ДИНАМИКА АКТИВНОСТИ СУПЕРОКСИДДИСМУТАЗЫ И ЭКСПРЕССИИ КОДИРУЮЩИХ ЕЕ ГЕНОВ В ЛИСТЬЯХ ПШЕНИЦЫ ПРИ ХОЛОДОВОЙ АДАПТАЦИИ
Аннотация
Исследовали влияние низкой закаливающей температуры (4°С) на динамику активности фермента супероксиддисмутазы (СОД) и накопление транскриптов кодирующих ее генов – FeSOD и MnSOD – в листьях семидневных проростков озимой пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Московская 39. Показано, что уже через 1 ч от начала действия закаливающей температуры 4°С происходит достоверное увеличение холодоустойчивости проростков пшеницы, которая затем продолжает монотонно возрастать, достигая максимума на 7-е сутки эксперимента. Процесс холодовой адаптации проростков пшеницы сопровождался повышением активности СОД в листьях растений пшеницы, фиксируемым уже через 1 ч от ее начала. С увеличением продолжительности холодового воздействия наблюдалось дальнейшее повышение активности СОД, которая достигала максимума на 7-е сутки эксперимента. Помимо этого установлено, что увеличение общей активности СОД сопровождается накоплением транскриптов генов FeSOD и MnSOD в листьях проростков. Причем повышение содержания мРНК гена FeSOD происходило значительно раньше (через 1 ч от начала воздействия низкой температуры 4°С), чем гена MnSOD (через 1 сутки) и в течение всего периода холодового воздействия уровень содержания мРНК гена FeSOD был выше, чем гена MnSOD. На основании совокупности полученных данных сделан вывод о том, что возрастание активности СОД и усиление экспрессии генов FeSOD и MnSOD в условиях действия низкой закаливающей температуры обеспечивает эффективную нейтрализацию супероксид радикала и является важным элементом процесса адаптации растений озимой пшеницы к холоду.
Ключевые слова
Полный текст:
PDFЛитература
Балагурова Н. И., Дроздов С. Н., Хилков Н. И. Метод определения устойчивости растительных тканей к промораживанию. Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1982. 6 с.
Бараненко В. В. Супероксиддисмутаза в клетках растений // Цитология. 2006. Т. 48, № 6. С. 465–474.
Загоскина Н.В., Олениченко Н. А., Назаренко Л. В. Влияние кратковременного действия гипотермии на активность антиоксидантных ферментов и содержание фенольных соединений в листьях проростков яровой и озимой пшеницы // Вест. Харьк. Нац. Аграр. Универ. Сер. Биол. 2011. Вып. 3, № 24. С. 25–34.
Зайцев Г. Н. Математическая статистика в экспериментальной ботанике. М.: Наука, 1984. 424 с.
Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В. Формирование адаптивных реакций растений на действие абиотических стрессоров. К.: Основа, 2010. 352 с.
Нарайкина Н. В., Синькевич М. С., Демин И. Н., Селиванов А. А., Мошков И. Е., Трунова Т. И. Изменения активности изоформ супероксиддисмутазы у растений картофеля дикого типа и трансформированных геном ∆12-ацил-липидной десатуразы при низкотемпературной адаптации // Физиология растений. 2014. Т. 61, № 3. С. 359–366. doi: 10.7868/S0015330314030099
Синькевич М. С., Селиванов А. А., Антипина О. В., Кропочева Е. В., Алиева Г. П., Суворова Т. А., Астахова Н. В., Мошков И. Е. Активность антиоксидантных ферментов у растений Arabidopsis thaliana при закаливании к гипотермии // Физиология растений. 2016. Т. 63, № 6. С. 777–782. doi: 10.7868/S0015330316060105
Топчиева Л. В., Таланова В. В., Титов А. Ф., Нилова И. А., Репкина Н. С., Венжик Ю. В. Влияние низких и высоких закаливающих и повреждающих температур на уровень транскриптов гена BI-1 у пшеницы // Труды КарНЦ РАН. 2015. № 12. С. 45–54. doi:10.17076/eb236
Фенько А.А., Репкина Н.С., Нилова И.А., Таланова В.В. Влияние низких температур на содержание низкомолекулярных антиоксидантов у различающихся по холодоустойчивости растений // Растения в условиях глобальных и локальных природно-климатических и антропогенных воздействий: тезисы докладов всероссийской научной конференции с международным участием и школы молодых ученых. VIII съезда Общества физиологов растений России (Петрозаводск, 21–26 сент. 2015 г.). Петрозаводск, 2015. С. 554.
