АГРОХИМИЯ, 2015, № 8, с. 57-63
Регуляторы роста растений
УДК 631.811.98581.12:633.358:632.111.8
ВЛИЯНИЕ ТРИЭТАНОЛАМИНА И ЕГО КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДНЫХ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ДЫХАНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА У ПРОРОСТКОВ ГОРОХА В НОРМЕ И В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СТРЕССА
© 2015 г. А.М. Шигарова1, Р.И. Грабельных1, К.А. Абзаева2,
Г.Б. Боровский1, |М.Г. Воронков
2
1Сибирский институт физиологии и биохимии растений 664033 Иркутск, ул. Лермонтова, 132, Россия 2Иркутский институт химии, 664033 Иркутск, ул. Фаворского, 1, Россия Е-та11: anas_shig@mail.ru
Поступила в редакцию 25.03.2015 г.
Исследовали влияние биостимулятора роста и устойчивости растений триэтаноламина (ТЭА) и его кремнийорганических производных (метил-, хлорметил- и этоксисилатранов (МС, ХМС и ЭС соответственно) в низких и сверхнизких дозах на интенсивность дыхания и содержание активных форм кислорода (АФК) у проростков гороха в условиях высокотемпературного стресса. Показано, что растворы исследованных веществ в использованных концентрациях влияли на содержание АФК и интенсивность дыхания в корнях гороха. Выдвинуто предположение, что растворы ТЭА и силатранов в исследованных концентрациях могут оказывать положительное влияние на рост и развитие растений, связанное с их действием на образование АФК и клеточное дыхание.
Ключевые слова: триэтаноламин, кремнийорганические производные триэтаноламина, дыхание растений, активные формы кислорода, проростки гороха, высокотемпературный стресс.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что в неблагоприятных условиях в растениях активируются специальные защитные механизмы на физиологическом и биохимическом уровнях. На сегодняшний день вопрос об участии биологически активных веществ (БАВ) в стимуляции защитных механизмов растений является актуальным, поскольку до сих пор огромные потери сельскохозяйственной продукции связаны с недостаточной устойчивостью растений к неблагоприятным факторам среды. Соответственно, в настоящее время особую значимость приобретает поиск экологически безопасных стимуляторов роста растений, обладающих адаптогенными свойствами при неблагоприятных условиях окружающей среды в микромолярных, наномоляр-ных и сверхнизких концентрациях. Из числа БАВ интерес для растениеводства могут представлять практически безвредные для животных организмов циклические кремнийорганические эфиры триэтаноламина (ТЭА), которые были получены
в результате замены радикала у атома кремния. К ним относятся силатраны: 1-метил-, 1-метил-4-хлор- и 1-этоксисилатран (МС, ХМС, ЭС соответственно). Положительное влияние этих соединений в низких дозах на рост и развитие растений показано для широкого ряда культур в полевых экспериментах [1-4].
На основе результатов полевых исследований с различными культурами показано, что силатраны интенсифицируют ростовые и репарационные процессы, формирование и созревание тканей, синтез и резервирование пластических веществ при плодообразовании. Одновременно выявлено их влияние на белковый, фосфорный и липидный обмены в клетках растений и установлено, что эти вещества стимулируют адаптивные реакции растений [1, 3, 4].
Изучение влияния МС и ХМС на рост корней проростков однодольных и двудольных растений показало, что их биологическая активность может проявляться и в сверхмалых дозах (10-15-10-12 М) [5].
Ранее авторами было установлено, что растворы ТЭА и силатранов в некоторых концентрациях стимулируют рост корней проростков гороха при гипертермии. Действие этих веществ на рост растений зависело от концентрации используемых растворов, температуры среды и природы заместителя в их молекуле [5, 6]. Также наблюдали увеличение выживаемости проростков гороха при сублетальном температурном стрессе под действием данных веществ в определенных концентрациях [7]. Однако физиологические механизмы, с помощью которых эти вещества способны оказывать действие на растения, остаются слабо изученными. Далее усилия были направлены на исследование возможных механизмов действия ТЭА и силатранов на рост, термоустойчивость и развитие индуцированной термотолерантности растений на клеточном уровне.
Тепловой стресс является удобной моделью для изучения адаптивных возможностей клеток и организмов и его широко применяют в лабораторных исследованиях. Одним из механизмов стресс-адаптации (в том числе и к высокой температуре) на клеточном уровне является изменение интенсивности дыхания и генерации активных форм кислорода (АФК) [8, 9].
Образование АФК в клетке происходит постоянно и является обычным метаболическим процессом. Основными способами защиты клетки от развития окислительного стресса являются инактивация АФК и уменьшение их генерации [10]. Исследованные авторами вещества, вероятно, могут модулировать содержание АФК при гипертермии или контрольной температуре, соответственно такое действие может являться одним из механизмов защиты клетки от повреждений при высокой температуре.
Поиск веществ, снижающих неблагоприятное действие условий среды, - важнейшая задача растениеводства. Неотъемлемой частью эффективного применения этих веществ является знание биохимического механизма их действия. Для раскрытия физиолого-биохимического эффекта действия ТЭА и его производных на растения при стрессе в данной работе было проведено исследование связи увеличения термотолерантности проростков гороха и изменения интенсивности дыхания и генерации АФК.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе использовали ТЭА и его производные ЭС, МС и ХМС, синтезированные в Иркутском институте химии им. А.Е. Фаворского. Для изу-
чения действия на проростки ТЭА и силатраны растворяли в дистиллированной воде в следующих концентрациях: 10-15, 10-7 (или 10-8) и 10-3 М. Концентрация 10-3 М была выбрана как самая высокая из относящихся к низким дозам, согласно классификации, предложенной Е.Б. Бурлаковой [11-13]. В концентрациях 10-7 М (при разведении МС и ХМС) или 10-8 М (при разведении ТЭА и ЭС) исследованные биостимуляторы в условиях температурного оптимума не оказывали ингиби-рующего или стимулирующего эффекта на рост проростков [6], поэтому данные концентрации были выбраны как примеры "мертвых зон" [1113]. Концентрация 10-13 М была выбрана как самая низкая из сверхмалых концентраций, оказывающих эффект, стимулирующий рост [6].
В экспериментах использовали 2-суточные этиолированные проростки гороха (Pisum sativum L.) сорта Аксайский усатый 55 [5], выращенные при 22оС на смоченной дистиллированной водой фильтровальной бумаге. Проростки гороха помещали на 6 ч в термостат при температуре 38оС ("мягкая" гипертермия) или 45оС ("жесткая" гипертермия), затем корни срезали и использовали для определения содержания АФК и интенсивности дыхания.
Воздействия "мягкая" и "жесткая" гипертермия соответствовали закаливающей и повреждающей температурам соответственно, и были выбраны согласно известным данным для большинства видов травянистых растений [14]. Температура и продолжительность "жесткой" гипертермии (45оС, 6 ч) были выбраны как режим, вызывающий 50%-ную гибель проростков. Это воздействие определили в ходе предварительных экспериментов, поэтапно повышая температуру обработки на 3оС, начиная с 38оС. Сила температурных воздействий была выбрана, чтобы наиболее четко выявить защитный эффект исследованных БАВ. Температурный оптимум роста гороха был установлен ранее (контрольная температура для экспериментов) [15].
Об интенсивности дыхания судили по скорости поглощения кислорода отрезками корней гороха. Скорость поглощения кислорода регистрировали полярографическим методом при помощи платинового электрода закрытого типа (электрод Кларка) в ячейке объемом 1.4 мл на полярогра-фе 0Н-105 (Венгрия) [16]. Температуру в ячейке (22-23оС) поддерживали с помощью ультратермостата U10 (Германия). Реакционная среда содержала 50 мМ КН2Р04 рН 5.2 и 50 мМ сахарозы. В полярографическую ячейку с растительной тканью (0.1 г) последовательно добавляли 0.8 мМ
цианид калия (КС^ ингибитор цитохромного пути транспорта электронов) и 2 мМ салицилгид-роксамовую кислоту (СГК, ингибитор альтернативной цианид-резистентной оксидазы). Поглощение кислорода, оставшегося после добавления КСК и СГК, считали неспецифическим и не принимали в расчет дыхательной активности. Интенсивность дыхания корней гороха выражали в нмоль О2/мин/ г сырой массы, учитывая растворимость кислорода в воде [16].
Содержание АФК определяли с использованием красителя H2DCF - DA 2,7-дихлорофлуорес-цеин диацетата (Н2БСР - БЛ) [17]. H2DCF - DA растворяли в этаноле и хранили в морозильной камере при 20 оС. Навеску растительной ткани (0.1 г) инкубировали в 2 мл воды (контроль) или в растворе исследуемого вещества нужной концентрации, содержащей 10 мкл 0.25 мМ H2DCF - DA (конечная концентрация 1 мкм), в течение 30 мин при 22оС и при 45оС. Супернатант сливали, и флуоресценцию измеряли на спектрофлуорофотомет-ре SHIMADZU ИР-5301 РС (Япония). Содержание АФК рассчитывали в условных единицах (у.е.) на 1 г сырой массы. Опыты проводили в 3-х биологических и 3-4-х аналитических повторностях.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Прежде всего, отмечено значительное, в 3-5 раз, повышение содержания АФК при высокой (45оС) температуре в сравнении с контролем (22оС) (рис. 1). Такое увеличение содержания АФК свидетельствовало о развитии при "жесткой" гипертермии, которая является одним из повреждающих факторов, окислительного стресса высокой температуры [10]. Вероятно, что увеличение содержания АФК в зависимости от температуры носило нелинейный характер и значительно флуктуировало внутри серии экспериментов. Это привело к необходимости наличия в каждой биологической повторности контроля воздействия "жесткой" гипертермии в отсутствии изучаемого вещества.
Растворы ТЭА во всех исследованных концентрациях не оказали достоверного влияния на содержание АФК, за исключением концентрации 10-13 М при контрольной температуре, при которой наблюдали снижение содержания АФК примерно на 35% (рис. 1а).
Растворы ЭС при контрольной температуре в концентрации 10-3 М достоверно увеличивали
Й о
е 8
< 1
I &
& м
о '
и
600 500 400 300 200 100 0
(а)
420
*
3
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.