CC BY
32
Павловская Н.Е., Гаврилова А.Ю., Нагур М.Ю. Выявления довизуальных симптомов нарушений у растений // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2016. - Спецвыпуск №2. - URL http://e-journal.omgau.ru/index.php/spetsvypusk-2/31-spets02/434-00183. - ISSN 2413-4066
УДК 632.938.2
Павловская Нинэль Ефимовна
Доктор биологических наук, профессор
ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина г.Орел
[email protected] Гаврилова Анна Юрьевна
Кандидат биологических наук, старший преподаватель
ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина г. Орел
Нагур Мария Юрьевна
Аспирант
ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина г. Орел
Выявления довизуальных симптомов нарушений у растений
Аннотация. Апоптоз вовлечен в защитные реакции животных и растений на инфекционные возбудители. Реализация программируемой гибели клеток при различных патологических состояниях происходит путем удаления клеток, тем самым способствуя сохранению нормального функционирования биологической системы. Полученные результаты исследований форм гибели клеток у растений позволили предложить тест систему выявления невидимых симптомов генетических нарушений и нарушений вызванных факторами окружающей среды у растений, которая основана на анализе таких показателей как активность высокомолекулярных компонентов антиоксидантной системы (СОД, каталаза, пероксидаза,), содержания низкомолекулярных (витаминов С, Е,) и оценки специфических структурных изменениях цитоплазмы и значительной межнуклеосомной фрагментации ядерной ДНК.
Ключевые слова: апоптоз, антиоксидантная система, тест система.
Апоптоз играет важную роль в реализации программы развития в онтогенезе и поддержании тканевого гомеостаза организма. Являясь важной составляющей иммунитета, апоптоз вовлечен в защитные реакции животных и растений на инфекционные возбудители. Реализация программируемой гибели клеток при различных патологических состояниях происходит путем удаления клеток, тем самым способствуя сохранению нормального функционирования биологической системы.
Полученные результаты исследований форм гибели клеток у растений расширяют представление о роли биоэнергетических систем клетки и активных форм кислорода в
программируемой гибели клеток. На основании полученных данных можно прогнозировать довизуальные симптомы генетических нарушенийи нарушений вызванных факторами окружающей среды, происходящих в живых объектах под влиянием экстремальных факторов, осуществлять мониторинг окружающей среды.
В Развитие этиолированных проростков пшеницы сопровождается обязательным апоптозом в стареющем колеоптиле и апикальной части первого листа. Это выражается в специфических структурных изменениях цитоплазмы и значительной межнуклеосомной фрагментации ядерной ДНК [1]. Именно по этой причине в качестве контроля были выбраны колеоптили пшеницы.
Рисунок 1 - Электрофореграмма ДНК, выделенной из клеточного экстракта этиолированного колеоптиля пшеницы;
При исследовании тканей колеоптилей пшеницы в течение десяти дней проращивания на электрофореграммах, полученных в агарозном геле, наблюдается «лестницеобразная» деградация ДНК, начиная с седьмых суток проращивания с дальнейшим ее увеличением к десятым суткам проращивания (рис. 1). Это указывает на начало необратимой стадии апоптоза, за которой следует дальнейшая быстрая, уже относительно неспецифическая и глубокая деградация ДНК нуклеазами.
На седьмые сутки начинается фрагментация ДНК проростков гороха под влиянием вытяжки из колеоптиля пшеницы, усиливающаяся на десятые сутки. Просматривается характерная для запрограммированной гибели клеток так называемая «лесенка», в отличие от контрольного образца, где не наблюдается подобной фрагментации (рис. 2).
Рисунок 2 - Электрофореграмма ДНК, выделенной из проростков гороха (2, 4, 5, 7,8, 10 сутки):А- обработанной вытяжкой из колеоптиля пшеницы; Б -
контроль без обработки
При обработке семян пшеницы вытяжкой из колеоптиля пшеницы фрагментация наблюдается уже на пятые сутки и усиливается на седьмые, восьмые и десятые сутки. Характерная «лесенка» проявляется более выражено.
Исследования, проведенные на проростках ячменя, показали, что обработка семян данной культуры вытяжкой молодых листьев монстеры также ведет к проявлению запрограммированной клеточной гибели, начинающейся на седьмые сутки. Усиление фрагментации ДНК происходит на восьмые и десятые сутки.
Для более полной картины состояния молодых растений проводились исследования влияние индукторов апоптоза на антиоксидантную систему сельскохозяйственных культур
Жизнеспособность организмов поддерживается за счет высокой активности антиоксидантной системы, в составе которой низко- и высокомолекулярные антиоксиданты. Роль антиоксидантов сводится к тому, что в низких концентрациях они способны инициировать свободнорадикальные процессы, проявляя при этом прооксидантные свойства, тогда как при избытке они подавляют образование свободных радикалов в живых организмах, проявляя антиоксидантные свойства [2].
Под влиянием вытяжек из колеоптилей пшеницы установлено, что активность каталазы возрастает в начале опыта и к концу имеет тенденцию к снижению. Так, активность фермента каталазы под влиянием вытяжки из молодого листа монстеры повышается с 40 у.е. до 47 у.е. к пятым суткам. Далее идет плавное снижение активности до 32 у.е. к десятому дню. Под влиянием вытяжек из колеоптилей злаковых сохраняется такая же тенденция.
Динамика изменения активности каталазы показывает состояние метаболизма. При высоких показателях судят о нарушении обменных процессов, выражающихся в накоплении агрессивных для растений активных форм кислорода.
Снижение активности каталазы в вариантах с индуцированием апоптоза приводит к накоплению пероксидов, необходимых пероксидазе для дезактивации низкомолекулярных антиоксидантов, способных реактивировать оксидоредуктазы.
При нормальном развитии у проростков происходит равномерное снижение активности фермента с 32 у.е. до 22 у.е. в течение десяти дней эксперимента.
Пероксидаза контролирует уровень перекиси водорода и низкомолекулярных антиоксидантов в клетках растений. Стабильный рост активности пероксидазы является показателем увеличения мощности высокомолекулярного сегмента антиоксидантной системы пшеницы.
Iколеоптили
У контроль
сутки проращивания
9000
8000
7000
В 6000
в 5000 9
3 4000 & 3000
ш
2000 1000
'Щ
№
й колеоптили пшеницы
сутки проращивания
а б
Рисунок 3 - Динамика изменения активности пероксидазы под действием вытяжек индукторов апоптоза в проростках: а - пшеницы; б - гороха (п=3; Р <0,05).
В проростках пшеницы отмечено значительное повышение активности пероксидазы к пятым суткам с дальнейшим резким падением, начиная с седьмых суток проращивания (рис.3). Появление пика пероксидазной активности можно объяснить усилением перекисного разрушения низкомолекулярных компонентов антиоксидантной системы при апоптозе, которые являются субстратами пероксидазы.
При изучении активности пероксидазы в контрольном варианте выявлена совершенно противоположная тенденция. Уровень содержания пероксидазы повышается с начала эксперимента к десятым суткам проращивания у пшеницы с 360 Е/г сырой массы до 610 Е/г сырой массы., в проростках гороха - с 160 Е/г сырой массы до 490 Е/г сырой массы (рис. 3).
а б
Рисунок 4 - Динамика изменения активности супероксиддисмутазы под действием вытяжек индукторов апоптоза в проростках: а - пшеницы; б - гороха (п=3; Р <0,05).
Супероксиддисмутаза является важнейшим элементом антиоксидантной защиты организма.
Динамика изменения активности супероксиддисмутазы проростков под влиянием индукторов апоптоза, выделенных из колеоптилей пшеницы повышается на четвертые -пятые сутки (рис. 4).
При обработке вытяжкой из колеоптиля пшеницы у проростков гороха пик приходится на четвертые сутки (1600 Е/г сырой массы) с последующим снижением активности до 480 Е/г сырой массы. (рис. 4).
Динамика изменения активности супероксиддисмутазы в контрольных проростках пшеницы имеет тенденцию повышения в течение всего срока эксперимента с 2200 Е/г сырой массы до 7050 Е/г сырой массы, у гороха с 2950 Е/г сырой массы до 8500 Е/г сырой массы.
Полученные данные дают основание предположить, что в клетках пшеницы, подвергнутых индуцированию, накопление перекисей на начальных стадиях апоптоза тормозится повышающейся активностью пероксидаз, после пятых суток пероксидазная активность снижается в связи с усилением патологических процессов, накопления пероксидов в прогрессирующих условиях клеточной гибели и аутодеструкции клетки.
В процессе развития в растениях происходит постепенное накопление аскорбиновой кислоты, необходимой для растяжения клеточных стенок и деления клеток [3].
В контрольных проростках пшеницы уровень содержания аскорбиновой кислоты повышается с 2 мг/100г до 12 мг/100г, у гороха наблюдается равномерное накопление витамина С на протяжении десяти суток эксперимента с 30 мг/100г до 68 мг/100г.
Обеднение аскорбиновой кислотой связано в основном с превращением аскорбат-иона в дегидроаскорбат под действием активных форм кислорода, ключевую роль среди которых в данном случае играют пероксиды.
Количество аскорбиновой кислоты уменьшается, возможно, за счет того, что возрастает ее расход на окисление липидов.
Рисунок 5 - Динамика содержания токоферола под влиянием вытяжек индукторов апоптоза в проростках: а - пшеницы; б - гороха;(п=3; Р <0,05).
На рисунке 5 видна четкая тенденция линейного снижения содержания токоферола в проростках пшеницы, подвергнутых обработке предполагаемыми индукторами апоптоза в течение десяти суток эксперимента: с 12 мг/100г до 4,2 мг/100г. В проростках гороха концентрация токоферола снижается с 0,9 мг/100г на вторые сутки до 0,2 мг/100г на десятые сутки проращивания.
При нормальном развитии содержание токоферола в проростках пшеницы и ячменя постепенно повышается с 12,5 мг/100г до 22,5 мг/100г. В проростках гороха с начала эксперимента составляет 0,81 мг/100г., на пятые сутки концентрация составляет 1,0 мг/100г., к концу эксперимента концентрация токоферола - 1,6 мг/100г.
Обобщение экспериментальных данных позволило предложить тест систему выявления довизуальных симптомов генетических нарушений и нарушений вызванных факторами окружающей среды у растений, которая основана на анализе теких показателей как активность высокомолекулярных компонентов антиоксидантной системы (СОД, каталаза, пероксидаза,), содержания низкомолекулярных (витаминов С, Е,) и оценки специфических структурных изменениях цитоплазмы и значительной межнуклеосомной фрагментации ядерной ДНК.
Ссылки на источники:
1. Vanyushun, B.F. Apoptosis in Plants: Specific Features of Plant Apoptotic Cells and Effect of Various Factors and Agents / B.F.Vanyushun, Ь.Е. Bakeeva, V.A. Zamyatnina, N.I. Aleksandrushkina // Int. Rev. Cytol. - 2004. - V. 233. - P. 135-179.
2. Рогожин, В. В. Пероксидаза как компонент антиоксидантной системы Р 57 живых организмов / В.В. Рогожин. — СПб.: ГИОРД, 2004. — 240 с.
3. Чупахина, Г.Н. Система аскорбиновой кислоты растений: Монография / Г.Н. Чупахина. -Калининград: Калининград. ун-т, 1997. - 120 с.
Ninel Pavlovskaya
d.b.s., Professor head of department
FSBEI HE "Orel State Agrarian University named after NV Parahin, Orel
Anna Gavrilova.
k.b.s., lecturer of the department
FSBEI HE "Orel State Agrarian University named after NV Parahin Orel
Maria Nagur
Postgraduate
FSBEI HE "Orel State Agrarian University named after NV Parahina Orel
Detection Of Invisible Symptoms Of In Plants
Abstract. Apoptosis is involved in plant and animal infectious pathogens defensive reactions. The implementation of programmed cell death in various pathological conditions is done by removal of the cells, thereby contributing to the preservation of the proper functioning of a biological system. The results of studies of forms of cell death in plants made it possible to offer the test system to identify the invisible symptoms of genetic disorders and disorders caused by environmental factors in plants, which is based on an analysis of indicators such as activity of high molecular components of the antioxidant system (SOD, catalase, peroxidase), the content of low molecular (vitamins C, E) and evaluation of specific structural changes in the cytoplasm and significant internucleosomal defragmentation of nuclear DNA.
Keywords: apoptosis, antioxidant system, test the system.
