РАЗДЕЛЬНОЕ И СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ  И КАДМИЯ НА НЕКОТОРЫЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ  ПОКАЗАТЕЛИ ПШЕНИЦЫ

Юлия Валерьевна Венжик; Александр Федорович Титов; Екатерина Станиславовна Холопцева; Вера Викторовна Таланова; Yulia Venzhik; Alexandr Titov; Ekaterina Kholoptseva; Vera Talanova

doi:10.17076/eb248

РАЗДЕЛЬНОЕ И СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И КАДМИЯ НА НЕКОТОРЫЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПШЕНИЦЫ

Юлия Валерьевна Венжик, Александр Федорович Титов, Екатерина Станиславовна Холопцева, Вера Викторовна Таланова, Yulia Venzhik, Alexandr Titov, Ekaterina Kholoptseva, Vera Talanova

Аннотация

Изучали динамику ряда показателей водного обмена, фотосинтетической активности и холодоустойчивости у пшеницы (Triticum aestivum L.) при раздельном и совместном действии низкой закаливающей температуры 4°С и кадмия (100 мкМ). Установлено, что под влиянием указанных стресс-факторов в клетках и тканях пшеницы происходит комплекс физиологических изменений, динамика которых зависит от стрессора. В частности, низкая температура вызывает у пшеницы ряд адаптивных изменений, способствующих формированию повышенной холодоустойчивости, а именно: увеличение размеров клеток мезофилла, числа хлоропластов в них и содержания хлорофиллов в светособирающем комплексе, стабилизацю скорости фотосинтеза, транспирации и устьичной проводимости листьев, снижение оводненности тканей. В присутствии кадмия по мере увеличения продолжительности его действия снижается холодоустойчивость листьев и развиваются токсические эффекты на растения: прекращается рост клеток мезофилла, в них уменьшается число хлоропластов, в листьях уменьшается содержание фотосинтетических пигментов, появляются признаки хлороза. При совместном действии этих стресс-факторов кадмий препятствует развитию некоторых адаптивных реакций, вызываемых действием холода (увеличение размеров клеток, числа хлоропластов в них), а низкая температура частично нивелирует токсическое влияние кадмия на пигментный аппарат растений и предотвращает развитие хлороза. Таким образом, результаты проведенных исследований показывают, что реакция растений пшеницы на совместное действие низкой температуры и кадмия существенно отличается от их реакции на действие тех же стресс-факторов по отдельности.

Ключевые слова

Triticum aestivum L.; низкая температура; кадмий; водный обмен; фотосинтетический аппарат; холодоустойчивость

Полный текст:

PDF

Литература

Балагурова Н. И., Дроздов С. Н., Хилков Н. И. Метод определения устойчивости растительных тканей к промораживанию. Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1982. 6 с.

Батова Ю. В., Казнина Н. М., Лайдинен Г. Ф., Титов А. Ф. Влияние кадмия на некоторые физиологические процессы у растений тимофеевки луговой (Phleum pretense L.) // Труды КарНЦ РАН. 2013. № 3. С. 52 – 58.

Венжик Ю. В., Титов А. Ф., Таланова В. В., Фролова С. А., Таланов А. В., Назаркина Е. А. Влияние пониженной температуры на устойчивость и функциональную активность фотосинтетического аппарата пшеницы // Известия РАН. Сер. биол. 2011. № 2. C. 171 – 177.

Венжик Ю. В., Титов А. Ф., Таланова В. В., Мирославов Е. А., Котеева Н. К. Структурно-функциональная реорганизация фотосинтетического аппарата растений пшеницы при холодовой адаптации // Цитология. 2012. Т. 54. № 12. C. 916 – 924.

Гавриленко В. Ф., Жигалова Т. В. Большой практикум по фотосинтезу. М.: Академия, 2003. 241 с.

Гармаш Е. В., Головко Т. К. Влияние кадмия на рост и дыхание ячменя при двух температурных режимах выращивания // Физиология растений. 2009. Т. 56. № 3. С. 382 – 387.

