Влияние обработки регуляторами роста на устойчивость растений кукурузы к гипо - и гипертермии (стр. 3 )

Таблица 4

Влияние тидиазурона на интенсивность ПОЛ в листьях кукурузы гибрида Коллективный 160 МВ после температурного воздействия, мкМ МДА/ г сырой массы

Темпера- тура, °С	Вода	Концентрация тидиазурона
10 -6 М	10-8 М	10-9 М	10-10 М	10-11 М
25	2,93±0,31	2,71±0,22	3,02±0,29	2,88±0,26	2,45±0,24	2,54±0,18
3	4,16±0,43	3,29±0,36	3,47±0,19	3,09±0,27	2,36±0,17	2,58±0,20
43	3,28±0,23	3,59±0,44	3,36±0,27	3,11±0,18	2,44±0,31	2,09±0,16

Обработка 7-дневных растений кукурузы гибрида РОСС 199 МВ, выращенных в почвенной культуре, растворами тидиазурона (10 нМ) или цитодефа (100 нМ) перед гипертермией (43°С, 24 ч), привела к значительному понижению генерации О2ˉ и образования МДА относительно водного контроля; более высокая эффективность на снижение окислительного стресса, вызванного прогревом, показана для тидиазурона.

При обработке семян кукурузы гибрида Коллективный 172 МВ препаратом Рибав-Экстра (от 10-4 до 10-8 %) с последующим действием неблагоприятных температур большинство концентраций РЭ снижало образование О2˙¯. В варианте пониженной (3ºС) температуры наименьшая скорость генерации О2˙¯ наблюдалась при концентрациях 10-7 и% , а повышенной (45ºС) – 10-7 %. Выявлена интересная тенденция влияния концентраций Рибав-Экстра на интенсивность ПОЛ: при оптимальной температуре эффективность препарата повышалась со снижением дозы РЭ (минимальное содержание МДА – при концентрации 10-8 %); в последействии пониженной температуры выявлено два пика – при самой низкой и самой высокой дозах РЭ; а в последействии повышенной температуры эффективность препарата повышалась с увеличением дозы РЭ. Т. е. единой закономерности влияния разных концентраций регулятора роста Рибав-Экстра на уровень ПОЛ при действии гипо - и гипертермии не выявлено.

Таким образом, обработка семян регуляторами роста способствовала лучшей адаптации растений кукурузы к действию гипо - и гипертермии, снижая стационарный уровень супероксида и возрастающего на основе АФК ПОЛ.

Влияние регуляторов роста на антиоксидантную активность растительных клеток после воздействия неблагоприятных температур. Обработка семян кукурузы гибрида РОСС 299 МВ различными концентрациями регуляторов роста (6-БАП, РЭ, ИЦФ) изменяла АОА при действии температурных стрессоров. Так, в проростках кукурузы, выращенных из обработанных 6-БАП семян, при оптимальной температуре (25ºC) антиоксидантная активность препарата проявлялась лишь в двух концентрациях – 10 нМ и 0,1 мкМ (рис. 6).

Рис. 6. Влияние обработки семян препаратом 6-БАП и последействия разных температур на АОА в проростках кукурузы.

Однако в последействии пониженной (3ºC) и повышенной (45ºC) температур АОА достоверно повышалась почти при всех концентрациях 6-БАП, наиболее сильно – при концентрациях 0,1 мкМ и 10 нМ (3ºC) , 1 нМ и 10 нМ (45ºC). Предпосевная обработка семян различными концентрациями Иммуноцитофита повлияла на антиоксидантную активность в листьях кукурузы (табл. 5). При оптимальной и повышенной температуре эффективна концентрация 2×10-11 М, тогда как при пониженной температуре – 2×10-10 М.

Таблица 5

Антиоксидантная активность молодых растений кукурузы в зависимости от концентраций регулятора роста Иммуноцитофит и температуры, % к водному контролю

Условия опыта, ºC	концентрация Иммуноцитофита, М
Контроль (вода)	2×10-11	2×10-10	2×10-9
3	100	160 ± 8	168 ± 8	140 ± 6
44	100	133 ± 6	47 ± 5	73 ± 5

Антиоксидантная активность кукурузы, выращенной из обработанных препаратом Рибав-Экстра семян, варьировала в зависимости от действия температурного стресса (рис. 7). Если при комнатной температуре наибольшее влияние на уровень АОА оказала концентрация 10-7 % РЭ, то после пониженной температуры – концентрации 10-8 и 10-6 %, а повышенной – 10-6%.

