ОБРАЗОВАНИЕ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА В ЛИСТЬЯХ ПШЕНИЦЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

Ирина Александровна Нилова, Людмила Владимировна Топчиева, Александр Федорович Титов, Irina Nilova, Lyudmila Topchieva, Alexander Titov

Аннотация


Исследовали влияния высоких температур 37 и 43°С на образование в листьях проростков пшеницы активных форм кислорода (АФК), таких как супероксид анион-радикал и пероксид водорода, а также на активность антиоксидантного фермента супероксиддисмутазы (СОД) и накопление малонового диальдегида (МДА). Установлено, что действие на проростки пшеницы высоких температур 37°С и 43°С вызывает в клетках листьев генерацию супероксид анион-радикала. Причем, этот процесс развивался более интенсивно при действии на проростки температуры 37°С. Активность СОД в листьях проростков, находящихся при 37°С возрастала только на 2-е и 3-е сут, в то время как при температуре 43°С  она повышалась уже через 15 мин и продолжала возрастать до конца эксперимента. Показано, что образование пероксида водорода в листьях проростков, прогреваемых при 37°С по сравнению с контрольными растениями немного снижалось (через 15 мин и 24 ч). Действие температуры 43°С приводило к повышению продукции Н2О2 в листьях пшеницы, особенно это было выражено через 2-е и 3-е сут эксперимента. При температуре 43°С также было отмечено высокое содержание МДА, которое значительно превышало содержание МДА в листьях проростков, выращенных при температуре 37°C. Сделан вывод, что при температурах, способствующих росту теплоустойчивости и не вызывающих серьезных повреждений у растений, АФК могут рассматриваться не только как факторы повреждения биологических структур, но и как необходимые посредники в процессе активации адаптационных механизмов. В то время как при температурах, приводящих к необратимым повреждениям растений, интенсивная продукция АФК является, вероятно, одной из главных причин их повреждения и гибели.

 


Ключевые слова


пшеница; высокая температура; активные формы кислоро- да; супероксиддисмутаза; устойчивость

Полный текст:

PDF

Литература


Бараненко В. В. Супероксиддисмутаза в клетках растений // Цитология. 2006. Т. 48, №6. С. 465 – 474.

Колупаев Ю. Е. Карпец Ю. В. Формирование адаптивных реакций растений на действие абиотических стрессов. Киев: Основа, 2010. 350 с.

Креславский В. Д. Лось Д. А., Аллахвердиев С. И., Кузнецов Вл. В. Сигнальная роль активных форм кислорода при стрессе у растений // Физ. раст. 2012. Т. 59, №2. С. 163 – 178.

Нилова И. А., Титов А. Ф. Динамика теплоустойчивости проростков пшеницы в зависимости от интенсивности высокотемпературного воздействия // Труды КарНЦ РАН. 2014. № 5. С. 214 – 217.

Полесская О. Г. Растительная клетка и активные формы кислорода: учеб. пособие. для студентов биологов. М.: КДУ, 2007. 137 с.

Прадедова Е. В., Ишеева О. Д., Саляев Р. К. Ферменты антиоксидантной защиты вакуолей клеток корнеплодов столовой свеклы // Физ. раст. 2011. Т. 58. С. 40 – 48.

Шарова Е. И. Антиоксиданты растений: учеб. пособие. – СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та. 2016. 140 с.

Almeselmani M., Deshmukh P. S., Sairam R. K. High temperature stress tolerance in wheat genotypes: role of antioxidant defense enzymes // Acta Agron Hung. 2009. Vol. 57 (1). P. 1 – 14. doi:10.1556/AAgr.57.2009.1.1.

Apel K., Hirt H. Reactive oxygen species: metabolism, oxidative stress, and signaling transduction // Annu rev Plant biol. 2004. Vol. 55. P. 373 – 399. doi:10.1146/annurev.arplant.55.031903.141701.

Beauchamp Ch., Fridovich I. Superoxide dismutase improved assays and an assay applicable to acrylamide gels // Anal. Biochem. 1971. Vol. 44 (1). P. 276 – 287. doi:10.1016/0003-2697(71)90370-8.

Bradford M. M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding // Anal Biochem. 1976. Vol. 72 (1 – 2). P. 248 – 254. doi:10.1006/abio.1976.9999.

Chakraborty U., Pradhan D. High temperature-induced oxidative stress in Lens culinaris, role of antioxidants and amelioration of stress by chemical pre-treatments // Journal of Plant Interactions. 2011. Vol. 6, No.1. P. 43 – 52. doi: 10.1080/17429145.2010.513484.

Gill S., Tuteja N. Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants // Plant Physiol Biochem. 2010. Vol. 48. P. 909 – 930. doi: 10.1016/j.plaphy.2010.08.016.

Hossain M.A., Bhattacharjee S., Armin S.-M., Qian P., Xin W., Li H.-Y., Burritt D.J., Fujita M., Tran L.-S.P. Hydrogen peroxide priming modulates abiotic oxidative stress tolerance: insights from ROS detoxification and scavenging // Front Plant Sci. 2015. Vol.6. Art. 420. doi: 10.3389/fpls.2015.00420.

Jabs T., Dietrich R. A., Dangl J. L. Initiation of runaway cell death in an Arabidopsis mutant by extracellular superoxide // Science. 1996. Vol. 273. P. 1853 – 1856. doi:10.1126/science.273.5283.1853.

Khan N. A., Khan S., Naz N., Shah M., Irfanullah, Ahmad S., Sher H., Khan A. Effect of heat stress on growth, physiological and biochemical activities of wheat (Triticum aestivum L.) // Int. J. Biosci. 2017. Vol. 11 (4). P. 173 – 183. doi:10.12692/ijb/11.4.173-183.

Kolupaev Yu. Ye., Karpets Yu. V., Kosakivska I. V. The importance of reactive oxygen species in the induction of plant resistance to heat stress // Gen. Appl. Plant Physiology 2008. Special Issue, 34 (3-4). P. 251 – 266.

Kong W., Liu F., Zhang Ch., Zhang J., Feng H. Non-destructive determination of malondialdehyde (MDA) distribution in oilseed rape leaves by laboratory scale NIR hyperspectral imaging // Sci Rep. 2016. Vol. 6:35393. doi:10.1039/srep35393.

Kumar R.R., Goswami S., Sharma S.K., Singh K., Gadpayle K.A., Kumar N., Rai G. Singh K.,M., Rai R.D. Protection against heat stress in wheat involves change in cell membrane stability, antioxidant enzymes, osmolyte, H2O2 and transcript of heat shock protein // IJPPB. 2012. Vol. 4 (4). P. 83 – 91. doi:10.5897/IJPPB12.008.

Mansoor S., Naqvi F. N. Effect of heat stress on lipid peroxidation and antioxidant enzymes in mung bean (Vigna radiata L) seedlings // AJB. 2013. Vol. 12 (21). P. 3196 – 3203. doi: 10.5897/AJB12.2808.

Mei Y., Song S. Response to temperature stress of reactive oxygen species scavenging enzymes in the cross-tolerance of barley seed germination // J. Zhejiang Univ. Sci. 2010. Vol. 11, №12. P. 965 – 972. doi: 10.1631/jzus.B1000147.

Nahar K., Hasanuzzaman M., Alam Md. M., Rahman A., Mahmud J.-A., Suzuki T., Fujita M. Insights into spermine-induced combined high temperature and drought tolerance in mung bean: osmoregulation and roles of antioxidant and glyoxalase system // Protoplasma. 2017. Vol. 254. P. 445–460. doi:10.1007/s00709-016-0965-z.

Scarpeci E. T., Zanor M. I., Valle E. M. Investigation the role of plant heat shock proteins during oxidative stress. // Plant Signal Behav. 2008. Vol. 3. P. 856 – 857. doi:10.4161/psb.3.10.6021.

Stewart R. R. C., Bewley J. D. Lipid peroxidation associated with accelerated aging of soybean axes // Plant Physiol. 1980. Vol. 65. P. 245–248. doi:10.1104/pp.65.2.245.

Thordal-Christensen H., Zhang Z., Wei Y., Collinge D. B. Subcellular localization of H2O2 in plants. H2O2 accumulation in papillae and hypersensitive response during the barley-powdery mildew interaction. // Plant J. 1997. Vol. 11. P. 1187 – 1194. doi:10.1046/j.1365-313X.1997.11061187.x.

Volkov R. A., Panchuk I. I., Mullineaux Ph. M., Schoffl F. Heat stress-induced H2O2 is require for effective expression of heat gene in Arabidopsis // Plant Mol Biol. 2006. Vol. 61. P. 733 – 746. doi:10.1007/s11103-006-0045-4.

Wang X., Cai J., Liu F., Dai T., Cao W., Wallenweber B., Jiang D. Multiple heat priming enhances thermo-tolerance to a later high temperature stress via improving subcellular antioxidant activities in wheat seedlings // Plant Physiol Biochem. 2014. Vol. 74. P. 185-192. doi:10.1016/j.plaphy.2013.11.014.

