АДАПТАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ЛЕКТИНОВ АЗОСПИРИЛЛ, СВЯЗАННЫЙ С ФУНКЦИОНИРОВАНИЕМ СИСТЕМЫ АНТИОКСИДАНТНОЙ ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ

Авторы:
Аленькина С.A. , Никитина В.Е.
Название:
АДАПТАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ ЛЕКТИНОВ АЗОСПИРИЛЛ, СВЯЗАННЫЙ С ФУНКЦИОНИРОВАНИЕМ СИСТЕМЫ АНТИОКСИДАНТНОЙ ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ
Страницы:
351-356
скачано
4 раз(а)


Изучали влияние лектинов двух штаммов ассоциативных азотфиксирующих бактерий рода Azospirillum – A. brasilense Sp7 (эпифит) и A. brasilense Sp245 (эндофит) на активность ферментов антиоксидантного комплекса корней четырехдневных проростков пшеницы при кратковременном (2 ч) гипо- и гипертермическом воздействии. Показано, что оба лектина вызывали увеличение активности пероксидазы, супероксиддисмутазы и уменьшение активности каталазы при действии стрессовых факторов, но временная и концентрационная зависимости отличались. Вероятной причиной различающейся функциональной активности лектинов может быть неодинаковая углеводная специфичность и структура белков. Результаты настоящей работы свидетельствуют об участии лектинов азоспирилл в адаптационных изменениях в корнях проростков пшеницы, что способствует нормальному ходу метаболических процессов и обеспечивает регуляцию взаимодействия растений с азоспириллами при абиотических воздействиях.
Ассоциативные азотфиксирующие бактерии рода Azospirillum – PGPR (plant growth-promoting rhizobacteria) микроорганизмы, стимулирующие рост растений за счет ряда положительных эффектов [Bhattacharyya, 2012]. Интерес к штаммам A. brasilense Sp7 и Sp245 обусловлен тем, что они относятся к наиболее изученному виду азоспирилл и отличаются стратегией поведения в процессе формирования симбиотических отношений [Ramos et al., 2002]. В частности, штамм A. brasilense Sp7 был обнаружен только на поверхности корня, в тоже время A. brasilense Sp245 - единственный штамм, принадлежность которого к эндофитам строго доказана. Эндофитные бактерии представляют особый интерес, поскольку они способны мутуалистически жить внутри растительных тканей, что позволяет им по сравнению с другими микроорганизмами в меньшей степени зависеть от внешних факторов среды и одновременно проявлять комплекс хозяйственно полезных свойств [Bhattacharyya, 2012].
Образование азотфиксирующих систем, подобно как и любых других биологических межклеточных взаимодействий, согласно современным представлениям, включает функционирование углеводсвязывающих белков – лектинов. Было показано, что инициация взаимодействия бактерий с корнями происходит по принципу лиганд-рецепторного взаимодействия. Установлено, что со стороны азоспирилл в этом процессе, в числе других факторов, участвуют лектины, находящиеся на поверхности клетки [Никитина и др. (Nikitina et al.), 2005]. С поверхности бактерий A. brasilense Sp7 и A. brasilense Sp245 были выделены лектины, являющиеся гликопротеинами с различными молекулярными массами и углеводной специфичностью. Было показано, что лектины азоспирилл являются полифункциональными молекулами [Никитина и др. (Nikitina et al.), 2005].
Экстремальные температуры являются одним из важнейших факторов внешней среды, воздействующих на растения, поэтому изучение механизмов толерантности и адаптации высших растений имеет большое научное и практическое значение. К настоящему времени выявлена группа неспецифических реакций на воздействие неблагоприятных факторов [Тарчевский (Tarchevskij), 2001]. При этом показано, что одним из самых ранних эффектов является окислительный стресс, обусловленный накоплением активных форм кислорода (АФК). Для защиты от него в растениях существует антиоксидантная система, состоящая из ферментов - супероксиддисмутазы, каталазы, некоторых пероксидаз [Devraj, 2006].
Несмотря на имеющиеся сведения о том, что азоспириллы способны изменять активность антиоксидантных ферментов в растениях при различных абиотических стрессах [Bhattacharyya, 2012], механизмы этого процесса изучены недостаточно.
Цель нашей работы состояла в выявлении способности лектинов A. brasilense Sp7 и A. brasilense Sp245 оказывать регулирующее влияние на активность пероксидазы, каталазы и супероксиддисмутазы в корнях проростков пшеницы в условиях кратковременной гипо- и гипертермии.
