Система антиоксидантной защиты растений в условиях водного стресса

БИОЛОГИЯ

УДК 633.16:581.142

СИСТЕМА АНТИОКСИДАНТНОЙ ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ВОДНОГО СТРЕССА

© 2005 г А.С. Казакова, М.В. Гайдаш

Процессы роста и развития сельскохозяйственных растений и их продуктивность испытывают постоянное влияние различных экологических факторов, которые способны вызывать повреждения в растительном организме, а также индуцируют у него целый комплекс защитно-приспособительных реакций. В результате адаптационных перестроек повышается устойчивость живой системы к внешним воздействиям.

Под влиянием экологических стрессов происходит интенсификация образования свободных радикалов в тканях, в частности, увеличение уровня активных форм кислорода (АФК) - О21 , О2- , Н2О2, НО, НОС1, органических радикалов и перекисей, которые активизируют перекисное окисление липидов (ПОЛ) [1-3]. Увеличение образования свободных радикалов в растительных тканях и связанное с этим усиление процессов ПОЛ сопровождается нарушениями в свойствах биологических мембран и функционирования клеток [4]. Процесс активации образования АФК и индуцированное им ПОЛ рассматривают в качестве медиаторов стресса [5].

Поддержание стационарного физиологически нормального уровня свободнорадикальных процессов в клетке обеспечивается за счёт функционирования сложной и тканеспецифичной системы, включающей ферментативные и низкомолекулярные антиоксиданты (АО). Это широкий класс веществ, в который входят соединения, снижающие активность радикальных окислительных процессов по одному или нескольким механизмам: ингибирование АФК, способных инициировать образование органических радикалов; изменение структурной организации субстрата, замедляющее окисление; прерывание окислительной цепи посредством взаимодействия с органическими радикалам; снижение концентрации О2-и др. [6]. К АО-ферментам относится супероксиддисмутаза (СОД), дисму-тирующая супероксидный радикал, который является основным инициатором свободно-радикального окисления мембранных липидов. В результате этой реакции образуется Н2О2, которая сама является окислителем и опасна для клетки как источник ОН.. Поскольку СОД утилизирует О2- с образованием Н2О2, важным для жизнедеятельности клетки оказывается баланс между активностями СОД и ферментами, разрушающими Н2О2. Удаление Н2О2 осуществляют два класса родственных ферментов: катала-зы и пероксидазы. Функционирование системы биологической антиокси-дантной (БАО) защиты в условиях нормальной жизнедеятельности расти-

тельной клетки удерживает ПОЛ на некотором низком стационарном уровне [7, 8], сохраняя определённое прооксидантно-антиоксидантное равновесие ПОЛ - БАО. При физиологических напряжениях и патологических процессах усиливаются окислительные реакции, создаётся опасность смещения равновесия влево (усиление ПОЛ). Реактивное включение резервных АО-механизмов смещает равновесие вправо, поэтому ответ живой системы на разнообразные экстремальные воздействия носит колебательный характер. Подвижное равновесие между ПОЛ и активностью антиоксидантной системы защиты (АОСЗ) присуще клеткам всех живых организмов. Сдвиг равновесия в сторону прооксидантов является, по мнению ряда авторов, наиболее информативным показателем для оценки степени влияния различных факторов на организм [5, 9]. Изменения в свойствах мембранных структур и метаболизме клетки, происходящие в результате активации ПОЛ при воздействии различных неблагоприятных факторов, являются одним из начальных, первичных звеньев в цепи процессов, приводящих, в конечном счёте, к формированию состояния стресса. Продукты ПОЛ есть одновременно и «индикаторы», и «первичные медиаторы» воздействия стресс-фактора, включая соответствующие защитные механизмы [5, 10, 11]. Активация антиокислительных систем, по мнению ряда авторов, является фактором, придающим растительному организму повышенную устойчивость [12-15]. Имеющиеся в литературе данные позволяют заключить, что ПОЛ и АОСЗ в растительных тканях являются одним из факторов формирования первичной ответной реакции клетки на стрессовые воздействия различной природы.