Zhang X., Zhou Q., Wang X., Cai J., Dai T., Cao W., Jang D. Physiological and transcriptional analyses of induced post-anthesis thermo-tolerance by heat-shock pretreatment on germinating seeds of winter wheat // Environm. Exp. Bot. 2016. Vol. 131. P. 181–189. doi:10.1016/j.envexpbot.2016.08.002.

Zhao Q., Zhou L., Liu J., Cao Z., Du X., Huang F., Pan G., Cheng F. Involvement of CAT in the detoxification of HT-induced ROS burst in rice anther and its relation to pollen fertility // Plant Cell Reports. 2018. Vol. 37. P. 741–757. doi:10.1007/s00299-018-2264-y.

References in English

Baranenko V. V. Superoksiddismutaza v kletkakh rastenii [Superoxide dismutase in plant cells]. Tsitologiya [Cell and Tissue Biol.]. 2006. Vol. 48, no. 6. P. 465–474.

Kolupaev Yu. E., Karpets Yu. V. Formirovanie adaptivnykh

reaktsii rastenii na deistvie abioticheskikh stressov [Formation of adaptive reactions to abiotic stress]. Kiev: Osnova, 2010. 350 p.

Kreslavskii V. D., Los’ D. A., Allakhverdiev S. I., Kuznetsov Vl. V. Signal’naya rol’ aktivnykh form kisloroda pri stresse u rastenii [Signaling role of reactive oxygen species in plants under stress]. Fiz. rast [Russ. J. Plant Physiol.]. 2012. Vol. 59, no. 2. P. 163–178.

Nilova I. A., Titov A. F. Dinamika teploustoichivosti prorostkov pshenitsy v zavisimosti ot intensivnosti vysokotemperaturnogo vozdeistviya [The dynamics of thermotolerance in wheat plants depending on the intensity of high temperature influence]. Trudy KarNTs RAN [Trans. KaRC RAS]. 2014. No. 5. P. 214–217.

Polesskaya O. G. Rastitel’naya kletka i aktivnye formy kisloroda: ucheb. posobie dlya studentov-biologov [Plant cell and reactive oxygen species: a study guide for biology students]. Moscow: KDU, 2007. 137 p.

Pradedova E. V., Isheeva O. D., Salyaev R. K. Fermenty

antioksidantnoi zashchity vakuolei kletok korneplodov stolovoi svekly [Antioxidant defense enzymes in cell vacuoles of red beet roots]. Fiz. Rast. [Russ. J. Plant Physiol.]. 2011. No. 58. P. 40–48.

Sharova E. I. Antioksidanty rastenii: ucheb. posobie[Antioxidants of plants: a study guide]. St. Petersburg.: SPbGU, 2016. 140 p.

Almeselmani M., Deshmukh P. S., Sairam R. K. High temperature stress tolerance in wheat genotypes: role of antioxidant defense enzymes. Acta Agro. Hung. 2009. Vol. 57(1). P. 1–14. doi: 10.1556/AAgr. 57.2009.1.1

Apel K., Hirt H. Reactive oxygen species: metabolism, oxidative stress, and signaling transduction. Annu. Rev. Plant Biol. 2004. Vol. 55. P. 373–399. doi:

1146/annurev. arplant. 55.031903.141701

Beauchamp Ch., Fridovich I. Superoxide dismutase improved assays and an assay applicable to acrylamide gels. Anal. Biochem. 1971. Vol. 44(1). P. 276–287. doi:

1016/0003-2697(71)90370-8

Bradford M. M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal. Biochem. 1976. Vol. 72(1-2). P. 248–254. doi: 10.1006/abio.1976.9999

Chakraborty U., Pradhan D. High temperature-induced oxidative stress in Lens culinaris, role of antioxidants and amelioration of stress by chemical pre-treatments. J. Plant Interact. 2011. Vol. 6, no. 1. P. 43–52. doi: 10.1080/17429145.2010.513484

Gill S., Tuteja N. Reactive oxygen species and antioxidant

machinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant Physiol Biochem. 2010. Vol. 48. P. 909–930. doi: 10.1016/j.plaphy.2010.08.016

Hossain M. A., Bhattacharjee S., Armin S.‑M., Qian P., Xin W., Li H.‑Y., Burritt D. J., Fujita M., Tran L.‑S. P. Hydrogen peroxide priming modulates abiotic oxidative stress tolerance: insights from ROS detoxification and scavenging. Front Plant Sci. 2015. Vol. 6. Art. 420. doi: 10.3389/fpls.2015.00420

Jabs T., Dietrich R. A., Dangl J. L. Initiation of runaway cell death in an Arabidopsis mutant by extracellular superoxide. Science. 1996. Vol. 273. P. 1853–1856. doi:10.1126/science.73.5283.1853

Khan N. A., Khan S., Naz N., Shah M., Irfanullah, Ahmad S., Sher H., Khan A. Effect of heat stress on growth, physiological and biochemical activities of wheat (Triticum aestivum L.). Int. J. Biosci. 2017. Vol. 11(4). P. 173–183. doi: 10.12692/ijb/11.4.173-183

Kolupaev Yu. Ye., Karpets Yu. V., Kosakivska I. V. The importance of reactive oxygen species in the induction of plant resistance to heat stress. Gen. Appl. Plant Physiology. 2008. Special Iss. 34(3–4). P. 251–266.

