Защитное действие селена при адаптации растений пшеницы к условиям засухи

Кузнецов, Василий Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Защитное действие селена при адаптации растений пшеницы к условиям засухи
ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия

Автореферат диссертации по теме "Защитное действие селена при адаптации растений пшеницы к условиям засухи"

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ Василий Владимирович

ЗАЩИТНОЕ ДЕЙСТВИЕ СЕЛЕНА ПРИ АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ К УСЛОВИЯМ ЗАСУХИ

Специальность 06.01.04-агрохимия и 03.00.12 - физиология и биохимия растений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре агрономической и биологической химии Московской сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева и в Институте физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН

Научные руководители:

Доктор биологических наук, профессор, академик РАСХН |Б.А. Ягодин Доктор биологических наук, профессор В.В. Кидин Кандидат биологических наук В.П. Холодова

Официальные оппоненты:

Доктор биологических наук, профессор С П . Торшин Доктор биологических наук Е.Б. Кириченко

Ведущее учреждение - Биологический факультет Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова.

Защита диссертации состоится 21 июня 2004 года в 14^ на заседании диссертационного совета Д 220.043.02 при Московской сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева.

Адрес: 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49. Ученый совет МСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ МСХА.

Автореферат разослан » мая 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

B.B. Говорина

Общая характеристика работы

Актуальность темы. За последние два десятилетия в мире резко возрос интерес к селену, который в крайне низких концентрациях является важным микроэлементом бактерий, животных и человека. Селен способен не только повышать общую сопротивляемость организма к действию биопатогенов, но и оказывать протекторный эффект при некоторых видах онкологических заболеваний и даже при иммунодефиците. В основе защитного действия селена в животных клетках лежит функционирование ряда белков, активный центр которых содержит "селеновые" аминокислоты (селеноцистеин и селенометионин). Эти белки обладают выраженным антиоксидантным эффектом. Однако, по некоторым данным (Ермаков, Ковальский, 1974; Торшин, Ягодин с соавт., 1996; Голубкина, 1999), большинство почв России, а следовательно, и выращенный на них урожай бедны селеном, что ставит задачу обогащения сельскохозяйственной продукции этим элементом (Ягодин с соавт., 1992; Торшин с соавт., 1998; Дудецкий, 1998; Санькова 2001).

В настоящее время остается практически не исследованной и другая очень важная проблема - изучение механизмов действия селена на продуктивность, а также на физиологические и биохимические процессы основных сельскохозяйственных культур, таких как пшеница. Выяснение биологических эффектов селена, особенно его защитного действия, исключительно важно для России, обширные территории которой имеют неблагоприятные условия для производства зерновых культур. Наибольшим негативным эффектом на растения обладает засуха, которая охватывает практически всю территорию страны и случается не реже одного раза в 3-4 года (Генкель, 1975). Логично допустить, что в растениях, так же как и в животных, селен обладает защитным эффектом, который может реализоваться через функционирование селенобелков, в частности, защитных селенопероксидаз. Тем более в экстрактах многих видов растений была обнаружена активность глютатионзависимых пероксидаз, а из Aloe vera был выделен белок глютатионовой селенопероксидазы. Кроме того, получены доказательства наличия в клетках растений отдельных компонентов системы синтеза селенобелков, в частности UGA-декодирующей селеноцистеинов'ой тРНК. Однако селенопероксидаза растений имеет крайне низкую активность, а в ее активном центре до сих пор не обнаружены селеноаминокислоты. Все это оставляет открытым вопрос о важности селена как антиоксиданта для высших растений.

Не вызывает сомнения, что защитный эффект селена не ограничивается лишь его антиоксидантным действием, а, очевидно, носит

полифункциональный характер. Он на многие

•'ОС НАЦИОНАЛЬНА» , БИБЛИОТЕКА {

яжЁт

физиологические процессы растений и, прежде всего, на такие как, рост, развитие, адаптация и водный статус. Тем более нарушение водного статуса является одной из общих неспецифических реакций организма на действие различных стрессоров. Все это делает весьма актуальным исследование механизмов протекторного действия селена у растений в неблагоприятных условиях.

Цель н задачи исследования. Цель диссертационной работы состояла в изучении биологических и физиолого-биохимических эффектов селена, в том числе защитного характера, при адаптации растений яровой пшеницы к засухе.

В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи: (1) Выявить действие селена на ростовые процессы на разных стадиях развития растений в условиях оптимального и недостаточного увлажнения; (2) Исследовать влияние селена на показатели водного статуса растений; (3) Изучить действие, селена на аккумуляцию протекторных соединений при водном дефиците; (4) Исследовать эффект селена на антиоксидантные ферменты растений в стрессорных условиях; (5) Изучить влияние селена на экспрессию гена Липоксигеназы на уровне ее мРНК; (6) Выявить оптимальные концентрации селена, обладающие стресс-протекторным эффектом на растения яровой пшеницы в условиях водного дефицита, и изучить потенциальные возможности накопления селена в зерне.

Научная новизна. Впервые проведено обширное исследование влияния селена на некоторые физиологические и биохимические процессы (рост, водный статус, аккумуляцию совместимых осмопротекторов, активность антиоксидантных ферментов и др.) в растениях яровой пшеницы в ходе онтогенеза при оптимальном увлажнении и в условиях длительной засухи. Установлена важная защитная роль селена в поддержании водного статуса растений при засухе. Выявлено участие селена в регуляции уровня реактивных форм кислорода в условиях водного дефицита. Впервые показана регуляция селеном экспрессии гена липоксигеназы на уровне аккумуляции ее мРНК. Установлена способность растений пшеницы аккумулировать селен в зерне при засухе..

Теоретическая и практическая значимость работы. Впервые экспериментально подтверждена гипотеза об антиоксидантном действии селена у растений. Протекторный эффект селена свидетельствует об его эссенциальности для растений. Впервые продемонстрирована способность селена поддерживать более высокую оводненность тканей при стрессе, а также регулировать экспрессию гена липоксигеназы на уровне ее мРНК.

Полученные результаты позволяют рекомендовать использование селена в стресс-протекторных концентрациях в виде удобрений с целью повышения

устойчивости растений яровой пшеницы при засухе. Выращенное при этом зерно с повышенным содержанием селена может быть использовано для обогащения этим элементом, что крайне важно для устранения недостатка селена в питании человека и кормах животных.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ. Результаты исследований были представлены на международном симпозиуме "Plants under Environmental Stress" (Москва, 2001), на IV и V съездах Общества физиологов растений России и приуроченных к ним международных конференциях (Москва, 1999, Пенза, 2003), на III Международной Иранско-Российской конференции "Сельское хозяйство и природные ресурсы" (Москва, 2002), на научных семинарах Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Полученные результаты будут также представлены на Годичной конференции Американского общества биологов растений (Plant Biology-2004) (США).

Структурами объем работы. Диссертационная работа изложена на 1$5~ страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, методической и экспериментальной частей, результатов исследования и их обсуждения, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Работа включает 16 рисунков и 23 таблицы. Список литературы состоит из 195 источников, в том числе 127 зарубежных авторов.

Объекты и методы исследования

Экспериментальная работа выполнена на кафедре агрохимии МСХА и на базе Института физиологии растений им. К.А Тимирязева РАН. Объектом исследований служила яровая пшеница сорта Приокская и сорта Саратовская 29, который считается более засухоустойчивым. Эксперименты проводили в условиях вегетационного опыта в почвенной и перлитовой культурах.

Для выращивания растений использовали почву дерново-подзолистую среднесуглинистую со следующей агрохимической характеристикой: гумус -2,0% (по Тюрину); рНка - 4,9; Нг -3,3; подвижные формы ф о с и

калия (КгО) (по Кирсанову) — 148 и 163мг/кг почвы соответственно; селен (Se) (валовое содержание) - 0,26 мг/кг почвы. Минеральные удобрения вносили при набивке сосудов в дозе (мг/кг почвы), используя калийную селитру,

кальциевую селитру, однозамещенный фосфат калия. Для нейтрализации почвенной кислотности почву известковали.

Растения выращивали в эмалированных сосудах Митчерлиха (5 кг абсолютно сухой почвы) с поддонами. Селен вносили в почву при набивке сосудов в форме биселенита натрия из расчета 0,79 3,95; 7,90; 19,75 и 31,60

мг/кг почвы, при этом его конечные концентрации составляли 0,01мМ; 0,05мМ; 0,1мМ;0,25мМ и 0,40мМ.

В сосуды высевали по 27 семян, что позволяло иметь по 20 - 22 взрослых растения. Влажность почвы в сосудах в оптимальных условиях составляла 6570% от ПВ. Растения поливали по объему. Каждый вариант содержал 4-6 сосудов.

Влияние селена на растения изучали в оптимальных условиях увлажнения и при засухе. Продолжительность засухи (8-12 дней), вызываемой прекращением полива, определялась уровнем влажности почвы, а также состоянием растений. В момент начала засухи растения находились в фазе выхода в трубку (VI этап органогенеза). Растительный материал фиксировали накануне засухи (исходная точка), 2 раза в течение ее действия, а также на 7-й день после возобновления полива. Растения выращивали до созревания семян.

Для изучения влияния селена и засухи в полностью контролируемых условиях (12 час фотопериод, 5000 люкс освещение, 23 - 25°С и 13 - 15°С дневная и ночная температуры соответственно, 60 — 65% относительная влажность воздуха) эксперименты (45-50 дней) проводили в перлитовой культуре в камере фитотрона ИФР РАН. Семена проращивали в кювете при проростки пересаживали в перлит в сосуды (0,8 л) на полную питательную смесь Хогланда - Снайдерса. Селен вносили в виде биселенита натрия сразу после пересаживания растений или в фазе их выхода в трубку. Концентрация селена в питательном растворе составляла 0,05 и 0,1мМ. На стадии выхода в трубку часть растений подвергали действию засухи (от 12 до 20 дней). Фиксацию растительного материала проводили в день начала засухи; в процессе ее развития и на 7 день после возобновления полива.

Для биохимических и молекулярно-биологических анализов растительный материал фиксировали жидким азотом (-196°С) и хранили при -70°С.

Измерение биомассы и содержания воды врастительномматериале и в почве проводили стандартными общепринятыми методами (Пустовой с соавт., 1995). Интенсивность транспираиии оценивали гравитационным методом по Иванову (Тсетьяков с соавт., 1990) и выражали ее в мг • г'св. массы • ч"1 или мг • дм'2 • ч"1.

Относительное содержание воды оценивали по методу (МЪеШейеу, 1950)

путем сравнения содержания воды в опытной растительной ткани с ее количеством в той же ткани в состоянии полного тургора.

Анализ содержания ионов катя и хлора. Ионы экстрагировали дистиллированной водой (при соотношении массы воды и растительного материала 10:1) 3-х кратным кипячением листовой массы (по 0,5 мин) с

последующим ее встряхиванием (4 час) при комнатной температуре. Измерение [К+] осуществляли на пламенном фотометре ПФМ-У4,2; [СГ] - с помощью прибора Ionalyzer 940 фирмы ORION RESEARCH (Швеция) с соответствующим ионселективным электродом. Для построения калибровочной прямой использовали стандартные растворы. Определение осмотического потенциала клеточного сока. Свежую массу листьев (около 1 г) растирали в ступке, гомогенат центрифугировали при 5000g в течение 15 минут на центрифуге КМ-15200 фирмы "Kubota" (Япония). 200 мкл супернатанта помещали в микропробирку (1,5 мл) и измеряли его осмотический потенциал на осмометре Osmomat 030 фирмы «Gonotac». Осмотический потенциал выражали в МПа.

