Содержание пролина в листьях растений
В условиях кислотного и щелочного стресса в листьях овса содержание пролина было выше, чем в контрольных растениях (Р = 0,028-0,036) (рис. 4,а). Количество его достигало максимальных значений при щелочном стрессе через 48 ч - 69 мг/10 г (выше контроля в 3 раза), а при кислотном стрессе через 24 ч - до 58 мг (в 2,6 раза выше контрольного варианта).
В условиях солевого стресса и нейтральной реакции корневой среды в целом отмечено повышенное содержание пролина в листьях по отношению к содержанию в контрольных растениях (Р = 0,028-0,031) (рис. 4,б). Наибольшее количество пролина аккумулировалось через 1 и 48 ч после стресс- воздействия, превышая контрольный уровень в 2,5 раза. В остальные сроки наблюдений в варианте с засолением уровень пролина в листьях был повышен примерно на 47 % относительно контроля.
При засолении и кислой реакции корневой среды в первые шесть часов наблюдений содержание пролина в листьях овса было ниже или не отличалось от количества пролина у растений в незасоленном кислом варианте опыта (Р = 0,028-0,350) (рис. 4,е). Позднее была прослежена аккумуляция пролина в листьях: через 24 ч его содержание выше на 15 % (Р = 0,029), а через 48 ч - выше в 2 раза (Р = 0,029), чем у растений на незасоленной и кислой корневой среде.
Рис. 4. Динамика содержания пролина в листьях овса посевного при засолении NaCl и разном уровне рН корневой среды: а - варианты опыта с различным уровнем рН корневой среды; б - варианты опыта с засолением NaCl при нейтральном уровне рН; в - варианты опыта с засолением NaCl и рН 3; г - варианты опыта с засолением NaCl и рН 10. Звездочкой отмечены значимые различия между вариантами опыта в каждый временной промежуток: а - между вариантом рН 6,5 и вариантами рН 3, рН 10; б, в, г - между вариантами с засолением и без него при каждом уровне рН
В условиях комбинированного солевого и щелочного стресса количество пролина постепенно возрастало и в большинстве сроков наблюдений было выше, чем у растений при отдельном щелочном стрессе (Р = 0,028-0,029) (рис. 4,г).Через 1ч и 4 ч после стресс-воздействия значимых различия у растений в этих вариантах опыта не выявлено (Р = 0,062-0,275).
Обсуждение
При изменении рН-уровня корневой среды нами отмечена значительная изменчивость в содержании пероксида водорода в листьях овса. Увеличение концентрации Н2О2 чередовалось с ее снижением до контрольных значений. Эти колебания связаны с кратковременными окислительными взрывами и подавлением их антиоксидантной системой [14]. Окислительный взрыв в свою очередь запускает дальнейший каскад ответных реакций, и в этом случае перекись водорода выполняет сигнальную функцию, связанную с включением антиоксидантной системы [7]. При сочетании солевого и кислотного, а также солевого и щелочного стресса в растениях не наблюдали увеличения содержания перекиси относительно незасоленных вариантов с соответствующей рН. Вероятно, в этих сложных условиях усилена антиоксидантная защита растений, что препятствует повышению содержания перекиси.
В условиях кислотного и щелочного стресса в течение первых шести часов наблюдений не установлено повышения пероксидазной активности в листьях овса. Возможно, в клетке активизировалась каталаза, этот фермент специализирован именно на удалении перекиси [15], количество которой не возрастало относительно растений в варианте с нейтральной реакцией корневой среды. Установлено, что изменение рН почвы способствовало активизации разных ферментов антиоксидантной защиты, в том числе каталазы и су- пероксиддисмутазы [16].
При солевом стрессе в листьях овса было зафиксировано усиление пе- роксидазной активности, направленное, по-видимому, на устранение избытка АФК. Это соответствует данным об активизации антиоксидантной ферментной защиты при засолении [17]. Пероксидазу считают одним из маркерных ферментов, в первую очередь активирующихся в ответ на стресс-воздействие [18]; при этом в антиоксидантную деятельность включаются пероксидазы, находящиеся в неактивном состоянии [19].
В наших наблюдениях при сочетании двух неблагоприятных факторов корневой среды в меньшей степени усиливалась активность пероксидаз, чем при отдельном солевом воздействии. В условиях солевого и кислотного стресса практически не отмечено усиления пероксидазной функции. При солевом и щелочном стрессе активность пероксидаз повышалась только в отдельные сроки наблюдений. Возможно, при смешанном стрессе участию пе- роксидаз в устойчивости растений овса препятствует смещение реакции клеточной среды.
Содержание свободного пролина является одним из маркеров устойчивости растений ко многим стрессовым воздействиям [20]. По накоплению пролина в условиях кислотного и щелочного стресса можно предположить его участие не только в антиоксидантной, но и рН-регулирующей деятельности. На участие пролина в регуляции рН клеточной среды указывают некоторые исследователи [9].
Устойчивость растений к избытку солей связывают с осморегулятор- ной, протекторной, антиоксидантной функцией пролина [20]. В наших опытах аккумуляция пролина подтверждает его особое значение при солевом стрессе на фоне нейтральной реакции корневой среды.
