Звіт про науково-дослідну роботу "Механізми індукування компонентів стрес-протекторної системи рослин" (остаточний)

Abstract

Обєкт дослідження– фізіологічно активні речовини, стресові чинники, стрес-протекторні системи рослин. Мета роботи – з’ясування механізмів впливу оксиду азоту, сірководню, монооксиду вуглецю, поліамінів та мелатоніну на стійкість рослин до дії абіотичних стресорів, вивчення регуляції антиоксидантної і осмопротекторної систем за дії на рослини стресових чинників помірної сили. Методи дослідження – біохімічні, фізіологічні, польові, статистичні. Досліджено вплив донорів оксиду азоту на активність антиоксидантних ферментів злаків. Встановлено, що помірні концентрації нітропрусиду натрію (НПН) викликають підвищення активності супероксиддисмутази, каталази, гваяколпероксидази і аскорбатпероксидази, у той час як високі інгібують ці ферменти. В індукуванні їх активності екзогенним NO беруть участь кальцій і АФК як сигнальні посередники. Вивчено стрес-протекторну дію НПН на рослини ячменю. Обробка донором оксиду азоту НПН підвищувала їх посухостійкість в умовах ґрунтової культури, що виявлялося у зменшенні спричинюваного посухою пригнічення росту, збереженні пулу фотосинтетичних пігментів, підтриманні водного балансу та підвищенні антиоксидантної активності. Показано сортоспецифічні особливості дії НПН за умов посухи. Досліджено участь ендогенного сірководню у формуванні теплостійкості проростків пшениці (Triticum aestivum), спричинюваному короткочасною дією високої температури. Показано транзиторне зростання вмісту сірководню у коренях з максимумом через 1,5 год після однохвилинного впливу на проростки температури 42°С. Попередній загартувальний прогрів значно підвищував теплостійкість, зменшуючи інтенсивність ПОЛ і рівень загибелі проростків після 10-хвилинного ушкоджувального прогріву за температури 45°С. При цьому їх обробка скавенджером сірководню гіпотаурином та інгібітором L-цистеїндесульфгідрази піруватом натрію нівелювала розвиток теплостійкості. При дослідженні впливу екзогенного монооксиду вуглецю на теплостійкість рослинних об’єктів встановлено, що обробка проростків пшениці донором CO геміном індукувала розвиток їх теплостійкості. Однією з причин стрес-протекторної дії донора CO на проростки пшениці є активація ферментативної антиоксидантної системи. Встановлено, що донор СО підвищував активність супероксиддисмутази (СОД), каталази та гваяколпероксидази у коренях проростків пшениці. Ймовірними посередниками у реалізації стрес-протекторного впливу донора CO на проростки пшениці є іони кальцію та АФК. Вивчено вплив фоліарної обробки рослин пшениці путресцином і сперміном на функціонування їх протекторних систем за посухи в умовах лабораторної ґрунтової культури. Показано зменшення рістінгібуючого впливу посухи за обробки рослин цими поліамінами. За їх дії зменшувалися спричинювані посухою прояви водного дефіциту та окиснювального стресу. Обробка рослин 3 поліамінами сприяла збереженню пулу хлорофілів і каротиноїдів у листках за стресових умов. Також передобробка передобробка поліамінами модифікувала зміни вмісту проліну, цукрів і флавоноїдних сполук, спричинювані дією посухи. Досліджено вплив екзогенного мелатоніну на теплостійкість проростків пшениці. Показано його стрес-протекторний вплив в концентраціях діапазону 0,1–10 мкМ. Методом інгібіторного аналізу встановлено участь АФК та кальцію як сигнальних посередників у реалізації такого ефекту мелатоніну. Ключову роль в адаптації рослин до зневоднення відіграють осмопротекторна і антиоксидантна захисні системи. Функціонування цих систем у рослин з різною таксономічною приналежністю може істотно відрізнятися. Порівнювали стан осмопротекторної і антиоксидантної систем етіольованих проростків озимих жита (Secale cereale), тритикале (× Triticosecale) і пшениці (Triticum aestivum) за нормального зволоження і дії агента осмотичного стресу 12% ПЕГ 6000. Показано, що стійкість етіольованих проростків жита була вищою ніж тритикале, але резистентність тритикале перевершувала стійкість пшениці. Зроблено висновок про відмінності стратегій адаптації у злаків різних видів. У жита найбільший внесок в захисну систему мають пролін, флавоноїдні сполуки і пероксидаза. Водночас особливістю тритикале за стресових умов є підвищені активність СОД і вміст безбарвних флавоноїдів. Вищі показники функціонування антиоксидантної і осмопротекторної систем у проростків жита і тритикале зумовлюють їх вищу порівняно з пшеницею стійкість до дегідратації. Механізми низькотемпературної адаптації тритикале, що поєднує високу продуктивність і морозостійкість, вивчені недостатньо. Досліджували динаміку загального вмісту фенольних сполук, флавоноїдів і окремо кількості антоціанів за умов холодового загартування (6 діб за температури 2–4°С) проростків сортів з різною морозостійкістю: Букет і Раритет (озимі високоморозостійкі) та Олександра и Підзимок харківський (менш стійкі, що належать до «дворучок»). Загартування спричиняло невеликий підйом сумарного вмісту фенольних сполук та значне підвищення вмісту флавоноїдів у проростках усіх досліджуваних сортів, при цьому істотних сортових відмінностей не відзначалося. В процесі холодового загартування вміст антоціанів також зростав і досягав приблизно однакових величин у сортів Букет, Раритет і Олександра, проте у найменш морозостійкого сорту Підзимок харківський цей показник був значно нижчим. Зроблено висновок про внесок антоціанів, але не вторинних метаболітів в цілому, у формування морозостійкості проростків тритикале та систему антиоксидантного захисту при низьких температурах.