В результате проведенных нами опытов было установлено, что в варианте комбинированного воздействия лектинов A. brasilense Sp7 и A. brasilense Sp245 с гипо- и гипертермией происходило увеличение активности пероксидазы в корнях проростков пшеницы. Как для гипо-, так и для гипертермического стресса картина была аналогичной. Активность фермента в случае с лектином A. brasilense Sp7 возрастала после 30-минутной экспозиции с корнями, затем постепенно сравнивалась с уровнем активности фермента при воздействии одним лектином. Повышение активности было отмечено для всех концентраций лектина этого штамма и имело пикообразный характер с максимумом для концентрации 20 мкг/мл (таблица 1).
В случае с лектином A. brasilense Sp245 увеличение активности наблюдалось после 60-минутной экспозиции с корнями и происходило пропорционально росту концентрации лектина (таблица 2).
Необходимо отметить, что в варианте с корнями проростков, подвергшихся гипо, гипертермическому стрессу и в варианте с корнями, обработанными одними лектинами также происходило повышение активности пероксидазы, но в варианте с синергическим воздействием лектинов и стрессовых факторов уровень был выше (таблица 1).
Рассмотрение антиоксидантной системы невозможно без оценки функционирования фермента детоксикации образовавшейся Н2О2-каталазы. Изучение воздействия изучаемых лектинов на корни проростков пшеницы приводило к снижению активности каталазы. В тоже время в корнях проростков, подвергшихся гипо-, гипертермическому стрессу происходило повышение активности фермента. Совместное воздействие изучаемых лектинов и гипотермии на корни проростков пшеницы приводило к уменьшению активности фермента. Временная и концентрационная зависимости были идентичные варианту с обработкой одними лектинами, но в случае стрессового воздействия эффект лектинов был выше. В обоих случаях уже через 15 минут после воздействия лектинов на корни проростков растений происходило максимальное ингибирование активности фермента, которое продолжалось еще после 30 мин, затем происходило плавное снижение эффекта и к часу инкубации лектинов с корнями она достигала уровня воздействия одними лектинами. Для обоих лектинов при указанной экспозиции максимальный эффект был зафиксирован при концентрации 5 мкг/мл.
Таблица 1.
Влияние лектина Azospirillum brasilense Sp7 на активность пероксидазы, каталазы и СОД корней проростков пшеницы при 5°С, 42°С. Результаты представлены как средние арифметические значения
со стандартной ошибкой (n = 3). Все различия достоверны (p меньше 0.05). Контроль - корни (100 %)
ОбработкаВремя воздействия, мин
153060120
5°С42°С5°С42°С5°С42°С5°С42°С
пероксидаза
контроль ед/г сырой массы    5 мкг/мл    10 мкг/мл    20 мкг/мл    40 мкг/мл3.0        95 ± 2    96 ± 3    97 ± 2    100 ± 54.5        96 ± 2    97 ± 3    95 ± 2    98 ± 23.4        150 ± 2    170 ± 4    200 ± 4    180 ± 25.0        112 ± 2    150 ± 4    210 ± 2    200 ± 23.8        104 ± 2    98 ± 3    110 ± 3    97 ± 25.3        98 ± 4    97 ± 2    109 ± 3    114 ± 24.0        100 ± 2    98 ± 4    100 ± 2    101 ±  35.6        98 ± 3    99 ± 3    100 ± 2    100 ± 2
каталаза
контроль ед/г сырой массы    5 мкг/мл    10 мкг/мл    20 мкг/мл    40 мкг/мл10        52 ± 2    60 ± 3    80 ± 3    85 ± 215        45 ± 2    56 ± 4    94 ± 3    93 ± 215        65 ± 3    76 ± 4    82 ± 2    90 ± 320        55 ± 3    65 ± 2    95 ± 4    95 ± 320        94 ± 3    100 ± 4    100 ± 2    95 ± 323        80 ± 3    87 ± 2    100 ± 4    100 ± 322        100 ± 3    100 ± 4    100 ± 3    98 ± 225        96 ± 3    100 ± 4    100 ± 2    98 ± 3
СОД
контроль ед/г сырой массы    5 мкг/мл    10 мкг/мл    20 мкг/мл    40 мкг/мл0.8        102 ± 3    96 ± 2    101 ± 4    100 ± 31.0        100 ± 3    100 ± 2    100 ± 4    100 ± 21.5        100 ± 3    96 ± 4    101 ± 3    98 ± 22.0        105 ± 3    110 ± 4    110 ± 2    103 ± 32.0        110 ± 2    140 ± 3    170 ± 4    120 ± 33.2        115 ± 3    160 ± 4    120 ± 4    110 ± 32.4        100 ± 4    100 ± 4    104 ± 3    106 ± 24.0        100 ± 3    100 ± 3    95 ± 2    96 ± 3
Таблица 2.
Влияние лектина Azospirillum brasilense Sp245 на активность пероксидазы, каталазы и СОД корней проростков пшеницы при 5°С, 42°С. Результаты представлены как средние арифметические значения
контроль ед/г сырой массы    5 мкг/мл    10 мкг/мл    20 мкг/мл    40 мкг/мл3.0        95 ± 2    100 ± 3    95 ± 2    100 ± 54.5        96 ± 2    97 ± 3    95 ± 4    98 ± 33.4        104 ± 4    98 ± 2    110 ± 5    97 ± 25.0        98 ± 2    97 ± 3    109 ± 4    114 ± 53.8        130 ± 5    155 ± 3    200 ± 2    270 ± 35.3        120 ± 2    170 ± 3    220 ± 4    240 ± 34.0        100 ± 3    98 ± 4    100 ± 2    101 ± 35.6        98 ± 3    99 ± 4    100 ± 2    100 ± 3
контроль ед/г сырой массы    5 мкг/мл    10 мкг/мл    20 мкг/мл    40 мкг/мл10        52 ± 3    60 ± 2    80 ± 4    85 ± 315        45 ± 3    56 ± 2    94 ± 3    93 ± 415        65 ± 2    76 ± 3    82 ± 2    90 ± 220        55 ± 2    65 ± 4    95 ± 3    95 ± 320        94 ± 2    100 ± 5    100 ± 2    95 ± 323        80 ± 2    87 ± 3    100 ± 4    100 ± 322        100 ± 5    101 ± 3    98 ± 2    98 ± 325        96 ± 2    97 ± 3    100 ± 2    100 ± 5
контроль ед/г сырой массы    5 мкг/мл    10 мкг/мл    20 мкг/мл    40 мкг/мл0.8        100 ± 3    100 ± 3    100 ± 2    100 ± 21.0        100 ± 3    100 ± 2    100 ± 4    100 ± 31.5        100 ± 3    110 ± 2    110 ± 4    110 ± 32.0        98 ± 3    105 ± 2    103 ± 5    100 ± 22.0        100 ± 4    180 ± 5    140 ± 5    110 ± 23.2        170 ± 3    140 ± 4    105 ± 6    100 ± 22.4        100 ± 2    98 ± 2    105 ± 3    106 ± 34.0        100 ± 4    98 ± 2    100 ± 3    98 ± 4
Table 1. Effect of the Azospirillum brasilense Sp7 lectin on the activities of peroxidase, catalase, and SOD
in wheat seedling roots at 5°С and 42°С. Results are expressed as mean ± SE (n = 5).
All differences significant (p меньше 0.05). Control: roots (100 %)
TreatmentExposure time (min)
Peroxidase
control Ug-1wet weight    5 μg mL-1    10 μg mL-1    20 μg mL-1    40 μg mL-13.0    95 ± 2    96 ± 3    97 ± 2    100 ± 54.5    96 ± 2    97 ± 3    95 ± 2    98 ± 23.4    150 ± 2    170 ± 4    200 ± 4    180 ± 25.0    112 ± 2    150 ± 4    210 ± 2    200 ± 23.8    104 ± 2    98 ± 3    110 ± 3    97 ± 25.3    98 ± 4    97 ± 2    109 ± 3    114 ± 24.0    100 ± 2    98 ± 4    100 ± 2    101 ± 35.6    98 ± 3    99 ± 3    100 ± 2    100 ± 2
Catalase
control Ug-1wet weight    5 μg mL-1    10 μg mL-1    20 μg mL-1    40 μg mL-110    52 ± 2    60 ± 3    80 ± 3    85 ± 215    45 ± 2    56 ± 4    94 ± 3    93 ± 215    65 ± 3    76 ± 4    82 ± 2    90 ± 320    55 ± 3    65 ± 2    95 ± 4    95 ± 320    94 ± 3    100 ± 4    100 ± 2    95 ± 323    80 ± 3    87 ± 2    100 ± 4    100 ± 322    100 ± 3    100 ± 4    100 ± 3    98 ± 225    96 ± 3    100 ± 4    100 ± 2    98 ± 3
SOD
control Ug-1wet weight    5 μg mL-1    10 μg mL-1    20 μg mL-1    40 μg mL-10.8    102 ± 3    96 ± 2    101 ± 4    100 ± 31.0    100 ± 3    100 ± 2    100 ± 4    100 ± 21.5    100 ± 3    96 ± 4    101 ± 3    98 ± 22.0    105 ± 3    110 ± 4    110 ± 2    103 ± 32.0    110 ± 2    140 ± 3    170 ± 4    120 ± 33.2    115 ± 3    160 ± 4    120 ± 4    110 ± 32.4    100 ± 4    100 ± 4    104 ± 3    106 ± 24.0    100 ± 3    100 ± 3    95 ± 2    96 ± 3
Table 2 Effect of the Azospirillum brasilense Sp245 lectin on the activities of peroxidase, catalase, and SOD
All differences significant (p меньше 0.05). Control: roots (100 %).
control Ug-1wet weight    5 μg mL-1    10 μg mL-1    20 μg mL-1    40 μg mL-13.0    95 ± 2    100 ± 3    95 ± 2    100 ± 54.5    96 ± 2    97 ± 3    95 ± 4    98 ± 33.4    104 ± 4    98 ± 2    110 ± 5    97 ± 25.0    98 ± 2    97 ± 3    109 ± 4    114 ± 53.8    130 ± 5    155 ± 3    200 ± 2    270 ± 35.3    120 ± 2    170 ± 3    220 ± 4    240 ± 34.0    100 ± 3    98 ± 4    100 ± 2    101 ± 35.6    98 ± 3    99 ± 4    100 ± 2    100 ± 3
control Ug-1wet weight    5 μg mL-1    10 μg mL-1    20 μg mL-1    40 μg mL-110    52 ± 3    60 ± 2    80 ± 4    85 ± 315    45 ± 3    56 ± 2    94 ± 3    93 ± 415    65 ± 2    76 ± 3    82 ± 2    90 ± 220    55 ± 2    65 ± 4    95 ± 3    95 ± 320    94 ± 2    100 ± 5    100 ± 2    95 ± 323    80 ± 2    87 ± 3    100 ± 4    100 ± 322    100 ± 5    101 ± 3    98 ± 2    98 ± 325    96 ± 2    97 ± 3    100 ± 2    100 ± 5
control Ug-1wet weight    5 μg mL-1    10 μg mL-1    20 μg mL-1    40 μg mL-10.8    100 ± 3    100 ± 3    100 ± 2    100 ± 21.0    100 ± 3    100 ± 2    100 ± 4    100 ± 31.5    100 ± 3    110 ± 2    110 ± 4    110 ± 32.0    98 ± 3    105 ± 2    103 ± 5    100 ± 22.0    100 ± 4    180 ± 5    140 ± 5    110 ± 23.2    170 ± 3    140 ± 4    105 ± 6    100 ± 22.4    100 ± 2    98 ± 2    105 ± 3    106 ± 34.0    100 ± 4    98 ± 2    100 ± 3    98 ± 4
В условиях гипертермии наблюдалась картина, аналогичная случаю с гипотермическим воздействием. Было отмечено уменьшение активности фермента с обоими лектинами с максимальными значениями при той же концентрации. При гипотермии для всех изучаемых концентраций обоих лектинов было отмечено увеличение активности СОД после часа инкубации с корнями проростков. Наибольший эффект был отмечен для лектина A. brasilense Sp7 при концентрации - 20 мкг/мл и для A. brasilense Sp245 - при 10 мкг/мл (таблица 1 и 2). При гипертермии наблюдалась аналогичная картина, т.е. происходило активирование ферментативной активности после часа инкубирования лектинов с корнями. Для лектина A. brasilense Sp7 наибольший эффект был отмечен при концентрации - 10 мкг/мл и для A. brasilense Sp245 - при 5 мкг/мл. Необходимо отметить, что как в варианте обработки одними лектинами, так и при совместном воздействии лектинов и стрессов наблюдалась идентичная концентрационная зависимость, но повышение активности фермента в случае обработки только лектинами происходило позже, а именно после 2 ч инкубации с корнями проростков.
Полученные результаты продемонстрировали различия регулирующей активности лектинов A. brasilense Sp7 и Sp245 в отношении ферментов, что согласуется с ранее полученными результатами [Alen’kina, Nikitina, 2017]. Эффект для лектина A. brasilense Sp245 во всех вариантах проявлялся в большей степени, чем для лектина Sp7. Вероятной причиной различной функциональной активности лектинов может быть различная углеводная специфичность, структурные различия белков [Никитина и др., 2005; Шелудько и др., 2009], и как следствие, различное взаимодействие с поверхностью растительной клетки, что является определяющим фактором для включения последующих этапов.
Результаты настоящей работы свидетельствуют о том, что лектины азоспирилл могут участвовать в адаптации и вызывать индукцию защитных механизмов растений, что в сочетании с ростстимулирующим эффектом бактерий, способствует формированию устойчивости и повышению продуктивности растений.
Заказ
Оформите заказ, наш сотрудник свяжется с вами для уточнения деталей.
Ваша заявка успешно отправлена!
Необходимо принять условия соглашения
Вы заполнили не все обязательные поля
Произошла ошибка, попробуйте ещё раз

Обратный звонок
Представьтесь, мы вам перезвоним.
Ваша заявка успешно отправлена!
Необходимо принять условия соглашения
Вы заполнили не все обязательные поля
Произошла ошибка, попробуйте ещё раз