CC BY
34
УДК 581.1 + 581.5 doi:10.21685/2307-9150-2023-1-8
Изменение содержания малондиальдегида и глицинбетаина в листьях растений при воздействии засоления NaCl в сочетании с разным уровнем рН корневой среды
О. А. Четина1, А. Д. Мальцева2
1,2Пермский государственный национальный исследовательский университет, Пермь, Россия [email protected], [email protected]
Аннотация. Актуальность и цели. Засоление почв может сопровождаться как повышением уровня pH до щелочных значений, так и понижением - до сильнокислых. При этом растения испытывают комплексный солевой и кислотно-щелочной стресс. Цель исследований - проследить динамику содержания малонового диальдегида (МДА) и глицинбетаина (ГБ) в растениях пшеницы мягкой и овса посевного при воздействии NaCl на фоне кислой, нейтральной и щелочной реакций корневой среды. Материалы и методы. В качестве объекта исследования использовали пшеницу мягкую Triticum aestivum L. и овес посевной Avena sativa L. Растения выращивали на вермикулите. На 7-й день после появления всходов добавляли стресс-факторы, в качестве которых использовали растворы, сочетающие засоление NaCl (150 мМ) и разные уровни рН среды (рН 3, рН 7, рН 10). Кислую среду растворов (pH 3) создавали ацетатным буфером, щелочную среду (pH 10) - боратным буфером. После стресс-воздействия в течение 72 ч в листьях растений определяли содержание малонового диальдегида спектрофотометрически по цветной реакции с тиобарбитуровой кислотой, глицинбетаин - по методу Гриева и Граттана. Результаты. Наиболее яркое проявление окислительного стресса в листьях растений отмечено на фоне кислой реакции корневой среды. На щелочном фоне в листьях овса количество МДА мало отличалось от контрольного варианта, а в листьях пшеницы наблюдалось некоторое увеличение МДА в период 6-48 ч после начала действия стресс-факторов. Засоление на нейтральном фоне не вызывало увеличения уровня МДА у обоих злаков, а засоление на кислом и щелочном фоне вызывало снижение количества МДА. В листьях пшеницы повышенный уровень ГБ отмечен на фоне кислой и щелочной реакций корневой среды. Засоление на фоне разных уровней рН практически не изменяло количество ГБ относительно тех же вариантов рН без засоления. По содержанию ГБ в листьях овса нами отмечена значительная изменчивость при смене реакции корневой среды. В условиях засоления и разного уровня рН, в том числе и на нейтральной среде, изменение содержания ГБ отмечено только в отдельные сроки, по сравнению с теми же вариантами рН, но без засоления. Выводы. На фоне нейтральной, щелочной и кислой реакции среды отмечена разная степень проявления стресса у обоих злаков. Повышенное угнетение и ответные реакции растений свидетельствуют о наиболее негативном воздействии кислой реакции среды, как в сочетании с засолением, так и без него.
Ключевые слова: солевой стресс, кислая и щелочная реакция, перекисное окисление липидов, малондиальдегид, глицинбетаин
Для цитирования: Четина О. А., Мальцева А. Д. Изменение содержания малонди-альдегида и глицинбетаина в листьях растений при воздействии засоления NaCl в сочетании с разным уровнем рН корневой среды // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. 2023. № 1. С. 103-116. doi:10.21685/ 2307-9150-2023-1-8
© Четина О. А., Мальцева А. Д. , 2023. Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License / This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.
Changes in the content of malondialdehyde and glycine betaine in plant leaves under the influence of NaCl salinization in combination with different pH levels in the root medium
O.A. Chetina1, A.D. Mal'tseva2
1,2Perm State University, Perm, Russia 1lymarl [email protected], [email protected]
Abstract. Background. Salinization of soils can be accompanied by both an increase in the pH level to alkaline values, and a decrease to strongly acidic ones. At the same time, plants experience complex salt and acid-base stress. The aim of the research is to trace the dynamics of the content of malondialdehyde (MDA) and glycine betaine (GB) in soft wheat and oat plants when exposed to NaCl against the background of acidic, neutral and alkaline reactions of the root medium. Materials and methods. Soft wheat Triticum aestivum L. and oat Avena sativa L.. were used as the object of the study. The plants were grown on ver-miculite.On the 7th day after the emergence of seedlings, stress factors were added, as which solutions combining NaCl salinity (150 mM) and different pH levels of the medium (pH 3, pH 7, pH 10) were used.. The acidic medium of the solutions (pH 3) was created by an acetate buffer, the alkaline medium (pH 10) by a borate buffer. After stress exposure for 72 hours, the content of malondialdehyde in plant leaves was determined spectrophotomet-rically by color reaction with thiobarbituric acid, glycine betaine - by the Grieve and Grat-tan method. Results. The most striking manifestation of oxidative stress in plant leaves was noted against the background of an acidic reaction of the root medium. On an alkaline background, the amount of MDA in oat leaves differed little from the control variant, and in wheat leaves there was a slight increase in MDA in the period 6-48 hours after the onset of stress factors. Salinization on a neutral background did not cause an increase in the level of MDA in both cereals, and salinization on an acidic and alkaline background caused a decrease in the amount of MDA. In wheat leaves, an increased level of GB was noted against the background of acidic and alkaline reactions of the root medium. Salinization against the background of different pH levels practically did not change the number of GB relative to the same pH variants without salinization. According to the content of GB in the leaves of oats, we noted a significant variability in the change of the reaction of the root medium. In conditions of salinization and different pH levels, including on a neutral medium, the change in the content of GB was noted only at certain times, compared with the same pH variants, but without salinization. Conclusions. Against the background of a neutral, alkaline and acidic reaction of the medium, a different degree of stress was noted in both cereals. Increased inhibition and plant responses indicate the most negative effects of the acidic reaction of the environment, both in combination with salinization and without it. Keywords: salinization, acid and alkaline reaction, lipid peroxidation, malondialdehyde, glycine betaine
For citation: Chetina O.A., Mal'tseva A.D. Changes in the content of malondialdehyde and glycine betaine in plant leaves under the influence of NaCl salinization in combination with different pH levels in the root medium. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Estestvennye nauki = University proceedings. Volga region. Natural sciences. 2023;(1):103-116. (In Russ.). doi:10.21685/2307-9150-2023-1-8
Введение
В природных и техногенных ландшафтах засоление почв может сопровождаться как повышением pH до щелочных значений, так и понижением -до сильнокислых. При этом растения испытывают комплексный солевой и щелочно-кислотный стресс, а адаптивные механизмы направлены на осморе-
гуляцию, защиту от избытка засоляющих ионов и окислительных радикалов и рН-регуляцию.
