ОЦЕНКА АКТИВНОСТИ АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ В ЛИСТЬЯХ Aesculus hippocastanum В УСЛОВИЯХ УРБАНИЗАЦИИ НА ПРИМЕРЕ ГОРОДА ТАШКЕНТА

АННОТАЦИЯ

В настоящее время одной из фундаментальных проблем считается изучение адаптации клеток и молекулярных механизмов к экстремальным условиям окружающей среды. Формирование адаптационного ответа организма растения на абиотические стрессоры происходит в результате многочисленных метаболических изменений. Известно, что все живые организмы обладают специальными адаптационными механизмами, позволяющими им приспосабливаться к биотическим и абиотическим факторам окружающей среды и защищаться в неблагоприятных условиях. В статье обсуждается состояние антиоксидантной системы растения конского каштана (Aesculus hippocastanum) во время листопада в Узбекистане. Было изучено содержание количества ферментов антиоксидантной системы, таких как супероксиддисмутаза и каталаза, а также уровень малондиальдегида и пролина за этот период.

ABSTRACT

Currently, one of the fundamental problems is the study of cell adaptation and molecular mechanisms to extreme environmental conditions. The formation of an adaptive response of the plant body to abiotic stressors occurs as a result of numerous metabolic changes. It is known that all living organisms have special adaptation mechanisms that allow them to adapt to biotic and abiotic environmental factors and protect themselves from unfavorable conditions. The article discusses the state of the antioxidant system of the horse chestnut plant (Aesculus hippocastanum) during leaf fall in Uzbekistan. The levels of enzymes of the antioxidant system, such as superoxide dismutase and catalase, as well as the levels of malondialdehyde and proline during this period were studied.

Ключевые слова: антиоксидантная система, каталаза, супероксиддисмутаза, малондиальдегид, пролин.

Keywords: antioxidant system, catalase, superoxide dismutase, malondialdehyde, proline.

В течение всей жизни растений абиотические факторы окружающей среды проявляют постоянные или периодические воздействия [13]. В настоящее время загрязнение окружающей среды является одним из глобальных проблем в мире. В таких условиях растения хотя и сохраняют свой внешний декаративный вид, но всё же подвергаются серьёзным физиологическим и биохимическим изменениям. В результате воздействия различных экстремальных экологических факторов на растения в первую очередь нарушается структура мембран, и в результате увеличивается количество малондиальдегида (МДА) из-за увеличения свободных радикалов в клетках [7; 12]. Для биохимической оценки повреждений клеточных мембран у растений использование анализа содержания перекисных окислительных продуктов липидов является одним из точных показателей. В связи с увеличением антропогенного воздействия на окружающую среду имеет большое значение изучение воздействия внешних факторов на живые организмы, в частности, на растения.

 Реакция к адаптивным изменениям является индивидуальной и зависит от вида, условий жизни растения. Даже различные ткани, клетки и органы одного и того же растения могут отличаться по степени чувствительности [11].

Под воздействием стрессовых факторов в клетках происходит увеличение содержания углеводов и особенно пролина, который участвует в защитных реакциях. В случае отсутствия воды уровень пролина в цитоплазме клеток растений увеличивается в 100 раз. Пролин помогает предотвратить денатурацию белков. Являясь осмотически активным органическим веществом, пролин, накапливаясь, обеспечивает сохранение воды в клетках. В неблагоприятных условиях среды в растениях также увеличивается содержание этилена и абсцизовой кислоты и замедляются процессы метаболизма. Рост и развитие замедляется, происходит ускоренное старение, в тканях уменьшается количество ауксинов, цитокининов и гиббереллинов, стадия покоя ускоряется [5].

Основываясь на выше сказанном, целью данной работы является оценка антиоксидантной системы растения Aesculus hippocastanum. Для достижения этой цели была изучена активность ферментов антиоксидантной системы – каталазы и супероксиддисмутазы.

Материалы и методы. Исследование проводилось на растениях Конского каштана (Aesculus hippocastanum), растущего на территории Ботанического сада Национального Университета Узбекистана имени Мирзо Улугбека и на центральной аллее улицы Амир Темур города Ташкента, Узбекистан. Листья собирались рано утром (в период с 7 до 9 часов). Для исследования использовались однолетние деревья. Для определения уровня малондиальдегида (MDA) в качестве показателя продукции липидных перекисей применялся TБK – метод определения реактивных продуктов [1]. Количество свободного пролина определялось методом Бейтса [10]. Активность каталазы определялась на основе способности образовывать стабильно окрашенный комплекс с молибденовыми солями в присутствии перекиси водорода [8], активность супероксиддисмутазы измерялась по способности фермента к аутоксидации адреналина при низких концентрациях [9]. В ходе исследований использовался спектрофотометр Cary Eclipse 60 (США).

Результаты и их обсуждение. Различные биотические и абиотические факторы оказывают существенное воздействие на состояние, рост и развитие растений. Изучая окислительный стресс в растениях на примере A.hippocastanum мы обнаружили высокие показатели МДА (малоновый диальдегид) в листьях каштана, растущих в ботаническом саду. Эти показатели увеличились примерно в 1,5 раза по сравнению с исходными значениями в июне и августе (соответственно 17,484 мкмоль/г и 17,952 мкмоль/г). Однако, в магистральных условиях наблюдалось снижение этих показателей. В мае концентрация МДА составила 10,5645 мкмоль/г, что значительно выше, чем в июне, когда этот показатель составил 8,548 мкмоль/г.

В августе наблюдалось относительное увеличение примерно 3,5 раза (от 1,516 мкмоль/г до 5,452 мкмоль/г) окислительного стресса, чем в июле, однако этот показатель был на 50 % ниже, чем изначальные значения (Рис. 1).

Рисунок 1. Динамика накопления MDA в листьях Aesculus hippocastanum при различных условиях (n=20; M±m, *Р<0,05; **Р<0,01)

В условиях ботанического сада ферменты антиоксидантной системы, такие как супероксиддисмутаза (СОД) и каталаза, проявляли динамику активности, обратную друг другу. Например, уровень активности СОД увеличивался к концу лета, достигая пика в июле, в то время как активность каталазы снижалась. Начальный уровень активности ферментов в мае составил 1,55 µМ для СОД. В июле уровень СОД вырос до 1,7 µМ, в то время как активность каталазы снизилась до 1,3 раз (с 57 % до 45 %). В августе показатель активности каталазы повысился до 1,04 раз (с 45% до 47%), в то время как активность СОД снизилась в 1,1 раз (с 1,7 µМ до 1,51 µМ). У растений A.hippocastanum, растущих рядом с автомагистралью, уровень активности СОД и каталазы также менялся в течение лета. Например, в июле уровень активности СОД был ниже 1,2 раза, чем в начале сезона (с 1,8 µМ до 1,65 µМ), в то время как активность каталазы увеличилась с 53 % до 68 %.

В августе уровень активности СОД достиг показателя 0,85 µМ, в то время как активность каталазы понизилась до 1,1 раз (составив 63 %) (Рис. 2).

Рисунок 2. Сезонные изменения ферментативной активности антиоксидантных ферментов СОД и каталазы у растений Aesculus hippocastanum (n=20; M±m, *Р<0,05;**Р<0,01)

Фермент каталаза играет ключевую роль в метаболизме у растений. Он является одним из самых активных природных ферментов и входит в группу элитных ферментов с высокой скоростью реакций. Каталаза также играет определенную роль в реакциях организма на стрессовые воздействия. При участии флавин дигидрогеназы, каталаза, расщепляет образовавшийся в процессе дыхания клеток периоксид водорода, который является ядовитым для растений. Одной из его основных функций является обеспечение дыхания клеток путем разложения перекиси водорода, которая образуется в результате дыхания. Каталаза является одним из ферментов, способных разлагать пероксиды, регулирует изменения в аэробных и анаэробных процессах, а также участвует в окислении пероксидов в пероксисомах во время фотосинтеза.

Каталаза играет очень важную роль в обеспечении тканей молекулярным кислородом. Ферментная активность каталазы зависит от типа растения, возраста клеток, типа тканей и других факторов. Оптимальное воздействие каталазы обычно наблюдается при pH около 6,5, хотя в кислотных и щелочных условиях ее активность снижается [5].

Большинство видов растений реагируют на стрессовые условия с увеличением содержания пролина, как описано во многих литературных источниках [14]. Молекулярные механизмы, связанные с накоплением пролина в ответ на стресс, остаются недостаточно изученными [9]. Тем не менее, повышенное содержание пролина после стрессового воздействия обычно рассматривается как адаптивный механизм для растительных клеток.

