CC BY
196
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2013, том 56, №9_
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
УДК 581.132:631.52
З.Б.Давлятназарова, З.С.Киёмова, Н.Х.Норкулов, С.Х.Ашуров, член-корреспондент АН Республики Таджикистан К.А.Алиев
ВЛИЯНИЕ ЗАСОЛЕНИЯ И ЗАСУХИ НА ПРО- И АНТИОКСИДАНТЫ ХЛОРОПЛАСТОВ РАСТЕНИЙ КАРТОФЕЛЯ
Институт ботаники, физиологии и генетики растений АН Республики Таджикистан
Исследована реакция прооксидантно-антиоксидантной системы растений картофеля, различающихся по содержанию СОД и продуктов ПОЛ, на кратковременное воздействие солевого стресса и засухи. Показано, что стрессорные факторы нарушают равновесие прооксиданты-антиоксиданты в сторону антиоксидантов у устойчивого к стрессу генотипа, а у чувствительного генотипа смещение равновесия происходит в сторону прооксидантов.
Ключевые слова: засоление - засуха - прооксиданты - антиоксиданты - АФК- СОД - ПОЛ - генотипы картофеля.
Засоление является одним из наиболее распространённых неблагоприятных факторов окружающей среды. Согласно современным оценкам, одна пятнадцатая часть земной поверхности занята засолёнными почвами. Как известно, повышенные концентрации NaCl вызывают осмотический шок, что в свою очередь приводит к нарушению водного баланса, снижению тургорного давления, закрытию устьиц, угнетению фотосинтеза, разрушению мембран и гибели организма в целом [1].
Под воздействием стрессовых факторов происходит усиленное образование активных форм кислорода (АФК), таких как синглетный кислород (О2~) и пероксид водорода (Н2О2), активирующих антиоксидантные ферменты, в частности супероксидисмутазу (СОД). С другой стороны происходит усиление процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) [1,2].
В нормальных условиях в растениях наблюдается определённый баланс между содержанием прооксидантов и антиаксидантов или, так называемое, равновесие прооксидантно-антиоксидантной (ПОЛ-АО) системы клетки. Под действием стрессовых факторов окружающей среды происходит нарушение равновесия прооксиданты—-антиоксиданты, которое зависит от генотипов растений [3,4].
Очевидно, равновесие системы прооксиданты—-антиоксиданты в клетках растений зависит от степени устойчивости, которая запрограммирована в геноме. В связи с этим, анализ системы прооксиданты—-антиоксиданты у разночувствительных к стрессу генотипов растений является важным шагом в изучении механизма устойчивости растений к стрессорным воздействиям. Определенную роль в равновесии этой системы играют хлоропласты, постоянно реагирующие на воздействие внешних факторов.
Целью данной работы было выявление изменений состояния ПОЛ-АО системы в хлоропла-стах листьев картофеля как возможного ответа растения на действие засоления и засухи.
Адрес для корреспонденции: Давлятназарова Зульфия Буриевна, Киёмова Зарафо Суфижоновна. 734017, Республика Таджикистан, Душанбе, ул. Карамова, 27, Институт ботаники, физиологии и генетики растений АН РТ. E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]
Материал и методы исследования
В работе были использованы пробирочные растения картофеля сорта Файзабад (выведен в Институте ботаники, физиологии и генетики растений АН РТ), устойчивого к солевому стрессу и засухе, и сорта Жуковский ранний - чувствительного к этим стрессам.
Пробирочные растения выращивали в среде Мурасиге-Скуга при температуре 22...230С, освещённости 3000-3500 люкс и фотопериоде 16/8 ч (свет/темнота). Количество пробирочных растений для каждого варианта опытов составляло 10 шт., повторность - трёхкратная.
Растения-регенеранты подвергали солевому стрессу в лабораторных условиях в течение суток, используя 0.5, 1.0 и 2.0% NaCl, а также засухе, которую создавали добавлением в среду культивирования растений-регенерантов полиэтиленгликоля (ПЭГ, 12%). Анализ проводили сразу же после окончания стресса. Контролем служили растения-регенеранты, не подвергавшиеся стрессорным воздействиям.
Хлоропласты и митохондрии выделяли из растений-регенерантов согласно [5]. Малоновый диальдегид (МДА) определяли по [6], СОД- по [7]. За единицу активности СОД принимали содержание фермента, подавляющее восстановление нитросинего тетразолия (НСТ) на 50%.
Статистический анализ полученных данных проводили по Б.А.Доспехову (1985). Достоверность различий определяли по t-критерию Стьюдента при числе степеней свободы n'=(n1+n2)-2=4 и уровне значимости P=0.01.
