутатионпероксидазой по схеме:

2PhO • + 2HS - G ^ 2PhOH + GS - SG.

Наиболее распространённые из полифенолов в растениях флавоноиды способны изменять кинетику пероксидации липидов, преобразуя порядок расположения липидных компонентов мембран и снижая их ненасыщенность [13]. В литературе упоминается также, что фенольные соединения вовлечены и в пероксид-защитный каскад [14].

Отмеченное выше характерно для земляники зелёной (клубники), встречающейся в степной зоне Предуралья, территория которого нередко подвергается подтоплению.

Fragaria viridis Duch. — земляника зелёная (семейство розоцветные — Rosaceae L.) — многолетнее травянистое растение высотой 5—20 см, с толстым бурым корневищем и стелющимися укореняющимися побегами. Листья сложные, тройчатые, крупнозубчатые, сверху почти голые, снизу волосистые. Верхушечный листочек яйцевидный, на коротком черешке; два боковых листочка сидячие. Цветки белые, с подчашием, многочисленными тычинками и пестиками. Плоды овальные, ароматные, с прижатыми к плодам чашелистиками. Цветёт в мае — июне. Встречается в лесной и лесостепной зонах европейской части РФ, на Урале, в Сибири. На Южном Урале (в Оренбургской области) растёт по травянистым склонам, балкам, степным лугам, опушкам колков. Возделывается на огородах, имеет множество сортов.

В составе полифенольного комплекса листьев земляники зелёной отмечены дубильные вещества, фенолкарбоновые кислоты, флавоноиды и предшественники лигнина. В составе листьев также обнаружены аскорбат и следы алкалоидов. Корневища и листья земляники обладают вяжущим, кровоостанавливающим, антисептическим, противовоспалительным, мочегонным и желчегонным свойствами, а также обладают способностью уменьшать потоотделение. Отвар листьев применяют для полоскания горла при воспалении слизистых оболочек полости рта, при желтухе и нарушениях деятельности желудочно-кишечного тракта, особенно при поносах [6].

С целью оценки влияния гипоксии на метаболизм нами проведён сравнительный анализ содержания дубильных веществ (танидов) в растениях, произрастающих на плакорных участках остепнённого луга и зоне подтопления паводковыми водами. Сырьём для проведения фитохимического анализа нами были выбраны листья Fragaria viridis Duch. , собранной в окрестностях с. Нежинка Оренбургского района Оренбуржья.

Дубильные вещества, или таниды, представляют собой полифенольные соединения с высокой молекулярной массой, способные осаждать белки, в частности раствор желатина, и обладающие вяжущим вкусом. Кроме того, таниды образуют нерастворимые комплексы с алкалоидами и солями тяжёлых металлов. Свойство дубить кожу животных и является главным критерием для отнесения химических соединений к группе дубильных растительных веществ. В их состав могут входить полиме-ризованные катехины, лейкоантоцианидины, флавоноиды, галловая и эллаговая кислоты и другие соединения. В химическом отношении дубильные вещества делятся на три группы: гидролизуемые (или производные пирогаллола), конденсированные (производные пирокатехина) и смешанная группа.

Дубильные вещества широко распространены среди растений, что объясняется их участием в ферментативных окислительных процессах растительных организмов наряду с другими фенольными соединениями. По данным многих исследователей [7—9], таниды выполняют в растениях защитную функцию, поэтому их выработка в значительной степени зависит от влияния стрессовых факторов. Задачей нашего исследования явилось выявление зависимости синтеза танидов от кислородной недостаточности.

Для открытия дубильных веществ в растениях готовили водные извлечения из растительного сырья согласно Государственной Фармакопее СССР [10]. С водными извлечениями проводили реакции осаждения с раствором желатина и солями алкалоидов, как общепринятые и наиболее специфичные методы обнаружения дубильных веществ [8, 9].

