научная статья по теме АКТИВНОСТЬ АНТИОКСИДАНТНЫХ ФЕРМЕНТОВ И СОДЕРЖАНИЕ ОСМОЛИТОВ В ПРОРОСТКАХ ОЗИМЫХ ЗЛАКОВ ПРИ ЗАКАЛИВАНИИ И КРИОСТРЕССЕ Биология

Текст научной статьи на тему «АКТИВНОСТЬ АНТИОКСИДАНТНЫХ ФЕРМЕНТОВ И СОДЕРЖАНИЕ ОСМОЛИТОВ В ПРОРОСТКАХ ОЗИМЫХ ЗЛАКОВ ПРИ ЗАКАЛИВАНИИ И КРИОСТРЕССЕ»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2015, том 62, № 4, с. 533-541

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 581.1

АКТИВНОСТЬ АНТИОКСИДАНТНЫХ ФЕРМЕНТОВ И СОДЕРЖАНИЕ ОСМОЛИТОВ В ПРОРОСТКАХ ОЗИМЫХ ЗЛАКОВ ПРИ ЗАКАЛИВАНИИ

И КРИОСТРЕССЕ © 2015 г. Ю. Е. Колупаев*, Н. И. Рябчун**, А. А. Вайнер*, Т. О. Ястреб*, А. И. Обозный*

*Харьковский национальный аграрный университет им. В.В. Докучаева,

Харьков, Украина **Институтрастениеводства им. В.Я. Юрьева Национальной академии аграрных наук Украины, Харьков, Украина Поступила в редакцию 14.07.2014 г.

Исследовали активность антиоксидантных ферментов и содержание осмолитов в проростках озимых ржи (Secale cereale L.), мягкой (Triticum aestivum L.) и твердой (T. durum L.) пшеницы и ячменя (Hordeum vulgare L.), выращиваемых при температуре 20°С (контроль) либо подвергнутых 7-суточно-му холодовому закаливанию при 2°С и (или) 5-часовому промораживанию при —6°С. Незакаленные проростки ржи отличались от образцов других злаков способностью к выживанию после промораживания при —6°С и более высокой активностью гваяколпероксидазы (ГПО) и высоким содержанием пролина. Закаливание вызывало повышение морозоустойчивости проростков всех исследованных злаков, при этом резистентность ржи и мягкой пшеницы была значительно выше, чем твердой пшеницы и ячменя. У ржи и мягкой пшеницы также проявлялась большая устойчивость к окислительным повреждениям, что выражалось в меньшем увеличении содержания малонового диальдеги-да после промораживания. В процессе закаливания в проростках всех исследованных злаков заметно повышалась активность ГПО и каталазы и возрастало содержание пролина и растворимых углеводов. Активность супероксиддисмутазы при закаливании более существенно возрастала у ячменя. После промораживания закаленных и незакаленных проростков отмечали более высокие значения активности всех исследованных антиоксидантных ферментов у ржи и мягкой пшеницы по сравнению с таковыми у твердой пшеницы и ячменя. При этом у закаленных проростков ржи и мягкой пшеницы после промораживания повышалось содержание пролина. Сделано заключение о том, что высокие значения содержания пролина и активности ГПО могут обусловливать повышенную конститутивную морозоустойчивость проростков ржи; высокая морозоустойчивость закаленных проростков мягкой пшеницы связана в первую очередь с накоплением низкомолекулярных протекторов (сахаров и пролина) и отчасти с повышенной активностью антиоксидантных ферментов.

Ключевые слова: Secale cereale — Triticum aestivum — T. durum — Hordeum vulgare — морозоустойчивость — закаливание — антиоксидантные ферменты — растворимые углеводы — пролин

DOI: 10.7868/S0015330315030112

ВВЕДЕНИЕ

Адаптация растений к отрицательным температурам включает в себя изменение экспрессии большого количества генов [1], что приводит к синтезу белков холодового шока (COR (cold-regulated) белки, дегидрины и др.), изменениям состава липидов мембран, накоплению криопротекто-ров [2], активации альтернативного дыхания [3].

Сокращения: ГПО - гваяколпероксидаза; КАТ - каталаза; СОД — супероксиддисмутаза; ТБК - 2-тиобарбитуровая кислота.

Адрес для корреспонденции: Колупаев Юрий Евгеньевич. Украина, 62483 Харьков, п/о "Коммунист-1". Харьковский национальный аграрный университет им. В.В. Докучаева. Электронная почта: plant_biology@mail.ru

Наряду со специфическими адаптивными реакциями важное значение для выживания растений в условиях действия холода имеют универсальные защитные реакции, в частности активация анти-оксидантной защитной системы, которая предотвращает вторичные окислительные повреждения [4]. Антиоксидантная система включает в себя комплекс ферментов (супероксиддисмутазу (СОД), каталазу (КАТ), различные пероксидазы, ферменты аскорбат-глутатионового цикла) и ряд низкомолекулярных соединений с антиоксидант-ными свойствами (аскорбиновая кислота; глута-тион; фенольные соединения; антиоксиданты, растворимые в липидах — а-токоферол, Р-каро-тин и др.) [5].

В ряде работ установлено повышение активности антиоксидантных ферментов в процессе хо-лодового закаливания растений [6, 7]. Также имеются сведения о связи между активностью антиоксидантных ферментов и устойчивостью растений разных генотипов к гипотермии [8—10]. При этом, однако, многими авторами зарегистрированы разнонаправленные изменения активности отдельных антиоксидантных ферментов в ответ на действие низких температур, что не позволяет делать однозначные выводы об их роли в адаптации растений к гипотермии [9—11]. С другой стороны, установлен существенный вклад окислительного стресса в холодовые повреждения растений [11, 12].

Наряду с изменениями в функционировании антиоксидантной системы при адаптации растений к низким температурам происходит накопление низкомолекулярных соединений, среди которых особо важными считаются растворимые углеводы и пролин [2]. В последние годы эти соединения рассматриваются не только как совместимые осмолиты, предотвращающие избыточное обезвоживание клеток при криострессе, но и как вещества, выполняющие более сложные функции: мембранопротекторные, антиокси-дантные, сигнально-регуляторные [12—14].

Известна прямая связь между накоплением сахаров и пролина и устойчивостью растений к низким температурам [15, 16]. Однако у некоторых объектов подобной связи не выявлено [9]. Неоднозначность такой связи может быть обусловлена как методическими причинами (различная сила стрессовых воздействий либо фаза реакции растений в разных экспериментах), так и сложным функциональным взаимодействием низкомолекулярных соединений с другими стресс-протекторными системами, в частности с ферментативными антиоксидантами. Так, у растений картофеля, трансформированных геном дрожжевой инвертазы и накапливающих повышенное количество сахаров в листьях, а также у растений дикого типа, выращиваемых на среде с сахарозой, отмечалась более низкая активность СОД, чем у контрольных растений [12]. Авторы полагают, что это связано со способностью сахарозы связывать радикальные АФК, т.е. СОД и сахара рассматриваются как функционально взаимозаменяемые компоненты антиоксидантной системы.

В последние годы также накоплено немало сведений как об антиоксидантном, так и о проок-сидантном действии пролина в растительных клетках [14]. Показано его сложное влияние на экспрессию генов и активность антиоксидантных ферментов, в том числе разных форм СОД [17, 18]. При исследовании реакции на засоление ряда дикорастущих видов растений была установлена реципрокная взаимосвязь между изменениями

активности СОД и содержания пролина [19], что, по мнению авторов, может быть обусловлено антирадикальным действием пролина.

В то же время комплексных исследований функционирования ферментативной антиокси-дантной системы и динамики содержания осмо-литов при закаливающих и неблагоприятных воздействиях, в частности охлаждения, пока очень мало. Сравнительное изучение таких эффектов у сортов и видов культурных растений, отличающихся по устойчивости к стрессорам, может быть полезным как для разработки адекватных подходов к оценке их резистентности, так и для более глубокого понимания функционального взаимодействия отдельных компонентов стресс-протекторных систем и роли защиты от окислительных повреждений в проявлении морозоустойчивости.

Задачей настоящей работы явилось сравнительное исследование роли антиоксидантных ферментов (СОД, КАТ, гваяколпероксидазы (ГПО)) и осмолитов (пролина и сахаров) в устойчивости проростков озимых зерновых злаков — ржи, мягкой и твердой пшеницы, ячменя — к действию низких температур.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для исследований использовали 3-12-дневные этиолированные проростки озимых: ржи (Secale cereale L.) сорта Память Худоерко, мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Лютесценс 329, твердой пшеницы (T. durum L.) сорта Алый Парус и ячменя (Hordeum vulgare L.) сорта Жерар, полученные из коллекции Национального центра генетических ресурсов растений Украины (Харьков).

Семена после 30-минутного обеззараживания в 6% растворе пероксида водорода проращивали на очищенной водопроводной воде при температуре 20° С в течение 3 суток. Затем проростки помещали на 7 суток в холодильную камеру Danfoss (Нидерланды) для закаливания при температуре 2°С [20]. В предварительных опытах было установлено, что уменьшение периода закаливания до 5 суток снижало развитие морозоустойчивости проростков исследуемых злаков, а его увеличение до 9 суток не способствовало дополнительному приросту устойчивости. После окончания закаливания температуру в камере снижали со скоростью 1°С/ч и подвергали проростки промораживанию при температурах —6 или —9°С в течение 5 ч. Далее температуру повышали со скоростью 1°С/ч до 2°С, затем проростки отращивали 4 суток при температуре 20° С и определяли относительное количество выживших растений по их способности к росту. Режим промораживания проростков, вызывающий гибель части образцов, был подобран в предварительных опытах (резуль-

таты не приводятся). В качестве контроля использовали 4-дневные проростки, не подвергавшиеся закаливанию, поскольку при низкой температуре развитие проростков замедлялось и 10-дневные закаленные растения соответствовали 4-дневным, выращенным при 20°С.

Для биохимических анализов использовали побеги 4-суточных проростков, выращенных при 20°С (контроль), незакаленных проростков, подвергнутых промораживанию при температуре — 6° С (после их постепенного оттаивания в течение 8 ч до достижения температуры 2° С). Также анализировали побеги 10—11-суточных закаленных проростков до и после их промораживания в режиме, описанном выше. При исследовании образцов, подвергнутых промораживанию и оттаиванию, использовали побеги, которые на момент анализа не имели видимых признаков инфильтрации тканей.

Интенсивность перекисного окисления липи-дов (ПОЛ) в тканях проростков определяли по количеству продуктов, реагирующих с 2-тиобар-битуровой кислотой (ТБК) (в основном малоновый диальдегид — МДА) [21]. Растительный материал гомогенизировали в 0.1 М Трис-НС1-буфере с рН 7.6, к гомогенату добавляли 0.5% раствор ТБК в 20% ТХУ. После нагревания смеси на кипящей водяной бане в течение

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