CC BY
46
26. Usher M. B. Biogeography and diversity of ground-dwelling arthropods in farm woodlands / M. B. Usher, J. Field, S. Bedford // Biodiversity Letters. - 1993. - N 1. - P. 54-62.
27. Watson D. M. A conceptual framework for etudying species composition in fragments, islands and other patchy systems // Journal of Biogeography. - 2002. - Vol. 29. - P. 823-834.
28. Weller B. Carabid beetle community composition, body size and fluctuating asymmetry along an urban-rural gradient / B. Weller, J. U. Ganzhorn // Basic and Applied Ecology. - 2004. -N 5. - P. 193-201.
Надійшла до редколегії 20.07.06.
УДК 577.1
О. М. Василюк, О. М. Вінниченко
Дніпропетровський національний університет
ВПЛИВ ІОНІВ СВИНЦЮ ТА МАЛИХ ДОЗ РАДІАЦІЇ НА АКТИВНІСТЬ КАТАЛАЗИ У ПРОРОСТКАХ КУКУРУДЗИ
Наведено експериментальні дані відносно рівня активності каталази у проростках кукурудзи Дніпровський 310 під дією іонів свинцю в концентрації 1 • 10-4 М, малих доз радіації (2, 5, 10 та 15 Р) та їх спільної дії в умовах модельного досліду.
The experimental results of changes of the catalase activity in the maize germinants under the influence of the lead ions and low doses of radiation separately and simultaneously are presented. The consentration of the lead was 1 • 10 - 4 M and the radiation dozes were 2, 5, 10, and 15 R.
Вступ
Адаптація рослинного організму до різних антропогенних чинників відбувається за допомогою ферментативної системи як однієї із систем захисту рослин від стресів. Ця адаптація - надійний тип біологічних адаптацій [9]. У зв’язку з цим вивчалась активність ферменту антиоксидантного захисту (АОЗ) рослин - каталази, яка бере участь у захисті тканин від вільно-радикального окислення (ВРО), надлишкової кількості гідроксид-іонів, пероксид-іонів, вільного кисню, що викликається впливом радіації, гербіцидів, важких металів.
Часткова детоксикація цих сполук відбувається двома класами споріднених ферментів - каталазами та пероксидазами. Ці ферменти каталізують двохелектронне відновлення Н2О2 до Н2О, використовують пероксид водню як донор електронів у випадку з каталазами, або різні відновники - у випадку з пероксидазами [1; 5; 8]. Внаслідок роботи ферментів АОЗ усуваються негативні наслідки ВРО [1; 2; 3].
Каталаза міститься у пероксисомах і характеризується рекордно високою активністю при низьких концентраціях. При вивченні ізоферментного складу каталази з кукурудзи та квасолі з’ ясовано, що гематин каталази проявляв слабку пероксидну активність, яка збільшується за умови поєднання його з апоферментом. Відомо, що каталаза в ендоспермі кукурудзи контролюється двома локусами: Ct1 та Ct2. Контроль синтезу ферменту за двома локусами та множинність алелів по локусу Ct1 підвищує поліморфізм каталази. При визріванні зерна спостерігаються форми каталази, які контролюються Ct1, а за умов пророщування - Ct2 [12].
Відповідна реакція організму на рівні роботи ферментів АОЗ у поєднанні з іншими ферментами дозволяє зробити висновок про стійкість або нестійкість даного
© О. М. Василюк, О. М. Вінниченко, 2006 30
виду рослин до різних видів антропогенного впливу. Стійкі рослини витриваліші (вище поріг ушкодження), а метаболічні процеси відбуваються з більшою швидкістю, ніж у нестійких форм [11]. Мета даної роботи - охарактеризувати динаміку активності каталази в онтогенезі рослин кукурудзи в умовах лабораторного досліду.
Матеріал і методи досліджень
У роботі використовували кукурудзу сорту Дніпровський 310. Насіння пророщували в умовах лабораторного досліду за такою схемою: 1) контроль; 2) 2 рентгени (Я); 3) 5 Я; 4) 10 Я; 5) 15 Я; 6) 2 Я+РЬ(^03)2 10-4 М; 7) 5 Я + РЬ(^03)2 10-4 М; 8) 10 Я + РЬ(Ы03)2 10-4 М; 9) 15 Я + РЬ(^03)2 10-4 М; 10) РЬ(т3)2 10-4 М.
Опромінювали насіння через добу від початку пророщування (150 ш'^ 6 шЛ, фільтр Си2, фокусна відстань - 181 см, доза - 0,22 рентгена за хвилину). Загальна доза опромінення становила 2, 5, 10 та 15 рентген. Проби відбирали на 3-ю, 5-у, 7-у та 11-у добу пророщування.
Кукурудзу пророщували на водних розчинах нітрату свинцю в концентрації
1-10-4 М із додаванням солей нітрату кальцію та хлориду калію в концентраціях 5-10-4 та 1 • 10-3 М відповідно. У такому розчині відсутня шкідлива дія незбалансованості дво- та одновалентних катіонів, зменшується небажаний зсув рН, пов’язаний із швидким поглинанням проростками нітрат-іонів [6].
Активність каталази визначали з урахуванням кількості пероксиду водню, який розкладається під дією ферменту рослин на 1 г наважки за 30 хвилин [4]. Концентрацію білка визначали за методом Бредфорда [10]. Отримані результати відповідають 5 % рівню значущості [7].
Результати та їх обговорення
При вивченні малих доз радіації в зерні проростків кукурудзи сорту Дніпровський 310 спостерігався процес інгібування питомої активності ферменту в переважній більшості варіантів досліду упродовж періоду пророщування за винятком опромінення в 2 рентгени на третю добу пророщування (табл. 1-3). У останньому випадку спостерігається підвищення питомої активності каталази відносно контролю на 17 %. На п’яту добу пророщування підвищення активності спостерігається у варіанті опромінення 5 та 10 рентген. В інших варіантах досліду при застосуванні більших доз радіації питома активність каталази знижувалася віжносно контролю на 11-72 %. Значне зниження питомої активності каталази відбувалося в зерні проростків при подальших термінах пророщування: при опроміненні в 10 рентген питома активність каталази становила 1-3 % відносно контролю на сьому та одинадцяту добу пророщування.
Таблиця 1
Вплив малих доз радіації та іонів свинцю на активність каталази у зерні проростків кукурудзи
Варіант досліду Активність, Е, •Ю 3 мМ Н2О2/гхв. | Питома активність, ПА, '10 3 | ПА, %
Доба пророщування
3-я 5-а 7-а 11-а 3-я 5-а 7-а 11-а 3-я 5-а 7-а 11-а
1 11,8±0,59 7,7±0,38 11,3±0,51 4,0±0,18 98,3±4,80 78,1±3,85 202,0±11,0 100,0±4,48 - - - -
2 11,5±0,48 8,1±0,41 10,8±0,48 3,1±0,15 115,0±0,51 67,5±3,41 38,3±1,65 38,3±1,63 117* 86* 19* 38*
3 11,2±0,38 8,7±0,42 12,5±0,61 3,1±0,12 37,3±1,75 87,0±4,03 153,0±7,51 47,8±2,35 38* 111* 77* 48*
4 11,8±0,61 9,0±0,51 11,4±0,58 3,3±0,14 59,0±2,91 112,5±5,63 1,9±0,09 33,3±1,58 60* 144* 1* 3*
5 10,9±0,45 8,5±0,43 11,2±0,49 3,3±0,15 87,8±4,31 75,9±3,83 166,5±8,03 27,8±1,43 89* 97 83* 28*
6 10,9±0,43 9,2±0,45 11,1±0,48 0,4±0,02 49,7±1,30 127,7±6,41 10,0±0,48 7,7±0,35 51* 163* 5* 8*
7 11,2±0,51 9,2±0,43 10,8±0,43 1,1±0,05 70,0±3,61 127,8±6,38 26,5±1,27 12,9±0,58 71* 164* 13* 13*
8 11,6±0,53 8,9±0,41 10,9±0,35 2,7±0,13 82,9±4,01 92,7±4,30 273,3±13,6 14,8±0,71 84* 119* 136* 14*
9 11,3±0,57 16,5±0,73 10,0±0,37 0,3±0.01 188,9±9,01 152,8±7,63 6,5±0,32 12,9±0,51 192* 195* 3* 3*
10 11,1±0,50 8,7±0,35 11,2±0,50 0,8±0,04 51,5±2,55 63,9±3,21 40,0±2,01 15,6±0,75 52* 82* 20* 15*
У варіантах досліду з комплексною дією радіації та іонів свинцю відбувається підвищення питомої активності каталази на п’яту добу пророщування на 19-95 % відносно контролю. У варіанті досліду з радіацією в 15 рентген на третю та п’яту доби пророщування питома активність ферменту становить 52-82 % відносно контролю. На подальших стадіях пророщування питома активність каталази достовірно нижча для всіх варіантів досліду. Виняток спостерігався у варіанті з одночасним впливом іонів свинцю та радіації в дозі 15 рентген на п’яту добу пророщування (19 %) та на сьому добу пророщування (36 % вище контролю) (див. табл. 1).
У варіанті досліду в листках проростків кукурудзи спостерігається процес поперемінного підвищення та зниження питомої активності каталази відносно контролю для всіх варіантів досліду упродовж усього онтогенезу. На п’яту добу пророщування питома активність ферменту достовірно нижча відносно контролю. Зниження питомої активності каталази у варіантах при моновпливі радіації становило 35-79 %, тоді як при комплексній дії антропогенних чинників питома активність каталази знижувалася від 41 до 70 %. На сьому добу пророщування спостерігалося значне підвищення питомої активності каталази при комплексній дії екзогенних чинників (у
2-6 разів). За умов впливу радіації питома активність каталази підвищена у 3-9 разів. На дев’ яту добу пророщування питома активність ферменту достовірно нижча для всіх варіантів досліду. У варіанті при комплексній дії радіації в 2 рентгени та іонів свинцю питома активність перевищувала контроль у чотири рази. В інших варіантах досліду спостерігали інгібування питомої активності каталази на 32-90 % (див. табл. 2).
Таблиця 2
Вплив малих доз радіації та іонів свинцю на активність каталази в листі проростків кукурудзи
Варіант досліду Активність, Е, -10 3 мМ НОУг-хв. | Питома активність, ПА, -10 3 | ПА, %
Доба пророщування
3-я 5-а 7-а 11-а 3-я 5-а 7-а 11-а 3-я 5-а 7-а 11-а
1 4,0±0,18 4,2±0,21 20,1±0,01 7,4±0,37 100,0±4,17 96,5±4,81 1006,5±50,3 93,2±4,57 - - - -
2 5,2±0,20 7,3±0,35 22,5±1,12 5,6±0,28 65,0±3,25 33,3±1,66 1125,0±56,3 63,6±3,17 65* 512* 112* 68*
3 0,2±0,01 6,1±0,30 9,3±0,45 2,1±0,10 20,8±1,04 61,3±3,05 466,5±23,3 48,4±2,41 21* 943* 46* 52*
4 4,8±0,17 6,8±0,34 19,1±0,95 1,6±0,08 31,6±1,58 30,9±1,45 196,0±9,65 44,4±2,22 31* 475* 19* 48*
5 5,0±0,25 4,6±0,20 17,3±0,86 1,5±0,07 29,0±1,45 21,2±1,01 144,4±7,22 36,5±1,75 29* 326* 14* 39*
6 5,7±0,27 2,8±0,15 22,5±1,30 8,0±0,40 30.3±1,50 23,3± 1,15 187,2±9,31 400,0±20,1 30* 359* 19* 429*
7 4,4±0,22 4,0±0,18 23,1±1,25 2,4±0,12 37,5±1,90 40,0±2,01 165,2±8,00 40,0±2,07 38* 615* 16* 43*
8 4,6±0,23 2,8±0,14 20,7±1,08 5,2±0,25 33,8±1,69 11,6±0,58 207,3±10,3 72,2±3,60 34* 179* 21* 77*
9 9,1±0,43 2,2±0,12 20,9±1,04 4,4±0,22 98,9±4,85 14,1±0,73 216,6±10,1 9,6±0,47 91* 217* 22* 10*
10 9,4±0,42 4,2±0,11 23,3±1,10 4,1±0,20 58,8±2,95 21,3±1,05 116,6±5,35 103,2±5,10 59* 327* 12* 111*
Таблиця 3
Вплив малих доз радіації та іонів свинцю на активність каталази у коренях проростків кукурудзи
Варіант досліду Активність, Е, -10 3 мМ НО/г'хв. | Питома активність, ПА, -10 3 | ПА, %
Доба пророщування
3-я 5-а 7-а 11-а 3-я 5-а 7-а 11-а 3-я 5-а 7-а 11-а
1 4,0±0,20 1,3±0,07 4,9±0,23 4,7±0,23 45,5±2,27 22,2±1,10 245,0±12,2 93,2±4,55 - - - -
2 0,3±0,02 1,5±0,07 9,7±0,47 6,7±0,33 2,9±0,15 12,2±0,57 486,5±23,3 222,0±11,0 6* * 5 5 199* 238*
3 0,7±0,03 1,6±0,08 2,3±0,11 1,7±0,08 7,0±0,35 20,0±1,00 113,0±5,5 66,5±3,35 15* 90* 46* 71*
4 1,1±0,05 1,5±0,05 12,3±0,57 6,7±0,27 12,5±0,55 7,3±0,35 306,5±14,3 158,6±7,85 28* 33* 125* 170*
5 1,0±0,06 0,7±0,03 3,9±0,18 3,7±0,18 13,9±0,65 6,6±0,31 96,5±4,5 124,3±6,20 31* 30* 39* 133*
6 1,5±0,07 1,3±0,06 17,8±0,91 6,0±0,31 18,8±0,91 4,3±0,21 445,0±22,3 75,0±3,57 41* 20* 182* 80*
7 0,3±0,02 0,1±0,01 10,9±0,53 6,4±0,32 3,4±0,17 1,1±0,05 136,7±6,8 177,7±8,73 8* 5* 56* 190*
8 1,0±0,05 1,9±0,09 14,6±0,65 2,7±0,13 12,5±0,58 11,6±0,53 244,3±12,2 66,5±3,35 28* 52* 100* 71*
9 0,7±0,03 1,9±0,08 17,7±0,90 8,4±0,42 7,9±0,38 15,5±0,75 221,6±11,1 89,4±4,45 17* 70* 90* 96*
10 1,5±0,06 1,5±0,07 10,1±0,47 7,3±0,35 18,7±0,83 18,2±0,85 126,6±6,35 244,3±12,2 41* 82* 52* 262*
Крім цього, вивчали вплив малих доз радіації та іонів свинцю на активність ка-талази в коренях проростків гібриду кукурудзи. На п’ яту добу пророщування питома активність каталази була знижена на 69-94 % відносно контролю. У варіантах із застосуванням комплексної дії екзогенних чинників питома активність каталази становила 8-41 % відносно контролю. На сьому добу пророщування питома активність каталази зберігала достовірно низькі значення відносно контролю. На дев’ яту добу пророщування у варіантах досліду з моновпливом радіації в дозі 2 та 10 рентген відбувається підвищення питмої активності ферменту антиоксидантного захисту рослин на 25-99 % відносно контролю. У варіанті із застосуванням іонів свинцю та радіації (2 рентгени) підвищення питомої активності каталази становило 82 % відносно контролю. Для всіх варіантів досліду спостерігалося значне підвищення питомої активності ферменту на одинадцяту добу пророщування (табл. 3). В експериментальній групі з впливом радіації підвищення активності каталази відбувалося при опроміненні в 2, 5 та 10 рентген (на 33-138 % відносно контролю).
У варіанті досліду при опроміненні в 5 рентген питома активність становила 70 % відносно контролю. У другій експериментальній групі рослин, де вивчали комплексну дію антропогенних чинників, підвищення питомої активності каталази становило 90 % на фоні 5 рентген та 162 % на фоні 15 рентген. На фоні опромінення в 10 рентген питома активність ферменту становила 70 % відносно контролю.
Висновки
В умовах лабораторного досліду спостерігали динаміку реакції каталази як елемента антиоксидантної системи на негативні чинники навколишнього середовища. Ферменти антиоксидантного захисту рослин сприяють підтриманню гомеостазу рослин за умов зміни навколишнього середовища.
Бібліографічні посилання
1. Воздействие тяжелых металлов, радиации и гербицидов на функциональное состояние растений в агрофитоценозах I Н. П. Коцюбинская, В. С. Бильчук, Е. М. Василюк, С. И. Старикова II Фундаментальные проблемы окружающей среды. Тезисы докл. Меж-дунар. конф. - Томск: Томский гос. ун-т, 1995. - С. 9.
2. Вплив радіації та свинцю на морфометричні та біохімічні показники сільськогосподарських рослин I О. М. Василюк, О. М. Вінниченко, В. С. Більчук та ін. II Шляхи раціонального використання земельних ресурсів України. Тези доп. Міжнар. конф. - Чабани, 1995. - С. 78.
3. Коцюбинська Н. П. Аутекологічна адаптація культурних рослин до антропогенних факторів довкілля. Автореф. дис. ... д-ра біол. наук. - Д.: ДГУ, 1996. - 40 с.
4. Починок Х. Методы биохимического анализа растений. -К.: Наукова думка, 1976. - 333 с.
5. Практическая химия белка I Под ред. А. Дарче. - М.: Мир, 1989. - 297 с.
6. Растения в экстремальных условиях минерального питания I Под ред. М. Я. Школьника. - М.: Наука, 1983. - 176 с.
7. Рокицкий П. Ф. Биологическая статистика. - Минск: Вышэйшая школа, 1967. - 326 с.
8. Таланова В. В. Влияние свинца и кадмия на проростки ячменя I В. В. Таланова, А. Ф. Титов, Н. П. Боева II Физиология и биохимия культ. раст. - 200і. - Т. 33, № і. - С. 33-37.
9. Хочачка П. Стратегия биохимической адаптации I П. Хочачка, Дж. Сомеро. - М.: Мир, 1977. - 398 с.
10. Bradford M. M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of proteindge beinding II Anal. Biochem. - 1976. - Vol. 72. - P. 248-254.
11. Catalase and antioxidants in the connection of the free-radical oxidation I E. Vasiluk, V. Bilchuk, N. Kotzubinskaya, L. Shupranova II Abstr. 23-th FEBS Meeting. - Switzerland, Basel, 1995. - P. 203.
12. Scandalios J. G. Genetic control of multiple molecular forms of enzymes in planta. A review II Biochem.Gen. - 1969. - Vol. 3. - P. 37-39.
Надійшла до редколегії 10.02.06.
