Представлений огляд досліджень, виконаних в Російському державному університеті імені Іммануїла Канта, за впливом абіотичних факторів на формування пулу антиоксидантів рослин.

Анотація наукової статті з біологічних наук, автор наукової роботи - Чупахіна Г. Н.


The article reviews the research on the influence of abiotic factors on plant antioxidant pool formation conducted at IKSUR.


Область наук:
  • біологічні науки
  • Рік видавництва: 2009
    Журнал: Вісник Балтійського федерального університету ім. І. Канта. Серія: Природні і медичні науки

    Наукова стаття на тему 'абіотичні фактори, що визначають пул антиоксидантів рослин'

    Текст наукової роботи на тему «абіотичні фактори, що визначають пул антиоксидантів рослин»

    ?Г. Н. Чупахіна

    Абіотичних факторів, ЩО ВИЗНАЧАЮТЬ ПУЛ АНТИОКСИДАНТІВ РОСЛИН

    Представлений огляд досліджень, виконаних в Російському державному університеті імені Іммануїла Канта, за впливом абіотичних факторів на формування пулу антиоксидантів рослин.

    The article reviews the research on the influence of abiotic factors on plant antioxidant pool formation conducted at IKSUR.

    Ключові слова: абіотичні фактори, стрес, антиоксиданти.

    Keywords: Abiotic factors, stress, antioxidants.

    В процесі нормального функціонування, і особливо в умовах стресу, в рослинах збільшується вміст активних форм кисню (АФК): супероксидного та гідроксильного радикалів, пероксиду водню та синглетного кисню, які можуть призводити до передчасного старіння або навіть загибелі клітин [1].

    Рослини мають достатню стійкість до окислювальних пошкоджень, що обумовлено наявністю ефективних антиоксидантних систем. Вони представлені ферментативними антиоксидантами, такими як супер-оксіддісмутаза, каталаза, дегідроаскорбатредуктази, глютатіонтрансфера через, аскорбатпероксидази, фосфоліпідгідропероксідаза і інші.

    Набір неферменгатівних антиоксидантів досить великий і включає аскорбінову кислоту, глютатіон, каротіноцди, антоціани, токофероли, убіхінон, флавоноїди, цистеїн, метіонін і багато інших з'єднань [2]. ____ Відповідь антиоксидантної системи на один і той же стресор залежить від виду ра<сйнuійос6Ugв (Ш ^ гоiударгffl30Jногігейiенсumim ^? Uш; ссо§iййа .вш ^ сттс о-ха-

    рактера стресового чинника, від стану антиоксидантної системи, вихідного рівня антиоксидантної активності, віку рослин і умов їх вирощування [3]. Тому оцінка успішності антиоксидантної захисту передбачає всебічне дослідження даного багатофакторного процесу.

    У Російському державному університеті імені Іммануїла Канта тривалий час ведуться дослідження системи аскорбінової кислоти рослин, що включає її відновлену форму (АК), дегідроформа (ДАК) і продукт необоротного перетворення останньої - дикетогулонову кислоту (ДКГК) [4]. Аскорбінова кислота виконує важливі функції в житті рослин і людини, при цьому участь вітаміну С в метаболізмі гетеротрофних організмів більш конкретизовано, що ж стосується автотрофов, які продукують АК, то для них ще потрібно уточнити і функцію даного з'єднання, і шляхи його новоутворення.

    Не викликає сумніву той факт, що одним з найважливіших умов, що визначають біосинтез АК у рослин, є світло. У сухих насінні АК відсутня, при їх проростанні навіть в темряві в проростках

    синтезується АК, але, ймовірно, за рахунок попередників, запасених насінням. У зелених же рослинах АК накопичується переважно на світлі, тому виправдано пов'язувати її біосинтез з фотосинтезом. Однак виконане нами дослідження дії світла різного спектрального складу на біосинтез АК показало, що спектри дії фотосинтезу і біосинтезу АК в окремих областях не збігаються. Зокрема, показана висока активність жовто-зеленого світла в процесі освіти АК. Відсутня позитивна кореляція в змісті фотосинтетических пігментів і здатності рослин накопичувати АК. Крім цього, світлозалежна синтез АК був виявлений у експериментально отриманих альбіносних проростків ячменю. Представлені дані дозволяють говорити про відсутність прямого зв'язку між фотосинтезом і біосинтезу АК, хоча повністю заперечувати її наявність можна, так як вуглеводний субстрат для новоутворення АК поставляє фотосинтез.

