Влияние низкой положительной температуры на формирование антиоксидантной системы световых и этиолированных проростков Amaranthus tricolor L., выращенных из семян, обработанных регуляторами роста

Полный текст

Введение

Низкие температуры относятся к основным абиотическим стрессам, которые значительно снижают урожайность и влияют практически на все функции растений, такие как фотосинтез, поглощение воды и питательных веществ, транспирацию и дыхание [1, 2].

Амарант (Amaranthus tricolor L.) — листовое овощное растение, содержащее биологически активные соединения с антиоксидантной активностью, включая аскорбиновую кислоту, амарантин, β-каротин, фенолы и флавоноиды [3]. В Нечерноземной зоне России возвратные весенние холода до 1–2 °C могут вызывать повреждения и гибель проростков теплолюбивого растения амаранта. Известно, что низкотемпературный стресс индуцирует накопление активных форм кислорода (АФК), таких как супероксидный радикал, перекись водорода, синглетный кислород и гидроксильные радикалы [4, 5]. Повреждения, вызванные АФК, и нарушение клеточного гомеостаза облегчаются действием различных антиоксидантов: ферментативных (каталазы, супероксиддисмутазы, пероксидазы, глутатионредуктазы, глутатионпероксидазы) и неферментативных (аскорбиновая кислота, каротиноиды, альфа-т окоферолы и глутатион) [4, 5]. Механизм образования АФК и их нейтрализация за счет низкомолекулярной антиоксидантной системы были связаны с устойчивостью растений к абиотическим стрессам [6].

Большое внимание уделяется разработке подходов к снижению негативного действия абиотических стрессов на прорастание семян. Недорогим и эффективным методом является предпосевная обработка семян регуляторами роста [7]. Предпосевная обработка семян — это индукция определенного физиологического состояния, в котором растения способны быстрее и лучше активировать защитные реакции, чтобы справиться с абиотическим стрессом [7, 8].

Реакция растений на абиотические стрессы, в т. ч. на низкие положительные температуры, является предметом различных исследований уже несколько десятилетий. Изучение реакции растений на стрессовые факторы необходимо для понимания адаптации растений при выращивании в условиях открытого грунта [9]. На данный момент в литературе нет достаточных данных о том, как реагирует антикосидантная система у проростков амаранта на низкие положительные температуры и какое значение имеет предпосевная обработка для практического использования.

Цель исследования — изучение влияния низкотемпературного стресса на световые и этиолированные проростки амаранта сорта Валентина (A. tricolor L.), выращенные из семян, обработанных регуляторами роста.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования выбрали семена и проростки амаранта овощного типа Amaranthus tricolor L., сорта Валентина селекции ФГБНУ ФНЦО (Московская область).

Предпосевная обработка семян. Тщательно отбирались однородные и полные семена. Всего проводили 4 обработки семян: Альбит (1 г/л), перекись водорода (50 мМ/л), янтарная кислота (500 мг/л). В качестве контроля использовали дистиллированную воду. Семена замачивали в соответствующем водном растворе в течение 4 часов, затем их промывали дистиллированной водой, подсушивали и высевали в торфяные горшки. Часть горшков накрывали материалом, не пропускающим свет, и помещали в темную комнату. Эксперимент проводили в трех повторностях. Растения выращивали при температуре 23 ± 2 °C (T23). На 7-й день торфяные горшки с проростками, выращенными на свету и в темноте, перемещали в термостат при температуре 2,0 ± 0,5 °C (T2) на 8 часов (на ночь).

Биохимические показатели. Содержание фотосинтетических пигментов определяли спектрофотометрическим методом. Суммарное содержание хлорофиллов и каротиноидов рассчитывали по формулам [10]

${{ Хл \,а [{\frac{мг}{г}}]  = \frac{(13,36A_{664,2 } - 5,19A_{648,6})V}{1000m}   }},$

${{ Хл \,б [{\frac{мг}{г}}]  = \frac{(27,43A_{648,6} - 8,12A_{664,2})V}{1000m}   }},$

${{ _с Кар^{\sum}  [{\frac{мг}{г}}]  = \frac{(4,785A_{470 } +   3,657 A_{664,2}   - 12,76 A_{648,6})V}{1000m}   }},$

где A₄₇₀, A_648,6 и A_664,2 — поглощение на 470, 648,6 и 664,2 нм соответственно; V — объем экстрагента (этанола 96 %), мл; m — масса навески образца, г.

Количество амарантина в водных экстрактах определяли с учетом молярного коэффициента экстинкции 5,66·104 л·моль^˗1·с^˗1 и молярного веса 726,6 г·моль^˗1 [11].

Анализ данных. Данные представлены как среднее из трех повторностей ± SD (стандартное отклонение) при уровне значимости P ≤ 0,05. Анализ данных выполняли в среде R [12].

Фотографии семядольных листьев и гипокотиля были сделаны с использованием инвертированного стереомикроскопа Stemi 508 с камерой Axiocam 305 color (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Germany) при 5× увеличении.

Результаты исследования и обсуждение

Влияние предпосевной обработки на морфометрические показатели проростков. Исследование выявило, что предпосевная обработка семян амаранта регуляторами роста растений улучшала морфометрические показатели проростков амаранта, выращенных в условиях света и темноты (табл. 1).

