ВЛИЯНИЕ БИОСТИМУЛЯТОРОВ НА АНТИОКСИДАНТНЫЙ СТАТУС НОВЫХ СОРТОВ ХЛОПЧАТНИКА В УСЛОВИЯХ ЗАСОЛЕНИЯ

INFLUENCE OF BIOSTIMULANTS ON ANTIOXIDANT STATUS OF NEW COTTON VARIETIES UNDER SALT STRESS CONDITIONS
Цитировать:
ВЛИЯНИЕ БИОСТИМУЛЯТОРОВ НА АНТИОКСИДАНТНЫЙ СТАТУС НОВЫХ СОРТОВ ХЛОПЧАТНИКА В УСЛОВИЯХ ЗАСОЛЕНИЯ // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Бабаева Д.Т. [и др.]. 2021. 11(89). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/12374 (дата обращения: 04.02.2023).
Прочитать статью:
DOI - 10.32743/UniChem.2021.89.11.12374

 

АННОТАЦИЯ

 Изучено влияние различных концентраций 10-6, 10-7, 10-8 М биостимулятора ДАГ-1 на функционирование про-/антиоксидантной системы в 7-суточных проростках хлопчатника - Порлок-1 и Равнак-1 в условиях солевого стресса. В качестве эталона использован коммерческий стимулятор Biodux. На основе изучения содержания Н2О2, малонового диальдегида (МДА), активности ферментов-антиоксидантов супреоксиддисмутазы (СОД), пероксидазы (ПО), каталазы (КАТ) выявлено, что Порлок-1 предобработанный биостимулятором ДАГ-1 в концентрациях 10-6 и 10-7 М был адаптирован действию солевого стресса. Препарат Biodux стимулировал про-/антиоксидантную систему исследуемых сортов хлопчатника, однако на фоне 100 мМ NaСl предобработка эталонным стимулятором не оказывала антиокислительного действия. Сопоставление про- и антиоксидантных процессов в сортах хлопчатника показало, что предобработка семян хлопчатника биостимулятором ДАГ-1 индуцирует антиоксидантную систему и смягчает воздействие солевого стресса.

ABSTRACT

 The effect of various concentrations of 10-6, 10-7, and 10-8 M biostimulant DAG-1 on the functioning of the pro / antioxidant system in 7-day-old cotton seedlings of varieties - Porlok-1 and  Ravnak-1 under conditions of salt stress. The commercial stimulant Biodux was used as a reference. Based on the study of the content of H2O2, malondialdehyde (MDA), the activity of the antioxidant enzymes superoxide dismutase (SOD), peroxidase (PO), catalase (CAT) it was found that pretreatment with the biostimulant DAG-1 at concentrations of 10-6 and 10-7 M reduced salt stress in Porlok-1. Biodux stimulated the pro- / antioxidant system of all studied cotton varieties; however, at 100 mM NaCl the pretreatment with the reference stimulator did not have an antioxidant effect. Comparison of pro- /antioxidant processes in different biotechnological cotton varieties showed that pretreatment of cotton seeds with a biostimulant DAG-1 induces an antioxidant system and mitigates salinity stress.

 

Ключевые слова: хлопчатник, антиоксиданты, биостимуляторы, перекись водорода, малоновый диальдегид.

Keywords: cotton, antioxidants, biostimulants, hydrogen peroxide, malondialdehyde.

 

Изменение климата вызывает потери производительности культур, что является серьезной проблемой для сельскохозяйственного сектора. Генмодифицированные культурные растения, могут не устоять при множественных стрессах на полевом уровне [1]. В качестве альтернативного решения для «подготовки» растений к будущим стрессам широко распространено использование биостимуляторов растений для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

Среди различных категорий биостимуляторов - один из успешных в хлопководстве Узбекистана - препарат ДАГ-1. Новый биостимулятор влияет на устойчивость и адаптивность хлопчатника к стрессам различного рода за счет стимулирования антиоксидантной системы растений.

Солевой стресс вызывает накопление АФК. Чтобы поддерживать баланс между продукцией и поглощением АФК, в растениях выработаны системы утилизации АФК. Основными компонентами обезвреживающие АФК являются ферменты СОД, КAT, ПО [2].

Мы предположили, что предпосевная обработка семян биостимулятором ДАГ-1 может смягчать воздействие солевого стресса. Следовательно, изучение про-/антиоксидантного статуса хлопчатника в условиях засоления является важным для оценки действия препаратов природного происхождения и химических средств на уровень продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ), Н2О2, активности ферментов-антиоксидантов - СОД, ПО, КАТ.

Материалы и методы

Семена хлопчатника ген-нокаутного сорта Порлок-1 и сорта маркер ассоциированной селекциии (МАС) Равнак-1 были предоставлены Центром геномики и биоинформатики, препарат ДАГ-1 (супрамолекулярный комплекс глицирризиновой и салициловой кислот), был разработан в Институте биоорганической химии имени А.С. Садыкова АН РУз. В качестве эталона использовали промышленный стимулятор Biodux (арахидоновая кислота – цис-5,8,11,14-эйкозатетраеновая кислота).

Семена хлопчатника оголяли концентрированной серной кислотой, промывали под струей холодной воды и выдерживали 8 ч в различных концентрациях (10-6, 10–7, 10-8 М) препарата ДАГ-1, а также в 0,03 % растворе эталонного стимулятора Biodux. Семена, завернутые в бумажные “рулоны”, помещали в отдельные сосуды с раствором NaCl (100 мМ) и проращивали в термостате при 26°C в течение 7-суток. Проростков гомогенизировали в присутствии жидкого азота. Сумму белков экстрагировали 0.1 М фосфатным буфером, рН 6.6, содержащем 0.5 М NaCl (1:3), в течение 1 часа на магнитной мешалке при 40С. Центрифугировали при 5000 об/мин в течение 20 мин.

Общую активность СОД определяли по методу Гианнополитиса и Райса [3]. Активность ПО определяли по методу Бояркина [4]. Содержание белка определяли по методу Лоури [5]. Активность КАТ определяли по методу Sinha [6]. Содержание МДА оценивали по методу В.В. Рогожин [7]. Определение содержания Н2О2 проводили методом Великовой [8].

Полученные данные были подвергнуты дисперсионному анализу (ANOVA) с использованием пакета программ OriginPro 7.0. Данные представлены как средняя стандартная ошибка трех повторностей.

Результаты и обсуждение

Исследования показали неоднозначность результатов по функционированию про-/антиоксидантной системы в 7-суточных проростках сортов хлопчатника Порлок-1 и Равнак-1 при солевом стрессе и воздействии малых концентраций (10-6 - 10-8 М) биостимулятора ДАГ-1 на фоне 100 мМ NaСl, которые связанны с сортоспецифичностью ответных реакций. В сравнительном аспекте было исследовано влияние промышленного стимулятора Biodux.  Как видно из приведенных результатов в табл.1, разные генотипы имеют разный уровень Н2О2. Высокий уровень Н2О2 наблюдался у сорта Равнак-1 (ДАГ-1 (10-7 М)). Воздействие 100 мМ NaCl в сортах хлопчатника снижало уровень Н2О2.

Таблица 1.

Содержание Н2О2 и МДА в 7-суточных проростках хлопчатника предобработанных стимуляторами

ДАГ-1 (10-6, 10-7, 10-8 М), Biodux на фоне 100 мМ NaCl, (n=3, M±m)

Варианты опыта

Н2О2 мкмоль/г сырого веса

МДА мкмоль/г сырого веса

Порлок-1

Равнак-1

Порлок-1

Равнак-1

Контроль

0,18

0,26

51,60

47,12

NaCl 100 мМ

0,12**

0,23**

67,31

80,77

ДАГ-1 (10-6 М)

0,19

0,27

62,82*

47,24*

ДАГ-1 (10-6 М) + NaCl 100 мМ

0,13**

0,18

62,00*

62,82*

ДАГ-1 (10-7 М)

0,26

0,33

56,09*

38,14**

ДАГ-1 (10-7 М) + NaCl 100 мМ

0,08**

0,16**

69,55

85,26

ДАГ-1 (10-8 М)

0,20

0,23

67,31

51,60*

ДАГ-1 (10-8 М) + NaCl 100 мМ

0,18

0,11**

53,85*

53,85*

Biodux

0,20

0,08**

65,71*

67,31*

Biodux + NaCl 100 мМ

0,13**

0,09**

74,49

90,64

Примечание: **- означает значение ниже уровня контроля; *- означает значение ниже уровня NaCl 100 мМ. В таблице представлены средние значения и их стандартные отклонения, различия достоверны при Р≤0,05.