    Експериментально показано наявність зв'язку між світлозалежна біосинтезу АК і дихальним процесом в цілому, а також з окремими його етапами: гликолизом і ЦТК, особливо з останнім [5]. При активації ЦТК интермедиатами циклу (бурштинової, а-кетоглутаровой кислотою) і при його пригніченні відповідно змінювалося і накопичення АК [6]. Дослідження субклітинному локалізації АК в зв'язку з висвітленням виявило активне накопичення АК у фракції, що включає мітохондрії, що також вказує на зв'язок біосинтезу АК з органоидами дихання, хоча інгібування хлоропластних, мітохондріальних і цитоплазматичних рибосом показало, що біосинтез АК більшою мірою залежить від функціонування цитоплазматичних 805 -рібосом, ніж від мітохондріальних і хлоропластних [7].

    Спостережуване світлозалежна накопичення АК в рослинах, ймовірно, не можна пов'язати з будь-яким одним процесом: фотосинтезом або диханням. Вже зараз ясно, що існує кілька процесів, які будуть визначати накопичення АК на світлі, і ці процеси можуть бути пов'язані з фотосинтезом або з диханням, для якого в останні роки показано наявність реакцій, які активуються світлом.

    Пул АК в рослинах визначається одночасно йдуть процесами біосинтезу і використанням АК в багатьох процесах, в тому числі і пов'язаних з обома енергодающіх процесами - фотосинтезом і диханням. Так, показано, що рівень АК на світлі, з одного боку, залежить від функціонального стану пластоціанін і Р700. З іншого боку, він залежить від активності дихальних ферментів - ферментів, що окислюють АК: аскорбатоксідази, поліфенолоксідази, ци-тохромоксідази і пероксидази. Три перших ферменту у зелених проростків ингибируются світлом, пероксидаза - активується. У дефіцитних по зелених пігментів і альбіносних проростків світло активує всі вищевказані ферменти, тому одним з чинників, що визначають світлозалежна накопичення АК у нормально пігмеї-

    тірован рослин, є інгібування світлом більшості ферментів, її окислюють [4].

    Говорячи про дії світла на біосинтез АК, потрібно мати в віцу не тільки опосередковане його вплив через фотосинтез, що дає субстрат для утворення АК, але й безпосереднє його дію в процесі утворення молекули АК з глюкози або галактози. Однією з таких реакцій може бути фотовідновлення попередника АК або активування світлом 1-Гулон-у-лактондегідрогенази, що каталізує останню сходинку біосинтезу АК в мітохондріях і є флавінсодержащім ферментом [8].

    Фонд АК в рослинах на світлі може поповнюватися не тільки за рахунок новоутворення АК, але і шляхом фотовідновлення ДАК в АК в хлоропластах. Залишається неясним, чи можливо відновлення ДАК за рахунок відновника, що утворюється в процесі окисного фосфор-вання. Отже, рівень АК в рослинах буде залежати від спрямованості процесів в системі АК ^ ДАК. У зв'язку з цим, характеризуючи зміст АК в рослинах, і особливо метаболізм даного з'єднання, необхідно одночасно аналізувати зміст не тільки АК і ДАК, а й ДКГК, що утворюється при незворотною трансформації ДАК в результаті розриву її лактонового кільця. ДКГК рослин практично не досліджена, хоча це з'єднання починає привертати до себе увагу завдяки виявленому протипухлинному його дії.

    Таким чином, зміст АК в рослинах визначається багатьма одночасно йдуть процесами (малюнок), і регуляція її накопичення на світлі вимагає узгодженої їх роботи. Це має місце не тільки при нормальному функціонуванні рослин, але і в стресових умовах, які зазвичай супроводжуються посиленням біосинтезу і використання антиоксиданту - аскорбінової кислоти.

