научная статья по теме АКТИВНОСТЬ АНТИОКСИДАНТНОЙ И ОСМОПРОТЕКТОРНОЙ СИСТЕМ И ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЙ ГАЗООБМЕН ПРОРОСТКОВ КУКУРУЗЫ В УСЛОВИЯХ ЗАСУХИ Биология

Текст научной статьи на тему «АКТИВНОСТЬ АНТИОКСИДАНТНОЙ И ОСМОПРОТЕКТОРНОЙ СИСТЕМ И ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЙ ГАЗООБМЕН ПРОРОСТКОВ КУКУРУЗЫ В УСЛОВИЯХ ЗАСУХИ»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2015, том 62, № 3, с. 340-348

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 581.1

АКТИВНОСТЬ АНТИОКСИДАНТНОЙ И ОСМОПРОТЕКТОРНОЙ СИСТЕМ И ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЙ ГАЗООБМЕН ПРОРОСТКОВ КУКУРУЗЫ В УСЛОВИЯХ ЗАСУХИ © 2015 г. М. К. Николаева, С. Н. Маевская, П. Ю. Воронин

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва Поступила в редакцию 07.10.2014 г.

Изучали влияние прогрессирующей почвенной засухи (5 и 7 суток) на активность фотосинтетического СО2/Н2О-газообмена, активность аскорбатпероксидазы (АскП) и глутатионредуктазы (ГР), содержание аскорбата (Аск), глутатиона, растворимых углеводов, пролина, хлорофилла и МДА в листьях проростков кукурузы (Zea mays L., сорт Тройная сладость). Полив опытных растений прекращали через восемь дней после появления всходов. На первом этапе засухи (5 суток) активность АскП и ГР, а также содержание Аск, глутатиона, МДА и хлорофилла в листьях опытных растений не изменялись. Первым ответом растений было увеличение содержания редуцирующих сахаров (глюкозы и фруктозы) и пролина, соответственно, в 3.5 и 4.5 раза. Несмотря на незначительное снижение транспирации, фотосинтетический СО2-газообмен не отличался от контроля. При действии засухи в течение 7 суток содержание Аск и активность АскП повысились, соответственно, в 1.3 и 1.2 раза, что свидетельствует об активации аскорбат/глутатионового цикла. Содержание глу-татиона и активность ГР при этом не изменялись. Содержание редуцирующих сахаров увеличилось по сравнению с контролем в 2 раза, сахарозы — в 1.5 раза. Содержание пролина возросло в 9 раз, тогда как содержание хлорофилла и МДА не изменялось. Интенсивность фотосинтеза снизилась в два раза, но при этом скорость темнового дыхания не изменилась. Полученные результаты показали, что при засухе включение защитных механизмов происходило в определенной последовательности. На первом этапе засухи (5 суток) увеличение содержания углеводов и пролина обеспечило функционирование осмотических и антиоксидантых систем, необходимых для поддержания фотосинтеза. На втором этапе (7 суток) эффективность работы антиоксидантных систем возросла за счет увеличения активности АскП, а также повышения содержания Аск, растворимых углеводов и пролина. Таким образом, последовательное включение защитных механизмов в ответ на нарастание водного дефицита листа оказалось достаточным для предотвращения окислительного стресса.

Ключевые слова: Zea mays — почвенная засуха — CO2/И2й-газообмен — антиоксидантная система — сахара — пролин — МДА

DOI: 10.7868/S0015330315030136

ВВЕДЕНИЕ

Засуха является одним из важных факторов внешней среды, влияющих на рост, развитие и продуктивность растений. В настоящее время 1/3 мирового континента испытывает недостаток влаги. В дальнейшем потепление климата может привести к сокращению водных ресурсов планеты и увеличению площади засушливых земель.

Адрес для корреспонденции: Николаева Марина Константиновна. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Электронная почта: mknikolaeva@mail.ru

Сокращения: Аск — аскорбат; АскП — аскорбатпероксидаза; ГР — глутатионредуктаза; ОСВ — относительное содержание воды; СФС — сахарозофосфатсинтаза.

Засуха, как и другие абиотические стрессы, приводит к накоплению АФК и развитию окислительного стресса [1, 2]. Усиливающееся в условиях засухи образование АФК вызывает значительное повреждение растительных клеток и всего метаболизма. Удаление избытка АФК и поддержание редокс-баланса клетки осуществляется с помощью ферментов антиоксидантной защиты и низкомолекулярных антиоксидантов, таких как аскорбат (Аск), глутатион, а-токоферол и каротиноиды [1—3]. Эффективная работа антиок-сидантной системы обеспечивает защиту клеточных мембран и органелл от окислительных повреждений и в итоге - выживание растений в условиях засухи. При водном стрессе накаплива-

ются также совместимые осмолиты — различные сахара, пролин, глицинбетаин и другие [2, 4, 5]. Увеличение содержания этих соединений эффективно способствует поддержанию осмотического баланса клетки, стабилизации белков и клеточных структур, а также детоксикации АФК [2, 5]. В соответствии с ранее полученными данными, результаты метаболомного анализа показывают, что растения используют целый ряд стратегий для адаптации метаболизма к неблагоприятным условиям среды, и устойчивость к стрессу не ограничивается одним соединением или механизмом [6, 7]. Однако последовательность изменений многоуровневой системы защиты при водном стрессе выяснена далеко не полностью.

В настоящее время большое внимание уделяется исследованию С4-растений, продуктивность которых составляет 23% от продуктивности биосферы [8]. Кроме того, С4-виды характеризуются высокой скоростью накопления биомассы и большей эффективностью использования воды по сравнению с С3-растениями [9]. Преимущества С4-растений в засушливых условиях в значительной степени обусловлены особенностями механизма фиксации СО2 при фотосинтезе. Даже в условиях засухи при низкой проводимости листа СО2/Н2О-газообмену в результате работы С4-цик-ла значительно повышаются концентрации СО2 в клетках обкладки, где осуществляется фотосинтетическое связывание СО2. Это обеспечивает высокую скорость ассимиляции углерода в условиях засухи, когда при закрытии устьиц снижается поступление СО2 в лист.

Важной С4-культурой, продуктивность которой заметно уменьшается под влиянием засухи, является кукуруза. В связи с этим понимание механизмов адаптации и устойчивости растений кукурузы к засухе остается актуальной задачей. Дефицит влаги по-разному влияет на конечную продуктивность кукурузы на разных стадиях развития. Известно, что кукуруза наиболее чувствительна к засухе на стадии колошения [9]. У генотипов кукурузы, различающихся по устойчивости к засухе, разная реакция на водный стресс проявлялась уже на стадии вегетативного роста [7].

Целью работы являлось выяснение последовательности адаптивных реакций листа на возрастающий водный дефицит на вегетативной стадии развития проростков кукурузы (фаза роста третьего листа). Для этого определяли показатели водного статуса листа (относительное содержание воды в листе и транспирацию), содержание пигментов, активность ферментов антиоксидант-ной защиты, аскорбатпероксидазы (АскП) и глутатионредуктазы (ГР), содержание растворимых антиоксидантов аскорбата (Аск) и глутатиона, пролина, растворимых углеводов и МДА, а также

интенсивность фотосинтетического СО2-газооб-мена.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследования служили растения сахарной кукурузы (Zea mays L.) сорта Тройная сладость. Семена кукурузы дезинфицировали в течение 30 мин 15% перекисью водорода, затем промывали дистиллированной водой. Семена проращивали в кюветах на влажной фильтровальной бумаге в термостате при температуре 25°С в течение 3 суток. Растения выращивали на смеси песка и дерново-подзолистой почвы (2 : 1) при интенсивности света 200 мкмоль/(м2 с), 16-часовом фотопериоде и температуре 25/20°С (день/ночь). На восьмой день после появления всходов опытные растения прекращали поливать. Продолжительность засухи составляла 5 и 7 суток. За это время влажность почвы в опыте снизилась, соответственно, до 27 и 23% от полной вла-гоемкости. Контрольные растения поливали ежедневно, поддерживая влажность почвы на уровне 60% от полной влагоемкости. Пробы для анализа брали из средней части растущего третьего листа.

Определение относительного содержания воды. Для определения относительного содержания воды (ОСВ) навеску листьев (0.2 г) быстро взвешивали и помещали на дистиллированную воду при комнатной температуре для полного насыщения. Для определения количества поглощенной воды после 24-часового насыщения листья обсушивали фильтровальной бумагой и взвешивали. Сухой вес листьев определяли после высушивания проб в термостате при 85°С в течение 48 ч. ОСВ определяли по формуле:

ОСВ (%) = 100 (сырой вес — сухой вес)/(вес после насыщения — сухой вес).

Определение содержания аскорбата и глутатиона. Для определения содержания Аск и глутатиона навеску листьев (0.2 г) растирали на холоду в 3 мл охлажденной 5% ТХУ, добавляя нерастворимый поливинилпирролидон (3%, вес/объем среды). Го-могенат центрифугировали при 14000 g в течение 5 мин. Содержание Аск и суммарное содержание глутатиона определяли, как описано ранее [10]. Для определения активности АскП и ГР навеску листьев (0.25-0.30 г) растирали в ступке в 3 мл среды, содержащей 0.1 М Hepes-КОН буфер (рН 7.0), 0.1 мМ ЭДТА, 2 мМ ДТТ, 2 мМ Аск, добавляя нерастворимый поливинилпирролидон (2%). Гомо-генат центрифугировали в течение 15 мин при 15000 g. Активность АскП и ГР определяли в су-пернатанте, как описано ранее [10].

Определение содержания растворимых сахаров. Содержание растворимых сахаров определяли в фиксированных кипящим 96% этанолом листьях (0.20-0.30 г). Растворимые углеводы экстрагиро-

вали 3 раза горячим 80% этанолом (50-60°С). После центрифугирования при 1000 g в течение 15 мин супернатанты объединяли и упаривали досуха. Остаток растворяли в 3 мл воды и добавляли 3 мл хлороформа для удаления пигментов. После центрифугирования водную фазу очищали с помощью 0.3 N Ba(OH)2 и 10% Zn(SO)4. Количество фруктозы и сахарозы определяли с помощью резорцина, как описано ранее [10]. Для определения содержания глюкозы использовали готовую систему ферментов глюкозооксидаза/пероксида-за ("Sigma", США).

Определение содержания свободного пролина.

Свободный пролин экстрагировали дважды из навески (0.3 г) листьев 3% 5-сульфосалициловой кислотой. Гомогенат центрифугировали при 1000 g в течение 15 мин. Содержание пролина в суперна-танте определяли, как описано ранее [10].

Определение уровня перекисного окисления ли-

пидов. Уровень ПОЛ оценивали по тесту с тиобар-битуровой кислотой (ТБК-тест), основанному на взаимодействии ТБК с конечными продуктами окисления липидов, основную долю которых составляет МДА. Содержание МДА определяли, как описано ранее [10].

Определение содержания хлорофилла. Содержание хлорофиллов (a + b) и каротиноидов определяли сп

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