Влияние обработки семян салициловой кислотой на рост, активность антиоксидантных ферментов и содержание пролина в листьях пшеницы при избыточном уровне цинка во внешней среде

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследовали влияние обработки семян салициловой кислотой (СК, 100 мкМ) на прорастание семян, рост, уровень перекисного окисления липидов (ПОЛ) и функционирование ряда компонентов антиоксидантной системы у растений пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Злата, выращиваемых при оптимальном (2 мкМ) или избыточном (1500 мкМ) содержании цинка в корнеобитаемой среде. Показано, что избыток цинка оказывает ингибирующее действие на рост корня и побега, а также усиливает накопление одного из индикаторов развития ПОЛ – малонового диальдегида (МДА). При этом структурная целостность мембран сохранялась, на что указывает отсутствие изменения проницаемости мембран, регистрируемое по выходу электролитов. Активность антиоксидантных ферментов – супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы (КАТ) – в этих условиях не изменялась, а активность гваякол-специфичной пероксидазы (ГвПО) снижалась. Обработка семян СК в концентрации 100 мкМ, стимулирующей их прорастание, усиливала отрицательное воздействие избытка цинка в отношении показателей роста и накопления МДА в листьях пшеницы. Однако и в этом случае выход электролитов не увеличивался, что, предположительно, связано с возрастанием активности СОД и ГвПО. На основании представленных в работе и полученных ранее данных, а также анализа литературы, сделан вывод, что реакция растений на избыток цинка во внешней среде, подобно реакции на другие абиотические стрессы, является не только многокомпонентной и многоэшелонной, но и вариативной, зависящей от многих факторов и обстоятельств – дозы воздействия (концентрации цинка и продолжительности его действия), биологических особенностей вида (сорта) растений, их возрастного состояния и т.д. Обработка семян СК может изменять характер реакции растений на действие избытка цинка, при этом направленность этих изменений будет, в свою очередь, зависеть от концентрации СК, продолжительности ее действия и способа обработки.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Игнатенко

Институт биологии – обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра “Карельский научный центр Российской академии наук”

Автор, ответственный за переписку.
Email: angelina911@ya.ru
Россия, Петрозаводск

И. А. Нилова

Институт биологии – обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра “Карельский научный центр Российской академии наук”

Email: angelina911@ya.ru
Россия, Петрозаводск

Н. М. Казнина

Институт биологии – обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра “Карельский научный центр Российской академии наук”

Email: angelina911@ya.ru
Россия, Петрозаводск

А. Ф. Титов

Институт биологии – обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра “Карельский научный центр Российской академии наук”