    Фотовоссганов-ня в хлоропластах

    Г-ЕН

    ОПФП НАДФ * Н * П! -5Г

    Мал. Процеси, форматує пул АК в зелених проростках ячменю,

    активуються (^) і інгібіруемая (..>) Світлом:

    Г-БІ - глютатион відновлений;

    ГБ-БГ - глютатион окислений; орг. к-ти - органічні кислоти: бурштинова і а-кетоглутарова

    Вивчення впливу факторів різноманітної природи на систему АК проростків ячменю показало, що дія хімічних речовин (тетрабората натрію - в концентрації 10-5 моль / л, бурштинової кислоти - 10 4 і 10 5 моль / л), біотехнологічних продуктів (сульфітного лугу - 0,1; 0,2; 3 - 7% -ного розчинів; лигносульфонатов - 0,8 і 1,25% -ного), електричного поля напруженістю 5 • 105В / м (3 і 22 години) викликає зміни в системі АК проростків ячменю, які супроводжуються збільшенням вмісту відновленої форми АК [9]. Відомі факти, коли рівень АК підвищувався при дії несприятливих чинників, що може бути опосередковано накопиченням активних форм кисню. Це може бути пов'язано із захисною функцією АК, яка, виступаючи в ролі відновника, підвищує стійкість рослин. Отже, збільшення вмісту АК при дії факторів найрізноманітнішої природи (хімічних, біотехнологічних, фізичних) можна розглядати як неспецифічну реакцію, включену в механізм захисту рослин в несприятливих умовах. Цей процес, швидше за все, має місце на етапі адаптації рослин до несприятливого фактору. Оскільки в цих умовах підвищення рівня відновленої форми АК в рослинах було пов'язане з активацією ростових процесів, то, ймовірно, це стан ще не можна вважати стресом, так як однієї з реакцій рослин на стрес є загальмований зростання [10]. Можливо, це фаза преадап-тації, під час якої рослини набувають неспецифічну стійкість [11].

    W

    Дослідження ролі кислот системи аскорбінової кислоти у формуванні стійкості рослин, які ростуть в унікальних умовах Kуршской коси, показало, що у домінантів флори дюн Kуршской коси система AK реагує на умови зростання і змінюється в залежності від фази онтогенезу рослин [12].

    На початку вегетаційного періоду в листі досліджуваних рослин відзначений максимальний рівень аскорбінової кислоти: у колосняку піщаного (Leymus arenarius (L.) Hochst) і песколюба піщаного (Ammo-phila arenaria (L.) Link) - в фазу весняного відновлення вегетації, у осоки піщаної (Carex arenaria L.) - в фазу викидання і у чини приморській (Lathyrus maritimus Bigel) - в фазу цвітіння. Зміни вмісту аскорбінової кислоти в онтогенезі обумовлені різною швидкістю біосинтезу AK і її використання. Рівень аскорбінової кислоти в онтогенезі колосняку піщаного, песколюба піщаного, осоки піщаної і чини приморській був вище у рослин навітряного боку авандюни, де умови зростання менш сприятливі, ніж на підвітряного стороні. Kоліч: єство аскорбінової, дегидроаскорби-нової і дикетогулоновая кислот підвищувався у відповідь на температури грунтів вище +33 ° С і нижче +11 ° С; при 24-годинному вітровому впливі у чини приморській, вики посівної (Vicia sativa L.), ячменю звичайного (Hordeum vulgare L.) і 48-годинному у колосняку піщаного; при 1 - 15-хвилинному запиленні рослин аерозолем хлориду натрію, а також в умовах забруднення навколишнього середовища.

