Сезонные изменения состояния антиоксидантной системы в листьях Катальпы бигнониевидной в условиях городской среды семиаридной зоны

АННОТАЦИЯ

В статье представлены данные о состоянии антиоксидантной системы интродуцированной на территории Узбекистана Катальпы бигнониевидной в период с мая по сентябрь. На протяжении 4-х лет в листьях Катальпы бигнониевидной оценивалось количество малонового диальдегида и пролина, а также изучалась активность трех основных антиоксидантных ферментов – супероксиддисмутазы, каталазы и пероксидазы. Кроме влияния климатических условий оценивалось влияние дополнительного техногенного стрессорного фактора в виде автомагистрали. Обнаружено резкое увеличение количества малонового диальдегида в июле-августе и его снижение практически до начальных значений в сентябре. Предполагается, что в относительно благоприятных условиях ботанического сада это явление связано с активаций супероксиддисмутазы и каталазы, в то время как в условиях оживленной магистрали, это в большей степени может быть связано с увеличением количества пролина в листьях растений.

ABSTRACT

The article presents data on the state of the antioxidant system introduced in the territory of Uzbekistan Catalpa bignonioides Walt in the period from May to September. For 4 years, the amount of malondialdehyde and proline in the leaves of Catalpa bignonioides Walt was estimated, and the activity of three main antioxidant enzymes - superoxide dismutase, catalase, and peroxidase - were studied. In addition to the influence of climatic conditions, the influence of an additional technogenic stress factor in the form of a highway was assessed. A sharp increase in the amount of malondialdehyde in July-August and its decrease almost to the initial values in September was found. It is assumed that, under relatively favorable conditions of the botanical garden, this phenomenon is associated with the activation of superoxide dismutase and catalase, while under the conditions of a busy highway, this may be largely associated with an increase in the amount of proline in plant leaves.

Ключевые слова: стрессоустойчивость растений, антиоксидантная система, активные формы кислорода, перекисное окисление липидов, ферментативная активность, пролин.

Keywords: plant stress resistance, antioxidant system, reactive oxygen species, lipid peroxidation, enzymatic activity, proline.

Городская растительность является одним из важнейших факторов формирования качества городской среды, при этом главным назначением городских зелёных насаждений в отличии от растений природных экосистем является регулирование газового состава атмосферы и создание благоприятного микроклимата. Растения городов и индустриальных районов находится в весьма невыгодном положении по сравнению с растениями естественных местообитаний – испытываемые городскими растениями техногенные влияния с точки зрения эволюции являются относительно новыми фактороми, к которым растения еще не успели выработать адаптационные механизмы.

В растении под действием одного или нескольких стресс-факторов, происходит индукция защитного ответа, который позволяет ему выживать и адаптироваться к изменившимся внешним условиям. Накопленные за последние десятилетия данные свидетельствуют, что общим интегральным процессом, характерным для стрессорного воздействия, является усиление генерации активных форм кислорода [6, 12-14, 18, 19]. Взаимодействие АФК с белками, липидами, нуклеиновыми кислотами приводит к нарушению структуры и функции мембран, активности ферментов, мутагенезу и, в конечном итоге, к остановке клеточного цикла и апоптозу [15]. В процессе эволюции растения сформировали весьма эффективную систему антиоксидантной защиты от АФК. В ответ на усиление генерации АФК, как правило, наблюдается активация элементов антиоксидантной защитной системы. Согласованная работа сложноорганизованной системы обеспечивает эффективную защиту от повреждения важных компонентов клетки - белков, мембранных липидов, нуклеиновых кислот. С другой стороны АФК выполняют сигнальную роль в активации защиты от патогенной атаки, участвуют в процессах роста и развития растений, регуляции клеточного цикла, запуске программируемой клеточной смерти [12, 14, 17]. Образование избытка АФК изменяет интенсивность экспрессии множества генов, ответственных за биосинтез как белков, так и низкомолекулярных метаболитов, выполняющих, в том числе, и защитные функции [7]. Таким образом, образование повышенного количества АФК опасно в том случае, когда происходит нарушение баланса между образованием АФК и их разрушением [14, 6, 12, 18, 19]. Именно это нарушение и является негативным интегральным процессом, получившим название окислительного стресса.