При комбинированном стрессе участие пролина в адаптационных процессах было не настолько явным. В условиях солевого и кислотного стресса количество пролина возросло только через сутки после стресс-воздействия. При солевом и щелочном стрессе повышение содержания пролина отмечено только в отдельные сроки, по сравнению с растениями в незасоленном щелочном варианте опыта. Считается, что при засолении нарушение избирательного поглощения катионов происходит через 10-20 дней [3]. В нашем эксперименте с сочетанием двух неблагоприятных факторов среды наиболее вероятной выглядит протекторная роль пролина - защита компонентов клетки от избытка солей, которая проявляется через определенное время после внесения соли в корневую среду.
засоление овес стресс пролин
Заключение
Результаты наших исследований показали разную степень проявления солевого стресса на фоне нейтральной, щелочной и кислой реакции корневой среды. Засоление NaCl 200 мМ на фоне нейтральной реакции среды не снизило высоту растений через 48 ч после внесения соли; в листьях овса наблюдали усиление изменчивости в содержании перекиси, повышение активности пероксидаз и накопление пролина.
Внесение NaCl в условиях щелочной среды (рН 10) не снизило высоту растений относительно варианта со щелочной средой; в отдельные сроки наблюдений отмечено повышение активности пероксидаз и накопление пролина в листьях овса.
Засоление на фоне кислой реакции среды (рН 3) способствовало определенному угнетению растений; в листьях овса не повышалась активность пероксидаз, а накопление пролина отмечали только через сутки после стресс-воздействия.
Список литературы
1. Yang Y., Guo Y. Unraveling salt stress signaling in plants // Journal of Integrative Plant Biology. 2018. Vol. 60. P. 796-804.
2. Arif Y., Singh P., Siddiqui H. et al. Salinity induced physiological and biochemical changes in plants: An omic approach towards salt stress tolerance // Plant Physiology and Biochemistry. 2020. Vol. 156. P. 64-77.
3. Веселов Д.С., Маркова И.В., Кудоярова Г.Р. Реакция растений на засоление и формирование солеустойчивости // Успехи современной биологии. 2007. Т. 125, № 7. С. 482-493.
4. Еремченко О.З., Митракова Н.В., Шестаков И.Е. Природно-техногенная организация почвенного покрова территории воздействия солеотвалов и шламохранилищ в Соликамско-Березниковском экономическом районе // Вестник Пермского университета. Сер.: Биология. 2017. Вып. 3. С. 311-320.
5. Liu J., Guo Q., Shi D. C. Seed germination, seedling survival, and physiological response of sunflowers under saline and alkaline conditions // Photosynthetica. 2010. Vol. 48. P. 278.
6. Lv B.S., Li X.W., Ma H.Y. et al. Differences in growth and physiology of rice in response to different saline-alkaline stress factors // Agronomy Journal. 2013. Vol. 105. P. 1119.
7. Demidchik V. Mechanisms of oxidative stress in plants: from classical chemistry to cell biology // Environmental and Experimental Botany. 2015. Vol. 109. P. 212.
8. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В., Кабашникова Л.Ф. Антиоксидантная система растений: клеточная компартментация, защитные и сигнальные функции, механизмы регуляции (обзор) // Прикладная биохимия и микробиология. 2019. Т. 55, № 5. C. 419-440.
9. Zhu J.K. Plant salt tolerance // Trends in Plant Science. 2001. Vol. 6. P. 66.
10. Ghosh U.K., Islam M.N., Siddiqui M.N. et al. Proline, a multifaceted signalling molecule in plant responses to abiotic stress: Understanding the physiological mechanisms // Plant Biology. 2021. Vol. 24. P. 227-239.
11. Sagisaka S. The occurrence of peroxide in a perennial plant, Populus gelrica // Plant Physiology. 1976. Vol. 57. P. 308-309.
12. Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П. [и др.]. Методы биохимического исследования растений. Л.: Агропромиздат, 1987. 430 с.
13. Bates L.S., Waidren R.P., Tear J.D. Rapid determination of free proline for water stress studies // Plant and soil. 1973. Vol. 39, № 1. P. 205.
14. Baker C.J., Orlandi E.W. Active oxygen in plant pathogenesis // Annual Review of Phytopathology. 1995. Vol. 33. P. 299-321.
15. Омаров Р.Т., Смелова А.М. Сравнение активности ферментов антиоксидантного комплекса (каталаза, альдегидоксидаза) злаковых растений в условиях солевого стресса // Вопросы науки. 2015. Т. 2. C. 36-40.
16. Latef A.A.A., Tran L.-S.P. Impacts of priming with silicon on the growth and tolerance of maize plants to alkaline stress // Frontiers in Plant Science. 2016. Vol. 7. P. 243.
17. Карташов А.В., Иванов Ю.В., Радюкина Н.Л. [и др.]. Активация некоторых защитных систем в растениях Thellungiella halophila при действии NaCl // Известия ПГПУ. Естественные науки. 2006. Т. 5, № 1. С.57-61.
18. Шевякова Н.И., Стеценко Л.А., Мещеряков А.Б. [и др.]. Изменение активности пероксидазной системы в процессе стресс-индуцированного формирования CAM // Физиология растений. 2002. Т. 49, № 5. С. 670-677.
19. Минибаева Ф.В., Гордон Л.Х. Продукция супероксида и активность внеклеточной пероксидазы в растительных тканях при стрессе // Физиология растений. 2003. Т. 50. С. 459-464.
20. Колупаев Ю.Е., Вайнер А.А., Ястреб Т.О. Пролин: физиологические функции и регуляция содержания в растениях в стрессовых условиях // Вестник Харьковского национального аграрного университета им. В.В. Докучаева. 2014. № 2. С. 6-22.
References
1. Yang Y., Guo Y. Unraveling salt stress signaling in plants. Journal of Integrative Plant Biology. 2018;60:796-804.
2. Arif Y., Singh P., Siddiqui H. et al. Salinity induced physiological and biochemical changes in plants: An omic approach towards salt stress tolerance. Plant Physiology and Biochemistry. 2020;156:64-77.
3. Veselov D.S., Markova I.V., Kudoyarova G.R. Plant response to salinity and formation of salt tolerance. Uspekhi sovremennoy biologii = Advances in modern biology. 2007;125(7):482-493. (In Russ.)
4. Eremchenko O.Z., Mitrakova N.V., Shestakov I.E. Natural and technogenic organization of the soil cover in the area affected by salt dumps and sludge storages in the Solikamsk-Bereznikovsky economic region. Vestnik Permskogo universiteta. Ser.: Biologiya = Bulletin of Perm University. Series: biology. 2017;(3):311-320. (In Russ.)
5. Liu J., Guo Q., Shi D.C. Seed germination, seedling survival, and physiological response of sunflowers under saline and alkaline conditions. Photosynthetica. 2010;48:278.
6. Lv B.S., Li X.W., Ma H.Y. et al. Differences in growth and physiology of rice in response to different saline-alkaline stress factors. Agronomy Journal. 2013;105:1119.
7. Demidchik V. Mechanisms of oxidative stress in plants: from classical chemistry to cell biology. Environmental and Experimental Botany. 2015;109:212.
8. Kolupaev Yu.E., Karpets Yu.V., Kabashnikova L.F. Antioxidant system of plants: cellular compartmentation, protective and signaling functions, regulatory mechanisms (review). Prikladnaya biokhimiya i mikrobiologiya = Applied biochemistry and microbiology. 2019;55(5):419-440. (In Russ.)
9. Zhu J.K. Plant salt tolerance. Trends in Plant Science. 2001;6:66.
10. Ghosh U.K., Islam M.N., Siddiqui M.N. et al. Proline, a multifaceted signalling molecule in plant responses to abiotic stress: Understanding the physiological mechanisms. PlantBiology. 2021;24:227-239.
11. Sagisaka S. The occurrence of peroxide in a perennial plant, Populus gelrica. Plant Physiology. 1976;57:308-309.
12. Ermakov A.I., Arasimovich V.V., Yarosh N.P. et al. Metody biokhimicheskogo is- sledovaniya rasteniy = Methods of biochemical research of plants. Leningrad: Agropromizdat, 1987:430. (In Russ.)
13. Bates L.S., Waidren R.P., Tear J.D. Rapid determination of free proline for water stress studies. Plant and soil. 1973;39(1):205.
14. Baker C.J., Orlandi E.W. Active oxygen in plant pathogenesis. Annual Review of Phytopathology. 1995;33:299-321.
15. Omarov R.T., Smelova A.M. Comparison of the activity of enzymes of the antioxidant complex (catalase, aldehyde oxidase) of cereal plants under salt stress. Voprosy nauki = Issues of science. 2015;2:36-40. (In Russ.)
16. Latef A.A.A., Tran L.-S.P. Impacts of priming with silicon on the growth and tolerance of maize plants to alkaline stress. Frontiers in Plant Science. 2016;7:243.
17. Kartashov A.V., Ivanov Yu.V., Radyukina N.L. et al. Activation of some defense systems in Thellungiella halophila plants under the action of NaCl. Izvestiya PGPU. Estestvennye nauki = Proceedings of Penza State Pedagogical University. Natural sciences. 2006;5(1):57-61. (In Russ.)
18. Shevyakova N.I., Stetsenko L.A., Meshcheryakov A.B. et al. Changes in the activity of the peroxidase system during stress-induced CAM formation. Fiziologiya rasteniy = Plant physiology. 2002;49(5):670-677. (In Russ.)
19. Minibaeva F.V., Gordon L.Kh. Superoxide production and extracellular peroxidase activity in plant tissues under stress. Fiziologiya rasteniy = Plant physiology. 2003;50:459-464. (In Russ.)
20. Kolupaev Yu.E., Vayner A.A., Yastreb T.O. Proline: physiological functions and regulation of content in plants under stress conditions. Vestnik Khar'kovsko-go natsional'nogo agrarnogo universiteta im. V. V. Dokuchaeva = Bulletin of Kharkov national Agrarian University named after Dokuchaev. 2014;(2):6-22. (In Russ.)