Казнина Н. М., Титов А. Ф. Влияние кадмия на физиологические процессы и продутивность растений семейства Poaceae // Успехи совр. биол. 2013. Т. 133. № 6. С. 588 – 603.

Казнина Н. М., Титов А. Ф., Лайдинен Г. Ф., Батова Ю. В. Влияние кадмия на водный обмен растений ячменя // Труды КарНЦ РАН. 2011. № 3. С. 57 – 61.

Лось Д. А. Молекулярные механизмы холодоустойчивости растений // Вестник РАН. 2005. Т. 75. № 4. С. 338 – 345.

Лукаткин А. С., Башмаков Д. И., Кипайкина Н. В. Протекторная роль обработки тидиазуроном проростков огурца при действии тяжелых металлов и охлаждения // Физиология растений. 2003. Т. 50. № 3. С. 340 – 348.

Мирославов Е. А. Структурная адаптация растений к холодному климату // Бот. журн. 1994. Т. 79. № 2. С. 20 – 26.

Радюкина Н. Л., Тоайма В. И., Зарипова Н. Р. Участие низкомолекулярных антиоксидантов в кросс-адаптации лекарственных растений к последовательному действию UV-B облучения и засоления // Физиология растений. 2012. Т. 59. № 1. С. 88 – 88.

Репкина Н. С. Эколого-физиологическое исследование механизмов адаптации растений пшеницы к раздельному и совместному действию низкой температуры и кадмия: автореф. дис. … канд. биол. наук. Петрозаводск., 2014. 24 с.

Репкина Н. С., Таланова В. В., Топчиева Л. В., Батова Ю. В., Титов А. Ф. Влияние кадмия на экспрессию генов транскрипционных факторов CBF1 и DREB1 в листьях проростков пшеницы // Труды КарНЦ РАН. 2012. № 2. С. 113 – 118.

Репкина Н. С., Таланова В. В., Титов А. Ф., Букарева И. В. Реакция растений пшеницы (Triticum aestivum L.) на раздельное и совместное действие низкой температуры и кадмия // Труды КарНЦ РАН. 2014. № 5. С. 133 – 139.

Титов А. Ф., Казнина Н. М., Таланова В. В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: КарНЦ РАН. 2014. 194 с.

Трунова Т. И. Растение и низкотемпературный стресс // Тимирязевские чтения.

Т. 64. М.: Наука, 2007. 54 с.

Aghaee A., Moradi F., Zare-Maivan H., Zarinkamar F., Pour Iradoost H., Sharifi P. Physiological responses of two rice (Oriza sativa L.) genotypes to chilling stress at seedling stage // Afr J Biotechnol. 2011. Vol. 10. N 39. P. 7317 – 7621.

Beck E. H., Fettig S., Knake C., Hartig K., Bhattaray T. Specific and unspecific responses of plants to cold and drought stress // J Biosci. 2007. Vol. 32. N 3. P. 501 – 510.

Bichnoi N. R., Sheoran I. S., Singh R. Influence of cadmium and nickel on photosynthesis and water relations in wheat leaves of different insertion level // Photosynthetica. 1993. Vol. 28. N 3. P. 473 – 479.

Ḉakirlar H., Cicek N., Georgieva K., Dogru A. Velichkova M. NaCl induced cross-acclimation to UV-B radiation in four Barley (Hordeum vulgare L.) cultivars // Acta Physiol Plant. 2008. Vol. 30. N 4. P. 561 – 567.

Cheng S., Yang Z., Wang M., Song J., Sui N., Fan H. Salinity improves chilling resistance in Suaeda salsa // Acta Physiol Plant. 2014. Vol. 36. N 7. P. 1823 – 1830.

Dodd I. C., He J., Turnbull C. G. N., Lee S. K., Critchley C. The influence of supra-optimal root-zone temperatures on growth and stomatal conductance in Capsicum annuum L. // J Exp Bot. 2000. Vol. 51. N 343. P. 239 – 248.