В условиях засоления затрудняется поступление воды в клетки растений, что обусловлено повышенным осмотическим давлением почвенного раствора [1]. Ранее нами опубликовано, что не только засоление, но и рН показатели корневой среды влияют на содержание воды в клетках растений [2]. Наибольшие потери воды у растений отмечены при действии кислой реакции корневой среды как отдельного фактора, так и в сочетании с засолением, на фоне щелочного стресса потери воды менее значительны, как в сочетании с засолением, так и без него [2]. Соли, попадая в цитоплазму клеток растений, оказывают токсическое действие, вызывая нарушения метаболизма [1]. Солевой стресс всегда сопряжен с накоплением избыточных количеств активных форм кислорода (АФК). Одной из основных мишеней действия АФК являются липиды - основные компоненты клеточных мембран. АФК способны инициировать их перекисное окисление [3]. Малондиальдегид (МДА) является продуктом перекисного окисления липидов, увеличение его содержания свидетельствует о повреждении клеточных мембран в результате окислительного стресса [4].
Устойчивость растений в условиях солевого стресса связана с накоплением низкомолекулярных соединений, в том числе глицинбетаина. Глицин-бетаин (ГБ) играет важную роль в растениях при различных типах стресса: в осморегуляции, взаимодействует с макромолекулами, сохраняя их активность, поддерживает целостность мембран в стрессовых условиях, обезвреживает АФК, поддерживает редокс-статус клетки [5-7].
Таким образом, цель нашего исследования - изучение реакции растений пшеницы мягкой и овса посевного на комбинированное воздействие засоления NaCl и разной кислотно-щелочной реакции корневой среды по содержанию МДА, который характеризует ответную реакцию растений на окислительный стресс, и содержанию ГБ в листьях как проявление защитных механизмов растений при техногенном засолении.
Материалы и методы
В качестве объекта исследования использовали пшеницу мягкую Triticum aestivum L. сорт Горноуральский и овес посевной Avena sativa L. сорт Стайер.
Предварительно замоченные семена тест-растений высаживали в умеренно увлажненный вермикулит в контейнеры размером 16*12x7 см. Растения выращивали при температуре 25 °С и длине светового дня - 18 ч. На 7-й день после появления всходов растения подвергали воздействию стресс-факторов, в качестве которых использовали растворы с различными значениями pH (рН 3, рН 7, рН 10) и засолением. Кислую среду растворов (pH 3) создавали ацетатным буфером, щелочную среду (pH 10) - боратным буфером. В вариантах опыта с засолением растворы с разными значениями рН среды содержали NaCl в концентрации 150 мМ. Реакцию среды в вермикулите контролировали путем измерения на иономере в течение 72 ч; через 72 ч кислотность и щелочность среды изменялись в нейтральную сторону на ±1,5 рН. Контрольным являлся вариант с рН 7 без засоления.
После стресс-воздействия через определенные интервалы времени (2, 4, 6, 24, 48, 72 ч) отбирали пробы листьев для оценки перекисного окисления
липидов и содержания глицинбетаина. Перекисное окисление липидов определяли в сыром растительном материале по количеству соединений, взаимодействующих с тиобарбитуровой кислотой в пересчете на малоновый диаль-дегид [8]. Глицинбетаин определяли в растительном материале, высушенном при 80 °С, спектрофотометрически (спектрофотометр «СФ-2000», Россия) по реакции образования кристаллов периодида в кислой среде с последующим растворением их в дихлорэтане [9]. Аналитическая повторность определения -трехкратная.
Значимость различий между вариантами опыта оценивали с помощью критериев различия сдвига (положения) (критерий Ван дер Вардена); значимыми считали различия между сравниваемыми выборками с доверительной вероятностью 95 % и выше (Р < 0,050).
Результаты
В первые 4 ч после стресс-воздействия содержание МДА в листьях растений во всех опытных вариантах существенно не отличалось от контрольного (Р > 0,050).
У пшеницы мягкой на фоне кислой реакции корневой среды (рН 3) уровень МДА в листьях начал возрастать через 6 ч после стресс-воздействия и достиг максимума к 72 ч (в 1,8 раз больше контрольного значения, Р = 0,030) (рис. 1,а). На щелочном фоне (рН 10) в период экспозиции с 6 до 72 ч количество МДА варьировало в пределах 2,08-3,43 мкМ/г сырой массы, что на 23-29 % больше, чем в контрольном варианте (Р = 0,028-0,042).