Содержание свободного пролина определял с помощью кислого нингидринового реактива по методу Bates et al. (1973) спектрофотометрически при 520 им. Для построения калибровочной кривой использовали пролин фирмы «Servo». Содержание пролина выражали в мкмоль на 1 г свежей или сухой массы.

Определение активности супероксиддисмутазы (СОД) проводили по методу С. Чевари и др. (1985), основанному на способности нитросинего тетразолия (НСТ) конкурировать с СОД за супероксид анион, образующийся в результате аэробного взаимодействия НДДН и феназинметасульфата. Для построения калибровочной кривой использовали СОД фирмы «Serva» с удельной активностью равной 8963 ед/мг. Активность СОД выражали в единицах активности в расчёте,на 1мг белка.

Определениеактивностирастворимой и ион-связанной пероксидазпроводили по методу Ridge and Osborne (1971), используя в качестве субстрата Н2О2, а в качестве донора водорода - гваякол ('Fluka", Швейцария). Активность фермента выражали в ммолях гваякола/мг белка в мин. Оптическую плотность раствора измеряли на спектрофотометре SPEKOL 11 (Германия) при 470 нм. Определение активности каталазы проводили по методу Chance (1951). Оптическую плотность опытного раствора измеряли на спектрофотометре СФ-46 при 240 нм. Для расчёта активности каталазы использовали коэффициент экстинкции Н2О2, равный 0,0б7мМ"''См"1.

Перекисное окисление липидов определяли по основному продукту реакции — МДА (малоновый диальдегид), используя для этого метод Heath и Parker (1968). Концентрацию МДА определяли спектрофотометрически, измеряя оптическую плотность при 532 нм и вычитая из нее неспецифическое окрашивание раствора при 600 нм. Коэффициент молярной экстинкции МДА - ИбмМ'^см"'. Содержание МДА выражали в мкмоль на г сухой массы.

Изучение экспрессии гена липоксигеназы (ЛОГ). При изучении экспрессии гена

ЛОГ тотальную РНК из растительного материала выделяли фенольнымл методом по Westhoffet al. (1981). Для освобождения от ДНК препарат РНК (по 60 мкг) обрабатывали ДНКазой, свободной от РНКаз, 30 мин при после чего ДНКазу удаляли фенольной депротеинизацией. Обратную транскрипцию (образцы по 5 мкг тотальной РНК) проводили в соответствии с инструкцией фирмы Fermentas, применив oligo(dT)21VN в качестве затравки. ПЦР осуществляли с использованием Taq ДНК полимеразы. Были взяты следующие праймеры: для гена ЛОГ 5'-cgacffcttcatgcctcacc-3' и 5'-attctcagtgcgtgctcacc-3', для гена тубулина: 5'-agacaccgtcgttgagccat-3' и 5'-cgctcgacttgacgttgttg-3', Электрофорез ДНК проводили в 1,3% агарозном геле в присутствии бромистого этидия.

Определение содержания белка проводили по Bradford (1976) с использованием кумасси G-250 («Serva», Германия). Оптическую плотность измеряли при 595 нм, используя БСА в качестве стандарта.

Определение содержания селена проводили в растительных образцах, высушенных при 35°С, флуорометрическим методом по Ермакову с 2,3 — диаминонафталином на приборе Hitachi - MPF - 4 (Япония). Нижний предел обнаружения 0,0000001%.

Статистическая обработка полученных результатов проводилась при 4 - 6 кратной биологической повторности в вариантах опыта, используя - одно- и многофакторный дисперсионный анализ, при помощи программы STRAZ.

Результаты и обсуждение

Первой задачей нашей работы было выяснение концентрационной зависимости действия селена на рост и продуктивность растений пшеницы, поскольку был известен негативный эффект селена (Shift, 1969; Mikkelson et al, 1989), тогда как его протекторное действие не было установлено.

Влияние селена на ростовые процессы и продуктивность растений

Изучение влияния селена на динамику появления всходов сортов Приокская и Саратовская 29 показало, что в низких и умеренных концентрациях (0,01-0,1 мМ) он не оказывал продолжительного негативного эффекта на прорастание и дальнейший рост проростков пшеницы. В то же самое время при выращивании растений в присутствии максимальной из использованных концентраций селена (0,4 мМ), наблюдалось 30-40% ингибирование прорастания по сравнению с контролем. Действие 0,4 мМ селена на рост проростков было еще более сильным и достигало 80% от контроля. Однако селен не тормозил роста растений.

Как следует из данных, представленных в табл. 1, аналогичное влияние селен оказывал и на аккумуляцию биомассы. В течение 3 недель биомасса растений увеличилась более чем в 6 раз, при этом достоверного действия селена обнаружено не было при всех концентрациях, кроме максимальной (0,4 мМ), которая сильно тормозила накопление биомассы.

В условиях 12-дневной засухи (Табл. 1), которая приводила к снижению аккумуляции биомассы на 70-75%, селен в концентрации 0,05 мМ оказывал существенный защитный эффект. Он тормозил снижение биомассы при засухе на 43 % по сравнению с биомассой растений, подвергавшихся только действию водного дефицита. Возобновление полива заметно усиливало рост растений. На этом фоне положительное действие 0,05 мМ селена сохранилось и составляло около 30%.

Влияние селена на урожай пшеницы оценивали, исходя из показателя массы зерна с одного сосуда (Табл. 2). В нормальных условиях увлажнения селен не оказывал существенного действия на урожай двух изучаемых сортов. В условиях 14-дневной засухи урожай с. Приокская снижался на 53% (с 10,84 до 5,04 г), а с. Саратовская 29 - на 56% (с 11,72 до 5,16 г). Это говорит о том, что на VI критическом в отношении влагообеспеченности этапе органогенеза засуха действительно обладала выраженным негативным эффектом на растения.

В условиях засухи селен существенно повышал урожай у обоих сортов (Табл. 2). При этом достоверный позитивный эффект был обнаружен только при концентрации селена 0,05 мМ, (с 5,04 до 6,57 г и с 5,16 до 6,71 г для с.Приокская и с.Саратовская 29, соответственно), что составляет около 30% при сравнении с вариантом, испытывавшим действие только засухи. Интересно, что в концентрации 0,25 мМ селен практически не влиял на урожай при засухе, тогда как при концентрации 0,4 мМ практически полностью блокировал образование полноценного зерна.

Аккумуляция селена в зерне

Можно было думать, что протекторный эффект селена при засухе будет способствовать его аккумуляции в зерне пшеницы, хотя нельзя было исключать нарушения при стрессе механизмов транспорта селена в корневую систему и его транслокации по растению. Для ответа на поставленный вопрос растения пшеницы выращивали в почвенной культуре, а созревшие зерновки анализировали на содержание в них селена. Следует указать, что в контрольных вариантах опыта фоновый уровень селена составлял 0,26 мг/кг почвы, тогда как в двух других вариантах с дополнительным внесением селена в почву его

содержание составило 0,01 мМ (0,79 мг/кг почвы) и 0,05 мМ (т.е. 3,95 мг/кг почвы).

Таблица 1

Влияние селена на биомассу растения пшеницы сорта Приокская в условиях оптимального увлажнения и действия засухи, г св. массы/растение

Вариант Продолжительность эксперимента, дни

0 8 12 19

Оптимальное увлажнение

Контроль 0,99 3,23 4,04 6,60

+0,01 мМ ве 1,09 3,22 4,19 6,54

+0,05 мМ Бе 1,00 2,91 3,87 6,69

+0,10 мМ ве 1,05 3,10 3,84 6,38

+0,40 мМ Бе 0,18 0,65 0,89 1,71

Действие засухи Восстановление

Контроль 1,38 0,87 2,30

+0,01 мМ Бе 1,20 0,84 2,16

+0,05 мМ ве 1,60 1Д4 3,05

+0,10 мМ ве 1,19 1,02 2,42

+0,40 мМ Бе 0,62 0,84 1,19

НСР05 0,23 0,32 0,30 0,65

Таблица 2

Влияние селена на урожай пшеницы, г зерна/сосуд.

Вариант Сорт

Приокская Саратовская 29

Оптимальное увлажнение

Контроль 10,84 11,72

+0,05 мМ Бе 10,53 11,35

+0,10 мМ Бе 10,17 10,94

Действие засухи

Контроль 5,04 5,16

+0,05 мМ Бе 6,57 6,71

+0,10 мМ Эе , 5,24 5,40

НСРо« 1,18 1,08

Как видно из табл. 3, содержание селена в зерне пшеницы с.Приокская и с.Саратовская 29, выращенной без его дополнительного внесения в почву, было одинаковым и составляло 0,10-0,12 мг/кг зерна. Обогащение почвы селеном сопровождалось значительным увеличением его содержания в зерне. Так, при концентрации селена в почве 0,01 мМ (0,79 мг/кг почвы) его содержание в зерне повышалось до 2,5 - 2,8 мг/кг. При 0,05 мМ селена в почве его содержание в зерне составляло 10-11 мг/кг.

В условиях засухи содержание селена в зерне практически не изменялось. Однако при обогащении почвы до 0,79 мг селена на кг при засухе наблюдалось 14-22-кратное увеличение его содержания в зерне. Увеличение концентрации селена в почве до 3,95 мг приводило к дальнейшему 65-77-кратному обогащению зерна. Тем не менее, засуха несколько снижала процесс аккумуляции селена в зерне по сравнению с контрольными растениями при одинаковой концентрации селена в почве.

Таким образом, при внесении в почву в умеренных концентрациях селен накапливается в зерне в значительном количестве, причем в условиях не только оптимальной, но и недостаточной водообеспеченности растений.

Эффект селена на показатели водного статуса

Обнаруженное нами позитивное влияние селена на рост растений, аккумуляцию биомассы и урожай позволило нам высказать предположение, что селен позитивно влияет на водный статус растений в условиях засухи. Для проверки этого предположения представлялось важным оценить непосредственное влияние селена на изменение наиболее существенных показателей водного режима растений. С этой целью было проведено изучение оводненности тканей листьев, относительного содержания воды (ОСВ), осмотического потенциала клеточного сока и интенсивности транспирации.

В оптимальных условиях увлажнения селен не оказывал достоверного действия на уровень оводненности тканей (Табл. 4). Однако при засухе селен в двух использованных концентрациях (0,1 и 0,25 мМ) достоверно поддерживал оводненность листьев на более высоком уровне по сравнению с их оводненостью при засухе. Следует отметить, что при засухе наблюдалось падение оводненности листьев до 12% от контроля. Причем, заметное позитивное действие селена на оводненность листьев сохранялось и после возобновления полива и было характерно для растений обоих сортов.

Более точно характеризует водный статус растений относительное содержание воды (ОСВ), отражающее степень насыщенности тканей водой по сравнению с полной тургесцентностью. При оптимальном поливе не было обнаружено влияния селена на ОСВ. Однако в условиях засухи, вызвавшей

Таблица 3

Валовое содержание селена в пшенице сорта Приокская, мг»кг"1 зерна

Вариант Сорт

Приокская Саратовская 29

Оптимальное увлажнение

Контроль 0,12 0,10

+0,01 мМ ве 2,80 2,54

+0,05 мМ Бе 10,43 11,09

Действие засухи

Контроль 0,12 0,11

+0,01 мМ ве 1,68 2,40

+0,05 мМ Бе 7,80 8,43

НСР05 0,043 0,052

Таблица 4

Влияние селена на оводненность листьев пшеницы сорта Приокская. в условиях оптимального увлажнения и действия засухи, %

Вариант Продолжительность эксперимента, дни

0 4 8 15

Оптимальное увлажнение

Контроль 81,89 81,15 79,04 77,25

+0,01 мМ Бе 82,17 81,84 80,70 78,57

+0,10 мМ Бе 81,83 81,64 80,80 80,80

+0,25 мМ ве 81,87 82,17 81,73 78,96

Действие засухи Восстановление

Контроль 73,66 67,42 73,00

+0,01 мМ Бе 74,17 67,47 73,52 "

+0,10 мМ Бе 76,82 70,47 74,69

+0,25 мМ ве- 79,60 73,53 74,69

НСР05 0,65 0,84 0,96 0,90

падение ОСВ почти на 30%, селен оказывал заметное протекторное действие: тургесцентость тканей при 0,05 мМ селене на 4,4%, а при 0,1 мМ - на 9,9% была выше, чем в контроле.

Сильно проявилось защитное действие селена в условиях засухи на величине осмотического потенциала клеточного сока (Рис. 1). Не влияя достоверно на этот показатель при нормальном водообеспечении, селен заметно снижал падение осмотического потенциала при засухе. Селен в концентрациях 0,05 и 0,1 мМ поддерживал осмотический потенциал тканей на уровне, характерном для контрольных (хорошо увлажненных) растений.

Можно было ожидать, что продемонстрированная выше способность селена поддерживать на более высоком уровне оводненность тканей при засухе достигается за счет ингибирования интенсивности транспирации.

Результаты одного из типичных экспериментов, в которых селен вносили непосредственно перед прекращением полива (Рис. 2), показывают, что в условиях оптимального увлажнения селен действительно сильно (и пропорционально внесенным концентрациям) ингибировал транспирацию растений, интенсивность которой на 10 день его действия составляла лишь 50% от контроля. В условиях же засухи интенсивность транспирации резко снижалась, составляя через 5 дней лишь 24% от ее уровня у контрольных растений. При этом селен не оказывал существенного эффекта на интенсивность транспирации (Рис. 2).

Другим способом поддержания оптимального водного статуса могло являться увеличение поглотительной способности корневой системы. Результаты проведенных экспериментов показали, что при 14-дневной засухе происходило изменение соотношения биомассы надземной и подземной частей растений до 3,74 по сравнению с 2,99 в условиях оптимального увлажнения. Селен (0,1 и 0,2 мМ) при засухе снижал это соотношение до величин 2,91 и 2,14, соответственно, и тем самым улучшал обеспечение надземной части растений водой.

Таким образом, протекторный эффект селена на водный статус растений пшеницы при засухе обусловлен не ингибированием интенсивности транспирации, а усилением водопоглотительной деятельности корневой системы и улучшением водоснабжения листьев.

Помимо стабилизирующего влияния селена на водный статус растений при засухе, селен мог оказывать защитный эффект в условиях стресса, проявляя свои возможные антиоксидантные свойства.

-2 -1-----

Концентрация селена, мМ [□Контроль □ +0,0$ □ +0,1 □ И Засуха И+0,05 (И+0,1 ]

Рисунок 1. Влияние селена на осмотический потенциал клеточного сока листьев пшеинцы сорта Саратовская 29 в условиях оптимальною увлажнения и 12 дневной засухи

Влияние селена на основные компоненты антиоксидантной защиты растения при стрессе

Система антиоксидантной защиты многокомпонентна. Она включает не только антиоксидантные ферменты, но и соединения органической природы, такие, например, как пролин, - один из универсальных совместимых осмолитов. Он накапливается при стрессе, обладает выраженными антиоксидантными свойствами, проявляя при этом и осмопротекторный эффект.

Данные, одного из типичных опытов, представленные на рис. 3, показывают, что при оптимальном поливе уровень пролина в листьях пшеницы невысок (8-12мкмол. г"' сухой массы) и не зависел от внесения селена в почву. Однако уже через 4 дня засухи концентрация пролина увеличивалась в 21 раз, а через 12 дней - в 39 раз. В этих условиях 0,01 мМ селен не оказывал влияния на аккумуляцию пролина, но при всех более высоких концентрациях в почве подавлял этот процесс. Существенно, что спустя 7 дней после возобновления полива эффект селена сохранялся.

0 4 12

Действие засухи, дни -

¡□Контроль El Засуха Ш+0,01 мМ Se И+0,05 иМ Se И+0,10 мМ Se Ш+0,40 мМ Se!

Рисунок 3. Влияние селена на аккумуляцию свободного пролина в листьях пшеницы сорта Приокская в условиях оптимального увлажнения и при действии засухи

Таким образом, видно, что селен при засухе не только не стимулировал процесс аккумуляции пролина, а напротив, эффективно тормозил его синтез, сам проявляя, очевидно, выраженные антиоксидантные свойства и снижая уровень внутриклеточных АФК.

' Полученные данные по влиянию селена на аккумуляцию свободного пролина при засухе позволяли предположить, что селен может воздействовать на активность основных антиоксидантных ферментов, регулирующих в клетке уровни АФК, в частности супероксидрадикала и пероксида водорода.

Результаты проведенных экспериментов показали, что при оптимальном увлажнении селен не влиял на активность супероксиддисмутазы листьев пшеницы. При длительной засухе в отсутствие селена активность фермента возрастала на 19% по сравнению с контролем. В максимальной концентрации (0,4мМ) селен тормозил вызванный засухой прирост активности супероксиддисмутазы.

Близкий эффект селен оказывал и на другой антиоксидантный фермент - пероксидазу,- отвечающую за регуляцию концентрации Н2О2 и пероксидов органических срединений. Данные, представленные на рис. 4, демонстрируют уровень активности двух изозимов пероксидазы - свободной и ион-связанной. Они показывают, что в условиях 12-дневной засухи наблюдается 35% увеличение активности свободной, но не ион-связанной, формы пероксидазы. Селен в использованных концентрациях поддерживал активность исследованных форм пероксидазы на уровне, характерном для контрольных растений.

Активность каталазы, антиоксидантного фермента также ответственного за дезактивацию Н2О2 в клетке, при 12-дневной засухе увеличивалась на 30% по сравнению с контролем. Селен (0,10 и 0,40 мМ) в этих условиях поддерживал активность каталазы на уровне, характерном для контрольных растений, находившихся в условиях оптимального увлажнения.

Таким образом, представленные выше данные свидетельствуют в пользу предположения о том, что селен, являясь антиоксидантом, снижает внутриклеточный уровень. АФК при засухе, что и проявляется в его торможении стресс-стимулированной активации исследованных антиоксидантных ферментов и резком ингибировании накопления индуцированного засухой пролина.

Для проверки этого предположения в дальнейшем исследовали процесс перекисного окисления липидов (ПОЛ) в растениях пшеницы, который индуцируется АФК и является одним из основных показателей повреждающего воздействия АФК на метаболизм.

Рисунок 4. Влияние селена на активность свободной (а) и ион-связанной (б) форм лероксидазы в оптимальных условиях увлажнения и при 12-дневной засухе

Регуляция селеном интенсивности перекисного окисления липидов и экспрессии гена липоксигеназы

Представленные результаты (Рис. 5) показывают, что 12-дневная засуха вызывала у растений значительное (на 78%) усиление интенсивности процесса ПОЛ по сравнению с контрольными растениями. В этих условиях селен в умеренных концентрациях (0,05 и 0,1 мМ) тормозил возрастание интенсивности ПОЛ на 20 и 35% соответственно, тогда как в максимальной концентрации (0,4 мМ) полностью предотвращал вызванное водным дефицитом увеличение интенсивности ПОЛ.

Контроль Злсука +0,01 +0,05 +0,10 +0,40

Концентрация селена, мМ |РКоатроль~ВЗасужа Ш+0,01 Ш +0,05 Ш+0,10 И+0,40~)

Рисунок 5. Влияние 8е на содержание МДА в листьях пшеницы сорта Приокская при оптимальном увлажнении и 12 дневной засухе

Одним из ключевых ферментов, участвующих в перекисном окислении липидов, является липоксигеназа (ЛОГ), катализируя окисление 1,4 -полиненасыщенных жирных кислот с образованием их гидропероксидов. Поскольку селен влияет на интенсивность ПОЛ, можно было ожидать, что его эффект проявится и на уровне регуляции экспрессии гена липоксигеназы.

Для ответа на поставленный вопрос использовали молекулярно биологические методы оценки уровня мРНК данного фермента. Поскольку в литературе не было найдено работ по секвенированию гена ЛОГ пшеницы, было необходимо, используя доступную базу данных PubMed,

идентифицировать консервативные последовательности анализируемого гена близкородственных видов, с высокой вероятностью характерные и для гена ЛОГ пшеницы. Основываясь на этих данных и применив программу Primer 2, была найдена пара праймеров, обладающих оптимальными свойствами для проведения полимеразной цепной реакции (ПЦР) Для обеспечения специфичности и эффективности протекания ПЦР были отработаны оптимальные условия ее проведения (концентрация магния, температурный режим, число циклов амплификации и др ).

Результаты оценки уровня мРНК липоксигеназы, полученные с использованием метода обратной транскрипции полимеразной цепной реакции (RT-PCR) (Рис. 6), показывают, что содержание мРНК ЛОГ в контрольном варианте было невелико, но после прекращения полива ее уровень в растениях значительно возрастал. При этом селен в обеих использованных концентрациях (0,10 и 0,20 мМ) вызывал снижение количества мРНК гена ЛОГ практически до контрольного уровня. В то же самое время уровень мРНК b тубулина почти не изменялся, что свидетельствует об избирательном действии селена на экспрессию гена липоксигеназы.

Рисунок б. Влияние селеиа на экспрессии геня липоксигеназы (а) и геня р-тубулина (6) растений с. Прноксхая в условиях оптимального и недостаточного увлажнения

Маркеры (1), Засуха 7 дней (2), Засуха 14 дней (3), Контроль (4), Засуха 14дней + 8е 0,1мМ(5), Засуха 14 дней + 8е 0,2 мМ (6)

Таким образом, судя по представленным данным, эффект селена на фоне действия засухи проявляется в виде значительного подавления

транскрипции гена липоксигеназы. Это также свидетельствует о проявлении селеном антиоксидантного действия при водном дефиците и объясняет ингибирующее действие селена на клеточные антиоксидантные ферменты при засухе.

Заключение

К началу выполнения настоящего исследования практически не было работ по протекторному действию селена на растения, хотя многочисленные исследования по влиянию селена на животных и человека уже привели к использованию препаратов селена в медицине.

В оптимальных условиях выращивания растений селен практически не проявлял позитивного действия помимо того, что оказывал некоторое регуляторное влияние на процесс транспирации. Напротив, в условиях прогрессирующей засухи обнаружена множественность эффектов селена на различные физиологические и биохимические функции растения. Прежде всего, оказалось, что селен непосредственно влияет на ряд параметров водного статуса растений пшеницы — на основные показатели, характеризующие уровень оводненности тканей листьев и их осмотический потенциал, проявляя отчетливое протекторное действие при стрессе. Одним из возможных механизмов стабилизации селеном водного статуса при засухе является обнаруженное у растений пшеницы перераспределение биомассы между надземными и подземными органами в пользу последних, т.е. относительное увеличение размера корневой системы. Однако вполне вероятным представляется также и прямое действие селена на поглощение воды корневой системой растений пшеницы. Вместе с тем, протекторное действие селена не может быть сведено лишь к сохранению оводненности тканей при водном дефиците, так же как и действие засухи не ограничивается лишь нарушением водного статуса растений.

В последние годы увеличилось число публикаций, свидетельствующих об индукции засухой АФК. Это подтверждается и результатами настоящего исследования, показавшего заметную активацию СОД, пероксидазы, каталазы и перекисного окисления липидов в условиях недостаточного водообеспечения. При этом представляется особенно интересным тот факт, что эффект селена обнаруживается на всем комплексе исследованных ферментов, участвующих в системе антиоксидантной защиты у растений. Обращает на себя внимание также то обстоятельство, что наибольший эффект селена, проявлялся на уровне перекисного окисления липидов, то есть того звена в системе антиоксидантной защиты, которое более всего подвержено негативному действию засухи и которое косвенно свидетельствует о негативном воздействии АФК на

метаболизм. Важно также подчеркнуть, что эффект селена реализуется не только на уровне активности фермента, но и на уровне ингибирования экспрессии гена липоксигеназы.

Влияние селена на ростовые процессы проявлялось и на более поздних этапах онтогенеза. В условиях оптимального увлажнения селен в низких и умеренных концентрациях не влиял на биомассу растений. В максимальной концентрации - 0,4 мМ он сильно ингибировал накопление биомассы. Засуха также вызывала быстрое торможение аккумуляции биомассы. Позитивный эффект селена особенно сильно проявлялся в промежуточных концентрациях и обнаруживался как во время засухи, так и на этапе восстановления. В дальнейшем позитивный эффект селена в концентрациях 0,05 и 0,10 мМ сохранялся вплоть до созревания зерна, что выражалось в ощутимой прибавке урожая растений пшеницы по сравнению с растениями, испытавшими действие засухи без дополнительного внесения селена в почву.

Большая часть территории России находится в зоне недостаточного содержания селена в почве, и, как следствие этого, содержание селена в зерне пшеницы составляет в среднем 80-120 мкг/кг зерна при норме - 200-300 мкг/кг (Голубкина, 1999). Поскольку селен в организме человека является важным элементом системы антиоксидантной защиты, его недостаток приводит к резкому снижению иммунитета и усилению повреждающего действия неблагоприятных факторов. В этих условиях крайне важно возместить недостающее количество этого микроэлемента в рационе человека, что может быть достигнуто с помощью обогащения селеном продуктов растениеводства. Для этих целей хорошо подходит такая сельскохозяйственная культура как яровая пшеница, поскольку в нашей стране хлебные изделия потребляются широкими слоями населения в достаточно больших количествах. Для решения этой задачи наиболее эффективно предпосевное внесение селена в почву.

Выращивание растений пшеницы в почвенной культуре с валовым содержанием селена 0,26 мг/кг почвы в условиях оптимального увлажнения, без дополнительного внесения селена привело к накоплению его в зерне 0,10 -0,12 мг/кг почвы. Эти значения характерны для большей части зерна получаемого в нашей стране. При выращивании растений на почве, обогащенной экзогенным селеном в концентрациях 0,01 и 0,05 мМ (0,79 и 3,95 мг/кг почвы) наблюдали пропорциональное использованным концентрациям увеличение содержание селена в зерне до 2,54-2,80 и 10,43-11,09 мг/кг зерна. Следовательно, даже умеренные концентрации селена вызывали его достаточно интенсивное накопление в зерне. Действие засухи в присутствии фонового содержания селена в почве практически не повлияло на его накопление в

урожае, тогда как внесение в почву экзогенного селена, так же как и в условиях оптимального водоснабжения, привело к его резкому накоплению в зерне.

Такое значительное обогащение зерна селеном, даже в условиях недостаточного водоснабжения, свидетельствует о перспективности выращивания пшеницы на почве с внесением соединений селена с целью восполнения его дефицита в продуктах питания. Стресс-протекторный эффект селена позволяет получать урожай пшеницы, обогащенной селеном, не только в оптимальных условиях выращивания, но и в регионах с недостаточным водоснабжением.

Выводы

1. Внесение селенита натрия в почву в концентрациях, не превышающих 0,25 мМ, при оптимальном водообеспечивании не вызывает значимых эффектов у растений пшеницы за исключением его регулирующего действия на транспирацию. Вместе с тем, селен в высоких концентрациях (0,4 мМ) ингибирует ростовые процессы на протяжении всего периода вегетации растений.

2. Одним из механизмов протекторного действия селена в условиях засухи является поддержание высокого уровня оводненности и осмотического потенциала клеток тканей листьев. Этому эффекту селена в условиях водного дефицита способствует изменение соотношения биомасс надземной и подземной частей растения в сторону его уменьшения, что приводит к лучшему обеспечению растения водой и снижению избыточной нагрузки на корневую систему.

3. Недостаточное водообеспечение вызывает у растений пшеницы окислительный стресс, что проявляется в активации ферментов антиоксидантной защиты клетки и, особенно, - в увеличении интенсивности перекисного окисления липидов, а также экспрессии гена липоксигеназы.

4. Антиоксидантный защитный эффект селена, по-видимому, обусловлен его способностью снижать уровень активных форм кислорода при стрессе, о чем свидетельствует падение активности супероксиддисмутазы, пероксидазы и каталазы а также ингибирование аккумуляции стресс-индуцированного пролина, обладающего выраженными антиоксидантными свойствами.

5. В наибольшей степени протекторный антиоксидантный эффект селена в условиях водного дефицита проявляется в подавлении интенсивности ПОЛ и синтеза мРНК липоксигеназы.

6. При засухе предпосевное внесение селена в дозах 3,95 и 7,90 мг/кг почвы достоверно замедляет снижение биомассы растений и сокращает потери урожая яровой пшеницы изучаемых сортов.

7. В геохимических провинциях с низким содержанием селена и недостаточным водоснабжением рекомендуется внесение селена в почву (в дозах 0,79 - 3,95 мг/кг почвы) для получения зерна, которое может использоваться для 'обогащения этим микроэлементом урожая пшеницы, дефицитного по селену, с целью получения полноценных по химическому составу продуктов питания.

8. Совокупность полученных данных позволяет говорить о множественности защитного действия селена при стрессе у растений, которое проявляется на уровне регуляции водного статуса организма, синтеза антиоксидантных органических осмолитов, активности ферментов антиоксидантной системы, торможения процесса перекисного окисления липидов и экспрессии гена липоксигеназы, следствием чего является повышение в условиях засухи обогащенного селеном урожая пшеницы.

Список работ опубликованных по теме диссертации:

1. Кузнецов ВасВ., Холодова В.П., Кузнецов Вл.В., Ягодин Б.А. Селен регулирует водный статус растений при засухе // Доклады Академии Наук. - 2003. - Т.390, № 5. -С.713-715.

2. Кузнецов ВасВ., Холодова В.П., Ягодин Б.А. Протекторные эффекты селена при засухе // Тезисы докладов V Съезда Общества физиологов растений России и Международной конференции "Физиология растений - основа фитобиотехнологии", Пенза, 2003.-295-296.

3. Саркер УХ, Кузнецов Вас. В., Рагулин В.В., Холодова В.П. Анализ солетолерантности различных по засухоустойчивости сортов пшеницы. // Тезисы докладов IV Съезда Общества физиологов растений России и Международной конференции "Физиология растений - наука III тысячелетия", Москва, 1999. -Т. I - С. 456.

4. Kuznetsov Vas.V., Kholodova V.P., Yagodin B.A. Protective Effect of Selenium during the Adaptation of Wheat to Drought. (Протекторный эффект селена при адаптации пшеницы к засухе (англ.) // Abstracts of the Intern. Symp. "Plant Under Environmental Stress", Moscow, Publishing House of Peoples' Friendship University of Russia, 2001. - C. 151-152.

5. Kuznetsov Vas.V., Kholodova V.P., Yagodin B.A. Effect of selenium on growth ofwheat plants and their adaptation to drought (Действие селена на рост растений пшеницы и их адаптацию к засухе (англ.)) // Materials of the 3rd International Iran and Russia Conference "Agriculture and Natural Resources", Moscow, 2002. - P. 391-396.

Усл. печ. л. 1,16 Зак. 225 Тираж 100 экз.'

AHO «Издательство MCXA» 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 44

0-92 95

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Кузнецов, Василий Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Селен: биологические эффекты, распространение, аккумуляция и его формы в живых организмах

1.1.1. Биологические эффекты селена на животных и человека

1.1.2. Селен в почве

1.1.3. Селен в растениях

1.1.3.1. Аккумуляция селена растениями

1.1.3.2. Транспорт и распределение селена

1.1.3.3. Ассимиляция и волейтализация селена

1.1.3.4. Эссенциальность селена у растений

1.2. Механизмы адаптации растений к засухе

1.2.1. Засуха и ее негативное воздействие на растения

1.2.2. Адаптация растений к засухе

1.2.2.1. Эволюционные (конститутивные) механизмы адаптации растений (ксерофитов) к засухе

1.2.2.2. Стресс-индуцируемые механизмы адаптации растений к засухе

1.2.2.2.1. Физиологические механизмы адаптации растений к засухе

1.2.2.2.2. Аккумуляция низкомолекулярных соединений—

1.2.2.2.3. Молекулярные механизмы адаптации

1.3. Окислительный стресс

1.3.1. Общие представления об окислительном стрессе

1.3.2. Активные формы кислорода (АФК) и основные пути их образования

1.3.3. Действие АФК на растительную клетку

1.3.4. Антиоксидантные системы растений

1.4. Биологические особенности яровой пшеницы

1.4.1. Онтогенез пшеницы и условия ее произрастания

1.4.2. Потребность в элементах питания

1.4.3. Требование к плодородию и реакции почвы

1.4.4. Потребность во влаге и засухоустойчивость

1.5. Влияние селена на рост и адаптацию растений к неблагоприятным факторам окружающей среды

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1. Влияние различных концентраций селена на рост растений пшеницы

3.2. Влияние селена на урожай пшеницы и его накопление в зерне —89 3.2.1. Эффект селена на урожай пшеницы в оптимальных условиях увлажнения и при действии засухи

3.2.2 Аккумуляция селена в зерне в оптимальных условиях увлажнения и при засухе

3.3. Влияние селена на показатели водного статуса растений

3.3.1. Эффект селена на уровень оводненности тканей листьев

3.3.2. Влияние селена на относительное содержание воды (ОСВ)—

3.3.3. Действие селена на осмотический потенциал клеточного сока тканей листьев

3.3.4. Регуляция селеном интенсивности транспирации

3.4. Влияние селена на аккумуляцию осмолитов в листьях растений пшеницы в условиях оптимального и недостаточного увлажнения

3.4.1. Эффект селена на содержание ионов К+ и СГ

3.4.2. Действие селена на аккумуляцию свободного пролина

3.5. Влияние селена на основные компоненты антиоксидантной защитной системы растения при водном стрессе

3.5.1. Влияние селена на активность супероксиддисмутазы

3.5.2. Эффект селена на активность свободной и ион-связанной форм пероксидазы

3.5.3. Действие селена на активность катал азы

3.6. Регуляция селеном интенсивности перекисного окисления липидов и экспрессии гена липоксигеназы

3.6.1. Влияние селена на интенсивность перекисного окисления липидов мембран

3.6.2. Действие селена на экспрессию гена липоксигеназы

ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Защитное действие селена при адаптации растений пшеницы к условиям засухи"

За последние два десятилетия в мире резко возрос интерес к селену, который в крайне низких концентрациях является важным микроэлементом бактерий, животных и человека. Селен способен не только повышать общую сопротивляемость организма к действию биопатогенов, но и оказывать протекторный эффект при некоторых видах онкологических заболеваний и даже при иммунодефиците. В основе защитного действия селена в животных клетках лежит функционирование ряда белков, активный центр которых содержит "селеновые" аминокислоты (селеноцистеин и селенометионин). Эти белки обладают выраженным антиоксидантным эффектом. Однако, по некоторым данным (Ермаков, Ковальский, 1974., Торшин, Ягодин с соавт., 1996; Голубкина, 1999), большинство почв России, а, следовательно, и выращенный на них урожай беден селеном, что ставит задачу обогащения сельскохозяйственной продукции этим важным элементом (Дудецкий, 1998; Торшин с соавт., 1998; Санькова, 2001; Ягодин, 2002).

В настоящее время остается практически не исследованной и другая очень важная проблема — изучение механизмов действия селена на продуктивность, а также на физиологические и биохимические процессы основных сельскохозяйственных культур, таких как, например, пшеница. Выяснение биологических эффектов селена, особенно его защитного действия, исключительно важно для России, обширные территории которой имеют неблагоприятные условия для производства зерновых культур. Наибольшим негативным эффектом на растения обладает засуха, которая охватывает практически всю территорию страны и случается не реже одного раза в 3-4 года (Максимов, 1958; Генкель, 1982; Воуег, 1982). Логично допустить, что в растениях, так же как и в животных, селен обладает защитным эффектом, который может реализоваться через функционирование селенобелков, в частности, защитных селенопероксидаз. Тем более в экстрактах многих видов растений была обнаружена активность глютатионзависимых пероксидаз, а из Aloe vera был выделен белок глютатионовой селенопероксидазы. Кроме того, получены доказательства наличия в клетках растений отдельных компонентов системы синтеза селенобелков, в частности UGA-декодирующей селеноцистеиновой тРНК. Однако селенопероксидаза растений имеет крайне низкую активность, а в ее активном центре до сих пор не обнаружены селеноаминокислоты. Все это оставляет открытым вопрос о проявлении селеном антиоксидантных свойств в растительных системах. Исследовать антиоксидантный эффект селена при засухе крайне важно, поскольку в условиях водного дефицита наблюдается генерация активных форм кислорода, детоксикация которых селеном, так же как и другими компонентами антиоксидантной системы, имеет принципиальное значение для сохранения клеточного гомеостаза, адаптации растений и сохранения урожая.

Не вызывает сомнения, что защитный эффект селена не ограничивается лишь его антиоксидантным действием, а, очевидно, носит полифункциональный характер. Он может распространяться на многие физиологические процессы и, прежде всего, на такие как, например, рост, развитие, адаптацию, водный статус. Тем более изменение водного статуса при стрессе, которое проявляется в аккумуляции осмолитов и сопровождается, как правило, падением водного потенциала, является одной из общих неспецифических реакций растения на действие многих стрессоров различной физической природы. В то же самое время эффект селена на интегральные физиологические процессы в настоящее время практически не исследован. Не выявлены оптимальные концентрации селена, оказывающие стресс-защитное действие на растение в неблагопроятных условиях произрастания. Все это делало весьма актуальным поиск концентраций селена, обладающих протекторным эффектом у растений, а также изучение механизмов защитного действия селена в стрессорных условиях.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы состояла в изучении биологических и физиолого-биохимических эффектов селена, в том числе защитного характера, при адаптации растений яровой пшеницы к засухе.

В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:

1) Выявить действие селена на ростовые процессы на разных стадиях развития растений в условиях оптимального и недостаточного увлажнения;

2) Исследовать влияние селена на показатели водного статуса растений;

3) Изучить действие селена на аккумуляцию протекторных соединений при водном дефиците;

4) Исследовать эффект селена на антиоксидантные ферменты растений в стрессорных условиях;

5) Изучить влияние селена на экспрессию гена липоксигеназы на уровне ее мРНК;

6) Выявить оптимальные концентрации селена, обладающие стресс-протекторным эффектом на растения яровой пшеницы в условиях водного дефицита, и изучить потенциальные возможности накопления селена в зерне.

Научная новизна. Впервые проведено обширное исследование влияния селена на целый ряд физиологических и биохимических процессов (рост, водный статус, аккумуляцию совместимых осмопротекторов, активность антиоксидантных ферментов и др.) у растений яровой пшеницы в ходе онтогенеза при оптимальном увлажнении и в условиях длительной засухи. Установлена важная защитная роль селена в поддержании водного статуса растений при засухе. Выявлено участие селена в регуляции уровня реактивных форм кислорода в условиях водного дефицита. Впервые показана регуляция селеном экспрессии гена липоксигеназы на уровне ее мРНК. Установлена способность растений пшеницы аккумулировать селен в зерне при засухе.

Полученные результаты позволяют рекомендовать использование селена в стресс-протекторных концентрациях в виде удобрений с целью повышения устойчивости растений яровой пшеницы при засухе. Выращенное при этом зерно с повышенным содержанием селена может быть использовано для обогащения этим элементом урожая пшеницы отечественного производства, что крайне важно для устранения недостатка селена в питании человека и в кормах сельскохозяйственных животных.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, кроме того, 1 работа находится в печати. Результаты исследований были представлены на международном симпозиуме "Plants under Environmental Stress" (Москва, 2001), на IV и V съездах Общества физиологов растений России и приуроченных к ним международных конференциях (Москва, 1999, Пенза, 2003), на III Международной Иранско-Российской конференции "Сельское хозяйство и природные ресурсы" (Москва, 2002), на научных семинарах Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Полученные результаты будут также доложены на Годичной конференции Американского общества биологов растений (Plant Biology-2004) (США).

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 163 страницах, состоит из введения, обзора литературы, методической и экспериментальной частей, результатов исследования и их обсуждения, заключения выводов и списка цитируемой литературы. Работа включает 16 рисунков и 23 таблицы. Список литературы состоит из 195 источников, в том числе 127 зарубежных авторов.

Заключение Диссертация по теме "Агрохимия", Кузнецов, Василий Владимирович

ВЫВОДЫ

1. Внесение селенита натрия в почву в концентрациях, не превышающих 0,25 мМ, при оптимальном водоснабжении не вызывает значимых эффектов у растений пшеницы за исключением его регулирующего действия на транспирацию. Вместе с тем, селен в высоких концентрациях (0,40 мМ) ингибирует ростовые процессы на протяжении всего периода вегетации растений.

3. Недостаточное водообеспечение вызывает у растений пшеницы окислительный стресс, что проявляется в активации ферментов антиоксидантной защиты клетки и, особенно, — в увеличении интенсивности перекисного окисления липидов, а также экспрессии гена липоксигеназы.

6. В условиях засухи предпосевное внесение селена в дозе 3,95 мг/кг почвы достоверно замедляет снижение биомассы растений и сокращает потери урожая яровой пшеницы изучаемых сортов.

7. В геохимических провинциях с недостаточным содержанием селена и недостаточным водоснабжением рекомендуется внесение селена в почву (в дозах 0,79 - 3,95 мг/кг почвы) для получения зерна, которое может использоваться для обогащения этим микроэлементом урожая пшеницы, дефицитного по селену, с целью получения полноценных по химическому составу продуктов питания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В оптимальных условиях выращивания растений селен практически не проявлял позитивного действия помимо того, что оказывал некоторое регуляторное влияние на транспирацию. Напротив, в условиях прогрессирующей засухи обнаружена множественность эффектов селена на различные физиологические и биохимические функции растения. Прежде всего, оказалось, что селен непосредственно влияет на целый ряд параметров водного статуса растений пшеницы — на основные показатели, характеризующие уровень оводненности тканей листьев и их осмотический потенциал, оказывая отчетливое протекторное действие при водном стрессе. Одним из возможных механизмов стабилизации селеном водного статуса при засухе является обнаруженное у растений пшеницы перераспределения биомассы между надземными и подземными органами в пользу последних, т.е. относительное увеличение размера корневой системы. Однако вполне вероятным представляется также и прямое действие селена на поглощение воды корневой системой растений пшеницы. Вместе с тем, протекторное действие селена не может быть сведено лишь к сохранению оводненности тканей при водном дефиците, так же как и действие засухи не ограничивается лишь нарушением водного статуса растений.

В последние годы увеличилось число публикаций, свидетельствующих об индуцировании засухой АФК. Это подтверждается и результатами настоящего исследования, показавшего заметную активацию СОД, пероксидазы, каталазы и усиление перекисного окисления липидов, происходящие в условиях недостаточного водообеспечения. При этом, представляется особенно интересным, что эффект селена обнаруживается на всем комплексе исследованных ферментов, участвующих в системе антиоксидантной защиты у растений. Обращает на себя внимание также то обстоятельство, что наибольшее протекторное действие селена проявляется на уровне перекисного окисления липидов, то есть того звена в системе антиоксидантной защиты, которое более всего подвержено негативному действию засухи. Важно также подчеркнуть, что эффект селена реализуется не только на уровне активности фермента, но и на уровне ингибирования экспрессии гена липоксигеназы.

Влияние селена на ростовые процессы проявлялось и на более поздних этапах онтогенеза. В условиях оптимального увлажнения селен в низких и умеренных концентрациях не влиял на уровень биомассы растений. В максимальной концентрации — 0,40 мМ, он сильно ингибировал накопление биомассы. Засуха также вызывала быстрое торможение аккумуляции биомассы. В этих условиях наблюдался позитивный эффект селена, который особенно сильно проявлялся в промежуточных концентрациях, проявляясь как в течение засухи, так и на этапе восстановления. В дальнейшем позитивный эффект селена в концентрации 0,05 мМ сохранился вплоть до созревания зерна, что выражаясь в ощутимой прибавке урожая растений пшеницы по сравнению с растениями, испытавшими действие засухи без дополнительного внесения селена в субстрат.

Большая часть территории России находится в зоне недостаточного содержания селена в почве, и, как следствие этого, содержание селена в зерне пшеницы составляет в среднем 80-120 мкг/кг зерна при норме - 200300 мкг/кг (Голубкина, 1999). Поскольку селен в организме человека является важным элементом системы антиоксидантной защиты, его недостаток приводит к резкому снижению иммунитета организма и усилению повреждающего действия неблагоприятных факторов на здоровье организма. В этих условиях крайне важно возместить недостающее количество этого микроэлемента в рационе человека, что может быть достигнуто с помощью обогащения селеном продуктов растениеводства. Для этих целей хорошо подходит такая сельскохозяйственная культура как яровая пшеница, поскольку в нашей стране хлебные изделия потребляются широкими слоями населения в достаточно больших количествах. В этом случае наиболее эффективно предпосевное внесение селена в почву.

Выращивание растений пшеницы в почвенной культуре с валовым содержанием селена 0,26мг/кг почвы в условиях оптимального увлажнения, без дополнительного внесения селена привело к накоплению его в зерне 0,10 - 0,12мг/кг почвы, эти значения характерны для большей части зерна получаемого в нашей стране. При выращивании растений на почве, обогащенной экзогенным селеном в концентрациях 0,01 и 0,05 мММ (0,79 и 3,95мг/кг почвы) наблюдали пропорциональное использованным концентрациям увеличение содержание селена в зерне до 2,54-2,80 и 10,43-11,09мг/кг зерна. То есть даже меньшие из использованных концентраций вызывали его достаточно сильное накопление в полученном зерне. Действие засухи в присутствии фонового содержания селена в почве не повлияло на его накопление в урожае, тогда как дополнительное обогащение селеном почвы, так же как и в условиях оптимального водоснабжения привело к его резкому накоплению в зерне.

Такое значительное обогащение зерна селеном, даже в условиях недостаточного водоснабжения, свидетельствует о перспективности выращивания пшеницы на почве с внесением соединений селена с целью восполнения дефицита селена в продуктах питания. Стресс-протекторный эффект селена позволяет получать урожай пшеницы, обогащенной селеном, не только в оптимальных условиях выращивания, но и в регионах с недостаточным водоснабжением.

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Кузнецов, Василий Владимирович, Москва

1. Авцын А.П., Жаворонков А.А., Риш М.А., Строчкова Л.С.

2. Микроэлементозы человека. М.: Медицина, 1991. - 496 с.

3. Барабой В.А., Шестакова Е.Н. Селен: Биологическая роль иантиоксидантная активность // Укр. EioxiM. Журн. 2004, - Т. 76, № 1.-С. 23-32.

4. Берберова Н.Т., Блинохвастов А.Ф., Арчегова А.С. с соавт. Окислительно-восстановительные свойства октагидрохалькогенаксантенов и октагидроксантилиевых ионов // Химия гетероциклических соединений. 1991. - № 1. - С. 47-50.

5. Блинохвастов А.Ф. (ред.) Селен в биосфере. Пенза: Изд-во ПГСХА, 2001.-324 с.

6. Борисова JI.M. Влияние селена и витамина Е на морфологические ибиологические показатели крови у кур и их связь с дистрофией печени: Автореф. дисс. канд. биол. наук. М., 1969. — 21 с.

7. Боряев Г.И. Биохимический иммунологический статус молодняка сельскохозяйственных животных и птицы и его коррекция препаратами селена: Автореф. дис. докт. биол. наук. М., 2000. -43 с.

8. Верниченко И.В. Ассимиляция различных форм азота растениями и роль микроэлементов: Автореф. дис. докт. биол. наук. М.: Изд-во МСХА, 2002. - 56 с.

9. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов биологических мембран. М.: Наука, 1972. - 252 с.

10. Вощенко А.В. Селен и ваше здоровье. М.: Изд-во АМН РФ, 1999. - 258 с.

11. Гаврилов JI.A., Гаврилова Н.С. Биология продолжительности жизни: количественные аспекты. М.: Наука, 1982. — 169 с.

12. Генкель П.А. Физиология жаро- и засухоустойчивости растений. М.: Наука, 1982. - 280 с.

13. Голубкина Н.А. Исследование роли лекарственных растений вформировании селенового статуса населения России: Автореф. дис. докт. биол. наук. -М.: Изд-воПостатор, 1999. — 48 с.

14. Голубкина Н.А. Содержание селена в пшеничной и ржаной муке России, стран СНГ и Балтии // Вопросы Питания. 1997. - № 4. - С. 17-20.

15. Гудима М.И. Роль и механизм действия селена, витамина Е и сантохина // Проблемы развития птицеводства в Молдавии. Кишинев, 1984.-С. 18-20.

16. Дерягина В.П., Жукова Г.Ф., Власкина С.Г. Влияние селена наобразование канцерогенных N-нитрозоаминов // Вопросы питания. 1996. - №3. - С. 31-33.

17. Дубинина Е. Е., Сальникова Л. А., Ефимова Л. Ф. Активность иизоферментный спектр супероксиддисмутазы эритроцитов и плазмы крови человека // Лабораторное дело. 1983. - № 10. - С. 30-33.

18. Дудецкий А.А. Накопление селена яровой пшеницей и яровым рапсом при разной обеспеченности растений Se, Zn и макроэлементами. Автореф. дисс. канд. биол. наук. М.: Изд-во МСХА, 1998. -16 с.

19. Дудецкий А.А., Ягодин Б.А., Торшин С.П. Рост и развитие некоторых зерновых и бобовых культур при различных концентрациях биселенита натрия // Известия ТСХА. 1996. - № 2. - С. 21-28.

20. Ермаков В.В. Биогеохимическая селеновая провинция Тувы: Автореф. диссканд. биол. наук. М.: Изд-во МГУ, 1967. - 19 с.

21. Ермаков В.В. Субрегионы и биогеохимические провинции СССР с различным содержанием селена // Труды биогеохимической лаборатории АН СССР. 1978. - Т. 15. - С. 54-57.

22. Ермаков В.В., Ковальский В.В. Биологическое значение селена. М.: Наука, 1974. - 300 с.

23. Жолкевич В.Н. Энергетика дыхания высших растений в условиях водного дефицита. М.: Наука, 1968. - 235 с.

24. Жолкевич В.Н., Гусев Н.А., Капля А.В. с соавт. Водный обмен растений. М.: Наука, 1989. - 256 с.

25. Журбицкий З.И. Теория и практика вегетационного метода. М.: Наука, 1968. - 266 с.

26. Калинкина JI. Г., Ясюкова Т. Б. Развитие окислительного стресса в клетках Chlorella stigmatophora и их обесцвечивание при ингибировании гликолатного пути на фоне засоления // Физиология растений. 2001. - Т. 48, № 5. - С. 746-752.

27. Кения М.В., Лукаш А.И., Гуськов Е.П. Роль низкомолекулярных антиоксидантов приокислительном стрессе // Успехи совр. биологии. 1993. - Т. 116, вып. 4. - С. 456-470.

28. Кирпичников Н.А., Черных Н.А., Черных И.Н. Влияние антропогенных факторов на распределение тяжелых металлов в почвах ландшафтов юга Московской области // Агрохимия. 1993. - № 2. -С. 93-101.

29. Князев Д.А., Смарыгин С.Н. Неорганическая химия. М.: Высшая школа, 1990.-430 с.

30. Ковальский В.В. Блохина Р.А. Геохимическая экология эндемического зоба // Труды биогеохимической лаборатории АН СССР. 1974. -Т. 13.-С. 191-216.

31. Ковальский В.В. Вопросы геохимии. М.: Наука, 1965. - 565 с.

32. Ковальский В.В. (отв. ред.), Воротницкая И.Е. Биологическая роль микроэлементов. М.: Наука, 1983. — 238 с.

33. Конова Н.И. К вопросу о биогеохимии селена в различныхгеохимических условиях // Микроэлементы. 1993. - Вып. 33. - С. 43-48.

34. Кособрюхов А.Н. Определение малых количеств селена в биологических материалах в условиях биогеохимической провинции на Южном Урале // Тезисы докладов на конференции по биогеохимическим провинциям СССР. М: Изд-во АН СССР, 1957. - С. 34-35.

35. Косулина Л.Г., Луценко Э.К., Аксенова В.А. Физиология устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды. Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского университета, 1993. - 235 с.

36. Красновский А.А. Синглетный кислород: механизмы образования и пути дезактивации в биологических системах // Биофизика. 1994 - Т. 39, вып. 2. - С. 236-250.

37. Кузнецов Вас. В., Холодова В. П., Кузнецов Вл. В., Ягодин Б. А. Селен регулирует водный статус растений при засухе // Доклады Академии Наук. 2003. - Т. 390, № 5. - С. 713-715.

38. Кузнецов Вл.В. Индуцибельные системы и их роль при адаптациирастений к стрессорным факторам: Дис. докт. биол. наук. -Кишенев: Институт физиологии растений, АН РМ, 1992, 74 с.

39. Кузнецов Вл. В., Шевякова Н.И. Пролин при стрессе: биологическаяроль, метаболизм, регуляция // Физиология растений. 1999. - Т. 46.-С. 321-336.

40. Куперман Ф.М. Основные этапы развития и роста злаков. С. 34-72. Этапы формирования органов плодоношения злаков. М.: Изд-во МГУ, 1955.-319 с.

41. Куперман Ф.М. Физиология развития, роста и органогенеза пшеницы. С. 7-193. Физиология сельскохозяйственных растений. Том IV. М.: Изд-во МГУ, 1969. - 556 с. Куперман Ф.М. Физиология устойчивости пшеницы. С. 401-490.

42. Максимов Н.А. Краткий курс физиологии растений. М.: Сельхозгиз. 1958.-559 с.

43. Пескин А.В. Взаимодействие активного кислорода с ДНК // Биохимия.1997.-Т. 62, вып. 12.-С. 1571-1578. Плетникова И.П. В сб. Фармакология и токсикология препаратов селена. -М., 1967. С 32-37.

44. Потапов Н.Г. Минеральное питание пшеницы. С. 242-292. Физиологиясельскохозяйственных растений. Том IV. М.: Изд-во МГУ, 1969. -556 с.

45. Постников А.В., Илларионова Э.С. Новое в использовании селена в земледелии. М.: Изд-во МСХА, 1991. - 42 с.

46. Пустовой И.В., Филин В.И., Корольков А.В. Практикум по агрохимии. -М.: Колос, 1995. — 336 с.

47. Санькова А.Г. Накопление селена салатом при внесении селенита натрия: Автореф. дисс. канд. биол. наук. М.: Изд-во МСХА, 2001. - 17 с.

48. Селье Г. Стресс без дистресса. Рига: Изд-во Виеда, 1992. - 109 с.

49. Сказкин Ф.Д. Критический период у растений по отношению к недостатку воды в почве. J1.: Наука, 1971. - 120 с.

50. Тарчевский И.А. Механизм влияния засухи на фотосинтетическоеусвоение углекислоты // Физиология фотосинтеза. М.: Наука, 1982.-С. 118-129.

51. Торшин С.П. Влияние естественных и антропогенных факторов на формирование микроэлементного состава продукции растениеводства: Автореф. дисс. докт. биол. наук. -М.: Изд-во МСХА, 1998.-32 с.

52. Торшин С.П., Удельнова Н.И., Конова Н.И., Забродина И.Ю., Машкова Т.Е., Ягодин Б.А. Селен в депонирующих средах Нечерноземной зоны Европейской части России и агрохимический метод коррекции дефицита селена // Экология. 1996. - № 4. - С. 253258.

53. Торшин С.П., Удельнова Т.М., Ягодин Б.А. Биогеохимия и агрохимия селена и методы устранения селенодефицита в пищевых продуктах и кормах // Агрохимия. 1996 а. - № 5. - С. 128-145.

54. Торшин С.П., Ягодин Б.А., Удельнова Т.М. и др. Влияниемикроэлементов Se, Zn, Mo при разной обеспеченности почвы макроэлементами и серой на содержание Se в растениях яровой пшеницы и рапса // Агрохимия. 1996 б. - № 5. - С. 54-64.

55. Торшин С.П., Ягодин Б.А., Удельнова Т.М., Забродина И.Ю. Накопление селена овощными культурами и яровым рапсом при удобрении селеном // Агрохимия. 1995. - № 1. - С. 40-49.

56. Третьяков Н.Н., Карнаухова Т.В., Паничкин JI.A. с соавт. Практикум по физиологии растений. М.: Агропромиздат, 1990. — 272 с.

57. Хочачка П., Сомеро Дж. Стратегия биохимической адаптации. М.: Мир, 1977.-384 с.

58. Чевари С., Чаба И., Секей Й. Роль супероксиддисмутазы вокислительных процессах клетки и метод определения ее в биологических материалах// Лабораторное дело. 1985. - № 11.-С. 678-681.

59. Чиркова Т.В. Физиологические основы устойчивости. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2002. - 224 с.

60. Эмсли Д. Элементы. М.: Мир, 1993. - 257 с.

61. Ягодин Б.А. Кольцо жизни. М: Независимый институт экспертизы и сертификации, 2002. - 144 с.

62. Able A.J., Guest D.I., Sutherland M.W. Hydrogen peroxide yields during the incompatible interaction of tobacco suspension cells inoculated with Phytophtora nicotianae // Plant Physiol. 2000. - V. 124. - P. 899-910.

63. Acar O., Turkan I., Ozdemir F. Superoxide dismutase and activities in drought sensitive and resistant barley (Hordeum vulgare L.) varieties // Acta Physiologiae Plantarum. 2001. - V. 23, № 3. - P. 351-356.

64. Adams P., Nelson D.E., Yamada S. and et al. Growth and Development of

65. Mesembryanthemum crystallinum //New Phytol. 1998. - V. 138. - P. 171-190.

66. Albasel N.,Pratt P.F., Westeot D.W., Guidelines for selenium in irrigation waters // Eviron. Qual. 1989. - V. 18, № 3. - P. 253-259.

67. Alsher R.G., Donahue J.L., Cramer C.L. // Reactive oxygen species andantioxidants relationships in green cells // Physiol. Plantarum. - 1997. - V. 100, № 2. - P. 224-233.

68. Arvy M.P. Selenate and selenite uptake and translocation in bean plants

69. Phaseolus vulgaris) II J. Experemental Botany. 1993. - V. 44. - P. 1083-1087.

70. Aslam M., Harbit К. В., Huffaker R. C. Comparative effects of selenite and selenate on nitrate assimilation in barley seedlings // Plant Cell Environ. 1990. - V. 13. - P. 773-782.

71. Banuelos G.S., Ajwa H.A., Mackey M., Wu L., Cook C., et al. Evalution ofdifferent plant species used for phytoremediation of high soil selenium // J. Environ. Qual. 1997. - V. 26. - P. 639-646.

72. Banuelos G., Schrale G., Plants that remove selenium from soils // California agriculture.- 1989. May-June. - P. 19-20.

73. Bartoli C.G., Simontacchi M., Tambussi E., Beltrano J., Montaldi E.,

74. Puntarulo S. Drought and watering-dependent oxidative stress: effect on antioxidant content in Triticum aestivum L. leaves // J. Experemental Botany. 1999. - V. 50, № 332. - P. 375-383.

75. Bartosz G. Oxidative stress in plants // Acta Physiologiae Plantarum. 1997. -V. 19, № 1. - P. 47-64.

76. Bates L. S., Waldren R. P., Teare I. D. Rapid determination of free praline for water-stress studies // Plant and Soil. - 1973. - V. 39, № 1. - P. 205207.

77. Beauchamp С., Fridovich I. Superoxide dismutase: improved assays and anassay applicable to acrylamide gels // Anal, biochem. 1971. - V 44. -P. 276-287.

78. Becana M., Moran J.F., Iturbe-Ormaetxe I. Iron-depend oxygen freegeneration in plants subjected to environmental stress. Toxicity and antioxidant protection // Plant Soil. 1998. - V. 201. - P. 137-147.

79. Bell P. F., Parker D. R., Page A. L. Contrasting selenate-sulfate interactions in selenium-accumulating and nonaccumulating plant species // Soil Sci. Soc. Am. J. 1992. - V. 56. - P. 1818-1824.

80. Berry M .J., Kieffer J.D., Harney J.W., Larsen P.R. // Selenocysteine confers the biochemical properties characteristic of the type I iodothyronine deodinase. 1991. - V. 266. - P. 14155-14158.

81. Boeck A., Forchammer K., Heider J., Baron C. Selenoprotein synthesis: anexpansion of the genetic code // Trends Biochem. Sci. 1991. - V. 16. - P. 463-467.

82. Bohnert H., Nelson D.E., Jensen R.G. Adaptations to Environmental Stresses // Plant Cell. V. 7. - P. 1099-1111.

83. Bosma W., Schupp R., De Kok L. J., Rennenberg H. Effect of selenate on assimilatory sulfate reduction and thiol content of spruce needles // Plant Physiol. Biochem. 1991. - V. 29, № 2. - P. 131-138.

84. Bowler C., Van Montagu M., Inze D. Superoxide dismutase and stresstolerance // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. - 1992. - V. 43.-P. 83-116.

85. Boyer J. H. Plant productivity and environment // Science. - 1982. - V. 218. -p. 443-448.

86. Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantification ofmicrogram quantities of proteins utilizing the principle of protein-dye-binding // Anal. Biochem. 1976. - V. 72. - P. 248-254.

87. Bray E.A. Molecular Responses to Water Deficit // Plant Physiol. 1993. - V.103.-P. 1035-1040. Bray E.A. Plant Responses to Water Deficit // Trends Plant Sci. - 1997. - V. 2. - P. 48-54.

88. Brennan Т., Frenkel C. Involvement of hydrogen peroxide in the regulation ofsenescence in pear // Plant Physiol. 1977. - V. 59. - P. 411-416. Brown T.A., Shift A. Selenium toxicity and tolerance in higher plants // Biol.

89. Rev. 1982. - V. 57. - P. 59-84. Broyer T.C., Lee D.C., Asher C.J. Selenium and nutration of Astragalus. I.

90. Dawson J. C., Anderson J. W. Incorporation of cysteine and selenocysteineinto cystathionine and selenocystathionine by crude extracts of spinach // Phytochemistry. 1988. - V. 27, № 11. - P. 3453-3460.

91. De Souza M. P., Piickering I.J., Walla M., Terry N. Selenium assimilation and volatilization from selenocyanate-treated Indian Mustard and Muskgrass // Plant Physiol. - 2002. - V. 128. - P. 625-633.

92. De Souza M. P., Pilon-Smits A. H., Lytle С. M., Hwang S., Tai J., Honma T. S. U., Yeh L., Terry N. Rate-limiting steps in selenium assimilation and volatilization by Indian Mustard // Plant Physiol. - 1998. - V. 117. - P. 1487-1494.

93. Easwari K., Lalitha K. Subcellular distribution of selenium during uptake and its influence on mitochondrial oxidations in germinating Vigna radiata L // Biol. Trace Elem. Res. 1995. - V. 48, № 2. - P. 141-160.

94. Elstner E.F., Osswald W. Mechanisms of oxygen activation during plant stress // Proceedings of the Royal Society of Edinburgh. 1994. - V. 102B. -P. 131-154.

95. Eshdat Y., Holland D., Faltin Z., Ben-Hayyim G. Plant glutathione peroxidases // Physiol. - Plant. - 1997. - V. 100. - P. 234-240.

96. Eustice D. C., Kull F. J., Shrift A. In vitro incorporation of selenomethionine into protein by Astragalus polysomes // Plant Physiol. 1981. - V. 67. -P. 1059-1060.

97. Eustice D. C., Kull F. J., Shrift A. Selenium toxicity: aminoacylation andpeptide bond formation with selenomethionine // Plant Physiol. 1981. -V.67.-P. 1054-1058.

98. Feussner I., Wasternack C. The lipoxygenase pathway // Annu. Rev. Plant Biol. 2002. - V. 53. - P. 275-297.

99. Fisher S.E., Munshower F.F., Parady F. Selenium // Reclaiming mine Soils and overburden in the Western United States. USA. Jowa: Soil cans. Soc. of Amer. 1988. - P.109-133.

100. Florence TM. The role of free radicals in disease // Aust N Z J Ophthalmol. -1995. 23, №1.-P. 3-7.

101. Giannopolitis C. N., Ries S. K. Superoxide dismutases // Plant Physiol. 1977. -V. 59.-P. 309-314.

102. Girling C.A. Selenium in agriculture and the environment // Agricultural ecosystem and environment. 1984. - V. 11, №1. - P. 37-65.

103. Gong M., Chen В., Li Z.-G., Guo L.-H. Heat- shock-induced adaptation to heat, chilling, drought and salt stress in maize seedlings and involvement of H202 // J. Plant Physiol. - 2001. - V. 158. - P. 11251130.

104. Hatfield D., Choi I. S., Mischke S., Owens L. D. Selenocysteyl-tRNAsrecognise UGA in Beta Vulgaris, a higher plant, and in Gliocladium virens, a filamentous fungus // Biochem. Biophys. Res. Commun. -1992. V. 184, № 1. - P. 254-259.

105. Heath R.L., Packer L. Photoperoxidation in isolated chloroplast. Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation.// Arch. Biochem. Biophysics. 1968.-V. 125 P. 189-198.

106. Hendry G.A.F. Oxygen and environmental stress in plants: an evolutionarycontext // Proceedings of the Royal Society of Edinburgh. 1994. - V. 102B.-P. 155-165.

107. Jackson B.P., Miller W.P. Effectiveness of phosphate and hydroxide fordesorption of arsenic and selenium species from iron oxides // Soil Sci. Soc. Am. J. 2000. - P. 1616-1622.

108. Jackson M.B. Long-distance signaling from roots to shoots assessed: the flooding story // J. Exp. Botany. 2002. - V. 53. - P.l 75-181.

109. Johansson I., Karlsson M., Johanson U., Larsson C., Kjellbom P. The role of aquaporins in cellular and whole plant water balance // Biochimica et Biophysica Acta. 2000. - V. 1465. - P. 324-342.

110. Kaiser H. and Kappen L. In situ observation of stomatal movements and gas exchage of Aegopodium podagraria in the understorey // J. Exp. Botany.-2000.-V. 51.-P. 1741-1749.

111. Kluge M. The Flow of Carbon in Crassulacean Acid Metabolism (CAM) // Encycl. of Plant Physiol. New Series Photosynthesis II / Berlin: Springer. -1979. V.6. - P. 113-125.

112. Kostyshin S.S., Rudenco S.S., Lastivka T.V. Selenium as a modifier ofantioxidant protection and lipid peroxidation in microclones of Arnica montana L. As affected by C- range ultraviolet rays.// Ukr. Biokhim. Zh. 1997. - V. 69, № 5-6. - P. 148-152.

113. Adaptation of Plants to Salinity // New Phytol. 1993. - V. 125. - P. 59-71.

114. McCord J., Fridovich I. Superoxide dismutase. An enzymic function forerythrocuprein (hemocuprein) // J. Biol. Chem. 1969. - V. 244. - P. 6049-6055.

115. Menconi M. Sgherri C. L. M., Pinzino C., Navari-Izzo F. Activated oxygen production and detoxification in wheat plants subjected to a water deficit programme // J. Experimental Botany. 1995. - V. 46, № 290. -P. 1123-1130.

116. Mikkelsen R. L., Page A. L., Haghnia G. H. Effect of salinity and itscomposition on the accumulation of selenium by alfalfa // Plant and Soil. 1988. - V. 107. - P. 63-67.

117. Milovac M., Djermanovic V., Djujic I. Effects of cereal supplementation with selenium // J. Environ. Pathol. Toxicol. Oncol. - 1998. - V. 17, № 3-4.-P. 313-320.

118. Minorsky P.V. Selenium in plants // Plant Physiol. 2003. - V. 133. - P. 14-15.

119. Mishra R. К., Singhal G. S. Function of photosynthetic apparatus of intactwheat leaves under high light and teat stress and its relationship with peroxidation of thylakoid lipids // Plant Physiol. 1992. - V. 98. - P. 16.

120. Miszalski Z., Slesak I., Niewiadomska E., Baczek-Kwinta R., Luttge U.,

121. Ratajczak R. Subcellar localization and stress responses of superoxide dismutase isoforms from leaves in the C3-CAM intermediate halophyte Mesembryantemum crystallinum L // Plant, Cell and Environment. -1998.-V. 21.-P. 169-179.

122. Momcilovic B. (ed.). Trance elements in man and animals. Zagreb: IMI Inst. Med. Res. Accupational Health Univ. 1991. - V. 7. - P. 3-22.

123. Monk L. S., Fagerstedt К. V., Crawford M. M. Superoxide dismutase as an anaerobic polypeptide // Plant Physiol. - 1987. - V. 85. - P. 1016-1020.

124. Morillon R., Lassalles J. Water deficit during root development: effects on the growth of roots and osmotic water permeability of isolated root protoplasts // Planta. 2002. - V. 214. - P. 392-399.

125. Nakano Y., Asada K. Hydrogen peroxide is scavenged by ascorbate-specific peroxidase in spinach chloroplasts // Plant and Cell Physiol. 1981. -V. 22, № 5. - P. 867-880.

126. Ng B.H., Anderson J.W. Light-dependent incorporation of selenite andsulphite into selenocysteine and cysteine by isolated pea chloroplasts // Phytochemistry. -1979. V. 18. - P. 2069-2074.

127. Nonami H. and Boyer J.S. Turgor and Growth at Low Water Potencials // Plant Physiol. 1989. - V. 89. - P. 798-804.

128. Okuda Т., Matsuda Y., Yamanaka A., Sagisaka S. Abrupt increase in the level of hydrogen peroxide in leaves of winter wheat is caused by cold treatment//Plant Physiol.- 1991.-V. 97.-P. 1265-1267.

129. Padmaja K., Prasad D. D. K., Prasad A. R. K. Effect of selenium onchlorophyll biosynthesis in mung bean seedlings // Phytochemistry. -1989. V. 28, № 12. - P. 3321-3324.

130. Paulo Mazzafera. Growth and biochemical alterations in coffee due toselenium toxicity // Plant and Soil. 1998. - V. 201, № 2. - P. 191-198.

131. Pennanen A., Xue Т., Hartikainen H. Protective role of selenium in plant subjected to severe UV irradiation stress // J. of Applied Botany. -2002.-V. 76.-P. 66-76.

132. Polle A., Krings В., Rennenberg H. Superoxide dismutase activity in needles of Norvegian Spruce trees (Picea abies L.) // Plant Physiol. 1989. - V. 90.-P. 1310-1315.

133. Porta H., Rocha-Sosa M. Plant lipoxygenases. - Physiological and molecular features // Plant Physiol. - 2002. - V. 130. - P. 15-21.

134. Quartacci M. F., Cosi E., Navari-Izzo F. Lipids and NADH depend superoxide production in plasma membrane versicles from roots of wheat grown under copper deficiency or excess // J. of Experemental Botany. -2001. V. 52, № 354. - P. 77-84.

135. Quartacci M. F., Pinzino C., Sgherri C. L. M., Navari-Izzo F. Lipidcomposition and protein dynamics in thilakoides of two wheat cultivars differently sensitive to drought // Plant Physiol. 1995. - V. 108.-P. 191-197.

136. Quartacci M. F., Sgherri С. L. M., Pinzino C., Navari-Izzo F. Superoxideradical production in wheat plants differently sensitive to drought // Proceedings of the Royal Society of Edinburgh. 1994. - V. 102B. - P. 287-290.

137. Rosenfeld I., Beath O.A., Selenium Geobotany, Biochemistry, Toxicity and Nutrition, - N.Y. - London: Acad. Press., 1964. - 411 p.

138. Sabeh F., Wright Т.,Norton S.J. Purification and characterization ofglutathione peroxidase from the Aloe vera plant // Enzyme Prot. -1993.-V. 47.-P. 92-98.

139. Sairam R.K., Srivastava G.C. Changes in antioxidant activity in sub-cellur fractions of tolerant and susceptible wheat genotypes in response to long term salt stress // Plant Science. 2002. - V. 162. - P. 897-904.

140. Scandalios J. G. Oxygen stress and superoxide dismutases // Plant Physiol. -1993.-V. 101.-P. 7-12.

141. Schaedle M., Bassam J. A. Chloroplast glutathione reductase // Plant Physiol. -1977.-V. 59.-P. 1011-1012.

142. Schulthess C.P., Hu Z. Impact of chloride anions on proton and seleniumadsorbtion by aluminium oxide // Soil Sci.Soc.Am. J. 2001. - V. 65. -P. 710-718.

143. Schulze E.D. Carbon dioxide and water vapor exchange in response to drought in the atmosphere and in the soil // Annu. Rev. Plant Physiol. 1986. -V. 37.-P. 247-274.

144. Schuppler U., He P.-H., John P. C. L., Munns R. Effect of water stress on cell division and cell-division-cycle 2-like cell-cycle kinase activity in wheat leaves // Plant Physiol. 1988. - V. 117. - P. 667-678.

145. Schwarz K., Foltz C. Selenium as an integral part of factor 3 against dietary necrotic liver degeneration // J. Amer. Chem. Soc.- 1957, V. 79. - P. 3292 -3293.

146. Sharp R.E. and LeNoble M.E. ABA, ethylene and the control of shoot and root growth under water stress // J. Exp. Botany. 2002. - V. 53. - P. 33-37.

147. Shaw W.H., Anderson J.W. Purification, properties and substrate specificity of adenosine triphosphate sulphutylase from spinach leaf tissue // Biochem. J. - 1972. - V. 127. - P. 237-247.

148. Shunozaki K. and Yamaguchi-Shinozaki K. Gene Expression and Signal

149. Transduction in Water-Stress Response// Plant Physiol. 1997. - V. 115.-P. 327-334.

150. Shrift A. Aspects of selenium metabolism in higher plants // Annu. Rev. Plant Physiol. 1969. - V. 20. - P. 475-494.

151. Siedow J.N. Plant lipoxygenase: structure and function // Annu. Rev. Plant Physiol. - Plant Mol. Biol. - 1991. - V. 42. - P. 145-188.

152. Siegien I., Bogatek R., Corbineau F., Come D. Changes in sucrose content and antioxidant enzyme activities as related to desiccation tolerance of wheat coleoptiles // Acta Physiologiae Plantarum. 2001. - V. 23, № 3 supplement. - P. 95.

153. Stadtman Т. C. Selenium biochemistry // Annu. Rev. Biochem. 1990. - V. 59. -P. 111-127.

154. Stadtman Т. C. Selenocysteine // Annu. Rev. Biochem. 1996. - V. 65. - P. 83100.

155. Taylor C.B. Proline and Water Deficit: Ups, Down, Ins, and Outs // Plant Cell. - 1996. - V. 8. - P. 1221-1224.

156. Telfer A., Dhami S., Bishop S.M., Pillips D., Barber J. (3-carotene quenehes singlet oxygen formed by isolated photosystem II reaction centers // Biochemistry. 1994. - V. 33, № 48. - P. 14469-14474.

157. Terry N., Zayed A. M., De Souza M.P., Tarun A. S. Selenium in higher plants // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 2000. - V. 51. - P. 401432.

158. Westhoff P., Nelson N., Bunemann H., Herrmann R.G. Localization of genes for coupling factor subunits on the spinach plastid chromosome // Curr. Genet. 1981. - V.4. - P. 109-120.

159. Whetherley P.E. Studies in the water relations of cotton plants. The fieldmeasurement of water deficit in leaves // New Phytol. 1950. - V. 49 P. 81-87.

160. Wojtaszek P. Oxidative burst: an early plant response to pathogen infection // Biochem. J. 1997. - V. 322. - P. 681-692.

161. Wu L., Huang Z.-Z. Chloride and sulfate salinity effects on seleniumaccumulation by tall fescue // Crop Sci. 1991. - V. 31. - P. 114-118.

162. Yamaguchi-Shinozaki K., Urao Т., Shinozaki K. Regulation of Genes That are Induced by Drought Stress in Arabidopsis thaliana II J. Plant Research. - 1995. - V. 108. - P. 127-136.

163. Yancey P.H. Compatible and Counteracting Solutes// Cellular and Molecular Physiology of Cell Volume Regulation / Ed. Strange K. Boca Raton: CRCPress, 1994.-P. 81-109.

164. Yancey P.H., Clark M.E., Hand S.C. Living with Water Stress: Evolution of Osmolyte Systems //Science. 1984. - V. 217. - P. 1214-1217.

165. Yang X., Tian Y., Ha P., Gu L. Determination of the selenomethionine content in grain and human blood // Wei. Sheng. Yen. Chiu. 1997. - V. 26, №2.-P. 113-116,.

166. Ye В., Muller H. H., Zhang J., Gressel J. Constitutively elevated levels ofputrescine and putrescine-generating enzymes correlated with oxidant stress resistance in Conyza bonariensis and wheat // Plant Physiol. -1997.-V. 115.-P. 1443-1451.

167. Yokota A., Shigeoka S., Onishi Т., Kitaoka S. Selenium as inducer ofglutathione peroxidase in low carbon dioxide grown Chlamydomonas reinhardtii II Plant Physiol. 1988. - V. 86. - P. 649-651.

168. Zaed A., Lytle С. M., Terry N. Accumulation and volatilization of different chemical species of selenium by plants II Planta. 1998. - V. 206. - P. 284-292.

169. Zeevaart JAD and Creelman RA. Metabolism and physiology of abscisic acid // Annu Rev. Plant Physiol. 1988. - V. 39. - P. 439-473.

170. Zhang J., Kirkham M. B. Drought-stress-induced changes in activities of superoxide dismutase, catalase, and peroxidase in wheat species // Plant Cell Physiol. 1994. - V. 35, № 5. - P. 785-791.

171. Zhang Y., Xiao H. Antagonictic effect of calcium, zinc and selenium against cadmium induced chromosomal aberrations and micronuclei in root cells of Hordeum vulgare // Mutat. Res. 1998. - V. 3, № 1-3. - P. 1-6.

172. Zhu J-K. Salt and Drought Stress Signal Transduction in Plants // Annu. Rev. Plant Biol. 2002. - V. 53. - P. 247-273.

173. Zieve R., Peterson P. J. The accumulation and assimilation of dimethylselenide by four plant species // Planta. 1984. - V. 106. - P. 180-184.

Информация о работе

Кузнецов, Василий Владимирович
кандидата биологических наук
Москва, 2004
ВАК 06.01.04

Диссертация

Защитное действие селена при адаптации растений пшеницы к условиям засухи - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы