научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ЗАСУХИ НА СОДЕРЖАНИЕ ХЛОРОФИЛЛА И АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ В ЛИСТЬЯХ ТРЕХ СОРТОВ ПШЕНИЦЫ, РАЗЛИЧАЮЩИХСЯ ПО ПРОДУКТИВНОСТИ Биология

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ЗАСУХИ НА СОДЕРЖАНИЕ ХЛОРОФИЛЛА И АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ В ЛИСТЬЯХ ТРЕХ СОРТОВ ПШЕНИЦЫ, РАЗЛИЧАЮЩИХСЯ ПО ПРОДУКТИВНОСТИ»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2010, том 57, № 1, с. 94-102

= ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ =

УДК 581.1

ВЛИЯНИЕ ЗАСУХИ НА СОДЕРЖАНИЕ ХЛОРОФИЛЛА И АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ В ЛИСТЬЯХ ТРЕХ СОРТОВ ПШЕНИЦЫ, РАЗЛИЧАЮЩИХСЯ ПО ПРОДУКТИВНОСТИ © 2010 г. М. К. Николаева, С. Н. Маевская, А. Г. Шугаев, Н. Г. Бухов

Учреждение Российской академии наук Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва

Поступила в редакцию 24.11.2008 г.

У трех сортов озимой пшеницы (Тпйсыт авзйуыт Ь.) — высокопродуктивного Баллада, среднепродук-тивного Бельчанка и низкопродуктивного Бельцкая — исследовали действие прогрессирующей почвенной засухи (3, 5 и 7 дней без полива) на содержание хлорофилла, активность ферредоксин-НАДФ+-ок-сидоредуктазы (ФНР) и ферментов антиоксидантной системы — глутатионредуктазы (ГР) и аскорбатпе-роксидазы (АскП), а также на содержание пролина и степень ПОЛ. На первом этапе обезвоживания у всех сортов пшеницы наблюдалась небольшая потеря воды листьями, что характерно для устойчивых к засухе сортов. После 7-дневной засухи содержание воды снизилось лишь на 5.2—6.8%. Общее содержание хлорофилла в расчете на единицу сухой массы незначительно возрастало в первые два срока засухи, но затем уменьшалось на 13—15%. Отношение хлорофиллов а и Ь при этом не изменялось. Обезвоживание не вызывало значительных изменений активности ФНР. Активность ГР и АскП в листьях пшеницы сортов Баллада и Бельчанка возрастала на 3- и 5-й день засухи. Скоординированное увеличение активности ГР и АскП поддерживало уровень ПОЛ, близкий к контрольному. При более продолжительном обезвоживании (7 дней) активность ГР и АскП у пшеницы этих сортов уменьшилась, тогда как содержание МДА значительно повысилось, что может объясняться ослаблением функционирования системы ферментов антиоксидантной защиты и усилением ПОЛ. В отличие от растений сортов Баллада и Бель-чанка, у пшеницы сорта Бельцкая не наблюдалось увеличения активности ГР и АскП в условиях прогрессирующей почвенной засухи. Содержание МДА у этого сорта увеличивалось на 16% только при 7-дневной засухе. Под влиянием засухи в листьях растений всех сортов значительно возросло содержание пролина. Таким образом, реакция систем, обеспечивающих защиту от повреждающего действия водного стресса, у исследованных сортов пшеницы была различной. Уровень активности ферментов антиок-сидантной защиты зависел от сорта пшеницы, продолжительности засухи и стадии развития листа.

Ключевые слова: Тпйсыт ае5Нуыт — почвенная засуха — хлорофилл — активные формы кислорода — фер-редоксин-НАДФ+-оксидоредуктаза — глутатионредуктаза — аскорбатпероксидаза — перекисное окисление липидов — пролин

ВВЕДЕНИЕ

Засуха является одним из основных факторов внешней среды, ингибирующих многие метаболические процессы и, в итоге, лимитирующих рост и урожайность растений [1, 2]. В настоящее время в связи с глобальным потеплением климата [2] возрастает размер площадей, на которых растения подвергаются действию водного дефицита. В полуденные часы при высокой инсоляции недостаток влаги могут испытывать и виды, обитающие в условиях достаточного водоснабжения [3].

Сокращения: АскП — аскорбатпероксидаза; ГР — глутатионредуктаза; ДХФИФ — 2,6-дихлорфенолиндофенол; ТБК — тиобарбитуровая кислота; ТБК-АП — комплекс ТБК и взаимодействующих с ней активных продуктов; ФНР — ферре-доксин-НАДФ+-оксидоредуктаза.

Адрес для корреспонденции: Николаева Марина Константиновна. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН.

В процессе эволюции у растений выработалась уникальная стратегия адаптации к биотическим и абиотическим стрессам, позволяющая приспосабливаться к постоянно меняющимся условиям окружающей среды. В последние годы физиологические и молекулярные основы ответа растений на засуху и возможные сопутствующие стрессы (засоление, тепловой и окислительный стрессы, недостаток элементов минерального питания) исследуются особенно интенсивно [2—4].

Засуха, как и другие абиотические стрессы (засоление, низкие температуры), приводит к усиленному образованию АФК, таких как супероксид-анион-

радикал (О-), перекись водорода (Н202) и гидрок-сильный радикал ( ОН) [5, 6]. Образование АФК происходит особенно интенсивно в хлоропластах в результате нарушения баланса между скоростью реакций переноса электронов и скоростью фиксации

СО2. АФК вызывают деградацию белков, окисление липидов, выцветание пигментов.

Анализ литературы показывает, что обезвреживание АФК является общим ответом на большинство стрессов. Детоксикация АФК осуществляется системой антиоксидантной защиты, включающей как неэнзиматические компоненты (аскорбат, глутати-он, а-токоферол, каротиноиды), так и ферменты [5—7]. Детоксикация Н2О2 происходит в реакциях аскорбат/глутатионового цикла с участием аскор-батпероксидазы (АскП), глутатионредуктазы (ГР) и дегидроаскорбатредуктазы. В обезвреживании перекиси водорода участвует также каталаза, имеющая, однако, низкое сродство к Н2О2 [8]. В условиях засухи активность антиоксидантных ферментов увеличивается. В ряде случаев для преодоления негативного действия возрастающего водного стресса индуцируется синтез новых изоферментов [7—9]. С помощью этих защитных механизмов происходит обезвреживание и удаление токсических продуктов, что предотвращает их разрушительное действие. Необходимо отметить, что влияние различных стрессов на активность ферментов антиоксидант-ной защиты зависит от вида растений, стадии развития и интенсивности стресса.

Другим важным механизмом, оказывающим защитное действие при водном стрессе, является накопление осмолитов, таких как сахара, аминокислоты и амиды [10, 11], что способствует удержанию дополнительного количества воды и смягчает негативное действие водного дефицита на растение. Одним из наиболее широко распространенных осмолитов является пролин. Существует сильная положительная корреляция между увеличением содержания пролина в клетке и способностью растений выживать при засолении и водном дефиците [2, 10]. Пролин, синтезированный в условиях засухи, может служить также источником органического азота в процессе репарации после возобновления нормального водоснабжения.

Степень устойчивости растений к водному стрессу варьирует как у разных видов, так и у разных сортов одного и того же вида [12, 13]. В условиях возрастающей нестабильности климата понимание физиологических основ различий в устойчивости к действию неблагоприятных внешних факторов важно для создания новых высокопродуктивных сортов. В связи с этим, необходимо изучать конкретные механизмы, обеспечивающие устойчивость растений к действию засухи и других стрессов.