При воздействии засоления на фоне нейтральной реакции среды не наблюдалось статистически значимых различий с контрольным вариантом по содержанию МДА в листьях пшеницы (Р = 0,130-0,425), за исключением варианта на 48 ч, где уровень был выше на 13 % (Р = 0,030) (рис. 1,6).
В варианте с засолением и кислой реакцией корневой среды уровень МДА оставался относительно стабильным в первые 48 ч (2,77-3,02 мкМ/г сырой массы), затем возрос почти на 60 % (рис. 1,в). В первые 24 ч после стресс-воздействия значимых различий между вариантами с засолением и без него не зафиксировали (Р = 0,062-0,013), через 48 и 72 ч количество МДА было выше в варианте опыта рН 3 без засоления на 36 и 14 % соответственно относительно варианта рН 3 + NaCl.
В варианте с засолением при щелочной среде уровень МДА оставался стабильным в течение 72 ч эксперимента и составлял 2,22-2,76 мкМ/г сырой массы (рис. 1,г). Статистически значимые различия с вариантом без засоления отмечены через 24 и 72 ч, где количество МДА в варианте рН 10 было выше в 1,3 раза через 24 ч и в 1,3 раза ниже через 72 ч.
У овса посевного на фоне кислой реакции среды наблюдалось значительное увеличение уровня МДА с 6 ч после стресс-воздействия (в 1,7 раза больше, чем в контрольном варианте, Р = 0,028) до 72 ч (в 7 раз выше контроля, Р = 0,028) (рис. 2,а). На щелочном фоне по содержанию МДА статистически значимые различия отмечены через 24 и 72 ч (в 1,5-2,3 раза выше контрольного варианта).
При воздействии засоления на фоне нейтральной реакции среды не наблюдалось статистически значимых различий с контрольным вариантом по содержанию МДА в листьях овса (Р = 0,180-0,236), за исключением варианта
48 ч, где в варианте опыта рН 7 + NaCl уровень был ниже на 7 % (Р = 0,03) (рис. 2,6).
б
5
о
9- 4
5 3
ас
S
З2 £
i
а
5 -
9- 4
3
2
ас S
< 2 д
i
б 24 48 72
Бремя экспозиции, часы
24 48
Время экспозиции, часы
pH 7 + NaCl
72
24 48
Время экспозиции, часы
-рН 3 рН 3 + NaCl
в)
24 48
Бремя экспозиции, часы
-pH 10
pH 10 + NaCl
г)
Рис. 1. Содержание малондиальдегида в листьях пшеницы мягкой в условиях засоления и разного уровня рН корневой среды, мкМ/г сырой массы: а - варианты опыта с различным уровнем рН корневой среды; б - варианты опыта с засолением NaCl при нейтральном уровне рН; в - варианты опыта с засолением NaCl и рН 3; г - варианты опыта с засолением NaCl и рН 10. Звездочкой отмечены значимые различия между вариантами опыта в каждый временной промежуток: а - между вариантом рН 7 и вариантами рН 3, рН 10; б, в, г - между вариантами с засолением и без него при каждом уровне рН
В варианте с засолением и кислой реакцией корневой среды содержание МДА возрастало в период с 6 до 72 ч после стресс-воздействия с 2,36 до 9,32 мкМ/ г сырой массы, но при этом был ниже в среднем на 40 %, чем в варианте рН 3 без засоления, во все время экспозиции (рис. 2,в).
На фоне щелочной реакции среды количество МДА в листьях овса было ниже в варианте с засолением, чем без него, в период экспозиции 24-72 ч на 25-36 % (рис. 2,г). Через 6 ч после стресс-воздействия значимых различий между этими вариантами не было обнаружено (Р = 0,280).
При воздействии кислой реакции корневой среды уровень ГБ в листьях пшеницы был выше в 1,3-1,6 раз, чем в контрольном варианте, на всем протяжении эксперимента (рис. 3,а). Максимальное количество ГБ отмечено через 6 и 72 ч (13,74 и 13,26 мг/г сухой массы соответственно). На щелочной среде (рН 10) уровень ГБ также был выше контрольного в 1,15-1,38 раз
в большинстве исследуемых временных промежутков, за исключением 2 и 48 ч часов, где достоверных различий с контролем не обнаружено (Р = 0,062). Повышенное содержание ГБ при рН 10 отмечено в период 6-48 ч после стресс-воздействия (11,43-11,57 мг/г сухой массы).
ё 5
а)
б)
Ъ 16
12
S 4
16
12
S
S 4
24 48 72
Время экспозиции, часы
-рНЗ -рН 3 + NaCl
24 48 72
бремя экспозиции, часы
-рН 10
рН 10 +NaCl
г)
Рис. 2. Содержание малондиальдегида в листьях овса посевного в условиях засоления и разного уровня рН корневой среды, мкМ/г сырой массы: а - варианты опыта с различным уровнем рН корневой среды; 6 - варианты опыта с засолением NaCl при нейтральном уровне рН; в - варианты опыта с засолением NaCl и рН 3; г - варианты опыта с засолением NaCl и рН 10. Звездочкой отмечены значимые различия между вариантами опыта в каждый временной промежуток: а - между вариантом рН 7 и вариантами рН 3, рН 10; 6, в, г - между вариантами с засолением и без него при каждом уровне рН
На фоне нейтральной реакции среды во все временные промежутки эксперимента между вариантом опыта с засолением и без него не обнаружено статистически значимых различий по содержанию ГБ в листьях пшеницы (Р = 0,060-0,275), за исключением варианта 4 ч, где ГБ было больше на 24 % (Р = 0,030) в варианте опыта рН 7 + №С1 (рис. 3,6).