 

Предобработка семян препаратом ДАГ-1 в концентрации 10-6 и 10-7 М увеличивали концентрации Н2О2 в исследуемых сортах. Накопление H2O2 может быть сигналом для инициирования адаптивного ответа на стресс [9]. В тоже время концентрация 10-8 М у сорта Порлок-1 незначительно увеличивала содержание H2O2, тогда как содержание Н2О2 при этом снижалось у сорта Равнак-1 по сравнению с контролем и заметное понижение при воздействии стимулятора Biodux. На фоне 100 мМ засоления предобработка семян стимуляторами ДАГ-1 (10-6 - 10-8 М) и Biodux способствовали ингибированию выработки H2O2 у сорта Равнак-1. Понижение уровня Н2О2, по нашим предположениям, является следствием функциональной активности антиоксидантных ферментов, которая хорошо согласуется с низким уровнем ПОЛ. Перекисного окисления липидов мембран растительных клеток, индуцированное АФК отражает вызванное стрессом повреждение на клеточном уровне в следствии накопления конечного продукта МДА и является показателем развития окислительного стресса растений [10]. В связи с этим изучалось влияние биостимуляторов на содержание МДА (табл.1). Под воздействием 100 мМ NaCl в сортах повышался уровня МДА. Несмотря на низкий уровень H2O2 при действии 100 мМ NaCl повышение содержания МДА может быть следствием накопления более токсичной молекулы чем Н2О2 - гидроксильного радикала (HO2 -), способный проходить через мембраны и отбирать атомы водорода у полиненасыщенных жирных кислот и липидов, тем самым запускать самоокисление липидов [11]. Нужно отметить, что содержание МДА при концентрации ДАГ-1 10-7 М у сорта Порлок-1 и Равнак-1 было ниже, чем при воздействии только 100 мМ NaCl. Хотя значения содержания МДА исследуемых сортов в некоторых вариантах применения биостимуляторов превышал значения в контрольных растениях, показатель окислительного стресса у предобработанных биостимулятором растениях в условиях засоления был ниже, чем при воздействии одного 100 мМ NaCl.

На фоне засоления концентрации биостимулятора ДАГ-1 10-6 и 10-8 М способствовали понижению уровня МДА у Равнак-1. Понижение уровня окислительного повреждения мембран связано с функционированием ферментов КАТ, СОД, ПО, активность которых индуцировалось стимулятором ДАГ-1. Содержание МДА повышалось у сортов предобработанных Biodux по сравнению с контрольными образцами, однако, при этом содержание МДА было низким по сравнению с образцами под воздействием 100 мМ NaCl. На фоне засоления в сортах предобработка Biodux не защищала растения от окислительного стресса, о котором свидетельствовало повышение уровня МДА. Согласно мнению Bowler, это связано со снижением активности КAT и результатом реакции Haber–Wesis с образованием гидроксильных радикалов [12].

Далее была исследована сравнительная активность антиоксидантных ферментов у сортов хлопчатника при действии биостимуляторов в условиях солевого стресса.

Таблица 2.

Активность антиоксидантных ферментов в 7-суточных проростках хлопчатника предобработанных стимуляторами

ДАГ-1 (10-6, 10-7, 10-8 М) и Biodux на фоне 100 мМ NaCl, (n=3, M±m)

Варианты опыта

Активность ферментов, Е/мг белка

Порлок-1

Равнак-1

КАТ

СОД

ПО

КАТ

СОД

ПО

Контроль

81,78

113,0

134,96

41,76

58,32

152,13

NaCl 100 мМ

58,13

10,14

137,52**

68,57**

50,71

133,37

ДАГ-1 (10-6 М)

157,08**

201,07**

194,48**

77,22**

63,34**

135,42*

ДАГ-1 (10-6 М)+ NaCl 100 мМ

79,70*

4,01

166,67**

112,0**

85,00**

147,65*

ДАГ-1 (10-7 М)

166,32**

117,31**

170,63**

43,40**

59,66**

118,44

ДАГ-1 (10-7 М)+ NaCl 100 мМ

32,94

20,72*

132,26

92,32**

65,40**

133,47

ДАГ-1 (10-8 М)

70,25*

133,00**

260,40**

58,34**

52,62*

143,50*

ДАГ-1 (10-8 М)+ NaCl 100 мМ

62,88*

11,21

103,17

80,28**

48,34

130,53

Biodux

41,88

126,69**

234,61**

62,00**

15,06

93,71

Biodux + NaCl 100 мМ

13,40

123,28**

174,89**

65,00**

8,06

97,64

Примечание: **- означает значение выше уровня контроля; *- означает значение выше уровня NaCl 100 мМ. В таблице представлены средние значения и их стандартные отклонения, различия достоверны при Р≤ 0,05.

 

Солевой стресс повышал активность КАТ у сорта Равнак-1 и ПО активность у сорта Порлок-1 (табл. 2). При этом активность СОД была ниже уровня контроля. Это указывает на компенсаторную функцию антиоксидантных ферментов в ответ на активность процессов ПОЛ.

При обработке семян Порлок-1 биостимулятором ДАГ-1 в проростках наблюдалось увеличение активности трех ферментов при концентрациях 10-6 и 10-7 М, при действии концентрации 10-8 М повышалась активность СОД и ПО. Повышение активности ферментов совпадало с понижением уровня МДА. Обработка биостимулятором ДАГ-1 в концентрации 10-6 и 10-7 М семян сорта Равнак-1 индуцировала активности КАТ и СОД, а концентрация 10-8 М активность только КАТ, в результате которого уровень МДА снижался.

Предобработка семян препаратом ДАГ-1 в концентрации 10-6 М с последующим проращиванием в 100 мМ NaCl индуцировала активность ПО в проростках Порлок-1, а также активность КАТ и СОД у Равнак-1. При концентрации 10-7 М в условиях засоления повышалась активность КАТ и СОД у сорта Равнак-1, а совместное воздействие засоления и биостимулятора ДАГ-1 при концентрации 10-8 М повышала активность КАТ.

Было выявлено, что обработка семян стимулятором Biodux повышала активность КАТ и СОД в проростках Порлок-1. У Равнак-1 обработка семян стимулятором повышала активность только КАТ. В этих сортах соответственно были низкие уровни Н2О2 и МДА. На фоне 100 мМ NaСl стимулятор Biodux повышал активность СОД и ПО у сорта Порлок-1, в то время как повышение активности только КАТ отмечалось у сорта Равнак-1 по сравнению с контролем.

Предобработка семян исследуемых сортов стимулятором Biodux и разными концентрациями биостимулятора ДАГ-1 на фоне 100 мМ NaСl индуцировали активность ферментов, а в некоторых случаях ингибировали их активность. Это связано с тем, что ферменты расположены в различных тканевых структурах и клеточных компартментах, имеют разную субстратную специфичность и сродство к АФК. При действии стрессов на растения может произойти быстрая инактивация конститутивного пула антиоксидантных ферментов [13].

Анализируя данные с позиции чувствительности про-/антиоксидантной системы новых биотехнологических сортов хлопчатника при обработке семян препаратом ДАГ-1 и воздействии засоления были выявлены различия в накоплении Н2О2 и МДА, активности ферментов СОД, КАТ, ПО, которые могут отражать сортоспецифичность в механизмах защитного ответа к повреждающему действию окислительного стресса и стресс-смягчающего эффекта малых концентраций биостимулятора. Было установлено, что сорт Порлок-1 предобработанные препаратом ДАГ-1 в концентрации 10-6 и 10-7 М был адаптирован действию солевого стресса. Препарат Biodux стимулировал про-/антиоксидантную систему исследуемых сортов хлопчатника, однако на фоне 100 мМ NaСl предобработка эталонным стимулятором не оказывала антиокислительного действия. Сопоставление про-/антиоксидантных процессов в сортах хлопчатника показало, что предобработка биостимулятором ДАГ-1 индуцирует антиоксидантную систему и смягчает воздействие солевого стресса.

Проведенные нами исследования дают основу для разработки конкретных рекомендаций по применению препаратов нового поколения и пестицидов для каждого генотипа хлопчатника с учетом их антиоксидантного статуса с целью повышения адаптивности в условиях засоления.

Благодарность:

Авторы выражают благодарность Центру геномики и биоинформатики за безвозмездное предоставление семян биотехнологических сортов хлопчатника Порлок-1 и Равнак-1 в проведении научных экспериментов.

 

Список литературы:

  1. Faisal Z., Muhammad A. Bioregulators: unlocking their potential role in regulation of the plant oxidative defense system // Plant Molecular Biology. 2021. – V.105. -P.11–41.
  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 Physiol Biochem. 2020. – V.156. – P.64–77.
  3. Giannopolitis C.N., Ries S.K. Superoxide dismutase I. Occurrence in higher plants // Plant Physiol. 1972. - V. 59. - P. 309-314.
  4. Бояркин А.Н. Быстрый метод определения активности пероксидаз // Биохимия. 1951. - Т.16. - № 6. – С.352-355.
  5. Lowry O.H., Rosebrough N.J., Farr A.L., Randall R.J. // J.Biol. Chem. 1951. V.193 - №2. - P. 265.
  6. Sinha, K.A. (1972) Colorimetric Assay of Catalase. Analytical Biochemistry, 47, 389-394.
  7. Kumar G.N.M., Knowles N.R. Changes in lipid peroxidation and lipolitic and free radical scavenging enzyme activities during aging and sprouting of potato (Solanum tuberosum) seed-tubers // Plant. Physiol. 1993. – V.102. – P. 115-124.
  8. Velikova V., Yordanov I., and Edreva A. Optimized assay for hydrogen peroxide determination in plant tissue using potassium iodide // American Journal of Analytical Chemistry. 2014.- V.5. – P.730-736.
  9. Gosset D.R., Millhollon E.P., Lucas M.C. Antioxidant response to NaCl stress in salt-tolerant and salt-sensitive cultivars of cotton // Crop Sci. 1994. – V.34. -P.706–714.
  10. 10.Shukla N., Awasthi R.P., Rawat L. and Kumar J. Biochemical and physiological responses of rice (Oryza sativa L.) as influencced by Trichoderma harzinaum under drought stress // Plant Physiol. Bioch. 2012. – V.54. – P.78-88.
  11. Demiral T., Turkan I. Comparative lipid peroxidation, antioxidant defense systems and proline content in roots of two rice cultivars differing in salt tolerance // Environ. exp. Bot. 2005. -V.53. – P.247-257.
  12. Bowler C., Montagu M.V. and Inze D. Superoxide dismutase and salt stress tolerance // Ann. Rev. Plant Physiol. 1992. – V.43. – P.83-116.
  13. Гарифзянов А.Р., Жуков Н.Н., Иванищев В.В. Образование и физиологические реакции активных форм кислорода в клетках растений // Современные проблемы науки и образования.  2011. – № 2. -C.21
Информация об авторах

канд. биол. наук, ст. науч. сотр., Институт биоорганических химии АН РУз., Узбекистан, г.Ташкент

PhD in Biology Senior Researcher, Institute of Bioorganic Chemistry of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Uzbekistan, Tashkent

д-р биол. наук, профессор, Институт биоорганических химии АН РУз., Узбекистан, г.Ташкент

Doctor of Biological Sciences, Professor Institute of Bioorganic Chemistry of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Uzbekistan, Tashkent

м.н.с., Институт биоорганических химии АН РУз Узбекистан, г.Ташкент

junior researcher, Institute of Bioorganic Chemistry of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Uzbekistan, Tashkent

д-р биол. наук, вед. науч. сотр., Институт биоорганических химии АН РУз., Узбекистан, г.Ташкент

Doctor of Biological Sciences, Leading Researcher, Institute of Bioorganic Chemistry of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Uzbekistan, Tashkent

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top