CC BY
17
УДК 634.75:58.01/.07:577.15 ВЛИЯНИЕ ХЛОРМЕКВАТХЛОРИДА
НА ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ FRAGARIA ANANASSA DUCH СТУПИНА А.Ю.,
аспирант, ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт селекции плодовых культур, e-mail: [email protected].
ПРУДНИКОВ П.С.,
кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт селекции плодовых культур, e-mail: [email protected].
Реферат. Способность растений приспосабливаться и противостоять экстремальным условиям окружающей среды и сохранять при этом свой жизненный потенциал - одно из важных условий их существования, зависящее от возможности реализации защитных механизмов, то есть адаптации к действию различных стрессоров.
При формировании устойчивости существенное значение имеет функционирование антиок-сидантной системы защиты, которая предотвращает развитие окислительного стресса и в частности перекисного окисления мембранных липидов (ПОЛ) на фоне действия неблагоприятных факторов среды.
Цель работы заключалась в изучении влияния хлормекватхлорида на физиолого-биохимические процессы формирования устойчивости Fragaria ananassa Duch в осенний период.
В результате проведенных исследований отмечено, что под воздействием отрицательной температуры в осенний период в растениях земляники, обработанных хлормекватхлоридом, происходит снижение интенсивности процессов липопериксидации и окисления мембранных липидов, что, в свою очередь, связано с увеличением активности антиоксидантной системы (на примере активности ферментов супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы). При этом в листьях опытных растений земляники осенью наблюдали повышение связанной воды на фоне повышения содержания осмолита, в частности свободный пролин.
Ключевые слова: земляника садовая, малоновый диальдегид, перекись водорода, суперок-сиддисмутаза, каталаза, пролин, фракционный состав воды.
THE INFLUENCE OF HLORMEKVATHLORID ON THE PHYSIOLOGICAL AND BIOCHEMICAL PROCESSES OF FRAGARIA ANANASSA DUCH
STUPINA A. Iu.,
graduate student, Russian Research Institute of Fruit Crop Breeding, e-mail: [email protected]. PRUDNIKOV P.S.,
сandidate of Biological Sciences, senior researcher, Russian Research Institute of Fruit Crop Breeding, e-mail: [email protected].
Essay. The ability of plants to adapt and to resist of extreme environmental conditions and safe their life potential, it is one of the important conditions of their existence, which depends on the possibility of realization protective mechanisms, that means, adaptation to the action of different stressors.
The antioxidant protection system has significant value in the formation of stability, which can prevent the development of oxidative stress and, in particular, peroxidation of membrane lipids (POL) on the background of action environmental factors.
The goal of the work was to study the effect of hlormekvathlorid on the physiological and biochemical processes of forming resistance Fragaria ananassa Duch in the autumn period.
In the result of the researches was noted, that under the influence of negative temperatures, was a decrease intensity of lipoperoxidation and oxidation processes in membrane lipids of the strawberry plants treated with hlormekvathlorid in autumn, which is associated with increased activity of the anti-
oxidant system (for example, the activity of enzymes superoxide dismutase (SOD) and catalase). At the same time, in autumn, an increase of bound water was noted in the leaves of experimental strawberry plants, on the background of an increase in the content of osmolite, in particular, a free proline.
Keywords: strawberry, malondialdehyde, hydrogen peroxide, superoxide dismutase, catalase, proline, fractional composition of water.
Введение. Под воздействием факторов стресса в растениях происходят значительные изменения физиолого-биохимических процессов, таких как интенсификация окислительных реакций, изменение активности антиок-сидантной системы, накопление осмолитиче-ски активных соединений. Развитие окислительного стресса, а в частности интенсификация перекисного окисления мембран на фоне образования активных форм кислорода, является отличительной чертой ответа растений на стресс, где нарушается целостность клеточных структур [1]. Антиоксидантная система защиты состоит из низко- и высокомолекулярных соединений [2], за счет работы которых осуществляется поддержание структурно-функционального состояния клеток. Таким образом, определение интенсивности процессов липопероксидации и активности компонентов антиоксидантной системы могут служить диагностическими показателями устойчивости растений к факторам стресса [3, 4].
В связи с этим цель работы заключалась в определении влияния хлормекватхлорида на физиолого-биохимические процессы Fragaria ananassa в условиях понижения температуры воздуха в осенний период.
Материал и методика исследования. Исследования проводили на базе лаборатории физиологии устойчивости плодовых растений ФГБНУ ВНИИСПК.
Объектами исследований служили сорта Урожайная ЦГЛ и Царица. Сорт Урожайная ЦГЛ выведен во ВНИИ генетики и селекции плодовых растений им. И. В. Мичурина. Сорт Царица выведен специалистами ФГБНУ «Всероссийский Селекционно-технологический институт садоводства и питомниководства» в Москве.
В полевых условиях в осенний период проводили некорневую обработку растений земляники садовой раствором хлормекватхло-рида (Атлет) в концентрации, заявленной производителем (1,5млх1л). Количество обработок - 3, каждая из которых повторялась через 7 дней. Отбор проб листьев растений для анализа проводился в два срока при условиях
достижения температуры воздуха +5°С и -5°С. В качестве контроля использовались растения, обработанные водой, при соответствующих температурах.
Оценку интенсивности перекисного окисления липидов (ПОЛ) проводили на основе определения содержания его конечного продукта - малонового диальдегида [5], содержание активных форм кислорода на примере пе-роксида водорода - по методу, основанному на образовании окрашенного комплекса пе-роксида титана [6]. Для определения активности супероксиддисмутазы (СОД) использовали световую реакцию при взаимодействии ферментной вытяжки с нитросиним тетразо-лием [7]. Для определения содержания свободного пролина применяли качественную реакцию с нингидриновым реактивом [8]. Активность каталазы определяли по количеству выделяющегося кислорода [9]. Изучение фракционного состава воды в листьях проводили на основе метода Окунцова-Маринчик [10]. Достоверность результатов оценивали в программе МБ Ехе1 по Доспехову [11].
Результаты исследования. Проведенные исследования показали, что при снижении температуры окружающей среды интенсивность накопления МДА в контролях обоих сортов оказалась выше по сравнению с обработанными хлормекватхлоридом растениями. Содержание МДА в листьях растений земляники садовой в контроле у сорта Царица увеличилось на 44,9 %, а с обработкой на 29,68%. У контроля сорта земляники Урожайная ЦГЛ интенсивность липопероксидации при понижении температуры увеличилась на 45,7%, а в варианте с обработкой на 37,3% (рисунок 1).
Высокое содержание МДА в контрольных вариантах под влиянием понижения температуры свидетельствует о более интенсивном развитии липопероксидации, а, следовательно, и о значительном нарушении структурно-функциональной целостности клеточных мембран по сравнению с опытными вариантами, где обработка хлормекватхлоридом препятствовала развитию ПОЛ.
12 10
£ £ 6
га 5 * *
Я" 5 4
I контроль(+5) | контроль(-5) атлет(+5) атлет (-5)
Царица
Урожайная ЦГ/1
Рисунок 1 - Влияние хлормекватхлорида на содержание малонового диальдегида в листьях растений земляники садовой
Царица Урожайная ЦГЛ
Рисунок 2 - Влияние хлормекватхлорида на содержание перекиси водорода в листьях растений земляники садовой
Интенсификация перекисного окисления ли-пидов под влиянием снижения температуры воздуха, по-видимому, связана с увеличением уровня образования активных форм кислорода. Так при анализе содержания активных форм кислорода о количестве которых судили на примере пероксида водорода, который участвует в процессе окисления мембранных липидов. Показано, что по мере снижения температуры в контрольных растениях сорта Царица количество пероксида водорода в тканях листа значительно увеличилось на 68,96%. Напротив, в опытных растениях уровень перекиси водорода повысился, но в меньшей степени на 31,71%. Аналогичная картина отмечалась и на сорте Урожайная ЦГЛ. Так в контрольных растениях сорта Урожайная ЦГЛ рост Н2О2 на фоне действия отрицательной температуры по сравнению с положительной составил 14,8%, а в обработанных достоверных отличиях по содержанию пероксида водорода обнаружено не было (рисунок 2).
Следовательно, высокая интенсификация процессов липопероксидации клеточных мембран в контрольных растениях на фоне снижения температуры воздуха связана с повышенным образованием активных форм кислорода, которые и вызывают развитие окислительного стресса. Вместе с тем, у растений, обработанных хлорме-
кватхлоридом, интенсивность развития свободно-радикальных процессов окислительного стресса был значительно ниже контроля. Это может быть связано как с низким образованием АФК, так и с увеличением активности антиокси-дантной системы.
Действительно при определении активности супероксиддисмутазы показано, что данный фермент под действием снижения температуры интенсифицировал свою работу, однако в разной степени по изучаемым вариантам. Так у контрольных растений сорта Царица и Урожайная ЦГЛ активность СОД возросла на 9,6% и 5,79%, а у опытных растений на 14,66% и 17,56%, соответственно (рисунок 3).
Известно, что СОД нейтрализует самый агрессивный вид АФК - супероксидрадикал кислорода с образованием перекиси водорода. Однако в опытных вариантах уровень пероксида водорода был ниже, чем в соответствующих контролях, что связано с повышенной активностью под действием обработок другого антиоксиданта - ката-лазы, нейтрализующей Н2О2. Так интенсивность утилизации пероксида водорода на фоне снижения температуры воздуха у контрольных вариантов возросла на 13,42% и 13,72%, тогда как у опытных на 40,49% и 25,83%, соответственно (рисунок 4).
180 160
140
120
100
80
60
40
20
180
ШШ
|контроль(+5) ] контроль (-5) атлет (+5) атлет (-5)
Царица
Урожайная цг/1
Рисунок 3 - Влияние хлормекватхлорида на активность СОД в листьях растений земляники садовой
Рисунок 4 - Влияние хлормекватхлорида на активность каталазы в листьях растений земляники садовой
Кроме того было важно исследовать характер влияния обработки растений земляники хлормекватхлоридом на содержание низкомолекулярного антиоксиданта пролина. Данная аминокислота не только обладает способностью «тушить» избыточное количество АФК на фоне работы высокомолекулярных антиок-сидантов, но и является совместимым осмоли-том, веществом, которое повышает концентрацию клеточного сока, тем самым предотвращая образование внутриклеточного льда.
Высокий уровень окислительного стресса, вызванный отрицательной температурой, способствовал увеличению в тканях листьев содержания свободного пролина. Наибольшее увеличение содержания пролина отмечено в вариантах с хлормекватхлоридом. Количество аминокислоты у Царицы и Урожайной ЦГЛ возросло на 85,6% и 21,77%, соответственно,
тогда как в контролях на 39,5% и 6,6% (рисунок 5).
Также известно, что состояние водного режима в осенний период является одним из важных факторов, определяющих успешную перезимовку растений. При этом для растений к началу зимнего периода характерно увеличение содержания связанной и уменьшение в растительных тканях свободной воды. Как правило, снижение свободной воды связано с изменением конформации гидрофильных веществ, обеспечивающих увеличение связанной воды, что, в свою очередь, в дальнейшем влияет на морозостойкость растений. В наших исследованиях показано, что в листьях растений земляники, обработанных хлормекват-хлоридом, содержание свободной воды в среднем по вариантам составило 15,4%, тогда как у контроля 21,2%. Содержание связанной воды 22,1% против 16,3% в контроле.
t" i I ■■ 1
Ь т\ III
И|1 ЛИ!
Рисунок 5 - Влияние хлормекватхлорида на содержание свободного пролина в листьях растений земляники садовой
Выводы. В ходе проведенного исследования показано, что влияние хлормекватхлорида на интенсивность окислительного стресса растений земляники садовой в осенний период в естественных условиях роста заключается в снижении интенсивности развития липопе-роксидации, а следовательно и в сохранении структурно-функциональной целостности клеточных мембран. Протекторное действие хлормекватхлорида может быть опосредовано
за счет увеличения активности антиоксидант-ной системы защиты растений. Так же обработка земляники садовой способствовала снижению свободной воды, что связано с изменением конформации гидрофильных веществ на примере свободного пролина, обеспечивающих увеличение связанной воды, что в свою очередь в дальнейшем влияет на морозостойкость растений.
Список использованных источников
1. Перекисное окисление и стресс / В.А. Барабой, И.И. Брехман, В.Г. Голотин, Ю.Б. Кудря-шов. - СПб.: Наука, 1992. - 148 с.
2. Оценка оксидадивного статуса растений, произрастающих в различных условиях / М.Г. Холявка, С.С. Карпова, В.Н. Калаев и др. // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 8 (часть 4). - С. 891-897.
3. Прудников П.С., Гуляева А.А. Особенности действия гипертермии на гормональную систему и антиоксидантный статус Prunus Armeniaca L . // В кн.: Селекция и сорторазведение садовых культур: материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 170-летию ВНИИСПК. - 2015. - С. 151-154.
4. Колупаев Ю.Е., Вайнер А.А., Ястреб Т.О. Пролин: физиологические функции и регуляция содержания в растениях в стрессовых условиях // Вюник Харювского нащонального аграрного ушверситету. Серiя бюлопя. - 2014. - В.2 (32). - С. 6-22.
5. Андреева В.А. Фермент пероксидаза. - М.: Наука, 1988. - 128 с.
6. 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.
7. 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. - Vol. 102.
8. Giannopolities C.N., Ries S.K. Superoxid dismutase. I. Occurrence in higher. Plant Physiol., 1977, 59: 309-314.
9. Bates L.S., Waldren R.P. and Teare I.D. Rapid determination of free proline for water-stress studies. Plant and Soil. - 1973. - Vol. 39. - 205-207.
10. Третьяков Н.Н Практикум по физиологии растений / Под. ред. Н.Н. Третьякова // Агро-промиздат. - М., 1999. - 271 с.
11. Определение морозостойкости земляники садовой в контролируемых условиях / З.Е. Ожерельева, П.С. Прудников, М.И. Зубкова и др.: методические рекомендации. - Орел: ВНИИСПК, 2019. - 25 с.
12. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат. 1985. - 351 с.
13. Мусаев Ф.А., Захарова О.А., Кобелева А.В. Эффективность применения регулятора роста при выращивании земляники садовой в открытом грунте // Вестник ВГАУ. - 2017. - №1. -С. 27-33.
14. Загоскина Н.В., Назаренко Л.В. Активные формы кислорода и антиоксидантная система растений // Вестник московского городского педагогического университета. - 2016. - С. 9-24.
List of sources used
1. Peroxidation and stress / V.A. Baraboy, I.I. Brekhman, V.G. Golotin, Yu.B. Kudryashov. - St. Petersburg: Nauka, 1992. - 148 p.
2. Evaluation of the oxidative status of plants growing in different conditions / M.G. Kholyavka, S.S. Karpova, V.N. Kalayev et al. // Fundamental research. - 2014. - No. 8 (part 4). - S. 891-897.
3. Prudnikov P.S., Gulyaeva A.A. Features of the action of hyperthermia on the hormonal system and antioxidant status of Prunus Armeniaca L. // In the book: Selection and cultivation of garden crops: materials of the International scientific-practical conference dedicated to the 170th anniversary of VNIISPK. - 2015. - S. 151-154.
4. Kolupaev Yu.E., Weiner A.A., Yastreb T.O. Proline: physiological functions and regulation of content in plants under stress conditions // Bulletin of Kharkiv National Agrarian University. Biology series. - 2014. - B.2 (32). - S. 6-22.
5. Andreeva V.A. Peroxidase enzyme. - M.: Science, 1988. - 128 p.
6. Steel ID, Garishvili T.G. Method for the determination of malonic dialdehyde using thiobarbituric acid // Modern methods in biochemistry / Ed. V.N. Orekhovich. - M .: Medicine. - 1977. - S. 66-68.
7. 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. - Vol. 102.
8. Giannopolities C.N., Ries S.K. Superoxid dismutase. I. Occurrence in higher. Plant Physiol. 1977, 59: 309-314.
9. Bates L.S., Waldren R.P. and Teare I.D. Rapid determination of free proline for water-stress studies. Plant and Soil. - 1973. - Vol. 39. - 205-207.
10. Tretyakov NN Workshop on plant physiology / Under. ed. N.N. Tretyakov // Agro-promizdat. -M., 1999. - 271 p.
11. Determination of frost resistance of garden strawberries in controlled conditions / Z.E. Ozherelyeva, P.S. Prudnikov, M.I. Zubkova and others: guidelines. - Oryol: VNI-ISPK, 2019. - 25 p.
12. Dospekhov B.A. Methodology of field experience. - 5th ed., Rev. and add. - M.: Agropromizdat. 1985.- 351 s.
13. Musaev F.A., Zakharova O.A., Kobeleva A.V. The effectiveness of using the growth regulator when growing garden strawberries in the open field // Vestnik VGAU. - 2017. - No. 1. - S. 27-33.
14. Zagoskina N.V., Nazarenko L.V. Reactive oxygen species and the antioxidant system of plants // Bulletin of the Moscow City Pedagogical University. - 2016. - P. 9-24.