Email: angelina911@ya.ru
Россия, Петрозаводск

Список литературы

  1. Jain R., Srivastava S., Solomon S., Shrivastava A.K., Chandra A. Impact of excess zinc on growth parameters, cell division, nutrient accumulation, photosynthetic pigments and oxidative stress of sugarcane (Saccharum spp.) // Acta Physiol. Plant. 2010. V. 32. P. 979. https://doi.org/10.1007/s11738-010-0487-9
  2. Huang Y.T., Cai S.Y., Ruan X.L., Chen S.Y., Mei G.F., Ruan G.H., Cao D.D. Salicylic acid enhances sunflower seed germination under Zn2+ stress via involvement in Zn2+ metabolic balance and phytohormone interaction // Sci. Horti. 2021. V. 275. Art. 109702. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2020.109702
  3. Sharma A., Soares C., Sousa B., Martins M., Kumar V., Shahzad B., Singh Sidhu G.-P., Bali A.S., Asgher M., Bhardwaj R., Kumar Thukral A.K., Fidalgo F., Zheng B. Nitric oxide-mediated regulation of oxidative stress in plants under metal stress: a review on molecular and biochemical aspects // Physiol. Plant. 2020. V. 168. P. 318. https://doi.org/10.1111/ppl.13004
  4. Liu B., Yu H., Yang Q., Ding L., Sun F., Qu J., Feng W., Yang Q., Li W., Fu F. Zinc Transporter ZmLAZ1-4 modulates zinc homeostasis on plasma and vacuolar membrane in maize // Front. Plant Sci.2022. V. 13. Art. 881055. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.881055
  5. Wang Y., Kang Y., Yu W., Lyi S.M., Choi H.W., Xiao E., Li L., Klessig D.F., Liu J. AtTIP2;2 facilitates resistance to zinc toxicity via promoting zinc immobilization in the root and limiting root-to-shoot zinc translocation in Arabidopsis thaliana // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2022. V. 233. Art. 113333. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2022.113333
  6. Es-sbihi F.Z., Hazzoumi Z., Joutei K.A. Effect of salicylic acid foliar application on growth, galandular hairs and essential oil yield in Salvia officinalis L. grown under zinc stress // Chem. Biol. Tech. Agril. 2020. V. 7. Art. 26. https://doi.org/10.1186/s40538-020-00192-6
  7. Mazumder M.K., Sharma P., Moulick D., Tata K.S., Choudhury S. Salicylic acid ameliorates zinc and chromium-induced stress responses in wheat seedlings: a biochemical and computational analysis // Cereal Res. Commun. 2022. V. 50. P. 407. https://doi.org/10.1007/s42976-021-00201-w
  8. Li Q., Guan C., Zhao Y., Duan X., Yang Z., Zhu J. Salicylic acid alleviates Zn-induced inhibition of growth via enhancing antioxidant system and glutathione metabolism in alfalfa // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2023. V. 265. Art. 115500. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2023.115500
  9. Кулистикова Т. Росстат: посевная площадь оказалась меньше прошлогодней; https://www.agroinvestor.ru/markets/news/40784-rosstat-posevnaya-ploshchad-okazalas-menshe-proshlogodney.
  10. Rahman S.U., Li Y., Hussain S., Hussain B., Khan W.-D., Riaz L., Ashraf M.N., Khaliq M.A., Du Z., Cheng H. Role of phytohormones in heavy metal tolerance in plants: a review // Ecol. Indicat. 2023. V. 146. Art. 109844. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2022.109844
  11. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В. Формирование адаптивных реакций растений на действие абиотических стрессоров. К.: Основа, 2010. 352 с.
  12. Janda T., Szalai G., Pál M. Salicylic acid signalling in plants // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. Art. 2655. https://doi.org/10.3390/ijms21072655
  13. Гильванова И.Р., Еникеев А.Р., Степанов С.Ю., Рахманкулова З.Ф. Участие салициловой кислоты и оксида азота в защитных реакциях растений пшеницы при действии тяжелых металлов // Прикл. биохимия и микробиология. 2012. Т. 48. С. 103.
  14. Stanislawska-Glubiak E., Korzeniowska J. Effect of salicylic acid foliar application on two wheat cultivars grown under zinc stress // Agronomy. 2022. V. 121. Art. 60. https://doi.org/10.3390/agronomy12010060
  15. Namdjoyan S., Kermanian H., Soorki A.A., Tabatabaei S.M., Elyasi N. Interactive effects of salicylic acid and nitric oxide in alleviating zinc toxicity of safflower (Carthamus tinctorius L.) // Ecotoxicol. 2017. V. 26. P. 752. https://doi.org/10.1007/s10646-017-1806-3
  16. Taherbahrani S., Zoufan P., Zargar B. Modulation of the toxic effects of zinc oxide nanoparticles by exogenous salicylic acid pretreatment in Chenopodium murale L. // Env. Sci. Poll. Res. 2021. V. 28. Art. 65644. https://doi.org/10.1007/s11356-021-15566-y
  17. ГОСТ 12038-84. Межгосударственный стандарт. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. Дата введения: 1986-07-01. М.: Изд-во стандартов.
  18. Аникиев В.В., Кутузов Ф.Ф. Новый способ определения площади листовой поверхности у злаков // Физиология растений. 1961. Т. 8. C. 375.
  19. Гришенкова Н.Н., Лукаткин А.С. Определение устойчивости растительных тканей к абиотическим стрессам с использованием кондуктометрического метода // Поволж. экол. журн. 2005. Т. 1.С. 3.
  20. López-Hidalgo С., Meijón M., Lamelas L., Valledor L. The rainbow protocol: A sequential method for quantifying pigments, sugars, free amino acids, phenolics, flavonoids and MDA from a small amount of sample // Plant Cell Environ. 2021. V. 4. P. 1977. https://doi.org/10.1111/pce.14007
  21. Beauchamp Ch., Fridovich I. Superoxide dismutase improved assays and an assay applicable to acrylamide gels // Anal. Biochem. 1971. V. 44. P. 276.
  22. Ershova M.A., Nikerova K.M., Galibina N.A., Sofronova I.N., Borodina M.N. Some minor characteristics of spectrophotometric determination of antioxidant system and phenolic metabolism enzyme activity in wood plant tissues of Pinus sylvestris L. // Protein Pept. Lett. 2022. V. 9. P. 711. https://doi.org/10.2174/0929866529666220414104747
  23. Aebi H. Catalase in vitro // Methods in Enzymol. 1984. V. 105. P. 121.
  24. Maehly A.C., Chance B. The assay of catalase and peroxidase // Meth. Biochem. Anal. 1954. V. 1. P. 357. https://doi.org/10.1002/9780470110171.ch14
  25. 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. https://doi.org/10.1006/abio.1976.9999
  26. Bates L.S., Waldeen R.P., Teare I.D. Rapid determination of free proline for water stress studies // Plant Soil. 1973. V. 39. P. 205. https://doi.org/10.1007/BF00018060
  27. Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2014. 194 с.
  28. Игнатенко А.А., Нилова И.А., Холопцева Е.С., Титов А.Ф., Казнина Н.М. Влияние обработки салициловой кислотой на фотосинтетический аппарат и активность карбоангидразы у пшеницы при избытке цинка // Докл. РАН. Науки о жизни. 2023. T. 513. С. 570. https://doi.org/10.31857/S2686738923700415
  29. Чумикина Л.В., Арабова Л.И., Колпакова В.В., Топунов А.Ф. Фитогормоны и абиотические стрессы (обзор) // Химия раст. сырья. 2021. Т. 4. C. 5. https://doi.org/10.14258/jcprm.2021049196
  30. Shakirova F.M., Bezrukova M.V. Maslennikova D.R. Endogenous ABA as a hormonal intermediate in the salicylic acid induced protection of wheat plants against toxic ions // Salicylic acid / Eds. Hayat S., Ahmad A., Alyemeni M. Springer, Dordrecht. 2013. P. 119. https://doi.org/10.1007/978-94-007-6428-6_7
  31. Tan S., Abas M., Verstraeten I., Glanc M., Molnar G., Hajny J., Lasak P., Petrík I., Russinova E., Petrasek J., Russinova E., Petrasek J., Novak O., Pospiail J., Friml J. Salicylic acid targets protein phosphatase 2A to attenuate growth in plants // Curr. Biol. 2020. V. 30. P. 381. https://doi.org/10.1016/j.cub.2019.11.058
  32. Yang Z.M., Wang J., Wang S.H., Xu L.L. Salicylic acid-induced aluminum tolerance by modulation of citrate efflux from roots of Cassia tora L. // Planta. 2003. V. 217. P. 168. https://doi.org/10.1007/s00425-003-0980-0
  33. Дмитриева C.А., Пономарева А.А., Минибаева Ф.В., Гордон Л.Х. АФК и протон-опосредованное действие салициловой кислоты на рост и ультраструктуру клеток корней пшеницы // Учен. зап. Казан. гос. ун-та. Сер. Естеств. науки. 2008. Т. 150. С. 123.
  34. Seregin I.V., Ivanova T.V., Voronkov A.S., Kozhevnikova A.D., Schat H. Zinc- and nickel-induced changes in fatty acid profiles in the zinc hyperaccumulator Arabidopsis halleri and non-accumulator Arabidopsis lyrata // Plant Physiol. Biochem. 2023. V. 197. Art. 107640. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2023.107640.
  35. Poor P. Effects of salicylic acid on the metabolism of mitochondrial reactive oxygen species in plants // Biomolecules. 2020. V. 10. Art. 341. https://doi.org/10.3390/biom10020341
  36. Савченко Т.А, Застрижная О.М., Климов В.В. Оксилипины и устойчивость растений к абиотическим стрессам // Биохимия. 2014. Т. 79. С. 458. https://doi.org/10.1134/S0006297914040051.
  37. Lee B.-R., Kim K.-Y., Jung W.-J., Avice J.-C., Ourry A., Kim T.-H. Peroxidases and lignification in relation to the intensity of water-deficit stress in white clover (Trifolium repens L.) // J. Exp. Bot. 2007. V. 58. P. 1271. https://doi.org/10.1093/jxb/erl280
  38. Liu Q., Luo L., Zheng L. Lignins: biosynthesis and biological functions in plants // Int. J. Mol. Sci. 2018. V. 19. P. 335. https://doi.org/10.3390/ijms19020335
  39. Kovacik J., Gruz J., Backor M., Strnad M., Repcak M. Salicylic acid-induced changes to growth and phenolic metabolism in Matricaria chamomilla plants // Plant Cell Rep. 2009. V. 28. P. 135. https://doi.org/10.1007/s00299-008-0627-5
  40. Тарчевский И.А., Егорова А.М. Участие пролина в адаптации растений к действию стресс-факторов и его использование в агробиотехнологии (обзор) // Прикл. биохимия и микробиология. 2022. Т. 58. С. 315.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Выход электролитов (а) и содержание МДА (б) у растений пшеницы, выращенных из необработанных и обработанных СК семян, при оптимальном или избыточном содержании цинка в корнеобитаемой среде. Zn 2 – растения выращивали при оптимальном содержании цинка (2 мкМ); Zn 1500 – растения выращивали при избыточном содержании цинка (1500 мкМ); 1 – семена не обрабатывались раствором СК; 2 – семена в течение 1 сут. обрабатывались раствором СК (100 мкМ). Разными латинскими буквами отмечены статистически значимые различия между средними величинами при P ≤ 0.05.

Скачать (169KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Активность СОД (а), КАТ (б), ГвПО (в) и содержание пролина (г) у растений пшеницы, выращенных из необработанных и обработанных СК семян, при оптимальном или избыточном содержании цинка в корнеобитаемой среде. Zn 2 – растения выращивали при оптимальном содержании цинка (2 мкМ); Zn 1500 – растения выращивали при избыточном содержании цинка (1500 мкМ); 1 – семена не обрабатывались раствором СК; 2 – семена в течение 1 сут. обрабатывались раствором СК (100 мкМ); ТГ – тетрагваякол. Разными латинскими буквами отмечены статистически значимые различия между средними величинами при P ≤ 0.05.

Скачать (321KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Влияние обработки семян СК (100 мМ) на характер ответной реакции растений пшеницы на действие избытка цинка (1500 мкМ) в корнеобитаемой среде.

Скачать (185KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024