Хочачка П., Сомеро Дж. Стратегия биохимической адаптации. М.: Мир, 1977. 400 с.
Airaki M., Leterrier M., Mateos R. M., Valderrama R., Chaki M., Barroso J.B., Del Río L. A., Palma J. M., Corpas F. J. Metabolism of reactive oxygen species and reactive nitrogen species in pepper (Capsicum annuum L.) plants under low temperature stress // Plant Cell Environ. 2012. V. 35. P. 281–295. doi: 10.1111/j.1365-3040.2011.02310.x
Asthir B., Koundal A., Bains N. S. Putrescine modulates antioxidant defense response in wheat under high temperature stress // Biol. Plant. 2012. V. 56. P. 757–761. 10.1007/s10535-012-0209-1
Baek K-H., Skinner D. Z. Differential expression of manganese superoxide dismutase sequence variants in near isogenic lines of wheat during cold acclimation // Plant Cell Rep. 2006. V. 25. P. 223–230. doi: 10.1007/s00299-005-0073-6
Baxter A., Mittler R., Suzuki N. ROS as key players in plant stress signalling // J. Exp. Bot. 2014. V. 65. P. 1229–1240. doi: 10.1093/jxb/ert375
Beauchamp Ch., Fridovich I. Superoxide dismutase improved assays and an assay applicable to acrylamide gels // Anal. Biochem. 1971. V 44. P. 276–287. doi: 10.1016/0003-2697(71)90370-8.
Bowler C., Van Camp W., Van Montagu M., Inze D. Superoxide dismutase in plants // Critical Rev. Plant Sci. 1994. V. 13. P. 199–218.
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. V. 72. P. 248–254.
Chen W-L., Yang W-J., Lo H-F., Yeh D-M. Physiology, anatomy, and cell membrane thermostability selection of leafy radish (Raphanus sativus var. oleformis Pers.) with different tolerance under heat stress // Scient. Hortic. 2014. V. 179. P. 367–375. doi: 10.1016/j.scienta.2014.10.003
Dandan L., Dongmei Z., Peng W., Nanyan W., Xiangdong Z. Subcellular Cd distribution and its correlation with antioxidant enzymatic activities in wheat (Triticum aestivum) roots // Ecotoxic. Environ. Safety. 2011. V. 74. P. 874–881. doi: 10.1016/j.ecoenv.2010.12.006
Demidchik V. Mechanisms of oxidative stress in plants: From classical chemistry to cell biology // Envir. Exp. Bot. 2015. V. 109. P. 212–228. doi: 10.1016/j.envexpbot.2014.06.021
Gao J-J., Li T., Yu X-C. Gene expression and activities of SOD in cucumber seedlings were related with concentrations of Mn2+, Cu2+, or Zn2+ under low temperature stress // Agric. Sci. China. 2009. V. 8. P. 678–684.
Goswami S., Das S. Copper phytoremediation potential of Calandula officinalis L. and the role of antioxidant enzymes in metal tolerance // Ecotoxic. Environ. Safety. 2016. V. 126. P. 211–218. doi: 10.1016/j.ecoenv.2015.12.030
Inostroza-Blancheteau C., Acevedo P., Loyola R., Arce-Johnson P., Alberdi M., Reyes-Díaz M. Short-term UV-B radiation affects photosynthetic performance and antioxidant gene expression in highbush blueberry leaves // Plant Physiol. Biochem. 2016. V. 107. P. 301–309. doi: 10.1016/j.plaphy.2016.06.019
Kang H-M., Saltvett M. E. Activity of enzymatic antioxidant defense systems in chilled and heat shocked cucumber seedlings radicles // Physiol. Plant. 2001. V. 113. P. 548–556.