Flexas J., Medrano H. Drought-inhibition of photosynthesis in C3 plants: stomatal and non-stomatal limitations revisited // Ann Botany. 2002. Vol. 89. N 2. P. 183 – 189.

Hasan S. A., Fariduddin Q., Ali B., Hayat B. A., Ahmad A. Cadmium: toxicity and tolerance in plants // J. Environ. Biol. 2009. Vol. 30. N 2. P. 165 – 174.

Hoseini S. M., Zargari F. Cadmium in plants: a review // IJFAS. 2013. Vol. 2. N 17. P. 579 – 581.

Janmohammadi M., Enayati V., Sabaghnia N. Impact of cold acclimation, de-acclimation and re-acclimation on carbohydrate content and antioxidant enzyme activities in spring and winter wheat // Icel Agric Sci. 2012. Vol. 25. N 1. P. 3 – 11.

Klíma M., Vítámvás P., Selenková S., Vyvadilová M., Prášil I. T. Dehydrin and proline content in Brassica napus and B. carinata under cold stress at two irradiances // Biol Plant. 2012. Vol. 56. N 1. P. 57 – 61.

Lee S. H., Singh A. D., Chung G. C., Ahn S. J., Noh E. K., Stendie E. Exposure of roots of cucumber (Cucumus sativus) to low temperature severely reduced root pressure, hydraulic conductivity and active transport of nutrients // Physiol Plant. 2004. Vol. 120. N. 3. P. 413 – 422.

Lichlenthaler H. K. Chlorophylls and carotenoids – pigments of photosynthetic biomembranes // Methods enzymol. 1987. Vol. 148. P. 350 – 382.

Lichtenthaler H. K., Wellburn A. L. Determination of total carotenoids and chlorophylls a and b of leaf exacts in different solvents // Biochem. Soc. Trans. 1983. Vol. 11. N 5. P. 591 – 593.

Lu C. M., Qiu N. W., Wang B. C., Zhang J. H. Salinity treatment shows no effects on photosystem II photochemistry, but increases the resistance of photosystem II to heat stress in halophyte Suaeda salsa // J Exp Bot. 2003. Vol. 54. N 383. P. 851 – 860.

Ma L. J., Yu C. M., Li X. M., Li Y. Y., Wang L. L., Ma C. Y., Tao S. Y., Bu N. Pretreatment with NaCl induced tolerance of rice seedlings to subsequent Cd or Cd+NaCl stress // Biol plantarum. 2012. Vol. 57. N 3. P. 567–570.

Mahadjan S., Tuteja N. Cold, salinity and drought stresses // Arch Biochem Biophys. 2005. Vol. 444. N 2. P. 139 – 158.

Martzner S., Comstock J. The temperature dependence of shoot hydraulic resistance: implications for stomatal behavior and hydraulic limitation // Plant Cell Environ. 2001. Vol. 24. N 12. P. 1299 – 1307.

Melkonian J., Yu L.-X., Setter T. L. Chilling responses of maize (Zea mays L.) seedlings: root hudraulic conductance, abscisic acid, and stomatal conductance // J Exp Bot. 2004. Vol. 55. N 403. P. 1751 – 1760.

Péres-Lópes D., Gijón M. C., Martino J., Moriana A. Water relation response to soil chilling of six olive (Oleae europaea L.) cultivars with different frost resistance // SJAR. 2010. Vol. 8. N 3. P 780 – 789.

Prasad S.M., Dwivedi R., Zeeshan M., Singh R. UV-B and cadmium induced changes in pigments, photosynthetic electron transfer activity, antioxidant levels and antioxidative enzyme of Riccia sp. // Acta Physiol Plant. 2004. Vol. 26. N 4. P. 423 – 430.

Reynolds M. P., Mujeeb-Kasi A., Sawkins M. Prospects for utilizing plante-adaptive mechanisms to improve wheat and other crops in drouht- and salinity-prone environment // Ann Appl Biol. 2005. Vol. 146. N 2. P. 239 – 259.

Ruelland E., Zachowski A. How plants sense temperature // Environ. Exp. Bot. 2010. Vol. 69. N 3. P. 225 – 232.

