УЧАСТИЕ КАТАЛАЗЫ И ПЕРОКСИДАЗЫ В ПОВЫШЕНИИ УСТОЙЧИВОСТИ ПШЕНИЦЫ К НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

Анна Анатольевна Игнатенко, Наталья Сергеевна Репкина, Вера Викторовна Таланова, Anna Ignatenko, Natalia Repkina, Vera Talanova

Аннотация


Исследовали динамику активности каталазы (КАТ) и гваякол-зависимой пероксидазы (ГПО) в листьях озимой пшеницы (Triticum aestivum L.) при действии низкой закаливающей температуры 4ºС в течение 7 сут. Установлено, что уже через 1 ч от начала действия этой температуры повышается устойчивость проростков к промораживанию, затем она продолжает увеличиваться и достигает максимума на 7 сут. В течение первых 2 сут холодового воздействия происходило небольшое повышение содержания малонового диальдегида (МДА), которое в дальнейшем снижалось, что может указывать на уменьшение окислительного стресса в клетках растений. Также обнаружено, что через 1 ч действия холода начинает повышаться активность одного из ключевых антиоксидантных ферментов, задействованных в утилизации перекиси водорода (H2O2) – КАТ. В дальнейшем, ее активность продолжала расти, достигая максимума на 2 сут, и затем снижалась. Наряду с этим на протяжении всего низкотемпературного закаливания происходило увеличение активности ГПО. Кроме того, выявлено слабое повышение содержания H2O2 в листьях в течение первых 24 ч холодового воздействия, однако к его концу ее уровень в клетках снижался. На основании полученных данных можно заключить, что в повышении устойчивости растений пшеницы к гипотермии важную роль играет увеличение активности антиоксидантных ферментов. При этом на начальном этапе низкотемпературной адаптации растений в утилизации H2O2 принимают участие КАТ и ГПО, а в дальнейшем она происходит в основном за счет ГПО. Таким образом, активизация антиоксидантных ферментов в листьях препятствует развитию окислительного стресса и способствует повышению устойчивости пшеницы к низкой температуре.


Ключевые слова


Triticum aestivum L., низкая температура, устойчивость, каталаза, пероксидаза, малоновый диальдегид.

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.

Гарифзянов А. Р., Жуков Н. Н., Иванищев В. В. Образование и физиологические реакции активных форм кислорода в клетках растений // Современные проблемы науки и образования. 2011. № 2. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=4600 (дата обращения: 18.12.2017)

Дерябин А. Н., Трунова Т. И., Дубинина И. М., Бураханова Е. А., Сабельникова Е. П., Крылова Е. М., Романов Г. А. Устойчивость к гипотермии растений картофеля, трансформированных геном дрожжевой инвертазы, находящимся под контролем промотора пататина В33 // Физиология растений. 2003. Т. 50, № 4. С. 505–510.

Джавадиан Н., Каримзаде Г., Мафузи С., Ганати Ф. Вызванные холодом изменения активности ферментов и содержания пролина, углеводов и хлорофиллов у пшеницы // Физиология растений. 2010. Т. 57, № 4. С. 580–588.

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 // Вестник Харьковского национального аграрного университета. Серия Биология. 2011. Вып. 3 (24). С. 25–34.

Колупаев Ю. Е., Карпец Ю. В. Активные формы кислорода при адаптации растений к стрессовым температурам // Физиология и биохимия культ. растений. 2009. Т. 49, № 2. C. 95–108.

Колупаев Ю. Е., Карпец Ю. В., Ястреб Т. О. Функционирование антиоксидантной системы растений при солевом стрессе // Вестник Харьковского национального аграрного университета. Серия биология. 2017. Вып. 3 (42), С . 23–45.

Лукаткин А. С. Холодовое повреждение теплолюбивых растений и окислительный стресс. Саранск: изд-во Мордовск. ун-та, 2002. 208 с.

Никерова К. М., Галибина Н. А. , Мощенская Ю. Л. , Новицкая Л. Л. ,

Подгорная М. Н., Софронова И. Н. Каталазная активность в листовом аппарате у сеянцев березы повислой разных форм (Betula pendula Roth): var. pendula и var. carelica (Mercklin) // Труды Карельского научного центра РАН. 2016. № 11. С. 68–77. doi: 10.17076/eb460.

Попов В. Н., Антипина О. В., Трунова Т. И. Перекисное окисление липидов при низкотемпературной адаптации листьев и корней теплолюбивых растений табака // Физиология растений. 2010. Т. 57, № 1. С. 153–156.