Исследования показывают, что в начале летнего сезона у каштанов, растущих в ботаническом саду, наблюдалось высокое содержание свободного пролина, достигая 6,546 мкмоль/г. Однако к июлю этот показатель уменьшился примерно вдвое по сравнению с июнем. В конце сезона этот показатель составил от 3,345 мкмоль/г до 4,052 мкмоль/г.

Рисунок 3. Динамика накопления свободного пролина у растений Aesculus hippocastanum (n=20; M±m, *Р<0,05; **Р<0,01)

В магистральных условиях с дополнительным стрессом начальное количество свободного пролина в начале сезона составило 7,998 мкмоль/г, что выше на 22 % от показателей растений, растущих в ботаническом саду. В течение сезона увеличение активности каталазы (см. график каталазы) и уменьшение уровня окислительного стресса привели к снижению содержания пролина на 50 %.

Литературные данные указывают на то, что увеличение содержания пролина в пшеничных колеоптерах связано с обработкой водородом пероксида [3]. Водород пероксид также способствует накоплению пролина в колеоптерах и в корнях саженцев кукурузы, увеличивает активность гена P5KS и снижает активность PDG [4]. Те же авторы отметили, что при воздействии Н₂О₂ повышается активность орнитин-δ-аминотрансферазы и глутаматдегидрогеназы, участвующих в синтезе пролина.

Из результатов можно сделать вывод, что неблагоприятные климатические условия способствуют активации системы антиоксидантных ферментов в растениях, при этом активность ферментов СОД и каталазы взаимосвязана, то есть повышение активности СОД приводит к уменьшению активности каталазы и наоборот. Таким образом, активация обоих ферментов антиоксидантной системы – каталазы и СОД способствует адаптации Aеsculus hippocastanum не только к жаркому сухому климату Ташкента, но и к дополнительным неблагоприятным условиям урбанизации.

Список литературы:

1. 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.
2. Королюк М.А. Метод определения активности каталазы // Лабораторное дело. – 1988. – № 1. – С. 16–19.
3.  Куимова Н.Г., Радомская В.И., Павлова Л.М. Особенности химического и микробиологического состава снежного покрова г. Благовещенска // Экология и промышленность России. — 2007. — № 2. С.30-33.
4. Петухов А.С., Хритохин Н.А., Кремлева Т.А., Петухова Г.А. Активность каталазы травянистых растений в условиях загрязнения городской среды. Самарский научный вестник. – 2019. – T.8. – № 1(26). – С. 90–95.
5. Сарбаева Е. В., Воскресенская О. Л. Изменение активности железосодержащих оксидаз у декоративных растений в условиях урбанизированной среды // Вестник РУДН. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности. – 2008. – №4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/izmenenie-aktivnosti-zhelezosoderzhaschih-oksidaz-u-dekorativnyh-rasteniy-v-usloviyah-urbanizirovannoy-sredy.
6. Сирота Т.В. Способ определения антиоксидантной активности супероксиддисмутазы и химических соединений // 3аявл.9910319214 (003673); Опубл. 20.01.2000, Бюлл. № 2.
7. Филимонихина Е.Г., Лихолат Ю.В. Устойчивость растений подтапливаемых территорий в условиях засухи в г. Кировоград // Вюн. Дншропетровсь-кого ун-ту. Бюлопя. Еколопя. – 2011. – Т.2. № 19. – С.132-135.
8. Хўжаев Ж.Х. Ўсимликлар физиологияси. Дарслик. – Тошкент, 2004.
9. Хэйр П.Д., Кресс В.А. Метаболические последствия стресс-индуцированного накопления пролина в растениях // Регулятор роста растений. – 1997. – № 21. – С. 79–102. [ Академия Google ]
10. Bates L., Waldren R.P., Teare I.D. Rapid determination of free proline for water stress studies // Plant Soil. – 1973. – V. 39. – Р. 205-207.
11. Beknazarov B.O. O’simliklar fiziologiyasi. Darslik. – Toshkent. – 2009.
12. Kaznacheeva M.S., Tsebrzhinsky I. Able of contents of malondialdegide in sorts of plants different on level of stability to the diseases // Вюн. Одеського нацюнального ун-ту. Бюлопя. –2011. – Т.16. № 24. – С.12-17.
13. Theocharis A., Clement Ch., Barka E.A. Physiological and molecular changes in plants grown at low temperature. Planta. 2012. Vol. 235. P. 1091–1105.
14. Verbruggen N, Hermans C. Накопление пролина в растениях: обзор // Аминокислоты. – 2008. – № 35. – С. 739. [ PubMed ] [ Академия Google ]