Streb P., Aubert S., Gout El., Feierabend J., Bligny R. Cross tolerance to heavy-metal and cold-induced photoinhibition in leaves of Pisum sativum acclimated to low temperature // Physiol. Mol. Biol. Plants. 2008. Vol. 14. N 3. P. 185 – 193.

Theocharis A., Clément Ch., Barka E. A. Physiological and molecular changes in plants grown at low temperature // Planta. 2012. Vol. 235. N 6. P. 1091 – 1105.

Tran T. A., Popova L. P. Function and toxicity of cadmium in plants: recent advances and future prospects // Turk. J. Bot. 2013. Vol. 37. N 1. P. 1 – 13.

Uraguchi S., Mori S., Kuramata M., Kawasaki A., Arao T., Ishikawa S. // Root-to-shoot Cd translocation via the xylem is the major process determining shoot and grain cadmium accumulation in rice // J Exp Bot. 2009. Vol. 60. N 9. P. 2677 – 2688.

Vassilev A., Berova M., Zlatev Z. Influence of Cd2+ on growth, chlorophyll content, and water relations in young barley plants // Biol. Plant. 1998. Vol. 41. N 4. P. 601 – 606.

Verslues P. E., Agarwar M., Katiyar-Agarwal S., Zhu J., Zhu J.-K. Methods and concepts in quantifying resistance to drought, salt and freezing, abiotic stresses that effects plant water status // Plant J. 2006. Vol. 45. N 4. P. 523 – 539.

Wang Y., Jiang X., Li K., Wu M., Zhang R., Zhang L., Chen G. Photosynthetic responses of Oryza sativa L., seedlings to cadmium stress: physiological, biochemical and ultrastructural analyses // Biometals. 2014. Vol. 27. N 2. P. 389 – 401.

Wilkinson S., Clephan A. L., Davies W. J. Rapid low temperature-induced stomatal closure occurs in cold-tolerant Commelina communis leaves but not in cold sensitive tobacco leaves, via a mechanism that involves apoplastic calcium but not abscisic acid // Plant Physiol. 2001. Vol 126. N 4. P. 1566 – 1578.

Yu X., Peng Y. H., Zhang M. H., Shao Y. J., Su W. A., Tang Z. C. Water relations and an expression analysis of plasma membrane intrinsic proteins in sensitive and tolerant rice during chilling and recovery // Cell Research. 2006. Vol. 16. N 6. P. 599 – 608.

REFERENCES in ENGLISH

Balagurova N. I., Drozdov S. N., Khilkov N. I. Metod

opredeleniya ustoichivosti rastitel’nykh tkanei k pro-

morazhivaniyu [Method of determination of tolerance of

plant tissues to freezing]. Petrozavodsk: Karel’skii filial

AN SSSR, 1982. 6 p.

Batova Yu. V., Kaznina N. M., Laidinen G. F.,

Titov A. F. Vliyanie kadmiya na nekotorye fiziologicheskie protsessy u rastenii timofeevki lugovoi (Phleum pretense L.) [Effect of cadmium on some physiological processes in timothy (Phleum pretense L.)]. Trudy KarNTs RAN (Transactions of KarRC RAS]. 2013. No 3. P. 52–58.

Gavrilenko V. F., Zhigalova T. V. Bol’shoi praktikum

po fotosintezu. [Large practicum in photosynthesis].

Moscow: Akademiya, 2003. 241 p.

Garmash E. V., Golovko T. K. Effect of cadmium on

growth and respiration of barley plants grown under

two temperature regimes. Russ. J. Plant Physl. 2009.

Vol. 56, No 3. P. 343–347.

Kaznina N. M., Titov A. F. Vliyanie kadmiya na fizio -

logicheskie protsessy i produtivnost’ rastenii semeistva

Poaceae [The influence of cadmium on physiological

processes and productivity of Poaceae Plants]. Uspekhi

sovr. biol. [Advances in Current Biol.]. 2013. Vol. 133,

No 6. P. 588–603.

