Активность антиоксидантных ферментов и термостабильность мембран у генотипов твердой пшеницы при тепловом стрессе

Актуальность. Недостаточная устойчивость к экстремально высоким температурам окружающей среды является одной из главных причин снижения урожайности сельскохозяйственных культур.
Методы. В данной работе были использованы два контрастных по стрессоустойчивости генотипа твердой пшеницы (Triticum durum Desf.): Баракатли-95 (устойчивый) и Гарагылчыг-2 (чувствительный). Активность антиоксидантных ферментов, каталазы, аскорбатпероксидазы, гваяколпероксидазы и бензидинпероксидазы исследовали спектрофотометрически. Термостабильность мембран определяли по выходу электролитов из интактных растительных тканей.
Результаты. Выявлено, что ключевая роль в элиминации активных форм кислорода при воздействии высоких температур принадлежит гваяколпероксидазе, так как при кратковременном тепловом стрессе наблюдалось значительное повышение активности этого фермента. Тепловой стресс вызвал незначительное снижение активности каталазы и существенное снижение активности аскорбатпероксидазы и бензидинпероксидазы. Наблюдалось повышение концентрации тотального белка при тепловом шоке. Коэффициент повреждаемости мембран возрастал прямо пропорционально температуре нагрева и показал наибольшее значение у чувствительного сорта Гарагылчыг-2. По показателям выхода электролитов из тканей листьев при гипертермии сделан вывод о сортспецифической термостабильности мембран у пшеницы.

1. Mohi-Ud-Din M., Siddiqui M., Rohman M., Jagadish S.V., Ahmed J.U., Hassan M.M., Islam T. Physiological and Biochemical Dissection Reveals a Trade-Off between Antioxidant Capacity and Heat Tolerance in Bread Wheat (Triticum aestivum L.). Antioxidants.2021;10: 351.

2. FAOSTAT. Agricultural data FAO of the United Nations, Rome. 2020. Available from: https://latifundist.com/novosti/54166-analitiki-opublikovali-prognoz-mirovogo-urozhaya-zerna-v-2021-g [Accessed 6th February].

3. Wahid A., Gelani S., Ashraf M., Foolad M.R. Heat tolerance in plants: an overview. Environmental and experimental botany. 2007;61(3): 199–223.

4. Fahad S., Bajwa A.A., Nazir U., Anjum S.A., Farooq A., Zohaib A., Huang J. Crop production under drought and heat stress: plant responses and management options. Frontiers in plant science. 2017;8: 1147.

5. Кошкин Е. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур: Litres. 2018. 200 с.

6. Caverzan A., Casassola A., Brammer S.P. Antioxidant responses of wheat plants under stress. Genetics and molecular biology. 2016;39: 1–6.

7. Savicka M, Petjukevi A, Batjuka A, Škute N. Impact of moderate heat stress on the biochemical and physiological responses of the invasive waterweed Elodea canadensis (Michx. 1803). Archives of Biological Sciences. 2018;70(3): 551–557.

8. Никерова К.М., Галибина Н.А., Чирва О.В., Климова А.В. Активные формы кислорода и компоненты антиоксидантной системы — участники метаболизма растений. Взаимосвязь с фенольным и углеводным обменом. Сер. Экспериментальная биология. 2021. № 3. С. 5–20

9. Huseynova I.M., Aliyeva D.R., Mammadov A.Ch., Aliyev J.A. Hydrogen peroxide generation and antioxidant enzyme acticities in the leaves and roots of wheat cultivars subjected to long-term soil drought stress. Photosynthesis Research. 2015;125: 279–289.

10. Huseynova I.M., Rustamova S.M., Suleymanov S.Y., Aliyeva D.R., Aliyev J.A. Drought induced changes in photosynthetic apparatus and antioxidant components of wheat (Triticum durum Desf.) varieties. Photosynthesis Research. 2016;130(1): 215–223.

