Фізіологічна та біохімічна реакція цукрових буряків на вплив ультрафіолетового випромінювання (частина 2)

 

За матеріалами статті на тему «Фізіологічна та біохімічна реакції цукрових буряків (Beta vulgaris L) на ультрафіолетове випромінювання» («Physiological and biochemical responses of sugar beet ( Beta vulgaris L) to ultraviolet-B radiation») Паріса Рахімзаде Карвансара та Сеїда Мехді Разаві, Факультету біології, Кафедри природничих наук, Університету Мохаггег Ардабілі, м. Ардебіль, Іран.

Результати досліджень

Параметри росту та відносний вміст води

У результаті впливу УФ-випромінювання у рослин проявлялася плямистість листя та значне зниження висоти рослини, незалежно від дози опромінення (Графік 1А). Більше того, ультрафіолетове випромінювання викликало зменшення свіжої та сухої маси листя на 10-20% (Графік 1В). Під впливом найбільшої дози УФ-випромінювання свіжа маса рослин показала найбільше скорочення, тоді як найменша та середня дози випромінювання мали однаковий вплив на масу рослин. З іншого боку, суха маса трьох зразків рослин не відрізнялася в контексті певної дози випромінювання. Однак, порівняно з контрольованим зразком рослин, під дією УФ-променів відносний вміст води в листі не змінився (Графік 1С). Таким чином, незважаючи на те, що УФ-випромінювання впливало на ріст цукрових буряків, триразова зміна дози опромінення показала лише незначний вплив на сорт BR1 (Дані S1, Дані S2, Дані S3).

Інтенсивність фотосинтезу

Потім перевірялося, чи спричинене зниження росту рослин погіршенням інтенсивності фотосинтезу. У всіх експериментальних групах вміст фотосинтетичних пігментів, хлорофілу a та b, а також загальний вміст хлорофілів однаково зменшилися (Графік 2А). Аналогічна ситуація спостерігалася з вмістом каротиноїдів, який під дією УФ-випромінювання зменшився на 40% у всіх рослинах (Графік 2В). Однак, порівняно з контрольованим зразком, фотохімічна ефективність ФСII (індекс FV/FM) знизилася на 28% лише в рослинах, що зазнали впливу УФ-випромінювання 6,084 та 9,126 кДж-2d-1, незважаючи на відсутність різниці у вмісті пігментів (Графік 3А). З іншого боку, під впливом УФ-випромінювання у рослинах відбулося значне зниження відносного вмісту хлорофілів (SPAD), але це не залежало від дози опромінення (Графік 3В).  

Значне зниження інтенсивності фотосинтезу O2 спостерігалось у всіх рослин, що піддавалися впливу УФ-випромінювання, при цьому рослини, опромінені дозою 9,126 кДж-2d-1, виділяли лише 15% O2, порівняно з контрольованим зразком (Графік 3C). Очевидно, що ультрафіолетове випромінювання досить сильно впливає на інтенсивність фотосинтезу цукрових буряків, але доза опромінення, здається, має лише незначний вплив (Дані S1, Дані S2, Дані S3).

Вміст метаболітів

Загальний рівень вільних амінокислот у рослинах, що зазнали впливу 9,126 кДж-2d-1, максимально збільшився на 22%. Однак, під дією 3,042 та 6,084 кДж-2d-1 накопичення вільних амінокислот практично не змінилося (Графік 4А). Порівняно з контрольованим зразком, УФ-доза 3,042 кДж-2d-1 не викликала суттєвих змін вмісту проліну. Проте дози 6,084 та 9,126 кДж-2d-1 збільшили вміст проліну на 24% та 29%, відповідно (Графік 4В). Вміст гліцин бетаїну збільшився під дією 9,126 кДж-2d-1, тоді як 3,042 та 6,084 кДж-2d-1 не викликали суттєвих змін (Графік 4C). Як показано на Графіку 4D, загальна концентрація беталаїнів, залежно від УФ-дози, збільшилася на 8%, 28% та 34%, відповідно (Дані S1, Дані S2, Дані S3).

Вміст білка та ферментативна активність

УФ-доза 3,042 кДж-2d-1 не впливала на вміст білка, проте рослини, опромінені дозами 6,084 та 9,126 кДж-2d-1, показали збільшення концентрації білка на 12% (Графік 5А). Різні дози ультрафіолетового випромінювання спричинили значне збільшення активності каталази (СТА) на 41%, 50% та 56%, відповідно (Графік 5В). Аналогічно спостерігалося поступове підвищення активності аксорбатпероксидази (APX) (Графік 5В). Активність поліфенолоксидази (РРО) значно збільшилася у всіх рослинах, незалежно від дози ультрафіолетового випромінювання. Активність протеази помітно збільшилася лише при опроміненні 9,126 кДж-2d-1, тоді як рослини, під дією 3,042 та 6,084 кДж-2d-1, не виявляли жодних відмінностей в активності протеази (Графік 5В). Таким чином, збільшення активності антиоксидантного ферменту у відповідь на УФ-стрес, здається, сприяє відносно подібному ураженню рослин при різних дозах УФ-випромінювання (Дані S1, Дані S2, Дані S3).

Вміст малондіальдегіду (MDA) та H2O2

Найвища доза УФ-випромінювання викликала 75%-ве збільшення вмісту MDA, однак, менші УФ-дози (3,042 та 6,084 кДж-2d-1) не викликали помітних змін (Графік 6А). Цікаво, що дослідження H2O2 показали, що ультрафіолетове випромінювання не спричиняє суттєвих змін рівня перекис водню, порівняно з контрольованим зразком (Графік 6В). Таким чином, УФ-випромінювання явно викликало оксидативний стрес, але не накопичення H2O2 (Дані S1, Дані S2, Дані S3).

Обговорення результатів

У даній статті досліджувався вплив високих, але реалістичних доз ультрафіолетового випромінювання на фізіологічні показники молодих листочків цукрових буряків сорту BR1. За даними деяких вчених, сорт BR1 є найбільш стійким до морозів, порівняно з деякими іншими сортами іранського походження. У 2015 році повідомлялося, що BR1 є сортом, напівстійким до стресу, викликаного засоленням. Учені повідомляли, що солоність зменшує вміст сухої речовини в пагонах та коренях, листову поверхню, швидкість фотосинтезу (асиміляцію діоксиду вуглецю) та швидкість транспірації. Як показали результати проведених досліджень, ультрафіолетове випромінювання викликало значне скорочення параметрів росту цукрових буряків сорту BR1, таких як висота рослини, або суха та свіжа маса, на 10-20% (Графік 1), що значно менше, порівняно зі зменшенням листової поверхні на 77%. Крім того, багато інших сортів цукрових буряків іранського походження (7221, 30973, IR7, Jolgeh, IC1 та 7233-P29) показали зменшення росту у відповідь на різні стреси від впливу несприятливих умов навколишнього середовища.

Очевидно, що різні дози УФ-випромінювання, які досліджувалися в попередніх експериментах, викликали занадто високий рівень стресу. Раніше припускалося, що через вплив УФ-опромінення затримка росту цукрових буряків була спричинена розпадом ауксину та фотоокисленням. Однак проведені дослідження виявили, що УФ-випромінювання викликає значне зниження швидкості фотосинтезу, вмісту хлорофілів, каротиноїдів та флуоресценції хлорофілу (Графіки 2 та 3), що, швидше за все, є основною причиною сповільнення росту рослин. Значення Fv/Fm, як параметр флуоресценції хлорофілу, є широко використовуваним показником для визначення впливу стресу, викликаного несприятливими умовами навколишнього середовища. Це являє собою відносну ефективність передачі електронів від ФСII до ФСІ, а також тилакоїдну мембрану та цілісність фотосистем. Відповідно, на ФСII можуть впливати стреси від несприятливих умов навколишнього середовища, що призводять до зниження індексу Fv/Fm. Активні форми кисню (ROS) є найбільш частою причиною зниження фотохімічної ефективності, а також швидкості фотосинтезу. Центр реакції ФСII є найбільш чутливим компонентом фотосинтетичного апарату до впливу УФ-випромінювання. Найбільш поширеною ціллю ROS в апараті фотосинтезу є білок D1, який є частиною комплексу реакційних центрів ФСII. Ультрафіолетове випромінювання також знижує експресію генів зв'язуючих білків хлорофілу a/b, які приєднуються до хлорофілів у структурі LHC в ФСІІ. Це призводить до порушення процесу акумуляції світлової енергії та затримки фотосинтезу. Оскільки в фотосинтетичних тканинах є більше кисню для генерування ROS, ці тканини є більш чутливими до УФ-випромінювання, на відміну від нефотосинтетичних. Більше того, ультрафіолетове випромінювання погіршує рибулозо-1,5-біфосфаткарбоксилазу/оксигеназу або пригнічує її активність. Цей вплив є іншою можливою причиною гальмування процесу фотосинтезу УФ-випромінюванням. Крім того, регуляція провідності УФ-випромінювання порами також може відігравати важливу роль у погіршенні фотосинтезу.

Результати досліджень показали, що під впливом УФ-випромінювання відносний вміст води в листі рослин не змінився (Графік 1С). Це можна пояснити збільшенням вмісту деяких сумісних осмотичних розчинених речовин (осмолітів), таких як проліну, гліцин бетаїну та іншої вільної амінокислоти в листі опромінених цукрових буряків (Графік 4). Відносний вміст води є важливим показником водного режиму рослин, який визначає баланс між водним потенціалом та транспірацією. Під час стресів від впливу несприятливих умов навколишнього середовища метаболізм рослин змінюється різними способами, включаючи виробництво осморегуляторних сполук, таких як проліну та гліцин бетаїну. Сумісні осмоліти накопичуються в цитоплазмі для контролю балансу водного потенціалу всередині клітини. Таким чином, їх приріст може нормалізувати відносний вміст води, що відіграє життєво важливу роль у забезпеченні тургору клітин та росту рослин. Дійсно, в даному дослідженні під впливом 6 та 9 кДж-2d-1 УФ-випромінювання збільшився вміст проліну та гліцин бетаїну. У результаті цього, можна зробити висновок, що система осморегуляції цукрових буряків активується лише під впливом високих доз УФ-випромінювання. Вуглець, використаний для синтезу сумісних розчинених речовин, може становити до 10% від загального вмісту вуглецю, що може викликати як збільшення, так і зменшення загальної біомаси в рослинах під впливом ультрафіолетового опромінення. УФ-випромінювання призвело до значного збільшення активності антиоксидантних ферментів у цукрових буряках (Графік 5В). Збільшення активності антиоксидантних ферментів є захисним механізмом активних форм кисню, який активується під впливом УФ-опромінення. Каталаза (CAT) і пероксидаза є найважливішими ферментами, які беруть участь у видаленні H2O2  для захисту рослин від негативного впливу активних форм кисню на клітинні мембрани та макромолекули. Відповідно, у даному дослідженні всі дози УФ-випромінювання викликали збільшення активності каталази (Графік 5В). Willekens та ін. (1995) запропонували класифікацію рослинних каталаз на три класи: каталази I класу задіяні в процесі фотодихання; каталази II класу захищають рослину від стресів через негативний вплив навколишнього середовища; та каталази III класу пов'язані з розпадом жирних кислот у гліоксисомах. Виходячи з цієї концепції, припускається, що ультрафіолетове випромінювання збільшує активність каталаз II класу у цукрових буряках (Beta vulgaris). Більше того, активність аскорбатпероксидази (APX) збільшилася при 6,084 та 9,126 кДж-2d-1, а всі три дози випромінювання викликали значне збільшення активності поліфенолоксидази (РРО) (Графік 5В), підтверджуючи попередні результати досліджень. Активність протеази збільшилася лише під впливом 9,126 кДж-2d-1 випромінювання. Імовірно, збільшення активності протеази може бути механізмом розщеплення білків для отримання вільних амінокислот для осмотичної регуляції та детоксикації. З іншого боку, різні ізоформи аскорбатпероксидази (APX) поглинають H2O2 у цитозолі та хлоропласті.

Ультрафіолетове опромінювання цукрових буряків впливає не тільки на активність ферментів, але і на загальне накопичення білка. Блокування активності різних білків і ферментів може бути наслідком фотолізу ароматичних амінокислот під впливом ультрафіолету. Ультрафіолетове випромінювання також може викликати пошкодження білка, порушуючи РНК. Однак у даному дослідженні дози 6 та 9 кДж-2d-1 викликали значне збільшення вмісту білка. Це може бути результатом збільшення антиоксидантних ферментів або синтезу білків теплового шоку. Білки теплового шоку (або білки стресів) виробляються в клітинах, що піддаються впливу різних стресів. Насправді, УФ-випромінювання, як і інші стреси, може викликати транскрипцію білків стресів. Але, на відміну від цього, раніше було доведено, що тривале опромінювання насіння Portulaca grandiflora (Портулака великоквіткового) різними дозами ультрафіолету призвело до зниження вмісту білка в листі. Однак, у цьому випадку зміни білка спостерігалися в інших тканинах, а не в тих, які були опромінені. Результати досліджень також показали, що, незважаючи на високу активність антиоксидантних ферментів, висока доза УФ-випромінювання викликала значне збільшення деяких стресових показників, таких як вміст малондіальдегіду (MDA), в цукрових буряках. Збільшення вмісту MDA є характерною ознакою перекисного окислення ліпідів. Повідомлялося, що тилакоїдні мембрани з великою кількістю ненасичених жирних кислот можуть бути окислені активними формами кисню (ROS), обумовленими стресом. Відповідно, пероксидація тилакоїдних мембран призводить до адгезії або розриву мембрани, що викликає зниження швидкості фотосинтезу. Цікаво, що в даних дослідженнях цукрових буряків ультрафіолетове випромінювання не викликало суттєвих змін концентрації H2O2. Таким чином, висока активність каталази (CAT) та аскорбатпероксидази (APX) в достатній мірі запобігають накопиченню перекис водню, що призводить до аналогічного вмісту H2O2 в опроміненому цукровому буряку. Дійсно, інші дослідження підтвердили, що концентрація H2O2 у рослинах збільшується після впливу УФ-випромінювання на додаток до інших стресових факторів, таких як стрес, викликаний засоленням, та дефіцит заліза, а не тільки через вплив УФ-опромінення. Це явище, можливо, пояснюється здатністю УФ-випромінювання фотосенсибілізувати гідроксильний радикал з H2O2. Більше того, відомо, що вплив ультрафіолетового випромінювання призводить до накопичення пігментів та фітохімікатів, включаючи антоціаніни. Оскільки беталаїни цукрових буряків заміщують антоціаніни, виникає питання, чи можуть вони захищати цю культуру від впливу УФ-випромінювання. Дійсно, результати досліджень показали, що концентрація беталаїнів у цукрових буряках збільшується у відповідь на всі три дози УФ-випромінювання (Графік 4D). Окрім того, раніше також було доведено збільшення концентрації беталаїнів у ягодах виду Rivina humilis у відповідь на стрес. Збільшення вмісту беталаїнів під впливом УФ-випромінювання (Графік 4D) є захисною функцією для цих водорозчинних пігментів. Дійсно, раніше було зазначено, що беталаїни діють як захисні речовини проти впливу ультрафіолетового випромінювання та поглинають активні форми кисню (ROS).

Висновки

Незважаючи на негативний вплив ультрафіолетового випромінювання на ріст та фотосинтетичні показники цукрових буряків сорту BR1, цей вплив майже не залежав від дози опромінення, що свідчить про хорошу стійкість культури до високих доз ультрафіолету. Це досягалося за рахунок накопичення беталаїнів та проліну, а також індукції антиоксидантних ферментів. Таким чином, можна вважати, що сорт BR1 цілком підходить для вирощування в районах із високими дозами ультрафіолетового випромінювання.


2274