В настоящее время изучение механизмов адаптации растений к действию абиотических стрессоров проводят на модельных растениях, однако растения, не подвергавшиеся направленной селекции, могут существенно отличаться от модельных по уровню известных адаптивных реакций. Важным при изучении защитного ответа растения является вопрос о регуляторных или компенсаторных механизмах функционирования антиоксидантной системы растений в нормальных и стрессовых условиях. Несмотря на обширную литературу, посвященную функционированию антиоксидантных ферментов [2, 19, 18] и низкомолекулярных метаболитов [10, 15, 16, 20], очень немного известно о регуляторных или компенсаторных механизмах функционирования антиоксидантной системы. Более того, остается практически не изученным вопрос, как функционируют антиоксидантные ферменты при изменениях в метаболизме низкомолекулярных веществ и как изменяется в этих условиях окислительно-восстановительный гомеостаз клетки.  

В последние годы одним из наиболее часто используемых в благоустройстве городов и населенных пунктов декоративным деревом является Катальпа бигнониевидная (Catalpa bignonioides Walt). Несмотря на то, что родиной этого достаточно быстрорастущего дерева является юго-восток Северной Америки, оно успешно интродуцировано в условиях Узбекистана. Однако ранее оценка функционирования антиоксидантной системы Катальпы в условиях городской среды семиаридной зоны не проводилась.

Материалы и методы

Исследования проводились в период с 2017 по 2020 года. В работе использовались листья растений вида Катальпа бигнониевидная (Catalpa bignonioides Walt), произрастающих в районе ботанического сада и зеленых насаждений Национального университета Узбекистана имени Мирзо Улугбека (группа «Ботанический сад») и листья растений, произрастающих в районе оживленного перекрестка центральной магистрали в районе площади Амира Тимура г. Ташкента (группа магистраль). Листья собирались в утренние часы (7-9 часов утра). Для исследований были использованы деревья приблизительного одного возраста. Для определения количества МДА как конечного продукта ПОЛ была использована методика определения ТБК-реакционных продуктов. Для оценки активности антиоксидантной системы нами были изучены ферментативные активности пероксидазы (по скорости реакции окисления бензидина под действием пероксидазы), каталазы (используя способность пероксида водорода образовывать с солями молибдена стойкий окрашенный комплекс) и супероксиддисмутазы (по способности фермента ингибировать аутоокисление низких концентраций адреналина)  листьев [3].. Количество свободного пролина определяли по нингидриновой реакции [11]. В работе был использован спектрофотометр Cary Eclipse 60 (США). Статистическую обработку данных производили с использованием программы Excel 2010 (Microsoft, США). В каждом измерении было не менее 5 повторов. Для полученных данных были рассчитаны средние арифметические значения и их стандартные отклонения. Для определения значимости различий между средними значениями использовали t-критерий Стьюдента с уровнем значимости 0,05.

Результаты и их обсуждение

При изучении динамики накопления конечного продукта перекисного окисления липидов – малонового диальдегида (МДА) – нами было обнаружено, что на ранних этапах вегетационного периода (апрель-май) в листьях его количество минимально. Поэтому в дальнейшем уровень МДА в период апрель-май нами принимался за базовый или «нулевой». Однако с течением времени происходит очень резкое увеличение концентрации МДА - по сравнению с базовыми (майскими) значениями в условиях ботанического сада в листьях катальпы МДА увеличивается в 92 раза. Подобный ответ свидетельствует о значительном стрессовом давлении, испытуемом растениями. Следует отметить, что дополнительный стресс в виде загрязненного выхлопными газами воздуха привел к дополнительному увеличению количества МДА еще на 100% - то есть по сравнению с базовыми значениями количество МДА в листьях было увеличено в 93 раза (рис. 1).

Рисунок 1. Динамика накопления МДА в условиях ботанического сада и автомагистрали в листьях катальпы (за 0 приняты показания количества МДА в начале сезона; n=20; * - р<0.05)

На июль-август месяцы приходились самые высокие показатели температур (средняя дневная температура не опускалась ниже показателей 39-41^оС). Со снижением температур, а также возможным запуском более глубинных адаптационных механизмов, происходит резкое снижение количества МДА в тканях листьев: в условиях ботанического сада в сентябре месяце количество МДА в листьях катальпы снижается в 92 раза и значение превышает базовое только в 2 раза, однако в условиях нагруженной городской магистрали снижение было несколько меньше – в 13 раз по сравнению со значениями в августе, при этом значение МДА было увеличено на в 7 раз по сравнению с базовыми значениями (рис. 1).

Коэффициент активности антиоксидантной системы, оцениваемый нами как отношение количества МДА в августе и сентябре для растений, находящихся на территории университета (Ботанический сад), составил в среднем 92, а для листьев, собранных вблизи магистрали этот показатель равнялся 13,3, то есть был снижен практически в 7 раз.

Поскольку супероксиддисмутаза (СОД) является одним из первых (авангардных) ферментов, мобилизуемых для регуляции активности процесса пероксидации и накопления продуктов ПОЛ (в том числе и МДА), нам представлялось интересным изучить активность СОД в динамике май-конец августа/начало сентября (весна-осень).

При изучении активности СОД в листьях растений, растущих в ботаническом саду, нами было обнаружено, что в листьях катальпы наблюдаемое сезонное ингибирование было незначительным и может быть в пределах ошибки.

Рисунок 2. Ферментативная активность СОД в листьях катальпы. (n=20, * - p<0.05)

В случае оживленной магистрали (и значит дополнительного стрессора – загрязненного воздуха) в начале сезона отмечалось снижение ферментативной активности на 40% по сравнению с данными, полученными для ботанического сада, однако к концу сезона наблюдалось 3-х кратное увеличение активности СОД в листьях катальпы, растущей вблизи магистрали (следует отметить, что в листьях растений, растущих в ботаническом саду в этот же период активность этого фермента была в 2 раза ниже). Повышение активности СОД соотносится со снижением количества МДА в листьях. Таким образом, для листьев катальпы отмечалось значительное увеличение активности СОД в случае оживлённой магистрали по сравнению с практически отсутствием изменения активности этого фермента в условия ботанического сада.

Известно, что молекулы свободных радикалов в клетках растений вызывают резкое усиление цепных свободнорадикальных окислительных процессов и образование органических перекисей. Поэтому активация пероксидазы и каталазы может говорить о наличии активных восстановительных процессов, предотвращающих окисление клеточного субстрата. В связи с этим, мониторинг за изменением активности пероксидазы и каталазы в качестве чувствительной реакции растений на действие абиотических и антропогенных факторов может иметь значение для контроля качества окружающей среды и использоваться для оценки стрессоустойчивости растений - чем выше устойчивость вида к загрязняющим веществам, тем выше активность каталазы, и наоборот, ингибирование активности фермента может являться диагностическим признаком слабой толерантности растений к эмиссионным нагрузкам [9].

В ряде исследований было показано изменение активности каталазы у различных видов растений, сопровождающееся активацией пероксидазы, Было показано, что чем активнее каталаза, тем выше газоустойчивость растений [1]. Таким образом, увеличение уровня загрязнения атмосферного воздуха оказывает непосредственное влияние на изменение активности окислительно-восстановительных ферментов у ряда видов растений, а также способствует увеличению активности пероксидазы и снижению активности каталазы. Возможно, что повышение активности одного железосодержащего фермента - пероксидазы сопровождается ингибированием активности другого - каталазы [4].

Известно, что с повышением активности пероксидазы усиливаются ее оксидазные свойства, следовательно, может преобладать функционирование пероксидазы как терминальной оксидазы. Вероятно, что в этих условиях при ингибировании других оксидаз происходит адаптивная перестройка окислительного аппарата, препятствующая нарушению дыхательного процесса [8].

