Вісн. Харків. нац. аграрн. ун-ту. Сер. Біологія, 2018, вип. 2 (44), с. 59-68


https://doi.org/10.35550/vbio2018.02.059




КОНСТИТУТИВНА ТА ІНДУКОВАНА ХОЛОДОВИМ ЗАГАРТУВАННЯМ АНТИОКСИДАНТНА АКТИВНІСТЬ ПРОРОСТКІВ ОЗИМИХ ЗЛАКІВ


О. І. Горєлова1, Ю. Є. Колупаєв1, 2, Т. О. Ястреб1, М. В. Швиденко1,
Ю. В. Попов3, М. А. Шкляревський1, Н. І. Рябчун3

1Харківський національний аграрний університет ім. В.В. Докучаєва
(Харків, Україна)
2Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна
(Харків, Україна)
3Інститут рослинництва ім. В.Я. Юр'єва
Національної академії аграрних наук України
(Харків, Україна)


Порівнювали показники антиоксидантної системи етіольованих проростків озимих жита (Secale cereale L.), тритикале (× Triticosecale Wittm.) і пшениці (Triticum aestivum L.) у фізіологічно нормальних умовах і після холодового загартування (впливу температури 2°С протягом 7 діб). Активність супероксиддисмутази (СОД) і каталази за звичайних умов у трьох злаків істотно не відрізнялася. У той же час активність гваяколпероксидази (ГПО) у жита була набагато вищою, ніж у пшениці і тритикале. Загартування спричиняло значне підвищення активності СОД у пшениці і менш істотне у проростків жита і тритикале. Активність ГПО після загартування підвищувалася у всіх злаків. Вміст цукрів у незагартованих проростків жита і тритикале істотно перевищував такий у пшениці. Після холодового загартування він пропорційно підвищувався у всіх трьох злаків. Базовий вміст проліну у жита був значно вищим, ніж у пшениці і тритикале. Загартування викликало істотне підвищення його вмісту у жита і менш помітне у інших злаків. Найбільший вміст антоціанів спостерігався у проростків жита, а найменшим він був у пшениці. Після загартування він підвищувався у всіх досліджуваних злаків. Вміст безбарвних флавоноїдів, що поглинають в УФ B, за звичайних умов і після дії загартувальної температури у жита і тритикале був вищим, ніж у пшениці. Конститутивна морозостійкість (здатність виживати після впливу температури – 6°С) була характерною тільки для жита. Загартування підвищувало морозостійкість трьох злаків, при цьому резистентність жита і тритикале була вищою, ніж пшениці. Зроблено висновок, що в антиоксидантний захист жита більший вклад вносять високі активність ГПО і вміст проліну, а тритикале – підвищений вміст флавоноїдів і цукрів. У той же час у пшениці під час холодової адаптації більш істотно змінювалася активність антиоксидантних ферментів – СОД і каталази.


Ключові слова: Secale cereael, × Triticosecale, Triticum aestivum, холодове загартування, окислювальний стрес, антиоксидантні ферменти, пролін, антоціани, флавоноїди, цукри

 


ЛІТЕРАТУРА


1. Katysheva N.B., Pomortsev A.V., Dorofeev N.V., Peshkova A.A., Rudikovskaya E.G. 2015. Dinamics of proline content in tillering nodes of winter cereal crops during autumn-spring period. Bull. Kharkiv. Natl. Agrar. Univ. Ser. Biology. (Visn. Kharkiv. Natsional. Agrarn. Univer. Ser. Biologiya.) 3 (36) : 45-53.
 
2. Kolupaev Yu.E., Ryabchun N.I., Vayner A.A., Yastreb T.O., Oboznyi A.I. 2015. Antioxidant enzyme activity and osmolyte content in winter cereal seedlings under hardening and cryostress. Russ. J. Plant Physiol. (Fiziologiya Rastenii). 62 (4) : 499-506.
https://doi.org/10.1134/S1021443715030115
 
3. Kolupaev Yu.E., Yastreb T.O., Oboznyi A.I., Ryabchun N.I., Kirichenko V.V. 2016. Constitutive and cold-induced resistance of rye and wheat seedlings to oxidative stress. Russ. J. Plant Physiol. (Fiziologiya Rastenii). 63 (3) : 346-358.
https://doi.org/10.1134/S1021443716030067
 
4. Kolupaev Yu.E. 2016. Plant cell antioxidants and their role in ROS signaling and plant resistance. Uspekhi Sovrem. Biologii. 136 (2) : 181-198.
 
5. Kolupaev Yu.E., Trunova T.I. 1992. Metabolism features and carbohydrates protective functions in plants under stresses. Fiziologiya i Biochimiya Cult. Rastenii. 24 (6) : 523-533.
 
6. Kolupaev Yu.E., Trunova T.I. 1994. Hypothermia and salt stress influence on invertase activity and carbohydrate content in wheat coleoptiles. Russ. J. Plant Physiol. (Fiziologiya Rastenii). 41 (4) : 485-489.
 
7. Rybalka O.I., Morgun V.V., Morgun B.V., Pochynok V.M. 2015. Agronomic potential and perspectives of triticale. Fiziologiya Rastenii i Genetica. 47 (2) : 95-111.
 
8. Piotrovskii M.S., Shevyreva T.A., Zhestkova I.M., Trofimova M.S. 2011. Activation of plasmalemmal NADPH oxidase in etiolated maize seedlings exposed to chilling temperatures. Russ. J. Plant Physiol. (Fiziologiya Rastenii). 58 (2) : 290-298.
https://doi.org/10.1134/S1021443711020154
 
9. Pomortsev A.V. 2013. Fiziologicheskiye i biochimicheskiye processy, opredelyayushchiye zimostoikost' ozimykh zernovykh kul'tur v usloviyakh Vostochnoj Sibiri. PhD Thesis. Irkutsk : 22 p.
 
10. Sin'kevich M.S., Deryabin A.N., Trunova, T.I. 2009. Characteristics of oxidative stress in potato plants with modified carbohydrate metabolism, Russ. J. Plan Physiol. (Fiziologiya Rastenii). 56 : 168-174.
https://doi.org/10.1134/S1021443709020046
 
11. Sinkevich M. S., Naraykina N. V., Trunova T.I. 2010. Involvement of sugars in the antioxidant defense against paraquat-induced oxidative stress in potato transformed with yeast invertase gene. Doklady Biological Sciences. 434 : 338-340.
https://doi.org/10.1134/S0012496610050133
 
12. Trunova T.I. 2007. Plant and Low Temperature Stress, the 64th Timiryazev Lecture (Rasteniye i nizkotemperaturnyj stress. 64-e Timiryazevskoye chteniye). Moscow: Nauka. 54 p.
 
13. Apostolova P., Yordanova R., Popova L. 2008. Response of antioxidative defence system to low temperature stress in two wheat cultivars. Gen. Appl. Plant Physiol. 34 : 281-294.
 
14. Akbarian A., Arzani A., Salehi M., Salehi M. 2011. Evaluation of triticale genotypes for terminal drought tolerance using physiological traits. Indian J. Agricult. Sci. 81 : 1110-1115.
 
15. Bancal P., Gaudillere J.P. 1989. Oligofructan separation and quantification by high performance liquid chromatography. Application to Asparagus of-ficinalis and Triticum aestivum. Plant Physiol. Biochem. 27. : 745-750.
 
16. Bates L.S., Walden R.P., Tear G.D. 1973. Rapid determination of free proline for water stress studies. Plant Soil. 39 : 205-210.
https://doi.org/10.1007/BF00018060
 
17. Burbulis N., Jonytiene V., Kupriene R., Blinstrubiene A. 2011. Changes in proline and soluble sugars content during cold acclimation of winter rapeseed shoots in vitro. J. Food Agricult. Environ. 9 : 371-374.
 
18. Caffery M., Tonseca V., Carl Leopold A. 1988. Lipid-sugar interaction: Rele-vance to anhydrous biology. Plant Physiol. 86 : 754-758.
https://doi.org/10.1104/pp.86.3.754
 
19. Christie P.J., Alfenito M.R., Walbot V. 1994. Anthocyanin pathways: Enhancement of transcript abundance and Impact of low-temperature stress on general phenylpropanoid and anthocyanin pathways: Enhancement of transcript abundance andanthocyanin pigmentation in maize seedlings. Planta. 194 : 541-549.
https://doi.org/10.1007/BF00714468
 
20. Es-Safi N. E., Ghidouche S., Ducrot P.H. 2007. Flavonoids: hemisynthesis, reactivity, characterization and free radical scavenging activity. Molecules. 12. : 2228-2258.
https://doi.org/10.3390/12092228
 
21. Foyer C.H., Noctor G. 2009. Redox regulation in photosynthetic organisms: signaling, acclimation, and practical implications. Antioxid. Redox Signal. 11 : 861-906.
https://doi.org/10.1089/ars.2008.2177
 
22. Gawronska K., Gołebiowska-Pikania G. 2016. The effects of cold-hardening and Microdochium nivale infection on oxidative stress and antioxidative protection of the two contrasting genotypes of winter triticale. Eur. Food Res. Technol. 242 : 1267-1276.
https://doi.org/10.1007/s00217-015-2630-8
 
23. Gill S.S., Tuteja N. 2010. Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant Physiol. Biochem. 48: 909-930.
https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2010.08.016
 
24. Golebiowska G., Wedzony M., Plazek A. 2011. The responses of pro- and antioxidative systems to cold-hardening and pathogenesis differ in triticale (× Triticosecale Wittm.) Seedlings Susceptible or Resistant to Pink Snow Mould (Microdochium nivale Fr., Samuels & Hallett). J. Phytopathol. 159 : 19-27.
https://doi.org/10.1111/j.1439-0434.2010.01712.x
 