    Поряд з AK більшої частини роль і інших антиоксидантів в процесах адаптації рослин. Так, проведений аналіз деяких еколого-біохімічних показників трьох видів інтродуцентів - вегетуючих рослин роду Juglans L., що відрізняються різним ступенем адаптації до нових умов, показав, що підвищений рівень AK і ДKГK був у менш адаптованого виду J. rupestris. Два інші види (J. cordiformis, J. regia), успішно акліматизованих в Kалінін-градской області, характеризувалися високим вмістом антоці-нових пігментів і рутина. Це дозволяє зробити висновок про те, що найбільш показовими сполуками, які можна використовувати при оцінці адаптаційних можливостей рослин роду Juglans L., можуть бути антоціани і вітамін Р, так як їх рівень безпосередньо корелював з успішністю адаптації вивчених видів [13].

    Виконано дослідження впливу забруднення повітряного басейну міста Kалінінграда на деревні рослини: горобину звичайну (Sorbus aucuparia L.), липу серцеподібну (Tilia cordata Mill.), Клен гостролистий (Acer platonoides L.), ялина колючий (Picea pungens Engelm.) [14] . Встановлено, що забруднення повітряного басейну стимулювало використання відновленої форми аскорбінової кислоти, що супроводжувалося збільшенням рівня її окисленої форми, і дікето-гулоновой кислоти. Рівень каротиноїдів і антоціанового пігментів у всіх досліджених деревних порід міста також спробу всь з наростанням забруднення.

    Досить докладно досліджені екологічні аспекти накопичення в рослинах антоціанових пігментів. Бипло показано, що химиче-

    ські речовини (тетраборат натрію - 10 4 моль / л і 5 • 10-3 моль / л), дефіцит азоту, фосфору і калію, засолення, низькі позитивні температури, світло високої інтенсивності (25 Дж / м2 • с), поллютанти, а також періоди інтенсивного росту і старіння супроводжуються утворенням антоціанових пігментів [15]. Відомо, що рівень активних кисневих радикалів (супероксидного радикала О2, гідроксильного радикала О№), перекису водню (Н2О2) і синглетного кисню (Ю2) також підвищується в цих умовах. Є дані про те,

    що флавоноїди можуть нейтралізувати АФК: Н2О2; О 2; 1О2, що утворюються внаслідок фотосинтетических процесів в хлоропластах [16].

    Нейтралізація Н2О2; О 2; Ю2 антоцианами дозволяє уникнути

    сильного окисного стресу, що виникає в результаті дії несприятливих чинників, і обумовлює функціонування ан-тоціанов як ендогенних антиоксидантів, які зменшують токсичність АФК, і їх конкурування нарівні з супероксиддисмутазой, доповнюючи або компенсуючи недолік таких ендогенних антиоксидантів, як глютатіон, флавоноли або АК, виступаючи в якості донора електронів для пероксидазною реакції. До того ж відсутність аскорбатпероксіда-зи в вакуолях клітин не дозволяє брати участь в детоксикації АФК аскорбінової кислоти [16].

    Можливо, посилення накопичення антоціанів - адаптивна стадія розвитку рослинного організму, включена в механізм захисту рослин до несприятливих умов середовища, що сприяє придбанню неспецифічної стійкості під впливом стрес-фактора [10]. Чому антоціани синтезуються натомість безбарвних і більш ефективних флавоноїдних попередників, залишається не зовсім зрозумілим. Можливо, антоціанові пігменти є більш ефективними фотопротектівнимі водорозчинними сполуками, які виконують свої функції, перебуваючи в вакуолярном резерві [17].

    Так чи інакше, антоціани можуть діяти спільно з іншими більш ефективними протекторними молекулами в рослинній клітині, відшкодовуючи їх дефіцит протягом дії цілого ряду стресових факторів: хімічний стрес, дефіцит елементів живлення, засолення, низькі позитивні температури, світло високої інтенсивності, поллютанти, а також в періоди інтенсивного росту і старіння підвищуючи стійкість рослин до їх дії.

    Причини, що викликають окислювальний стрес в рослинах, досліджуються досить активно [18 - 23]. Нами вивчено вплив дефіциту мікроелемента цинку і світла підвищеної інтенсивності (I - 520 - 680 мкмоль / м2 • с) на накопичення малонового діальдегіду - продукту перекисного окислення ліпідів. Показано, що дані фактори сприяють інтенсифікації накопичення АФК в клітинах рослин китайської капусти і ячменю, що виражалося у збільшенні змісту в них малонового діальдегіду [24; 25].