Количественное определение общей суммы дубильных веществ в листьях земляники зелёной проводили по общепринятой методи-

Содержание дубильных веществ в листьях Fragaria viridis Duch. (в % на абс. сухой вес)

Год сбора Местообитание Фенофаза Содержание танидов

Контрольный участок № 1 (плакор и повышенные элементы рельефа) цветение 7,32±0,41

2008 Контрольный участок № 2 (плакор) вегетация цветение 7, 04±0,32 7,74±0,70

Зона подтопления паводковыми водами (западины) вегетация цветение плодоношение 9,58±0,42 9,72±0,39 7,66±0,35

Контрольный участок № 1 (плакор и повышенные элементы рельефа) цветение цветение плодоношение 6,68±0,22 7,56±0,46

вегетация 6,56±0,31

2009 Контрольный участок № 2 (плакор) цветение плодоношение 7,83±0,28

Зона подтопления паводковыми водами (западины) вегетация цветение плодоношение 075 <N с* ©° ©° ©° -н-н-н *4 ^

ке [8, 10]. Исследования показали, что фаза развития растений и экологические факторы оказывают существенное влияние на содержание дубильных веществ в растениях (табл.). В листьях Fragaria viridis Duch., подвергавшихся в период подтопления в пойме р. Урала гипоксии с последующей реоксигенацией тканей при возвращении к нормальным условиям аэрации, содержание дубильных веществ превышает контрольные показатели на 19%. Указанное полностью согласуется с данными о высокой антиоксидантной активности полифе-нольных соединений, являющихся донорами водорода при обезвреживании перекисных соединений в реакциях, катализируемых гвая-колпероксидазой.

Таким образом, при воздействии на Fragaria viridis Duch. гипоксии и последующего окислительного стресса происходит метаболическая адаптация растений, направленная на обезвреживание свободных радикалов и защиту структурных компонентов клеток, в первую очередь фосфолипидов мембран.

На уровне содержания вторичных метаболитов в тканях растений метаболические изменения проявляются в повышении синтеза и накоплении дубильных соединений.

Литература

1. Немерешина О.Н., Гусев Н.Ф. О влиянии гипоксии на некоторые компоненты неферментативной антиокислительной защиты Linaria vulgaris Mill. // Вестник ИрГСХА. 2011. № 4 (44). С. 88-95.

2. Немерешина О.Н., Гусев Н.Ф., Карпюк М.С. К вопросу активизации клеточной защиты растений под влиянием выбросов предприятий Газпрома // Проблемы анализа риска. Т. 8 (4). М., 2011. С. 36-46.

3. Шакирова Ф.М. Неспецифическая устойчивость растений к стрессовым факторам и её регуляция. Уфа: Гилем, 2001. 195 с.

4. Чиркова Т.В. Физиологические основы устойчивости растений. СПб: Изд-во СПбГУю, 2002. 240 с.

5. Ласточкин В.В., Емельянов В.В., Чиркова Т.В. Участие пероксидазы в антиоксидантной системе при адаптации растений к аноксии и постаноксической аэрации // Сборник трудов. Вып. 5. Воронеж, 2003. С. 163-169.

6. Махлаюк В.П. Лекарственные растения в народной медицине. М.: Нива России, 1992. 478 с.

7. Блажей А., Шутый Л. Фенольные соединения растительного происхождения. М.: Мир, 1977. 239 с.

8. Запрометов М.Н. Фенольные соединения и методы их исследования. М., 1971. С. 185-207.

9. Муравьёва Д.А., Самылина И.А., Яковлев Г.П. Фармакогнозия: учебник. 4-е изд., перераб., доп. М.: Медицина, 2002. 656 с.

10. Государственная Фармакопея СССР. 11-е изд. Вып. 2. М.: Медицина, 1990. 400 с.

11. Biemelt S., Keetman U., Aibrecht G. Re-aeration following hypoxia or anoxia leads to activation of the antioxidative defense system in roots of wheat seedlings // Plant. Physiol. 1998. V. 116. P. 651-658.

12. Blockhina О.В., Fagerstedt K.V., Chirkova T.V. Anoxic stress leads to hydrogen peroxide formation in plant cells. II J. Exp. Bot. 2001. V. 52. № 359. P. 1179-1190.

13. Rice-Evans C.A., Miller N.J., Paganga G. Antioxidant properties of phenolic compounds. II Trends in Plant Sciences. 1997. V. 2. P. 152-159.

14. Takahama U., Oniki T. A peroxidase I phenolics I ascorbate system can scavenge hydrogen peroxide in plant cell // Physiol. Plant. 1997. V. 101. P. 845-852.

15. Yan В., Dai Q., Liu X., Huang S., Wang Z. Flooding-induced membrane damage, lipid oxidation and activated oxygen generation in corn leaves. II Plant and Soil. 1996. V. 179. P. 261-268.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.