Действие кислотного дождя и виброзвука на систему антиоксидантов у проростков ячменя обыкновенного

Виброакустическое воздействие и рост кислотности атмосферных осадков – одни из основных проблем современности. В связи ростом техногенной нагрузки на живые организмы особенно актуальным является изучение механизмов их адаптации к неблагоприятным факторам среды. Известно, что растения обладают разными системами защиты от негативного воздействия окружающей среды: увеличивается содержание таких антиоксидантов, как аскорбиновая кислота (АК), рутин, флавоны, полифенольные соединения [Smirnoff, 1996]. Однако до сих пор механизмы функционирования систем антиокислителей у растений изучены недостаточно. Данные по влиянию кислотного дождя и виброакустического воздействия на растения малочисленны. Целью данного исследования явилось изучение действия МКД и виброзвука на содержание антиоксидантов (аскорбиновой кислоты, рутина, каротиноидов и антоциановых пигментов) в онтогенезе растений.

В качестве объекта исследования использовались первые листья 5-10 – дневных проростков ячменя обыкновенного (Hordeum vulgare L.) сорта Роланд, выращенные на свету интенсивностью 5 Дж/м² · с в установке ТКШ -1 ФЛОРА. Растения подвергались обработке МКД с pH=1,8. В состав раствора модели входили 1%-ые растворы серной, соляной и азотной кислот [Velikova et al., 2000]. Первая группа растений обрабатывалась МКД только на 5 сутки (перед анализом и спустя два часа). Вторая – ежедневно с появления первых всходов в течение 10 суток перед анализом и через два часа. Виброзвук создавался аппаратом «Витафон» ТУ-9444-003-33159359-95 в режиме 1 при амплитуде микровибрации 2,8-5,4 мкм с частотой 30-60 Гц. Аппарат контактным способом возбуждает микровибрацию тканей посредством непрерывно меняющейся частоты. Изменение частоты в заданных пределах и переход с одного диапазона на другой происходит автоматически по программе. Количество аскорбиновой (АК), дегидроаскорбиновой (ДАК) и дикетогулоновой (ДКГК) кислот определяли колориметрически, содержание аскорбиновой кислоты и рутина - титрометрически, каротиноиды [Чупахина и др., 2004] и антоциановые пигменты [Муравьева и др., 1981] – спектрофотометрически. Измерения оптической плотности проводили на спектрофотометре Юнико-1201. Полученные данные обработаны статистически с использованием пакета электронных таблиц Microsoft Exel и программы Statistica 6.0 (метод парных сравнений) и представлены в виде средних арифметических значений и их стандартных отклонений из 3-5 независимых экспериментов с 4 повторностями.

В ходе исследования влияния однократной обработки МКД на содержание некоторых антиоксидантов в проростках ячменя обыкновенного было показано, что уровень АК был выше в опытных вариантах и максимальный пул наблюдался у 10-дневных проростков (рис.1). Самое высокое содержание АК отмечено в листьях растений первой опытной группы. Это свидетельствует о том, что защитные реакции растений при действии на них стрессора МКД происходят очень быстро (в течение минут) и протекают на уровне активации антиоксиданта АК [Noormets Asko, 2000]. Эндогенный уровень антоцианов был также выше у опытных групп (рис. 2). Ответная реакция растений на действие МКД была сильнее через два часа при повторном поливе, чем в первые минуты воздействия. Антоциановая индукция, возможно, способствует постепенной адаптации растительных организмов к тем или иным стрессовым условиям.

В ходе исследования влияния однократной обработки МКД на содержание каротиноидов в проростках ячменя обыкновенного было показано (рис. 3), что их уровень в опытном варианте в 2 раза превосходил контрольный в первые минуты после полива и в 1,5 раза при повторном воздействии МКД спустя два часа.

Повышенное содержание каротиноидов, вероятно, объясняется их участием в механизмах защиты фотосинтетического аппарата от различных повреждающих факторов окружающей среды [Стржалка и др., 2003]. Аналогичная закономерность отмечена и в накоплении рутина.

В ходе исследования влияния ежедневной обработки МКД на содержание антоцианов в проростках ячменя обыкновенного было показано (рис. 4), что их уровень в опытных вариантах был ниже контрольного с максимальной разницей на 10-е сутки (в 3,5 раза). Полученные данные по влиянию многократной обработки МКД на другие антиоксиданты (АК, рутин и каротиноиды) неоднозначны и требуют дальнейшего анализа.