Результаты и их обсуждение
Кратковременное воздействие различных концентраций NaCl вызывало изменение ПОЛ-АО равновесия в хлоропластах листьев картофеля. Данные табл. 1 показывают, что солевой стресс способствовал повышению активации ПОЛ, которое определяется по образованию МДА в хлоропластах изученных генотипов. Наблюдалась прямая зависимость активации ПОЛ от концентрации хлористого натрия в среде выращивания растений. Коэффициент корреляции r=0.95-0.98. Селективная среда, содержащая полиэтиленгликоль (12% ПЭГ), который вызывает затруднение поступления воды, также способствовала повышению активации ПОЛ в хлоропластах. Так, уровень активации ПОЛ у соле-устойчивого генотипа (сорт Файзабад) примерно в 1.5-2 раза ниже, чем у чувствительного к соли генотипа (сорт Жуковский ранний). Такие же результаты получены в присутствии ПЭГ в среде выращивания, то есть в условиях засухи, но активация ПОЛ при засухе была несколько слабее, чем при солевом стрессе.
Эти результаты свидетельствуют о том, что уровень активации ПОЛ связан с устойчивостью генотипа к солевому стрессу. Активация ПОЛ в хлоропластах при стрессе связана, прежде всего, с нарушением функционирования фотосистемы I при фотосинтезе, поскольку именно в этой фотосистеме наиболее интенсивно образуется активный кислород [8]. По-видимому, нарушения, происходящие в хлоропластах в результате накопления продуктов ПОЛ, являются одним из пусковых механизмов обеспечения растений защитой до определенного уровня.
Данные, представленные в табл. 2, показывают, что повышение активности СОД в условиях стресса (солевой стресс, засуха) также является генетически детерминированным признаком. Так, активность СОД у солеустойчивого генотипа повышается при солевом стрессе в два раза (213% от
контроля), а при засухе - в 1.5 раза. Активность СОД у чувствительного к соли генотипа (сорт Жуковский ранний) несколько ниже, примерно в 1.1 - 1.6 раза (110-160%), а при засухе только в 1.2 раза (120% от контроля).
Таблица 1
Содержание МДА в хлоропластах разночувствительных генотипов растений картофеля (через сутки
после воздействия солевого стресса)
Варианты МДА, мкмоль/г сырой массы Процент активации, %
Солеустойчивый генотип (сорт Файзабад)
Контроль 26.4±2.1 100
+0.5% NaCl 22.7±2.7 86
+1.0% NaCl 30.8±1.8 116
+2.0% NaCl 36.2±2.3 127
+12% ПЭГ 32.6±1.8 123
Солечувствительный генотип (сорт Жуковский ранний)
Контроль 32.3±2.2 100
+0.5% NaCl 31.6±2.6 98
+1.0% NaCl 46.5±3.6 143
+2.0% NaCl 59.4±4.4 184
+12% ПЭГ 45.1±2.8 140
Наши исследования показали, что активность СОД, участвующей в «гашении» О2 (активного кислорода), также препятствует активации ПОЛ у солечувствительного генотипа в меньшей степени, чем у солеустойчивого в условиях стресса.
Возможно, солеустойчивый генотип имеет в клетках достаточное количество предсинтезиро-ванной формы СОД или происходит усиленный синтез этого фермента de novo за счёт имеющихся в цитоплазме транскриптов, совокупности транскриптов, контролирующих все изоформы СОД [1].
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что стрессорные воздействия оказывают существенное влияние на равновесие ПОЛ и СОД в хлоропластах, вызывая активацию ПОЛ и СОД, и этот процесс является генетически закрепленным признаком. У солеустойчивого генотипа равновесие прооксиданты—-антиоксиданты в хлоропластах картофеля смещается в сторону ан-тиоксидантов, а у солечувствительного генотипа - в сторону прооксидантов.
Полученные данные (табл. 2) показывают, что активность СОД, утилизирующей АФК (О2) и ингибирующей образование ПОЛ, в условиях стрессорных воздействий (засоление, засуха) выше у солеустойчивого генотипа картофеля (сорт Файзабад) по сравнению с солечувствительным генотипом (сорт Жуковский ранний).
Значительное увеличение образования ПОЛ происходит у солеустойчивого генотипа картофеля только при высокой концентрации хлористого натрия (2.0%). При низкой дозе хлористого натрия в среде выращивания (0.5%) равновесие прооксиданты—-антиоксиданты смещается в сторону антиоксидантов (даже наблюдается ингибирование ПОЛ по мере усиления активности СОД). Однако у генотипов, обладающих толерантностью к соли (сорт Файзабад), смещение равновесия гораздо сильнее, чем у солечувствительного генотипа (сорт Жуковский ранний).
При низких концентрациях хлористого натрия ингибирование МДА у толерантных растений составляет 14% от уровня контроля, а у солечувствительного сорта этот показатель остается практически на уровне контрольных растений.
