Повышенное содержание кадмия - один из основных факторов, которые способствуют возникновению окислительного стресса в растительных клетках. Исследование уровня перекисного окисления липидов в надземных органах двух сортов гречихи после деэтиоляции.
Аннотация к работе
Интенсивное развитие промышленности сопровождается поступлением в биосферу различных экотоксикантов, количество которых в окружающей среде сегодня во много раз превышает их естественные концентрации. В этом отношении большую опасность для всех живых организмов представляют тяжелые металлы, обладающие канцерогенными и мутагенными свойствами и приводящие к развитию стрессовых реакций у растений. Повышенное содержание кадмия в растениях сопровождается снижением транспорта метаболитов в листья и стебли, их хлорозом и замедлением роста. В результате этого в клетках могут образовываться активные формы кислорода, вызывающие изменения в таких компонентах клеточных мембран как липиды. Активные формы кислорода способны инициировать их перекисное окисление (ПОЛ), в результате чего происходит повреждение этих структур, связанное с нарушением функций мембранных белков.Гипокотиль разводился в 2 раза у обоих сортов (750 мкл экстракта 750 мкл 96% спирта), этиолированный лист у сорта Девятка в 15 раз (1400 мкл экстракта 100 мкл 96% спирта), у сорта Большевик 4 в 10 раз (1350 мкл экстракта 150 мкл 96% спирта). Этиолированные проростки сорта Большевик 4 отличались укороченными (по сравнению с сортом Девятка) гипокотилями светлой окраски, с относительно длинными корнями (длина корней равна высоте гипокотилей) и свернутыми желтыми семядольными листьями (рис. Однако необходимо отметить, что у сорта Большевик 4 наблюдалось заметное снижение показателей высоты гипокотилей (на 23%) и длины корней (на 24%) после добавления кадмия, в отличие от сорта девятка, у которого произошло небольшое снижение на 8% и на 2% соответственно. Это немного сильнее проявлялось у листьев растений сорта Девятка: примерно на 80% выше уровень ПОЛ в листьях сорта Девятка, выращенных в нормальных условиях, по сравнению с гипокотилями; примерно на 73% выше уровень ПОЛ в листьях сорта Большевик 4, выращенных в нормальных условиях, по сравнению с гипокотилями. После вынесения на свет проростки сильно вытянулись (гипокотиль стал выше на 36% у сорта Девятка и на 49% у сорта Большевик 4), длина корней увеличилась (на 27% у сорта Девятка и на 22% у сорта Большевик 4), вместе с ростовыми показателями увеличивался и вес семядольных листьев (на 51% у сорта Девятка и на 110% у сорта Большевик 4) и вес гипокотилей (на 13% у сорта Девятка и на 37% у сорта Большевик 4).Кадмий влиял на рост и морфофизиологические характеристики проростков диплоидного (Девятка) и тетраплоидного (Большевик 4) сортов гречихи, что проявлялось как у этиолированных, так и деэтиолированных растений.
План
Содержание суммы фенольных соединений рассчитывали по следующей формуле:
Введение
Интенсивное развитие промышленности сопровождается поступлением в биосферу различных экотоксикантов, количество которых в окружающей среде сегодня во много раз превышает их естественные концентрации. В этом отношении большую опасность для всех живых организмов представляют тяжелые металлы, обладающие канцерогенными и мутагенными свойствами и приводящие к развитию стрессовых реакций у растений.
Одним из наиболее опасных экотоксикантов является кадмий, который содержится в транспортных отходах, топливе, удобрениях. Повышенное содержание кадмия в растениях сопровождается снижением транспорта метаболитов в листья и стебли, их хлорозом и замедлением роста. Кроме того, он способствует возникновению окислительного стресса в растительных клетках. В результате этого в клетках могут образовываться активные формы кислорода, вызывающие изменения в таких компонентах клеточных мембран как липиды. Активные формы кислорода способны инициировать их перекисное окисление (ПОЛ), в результате чего происходит повреждение этих структур, связанное с нарушением функций мембранных белков. Оно обнаруживается в явлении, которое называют "протечкой мембран", проявляющейся в увеличении их проницаемости для ионов и органических веществ. Кроме того, продукты ПОЛ (4-гидроксиалкенали, малоновый диальдегид и др.) обладают мутагенной активностью и блокируют клеточное деление.