Kazemi-Shahandashti S-S., Maali-Amiri R., Zeinali H., Khazaei M., Talei A., Ramezanpour S. Effect of short-term cold stress on oxidative damage and transcript accumulation of defense-related genes in chickpea seedlings // J. Plant Physiol. 2014. V. 171. P. 1106–1116. doi: 10.1016/j.plph.2014.03.020
Lado J., Rodrigo M. J., López-Climent M., Gómez-Cadenas A., Zacarías L. Implication of the antioxidant system in chilling injury tolerance in the red peel of grapefruit // Posthar. Biol. Technol. 2016. V. 111. P. 214–223. doi: 10.1016/j.posthharvbio.2015.09.013
Li X., Cai J., Liu F., Dai T., Cao W., Jiang D. Cold priming drives the sub-cellular antioxidant systems to protect photosynthetic electron transport against subsequent low temperature stress in winter wheat // Plant Physiol. Biochem. 2014. V. 82. P. 34–43. doi: 10.1016/j.plaphy.2014.05.005
Mandhania S., Madan S., Sawhney V. Antioxidant defense mechanism under salt stress in wheat seedlings // Biol. Plant. 2006. V. 50. P. 227–231.
Oufdou K., Benidire L., Lyubenova L., Daoui K., Fatemi Z. E. A., Schröder K. Enzymes of glutathione-ascorbate cycle in leaves and roots of rhizobia-inoculated faba bean plants (Vicia faba L.) under salinity stress // Europ. J. Soil Biol. 2014. V. 60. P. 98–103. doi: 10.1016/j.ejsobi.2013.11.002
Pal R. S., Agrawal P., Bhatt J. C. Molecular approach towards the understanding of defensive systems against oxidative stress on plant: A critical review // J. Pharm. Sci. Rev. Res. 2013. V. 22. P. 131–138.
Perry J. J. P., Shin D. S., Getzoff E. D., Tainer J. A. The structural biochemistry of the superoxide dismutases // Biochem. Biophys. Acta. 2010. V. 1804. P. 245–262. doi: 10.1016/j.bbapap.2009.11.004
Sánchez-Rodríguez E., Romero L., Ruiz J.M. Accumulation of free polyamines enhances the antioxidant response in fruits of grafted tomato plants under water stress // J. Plant Physiol. 2016. V. 190. P. 72–78. doi: 10.1016/j.plph.2015.10.010
Scandalios J. G. Genomic responses to environmental stress. Ed. J. G. Scandalios. The United Kindom. Academic Press Inc, 1990. P. 1–297.
Szőllősi R. Superoxide Dismutase (SOD) and abiotic stress tolerance in plants: an overview. Ed. P. Ahmad., The Netherlands. Springer, 2014. P. 89–129. doi:10.1016/B978-0-12-799963-0.00003-4
Tang K., Zhan J-C., Yang H-R., Huang W-D. Changes of resveratrol and antioxidant enzymes during UV-induced plant defence response in peanut seedlings // J. Plant Physiol. 2010. V. 167. P. 95–102. doi: 10.1016/j.jplph.2009.07.011
Yan H., Li Q., Park S-C., Wang X., Liu Y-J., Zhang Y-G., Tang W., Kou M., Ma D. Overexpression of CuZnSOD and APX enhance salt stress tolerance in sweet potato // Plant Physiol. Biochem. 2016. V. 109. P. 20–27. doi: 10.1016/j.plaphy.2016.09.003
Yang H., Wu F., Cheng J. Reduced chilling injury in cucumber by nitric oxide and antioxidant response // Food Chem. 2011. V. 127. P. 1237–1242.
Zeinali F., Homaei A., Kamrani E. Sources of marine superoxide dismutases: Characteristics and applications // Intern. J. Biol. Macromol. 2015. V. 79. P. 627–637. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2015.05.053
Zhang M., Duan L., Tian X., He Z., Li J., Wang B., Li Z. Uniconazole-induced tolerance of soybean to water deficit stress in relation to changes in photosynthesis, hormones and antioxidant system // J. Plant. Physiol. 2007. V. 164. P. 709–717. doi: 10.1016/jplph.2006.04.008
References in English
Balagurova N. I., Drozdov S. N., Hilkov N. I. Metod opredelenija ustojchivosti rastitel’nyh tkanej k promorazhivaniju [Method for determination of plant tissues resistance to freezing]. Petrozavodsk: Karel. fil. AN SSSR, 1982. 6 p.
Baranenko V. V. Superoksiddismutaza v kletkah rastenij [Superoxide dismutase in plants cells]. Citologija [Cell and Tissue Biology]. 2006. Vol. 48, no. 6. P. 465–474.
Fen’ko A. A., Repkina N. S., Nilova I. A., Talanova V. V. Vlijanie nizkih temperatur na soderzhanie nizkomolekuljarnyh
antioksidantov u razlichajushсhihsja po holodoustojchivosti rastenij [Low temperature impact on low-molecular antioxidants content in plants of different cold tolerance]. Rastenija v uslovijah global'nyh i lokal'nyh prirodno-klimaticheskih i antropogennyh vozdejstvij: tezisy dokladov vserossijskoj nauchnoj konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem i shkoly molodykh uchenykh VIII siezda Obshсhestva fiziologov rastenij Rossii (Petrozavodsk, 21–26 sent. 2015 g.) [Plants under Global and Local Natural and Climatic, and Human
Impact: Abstracts of All-Russian Scientific Conf. with Int. Participation and School of Young Scientists. VIII Congress of Physiologists of Russia (Petrozavodsk, September 21–26, 2015)]. Petrozavodsk, 2015. 554 p.
Hochachka P., Somero Dzh. Strategija biokhimicheskoj adaptatsii [Strategy of biochemical adaptation]. Moscow: Mir, 1977. 400 p.
Kolupaev Ju. E., Karpec Ju. V. Formirovanie adaptivnyh reaktsij rastenij na dejstvie abioticheskikh stressorov [Formation of plants adaptive reactions to abiotic stress factors]. Kiev: Osnova, 2010. 352 p.
Narajkina N. V., Sin’kevich M. S., Demin I. N., Selivanov A. A., Moshkov I. E., Trunova T. I. Izmenenija aktivnosti izoform superoksiddismutazy u rastenij kartofelja dikogo tipa i transformirovannykh genom Δ12‑acil-lipidnoj desaturazy pri nizkotemperaturnoj adaptatsii [Changes in the activity of superoxide dismutase isoforms in wild-type potato plants and the ones transformed with Δ12‑acyl-lipid desaturase gene in the
course of low-temperature adaptation]. Fiziologija rastenij
[Russian Journal of Plant Physiology]. 2014. Vol. 61, no. 3. P. 359–366. doi: 10.7868/S0015330314030099
Sin’kevich M. S., Selivanov A. A., Antipina O. V., Kropocheva E. V., Alieva G. P., Suvorova T. A., Astahova N. V., Moshkov I. E. Aktivnost’ antioksidantnykh fermentov u rastenij Arabidopsis thaliana pri zakalivanii k gipotermii [Activity of antioxidant enzymes of Arabidopsis thaliana plants during cold hardening to hypothermia]. Fiziologija rastenij [Russian Journal of Plant
Physiology]. 2016. Vol. 63, no. 6. P. 777–782. doi:
7868/S0015330316060105
Topchieva L. V., Talanova V. V., Titov A. F., Nilova I. A., Repkina N. S., Venzhik Ju. V. Vlijanie nizkikh i vysokikh zakalivajushchikh i povrezhdajushchikh temperatur na uroven’ transkriptov gena BI-1 u pshenitsy [Effect of low and high hardening and damaging temperatures on the transcription level of BI-1 gene in the wheat]. Trudy KarNTs RAN [Trans. of KarRC of RAS].
No. 12. P. 45–54. doi: 10.17076/eb236
Zagoskina N. V., Olenichenko N. A., Nazarenko L. V. Vlijanie kratkovremennogo dejstvija gipotermii na aktivnost’ antioksidantnykh fermentov i soderzhanie fenol’nykh soedinenij v list’jakh prorostkov jarovoj i ozimoj pshenitsy [Impact of short-term hypothermia on antioxidant enzymes activity and phenolic compounds content in the leaves of spring and winter wheat germs]. Vest. Har’k. nats. agrar. univer [Bull.
of the Kharkiv Nat. Agr. Univ.]. 2011. Iss. 3, no. 24. P. 25–34.
Zajcev G. N. Matematicheskaja statistika v jeksperimental’noj
botanike [Mathematical statistics in experimental botany]. Moscow: Nauka, 1984. 424 p.
Airaki M., Leterrier M., Mateos R. M., Valderrama R., Chaki M., Barroso J. B., Del Río L. A., Palma J. M., Corpas F. J. Metabolism of reactive oxygen species and reactive nitrogen species in pepper (Capsicum annuum L.) plants under low temperature stress. Plant Cell Environ. 2012. Vol. 35. P. 281–295. doi: 10.1111/j.1365-3040.2011.02310.x
Asthir B., Koundal A., Bains N. S. Putrescine modulates antioxidant defense response in wheat under high temperature stress. Biol. Plant. 2012. Vol. 56. P. 757–761. doi: 10.1007/s10535‑012‑0209‑1
Baek K.‑H., Skinner D. Z. Differential expression of manganese superoxide dismutase sequence variants in near isogenic lines of wheat during cold acclimation. Plant Cell Rep. 2006. Vol. 25. P. 223–230. doi: 10.1007/s00299‑005‑0073‑6
Baxter A., Mittler R., Suzuki N. ROS as key players in plant stress signaling. J. Exp. Bot. 2014. Vol. 65. P. 1229–1240. doi: 10.1093/jxb/ert375
Beauchamp Ch., Fridovich I. Superoxide dismutase improved assays and an assay applicable to acrylamide gels. Anal. Biochem. 1971. Vol. 44. P. 276–287. doi:10.1016/0003-2697(71)90370-8
Bowler C., Van Camp W., Van Montagu M., Inze D. Superoxide dismutase in plants. Critical Rev. Plant Sci. 1994. Vol. 13. P. 199–218.
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. P. 248–254.
Chen W.‑L., Yang W.‑J., Lo H.‑F., Yeh D.‑M. Physiology, anatomy, and cell membrane thermostability selection of leafy radish (Raphanus sativus var. oleformis Pers.) with different tolerance under heat stress. Scient. Hortic. 2014. Vol. 179. P. 367–375. doi: 10.1016/j.scienta.2014.10.003
Dandan L., Dongmei Z., Peng W., Nanyan W., Xiangdong Z. Subcellular Cd distribution and its correlation with antioxidant enzymatic activities in wheat (Triticum aestivum) roots. Ecotoxic. Environ. Safety. 2011. Vol. 74. P. 874–881. doi: 10.1016/j.ecoenv.2010.12.006
Demidchik V. Mechanisms of oxidative stress in plants: From classical chemistry to cell biology. Envir. Exp. Bot. 2015. Vol. 109. P. 212–228. doi: 10.1016/j.envexpbot.2014.06.021
Gao J.‑J., Li T., Yu X.‑C. Gene expression and activities of SOD in cucumber seedlings were related with concentrations of Mn2+, Cu2+, or Zn2+ under low temperature stress. Agric. Sci. China. 2009. Vol. 8. P. 678–684.
Goswami S., Das S. Copper phytoremediation potential of Calandula officinalis L. and the role of antioxidant enzymes in metal tolerance. Ecotoxic. Environ. Safety. 2016. Vol. 126. P. 211–218. doi: 10.1016/j.ecoenv.2015.12.030
Inostroza-Blancheteau C., Acevedo P., Loyola R., Arce-Johnson P., Alberdi M., Reyes-Díaz M. Shortterm UV-B radiation affects photosynthetic performance and antioxidant gene expression in highbush blueberry leaves. Plant Physiol. Biochem. 2016. Vol. 107. P. 301–309. doi: 10.1016/j.plaphy.2016.06.019
Kang H.‑M., Saltvett M. E. Activity of enzymatic antioxidant
defense systems in chilled and heat shocked cucumber seedlings radicles. Physiol. Plant. 2001. Vol. 113. P. 548–556.