Таким образом, однократная обработка растений модельным кислотным дождём повышает содержание исследуемых антиоксидантов (аскорбиновой кислоты, рутина, антоцианов, каротиноидов) в проростках ячменя, а ежедневное воздействие МКД снижает уровень антоциановых пигментов.

При изучении влияния виброзвука с частотой 30 - 60 Гц с амплитудой микровибрации 2,8 – 5,4 мкм на содержание кислот системы аскорбата в листьях ячменя было показано, что экспозиции 0,5, 1 и 5 мин снижали содержание АК, ДАК, ДКГК и оно было в среднем ниже контрольного в 1,2 раза (рис. 5). 30 - минутное виброакустическое воздействие стимулировало накопление АК у ячменя, причем, повышение уровня восстановленной формы АК (в 1,3 раза по отношению к контролю) сопровождалось увеличением ее окисленных форм (ДАК – в 1,5 и ДКГК – в 1,6 раза) (рис. 6), что указывает на одновременно идущие процессы биосинтеза и использования АК. Известно, что неблагоприятные факторы, а в данном случае это 30 – минутная виброзвуковая обработка, способны вызвать у растений окислительный стресс [Ежова и др., 1997], который, возможно, и привел к увеличению пула таких антиоксидантов, как аскорбиновая кислота.

Таким образом, виброзвук с частотой 30 – 60 Гц и экспозицией 30 мин повышал новообразование восстановленной формы аскорбиновой кислоты, а также ее использование в защитных реакциях растений, о чем свидетельствовал рост окисленных форм — дегидроаскорбиновой и дикетогулоновой кислот.

В ходе исследований влияния виброзвука на содержание рутина в листьях ячменя было показано, что экспозиции 0,5 - 15 мин снижали уровень рутина в среднем в 1,2 раза, в то время как при 20 - 30-минутном воздействии виброзвуком количество рутина в опытном варианте в 1,3 раза превосходило контроль. Это могло быть обусловлено окислительно-восстановительной функцией данного соединения, которая связана с другими окислительно- восстановительными системами, а именно системой кислот аскорбата [Иванова, 2006].

Таким образом, виброзвуковая обработка с частотой 30 - 60 Гц с амплитудой микровибрации 2,8 – 5,4 мкм в течение 0,5, 1 и 5 мин снижает содержание АК, ДАК, ДКГК, а 0,5 – 15 мин экспозиции – и уровень рутина в проростках ячменя. С увеличением времени виброзвукового действия от 20 – 30 минут количество рутина повышается, а 30 - минутное воздействие стимулирует также накопление кислот системы аскорбата.

Следовательно, механизм адаптации опытного растения ячменя обыкновенного к стрессу, который мог быть вызван модельным кислотным дождем и виброзвуковым воздействием, проявляется в активном синтезе антиоксидантов и одновременном их использовании на детоксикацию продуктов окислительного стресса.

Литература

1. Ежова Т.А., Солдатова О.П., Ондар У.Н., Мамонова Л.Б., Радюкина Н.Л., Софьин А.В., Романов В.И., Шестаков С.В. Толерантные к норфлуразону карликовые мутанты Arabidopsis thaliana (L.) как объекты изучения резистентности к окислительному стрессу //Физиология растений. 1997. Т. 44, № 5. С. 665-670.

2. Иванова Т.С. Эколого – биохимическая характеристика растений рода Juglans L. С различными адаптационными возможностями: Дис. к.б.н.: 03.06.06. Калининград, 2006. 21 с.

3. Муравьева, В.Н. Бубенчикова, В.В. Беликов. Спектрофотометрическое определение суммы антоцианов в цветках василька синего //Фармакология. 1984. Т. 36, № 5. С. 28-29.

4. Стржалка К., Костецка-Гугала А., Латовски Д. Каротиноиды растений и стрессовое воздействие окружающей среды: роль модуляции физических свойств мембран каротиноидами // Физиол. раст. 2003. 50, № 2. С. 188-193.

5. Чупахина Г.Н., Масленников П.В. Методы анализа витаминов: Практикум /Калининградский ун-т. Калининград, 2004. 35 с.

6. Noormets Asko, Podila G. Krishna, Karnosky David F. // Forest Genet. 2000. 7, № 4. Р. 335-338.

7. Smirnoff N. The function and metabolism of ascorbic acid in plants //Annals of Botany. 1996. 78, № 6. P. 661-669.

8. Velikova V., Yordanov I., Edreva A. Oxidative stress and some antioxidant systems in acid rain-treated bean plants protective role of exogenous polyamines // Plant Sci. 2000. 151, № 1. С. 59-66.

Бабурина Кристина, Сысолятина Кристина