    Поряд з неферментативними антиоксидантами, велика роль в захисті рослин при окислювальному стресі належить антиокси-цантной ферментативної системі. Проведене дослідження [26] виявило специфічну відповідь ферментів антиоксидантної системи (су-пероксіддісмутази, каталази, глютатіонпероксидази, аскорбат-пе-роксідази і дегідроаскорбатпероскідази) на дію різних екологічних факторів: дефіцит цинку і світла підвищеної інтенсивності.

    Таким чином, дослідження впливу абіотичних факторів на формування пулу деяких антиоксидантів рослин - АК, каро-тіноідов, антоціанів, рутина, антиоксидантних ферментів - проводиться силами співробітників факультету біоекології РГУ ім. І. Канта, це фрагмент масштабної роботи з вивчення природних антиоксидантів, які не тільки захищають живі організми від дії АФК, а й визначають якість рослинної їжі, кормів, а в кінцевому підсумку якість життя людини і її тривалість. Рішення проблем сучасного суспільства - екології, здоров'я, демографії - неможливо без зміни ставлення до їжі. Вона повинна бути збалансованою по основних елементах живлення і якісної за наявністю фізіологічно активних сполук. При цьому раціональне харчування людини повинне враховувати цілий комплекс факторів - екологічних, фізичних, психологічний стан людини - все, що змінює потребу людини в антиоксидантах. Екологічні умови, як показано в огляді, визначають швидкість новоутворення і використання антиоксидантів, їх набір, тому продовження робіт в цій галузі буде направлено не тільки на визначення антиоксидантного статусу біоресурсів Калінінградській області, а й на вивчення умов, що визначають біосинтез антиоксидантів і їх стабільність, а також на дослідження можливості підвищення продуктивності продуцентів природних антиоксидантів. Перспектива досліджень в даній області в даний час значно розширюється у зв'язку зі створенням на факультеті біоекології РГУ ім. І. Канта лабораторії природних антиоксидантів в рамках національного проекту «Освіта».

    Список літератури

    1. Чиркова Т. В. Фізіологічні основи стійкості рослин. СПб., 2002.

    2. Тодоров І. Н., Тодоров Г. Н. Стрес, старіння та їх біохімічна корекція. М., 2003.

    3. Поліська О. Г. Рослинна клітина і активні форми кисню. М., 2007..

    4. Чупахіна Г. Н. Система аскорбінової кислоти рослин. Калінінград, 1997..

    5. Зубкова С. К. та ін. Дія світла на темновое дихання альбіносних і зелених ділянок листа ячменю / / Фізіологія рослин. 1988. Т. 35. Вип 2. С. 254-259.

    6. Окунцов М. М. та ін. Дія деяких органічних кислот на синтез аскорбінової кислоти в проростках ячменю // Доповіді вищої школи. Біологічні науки. 1974. № 5. С. 81-86.

    7. Чупахіна Г. Н., Кузнєцова Л. Г., Ковальова Н. А. світлозалежна накопичення аскорбінової кислоти і її похідних в листі ячменю в присутності інгібіторів білкового синтезу // Фізіологія рослин. 1994. Т. 41. № 1. С. 24 - 28.

    8. Ostergaard I., Persian G., Davey M. W., Bauw G., Montagu M. V. Coding for l-Ga-laktono-y-Lactone Dehydrogenase, an Enzyme invorved in the Biosynthesis of Ascorbic Acid in Plants // JBC Online. 1997. V. 272. № 48. Р. 30009-300016.

    9. Романчук А. Ю. Вплив деяких хімічних речовин, біотехнологічних продуктів і електричного поля на систему аскорбінової кислоти проростків ячменю: автореф. дис. канд. біол. наук. Калінінград, 2002.

    10. Chapin F. S. Integrated responses of plants to stress. A centralized system of physiological responses // Bio Science. 1991. V. 41. P. 29 - 36.