Kong W., Liu F., Zhang Ch., Zhang J., Feng H. Non-destructive determination of malondialdehyde (MDA) distribution in oilseed rape leaves by laboratory scale NIR hyperspectral imaging. Sci. Rep. 2016. Vol. 6:35393. doi: 10.1039/srep35393

Kumar R. R., Goswami S., Sharma S. K., Singh K., Gadpayle K. A., Kumar N., Rai G. K., Singh M., Rai R. D. Protection against heat stress in wheat involves change in cell membrane stability, antioxidant enzymes, osmolyte, H2O2 and transcript of heat shock protein. IJPPB. 2012. Vol. 4(4). P. 83–91. doi: 10.5897/IJPPB12.008

Mansoor S., Naqvi F. N. Effect of heat stress on lipid peroxidation and antioxidant enzymes in mung bean (Vigna radiata L) seedlings. AJB. 2013. Vol. 12(21). P. 3196–3203. doi: 10.5897/AJB12.2808

Mei Y., Song S. Response to temperature stress of reactive oxygen species scavenging enzymes in the cross-tolerance of barley seed germination. J. Zhejiang Univ. Sci. 2010. Vol. 11, no. 2. P. 965–972. doi: 10.1631/jzus.B1000147

Nahar K., Hasanuzzaman M., Alam Md. M., Rahman A., Mahmud J.‑A., Suzuki T., Fujita M. Insights into spermine-induced combined high temperature and drought tolerance in mung bean: osmoregulation and roles of antioxidant and glyoxalase system. Protoplasma. 2017. Vol. 254. P. 445–460. doi: 10.1007/s00709‑016‑0965‑z

Scarpeci E. T., Zanor M. I., Valle E. M. Investigation the role of plant heat shock proteins during oxidative stress. Plant Signal Behav. 2008. Vol. 3. P. 856–857. doi:10.4161/psb.3.10.6021

Stewart R. R. C., Bewley J. D. Lipid peroxidation associated

with accelerated aging of soybean axes. Plant Physiol. 1980. Vol. 65. P. 245–248. doi: 10.1104/pp.65.2.245

Thordal-Christensen H., Zhang Z., Wei Y., Collinge D. B. Subcellular localization of H2O2 in plants. H2O2 accumulation in papillae and hypersensitive response during the barley-powdery mildew interaction. Plant J. 1997. Vol. 11. P. 1187–1194. doi: 10.1046/j.1365-313X.1997.11061187.x

Volkov R. A., Panchuk I. I., Mullineaux Ph. M., Schoffl F. Heat stress-induced H2O2 is require for effective expression of heat gene in Arabidopsis. Plant Mol. Biol. 2006. Vol. 61. P. 733–746. doi: 10.1007/s11103‑006‑0045‑4

Wang X., Cai J., Liu F., Dai T., Cao W., Wallenweber B., Jiang D. Multiple heat priming enhances thermotolerance to a later high temperature stress via improving subcellular antioxidant activities in wheat seedlings. Plant Physiol. Biochem. 2014. Vol. 74. P. 185–192. doi: 10.1016/j.plaphy.2013.11.014

Zhang X., Zhou Q., Wang X., Cai J., Dai T., Cao W., Jang D. Physiological and transcriptional analyses of induced post-anthesis thermo-tolerance by heat-shock pretreatment on germinating seeds of winter wheat. Environ. Exp. Bot. 2016. Vol. 131. P. 181–189. doi: 10.1016/j.envexpbot.2016.08.002

Zhao Q., Zhou L., Liu J., Cao Z., Du X., Huang F., Pan G., Cheng F. Involvement of CAT in the detoxification of HT-induced ROS burst in rice anther and its relation to pollen fertility. Plant Cell Reports. 2018. Vol. 37. P. 741–757. doi:10.1007/s00299‑018‑2264‑y




DOI: http://dx.doi.org/10.17076/eb1109

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


© Труды КарНЦ РАН, 2014-2019