Таблица 2
Активность СОД у разночувствительных генотипов растений картофеля (через сутки после воздействия солевого стресса)
Варианты Мкмоль/г сырой массы, ч Процент активации, %
Солеустойчивый генотип (сорт Файзабад)
Контроль 3.8±0.3 100
+0.5% NaCl 6.2±0.2 169.2
+1.0% NaCl 7.9±0.6 138
+2.0% NaCl 12.1±0.9 208
+12% ПЭГ 8.6±0.6 148
Солечувствительный генотип (сорт Жуковский ранний)
Контроль 3.6±0.3 100
+0.5% NaCl 4.1±0.2 113
+1.0% NaCl 4.3±0.5 114
+2.0% NaCl 5.8±0.8 161
+12% ПЭГ 4.4±0.5 122
Активность СОД по мере увеличения концентрации хлористого натрия во всех вариантах опыта постепенно повышается у обоих сортов картофеля, при этом активность ферментов у соле-устойчивого сорта гораздо выше, чем у солечувствительного.
Таким образом, на основании полученных данных можно говорить о существовании на молекулярном уровне феномена, связанного с разноуровневой регуляторной системой у растений. Вероятно, в условиях стрессорного воздействия наблюдается посттранскрипционный генетический сай-ленсинг, то есть остановка трансляции путём разрушения мРНК, провоцирующей резкое снижение экспрессии генов, что в свою очередь, связано со степенью устойчивости генотипа к стрессорным факторам.
Наиболее общим выводом настоящей работы является то, что исследования различных генотипов растений - чувствительных и устойчивых к различным стрессам в системе in vitro, открывает широкие возможности для поиска методов реконструирования метаболических путей и получения модифицированных растений, не прибегая к генноинженерным методам.
Поступило 06.05.2013 г._
ЛИТЕРАТУРА
1. Кузнецов Вл.В., Дмитриева Г.А. Физиология растений. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2006, 742 с.
2. Бараненко В.В. - Цитология, 2006, т. 48, №6, с. 465-474.
3. Романова Е. В. - АгроХХ1, 2008, № 7-9, с. 27-30.
4. Зауралова О.А., Лукаткин Ф.С. - Физиология растений, 1997, т. 44, № 5, с.736-741.
5. Алиев К. Молекулярные механизмы биогенеза хлоропластов: Автореф. дис...докт.биол.наук. -Минск, Ин-т экспериментальной биологии АН БССР, 1985, 47 с.
6. Hodges D. M., Delong J.M, Forney C.F., Prange R.K. - Planta, 1999, v. 207, рр. 604-611.
7. Giannopulitis C.N., Ries S.K. - Plant Physiol., 1977, v. 59, pp. 309-314.
8. Бухов Н.Г. - Физиология растений, 2004, т. 51, № 6, с.825-837.
З.Б.Давлятназарова, З.С.Киёмова, Н.Х.Нор^улов, С.Х.Ашуров, К.А.Алиев ТАЪСИРИ ХУШКЙ ВА ШУРЙ БА СИСТЕМАИ АНТИОКСИДАНТИИ ХЛОРОПЛАСТ^ОИ РАСТАНЙ-РЕГЕНЕРАНТ^ОИ КАРТОШКА
Институти ботаника, физиология ва генетикаи растании Академияи илмх;ои Цум^урии Тоцикистон Нишон дода шудааст, ки таъсири омилх,ои номусоид (шурй ва хушкй) -вайронкунандах,ои мувозинати оксидшавии липидх,о ва фаъолияти ферменти супероксиддисму-таза дар хлоропласти растании картошка ба гуногунии генотипи картошка вобаста аст. Мувозинати прооксидант-антиоксидант дар генотипи а шароитх,ои номусоид ба устувор тарафи ок-сидант майл мекунад, вале дар генотипх,ои ба шароит^ои номусоид ноустувор бошад ба тарафи прооксидант бештар майл дорад.
Калима^ои калиди: хушкй - шурй - оксидант - СОД - регенеранти картошка.
Z.B.Davlyatnazarova, Z.S.Kiemova, N.Kh.Norkulov, S.Kh.Ashurov, K.A.Aliev INFLUENCE OF DROUGHT AND SALINITY ON THE ANTIOXIDANT SYSTEM OF CHLOROPLAST OF POTATO REGENERANTS
Institute of Botany, Physiology and Genetics of Plants, Аcademy of Sciences of the Republic of Tajikistan This article shows that stress factors (salinity, drought) in varying degrees are depending from plant's genotypes. The stress factors disturb the equilibrium of lipid peroxidation (POL) and the activity of the enzyme Superoxidedismutase in the potato's chloroplasts. Also was shown, that prooxidants-antioxidants balance in the salt-tolerant genotype shifts to antioxidants, but in the sensitive genotype toward to prooxidants.
Key words: drought - salinity - prooxidants-antioxidants - SOD - POL - potatoes regenerants.