Таким образом, обработка семян кукурузы синтетическими и природными регуляторами роста способствовала значительному повышению антиоксидантной активности в проростках кукурузы в последействии неблагоприятных температурных условий и ТМ. Очевидно, что это может быть одним из основных механизмов противодействия растений стрессовым факторам, индуцируемого обработкой регуляторами роста; повышение АОА в клетках растений позволяет эффективно снижать тяжесть стрессового воздействия.

Рис. 7. Уровень АОА в растениях кукурузы в зависимости от концентрации РЭ и температуры.

Влияние регуляторов роста на активность антиоксидантных ферментов в условиях стрессорных воздействий. Одна из причин повреждающего действия гипо - и гипертермии – возникновение окислительного стресса, выражающееся в появлении больших доз АФК. Основную роль в элиминации АФК играют антиоксидантные ферменты, в первую очередь СОД, которая снижает концентрацию О2∙‾ в 104 раз, а также АПО и каталаза, устраняющие избыток перекисей, образованных СОД из О2∙‾ [Мерзляк, 1989; Лукаткин, 2002].

Обработка семян кукурузы гибрида РОСС 199 МВ цитокининовыми РР (10-11 М тидиазуроном и 10-10 М цитодефом) приводила к изменению активности антиоксидантных ферментов после 24-часового охлаждения 7-дневных растений (табл. 6). При этом предпосевная обработка тидиазуроном индуцировала более высокую активность СОД и каталазы, а цитодефом – более выраженную нормализацию АПО (относительно необработанного РР варианта) в растениях кукурузы, подвергнутых гипотермии. Наиболее значительное воздействие цитокиновых препаратов выявлено для глутатионредуктазы, активность которой значительно возрастала (относительно водного контроля) вследствие обработки тидиазуроном и цитодефом, как при нормальной температуре, так и после гипотермии. Возможно, цитокининовые препараты (в больше степени тидиазурон) оказывают противодействие окислительному стрессу через активацию глутатионового цикла. Сравнение цитокининовых препаратов по влиянию на активность антиоксидантных ферментов у растений кукурузы при гипотермии показало более высокую эффективность тидиазурона.

Таблица 6

Влияние цитокининовых препаратов на активность антиоксидантных ферментов в листьях кукурузы сразу после 24-часовой гипотермии (2ºС)

Вариант опыта	СОД, ед. акт./г	Каталаза, мкМ/г·мин	АПО, мМ/г·мин	ГР, мМ/г
Без охлаждения	79±5,0	166±11,7	0,64±0,03	38,3±2,6
Охлаждение 2°С	47±3,4	139±14,7	1,05±0,05	22,4±2,1
Тидиазурон, 0,01 нМ	71±2,8	204±8,9	0,52±0,02	49,6±1,8
Тидиазурон + охлаждение	63±3,2	172±10,2	0,96±0,04	54,2±4,4
Цитодеф, 0,1 нМ	76±4,2	183±12,0	0,59±0,03	46,1±3,0
Цитодеф+ охлаждение	58±4,4	156±10,3	0,76±0,03	42,7±4,1

В опыте с 20-часовой гипо - или гипертермией кукурузы гибрида Коллективный 172 МВ спустя 6 суток выявлено небольшое понижение (не всегда достоверное) активности СОД, каталазы и глутатионредуктазы, и повышение – АПО (табл. 7). Обработка семян кукурузы эпибрассинолидом (10-10 М) и Рибав-Экстра (0,1 мкл/л) (концентрации выбраны как оптимальные на основании предыдущих опытов) способствовала повышению активности антиоксидантных ферментов в листьях кукурузы относительно водного контроля, как в оптимальных температурных условиях, так и после кратковременного выдерживания в условиях неблагоприятных температур. Активность СОД в последействии прогрева при 43°С наиболее значительно (почти в два раза к водному контролю) усилил эпибрассинолид (после гипотермии различия между РЭ и ЭБ недостоверны). Обработка ЭБ и РЭ несколько повышала активность каталазы, но до уровня неохлажденного контроля активность в большинстве вариантов опыта не возвращалась (различий между РР не обнаружено).

Таблица 7

Активность антиоксидантных ферментов в листьях кукурузы гибрида Коллективный 172 МВ после кратковременного температурного воздействия

Вариант опыта, концентрация	СОД, ед. акт./г	Каталаза, мкМ/г·мин	АПО, мМ/г·мин	ГР, мМ/г
25°С
Без РР (вода)	94±6,2	206±14,2	1,07±0,05	43,8±4,4
ЭБ, 0,1 нМ	103±4,4	228±11,3	1,34±0,03	84,1 ± 3,4
РЭ, 0,1 мкл/л	109±4,9	219±21,0	1,46±0,04	73,2 ± 2,8
Прогрев 43°С, 20 ч
Без РР (вода)	76±8,6	169±10,3	1,72±0,07	32,6±4,0
ЭБ, 0,1 нМ	143±7,2	197±16,2	1,60±0,03	97,6 ± 5,8
РЭ, 0,1 мкл/л	124±4,9	189±15,3	1,68±0,06	88,6 ± 4,9
Охлаждение 3°С, 20 ч
Без РР (вода)	61±6,3	160±8,5	1,96±0,09	26,3±5,6
ЭБ, 0,1 нМ	116±8,0	201±14,7	1,54±0,06	89,7 ± 3,8
РЭ, 0,1 мкл/л	107±5,6	193±12,0	1,69±0,05	86,2 ± 4,2

Активность АПО в проростках кукурузы после гипо - и гипертермии существенно превышала водный контроль, что свидетельствует об усилении синтеза изоформ фермента, направленных на снижение концентрации перекиси и защиту от окислительного стресса [Лукаткин, 2002; Edwin, Sheeja, 2005]. Предварительная обработка семян кукурузы регуляторами роста несколько снижала (более значительно ЭБ) активность фермента относительно водных вариантов соответствующих температурных обработок. Очевидно, стабилизация активности АПО указывает на снижение тяжести окислительного стресса в клетках листьев кукурузы, подвергнутой гипо - и гипертермии, вследствие обработки РР.

Активность глутатионредуктазы в листьях кукурузы после гипо - и гипертермии значительно снижалась. Предварительная обработка семян регуляторами роста (эпибрассинолидом и Рибав-Экстра) повышала активность ГР, т. е. способствовала нормализации активности фермента.

Таким образом, кратковременное действие неблагоприятных температур (как гипо-, так и гипертермии) индуцирует окислительный стресс в растениях кукурузы, проявляющийся увеличением уровня АФК и интенсивности ПОЛ; при этом в клетках включаются защитные механизмы, и типичный ответ растений на возникновение окислительного стресса – активация антиоксидантной защиты (в т. ч. ферментативной). При обработке регуляторами роста реакция на действие гипо - и гипертермии выражена слабее, чем в контроле. Очевидно, РР могут повышать резистентность растений к абиотическим стрессорам посредством снижения соотношения про/антиоксидантов в растительных клетках.

Заключение

В последнее время достигнуты существенные успехи в выяснении физиолого-биохимических реакций растений на действие неблагоприятных факторов среды, которые проявляются в изменениях на клеточном, субклеточном и молекулярно-генетическом уровнях. Эффекты абиотических факторов на растения является следствием комбинированного воздействия конкретного стрессора на метаболизм и структуры растительных клеток. Полученные данные показывают, что окислительный стресс, индуцированный неблагоприятными температурами, является одним из компонентов (возможно, наиболее важным) сложного механизма стрессорного воздействия на растения. Окислительный стресс в растениях, подвергнутых действию неблагоприятных температур, тесно связан и с другими механизмами повреждения. Перекисное окисление мембранных липидов приводит к изменениям транспортных характеристик клеточных мембран у растений, подвергнутых температурному стрессу, способствует деструкции клеточных органелл.

Регулирование роста и развития растений с помощью физиологически активных веществ позволяет оказывать направленное влияние на этапы онтогенеза с целью мобилизации генетических возможностей растительного организма и, в конечном итоге, повышать продуктивность и качество урожая сельскохозяйственных культур. Кроме стимуляции роста и развития, регуляторы роста играют большую роль в становлении защитных реакций к стрессам (в том числе к воздействию неблагоприятных температур); они позволяют индуцировать у растений комплексную устойчивость ко многим неблагоприятным факторам среды. В настоящее время уделяется большое внимание разработке и применению регуляторов роста растений нового поколения, обладающим широким спектром физиологической активности. При этом анализируются как синтетические препараты, так и РР на основе природным веществ, которые получены из высших растений, грибов и микроорганизмов.

В работе продемонстрировано, что изменения физиологических и биохимических процессов в клетках растений кукурузы при действии абиотического (температурного) стрессового фактора связаны с индукцией окислительного стресса. Представлены исследования по влиянию наномолярных концентраций РР на растения кукурузы при гипо - и гипертермии. Действие изученных регуляторов роста на растения кукурузы неоднозначно и зависело от исходного окислительного статуса. Обнаружено сходное воздействие РР, принадлежащих к разным классам, на снижение тяжести стрессового воздействия, в основе которого лежит противодействие окислительному стрессу. На этой основе нами предложена схема предполагаемого действия экзогенных РР на адаптацию растений к действию неблагоприятных факторов среды (рис. 8), включающая следующие этапы: обработка регулятором роста – кратковременное действие стрессора – активация антиоксидантной защиты – повышение уровней низкомолекулярных антиоксидантов и активности антиоксидантных ферментов – развитие толерантности к последующему, более сильному действию стрессора той же природы – формирование кросс-адаптации (устойчивости к другим стресс-факторам) – развитие устойчивости растений к действию стресс-факторов абиотической и антропогенной природы. Предложенная схема может быть использована для обоснования способов направленного повышения стрессоустойчивости растений экзогенными воздействиями.

Рис.8. Предполагаемая схема действия экзогенной обработки регуляторами роста на адаптацию растений к действию неблагоприятных факторов среды

Выводы

1 Выявлено стрессорное воздействие гипо - и гипертермии на изменения физиологических и биохимических параметров у растений кукурузы, проявлявшееся в снижении морфофизиологических показателей, значительном повышении проницаемости клеточных мембран в листьях, усилении генерации активированных форм кислорода и перекисного окисления липидов, снижении общей антиоксидантной активности, изменениях активности антиоксидантных ферментов. Совокупность выявленных изменений свидетельствует о возникновении в клетках кукурузы окислительного стресса при гипо - и гипертермии.

2 Синтетические регуляторы роста цитокининовой природы (6-бензиламинопурин, цитодеф, тидиазурон), а также эпибрассинолид и природные регуляторы – Рибав-Экстра и иммуноцитофит – способствовали улучшению физиологических и биохимических характеристик растений кукурузы как в оптимальных условиях, так и при стрессорном действии и последействии гипо - и гипертермии. При этом отмечены различия в эффективности препаратов, зависящие от генотипа растения и его возраста, интенсивности стрессового воздействия, а также концентрации препарата.

3 Предпосевная обработка регуляторами роста различной природы индуцировала повышенные всхожесть, рост и сниженную проницаемость мембран растений кукурузы, подвергнутых действию неблагоприятных температур.

4 Обработка семян регуляторами роста приводила к ослаблению тяжести окислительного стресса при гипо - и гипертермии, что выявлено по интенсивности генерации активированных форм кислорода (супероксидного анион-радикала) и перекисного окисления липидов в листьях кукурузы.

5 Экзогенные регуляторы роста способствовали возрастанию общей антиоксидантной активности тканей кукурузы, особенно выраженному при гипо-и гипертермии, и нормализации активности антиоксидантных ферментов при действии стресса.

6 Проведен скрининг регуляторов роста, способствующих повышению термоустойчивости растений, и подобраны оптимальные концентрации: тидиазурон – 10-10 и 10-11 М, 6-БАП – 10 нМ и 0,1 мкМ, цитодеф – 10-9 и 10-10 М, эпибрассинолид – 10-9 и 10-10 М, Рибав-Экстра – 10-5 и 10-6%, иммуноцитофит – 2×10-10 и 2×10-11 М. Эффективные концентрации зависели от физиологических особенностей растений, стрессирующего воздействия и его интенсивности.

Список опубликованных работ по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. , , Духовскис П. Влияние 6-бензиламинопурина на проростки кукурузы при действии неблагоприятных температур // Агрохимия. – 2013. – № 2.– С. 42–48.

2. , , Котлова препарата Рибав-Экстра на рост и проницаемость мембран у проростков кукурузы в условиях температурного стресса // Вестник Нижегородского университета им. .– 2013. – №1, ч. 1. – С. 151–157.

3. , , Влияние эпибрассинолида на термоустойчивость проростков кукурузы // Агрохимия. – 2013. – № 6. – С. 24–31.

4. , Каштанова тидиазурона на термоустойчивость растений кукурузы // Труды Карельского научного центра РАН. – 2013. –№ 3.– С. 129–135.

5. , , Изменение роста и проницаемости мембран у проростков кукурузы под влиянием эпибрассинолида и тяжелых металлов //Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. 2013. № 3. С. 16-18.

Публикации в других изданиях

1.Каштанова ответа культурных растений на абиотические стрессы действием синтетических регуляторов роста // Біологія: від молекули до біосфери». Матеріали VІІ Міжнародної конференції молодих учених (20 – 23 листопада 2012 р., м. Харків, Україна). – Харків: ФОП , 2012.– С. 212

2. , , Каштанова про - и антиоксидантной активности в листьях кукурузы при действии температуры и регуляторов роста // Естествознание в регионах: проблемы, поиски, решения : материалы междунар. науч. конф. «Регионы в условиях неустойчивого развития» (Кострома – Шарья, 1–3 ноября 2012 г.) : в 2 т. Т. 1 / сост. и отв. ред. , , . – Кострома : КГУ им. , 2012. – С. 181-182.

3. , , Лукаткин обработки гербицидом паракват на интенсивность перекисного окисления липидов в листьях злаков // Биодиагностика состояния природных и природно-техногенных систем: Материалы X Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Книга 1. (г. Киров, 4-5 декабря 2012г.). –Киров: , 2012. – С. 194-196.

4. , , Семенова эпибрассинолид способствует адаптации проростков кукурузы к неблагоприятным условиям выращивания // Биодиагностика состояния природных и природно-техногенных систем: Материалы X Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Книга 1. (г. Киров, 4-5 декабря 2012г.). – Киров: , 2012. – С. 170-173.

5. Синтетические регуляторы роста снижают токсические эффекты тяжелых металлов на растения огурца и кукурузы // ХII международная конференция «Научные, прикладные и образовательные аспекты физиологии, генетики, биотехнологии растений и микроорганизмов». – Киев, 2012. – С. 72-73.

6. , Лукаткин синтетических аналогов цитокининов на проявления окислительного стресса в клетках огурца при действии неблагоприятных факторов среды // Клеточная биология и биотехнология растений: тез. докл. Междунар. науч.-практич. конф., 13-15 февр. 2013 г., Минск, Беларусь = International conference «Plant Cell Biology and Biotechnology», Minsk, February 13–15, 2013 / ред. совет: [и др.]. — Минск : Изд. центр БГУ, 2013.– С. 72.

7. , Лукаткин обработки семян огурца тидиазуроном на про - и антиоксидантные свойства проростков при действии тяжелых металлов // Бизнес. Наука. Экология родного края: проблемы и пути их решения: Матер. Всеросс. науч.-практич. конф.-выставки экологических проектов с междунар. участием (г. Киров, 18–20 апреля 2013 г.). – Киров: Изд-во , 2013.– С. 183–185.

8. , Лукаткин резистентности растений огурца к тяжелым металлам при действии экзогенных регуляторов роста // Актуальные проблемы экологии и физиологии живых организмов: материалы Всерос. (с междунар. участием) науч. конф., Саранск, 15–17 мая 2013 г.– Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2013. – С. 92–95.

9. , , Лукаткин регуляторы роста повышают резистентность растений к абиотическим стрессорам посредством изменения про/антиоксидантного состояния // Инновацинные направления современной физиологии растений: тез. докл. Всерос. науч. конф. с междунар. участием. Москва, Россия, 2–6 июня 2013 г. – М., 2013. С. 282.

10. , Лукаткин кислорода в клетках растений абиотическими стрессорами и ее подавление экзогенными регуляторами роста // Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений: Первый международный симпозиум (Казань, 17-20 сентября 2013 г.). Тез. докл.– Казань: Изд-во "ФизтехПРЕСС" КФТИ КазНЦ РАН, 2013.– С. 75.