Задачей настоящей работы явилось сравнительное изучение влияния водного дефицита на ряд параметров листьев трех сортов озимой пшеницы, различающихся по продуктивности. Исследовали содержание хлорофилла, активность фермента электрон-транспортной цепи фотосинтеза ферре-доксин-НАДФ+-оксидоредуктазы (ФНР) и ферментов антиоксидантной системы (ГР и АскП), содержание пролина и степень ПОЛ. Для того, чтобы

оценить эффективность работы системы антиоксидантной защиты в условиях водного стресса на первых стадиях развития растений, в качестве модельной системы использовали первый лист молодых растений пшеницы.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Растительный материал. Объектом исследования служили молодые растения озимой пшеницы (Triti-cum aestivum L.) мягких сортов. Продуктивность изученных сортов пшеницы — высокопродуктивного Баллада, среднепродуктивного Бельчанка и низкопродуктивного Бельцкая — составляла соответственно 41.7, 29.4 и 20.0 ц/га. Семена были получены из научно-исследовательского Института полевых культур (Бельцы, Республика Молдова).

Растения выращивали в камере фитотрона в 5-литровых сосудах на смеси почвы и песка (соотношение 1 : 2) при интенсивности света 135 мкмоль/(м2 с) (люминесцентные лампы белого света ЛБ-80), температуре 28°С и 16-часовом фотопериоде. На 4-й день после появления всходов растения опытного варианта прекращали поливать. Контрольные растения поливали ежедневно, поддерживая влажность почвы на уровне 60% от полной влагоемкости. Пробы для анализов брали из средней части первого листа через 3, 5 и 7 дней после прекращения полива. Таким образом, в опыт брали 6-, 8- и 10-дневные листья. Следует отметить, что рост первого листа контрольных и опытных растений продолжался в течение пяти дней после появления всходов. Влажность почвы на 3-, 5- и 7-й день засухи составляла, соответственно, 35, 28 и 20%. Содержание сухой массы, воды и хлорофилла в листьях определяли на свежем материале. Для других определений пробы фиксировали жидким азотом и хранили при —70°С.

Определение активности ФНР. Активность ФНР определяли в гомогенатах, полученных из фиксированных жидким азотом листьев. Навеску фиксированных листьев (0.5 г) быстро растирали на холоде в ступке в 5 мл среды, содержавшей 0.01 М Трис-НС1-буфер, pH 7.8, 0.175 M NaCl, 0.005 M MgC12, 2 мг/мл БСА и 1% Тритон-Х-100 ("Serva", Германия). Общий объем гомогената — 8 мл. Гомогенат фильтровали через два слоя ткани, затем центрифугировали при 1000 g в течение 15 мин. В полученном суперна-танте определяли активность фермента.

НАДФ Н-диафоразную активность ФНР определяли при 25°С, используя 2,6-дихлорфенолиндо-фенол (ДХФИФ) в качестве акцептора электронов [14]. Реакционная смесь (общий объем 1.8 мл) содержала: 39 мМ Трис-НС1-буфер, рН 8.0, 10 мМ NaC1, 3 мМ MgC12, 0.03 мМ ДХФИФ ("Serva"), 0.2 мМ НАДФ-Н ("AppliChem", Германия) и 100 мкл супернатанта, содержавшего 25—30 мкг хлорофилла. Оптическую плотность проб определяли при 610 нм до начала и после экспозиции в темноте в течение 30 с. Для учета скорости неферментативного восста-

новления ДХФИФ ставили контроль без НАДФН. Активность фермента выражали в мкмоль восстановленного ДХФИФ/(мг хлорофилла мин).

Определение активности ГР. Навеску фиксированных жидким азотом листьев (0.25-0.30 г) растирали в ступке в 2 мл среды, содержавшей 0.1 М Нере8-КОН-буфер, рН 7.0, 0. 1 мМ ЭДТА, 1 мМ ас-корбата. При растирании образцов в ступку вносили 2% (вес/объем среды) нерастворимый поливинил-п

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.

Показать целиком