Влияние селена и цинка на устойчивость китайской капусты к окислительному стрессу

УДК 581.522.4: 581.133.8

Л.Н. Скрытник, Т.Н. Чупахина

ВЛИЯНИЕ СЕЛЕНА И ЦИНКА НА УСТОЙЧИВОСТЬ КИТАЙСКОЙ КАПУСТЫ К ОКИСЛИТЕЛЬНОМУ

СТРЕССУ

Выявлено положительное действие селена и цинка на рост китайской капусты (Brassica rapa var. chinensis), устойчивость хлорофиллов и снижение перекисного окисления липидов в условиях окислительного стресса, вызванного светом повышенной интенсивности. Сделан вывод об антиоксидантных свойствах селена в растении, особенно при дефиците цинка.

The article proves a positive effect of selenium and zinc on the growth of celery cabbage (Brassica rapa var. chinensis), the stability of chlorophylls and a decrease in lipid peroxidation under oxidative stress, caused by high intensity light. The conclusion is drawn about selenium antioxidative properties in plants, especially given zinc deficiency.

Positive effect of selenium and zinc on the growth of chinese cabbage (Brassica rapa var. chinensis), stability of chlorophylls and inhibiting of lipid peroxidation under oxidative stress generated by high light intensity was established. The received results have allowed to conclude about antioxidative effects of selenium in plant especially in variant with zinc deficiency.

Окислительный стресс вызывает интенсификацию процесса накопления в клетках растений активных форм кислорода, к числу которых относят синглетный кислород, супероксидрадикал, пероксид водорода и гидроксилрадикал. Эти соединения являются сильными окислителями и способны повреждать структуру мембран, белков, ДНК [1]. Активные формы кислорода могут образовываться в клетке и в процессе естественного метаболизма, например при неполном восстановлении кислорода до воды или как побочный продукт при митохондриальном транспорте электронов в процессе дыхания и в фотосинтезе. При этом в нормальных условиях растение обладает различными механизмами поддержания в клетке равновесия между образованием и ликвидацией активных форм кислорода.

Система защиты растений от избыточного образования свободных радикалов состоит как из антиоксидантных ферментов, таких, например, как супероксиддисмутаза, каталаза, аскорбатпероксидаза, глютатионредуктазы, глютатионпероксидаза, так и из низкомолекулярных антиоксидантных соединений, например аскорбиновой кислоты, глютатиона, каротиноидов, а-токоферола и др. [2—5]. Воздействие на растение неблагоприятных условий (засухи, света повышенной интенсивности, высоких концентраций тяжелых металлов, недостатка важнейших микроэлементов и др.) приводит к смещению динамического равновесия в клетке и провоцирует сверхнакопление активных форм кислорода, т. е. развитие в клетках растения окислительного стресса.

Вопрос об эссенциальности селена для растений до сих пор не решен. Из литературы известны немногие работы по изучению его роли для высших растений. При этом до недавнего времени преобладало мнение, что селен не является жизненно необходимым элементом для растений [6].

Однако за последние годы получены данные, свидетельствующие о положительном влиянии селена на рост и развитие растений, в том числе в условиях окислительного стресса. Так, отмечается повышение сухой массы растений, особенно у видов — концентраторов селена, выращенных на почве, богатой данным микроэлементом [1; 2; 7—9]. Установлено повышение антиоксидантной активности у растений после добавления в питательную среду селена в зависимости от его химической формы и концентрации [3; 4]. Описано положительное действие селена на растения при фотоокислительном стрессе [5], при старении растений [1], солевом стрессе [2], интенсивном уФ-облучении [3].

Новые исследования антиоксидантной роли селена в растениях позволили предположить, что он может участвовать в механизмах ликвидации свободных радикалов и тем самым защищать растения при воздействия на них неблагоприятных условий. Цель данной работы — изучение действие селена и цинка на устойчивость растений в условиях окислительного стресса, вызванного светом повышенной интенсивности.

Объект и методы исследования

В качестве объекта исследования использовалась китайская капуста (Brassica rapa var. chinensis). Семена растения предварительно проращивали и высевали в кюветы с увлажненным перлитом. Выращивание

проводилось при температуре 20 — 220С в течение 14 суток. Полив осуществлялся разбавленным питательным раствором, содержащим все необходимые макро- и микроэлементы, за исключением цинка и селена. На 15-е сутки растения пересаживали в вегетационные сосуды объемом 2 л и выращивали в гидропонной культуре на модифицированной нами питательный среде Хогланда (табл. 1). В опыте использовались растения с добавлением селена или с исключением цинка. Селен добавлялся в форме селената натрия в концентрации 2 мкмоль/л. Первые две недели для молодых растений использовали разбавленный в два раза питательный раствор. Необходимость смены раствора при длительном выращивании растений устанавливалась по остаточному содержанию в нем нитрата (экспресс-тест Markoquant).

Состав модифицированной среды Хогланда

Таблица 1

Питательный элемент Форма Концентрация

Азот (в форме нитрата) Азот (в форме аммония) Фосфор Сера Калий Кальций Магний Хлор Железо Марганец Медь Бор Молибден Никель Цинк Ca(NO3)2x4H2O; KNO3; NH4NO3 nh4no3 KH2PO4 MgSO4 KNO3; KH2PO4; KCl Ca(NO3)2x4H2O MgSO4 KCl FeNaEDTA MnCl2x4H2O CuCl2x2H2O H3BO3 (NTH ) .Mo_O_ x/IH_O NiCl2x6H2O ZnCl2 6,30 мМ 0,70 мМ 1,00 мМ 1,00 мМ 2,70 мМ 2,45 мМ 1,00 мМ 1,00 мМ 0,05 мМ 3,6 м^ 0,8 м^ 30 м^ 0,1 м^ 0,05 м^ 2,00 м^

К

В течение 4 недель все растения выращивали при нормальном освещении (интенсивность света — 290 мкмоль/м2 • с). Затем часть растений подвергали облучению светом более высокой интенсивностью — 680

мкмоль/м2 • с в течение 12 часов.

Растительные образцы для проведения биохимических анализов отбирались непосредственно после световой экспозиции. Сырая масса определялась для каждого растения после его среза. Содержание воды

рассчитывали по убыли в массе после высушивания растительного материала при температуре 600С в течение 48 часов до постоянного веса.

Для оценки содержания хлорофилла в листьях растений определяли SPAD-значения (Minolta Chlorophyllmeter SPAD 502, Япония). Данный метод позволяет проводить экспресс-измерения без повреждения тканей листьев. Полученные при этом SPAD-значения соответствуют содержанию хлорофилла в растениях. В качестве маркера развития в растениях окислительного стресса использовали содержание малонового диальдегида — продукта перекисного окисления липидов. Содержание малонового диальдегида определяли по продукту его взаимодействия с тиобарбитуровой кислотой спектрофотометрическим методом (Spectrophotometer U-3000, Hitachi, Япония) [4].

Статистическую обработку данных проводили в программах «SAS» и «Excel». В таблице 2 представлены средние значения четырех биологических повторностей и их доверительные интервалы. Достоверность различий оценивали по методу Фишера с использованием i-критерия при уровне значимости 0,05. Обозначенные одинаковыми буквами средние значения, представленные в таблице 2 и на рисунках, достоверно не различимы. Влияние отдельных факторов определяли на основе многофакторного анализа [3].

Результаты и их обсуждение

Роль селена изучалась на фоне окислительного стресса, вызванного светом высокой интенсивности и недостатком цинка. Полученные данные (табл. 2) показывают, что изменение состава питательной среды по наличию или отсутствию в ней селена и цинка оказывает существенное влияние на накопление биомассы. Максимальной она была у растений, получающих и селен, и цинк, а минимальной — в отсутствии этих микроэлементов, когда растения содержали и наименьшее количество влаги. Методом многофакторного анализа было определено, что более значимым для растений было отсутствие цинка, оказалось селена.

Таблица 2

Влияние селена и цинка на биомассу растений, облученных светом высокой интенсивности

Условия опыта Сырая масса, г Содержание воды, %

-Se, -Zn 235,01 ± 18,3 d 76,10 ± 2,99 с

+Se, -Zn 286,46 ± 13,4 с 80,15 ± 1,87 b

-Se, +Zn 319,24 ± 27,5 b 83,25 ± 2,30 a

+Se, +Zn 344,72 ± 36,8 a 80,87 ± 2,53 a

В качестве показателей развития окислительного стресса у растений использовали SPAD-значения, опосредованно отражающие содержание хлорофилла в листьях (рис. 1).

01.02.2017 УДК 581

Е

Рис. 1. Влияние селена и цинка на SPAD-значения листьев на фоне окислительного стресса, вызванного интенсивным светом

Наименьшее SPAD-значение наблюдалось в растениях, выращенных в отсутствие цинка и селена. Отсутствие одного элемента не изменяло значение SPAD. Синтез хлорофилла очень чувствителен почти к любому фактору, нарушающему метаболические процессы в клетке. При этом свет и минеральное питание — важнейшие из факторов, способных существенно влиять на синтез и устойчивость зеленых пигментов листьев. Более высокое содержание хлорофилла свидетельствует о положительном влиянии этих микроэлементов на устойчивость хлорофилла растений при облучении их светом повышенной интенсивности.

В качестве показателя окислительного стресса, вызываемого у растений светом высокой интенсивности, использовали содержание малонового диальдегида — продукта перекисного окисления липидов.

Как показало исследование, самое высокое содержание малонового диальдегида было в листьях растений, выращенных на питательной среде без селена и цинка, что свидетельствует о существенной интенсификации процессов перекисного окисления липидов (рис. 2). При добавлении селена и цинка концентрация малонового диальдегида была практически в два раза меньше. В присутствии хотя бы одного микроэлемента (селена или цинка) окислительный стресс не наблюдался.

ш

Рис. 2. Влияние селена и цинка на содержание малонового диальдегида (МДА) в растениях на фоне окислительного

стресса, вызванного интенсивным светом

В отличие от селена, роль цинка как жизненно необходимого для растений микроэлемента установлена давно. Среди функций цинка особое внимание привлекает его участие в защите клетки от окислительного стресса. Цинк входит в активный центр супероксиддисмутазы (ZnCuSOD) — фермента, непосредственно отвечающего за ликвидацию супероксидрадикала, поэтому достаточное содержание цинка в растениях способствует устранению из клетки избыточных количеств свободных радикалов и тем самым препятствует развитию перекисного окисления липидов, что и наблюдалось в нашем опыте.

Полученные данные о снижении содержания малонового диальдегида в растениях, выращенных на питательной среде с добавлением селена, позволяют сделать заключение о защитных функциях селена в растениях при окислительном стрессе. Механизм такого действия не совсем ясен. Предположительно селен может оказывать влияние на ферментативную антиоксидантную систему путем активации действия глютатионпероксидазы. Кроме того, защитные функции селена могу быть обусловлены его влиянием на синтез и накопление низкомолекулярных антиоксидантных веществ, например аскорбиновой кислоты, для восстановления которой необходим восстановленный глютатион.

Таким образом, полученные авторами результаты свидетельствуют о защитных функциях данных микроэлементов. Исследование выявило также способность селена снимать у растений окислительный стресс. Без селена уменьшалась устойчивость зеленых пигментов, увеличивалось содержание малонового диальдегида и снижался прирост биомассы китайской капусты. Антиоксидантные свойства селена особенно активно проявлялись при дефиците цинка.

Список литературы

1. Полесская О.Г., Каширина Е.И., Алехина Н.Д. Влияние солевого стресса на антиоксидантную систему растений в зависимости от условий азотного питания // Физиология растений. 2006. 53. № 2. С. 207 — 214.

2. Giannopolitis C.N., Ries S.K. Superoxide Dismutase. 1. Occurrence in Higher Plants // Plant Physiol. 1977. V. 59. P. 309 — 314.

3. Nakano Y., Asada K. Hydrogen Peroxide Is Scavenged by Ascorbate-Specific Peroxidase in Spinach Chloroplasts / / Plant Cell Physiol. 1981. V. 22. P. 867—880.

4. Arora A., Sairam R.K., Srivastava G. C. Oxidative stress and antioxidative system in plants // Current Science. 2002. V. 82. P. 1227—1238.

5. Кения М.В., Лукаш А.И., Гуськов Е.П. Роль низкомолекулярных антиоксидантов при окислительном стрессе // Успехи современной биологии. 1993. Т. 113. С. 456—470.

6. Terry N., Zayed A.M., de Souza M.P., Tarun A.S. Selenium in Higher Pants // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 2000. V. 51. P. 401—432.

7. Graham R.D., Stangoulis J.C.R., Gene Y., Lyons G.H. Selenium can increase growth and fertility in vascular plants // Plant nutrition for food security, human health and environmental protection. 2005. P. 208 — 209.

Xue T., Hartikainen H., Piironen V. Antioxidative and growth-promoting effect of selenium on senescing lettuce / / Plant and Soil. 2001. V. 237. P. 55 — 61.

Peng A., Xu Y., Liu J.H., Wang Z.J. Study on the Dose-Effect Relationship of Selenite with the Growth of Wheat / / Biological Trace Element Research. 2000. V. 76. P. 175 — 181.

Cartes P., Gianfreda L., Mora M.L. Uptake of Seenium and its antioxidant activity in ryegrass when applied as selenate and selenite forms // Plant and Soil. 2005. V. 276. P. 359 — 367.

Hartikainen H., Xue T., Piironen V. Selenium as an anti-oxidant and pro-oxidant in ryegrass / / Plant and Soil. 2000. V. 225. P. 193 —200.

Seppanen M., Turakainen M., Hartikainen H. Selenium effects on oxidative stress in potato / / Plant Sci. 2003. V. 165. P. 311—319.

Djanaguiraman M., Durga Devi D., Shanker Arun K., Annie Sheeba J., Bangarusamy U. Selenium — an antioxidative protectant in soybean during senescence / / Plant and Soil. 2005. V. 272. P. 77 — 86.

Kong L., Wang M., Bi D. Selenium modulates the activities of antioxidant enzymes, osmotic homeostasis and promotes the growth of sorrel seedlings under salt stress / / Plant Growth Regulation. 2005. V. 45. P. 155 — 163.

Pennanen A., Xue T., Hartikainen H. Protective role of selenium in plant subjected to severe UV irradiation stress // J. Appl. Bot. 2002. V. 76. P. 66 — 76.

Heath R.L., Packer L. Photoperoxidation in Isolated Chloroplasts. I. Kinetics and Stoichiometry of Fatty Acid Peroxidation // Arch. Biochem. Biophys. 1968. V. 125. P. 189 — 198.

Дерффель К. Статистика в аналитической химии. М., 1994.

Об авторах

Л.Н. Скрыпник — асп., РГУ им. И. Канта, skr_sun@mail. ru

Г.Н. Чупахина — д-р биол. наук, проф., РГУ им. И. Канта, tchoupakhina@mail. ru