Мы сравнили абсолютные изменения в активности 3 основных антиоксидантных ферментов – СОД, каталазы и пероксидазы в листьях катальпы, растущей в условиях ботанического сада университета и вблизи перекрестка оживленной автомагистрали (рис. 3).

Рисунок 3. Сравнительный анализ сезонной активности ферментов АОС листьев катальпы в зависимости от условий произрастания. (n=20, p<0.05)

Для растений ботанического сада характерно практически монотонное увеличение каталазной активности в течение всего жаркого периода (суммарно активность фермента увеличилась практически в 2 раза) и начиная с августа резкое 2х кратное увеличение активности СОД. Активность пероксидазы практически не менялась до августа месяца, а далее наблюдалось снижение пероксидазной активности в среднем на 50%. Иная картина наблюдалась в случае оживленной автомагистрали – сезонное изменение активности для всех трех ферментов имело колоколообразный характер с максимумом в августе месяце, однако для пероксидазы и СОД суммарно наблюдалось увеличение активности по сравнению с началом жаркого периода на 20% для пероксидазы и на 36% для СОД. Следует отметить, что по сравнению с ферментативной активностью, характерной для листьев растений ботанического сада для того же периода, активность СОД была снижена в 1,5 раза в июле и в 2,5 раза в сентябре, а активность пероксидазы, наоборот, была выше в 2,4, 4 и 6,6 раз соответственно в июле, августе и сентябре. Максимум активности каталазы, также приходящийся на август, был более значительным (по сравнению с июлем активность увеличена в 2 раза), но и снижение активности было большим и в сентябре по сравнению с начальными данными этот показатель был снижен более чем на 50%.

Действие различных абиотических факторов, таких как засуха, температурный стресс (гипертермия, особенно в летние месяцы), повышенная инсоляция, приводят к активации защитных и приспособительных реакций растений. Адаптация растений к абиотическим стрессорам сопровождается накоплением свободного пролина в тканях. При формировании реакции ответа растения на различные воздействия пролин может выполнять функцию осмопротектора, регулировать окислительно-восстановительный потенциал, нейтрализовать кислородные радикалы, кроме того, эта аминокислота стабилизирует третичную структуру белков. Увеличение содержания пролина может служить в качестве количественной меры стресса, в том числе и водного. Чем хуже растение переносит неблагоприятные условия, тем выше содержание пролина в его тканях. [5]

В начале сезона для растений, произрастающих в ботаническом саду, содержание пролина в листьях было не более 0,3 мг%/1 г сухого вещества. К концу сезона отмечалось достоверное снижение количества пролина на 12,5%.  

Рисунок 4. Сезонные изменения в содержании пролина в листьях катальпы в зависимости от места произрастания (n=20, * p<0.05)

Дополнительный антропогенный стресс в виде загазованности атмосферного воздуха оказался критическим для растений. Уже в начале сезона в листьях катальпы уровень пролина был в 2 раза выше по сравнению с показателями, полученными для ботанического сада. К концу сезона в сентябре уровень пролина в листьях растений этой группы снижается на 20%. Однако следует отметить, что по сравнению с теми же показателями деревьев, растущих в ботаническом саду, этот показатель по-прежнему был выше в 2 раза.

Таким образом, отмеченное нами в конце сезона резкое снижение уровня МДА в листьях катальпы, произрастающей в ботаническом саду, в большей степени связано с активацией каталазы в течение всего периода наблюдения и СОД начиная с августа месяца. В то же время дополнительная стрессорная нагрузка в виде оживленного перекрестка автомагистрали приводила к росту активности всех изучаемых ферментов АОС (в большей степени каталазы) в период июль-август и снижению активности в сентябре (активность каталазы по сравнению со значениями в августе была снижена в среднем в 1,5 раза). Кроме того, в этих же условиях резкой активации процессов перекисного окисления происходит более значительный синтез пролина, обеспечивающего контроль образования АФК.

Основываясь на полученных нами данных можно предположить, что реализация защитного эффекта антиоксидантной системы при действии стрессоров на декоративные виды растений требует активации нескольких или многих антиоксидантных реакций. При этом избирательность в активации конкретных биохимических реакций, обеспечивающих защиту от окислительного стресса, определяется не только конститутивными особенностями вида растения, но и природой действующего стрессора.