Kaznina N. M., Titov A. F., Laidinen G. F., Bato-

va Yu. V. Vliyanie kadmiya na vodnyi obmen rastenii

yachmenya [Effect of cadmium on water relations in bar-

ley plants]. Trudy KarNTs RAN [Transactions of KarRC

RAS]. 2011. No 3. P. 57–61.

Los’ D. A. Molekulyarnye mekhanizmy kholodous-

toichivosti rastenii [Molecular mechanisms of cold to-

lerance in plants]. Vestnik RAN [Herald of RAS]. 2005.

Vol. 75, No 4. P. 338–345.

Lukatkin A. S., Bashmakov D. I., Kipaikina N. V. Pro-

tective role of thidiazuron treatment on cucumber

seedlings exposed to heavy metals and chilling. Russ.

J. Plant. Physl. 2003. Vol. 50, No 3. P. 305–307.

Miroslavov E. A. Strukturnaya adaptatsiya rastenii

k kholodnomu klimatu [Structural adaptation of plants to

cold climate]. Bot. zhurn. [Bot. J.]. 1994. Vol. 79, No 2.

P. 20–26.

Radyukina N. L., Zaripova N. R., Toaima V. I. M. The

involvement of low-molecular antioxidants in cross-

adaptation of medicine plants to successive action of

UV-B radiation and salinity. Russ. J. Plant Physl. 2012.

Vol. 59, No 1. P. 71–78.

Repkina N. S. Ekologo-fiziologicheskoe issledovanie

mekhanizmov adaptatsii rastenii pshenitsy k razdel’no-

mu i sovmestnomu deistviyu nizkoi temperatury i kad-

miya [Ecological and physiological study of adaptation

mechanisms to separate and combined effects of low

temperature and cadmium in wheat]: PhD Diss. (Biol.).

Petrozavodsk, 2014. 24 p.

Repkina N. S., Talanova V. V., Topchieva L. V., Ba-

tova Yu. V., Titov A. F. Vliyanie kadmiya na ekspres-

siyu genov transkriptsionnykh faktorov CBF1 i DREB1

v list’yakh prorostkov pshenitsy [Effect of cadmium on

gene expression of the transcription factors CBF1 and

DREB1 in wheat seedling leaves]. Trudy KarNTs RAN

[Transactions of KarRC RAS]. 2012. No 2. P. 113–118.

Repkina N. S., Talanova V. V., Titov A. F., Buka-

reva I. V. Reaktsiya rastenii pshenitsy (Triticum aesti-

vum L.) na razdel’noe i sovmestnoe deistvie nizkoi tem-

peratury i kadmiya [�heat response to separate and

combined impact of low temperature and cadmium].

Trudy KarNTs RAN [Transactions of KarRC RAS]. 2014.

No 5. P. 133–139.

Rogozhin V. V., Rogozhina T. V. Praktikum po fiziologii

i biokhimii rastenii [Practical course on plant physiology

and biochemistry]. St. Petersburg: GIORD, 2013. 352 p.

Titov A. F., Kaznina N. M., Talanova V. V. Tyazhelye

metally i rasteniya [Heavy metals and plants]. Petroza-

vodsk: KarRC of RAS, 2014. 194 p.

Trunova T. I. Rastenie i nizkotemperaturnyi stress

[Plants and low-temperature stress]. Timiryazevskie

chteniya [Timiryazev Lecture]. Vol. 64. Moscow: Nauka,

54 p.

Venzhik Yu. V., Titov A. F., Talanova V. V., Frolo-

va S. A., Talanov A. V., Nazarkina Ye. A. Influence of low -

ered temperature on the resistance and functional activi-

ty of the photosynthetic apparatus of wheat plants. Biol.

Bul. 2011. Vol. 38, No 2. P. 132–137.

Venzhik Yu. V., Titov A. F., Talanova V. V., Miro-

slavov E. A., Koteeva N. K. Structural and functional re-

organization of photosynthetic apparatus in cold adapta-

tion of wheat plants. Cell Tissue Biol. 2013. Vol. 7, No 2.

P. 168–176.