The object of research is physiologically active substances, stress factors, stress-protective systems of plants. The purpose of the work is to find out the mechanisms of the influence of nitric oxide, hydrogen sulfide, carbon monoxide, 4 polyamines and melatonin on the resistance of plants to the action of abiotic stressors, to study the regulation of antioxidant and osmoprotective systems under the influence of moderate stress factors on plants. Research methods are biochemical, physiological, field, statistical. The influence of nitrogen oxide donors on the activity of antioxidant enzymes of cereals was studied. Moderate concentrations of sodium nitroprusside (SNP) have been found to increase the activity of superoxide dismutase, catalase, guaiacol peroxidase, and ascorbate peroxidase, while high concentrations inhibit these enzymes. Calcium and ROS are involved in the induction of their activity by exogenous NO as signal mediators. The stress-protective effect of SNP on barley plants was studied. Nitric oxide donor treatment of SNP increased their drought resistance under soil culture conditions, which was manifested in the reduction of drought-induced growth inhibition, preservation of the pool of photosynthetic pigments, maintenance of water balance, and increase in antioxidant activity. Variety-specific features of SNP action under drought conditions are shown. The participation of endogenous hydrogen sulfide in the formation of heat resistance of wheat seedlings (Triticum aestivum) caused by the short-term effect of high temperature was studied. A transient increase in the content of hydrogen sulfide in the roots was shown, with a maximum after 1.5 h after a one-minute exposure to the temperature of 42°С. Pre-hardening heating significantly increased heat resistance, reducing the intensity of LOP and the level of death of seedlings after a 10-minute damaging heating at a temperature of 45°C. At the same time, their treatment with the hydrogen sulfide scavenger hypotaurine and the L-cysteine desulfhydrase inhibitor sodium pyruvate did not affect the development of heat resistance. When studying the effect of exogenous carbon monoxide on the heat resistance of plant objects, it was established that the treatment of wheat seedlings with the CO donor hemin induced the development of their heat resistance. One of the reasons for the stress-protective action of the CO donor on wheat seedlings is the activation of the enzymatic antioxidant system. It was established that the CO donor increased the activity of superoxide dismutase (SOD), catalase, and guaiacol peroxidase in the roots of wheat seedlings. Calcium ions and ROS are likely mediators in the realization of the stress-protective effect of the CO donor on wheat seedlings. The effect of foliar treatment of wheat plants with putrescine and spermine on the functioning of their protective systems during droughts in laboratory soil culture conditions was studied. A decrease in the inhibitory effect of drought was shown when plants were treated with these polyamines. Under their action, drought-induced manifestations of water deficit and oxidative stress were reduced. Treatment of plants with polyamines contributed to the preservation of the pool of chlorophylls and carotenoids in leaves under stressful conditions. Also, pretreatment with polyamines modified changes in the content of proline, sugars, and flavonoid compounds caused by drought. The effect of exogenous melatonin on heat resistance of wheat seedlings was investigated. Its stress-protective effect is shown in concentrations of 0.1–10 mM. Using the method of inhibitory analysis, the participation of ROS and calcium as signal mediators in the implementation of this effect of melatonin was established. 5 Osmoprotective and antioxidant systems play a key role in the adaptation of plants to dehydration. The functioning of these systems in plants with different taxonomic affiliations can differ significantly. The state of the osmoprotective and antioxidant systems of etiolated seedlings of winter rye (Secale cereale), triticale (× Triticosecale) and wheat (Triticum aestivum) was compared under normal moisture and the action of the osmotic stress agent 12% PEG 6000. It was shown that the stability of etiolated rye seedlings was higher than that of triticale, but the resistance of triticale exceeded that of wheat. A conclusion was made about the differences in adaptation strategies in cereals of different species. Proline, flavonoid compounds and peroxidase make the biggest contribution to the defense system in rye. At the same time, a feature of triticale under stressful conditions is increased SOD activity and the content of colorless flavonoids. Higher indicators of the functioning of the antioxidant and osmoprotective systems in rye and triticale seedlings determine their higher resistance to dehydration compared to wheat. The mechanisms of low-temperature adaptation of triticale, which combines high productivity and frost resistance, have not been sufficiently studied. We studied the dynamics of the total content of phenolic compounds, flavonoids and, separately, the amount of anthocyanins under the conditions of cold hardening (6 days at a temperature of 2–4°С) of seedlings of varieties with different frost resistance: Buket, Rarytet (high winter frost resistance), Oleksandra, Pidzymok Kharkivskyi (less resistant, belonging to "two-doors"). Hardening caused a small increase in the total content of phenolic compounds and a significant increase in the content of flavonoids in the seedlings of all studied varieties, while no significant varietal differences were noted. In the process of cold hardening, the content of anthocyanins also increased and reached approximately the same values in the varieties Buket, Rarytet and Oleksandra, but this indicator was significantly lower in the least frost-resistant variety Pidzymok Kharkivskyi. A conclusion was made about the contribution of anthocyanins, but not secondary metabolites in general, to the formation of frost resistance of triticale seedlings and the system of antioxidant protection at low temperatures.