Kazemi-Shahandashti S.‑S., Maali-Amiri R., Zeinali H., Khazaei M., Talei A., Ramezanpour S. Effect of short-term cold stress on oxidative damage and transcript accumulation of defense-related genes in chickpea seedlings. J. Plant Physiol. 2014. Vol. 171. P. 1106–1116. doi: 10.1016/j.plph.2014.03.020
Lado J., Rodrigo M. J., López-Climent M., Gómez-Cadenas A., Zacarías L. Implication of the antioxidant system in chilling injury tolerance in the red peel of grapefruit. Posthar. Biol. Technol. 2016. Vol. 111. P. 214–223. doi: 10.1016/j.posthharvbio.2015.09.013
Li X., Cai J., Liu F., Dai T., Cao W., Jiang D. Cold priming drives the sub-cellular antioxidant systems to protect photosynthetic electron transport against subsequent low temperature stress in winter wheat. Plant Physiol. Biochem. 2014. Vol. 82. P. 34–43. doi: 10.1016/j.plaphy.2014.05.005
Mandhania S., Madan S., Sawhney V. Antioxidant defense mechanism under salt stress in wheat seedlings. Biol. Plant. 2006. Vol. 50. P. 227–231.
Oufdou K., Benidire L., Lyubenova L., Daoui K., Fatemi Z. E. A., Schröder K. Enzymes of glutathioneascorbate cycle in leaves and roots of rhizobia-inoculated faba bean plants (Vicia faba L.) under salinity stress. Europ. J. Soil Biol. 2014. Vol. 60. P. 98–103. doi:10.1016/j.ejsobi.2013.11.002
Pal R. S., Agrawal P., Bhatt J. C. Molecular approach towards the understanding of defensive systems against oxidative stress on plant: A critical review. J. Pharm. Sci. Rev. Res. 2013. Vol. 22. P. 131–138.
Perry J. J. P., Shin D. S., Getzoff E. D., Tainer J. A. The structural biochemistry of the superoxide dismutases. Biochem. Biophys. Acta. 2010. Vol. 1804. P. 245–262. doi: 10.1016/j.bbapap.2009.11.004
Sánchez-Rodríguez E., Romero L., Ruiz J. M. Accumulation of free polyamines enhances the antioxidant response in fruits of grafted tomato plants under water stress. J. Plant Physiol. 2016. Vol. 190. P. 72–78. doi: 10.1016/j.plph.2015.10.010
Scandalios J. G. Genomic responses to environmental stress. Ed. J. G. Scandalios. The United Kindom. Academic Press Inc, 1990. P. 1–297.
Szőllősi R. Superoxide Dismutase (SOD) and abiotic stress tolerance in plants: an overview. Ed. P. Ahmad. The Netherlands. Springer, 2014. P. 89–129. doi: 10.1016/B978‑0‑12‑799963‑0.00003-4
Tang K., Zhan J.‑C., Yang H.‑R., Huang W.‑D. Changes of resveratrol and antioxidant enzymes during UV-induced plant defense response in peanut seedlings. J. Plant Physiol. 2010. Vol. 167. P. 95–102. doi:10.1016/j.jplph.2009.07.011
Yan H., Li Q., Park S.‑C., Wang X., Liu Y.‑J., Zhang Y.‑G., Tang W., Kou M., Ma D. Overexpression of CuZnSOD and APX enhance salt stress tolerance in sweet potato. Plant Physiol. Biochem. 2016. Vol. 109. P. 20–27. doi: 10.1016/j.plaphy.2016.09.003
Yang H., Wu F., Cheng J. Reduced chilling injury in cucumber by nitric oxide and antioxidant response. Food Chem. 2011. Vol. 127. P. 1237–1242.
Zeinali F., Homaei A., Kamrani E. Sources of marine superoxide dismutases: Characteristics and applications. Intern. J. Biol. Macromol. 2015. Vol. 79. P. 627–637. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2015.05.053
Zhang M., Duan L., Tian X., He Z., Li J., Wang B., Li Z. Uniconazole-induced tolerance of soybean to water deficit stress in relation to changes in photosynthesis, hormones and antioxidant system. J. Plant. Physiol. 2007. Vol. 164. P. 709–717. doi: 10.1016/jplph.2006.04.008
DOI: http://dx.doi.org/10.17076/eb573
Ссылки
- На текущий момент ссылки отсутствуют.
© Труды КарНЦ РАН, 2014-2019