В растениях существуют защитные системы, способствующие ослаблению токсического действия этого металла. К ним относятся фенольные соединения, которые являются одними из наиболее распространенных в растениях вторичных метаболитов. Благодаря своему строению они принимают участие в самых разнообразных физиологических процессах, таких как фотосинтез, дыхание, формирование клеточных стенок, защите растений от различных патогенов и стрессовых факторов. Фенольные соединения имеют и важное практическое значение. На их окислительных превращениях основаны технологические процессы в пищевой и легкой промышленности. В медицине широко применяются лекарственные препараты, изготовленные на основе полифенолов, которые обладают широким спектром воздействия.
К числу перспективных и важных культур промышленного использования относится гречиха обыкновенная. Она успешно используется в диетическом питании, пчеловодстве, а также для получения фармакологически-ценного препарата - рутина, который относится к соединениям фенольной природы.
Актуальность исследования состоит в выяснении особенностей функционирования антиоксидантной системы при действии поллютантов (на примере кадмия) в период деэтиоляции проростков гречихи как одной из важнейших фармакологически ценных культур.
Цель работы: изучить влияние кадмия на функционирование антиоксидантной системы проростков двух сортов гречихи обыкновенной (Девятка и Большевик 4) при переходе к деэтиоляции.
Задачи исследования: u изучить изменения в морфофизиологических характеристиках проростков двух сортов гречихи при действии кадмия и деэтиоляции;
u сравнить распределение кадмия в надземных органах этиолированных и деэтиолированных проростков двух сортов гречихи;
u исследовать уровень перекисного окисления липидов (ПОЛ) в надземных органах двух сортов гречихи после действия кадмия и деэтиоляции;
u изучить накопление различных классов фенольных соединений в надземных органах двух сортов гречихи после действия кадмия и деэтиоляции.
Вывод
1. Кадмий влиял на рост и морфофизиологические характеристики проростков диплоидного (Девятка) и тетраплоидного (Большевик 4) сортов гречихи, что проявлялось как у этиолированных, так и деэтиолированных растений.
2. Более высокое накопление кадмия отмечено для проростков диплоидного сорта гречихи по сравнению с тетраплоидным сортом и в обоих случаях преимущественно в гипокотилях
3. После действия кадмия и деэтиоляции значительных изменений в уровне перекисного окисления липидов в надземных органах двух сортов гречихи не выявлено.
4. Повышение содержания низкомолекулярных антиоксидантов фенольной природы (фенилпропаноидов и флавоноидов) отмечалось при действии кадмия только на этиолированные проростки гречихи сорта Девятка, для которых характерна низкая способность к накоплению этих вторичных метаболитов.
5. Проростки гречихи устойчивы к действию кадмия, что, по-видимому, является следствием накопления в них низкомолекулярных антиоксидантов фенольной природы, препятствующих развитию окислительного стресса, а также поступлению поллютанта (предположительно посредством связывания металла путем комплексообразования).
Список литературы
1. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в агроландшафте: научно- практическое пособие / Ю.В. Алексеев. - СПБ: ПИЯФ РАН 2008. - 216 с.
2. Барабой В.А. Механизмы стресса и перекисное окисление липидов Текст. / В.А. Барабой // Успехи современной биологии.- М.: Наука. - 1991. - Т. 111. - № 6. - С. 923-931.
3. Блажей А. Фенольные соединения растительного происхождения / А. Блажей, Л. Шутый. - М.: Изд-во Мир, 1977. - 239 с.
4. Основы биохимии вторичного обмена растений: учеб. Пособие / Борисова Г.Г. [и др]. - Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2014. - 126 с.
5. Владимиров Ю.А. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах / Ю.А. Владимиров, А.И. Арчаков. - М.: Наука, 1972. - 252с.
6. Владимиров Ю.А. Свободные радикалы в живых системах / Ю.А. Владимиров, О.А. Азизова, А.И. Деев // Итоги науки и техники. Серия биофизика. - 1991. - № 29. - С. 1 - 249.
7. Горшкова Т.А. Растительная клеточная стенка как динамичная система / Т.А. Рябкова. - М.: Изд-во Наука, 2007. - 429 с.
8. Гродзинский А.М. Аллелопатическое почвоутомление / А.М. Гродзинский, Г.П. Богдан, Э.А. Головко [и др]. - Киев: Изд-во Наукова думка, 1991. - 432 с.
9. Гудковский В.А. Стресс плодовых растений / В.А. Гудковский, Н.Я. Каширская, Е.М. Цуканова. - М.: Кварта, 2005. - 127 с.
10. Елагин И.Н. Агротехника гречихи: учебное пособие / И.Н. Елагин . - М.: Колос, 1984. - 127 с.
11. Ерофеева Е.А. Влияние сульфата кадмия в широком диапазоне концентраций на физиолого-биохимические показатели проростков пшеницы / Е.А. Ерофеева, М.М. Наумова// Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. - 2010. - № 2. - С. 508 - 512.
12. .Запрометов М.Н. Фенольные соединения и их роль в жизни растения / М.Н. Запрометов - М: Изд-во Наука, 56-е Тимирязевское чтение, - 1996. - 45 с.
13. Запрометов М. Н. Основы биохимии фенольных соединений / М.Н. Запрометов. - М.: Изд-во Высшая школа, 1974. - 214 с.
14. Кабата-Пендиас А. Микроэлементы в почвах и растениях: научно- практическое пособие / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. - М: Мир 1989. - 439 с.
15. Кобозова Е.А. Развитие точек роста и соцветий у гречихи приразличной влажности почвы: автореф. дис. канд. с.-х. наук / Е.А. Кобозова. - Л., 1953. - 17 с.
16. Колупаев Ю.Е. Активные формы кислорода в растениях при действии стрессоров: образование и возможные функции / Ю.Е. Колупаева // Вестн. Харьковского нац. аграрн. ун-та. Сер. Биология. - 2007. - № 3. - С. 6 -26.
19. Макаренко О.А. Физиологические функции флавоноидов в растениях / О.А. Макаренко, А.П. Левицкий // Физиология и биохимия культурных растений. - 2013. -Т.45. - № 2. - С. 100 - 112.
20. Мартыненко Г.Е. Сравнительная оценка урожайности и адаптивности современных сортов гречихи / Г.Е. Мартыненко, О.А. Шипулин, А.Н. Фесенко, О.В. Бирюкова // Новые сорта сельскохозяйственных культур - составная часть инновационных технологий в растениеводстве. - 2011. - С.165-173.
21. Меньщикова Е.Б. Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты / Е.Б. Меньщикова, В.З. Ланкин, Н.К. Зенков с соат. - М.: Слова, 2006. - 556 с.
22. Мерзляк М.Н. Активированный кислород и жизнедеятельность растений / М.Н. Мерзляк // Соросовский образовательный журнал. - 1999. - № 9. - С. 20 - 26.
23. Минибаева Ф.В. АФК и протон-опосредованное действие салициловой кислоты на рост и ультраструктуру клеток корней пшеницы / Ф.В. Минибаева, Л.Х. Гордон, С.А. Дмитриева [и др] // Ученые записки казанского государственного университета. - 2008. - №3. - С. 3 - 11.
24. Никитюк В.Г. Каротиноиды и их значение в живой природе и для человека/ В.Г. Никитюк. - Харьков: Гос. Науч. Центр лекар-х средств. - 1974. - 150 с.
25. Олениченко Н.А. Фенольный комплекслистьев озимой пшеницы и его изменение в процессе низкотемпературной адаптации растений / Н.А. Олениченко, В.И. Осипов, Н.В. Загоскина // Физиология растений. - 2006. - Т.53. - № 4. - С. 554 - 559.
