Оценка воздействия водного стресса на растения сои по изменению электрофоретических спектров антиоксидантных ферментов Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 635.656:631.67

оценка воздействия водного стресса на растения

сои по изменению злектрофоретических спектров антиоксидантных ферментов

Е.А. СЕМЕНОВА, кандидат биологических наук, доцент

Дальневосточный ГАУ E-mail: [email protected]

Резюме. Соя - одна из основных сельскохозяйственных культур Амурской области, которая нередко подвергается действию как дефицита (в основном в третьей декаде мая), так и избытка (чаще в июле и августе) влаги в почве, что лимитирует величину и качество урожая. Цель наших исследований - оценить количественные и качественные изменения электрофоретических спектров листьев G. max и G. soja под влиянием избыточного и недостаточного увлажнения почвы. Электрофоретические спектры ферментов определяли методом электрофореза в полиакриламидном геле по Дэвису. В листьях сорта Лидия и формы КА-1344 выявлены множественные молекулярные формы пе-роксидазы с Rf 0,02; 0,10; 0,46 и каталазы с Rf 0,04; 0,24, которые встречаются во всех вариантах опыта, во все фазы развития сои. Изменение электрофо-ретических спектров пероксидазы и каталазы под влиянием избыточного и недостаточного увлажнения почвы зависело от генотипа, фазы развития сои и продолжительности действия стрессирующего фактора. Длительное переувлажнение привело к появлению в листьях G. max и G. soja (фаза бобообразования) высокоподвижных форм пероксидазы с Rf от 0,60 до 0,76 и среднедвижущихся форм каталазы: у сорта Лидия с Rf 0,21 и формы КА-1344 с Rf 0,32; 0,40. Выявленные изменения сильнее выражены у дикорастущей сои. Почвенная засуха в течение всего вегетационного периода способствовала уменьшению гетерогенности электрофоретического спектра каталазы, что связано с сильным повреждающим действием стрессора. В фазе бобообразования у сорта Лидия исчезли формы с каталазной активностью 0,14, 0,50, у дикорастущей сои - 0,54. Обнаруженная разнокачественность отдельных форм пероксидазы и каталазы может иметь адаптивное значение и использоваться в тестовых системах для оценки устойчивости растений к водному стрессу.

Ключевые слова: соя, множественные молекулярные формы ферментов, пероксидаза, каталаза, избыточное и недостаточное увлажнение почвы.

Соя - одна из основных сельскохозяйственных культур Амурской области, которая нередко подвергается действию как дефицита (в основном в третьей декаде мая), так и избытка влаги в почве (чаще в июле и августе), что лимитирует величину и качество урожая.

Водный стресс оказывает неблагоприятное действие на большинство структур и метаболических процессов клетки растений. Под его влиянием усиливается образованиетаких активных форм кислорода (АФК), как супероксид-радикал (О2-), гидроксил-радикал (ОН-) и перекись водорода Н2О2. В ликвидации АФК участвуют низкомолекулярные антиоксиданты и ферменты, основную роль среди которых выполняют пероксидаза и каталаза. Каталаза расщепляет Н2О2 на воду и молекулярный кислород, а пероксидаза разрушает Н2О2 путем окисления ряда различных органических соединений [1].

Кроме того, приспособление растений к неблагоприятным условиям среды сопровождает

изменение активности множественных молекулярных форм антиоксидантных ферментов. В предыдущих работах [2, 3] было показано, что переувлажнение почвы приводит к увеличению активности каталазы и снижению количества низкомолекулярных анти-оксидантов в листьях и семенах сои, а при дефиците влаги возрастает активность пероксидазы. Поскольку множественные молекулярные формы ферментов играют важную роль в адаптации растений, то цель нашей работы - установить количественные и качественные изменения электрофоретических спектров листьев культурной и дикорастущей сои под влиянием избыточного и недостаточного увлажнения почвы

Рис. 1. Электрофоретические спектры пероксидазы в листьях сорта Лидия (а) и формы КА-1344 (б) в фазе третьего тройчатого листа (А), цветения (Б), бобообразования (В): 1 - контроль (70%); 2 - 135% весь период; 3 - 35% весь период; 4 - 35% до цветения, затем 70%; 5 - 135% до цветения, затем 70%; 6 - 70% до цветения, затем 35%; 7 - 70% до цветения, затем 135%.

для дальнейшего использования в качестве маркеров устройчивости сои к водному стрессу.

Условия, материалы и методы. Объект исследования - листья культурной сои (G. max) сорта Лидия и дикорастущей (G. soja) формы КА-1344.

Сою выращивали в вегетационных сосудах. После появления всходов влажность почвы поддерживали согласно схеме опыта:

I весь период вегетации 70% от полной полевой влагоемкости (ППВ);

II весь период вегетации 135% от ППВ;

III весь период вегетации 35% от ППВ;

IV до цветения 35% от ППВ, затем перевод на 70%;

V до цветения 135% от ППВ, затем перевод на 70%;

VI до цветения 70% от ППВ, затем перевод на 35%;

VII до цветения 70% от ППВ, затем перевод на 135%;

Электрофоретические спектры ферментов определяли методом электрофореза в полиакриламид-ном геле по Дэвису [4]. Окрашивание на геле зон с ферментативной активностью осуществляли соответствующими гистохимическими методами [5]. Основной критерий характеристики множественных молекулярных форм ферментов - их относительная электрофоретическая подвижность Rf.

Результаты и обсуждение. В фазе третьего тройчатого листа у сорта Лидия мы идентифицировали четыре формы пероксидазы, у КА-1344 -три (рис. 1). Под влияние избыточного увлажнения (II, V вариант) увеличивается гетерогенность электрофоретического спектра из-за появления дополнительных множественных форм с Rf 0,52 у сорта Лидия и Rf 0,50 у формы КА-1344. В III и IV вариантах (35% ППВ) у G. max количество компонентов пероксидазы, по сравнению с контролем, уменьшается - исчезает форма с Rf 0,21, у G. soja изменений не наблюдается. В VI и VII вариантах электрофоретический спектр пероксидазы у обоих видов сои аналогичен контролю.

Ранее было установлено [6], что количество множественных форм в онтогенезе листа сои увеличивается. У сорта Лидия в фазе цветения не только в контроле, но и в опытных вариантах, появляется форма пероксидазы со средней электрофоретической подвижностью (Rf 0,35). У дикорастущей сои форма с Rf 0,40 отмечена во всех вариантах, а во II и V присутствует высокоподвижная форма с Rf 0,60.

Продолжительное действие избыточного увлажнения (вариант II) вызвало более глубокие изменения в электрофоретическом спектре пероксидазы. В этих условиях у G. max и G. soja в фазе бобообразования наблюдается активирование форм с наиболее высокой подвижностью. На основании изложенного, можно предположить, что основную роль в формировании устойчивости к переувлажнению почвы играют формы с Rf от 0,60 до 0,76.

В вариантах с водным дефицитом форм пероксидазы с высокой электрофоретической подвижностью не выявлено. Возможно, это служит причиной недостаточной устойчивости

сои к почвенной засухе, что в свою очередь приводит к снижению ее продуктивности.

Немаловажное значение в устойчивости имеет способность растений восстанавливаться после действия повреждающих факторов. Анализ электрофоретического спектра пероксидазы показал, что после перевода растений на оптимальную влажность почвы в IV варианте количество множественных молекулярных форм находится на уровне контроля, в V - у сорта Лидия присутствует высокоподвижный компонент, а остальные формы имеют Rf одинаковую с контролем.

В случае, когда растения сои подвергались воздействию стрессора с фазы цветения (вариант VI), электрофоретический спектр листьев сорта Лидия не отличался от контроля, а у дикорастущей сои - был такой же, как при дефиците влаги в течение всей вегетации. В VII варианте у обоих видов сои присутствовала форма с Rf 0,60, а подвижность остальных находилась на уровне контроля. Обнаруженные изменения электрофоретических спектров пероксидазы имеют адаптивное значение и выражены сильнее у более устойчивой дикорастущей сои.

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7

Рис. 2. Электрофоретические спектры каталазы в листьях сорта Лидия (а) и формы КА-1344 (б) в фазы третьего тройчатого листа (А), цветения (Б), бобообразования (В): 1 - контроль (70%); 2 - 135% весь период; 3 - 35% весь период; 4 - 35% до цветения, затем 70%; 5 - 135% до цветения, затем 70%; 6 - 70% до цветения, затем 35%; 7 - 70% до цветения, затем 135%.

Каталаза - фермент с невысокой гетерогенностью. Изучение ее электрофоретических спектров в листьях G. max и G. soja в фазе третьего тройчатого листа показало, что контрольные образцы содержали три компонента с каталазной активностью. Воздействие переувлажнения (вариант II и V) привело к появлению дополнительных форм со средней электрофоретической подвижностью: у сорта Лидия с Rf 0,37, у формы КА-1344 с Rf 0,46. В остальных вариантах электрофоретические спектры были аналогичны контролю (рис. 2).

В фазе цветения число множественных молекулярных форм каталазы в контроле было таким же, как и в фазе третьего тройчатого листа (Rf от 0,02 до 0,54), во II и V вариантах (135% от ППВ) у сои обоих видов оно достигало четырех.

В третьем и четвертом вариантах (35% ППВ) по числу компонентов разницы с контрольным вариантом не наблюдалось, отличия были в их электрофоретической подвижности: исчезли множественные молекулярные формы каталазы с Rf 0,53 у сорта Лидия и Rf 0,54 у формы КА-1344, появилась малоподвижная форма с Rf 0,14.

В фазе образования бобов в контроле в листьях растений обоих видов было идентифицировано четыре компонента каталазы. Длительное переувлажнение (вариант II) способствовало усложнению электрофо-ретического спектра в результате появления форм с Rf 0,21 (сорт Лидия) и Rf 0,32; 0,40 (форма КА-1344). По-видимому, это защитная реакция растения на воздействие избыточного увлажнения.

Дефицит влаги в течение всего вегетационного периода (вариант III) влияет на гетерогенность электрофоретических спектров. В листьях сорта Лидия количество компонентов с каталазной активностью снижается до двух, у формы КА-1344 - до трёх, что, на наш взгляд, связано с сильным повреждающим действием стрессора.

Смена недостаточного и избыточного увлажнения почвы на оптимальное оказало положительное влияние на биохимические процессы в растениях сои. В четвертом и пятом вариантах электрофоретический спектр каталазы у G. soja не отличается от контроля, однако у G. max даже после восстановительного периода форма с Rf 0,50 (вариант IV) отсутствует, а остальные имеют Rf аналогичную с контролем.

Анализ множественных молекулярных форм каталазы в шестом и седьмом вариантах показал, что после смены условий выращивания у культурной и дикорастущей сои исчезают высокоподвижные формы, но при этом в седьмом варианте присутствуют формы с Rf 0,21 (сорт Лидия) и 0,46 (форма КА-1344).

Выводы. В электрофоретических спектрах листьев G. max и G. soja выявлены формы пероксидазы с Rf 0,02; 0,10; 0,46 и каталазы с Rf 0,04; 0,24, которые встречаются во все фазы развития сои независимо от условий увлажнения. Возможно, нормальное течение окислительно-восстановительных процессовв растении обеспечивается набором постоянно присутствующих компонентов.

Изменение электрофоретических спектров пероксидазы и каталазы под влиянием избыточного и недостаточного увлажнения почвы зависит от генотипа, фазы развития сои и продолжительности действия стрессирующего фактора. Переувлажнение почвы увеличивает гетерогенность электрофоретических спектров упомянутых ферментов в листьях G. max и G. soja, особенно у формы КА-1344. Недостаток влаги приводит к уменьшению числа множественных молекулярных форм каталазы в листьях сои, особенно у сорта Лидия. Обнаруженная разнокачественность отдельных форм пероксидазы и каталазы может иметь адаптивное значение и использоваться в тестовых системах для оценки устойчивости сои к водному стрессу.

Литература.

1. Полесская О.Г. Растительная клетка и активные формы кислорода. М.: КДУ, 2007. 140 с.

2. Хайрулина Т.П., Тихончук П.В., Семенова Е.А. Антиоксидантная система семян культурной сои в условиях недостаточного и избыточного увлажнения // Устойчивость организмов к неблагоприятным внешним факторам среды: материалы Всероссийской научной конференции. Иркутск: НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2009. С. 500-502.

3. Хайрулина Т.П., ТихончукП.В., Семенова Е.А. Антиоксидантная защита в листьях G. max и G.soja при водном стрессе// Вестник Алтайского государственного университета. 2010. № 12 (74). С. 30-33.

4. Davis B.J. Disk electrophoresis. Method and application to human serum protein //Ann. N. Y. Acad. 1964. Vol. 121. № 2. P. 404-427.

5. Сафонов В. И., Сафонова М.П. Исследование белков и ферментов растений методом электрофореза в полиакриламид-ном геле // Биохимические методы в физиологии растений. М., 1971. С. 113-136.

6. Семенова Е.А., Тихончук П. В. Изменение активности и электрофоретических спектров некоторых ферментов в листьях растений культурной и дикой сои //Доклады РАСХН. 2008. № 2. С. 10-13.

iMPACT ASSESSMENT OF WATER STRESS ON SOYBEAN PLANTS TO CHANGE ELECTROPHORETiC SPECTRUM ANTiOXiDANT ENZYMES

E.A. Semenova

Far East State Agrarian University

Summary. Soybean is one of the major crops of the Amur region, which is often exposed as a deficit (mainly in the third week of May), and the excess moisture in the soil (usually in July and August), which limits the size and quality of the crop. Purpose - to explore the quantitative and qualitative changes in the electrophoretic spectra of leaves G. max and G. soja, under the influence of excess and lack of soil moisture. Electrophoretic spectra enzymes was determined by electrophoresis on polyacrylamide gel at Davis. The leaves of the variety and Lydia form КА-1344 revealed multiple molecular forms of peroxidase with Rf 0,02; 0,10; 0,46 and catalase with Rf 0,04; 0,24, which are found in all versions of the experiment, in all phases of development soya. Change the electrophoretic spectra of peroxidase and catalase influenced excessive and insufficient soil moisture depended on genotype of soybean development phase and duration of stressing factor. Prolonged soil moisture led to the appearance of the leaves G. max and G. soja (phase boboobrazovaniya ) highly mobile forms of peroxidase with Rf 0,60 to 0,76 and forms catalase srednedvizhuschihsya: Lydia cultivar with Rf 0,21 and form КА-1344 with Rf 0,32; 0,40. Electrophoretic spectra revealed changes, more pronounced in wild soybean. Soil drought during the growing period, contributed to the reduction of heterogeneity electrophoretic spectrum of catalase, which is associated with a strong damaging effect of this stressor. In phase boboobrazovaniya cultivar Lydia disappear form with catalase activity 0,14; 0.50, in wild soybean - 0,54. The observed heterogeneity of individual forms of peroxidase and catalase may have adaptive value and used in test systems for assessing the sustainability of soybean to water stress.

Keywords: soy, multiple molecular forms of enzymes, peroxidase, catalase, and the lack of excess soil moisture.