На фоне кислой реакции среды статистически значимые различия между вариантами с засолением и без него обнаружены через 6 ч после стресс-воздействия (Р = 0,028) (в варианте опыта рН 3 + №С1 содержание ГБ стало меньше на 10 %, чем в варианте рН 3) (рис. 3,е). В остальные временные промежутки эксперимента достоверных различий между этими опытными вариантами не обнаружено (Р = 0,062-0,500).
15
JQ О О 13
£
»s о X 11
о
г 9
4 6 24 48 Время экспозиции, часы
72
pH 10
Время экспозиции, часы -рНЗ -рН 3 + NaCl
в)
15
й 13
11
4 6 24 48 Время экспозиции, часы -рН7 рН 7 + NaCl
б)
4 6 24 48 Время экспозиции, часы
-pH 10
pH 10 + NaCl
г)
72
72
Рис. 3. Содержание глицинбетаина в листьях пшеницы мягкой в условиях
засоления и разного уровня рН корневой среды, мг/г сухой массы: а - варианты опыта с различным уровнем рН корневой среды; б - варианты опыта с засолением №С1 при нейтральном уровне рН; в - варианты опыта с засолением №С1 и рН 3; г - варианты опыта с засолением №С1 и рН 10. Звездочкой отмечены значимые различия между вариантами опыта в каждый временной промежуток: а - между вариантом рН 7 и вариантами рН 3, рН 10; б, в, г - между вариантами с засолением и без него при каждом уровне рН
При воздействии щелочной реакции среды статистически значимых различий между вариантами с засолением и без него не зафиксировано (Р = 0,236-0,425) на всем протяжении эксперимента, за исключением 6 ч после стресс-воздействия, где в варианте рН 10+№С1 содержание ГБ в листьях пшеницы достоверно ниже на 14 %, чем в варианте рН 10 (Р = 0,028) (рис. 3,г).
После добавления растворов с разным уровнем рН в корневую среду содержание ГБ в листьях овса на фоне кислой среды в первые 48 ч не отличалось от контрольного варианта (Р = 0,062-0,236), за исключением 2 и 6 ч, где уровень ГБ был на 20 % ниже контроля (рис. 4,а). Однако к 72 ч после стресс-воздействия количество ГБ превысило контрольный вариант на 20 %. При воздействии рН 10 уровень ГБ в листьях овса был ниже контрольного на 10-16 % практически на всем протяжении эксперимента; через 2 ч после стресс-воздействия статистически значимых различий не обнаружено (Р = 0,060), через 24 ч - был выше на 20 %.
Засоление на нейтральной среде немного снижало количество ГБ через 2 и 72 ч после стресс-воздействия и повышало через 6 ч (изменения в пределах 5-7 % от контроля) (Р = 0,028) (рис. 4,б). В остальные временные промежутки достоверных различий не обнаружено (Р = 0,130-0,425).
13
ъ и 12
та £ 11
о >
и 10
5 9 *
8 1
2
13
12
11
10
4 6 24 48 Время экспозиции, часы
■ рН 7---рНЗ
а)
рН ю
4 6 24 48 Время экспозиции, часы
72
13
л 12
и
та
£ 11
15
о
- и 10
1
Э
8
72
-рНЗ
рН 3 + №С1
б)
13
2 и 12
та
\ 11
и 10
г 9
8
4 6 24 48 Время экспозиции, часы
-рН 7 рН 7 + МаС1
б)
4 6 24 48 Время экспозиции, часы
-рН 10
-рН 10 + МаС1
г)
72
72
Рис. 4. Содержание глицинбетаина в листьях овса посевного в условиях засоления и разного уровня рН корневой среды, мг/г сухой массы: а - варианты опыта с различным уровнем рН корневой среды; 6 - варианты опыта с засолением №С1 при нейтральном уровне рН; в - варианты опыта с засолением №С1 и рН 3; г - варианты опыта с засолением №С1 и рН 10. Звездочкой отмечены значимые различия между вариантами опыта в каждый временной промежуток: а - между вариантом рН 7 и вариантами рН 3, рН 10; 6, в, г - между вариантами с засолением и без него при каждом уровне рН
Засоление на кислой среде значительно не изменяло содержание ГБ в листьях по сравнению с вариантом рН 3 без засоления, лишь через 4 ч отмечено снижение на 14 % (Р = 0,028) и через 48 ч - увеличение на 7 % (Р = 0,028) (рис. 4,в).
На щелочном фоне статистически значимое увеличение уровня ГБ зафиксировано через 4 и 72 ч (на 27 и 14 % соответственно) в варианте с засолением относительно варианта рН 10 без засоления, в остальные временные промежутки достоверных различий не обнаружено (рис. 4,г).
Обсуждение
Наиболее яркое проявление окислительного стресса по уровню МДА, как в листьях пшеницы, так и в листьях овса, отмечено на фоне кислой реакции корневой среды. При щелочной среде в листьях овса количество МДА почти не отличалось от контрольного варианта, а в листьях пшеницы наблюдалось некоторое увеличение МДА в период 6-48 ч после начала действия стресс-факторов. К 72 ч количество МДА было меньше, чем в контрольном варианте, что, вероятно, связано с активизацией работы антиоксидантной системы [10, 11].
Как кислая, так и щелочная реакция корневой среды изменяют гомео-стаз рН в клетках. Важную роль в адаптации к кислотному или щелочному стрессу играют протонные помпы, обеспечивая отток и приток протонов. Однако их эффективность в уравновешивании рН цитоплазмы постепенно снижается и в конечном итоге это приводит к нарушениям функциональной активности клетки, в том числе и работы ферментов. Более того, диссипация избыточной энергии может привести к образованию токсичных активных форм кислорода [12]. Исследования некоторых ученых [13-15] показывают, что снижение pH на 0,5 единицы приводит к увеличению накопления АФК во много раз у Hordium vulgare L. и Pinus sylvestris L., тогда как повышение pH также вызывает окислительный стресс у подвоев Malus spp.
Засоление при нейтральной среде не вызывало увеличения уровня МДА у обоих злаков. Этот результат может указывать на то, что серьезного перекисного окисления липидов плазматической мембраны изучаемых растений может и не быть при воздействии данного фактора [16]. Установлено, что гликофиты способны предотвращать накопление засоляющих ионов в клетке при концентрации их 100-150 мМ в корневой среде [17]. Ионный го-меостаз в растениях обеспечивают механизмы, ограничивающие активность каналов поступления токсичных ионов в клетки и усиливающие работу каналов, выводящих ионы из клеток [18]. Кроме того, считается, что при засолении нарушение избирательного поглощения катионов происходит через 10-20 дней [19].
Засоление при кислой и щелочной среде вызывало снижение количества МДА как в листьях пшеницы, так и в листьях овса по сравнению с вариантами с этими же показателями рН среды, но без засоления. По-видимому, NaCl в данном случае оказывает стимулирующий эффект и снижает действие осмотического стресса [20] и, как следствие, окислительного.
Глицинбетаин играет значительную роль в адаптации растений к неблагоприятным условиям. Накопление его в клетках способствует повышению засухо- и солеустойчивости растений [21, 22]. Защитную роль глицинбе-таина в растительной клетке связывают со стабилизацией работы фотосинтетического аппарата в неблагоприятных условиях [7, 23], сохранением структуры и активности макромолекул, поддержанием целостности мембран, участием в детоксикации АФК [6, 24, 25].
В листьях пшеницы повышенный уровень ГБ отмечен как на фоне кислой, так и щелочной реакций корневой среды на всем протяжении эксперимента. Это может быть связано со снижением количества воды в листьях и затрудненным водопотреблением [2, 26]. Синтез ГБ в данном случае может быть направлен на адаптацию растений к недостатку влаги, а также сопутствующему окислительному стрессу. Засоление на фоне разных уровней рН среды практически не изменяло количество этого осмопротектора относительно тех же вариантов рН среды без засоления.
По содержанию глицинбетаина в листьях овса нами отмечена значительная изменчивость при смене реакции корневой среды. Увеличение количества глицинбетаина сменялось снижением относительно данных контрольных вариантов эксперимента. При комбинированном стрессе участие глицинбетаи-на в адаптационных процессах у овса посевного было не столь явным. В условиях засоления и разного уровня рН среды, в том числе и на нейтральной среде, изменение содержания глицинбетаина отмечено только в отдельные сроки по сравнению с теми же вариантами рН среды, но без засоления.
Колебания уровня ГБ, возможно, связаны с изменением количества активных форм кислорода, когда резкое увеличение АФК в результате кратковременных окислительных взрывов в растительной клетке сменяется снижением за счет работы защитных систем. Глицинбетаин запускает антиокси-дантную систему растения, активируя различные антиоксидантные ферменты, такие как пероксидаза, каталаза и супероксиддисмутаза [24, 27-29]. Кроме того, накопление ГБ может иметь и видоспецифические особенности. Так, в исследованиях Сакамото и Мурата [30] описано, что некоторые растения накапливают относительно высокие концентрации ГБ, в то время как другие не синтезируют это соединение. По мнению некоторых авторов, гли-цинбетаин синтезируется и накапливается только при длительном стрессе [6].
Заключение
В результате наших исследований наибольшее проявление окислительного стресса по уровню МДА у исследуемых растений отмечено на фоне кислой реакции корневой среды, как в сочетании с засолением, так и без него.
Засоление на фоне нейтральной реакции среды не вызывало увеличения уровня МДА у обоих злаков. По-видимому, засоление в дозировке 150 мМ NaCl не вызывает перекисного окисления липидов. При засолении на фоне кислой и щелочной реакции среды количество МДА снижалось, как в листьях пшеницы, так и в листьях овса, по сравнению с этих же вариантами рН среды, но без засоления, что скорее всего обусловлено стимулирующим эффектом NaCl.
В листьях пшеницы повышенный уровень ГБ отмечен на фоне как кислой, так и щелочной реакций корневой среды. Засоление на фоне разных показателей рН среды практически не изменяло количества этого протекторного вещества относительно тех же вариантов рН среды без засоления.
По содержанию ГБ в листьях овса отмечена значительная изменчивость при смене реакции корневой среды: увеличение его количества сменялось снижением относительно данных контрольных вариантов эксперимента. В условиях засоления и разного уровня рН среды, в том числе и при нейтральной среде, изменение содержания ГБ отмечено только в отдельные сроки по сравнению с теми же вариантами рН среды, но без засоления.
Список литературы
1. Иванищев В. В., Евграшкина Т. Н., Бойкова О. И., Жуков Н. Н. Засоление почвы и его влияние на растения // Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. 2020. № 3. С. 28-42.
2. Мальцева А. Д., Четина О. А. Изменение содержания воды в листьях растений в условиях засоления и разного уровня pН // Симбиоз - Россия 2022 : сб. науч. тр. Междунар. конф. Пермь, 2022. С. 1-5.
3. 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. С. 21.
4. Загоскина Н. В., Назаренко Л. В. Активные формы кислорода и антиоксидантная система растений // Вестник Московского городского педагогического университета. Сер.: Естественные науки. 2016. № 2. С. 9-23.
5. Weretilnyk E. A., Bednarek S., McCue K. F. et al. Comparative biochemical and immunological studies of the glycine betaine synthesis pathway in diverse families of dicotyledons // Planta. 1989. Vol. 178. P. 342-352. URL: https://doi.org/10.1007/bf00391862
6. Annunziata M. G., Ciarmiello L. F., Woodrow P. et al. Spatial and temporal profile of glycine betaine accumulation in plants under abiotic stresses // Frontiers in Plant Science. 2019. Vol. 10. P. 230. URL: https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00230
7. Hasanuzzaman M., Banerjee A., Bhuyan M. H. M. B. et al. Targeting Glycinebetaine for Abiotic Stress Tolerance in Crop Plants: Physiological Mechanism, Molecular Interaction and Signaling // Phyton. 2019. Vol. 88, № 3. P. 185-221. URL: https://doi.org/10.32604/phyton.2019.07559
8. Борисова Г. Г., Малева М. Г., Некрасова Г. Ф., Чукина Н. В. Методы оценки анти-оксидантного статуса растений. Екатеринбург, 2012. 72 с.
9. Grieve C. M., Grattan S. R. Rapid assay for determination of water soluble quaternary ammonium compounds // Plant and Soil. 1983. Vol. 70. P. 303-307. URL: https://doi.org /10.1007/BF02374789
10. Омаров Р. Т., Смелова А. М. Сравнение активности ферментов антиоксидантного комплекса (каталаза, альдегидоксидаза) злаковых растений в условиях солевого стресса // Вопросы науки. 2015. Т. 2. C. 36-40.
11. Latef A. A. A., Tran L. S. Impacts of priming with silicon on the growth and tolerance of maize plants to alkaline stress // Frontiers in Plant Science. 2016. Vol. 7. P. 243. URL: https://doi.org/10.3389/fpls.2016.00243
12. Bhuyan M. H. M., Hasanuzzaman M., Mahmud J. A. et al. Unraveling morphophysio-logical and biochemical responses of Triticum aestivum L. to extreme pH: Coordinated actions of antioxidant defense and glyoxalase systems // Plants. 2019. Vol. 8, № 1. P. 24. URL: https://doi.org/10.3390/plants8010024
13. Song H., Xu X., Wang H. et al. Protein carbonylation in barley seedling roots caused by aluminum and proton toxicity is suppressed by salicylic acid // Russian Journal of Plant Physiology. 2011. Vol. 58. P. 653-659. URL: https://doi.org/10.1134/ S1021443711040169
14. Zhang K. X., Wen T., Dong J. et al. Comprehensive evaluation of tolerance to alkali stress by 17 genotypes of apple rootstocks // Journal of Integrative Agriculture. 2016. Vol. 15, № 7. P. 1499-1509. URL: https://doi.org/10.1016/S2095-3119(15)61325-9
15. Ivanov Y., Savochkin Y., Kuznetsov V. Effect of mineral composition and medium pH on Scots pine tolerance to toxic effect of zinc ions // Russian Journal of Plant Physiology. 2013. Vol. 60, № 2. Р. 260-269. URL: https://doi.org/10.1134/ S102144371302009X
16. Li G., Wan S., Zhou J. et al. Leaf chlorophyll fluorescence, hyperspectral reflectance, pigments content, malondialdehyde and proline accumulation responses of castor bean (Ricinus communis L.) seedlings to salt stress levels // Industrial Crops and Products. 2010. Vol. 31, № 1. Р. 13-19. URL: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2009.07.015
17. Genc Y., Cheong J., Oldach K. et al. Bread Wheat With High Salinity and Sodicity Tolerance // Frontiers in Plant Science. 2019. Vol. 10. P. 1280. URL: https://doi.org/ 10.3389/fpls.2019.01280
18. Amin I., Rasool S., Mir M. A. et al. Ion homeostasis for salinity tolerance in plants: a molecular approach // Physiologia Plantarum. 2021. Vol. 171, № 4. Р. 578-594. URL: https://doi.org/10.1111/ppl.13185
19. Веселов Д. С., Маркова И. В., Кудоярова Г. Р. Реакция растений на засоление и формирование солеустойчивости // Успехи современной биологии. 2007. Т. 125, № 7. С. 482-493.
20. Alkharabsheh H. M., Seleiman M. F., Hewedy O. A. et al. Field Crop Responses and Management Strategies to Mitigate Soil Salinity in Modern Agriculture: A Review // Agronomy. 2021. Vol. 11, № 11. P. 2299. URL: https://doi.org/10.3390/ agronomy11112299
21. Chen S., Xing J., Lan H. Comparative effects of neutral salt and alkaline salt stress on seed germination, early seedling growth and physiological response of a halophyte species Chenopodium glaucum // African Journal of Biotechnology. 2012. Vol. 11, № 40. P. 9572-9581. URL: https://doi.org/10.5897/AJB12.320
22. Mansour M. M. F., Salama K. H. A., Ali F. Z. M. et al. Cell and plant responses to NaCl in Zea mays L. cultivars differing in salt tolerance // General and Applied Plant Physiology. 2005. Vol. 31, № 1-2. P. 29-41.
23. Estaji A., Kalaji H. M., Karimi H. R. et al. How glycine betaine induces tolerance of cucumber plants to salinity stress? // Photosynthetica. 2019. Vol. 57, № 3. P. 753-761. URL: https://doi.org/10.32615/ps.2019.053
24. Rasheed R., Iqbal M., Ashraf M. A. et al. Glycine betaine counteracts the inhibitory effects of waterlogging on growth, photosynthetic pigments, oxidative defence system, nutrient composition, and fruit quality in tomato // The Journal of Horticultural Science and Biotechnology. 2017. Vol. 93, № 4. P. 385-391. URL: https://doi.org/10.1080/ 14620316.2017.1373037
25. Zulfiqar F., Ashraf М., Siddique K. H. M. Role of Glycine Betaine in the Thermotoler-ance of Plants // Agronomy. 2022. Vol. 276, № 12. P. 1-12. URL: https://doi.org/10.3390/agronomy12020276
26. Четина О. А., Еремченко О. З. Влияние NaCl-засоления на содержание катионов Na+, K+, Ca2+ в листьях злаков при разной реакции почвенной среды // АгроЭко-Инфо. 2022. № 1. С. 1-13.
27. Hisyam B., Alam M. A., Naimah N. et al. Roles of Glycinebetaine on Antioxidants and Gene Function in Rice Plants Under Water Stress // Asian Journal of Plant Science. 2017. Vol. 16. Р. 132-140. URL: https://doi.org/10.3923/ajps.2017.132.140
28. Yadu S., Dewangan T. L., Chandrakar V. et al. Imperative roles of salicylic acid and nitric oxide in improving salinity tolerance in Pisum sativum L. Physiol. // Physiology and Molecular Biology of Plants. 2017. Vol. 23. P. 43-58.
29. Yao W. Q., Lei Y. K., Yang P. eаt al. Exogenous Glycinebetaine Promotes Soil Cadmium Uptake by Edible Amaranth Grown during Subtropical Hot Season // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2018. Vol. 15, № 9. Р. 1794. URL: https://doi.org/10.3390/ijerph15091794
30. Sakamoto A., Murata N. The role of glycine betaine in the protection of plants from stress: Clues from transgenic plants // Plant, Cell and Environment. 2002. Vol. 25, № 2. P. 163-171. URL: https://doi.org/10.1046/j.0016-8025.2001.00790.x
References
1. Ivanishchev V.V., Evgrashkina T.N., Boykova O.I., Zhukov N.N. Soil salinity and its effect on plants. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o zemle = Proceedings of Tula State University. Earth sciences. 2020;(3):28-42. (In Russ.)
2. Mal'tseva A.D., Chetina O.A. Changes in water content in plant leaves under conditions of salinity and different pN levels. Simbioz - Rossiya 2022: sb. nauch. tr. Mezhdunar. konf. = Symbiosis - Russia 2022: proceedings of the International conference. Perm', 2022:1-5. (In Russ.)
3. Garifzyanov A.R., Zhukov N.N., Ivanishchev V.V. Formation and physiological reactions of reactive oxygen species in plant cells. Sovremennye problemy nauki i obra-zovaniya = Modern issues of science and education. 2011;(2):21. (In Russ.)
4. Zagoskina N.V., Nazarenko L.V. Reactive oxygen species and the antioxidant system of plants. Vestnik Moskovskogo gorodskogo pedagogicheskogo universiteta. Ser.: Estestvennye nauki = Bulletin of Moscow City Pedagogical University. Series: Natural sciences. 2016;(2):9-23. (In Russ.)
5. Weretilnyk E.A., Bednarek S., McCue K.F. et al. Comparative biochemical and im-munological studies of the glycine betaine synthesis pathway in diverse families of dicotyledons. Planta. 1989;178:342-352. Available at: https://doi.org/10.1007/bf00391862
6. Annunziata M.G., Ciarmiello L.F., Woodrow P. et al. Spatial and temporal profile of glycine betaine accumulation in plants under abiotic stresses. Frontiers in Plant Science. 2019;10:230. Available at: https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00230
7. Hasanuzzaman M., Banerjee A., Bhuyan M.H.M.B. et al. Targeting Glycinebetaine for Abiotic Stress Tolerance in Crop Plants: Physiological Mechanism, Molecular Interaction and Signaling. Phyton. 2019;88(3):185-221. Available at: https://doi.org/ 10.32604/phyton.2019.07559
8. Borisova G.G., Maleva M.G., Nekrasova G.F., Chukina N.V. Metody otsenki an-tioksidantnogo statusa rasteniy = Methods for assessing the antioxidant status ofplants. Ekaterinburg, 2012:72. (In Russ.)
9. Grieve C.M., Grattan S.R. Rapid assay for determination of water soluble quaternary ammonium compounds. Plant and Soil. 1983;70:303-307. Available at: https://doi.org /10.1007/BF02374789
10. Omarov R.T., Smelova A.M. Comparison of the activity of enzymes of the antioxidant complex (catalase, aldehyde oxidase) of cereal plants under salt stress. Voprosy nauki = Science issues. 2015;2:36-40. (In Russ.)
11. Latef A.A.A., Tran L.S. Impacts of priming with silicon on the growth and tolerance of maize plants to alkaline stress. Frontiers in Plant Science. 2016;7:243. Available at: https://doi.org/10.3389/fpls.2016.00243
12. Bhuyan M.H.M., Hasanuzzaman M., Mahmud J.A. et al. Unraveling morphophysio-logical and biochemical responses of Triticum aestivum L. to extreme pH: Coordinated actions of antioxidant defense and glyoxalase systems. Plants. 2019;8(1):24. Available at: https://doi.org/10.3390/plants8010024
13. Song H., Xu X., Wang H. et al. Protein carbonylation in barley seedling roots caused by aluminum and proton toxicity is suppressed by salicylic acid. Russian Journal of Plant Physiology. 2011;58:653-659. Available at: https://doi.org/10.1134/S1021443711040169
14. Zhang K.X., Wen T., Dong J. et al. Comprehensive evaluation of tolerance to alkali stress by 17 genotypes of apple rootstocks. Journal of Integrative Agriculture. 2016;15(7):1499-1509. Available at: https://doi.org/10.1016/S2095-3119(15)61325-9
15. Ivanov Y., Savochkin Y., Kuznetsov V. Effect of mineral composition and medium pH on Scots pine tolerance to toxic effect of zinc ions. Russian Journal of Plant Physiology. 2013;60(2):260-269. Available at: https://doi.org/10.1134/S102144371302009X
16. Li G., Wan S., Zhou J. et al. Leaf chlorophyll fluorescence, hyperspectral reflectance, pigments content, malondialdehyde and proline accumulation responses of castor bean (Ricinus communis L.) seedlings to salt stress levels. Industrial Crops and Products. 2010;31(1):13-19. Available at: https://doi.org/10.1016/jindcrop.2009.07.015
17. Genc Y., Cheong J., Oldach K. et al. Bread Wheat With High Salinity and Sodicity Tolerance. Frontiers in Plant Science. 2019;10:1280. Available at: https://doi.org/10.3389/ fpls.2019.01280
18. Amin I., Rasool S., Mir M.A. et al. Ion homeostasis for salinity tolerance in plants: a molecular approach. Physiologia Plantarum. 2021;171(4):578-594. Available at: https://doi.org/10.1111/ppl.13185
19. Veselov D.S., Markova I.V., Kudoyarova G.R. Plant response to salinity and formation of salt tolerance. Uspekhi sovremennoy biologii = Advances in modern biology. 2007;125(7):482-493. (In Russ.)
20. Alkharabsheh H.M., Seleiman M.F., Hewedy O.A. et al. Field Crop Responses and Management Strategies to Mitigate Soil Salinity in Modern Agriculture: A Review. Agronomy = Agronomy. 2021;11(11):2299. Available at: https://doi.org/10.3390/ agronomy11112299
21. Chen S., Xing J., Lan H. Comparative effects of neutral salt and alkaline salt stress on seed germination, early seedling growth and physiological response of a halophyte species Chenopodium glaucum. African Journal of Biotechnology. 2012;11(40):9572-9581. Available at: https://doi.org/10.5897/AJB12.320
22. Mansour M.M.F., Salama K.H.A., Ali F.Z.M. et al. Cell and plant responses to NaCl in Zea mays L. cultivars differing in salt tolerance. General and Applied Plant Physiology. 2005;31(1-2):29-41.
23. Estaji A., Kalaji H.M., Karimi H.R. et al. How glycine betaine induces tolerance of cucumber plants to salinity stress? Photosynthetica. 2019;57(3):753-761. Available at: https://doi.org/10.32615/ps.2019.053
24. Rasheed R., Iqbal M., Ashraf M.A. et al. Glycine betaine counteracts the inhibitory effects of waterlogging on growth, photosynthetic pigments, oxidative defence system, nutrient composition, and fruit quality in tomato. The Journal of Horticultural Science and Biotechnology. 2017;93(4):385-391. Available at: https://doi.org/10.1080/ 14620316.2017.1373037
25. Zulfiqar F., Ashraf M., Siddique K.H.M. Role of Glycine Betaine in the Thermotoler-ance of Plants. Agronomy = Agronomy. 2022;276(12):1-12. Available at: https://doi.org/10.3390/agronomy12020276
26. Chetina O.A., Eremchenko O.Z. Influence of NaCl-salinization on the content of Na+, K+, Ca2+ cations in grass leaves under different reactions of the soil environment. AgroEko-Info. 2022;(1):1-13. (In Russ.)
27. Hisyam B., Alam M.A., Naimah N. et al. Roles of Glycinebetaine on Antioxidants and Gene Function in Rice Plants Under Water Stress. Asian Journal of Plant Science. 2017;16:132-140. Available at: https://doi.org/10.3923/ajps.2017.132.140
28. Yadu S., Dewangan T.L., Chandrakar V. et al. Imperative roles of salicylic acid and nitric oxide in improving salinity tolerance in Pisum sativum L. Physiol. Physiology and Molecular Biology of Plants. 2017;23:43-58.
29. Yao W.Q., Lei Y.K., Yang P. et al. Exogenous Glycinebetaine Promotes Soil Cadmium Uptake by Edible Amaranth Grown during Subtropical Hot Season. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2018;15(9):1794. Available at: https://doi.org/10.3390/ijerph15091794
30. Sakamoto A., Murata N. The role of glycine betaine in the protection of plants from stress: Clues from transgenic plants. Plant, Cell and Environment. 2002;25(2):163-171. Available at: https://doi.org/10.1046/j.0016-8025.2001.00790.x
Информация об авторах / Information about the authors
Оксана Александровна Четина Oksana A. Chetina
кандидат биологических наук, доцент, Candidate of biological sciences, associate и.о. заведующего кафедрой физиологии professor, a.i. head of the sub-department
растений и экологии почв, Пермский of plant physiology and soil ecology,
государственный национальный Perm State University
исследовательский университет (15 Bukireva street, Perm, Russia) (Россия, г. Пермь, ул. Букирева, 15)
E-mail: [email protected]
Анастасия Дмитриевна Мальцева Anastasiya D. Mal'tseva
студентка, Пермский государственный Student, Perm State University национальный исследовательский (15 Bukireva street, Perm, Russia)
университет (Россия, г. Пермь, ул. Букирева, 15)
E-mail: [email protected]
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов / The authors declare no conflicts of interests.
Поступила в редакцию / Received 05.02.2023
Поступила после рецензирования и доработки / Revised 20.03.2023 Принята к публикации / Accepted 13.04.2023