11. Aliyeva D.R., Aydinli L.M., Zulfugarov I.S., Huseynova I.M. Diurnal changes of the ascorbate-glutathione cycle components in wheat genotypes exposed to drought. Functional Plant Biology. 2020;47(11): 998–1006.

12. Хохлова Л.П., Валиуллина Р.Н., Мидер Д.Р., Акберова Н.И. Термостабильность мембран и экспрессия генов низкомолекулярных белков теплового шока (мБТШ) при действии на растения повышенных температур и водного дефицита. Биологические мембраны. Журнал мембранной и клеточной биологии.2015, no. 32(1). Pp. 59–71.

13. Chaudhary S., Devi P., Bhardwaj A., Jha U.C., Sharma K.D., Prasad P.V., Nayyar H. Identification and characterization of contrasting genotypes/cultivars for developing heat tolerance in agricultural crops: Current status and prospects. Frontiers in Plant Science. 2020;11: 1505.

14. Nakano Y., Asada K. Hydrogen peroxide is scavenged by ascorbate-specific peroxidase in spinach chloroplasts. Plant and cell physiology. 1981;22:867–880.

15. Mahalingam R., Shah N., Scrymgeour A., Fedoroff N. Temporal evolution of the Arabidopsis oxidative stress response. Plant Molecular Biology. 2005;57: 709–730.

16. Gechev T.S., Gadjev I., Van Breusegem F., Inzé D., Dukiandjiev S., Toneva V., Minkov I. Hydrogen peroxide protects tobacco from oxidative stress by inducing a set of antioxidant enzymes. Cellular and Molecular Life Sciences CMLS. 2002;59: 708–714

17. Kumar G.M., Knowles N.R. Changes in lipid peroxidation and lipolytic and free-radical scavenging enzyme activities during aging and sprouting of potato (Solanum tuberosum) seed-tubers. Plant Physiology.1993;102: 115–124.

18. Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analytical biochemistry.1976;72: 248–254

19. Лукаткин А.С., Шаркаева Э.Ш., Зауралов О.А. Динамика изменений экзосмоса электролитов из листьев кукурузы при различной интенсивности холодового стресса. Физиол. Растений. 1993;40(5): 770–775.

20. Almeselmani M., Deshmukh P., & Sairam R. High temperature stress tolerance in wheat genotypes: role of antioxidant defence enzymes. Acta Agronomica Hungarica. 2009;57: 1–14.

21. Patil P., Gupta A.K., Bains N.S., Kaur K. Variability in enzymatic and non-enzymatic antioxidants in wheat (Triticum aestivum L.) genotypes. Plant Physiology Reports.2021;1–15.

22. Chakraborty U., Pradhan D. High temperature-induced oxidative stress in Lens culinaris, role of antioxidants and amelioration of stress by chemical pre-treatments. Journal of Plant Interactions. 2011;6: 43–52

23. Almeselmani M., Deshmukh P.S., Sairam R.K., Kushwaha S.R., Singh T.P. Protective role of antioxidant enzymes under high temperature stress. Plant science. 2006;171(3): 382–388.

24. Skylas D.J., Cordwell S.J., Hains P.G., Larsen M.R., Basseal D.J., Walsh B.J., Wrigley C.W. Heat shock of wheat during grain filling: proteins associated with heat-tolerance. Journal of Cereal Science. 2002; 35: 175–188.

25. Kosová K., Vítámvás P., Urban MO, Prášil I.T., Renaut J. Plant abiotic stress proteomics: the major factors determining alterations in cellular proteome. Frontiers in plant science. 2018;9: 122.

26. Blum A., Klueva N., Nguyen H.T. Wheat cellular thermotolerance is related to yield under heat stress. Euphytica. 2001;117(2): 117–123.

27. Rustamova S, Shrestha A, Naz AA, Huseynova I. Expression profiling of dreb1 and evaluation of vegetation indices in contrasting wheat genotypes exposed to drought stress. Plant Gene. 2020;25: 2352–4073.