26. Полесская О.Г. Растительная клетка и активные формы кислорода: Учебное пособие / О.Г. Полесская. - М.: КДУ, 2007. - 140 с.
27. Пульман И.А. Гречиха. Исследование причин ее урожайности на основе опытов Богородицкого опытного поля / И.А. Пульман. - СПБ. -1905.-35с.
28. Рогожин В.В. Пероксидаза как компонент антиоксидантной системы живых организмов: монография/ В.В. Рогожин. СПБ: Изд-во ГИОРД, 2004. - 240 с.
29. Сазанова К.А., Генерация супероксидного анион-радикала в листьях растений при хроническом действии тяжелых металлов / Д.И. Башмаков, А.С. Лукаткин // Тр. КАРНЦ РАН. Сер. Экспериментальная биология. - 2012. - № 2. - С. 119-124.
30. Сорокина И.В. Роль фенольных антиоксидантов в повышении устойчивости органических систем к свободно-радикальному окислению / И.В. Сорокина, А.П. Крысин, В.С. Хлебникова [и др] // Экология. - 1997. - № 46. - С. 11 - 30.
32. Титов А.Ф. Устойчивость растений к тяжелым металлам: монография / А.Ф. Титов, В.В. Таланова, Н.М. Казнина [и др]. - Петрозаводск: Институт биологии КАРНЦ РАН, 2007. - 172 с.
33. Теоретические основы селекции Т. 5 Генофонд и селекция крупяных культур. Гречиха: под редакцией В.А. Драгавцева / Н.В. Фесенко, Н.Н. Фесенко, О.И. Романова и др - СПБ.: ВИР, 2006. - 196 с.
34. Шубина А. Биология цветения гречихи / А. Шубина, Т. Тихонова // Селекция и семеноводство. 1937. - № 10. - С. 26-30.
35. Якименко А.Ф. Гречиха / А.Ф. Якименко. - М.: Колос, 1982. - 196 с.
36. Яковлев Г.П. Ботаника: учебник для ВУЗОВ / Г.П. Яковлев, В.А. Челомбитько. - Спб.: СПХФА, 2001. - 647 с.
37. Bast A. Oxidants and antioxidants: state of the art / A. Bast, G. R. M. M. Haenen, C. J. A. Doelman // Am. J. Med. - 1991. - Vol.91. - P. - 125-135.
38. Dietz K.J. Free radicals and reactive oxygen speciesas mediators of heavy metal toxicity in plants / K.J. Dietz, M. Baier, U. Kramer // Heavy metal stress in plants: from molecules to ecosystems. - 1999. - Р. 73 - 97.
39. Drapier J.C. Differentation of murine macrophages to express nonspecific cytotoxicity for tumor cells results in L-arginine-dependent inhibition of mitochondrial iron sulpur enzymes in the macrophage effector / J.C. Drapier J, J. B. Hibbs // Journal of Immunology. - 1988. - Vol. 140. - P. 2829 - 2838.
40. Djebali W. Modifications in endopeptidase and 20S proteasome expression and activities in cadmium treated tomato (Solanum lucopersium L.) plants / W. Djebali, P. Gallusci, C. Polge et al. // Planta. - 2008. - Vol. 227. - P. 625-639.
41. Feild T.C. Why leaves turn red in autumn. The role of anthocyanins in senscing leaves of red-osier dogwood / T. С. Field, D. W. Lee, N. M. Holbrook // Plant Physiol. - 2001. - Vol. 127. - P. 566 - 574.
42. Finkel T. Oxidants, oxidative stress and the biology of ageing / T. Finkel, N. J. Holbrook // Nature. - 2000. - Vol. 408. - № 9. - P. 239-247.
43. Foyer C.H. Hydrogen peroxideand glutathione-assosiated mechanisms of acclamatory stress tolerance and signaling / C. H. Foyer, H. Lopez-Delgad, J. F. Dat, I. M. Scott // Physiol. Plant. - 1997. - Vol. 100. - P. 241-254.
44. Gamalero E. Beneficial role of plant growth promoting bacteria and arbuscular mycorrhizal fungi on plant responses to heavy metal stress / E. Gamalero, G. Lingua, G. Berta, B.R. Glick B. // Can. J. Microbiol. - 2009. - Vol. 55. - № 5. - P. 501-514.
45. Hall J.L. Cellular mechanisms for heavy metal detoxification and Tolerance / J.L. Hall // J. Exp. Bot. - 2002. - Vol. 53. - № 366. - P. 1-11.
46. Hoffman M.E. Correlation between cytotoxic effect of hydrogen peroxide and the yield of DNA strand breaks in cells of different species Text. / M.E. Hoffman, A.C. Mello-Filho, R. Meneghini // Biochim. Biophys. Acta. - 1984. - Vol. 781. - P. 234 - 238.
47. Jansen M.A. K. Phenol-oxidizing peroxidases contribute to the protection of plants from ultraviolet radiation stress / M.A.K. Jansen, R.E. Van den Noort, M.Y. Tanet al // Plant Physiol. - 2001. - Vol. 126. - P. 1012-1023.
48. Munday R. Reduced glutathione in combination with superoxide dismutase as an important biological antioxidant defence mechanism / R. Munday, C. Winterboume // Biochem. Pharmacol. - 1989. - Vol. 38. - P. 4349 - 4352.
49. Marshal, H.G. Buckwheat: Description, breeding, production and utilization / H.G. Marshall, Y. Pomeranz // Advances in Cereal Science and Technology. 1983. -№ 5. - P. 157-210.
50. Noctor G. Ascorbat and glutathione: keeping active oxygen under control / G. Noctor, C. H. Foyer // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. - 1998. - Vol. 49. - P. 249-289.
51. Rice - Evans C.A. Techniques in Free Radical Research / C. A. Rice - Evans, A.T. Diplock, M. C. R. Symons // Laboratory techniques in biochemistry and molecular biology. - 1991. - Vol. 22. - P. 150 - 178.
52. Rizhsky L. Double antisense plants lacking ascorbate peroxidase and catalase are less sensitive to oxidative stress than single antisense plants lacking ascorbate peroxidase or catalase / L. Rizhsky, E. Hallak - Herr, F. А Van Breusegem et al // Plant J. - 2002. - Vol. 32. - P. 329 - 342.
53. Romero-Puertas M. C. Cadmium-induced subcellular accumulation of O2 .- and H2O2 in pea leaves / M. C. Romero-Puertas, M. Rodriguez-Serrano., F.J. Corpas et al.// Plant Cell Environ. - 2004. Vol. - 27. - № 9. - P. 1122- 1134.
54. Smiley P.L. Oxidatively fragmented phosphatidylcholines activate human neutrophils through the receptor for platelet-activating factor / P.L. Smiley, K. E. Stremler, S. M. Prescott et al // The Journal of Biological Chemistry. - 1991. - Vol. 266. - P. 11095 - 11103.
55. Sandalio L.M. Cadmium-induced changes in the growth and oxidative metabolism of pea plants / L.M. Sandalio, H.C. Dalurzo, M. Gomez et al // Journal of experimental Botany. - 2001. - Vol. 52. - № 364. - Р. 2115 - 2126.
56. Schutzendubel A. Plant responses to abiotic stresses: heavy metalinduced oxidative stress and protection by mycorrhization / A. Schutzendubel, A. Polle // J. Exp. Bot. - 2002. - Vol. 53. - № 372. - P. 1351-1365.
57. Yoshioka R. Nitration reactions of astaxanthin and b-carotene by peroxynitrite / R. Yoshioka, T. Hayakawa, K. Ishizuka et al // Tetrahedron letters. - 2006. - № 47. - 3637 - 3639.
58. Varga F. Measurement of soil resistance by using a horizontal penetrometer working with the two-argument comparative method / F. Varga, Z. Tkac, T. Sima et al // Agronomy Research. - 2014. - Vol. 12. - P. 187 - 196.