25. Havaux M., Kloppstech K. 2001. The protective functions of carotenoid and flavonoids pigments against excess visible radiation at chilling temperature investigated in Arabidopsis npq and tt mutants. Planta. 213 : 953-966.
https://doi.org/10.1007/s004250100572
 
26. Hossain M.A., Hoque M.A., Burritt D.J., Fujita M. 2014. Proline protects plants against abiotic oxidative stress: biochemical and molecular mechanisms. In: Oxidative Damage to Plants Antioxidant Networks and Signaling. Academic Press is an imprint of Elsevier, 477-521.
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-799963-0.00016-2
 
27. Khlestkina E.K. 2013. The adaptive role of flavonoids: emphasis on cereals. Cereal Res. Commun. 41 : 185-198.
https://doi.org/10.1556/CRC.2013.0004
 
28. Koster K.L., Lynch D.V. 1992. Solute accumulation and compartmentation during the cold acclimation of puma rye. Plant Physiol. 98 : 108-113.
https://doi.org/10.1104/pp.98.1.108
 
29. Liang X., Zhang L., Natarajan S.K., Becker D.F. 2013. Proline mechanisms of stress survival. Antioxid. Redox Signal. 19 : 998-1011.
https://doi.org/10.1089/ars.2012.5074
 
30. Livingston III D.P., Henson C.A. 1998. Apoplastic sugars, fructan exohydro-lase and invertase in winter oat: responses to second phase cold hardening. Plant Physiol. 116 : 403-408.
https://doi.org/10.1104/pp.116.1.403
 
31. Luo Y., Tang H., Zhang Y. 2011. Production of reactive oxygen species and antioxidant metabolism about strawberry leaves to low temperatures. J. Agr. Sci. 3 : 89-96.
https://doi.org/10.5539/jas.v3n2p89
 
32. Munne-Bosch S., Alegre L. 2002. The function of tocopherols and tocotrienols in plants. Crit. Rev. Plant Sci. 21 : 31-57.
https://doi.org/10.1016/S0735-2689(02)80037-5
 
33. Neill S.O., Gould K.S. 2003. Anthocyanins in leaves: light attenuators or antioxidants? Functional Plant Biol. 30 : 865-873.
https://doi.org/10.1071/FP03118
 
34. Nogues S., Baker N.R. 2000. Effects of drought on photosynthesis in Mediterranean plants grown under UV-B radiation. J Exp Bot. 51 : 1309-1317.
https://doi.org/10.1093/jexbot/51.348.1309
 
35. Ramel F., Sulmon C., Bogard M. Couée I., Gouesbet G. 2009. Differential patterns of reactive oxygen species and antioxidative mechanisms during atrazine injury and sucrose-induced tolerance in Arabidopsis thaliana plantlets. BMC Plant Biol. 9 : 28. Doi: 10.1186/1471-2229-9-28.
https://doi.org/10.1186/1471-2229-9-28
 
36. Rhoads D.M., Umbach A.L., Subbaiah C.C., Siedow J.N. 2006. Mitochondrial reactive oxygen species. Contribution to oxidative stress and interorganel-lar signaling. Plant Physiol. 141 : 357-366.
https://doi.org/10.1104/pp.106.079129
 
37. Salehi M., Arzani A. 2014. Evaluation of triticale genotypes for salt tolerance using physiological traits. Emir. J. Food Agric. 26 : 277-283.
https://doi.org/10.9755/ejfa.v26i3.17559
 
38. Shichijo C., Hamada T., Hiraoka M., Johnson C.B., Hashimoto T. 1993. Enhancement of red-light-induced anthocyanin synthesis in sorghum first internodes by moderate low temperature given in the pre-irradiation culture period. Planta. 191 : 238-245.
https://doi.org/10.1007/BF00199755
 
39. Szabados L., Savoure A. 2009. Proline: a multifunctional amino acid. Trends Plant Sci. 15 : 89-97.
https://doi.org/10.1016/j.tplants.2009.11.009
 
40. Szechynska-HebdaM., Hebdab M., Mierzwinskib D., Kuczynskac P., Mireka M., Wedzonyd M., van Lammerene A., Karpinski S. 2013. Effect of cold-induced changes in physical and chemical leaf properties on the resistance of winter triticale (× Triticosecale) to the fungal pathogen Microdochium nivale. Plant Pathol. 62 : 867-878.
https://doi.org/10.1111/ppa.12001
 
41. Talebi S., Nabavi Kalat S.M., Sohani Darban A.L. 2014. The study effects of heavy metals on germination characteristics and proline content of triticale (Triticoseale Wittmack). Intl J Farm & Alli Sci. 3 : 1080-1087.
 
42. Zhao K., Fan H., Zhou S., Song J. 2003. Study on the salt and drought tolerance of Suaeda salsa and Kalanchoe claigremontiana under isoosmotic salt and water stress. Plant Sci. 165 : 837-844.
https://doi.org/10.1016/S0168-9452(03)00282-6