Весьма распространённым стресс-фактором является засуха, от которой растениеводство несёт значительные потери. Нами проводятся исследования влияния водного стресса в период прорастания семян ярового ячменя на АОСЗ клетки. Яровой ячмень на Дону по посевным площадям является одной из ведущих зернофуражных культур. Ежегодно его посевы достигают здесь 1,5 млн гектаров. Важное условие формирования высоких урожаев зерновых культур - получение дружных всходов и заданной густоты стояния. Частые весенние засухи, недостаток влаги в почве в период посев - всходы приводят к угнетению роста и развития растений на начальных этапах. В результате не удается получить заданную густоту стояния злаковых культур, урожай снижается на 50 % и более. Поэтому для районирования сортов в нашей зоне важным признаком является устойчивость образцов к дефициту влаги на начальных этапах развития. Однако целенаправленная селекция по этому показателю не ведется, так как не установлены механизмы устойчивости к дефициту влаги при прорастании семян ярового ячменя, отсутствуют критерии и методы отбора. В связи с этим цель нашей работы - изучение устойчивости сортообразцов ярового ячменя к недостатку влаги при прорастании семян, а также вскрытие механизмов АОСЗ клеток прорастающего семени и проростка в этих условиях.

Материалы и методы исследования

Объект исследования - семена и проростки ярового ячменя различных сортов краснодарской и зерноградской селекции (16 генотипов). Выявляли степень сортовой устойчивости к весенней засухе традиционными методами, а также провели поиск признаков устойчивости среди компонентов антиокислительной системы и контролируемом ими процессе ПОЛ. Определяли энергию прорастания, всхожесть и силу семян (способность давать мощные проростки, оценивали линейные размеры ростков и корешков, количество корешков на один проросток, накопление сухой биомассы). Среди АО-ферментов определяли общую активность пероксидазы (ОАП) по методу А.Н. Бояркина [16] как наиболее отзывчивого фермента АОСЗ, реагирующего на самые разнообразные воздействия. Интенсивность процесса ПОЛ оценивали по содержанию малонового диальдегида (МДА) с помощью теста с 2-тиобарбитуровой кислотой [17]. Полученные данные подвергали статистической обработке.

Результаты и обсуждение

На основе установленных сортовых различий в динамике прорастания семян ярового ячменя, мощности проростков в оптимальных условиях и в условиях модельной засухи изученные сорта были разделены на 4 группы устойчивости: высокоустойчивые, устойчивые, среднеустойчивые и слабоустойчивые к засухе сорта. Семена 1 и 2-й групп характеризуются самыми высокими показателями энергии прорастания и всхожести в условиях недостатка влаги, в среднем превышая семена 3 и 4-й групп в два раза. Они также выделяются по скорости роста проростков среди всех сортов коллекции. В условиях недостаточной влагообеспеченности эти сорта незначительно снижают темп роста проростков - в 1,4 раза, в то время как проростки среднеустойчивых и слабоустойчивых к засухе сортов - в 1,6 и 2 раза соответственно.

У сортов, отличающихся наиболее высокой или низкой засухоустойчивостью, в дальнейшем изучили изменения интенсивности процессов ПОЛ и уровня ОАП в процессе прорастания семян в оптимальных условиях и в условиях модельной засухи для выяснения механизма устойчивости. Установлено, что активность пероксидазы за первые семь суток прорастания семян на дистиллированной воде сортов Рубикон и Мамлюк увеличивается в 2,8 раза (рис. 1). Между устойчивым и неустойчивым образцами не выявлено принципиальных отличий по величине ОАП.

Однако в условиях недостатка влаги были отмечены значительные различия в уровне ОАП в семенах исследуемых сортов. У устойчивого сорта Рубикон в течение первых 3 сут прорастания уровень ОАП оставался близким к контролю. Это может свидетельствовать о том, что при данной продолжительности и глубине действия засухи адаптивные механизмы клетки еще полностью контролируют ситуацию. Резервного количества АО достаточно для поддержания стационарного физиологически нор-

мального уровня свободнорадикальных процессов в клетке. При более продолжительном действии засухи быстро происходит повышение ОАП (с 4 сут) на 39 % относительно контроля. В дальнейшем регистрируемый показатель вновь приближается к контролю. К настоящему времени на большом фактическом материале показано активирование этого фермента также при засолении [18, 19], действии озона и оксидов серы [20-22], при гипоксии [12], в результате действия тяжёлых металлов (Сг3+ , Бе2+ , Мп2+) [23], при водном стрессе [12, 15, 24].