Список литературы:

1. Алябышева Е.А., Е.В. Сарбаева, О.Л. Воскресенская, В.С. Воскресенский. Экологическая оценка городской среды / - Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2013. - 96 с
2. Бараненко В.В. Супероксиддисмутаза в клетках растений // Цитология. 2006. Т. 48. С. 465-473.
3. Борисова Г. Г., Малева М. Г., Некрасова Г. Ф., Чукина Н. В. Методы оценки антиоксидантного статуса растений.- Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2012. – 72 с.
4. Бухарина, И.Л. Эколого-биологические особенности древесных растений в урбанизированной среде /И.Л. Бухарина, Т.М. Поварницина, К.М.Ведерников.- ИжГСХА. Ижевск, 2007. -216 с
5. Кириллов А.Ф., Козьмик Р.А., Даскалюк А.П., Кузнецова Н.А., Харчук О.А. Оценка содержания пролина в растениях сои при воздействии засухи и засоления. //Доклады по экологическому почвоведению 2013, №1, вып.18
6. Полесская О.Г. Растительная клетка и активные формы кислорода./ Под ред. И.П.Ермакова. – М.: КДУ, 2007. – 140с.
7. Радыкина Н.Л. Функционирование антиоксидантной системы дикорастущих видов растений при кратковременном действии стрессоров // дисс.. докт. – Москва, 2015
8. Симонова З.А., Е.И. Тихомирова, И.С. Шайденко Роль железосодержащих оксидаз в адаптации древесных растений к факторам городской среды (на примере города Саратова) //Изв. Самарского научного центра РАН - 2016. - Т 18. - №2 (3). - С. 801-805
9. Чиркова Т.В. Физиологические основы устойчивости растений. — СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2002.
10. Шевякова Н.И., Стеценко Л.А., Мещеряков А.Б., Кузнецов В.В. Изменение активности пероксидазной системы в процессе стресс-индуцированного формирования САМ // Физиология растений. — 2009. — Т. 49. — № 5. — С. 670—677.
11. Шихалеева Г.Н., Будняк А.К., Шихалеев И.И., Иващенко О.Л. Модифицированная методика определения пролина в растительных объектах// Вестник Харьковского национального университета. Серия: биология.- 2014. - Вып. 21.- № 1112.- С. 168-172.
12. Abogadallah G. M. Antioxidative defense under salt stress // Plant Signal Behav. – 2010. – Vol.5. – P. 369-74.
13. Foyer CH; Noctor G Defining robust redox signalling within the context of the plant cell // Plant, Cell and Environment. - 2015. – Vol. 38. – P. 239-239.
14. Gechev T. S., Van Breusegem F., Stone J. M., Denev Il., Laloi C. Reactive oxygen species as signals that modulate plant stress responses and programmed cell death// BioEssays/ Wiley Periodicals Inc. - 2006. – Vol. 28. – P.1091–1101.
15. Hong S.-Y, Roze L V., Linz J. E. Oxidative stress-related transcription factors in the regulation of secondary metabolism // Toxins. – 2013. – Vol. 5. – P. 683-702.
16. Krishnan N., Dickmanb M. B., and. Beckera D. Proline modulates the intracellular redox environment and protects mammalian cells against oxidative stress //Free Radic Biol Med. - 2008. – Vol. 44. № 4. –P. 671–681.
17. Mittler R. ROS Are Good // Trends Plant Sci. .- 2017.- N 1.- P. :11-19.
18. Miura K. and Tada Ya. Regulation of water, salinity and cold stress responses by salicylic acid//Frontiers in plant science. – 2014. –Vol. 5. – P. 1-12.
19. Poljsak B. and Milisav I. The Neglected Significance of “Antioxidative Stress” //Oxidative Medicine and Cellular Longevity. – 2012.
20. Verbruggen N., Hermans C. Proline accumulation in plants: a review // Amino Acids. – 2008. – Vol. 35. – P.753-759.