Радюк М. С., Доманская И. Н., Щербаков Р. А., Шалыго Н. В. Влияние низкой положительной температуры на содержание низкомолекулярных антиоксидантов и активность антиоксидантных ферментов в зеленых листьях ячменя // Физиология растений. 2009. Т. 56, № 2. С. 193–199.

Репкина Н. С., Игнатенко А. А., Панфилова К. М., Титов А. Ф., Таланова В. В. Динамика активности супероксиддисмутазы и экспрессия кодирующих ее генов в листьях пшеницы при холодовой адаптации // Труды Карельского научного центра РАН. 2017. № 5. С. 89–98.

Синькевич М. С., Нарайкина Н. В., Трунова Т. И. Процессы, препятствующие повышению интенсивности перекисного окисления липидов у холодостойких растений при гипотермии // Физиология растений. 2011. Т. 58, № 6. С. 875–882.

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 Аrabidopsis thaliana при закаливании к гипотермии // Физиология растений. 2016. Т. 63, № 6. С. 875–882. doi: 10.7868/S0015330316060105.

Сорокань А. В., Кулуев Б. Р., Бурханова Г. Ф., Максимов И. В. РНК-сайленсинг гена анионной пероксидазы приводит к снижению устойчивости растений картофеля к Phytophthora infestans (Mont.) de Bary // Молекулярная биология. 2014. Т. 48, № 5. C. 814–823.

Титов А. Ф., Акимова Т. В., Таланова В. В., Топчиева Л. В. Устойчивость растений в начальный период действия неблагоприятных температур. М.: Наука, 2006. 143 с.

Титов А. Ф., Таланова В. В. Устойчивость растений и фитогормоны. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2009. 206 с.

Aebi H. Catalase in vitro // Methods in Enzymology. 1984. Vol. 105. P. 121–126. doi:10.1016/S0076-6879(84)05016-3.

Bellincampi D., Dipperro N., Salvi G., Cervcone F., De Lorenzo G. Extracellular H2O2 induced by oligogalacturonides is not involved in the inhibition of the auxin-regulated rolB gene expression in tobacco leaf explants // Plant Physiology. 2000. Vol. 122. P. 1379–1385.

Blokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K. V. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivation stress: a review // Ann. Bot. 2003. Vol. 91. P. 179–194. doi: 10.1093/aob/mcf118.

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.

Cansev A., Gulen H., Eris A. The activities of catalase and ascorbate peroxidase in olive (Olea europaea L. cv. Gemlik) under low temperature stress // Horticulture, Environment, and Biotechnology. 2011. Vol. 52, № 2. P. 113–120. doi: 10.1007/s13580-011-0126-4.

Cui C., Zhou Q. Y., Zhang C. B., Wang L. J., Tan Z. F. Effects of chilling stress on membrane lipid peroxidation and antioxidant system // African Journal of Agricultural Research. 2013. Vol. 8, № 47. P. 6079–6085. doi: 10.5897/AJAR2013.7117.

Demin I. N., Deryabin A. N., Sinkevich M. S., Trunova T. I. Insertion of cyanobacterial desa gene coding for d12-acyl-lipid desaturase increases potato plant resistance to oxidative stress induced by hypothermia // Russian Journal of Plant Physiology. 2008. Vol. 55, №. 5. P. 639–648. doi: 10.1134/S1021443708050075.

Gill S. S., Tuteja N. Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants // Plant Physiology and Biochemistry. 2010. Vol. 48, № 12. P. 909–930. doi:10.1016/j.plaphy.2010.08.016.

Huang С., Wang D., Sun L., Wei L. Effect of exogenous salicylic acid on the the physiological characteristics of Dendrobium officinale under chilling stress // Plant Growth Regulation. 2016. Vol. 79, №2. P. 199–208.

Janda T., Szalai G., Rios-Gonzalez K., Veisz O., Paldi E. Comparative study of frost tolerance and antioxidant activity in cereals // Plant Sci. 2003. Vol. 164. P. 301–306.

Kreslavski V. D., Allakhverdiev S. I., Los D. A., Kuznetsov V. V. Signaling role of reactive oxygen species in plants under stress // Russian Journal of Plant Physiology. 2012. Т. 59, № 2. P. 141–154. doi: 10.1134/S1021443712020057.

Kubo A., Aono M., Nakajima N., Saji H., Tanaka K., Kondo N. Differential responses in activity of antioxidant enzymes to different environmental stresses in Arabidopsis thaliana // J. Plant Res. 1999. Vol. 112, № 3. P. 279–290.

Liu W., Yu K., He T., Li F., Zhang D., Liu J. The low temperature induced physiological responses of Avena nuda L., a cold-tolerant plant species // The Scientific World Journal. 2013. ID 658793.

Maehly A. C., Chance B. The assay of catalase and peroxidase // Meth. Biochem. Anal. 1954. Vol. 1. P. 357–424.

Mutlu S., Karadagoglu O., Atici O., Nalbantoglu B. Protective role of salicylic acid applied before cold stress on antioxidative system and protein patterns in barley apoplast // Biologia Plantarum. 2013. Vol. 57, № 3. P. 507–513. doi:10.1007/s10535-013-0322-4.

Sevillano L., Sanchez-Ballesta M. T., Romojaro F., Flores F. B. Physiological, hormonal and molecular mechanisms regulating chilling injury in horticultural species. Postharvest technologies applied to reduce its impact // J Sci Food Agric. 2008. Vol. 89. P. 555–573. doi: 10.1002/jsfa.3468.

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

Yordanova R., Popova L. Effect of exogenous treatment with salicylic acid on photosynthetic activity and antioxidant capacity of chilled wheat plants // Gen. Appl. Plant Physiology. 2007. Vol. 33. P. 155–170.

Zhou R., Zhao H. Seasonal pattern of antioxidant enzyme system in the roots of perennial forage grasses grown in alpine habitat, related to freezing tolerance // Physiol. Plant. 2004. Vol. 121, № 3. P. 399–408.

References in English

Balagurova N. I., Drozdov S. N., Khilkov N. I. Metod opredeleniya ustoichivosti rastitel’nykh tkanei k promorazhivaniyu [a method for determining plant tissues tolerance to freezing]. Petrozavodsk: Karel. fil. aN SSSR, 1982. 6 p.

Garifzyanov A. R., Zhukov N. N., Ivanishchev V. V. Obrazovanie i fiziologicheskie reaktsii aktivnykh form kisloroda v kletkakh rastenii [Formation and physiological reactions of reactive oxygen species in plant

cells]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya [Modern Probl. Sci. Ed.]. 2011. No. 2. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=4600 (accessed: 18.12.2017).

Deryabin A. N., Trunova T. I., Dubinina I. M., Burakhanova E. A., Sabel’nikova E. P., Krylova E. M., Romanov G. A. Ustoichivost’ k gipotermii rastenii kartofelya, transformirovannykh genom drozhzhevoi invertazy, nakhodyashchimsya pod kontrolem promotora patatina

V33 [The tolerance of potato plants transformed with the yeast invertase gene under control of the promoter of the patatin B33 to hypothermia]. Fiziologiya rastenii [Russ. J. Plant Physiol.]. 2003. Vol. 50, no. 4. P. 505–510.

Dzhavadian N., Karimzade G., Mafuzi S., Ganati F. Vyzvannye kholodom izmeneniya aktivnosti fermentov i soderzhaniya prolina, uglevodov i khlorofillov u pshenitsy [The cold-induced changes in the enzymes activity and content of proline, carbohydrates and chlorophylls

in wheat]. Fiziologiya rastenii [Russ. J. Plant Physiol.]. 2010. Vol. 57, no. 4. P. 580–588.

Zagoskina N. V., Olenichenko N. A., Nazarenko L. V. Vliyanie kratkovremennogo deistviya gipotermii na aktivnost’ antioksidantnykh fermentov i soderzhanie fenol’nykh soedinenii v list’yakh prorostkov yarovoi i ozimoi pshenitsy [Influence of the short-term effect of hypothermia on the antioxidant enzymes activity and phenolic compounds content in the leaves of spring and winter wheat seedlings]. Vestnik Khar’kovskogo nats. agrar. un‑ta. Ser. Biologiya [Bull. Kharkiv National agr. Univ. Biol. Series]. 2011. Iss. 3(24). P. 25–34.

Kolupaev Yu. E., Karpets Yu. V. aktivnye formy kisloroda pri adaptatsii rastenii k stressovym temperaturam [Reactive oxygen species during plants adaptation to stress temperatures]. Fiziologiya i biokhimiya kul’t.

rastenii [Physiol. Biochem. Cultivated Plants]. 2009. Vol. 49, no. 2. P. 95–108.

Kolupaev Yu. E., Karpets Yu. V., Yastreb T. O. Funktsionirovanie antioksidantnoi sistemy rastenii pri solevom stresse [antioxidant system functioning in plants under salt stress]. Vestnik Khar’kovskogo nats. agrar. un‑ta. Ser. Biologiya [Bull. Kharkiv National agr. Univ. Biol. Series]. 2017. Iss. 3(42). P. 23–45.

Lukatkin A. S. Kholodovoe povrezhdenie teplolyubivykh rastenii i okislitel’nyi stress [Cold damage of coldsensitive plants and oxidative stress.]. Saransk: Mordovsk. un-t, 2002. 208 p.

Nikerova K. M., Galibina N. A., Moshchenskaya Yu. L., Novitskaya L. L., Podgornaya M. N., Sofronova I. N. Katalaznaya aktivnost’ v listovom apparate u seyantsev berezy povisloi raznykh form (Betula pendula Roth): var. pendula i var. carelica (Mercklin) [Catalase activity in leaves of silver birch seedlings of different forms (Betula pendula Roth): var. pendula and var. carelica (Mercklin)]. Trudy KarNTs RAN [Trans. KarRC

RaS]. 2016. No. 11. P. 68–77. doi: 10.17076/eb460

Popov V. N., Antipina O. V., Trunova T. I. Perekisnoe okislenie lipidov pri nizkotemperaturnoi adaptatsii list’ev i kornei teplolyubivykh rastenii tabaka [The lipid peroxidation at low temperature adaptation of cold sensitive tobacco plants leaves and roots]. Fiziologiya rastenii

[Russ. J. Plant Physiol.]. 2010. Vol. 57, no. 1. P. 153–156.

Radyuk M. S., Domanskaya I. N., Shcherbakov R. A., Shalygo N. V. Vliyanie nizkoi polozhitel’noi temperatury na soderzhanie nizkomolekulyarnykh antioksidantov i aktivnost’ antioksidantnykh fermentov v zelenykh list’yakh yachmenya [The low positive temperature effect on the low-molecular antioxidants content and antioxidant enzymes activity in green leaves of barley]. Fiziologiya rastenii [Russ. J. Plant Physiol.]. 2009. Vol. 56, no. 2. P. 193–199.

Repkina N. S., Ignatenko A. A., Panfilova K. M., Titov A. F., Talanova V. V. Dinamika aktivnosti superoksiddismutazy i ekspressiya kodiruyushchikh ee genov v list’yakh pshenitsy pri kholodovoi adaptatsii [The dynamics of superoxid dismutase activity and its gene expression in wheat leaves during cold adaptation]. Trudy KarNTs RAN [Trans. KarRC RaS]. 2017. No. 5. P. 89–98. doi: 10.17076/eb573

Sin’kevich M. S., Naraikina N. V., Trunova T. I. Protsessy, prepyatstvuyushchie povysheniyu intensivnosti perekisnogo okisleniya lipidov u kholodostoikikh rastenii pri gipotermii [Processes that prevent the increase of the lipid peroxidation intensity in cold-resistant plants

during hypothermia]. Fiziologiya rastenii [Russ. J. Plant Physiol.]. 2011. Vol. 58, no. 6. P. 875–882.

Sin’kevich M. S., Selivanov A. A., Antipina O. V., Kropocheva E. V., Alieva G. P., Suvorova T. A., Astakhova N. V., Moshkov I. E. aktivnost’ antioksidantnykh fermentov u rastenii Arabidopsis thaliana pri zakalivanii

k gipotermii [The antioxidant enzymes activity in Arabidopsis thaliana plants at hardening to hypothermia]. Fiziologiya rastenii [Russ. J. Plant Physiol.]. 2016. Vol. 63, no. 6. P. 875–882. doi: 10.7868/S0015330316060105

Sorokan’ A. V., Kuluev B. R., Burkhanova G. F., Maksimov I. V. RNK-sailensing gena anionnoi peroksidazy privodit k snizheniyu ustoichivosti rastenii kartofelya k Phytophthora infestans (Mont.) de Bary [Rnasilenсing of anionic peroxidase gene decreases the potato plant resistance to Phytophthora infestans (Mont.) de Bary]. Molekulyarnaya biologiya [Molecular Biol.] 2014. Vol. 48, no. 5. P. 814–823

Titov A. F., Akimova T. V., Talanova V. V., Topchieva L. V. Ustoichivost’ rastenii v nachal’nyi period deistviya neblagopriyatnykh temperatur [Plant resistance in the initial period of adverse temperatures]. Moscow:

Nauka, 2006. 143 p.

Titov A. F., Talanova V. V. Ustoichivost’ rastenii i fitogormony [Plant resistance and plant hormones]. Petrozavodsk: KarRC RaS, 2009. 206 p.

Aebi H. Catalase in vitro. Methods in Enzymology. 1984. Vol. 105. P. 121–126. doi: 10.1016/S0076-6879(84)05016-3

Bellincampi D., Dipperro N., Salvi G., Cervcone F., De Lorenzo G. Extracellular H2O2 induced by oligogalacturonides is not involved in the inhibition of the auxinregulated rolB gene expression in tobacco leaf explants. Plant Physiology. 2000. Vol. 122. P. 1379–1385.

Blokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K. V. antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivation stress: a review. Ann. Bot. 2003. Vol. 91. P. 179–194. doi: 10.1093/aob/mcf118.

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.

Cansev A., Gulen H., Eris A. The activities of catalase and ascorbate peroxidase in olive (Olea europaea L. cv. Gemlik) under low temperature stress. Horticulture, Environment, and Biotechnology. 2011. Vol. 52,

no. 2. P. 113–120. doi: 10.1007/s13580-011-0126-4

Cui C., Zhou Q. Y., Zhang C. B., Wang L. J., Tan Z. F. Effects of chilling stress on membrane lipid peroxidation and antioxidant system. African Journal of Agricultural Research. 2013. Vol. 8, no. 47. P. 6079–6085. doi:

5897/aJaR2013.7117

Demin I. N., Deryabin A. N., Sinkevich M. S., Trunova T. I. Insertion of cyanobacterial desa gene coding for d12-acyl-lipid desaturase increases potato plant resistance to oxidative stress induced by hypothermia. Rus.

J. Plant Physiol. 2008. Vol. 55, no. 5. P. 639–648. doi:

1134/S1021443708050075

Gill S. S., Tuteja N. Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant Physiol. and Biochem. 2010. Vol. 48, no. 12. P. 909–930. doi: 10.1016/j.plaphy.2010.08.016

Huang С., Wang D., Sun L., Wei L. Effect of exogenous salicylic acid on the the physiological characteristics of Dendrobium officinale under chilling stress. Plant Growth Regulation. 2016. Vol. 79, no. 2. P. 199–208.

Janda T., Szalai G., Rios‑Gonzalez K., Veisz O., Paldi E. Comparative study of frost tolerance and antioxidant activity in cereals. Plant Sci. 2003. Vol. 164. P. 301–306.

Kreslavski V. D., Allakhverdiev S. I., Los D. A., Kuznetsov V. V. Signaling role of reactive oxygen species in plants under stress. Rus. J. Plant Physiol. 2012. Vol. 59, no. 2. P. 141–154. doi: 0.1134/S1021443712020057

Kubo A., Aono M., Nakajima N., Saji H., Tanaka K., Kondo N. Differential responses in activity of antioxidant enzymes to different environmental stresses in Arabidopsis thaliana. J. Plant Res. 1999. Vol. 112, no. 3.

P. 279–290.

Liu W., Yu K., He T., Li F., Zhang D., Liu J. The low temperature induced physiological responses of Avena nuda L., a cold-tolerant plant species. The Scientific World Journal. 2013. ID 658793.

Maehly A. C., Chance B. The assay of catalase and peroxidase. Meth. Biochem. Anal. 1954. Vol. 1. P. 357–424.

Mutlu S., Karadagoglu O., Atici O., Nalbantoglu B. Protective role of salicylic acid applied before cold stress on antioxidative system and protein patterns in barley apoplast. Biologia Plantarum. 2013. Vol. 57, no. 3. P. 507–513. doi: 10.1007/s10535-013-0322-4

Sevillano L., Sanchez‑Ballesta M. T., Romojaro F., Flores F. B. Physiological, hormonal and molecular mechanisms regulating chilling injury in horticultural species. Postharvest technologies applied to reduce its impact. J. Sci. Food Agric. 2008. Vol. 89, no. 555–573.

doi: 10.1002/jsfa.3468

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

Yordanova R., Popova L. Effect of exogenous treatment with salicylic acid on photosynthetic activity and antioxidant capacity of chilled wheat plants. Gen. Appl. Plant Physiology. 2007. Vol. 33. P. 155–170.

Zhou R., Zhao H. Seasonal pattern of antioxidant enzyme system in the roots of perennial forage grasses grown in alpine habitat, related to freezing tolerance. Physiol. Plant. 2004. Vol. 121, no. 3. P. 399–408.




DOI: http://dx.doi.org/10.17076/them804

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

© Труды КарНЦ РАН, 2014-2018