35 т

0 Н-1-1-1-1-1-1-1-1-1-

1 23456789 10

Время, сут

Рис. 1. Изменение ОАП в семенах ярового ячменя, устойчивого к дефициту влаги сорта Рубикон и неустойчивого Мамлюк в условиях оптимального увлажнения и модельной засухи

У неустойчивого сорта Мамлюк в процессе прорастания уровень ОАП в семенах в течение первых 8 сут монотонно нарастал. Однако амплитуда изменения регистрируемого показателя ниже, чем у контрольного варианта и у сорта Рубикон. К 10 сут проращивания семян уровень ОАП в засушливом варианте сорта Мамлюк начинает снижаться от 63 до 49 % относительно контроля (рис. 1).

Интенсивность ПОЛ оценивали по накоплению МДА. В оптимальных условиях водоснабжения при проращивании семян отличий по данному показателю между изучаемыми сортами установлено не было. В течение первых 7 сут содержание МДА в семенах ярового ячменя исследуемых сортов увеличилось в среднем в 4 раза (рис. 2). В процессе прорастания в условиях недостатка влаги данный показатель существенно варьировал в зависимости от устойчивости сортов к засухе.

Показатели содержания МДА в семенах устойчивого сорта Рубикон в основном располагались вблизи контроля, в то время как у сорта Мамлюк превышали контроль. К 7 сут содержание МДА в гомогенатах проростков сорта Рубикон составило по сравнению с контролем 75 и почти 113 % у сорта Мамлюк, а к 10 сут этот показатель составил уже 95 и 154 %, соответственно.

0 т-1-1-1-1-1-1-1-1-1-

123456789 10

Время, сут

Рис. 2. Относительное изменение содержания МДА в процессе прорастания семян двух сортов ярового ячменя в условиях модельной засухи

По результатам проведённых исследований видно, что устойчивые сорта характеризуются более высоким уровнем активности пероксидазы. и низкой интенсивностью процесса ПОЛ в процессе их прорастания в условиях модельной засухи. В целом к 7 сут содержание МДА в гомогена-тах проростков сорта Рубикон было в 1,6 раз ниже, чем у сорта Мамлюк, в то время как уровень ОАП у последнего был выше в 2 раза. Снижение ОАП на фоне повышения содержания МДА в семенах сорта Мамлюк к 10 сут прорастания в условиях модельной засухи свидетельствует о снижении адаптационных возможностей организма.

Степень выраженности ответной реакции организма на действие стресс-фактора определяется заложенными в нем адаптационными возможностями [12]. Так как интенсивность протекания ПОЛ является наиболее информативным показателем для оценки степени ответной реакции организма на действие неблагоприятных факторов, по данному показателю можно оценивать неспецифические адаптационные возможности организма. Развитию спонтанного ПОЛ в тканях препятствуют содержащиеся в них АО, следовательно, по их содержанию можно судить о компенсаторном потенциале организма. Показатели интенсивности ПОЛ и содержания АО взаимосвязаны и взаимозависимы. Для характеристики сортовых отличий по устойчивости к засухе нами был использован показатель, связывающий антиокислительную активность (ОАП) и интенсивность ПОЛ - коэффициент адаптационных возможностей (КАВ) растительного организма. Соотношение ОАП и содержания МДА, которое мы назвали КАВ, было использовано для характеристики действия почвенной засухи и переувлажнения на активацию кислорода и систему защиты от окислительной деструкции в корнях ячменя [12]. КАВ более наглядно и четко, чем отдельные показания ОАП и интенсивности ПОЛ, характеризует адаптационный потенциал растений и позволяет выявить сортовые разли-

чия в устойчивости к засухе. На рис. 3 приведены изменения КАВ, выраженные в процентах к контролю.

Время, сут

Рис. 3. Относительное изменение КАВ (ОАП/содержание МДА), выраженное в процентах от контроля, в семенах и проростках ярового ячменя устойчивого к засухе сорта Рубикон и

неустойчивого сорта Мамлюк в процессе прорастания в условиях модельной засухи

В первые 4 сут прорастания семян характер изменения данного параметра у сортов Мамлюк и Рубикон одинаков. Однако амплитуда его изменений значительно выше у устойчивого сорта. С 8 сут направления рассматриваемых кривых у сортов Рубикон и Мамлюк становятся противоположными друг другу. По данным величины КАВ можно однозначно говорить о более высоком адаптационном потенциале сорта Рубикон и его устойчивости к засухе.

Выводы

В результате проведенных исследований нами на большом наборе образцов ярового ячменя было показано, что генотипы, близкие по продуктивности при выращивании в оптимальных условиях увлажнения, существенно отличаются по способности их семян прорастать и формировать мощные проростки при дефиците влаги. Поэтому для степных условий юга России с частыми весенними засухами актуально проведение селекции на улучшение этого признака.

Впервые на культуре ячменя изучена динамика процесса ПОЛ и уровня ОАП на начальных этапах прорастания семян в оптимальных условиях увлажнения и в условиях недостатка влаги. Показаны различия по данным показателям у устойчивых и чувствительных к засухе сортов. Предложено использовать в качестве диагностического показателя устойчивости ячменя к недостатку влаги на начальных этапах прорастания семян КАВ. Поскольку АОП и МДА, а также их соотношение КАВ характеризуют неспецифические процессы защиты от окислительного стресса растительных тканей, можно допустить, что предлагаемый интегральный показа-

тель пригоден для сравнения оценки адаптационного потенциала растений при качественно различных внешних воздействиях.

Литература

1. Halliwell B.,Gutteride J.M. // Iron and Free Radical Reactions: Two Aspects of Antioxidant Protection. TIBS. 1986. Vol. 11. № 9. P. 372-375.

2. Зенков Н.К., Меньшикова Е.Б. // Успехи современной биологии. 1993. Т. 113. Вып. 3. С. 286-296.

3. Пескин А.В., Столяров С.Д. // Изв. АН СССР. Сер. биол. 1994. № 4. С. 588-595.

4. Владимиров Ю.А. // Соросовский образов. журн. 2000. Т. 6. С. 14-19.

5. Барабой В.А. // Успехи современной биологии. 1991. Т. 111. С. 923-931.

6. Кения М.В., Лукаш А.И., Гуськов Е.П. // Успехи современной биологии. 1993. Т. 113. Вып. 4. С. 456-470.

7. Бурлакова Е.Б., Храпова Н.Г. // Успехи химии. 1985. Т. 54. № 9. С. 1540.

8. Барабой В.А. и др. // Изв. АН СССР. Серия биология. 1991. С. 368-374

9. Швец В.Н., Давыдов В.В. // Вопр. мед. химии. 1995. Т. 41. № 3. С. 23-26.

10. Курганова Л.Н. и др. // Физиология растений. 1997. Т. 44. С. 725-730.

11. Курганова Л.Н. и др. // Физиология растений. 1999. Т. 46. С. 218-222.

12. Калашников Ю.Е. и др. // Физиология растений. 1992. Т. 39. Вып. 2. С. 263-269.

13. Андреева И.В. // Физиология растений. 1989. Т. 36. Вып. 4. С. 810-817.

14. Рубин Б.А., ЮринаЕ.В. // Докл. ВАСХНИЛ, 1974, № 3. С. 7-9.

15. Garcia A.L. et al. // Biol. plantarum. 1987. Vol. 29. № 1. P. 45.

16. ЕрмаковЕ.И. Методы биохимического исследования растений. Л., 1987. С. 430.

17. МерзлякМ.Н. и др. // Физиология растений. 1980. № 6. С. 76-81.

18. Kalir A. et al. // Physiol. Plantarum. 1984. Vol. 62. № 2. P. 238.

19. Guerrier G. Biol.plantarum. 1987. Vol. 29. № 4. P. 299.

20. Сарсенбаев К.Н. Роль ферментов в устойчивости растений. Алма-Ата, 1986.

21. Varshney R.K., Varshney C.K. // Envirion and Explt Bot. 1985. Vol. 25. № 2. P. 107.

22. Curtis C.R. et al. // Environ. Pollut. 1976. Vol. 11. № 1. P. 189.

23. Шацкая Р.М. // Интродукция и акклиматизация растений. Киев, 1986. № 5.

24. Singht G., ThakurP.S., Ray V.K. // Acad. sci. Hung. 1985. Vol. 34. № 1-2. P. 90.

Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия,

г. Зерноград 18 марта 2005 г.