    11. Гуревич А. С. Преадаптація і її роль в житті рослин // Інтродукція, акліматизація і культивація рослин: зб. науч. праць. Калінінград, 1996. С. 3 - 9.

    12. Чупахіна Г. Н., Головіна Е. Ю. Адаптаційний механізм рослин Курш-ської коси // Вісник КДУ. Сер. Екологія регіону Балтійського моря. 2003. Вип. 1. С. 71 - 75.

    13. Чупахіна Г. Н., Іванова Т. С. Зміст антоціанових пігментів як показник успішності інтродукції горіхових // Бюлетень Головного ботанічного саду. 2006. Вип. 191. С. 174 - 187.

    14. Майдебура І. С. Вплив забруднення повітряного басейну міста Калінінграда на анатомо-морфологічні та біохімічні показники деревних рослин: автореф. дис. канд. біол. наук. Калінінград, 2006.

    15. Чупахіна Г. Н., Масленников П. В. Адаптація рослин до нафтового стресу // Екологія. 2004. № 5. С. 330-335.

    16. Yamasaki H., Uefuji H., Sakihama Y. Bleaching of the red anthocyanin induced by superoxide radical // Arch. Biochem. Biophys. 1996. V. 332. P. 183 - 186.

    17. Chalker-Scott L. Environmental Significance of Anthocyanins in Plant Stress Responses // Photochemistry and Photobiology. 1999. V. 70. P. 1-9.

    18. Rao M. V., Davia K. R. The physiology of ozone induced cell death // Planta. 2001. V. 213. Р. 682-690.

    19. Gosslau A., Rensing L. Oxidativer Stress, altersabhangige Zellschadigungen und antioxidative Mechanismen // Z. fur Gerontologie und Geriatrie. 2002. V. 35.

    S. 139 - 150.

    20. Поліська О. Г., Каширіна Е. І., Альохіна Н. Д. Вплив сольового стресу на антиоксидантну систему рослин в залежності від умов азотного живлення // Фізіологія рослин. 2006. Т. 53. № 2. С. 207-214.

    21. Blokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K. V. Antioxidants, Oxidative Damage and Oxygen Deprivation Stress: a Review // Ann. Bot. 2003. V. 91. Р. 179 - 194.

    22. Ху Ц. Ц. і ін. Вплив Pb2 + на активність антиоксидантних ферментів і ультраструктуру клітин листя Potamogeton crispus // Фізіологія рослин. 2007. Т. 54. № 3. С. 469 -474.

    23. Карташов А. В. та ін. Роль систем антиоксидантного захисту при адаптації дикорослих видів рослин до сольового стресу // Фізіологія рослин. 2008. Т. 55. № 4. С. 516-522.

    24. Скрипник Л. Н., Чупахіна Г. М. Вплив селену і цинку на стійкість рослин китайської капусти до окислювального стресу // Вісник РГУ ім. І. Канта. Сер. Природні науки. Вип. 7. 2007. С. 73 - 79.

    25. Скрипник Л. Н., Чупахіна Г. Н. Мікроелемент селен і стійкість рослин ячменю до окислювального стресу, викликаного світлом підвищеної інтенсивності і дефіцитом цинку // Регуляція росту, розвитку і продуктивно-

    W

    сті рослин: матеріали V Міжнародної наукової конференції, м Мінськ, 28 - 30 листопада 2007 року Мінськ, 2007. С. 186.

    26. Скрипник Л. Н., Чупахіна Г. М. Вплив селену на активність антиоксидант-них ферментів в рослинах китайський капусти // Збірник матеріалів IV з'їзду Російського товариства біохіміків і молекулярних біологів. Новосибірськ, 11 - 15 травня 2008 року Новосибірськ, 2008. С. 509.

    про автора

    Г. Н. Чупахіна - д-р біол. наук, проф., РГУ ім. І. Канта, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Author

    Professor G. N. Tchoupakhina - IKSUR, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.


    Ключові слова: абіотичних факторів / СТРЕС / АНТИОКСИДАНТИ / ABIOTIC FACTORS / STRESS / ANTIOXIDANTS

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити