научная статья по теме АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ У СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ В УСЛОВИЯХ ХРОНИЧЕСКОГО ОБЛУЧЕНИЯ Биология

Текст научной статьи на тему «АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ У СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ В УСЛОВИЯХ ХРОНИЧЕСКОГО ОБЛУЧЕНИЯ»

РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2014, том 54, № 2, с. 174-178

== РАДИОБИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ =

УДК [57+59]::539.1.04:582.475.4:577.15:577.152.53:614.876

АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ

У СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ В УСЛОВИЯХ ХРОНИЧЕСКОГО ОБЛУЧЕНИЯ © 2014 г. П. Ю. Волкова*, С. А. Гераськин, Н. И. Раевская

Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии, Обнинск

Исследована активность ферментов супероксиддисмутазы, каталазы и пероксидазы в популяциях сосны обыкновенной из загрязненных радионуклидами районов Брянской области. Мощность дозы на экспериментальных участках варьирует от 7 до 130 мГр/год. Установлено, что активность ферментов супероксиддисмутазы и каталазы не зависит от радиационного воздействия в исследованном диапазоне мощностей доз, а активность пероксидазы снижается на участках с мощностью дозы 91-130 мГр/год.

Сосна обыкновенная, авария на ЧАЭС, хроническое облучение, активность ферментов, супероксиддис-мутаза, каталаза, пероксидаза.

БО1: 10.7868/80869803114020143

В результате крупных радиационных аварий на Южном Урале и в Чернобыле радиоактивному загрязнению подверглись обширные занятые лесом территории. Последовавшая за этим гибель сосновых лесов на значительной площади была и остается наиболее ярким примером радиационного поражения на экосистемном уровне, являясь убедительным экспериментальным подтверждением тезиса о повышенной чувствительности лесных экосистем к радиационному воздействию. Даже спустя 20 лет после аварии на Чернобыльской АЭС в России, главным образом, в Брянской области, сохранились участки, радиоактивное загрязнение которых значительно превышает фоновый уровень [1]. В то время как биологические эффекты острого радиационного воздействия относительно хорошо изучены, механизмы влияния хронического низкодозового облучения на биологические процессы на настоящий момент до конца не ясны. Тем не менее, известно [2—4], что хроническое радиационное воздействие способно существенным образом изменять значения биологических показателей, влияющих на судьбу популяции.

В настоящее время большое внимание уделяется исследованиям биологических эффектов стрессового воздействия, включая физиологический ответ организмов, живущих в условиях хронического стресса. Одной из универсальных ре-

* Адресат для корреспонденции: 249030 Обнинск, Калужская обл., ГНУ ВНИИСХРАЭ РАСХН; тел.: (48439) 9-6964; e-mail: volkova.obninsk@gmail.com.

акций на стресс, вне зависимости от его природы, является увеличение числа реакционно-способных молекул — активных форм кислорода (АФК). Наиболее важными АФК для живых клеток являются пероксид водорода Н202, гидроксил-ради-кал 'ОН, супероксид-радикал, синглетный кислород. В аэробных организмах стресс может увеличивать продукцию таких АФК, как супероксидный анион-радикал и Н2О2. Эти АФК могут вступать в катализируемую ионом Fe2+ реакцию Фентона и генерировать крайне реакционно-способный 'ОН-радикал [5]. Последний способен индуцировать значительное количество повреждений биологических структур, поскольку реагирует почти со всеми структурными и функциональными органическими молекулами, включая белки, липиды и нуклеиновые кислоты.

Ионизирующее излучение вызывает в живых организмах радиолиз воды, в процессе которого формируются АФК [6]. Показано [7], что хроническое низкодозовое воздействие может модифицировать функционирование антиоксидантных систем, изменяя их активность.

В предыдущих работах нами были исследованы генетические эффекты хронического радиационного воздействия в популяциях сосны обыкновенной [8, 9]. Настоящая работа посвящена оценке активности антиоксидантных ферментов в этих условиях.

АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ

175

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА

Объект и район исследования. Сосна обыкновенная (Pinussylvestris L.) была выбрана в качестве объекта исследования. Эксперимент проводили на четырех участках леса в Брянской области, загрязненных радионуклидами в результате аварии на Чернобыльской АЭС. Поглощенную генеративными органами сосны дозу оценивали с помощью специально разработанной дозиметрической модели [10, 11]. Ее значения изменялись на обследованных участках в диапазоне от 7.0 до 129.9 мГр/год. Мощность дозы на контрольном участке составляла 0.14 мГр/год. Подробное описание района исследования представлено в работе [11].

Отбор проб для исследования. Образцы почвы и биологического материала отбирали в декабре 2011 г. Для проведения эксперимента с каждого участка было выбрано 15—20 деревьев, от каждого дерева анализировали 10 семян. Для выделения ферментов с поверхности семян удаляли кожуру и гомогенизировали в смеси из сахарозы и ß-мер-каптоэтанола, затем центрифугировали в течение 20 мин на микроцентрифуге Eppendorf.

Анализ ферментной активности. Исследовали активность супероксиддисмутазы (SOD, КФ 1.15.1.1), каталазы (CAT, КФ 1.11.1.6) и перокси-дазы (POD, КФ 1.11.1.7) в соответствии с рекомендациями Х. Биссвангера [12] на бескюветном спектрофотометре "NanoDrop-2000". Активность SOD определяли по скорости разложения нитросинего тетразолия (НСТ) хлористого в присутствии гидроксиламингидрохлорида, CAT — по скорости разложения перекиси водорода, POD — по скорости трансформации гваякола в тетрагва-якол. Коэффициент поглощения гваякола принят за 26 600, а НСТ - за 19000.

Показания прибора переводили в международные единицы (МЕ) ферментной активности, которая определяется как активность фермента, превращающая 1 моль субстрата в секунду:

M E _

мл p - pa фермента

_ АЛ ми н х объем реакц. смеси (мл) х Ф Р х 10000

snm(л х моль-1 х см-1 ) х объем ферм. (мл)

где АА — разность значений поглощений A1 и A2; snm (л х моль-1 х см-1) коэффициент поглощения.

Статистическая обработка данных. Расчеты проводили в программе Microsoft Office Excel. Статистическую значимость результатов оцени-

вали с использованием стандартной ошибки среднего и коэффициента Стьюдента.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Данные по активности ферментов CAT, SOD, POD представлены в таблице и на рисунке. Значимое отличие от контроля демонстрирует ката-лаза на участке с мощностью дозы 22.9 мГр/год. SOD характеризуется наименьшими значениями активности, достоверного отличия между активностью этого фермента в клетках облучаемых и контрольных деревьев нет. Активность фермента POD снижается по сравнению с контролем на наиболее загрязненных участках.

ОБСУЖДЕНИЕ

Растения, в силу прикрепленного образа жизни и невозможности уклониться от стресса, выработали в ходе эволюции эффективную и разветвленную систему защиты от неблагоприятных воздействий. Многие из этих воздействий изменяют нормальный метаболизм растительных клеток, в том числе способны вызывать оксидативный стресс [13]. Следует отметить, что антиоксидант-ные системы даже в нормальных условиях не гарантируют клетке стопроцентную защиту от АФК: часть белков и компонентов мембран повреждаются АФК и заменяются новыми. Воздействие внешних факторов способно создавать значительный дисбаланс между образованием АФК, возможностями их ликвидации и скоростью репарационных процессов. Возникает ситуация, когда антиоксидантные системы не в силах сбалансировать уровень АФК, а системы репарации не успевают устранять повреждения клеточных структур. В результате развивается окислительный стресс, который может быть обусловлен как сверхпродукцией АФК, так и падением эффективности антиоксидантной защиты, либо тем и другим.

Изменение активности ферментных систем у находящихся в условиях стресса растений было показано многими исследователями. Например, пероксидазная и каталазная активность перца (Capsicum annuum L.) значимо превышала [14] контрольные показатели при облучении ультрафиолетовым светом. При UV-B облучении папоротников рода Azolla активность SOD увеличивалась [15], а активность CAT у индигоферы красильной (Indigofera tinctoria L.) понижалась [16]. Высокие дозы ионизирующего излучения (200, 400, 600, 800 Гр) увеличивали [17] активность POD и SOD на фоне понижения биомассы мяг-

176 ВОЛКОВА и др.

Активность ферментов в семенах сосны обыкновенной, МЕ

Активность ферментов, мГр/год

Фермент 0.14 7.0 22.9 91.4 129.9

CAT 0.053 ± 0.017 0.093 ± 0.022 0.115* ± 0.028 0.080 ± 0.025 0.100 ± 0.025

SOD 0.007 ± 0.006 0.012 ± 0.008 0.007 ± 0.007 0.006 ± 0.006 0.005 ± 0.005

POD 0.409 ± 0.038 0.34 ± 0.035 0.39 ± 0.043 0.31* ± 0.042 0.15*** ± 0.03

* Отличия от контроля значимы,p < 0.05; ***p < 0001.

кой пшеницы (Triticum aestivum L.). Активности POD, CAT и SOD в листьях редиса (Raphanus sati-vus L.) повышались [18] при воздействии у-излу-чения в дозе 10 Гр. Активность SOD в проростках красного перца (Capsicum annum L.) после воздей-ствтия у-излучения на семена в дозах 2, 4, 6 и 8 Гр увеличивалась [19]. Активность CAT уменьшалась при действии у-излучении на пажитник звездчатый (Trigonella stellata Forssk.) в дозах 400, 600, 800 и 1000 Гр [20].

Однако стрессовые воздействия в низких дозах часто не изменяют активность изучаемых ферментов. Например, нитробензол в концентрации 10—50 мг/л не увеличивал достоверно содержание перекиси водорода и супероксидрадикала в проростках табака (Nicotiana tabacum L.) [21]. Увеличение концентрации нитробензола до 100 мг/л повышало содержание этих АФК по сравнению с контрольным уровнем. Активность SOD изменялась в зависимости от концентрации этого агента: при действии в концентрациях 0 и 5 мг/л достоверной разницы от контроля не было, уве-

МЕ

0.6

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

I

I

I

I

* I

□ CAT ■ SOD

□ POX

0.14

7.0 22.9 91.4 129.9 Мощность дозы, мГр/год

Активность каталазы, супероксидцисмутазы и перок-сидазы в условиях хронического радиационного воздействия.

* Отличия от контроля значимы, p < 0.05; *** p <0.001.

личение концентрации до 10 и 25 мг/л значимо понижало активности, тогда как концентрации 50 и 100 мг/л — значимо повышали активности фермента. Авторы делают вывод, что воздействие в высоких концентрациях стимулирует биосинтез SOD. В этом же эксперименте активность катала-зы не показала значимых отличий от контроля в диапазоне 5—50 мг/л. При концентрации 100 мг/л активн

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