Таблица 1. Морфометрические показатели проростков амаранта сорта Валентина, выращенных из семян, обработанных регуляторами роста в условиях света и темноты

Обработка семян	В условиях света			В условиях темноты
	Длина гипокотиля, см	Длина корня, см	Масса 10 проростков, г	Длина гипокотиля, см	Длина корня, см	Масса 10 проростков, г
H2O (контроль)	2,53  ±  0,18	2,28 ± 0,32	0,0780 ± 0,0022	6,12 ± 0,21	2,10 ± 0,43	0,1003 ± 0,0070
Альбит	3,28 ± 0,21	3,53 ± 0,35	0,0890 ±  0,0027	7,10 ± 0,14	2,62 ± 0,38	0,1120 ± 0,0075
Янтарная кислота	2,78 ± 0,084	4,01 ± 0,27	0,0787 ± 0,0020	6,20 ± 0,15	3,28 ± 0,40	0,1033 ± 0,0043
H2O2	2,87 ± 0,094	3,42 ± 0,25	0,0790 ± 0,0013	5,82 ± 0,10	2,99 ± 0,38	0,1005 ± 0,0038

Обработка семян регуляторами роста: Альбит, H₂O₂ и янтарная кислота (ЯК) — увеличивала длину гипокотиля у проростков, выращенных на свету, на 28,64, 13,44 и 9,88 %, длину корня — на 54,82, 50 и 75,88 %, а биомассу проростков — на 14,10, 1,28 и 0,9 % соответственно.

В условиях темноты обработка семян препаратами Альбит и ЯК также эффективно воздействовала на морфометрические показатели и увеличивала длину гипокотиля на 16,01 и 1,31 % по сравнению с контролем, длину корня — на 24,78 и 56,19 %, а массу проростков — на 11,67 и 2,99 % соответственно. В то же время обработка H₂O₂ снижала длину гипокотиля на 4,9 % по сравнению с контролем.

Примечательно, что в условиях темноты длина гипокотиля в контрольных образцах проростков амаранта была на 141,9 % больше, чем в контрольных образцах, выращенных в условиях света.

В нашем исследовании у этиолированных проростков амаранта сорта Валентина образовывались длинный гипокотиль и желто- розовые семядольные листья, которые при визуальной оценке не раскрывались и были меньше, чем листья проростков, выращенных на свету (рис. 1, 2).

Рис. 1. Семядольный лист 7‑суточного проростка амаранта сорта Валентина, выращенного в условиях света (а) и в темноте (б)
Источник: выполнено автором

Рис. 2. Гипокотиль 7‑суточного проростка амаранта сорта Валентина, выращенного в условиях света (а) и в темноте (б)
Источник: выполнено автором

Влияние низкой положительной температуры на содержание амарантина и фотосинтетических пигментов в световых и этиолированных проростках. Выявлено повышение содержания амарантина при действии низкой положительной температуры во всех проростках, выращенных в условиях света и темноты. При этом наблюдали разный уровень накопления амарантина при действии гипотермии в зависимости от вида регулятора роста (табл. 2).

Таблица 2. Содержание амарантина, мг/г сырой массы, в световых и этиолированных проростках амаранта сорта Валентина, обработанных регуляторами роста  при действии низкой положительной температуры 2 °C

Обработка семян	В условиях света		В условиях темноты
	T23	T2	T23	T2
H2O (контроль)	0,385 ± 0,014	0,395 ± 0,010	0,066 ± 0,003	0,118 ± 0,005
Альбит	0,340 ± 0,008	0,519 ± 0,008	0,058 ± 0,003	0,130 ± 0,005
Янтарная кислота	0,380 ± 0,012	0,406 ± 0,09	0,093 ± 0,002	0,136 ± 0,006
H2O2	0,400 ± 0,011	0,480 ± 0,008	0,079 ± 0,004	0,140 ± 0,006

В световых проростках действие гипотермии повышало содержание амарантина в контроле, а также в проростках, выращенных из семян, обработанных ЯК, H₂O₂ и Альбитом на 2,6; 6,84; 20 и 52,65 %, а в этиолированных проростках — на 78,79; 46,24; 77,22 и 124,14 % соответственно. При этом в контрольных вариантах у этиолированных проростков содержание амарантина было ниже на 82,86 %, чем в световых проростках.

Известно, что именно бетацианины являются фотозащитными соединениями, тесно связанными с холодовым стрессом [13]. Повышение биосинтеза амарантина в условиях гипотермии позволяет предположить, что данный пигмент играет важную роль в устойчивости проростков к холодовому стрессу.

В этиолированных проростках обнаружено следовое содержание суммы хлорофиллов а + б, поэтому представлено только суммарное содержание хлорофиллов в световых проростках. Действие низкотемпературного стресса снизило суммарное содержание хлорофиллов а и б в световых проростках, в контроле и при обработке ЯК — на 9,84 и 3,13 % соответственно (табл. 3).

Таблица 3. Суммарное содержание хлорофиллов а+б в световых проростках амаранта сорта Валентина, обработанных регуляторами роста при действии низкой положительной температуры 2 °C

Обработка семян	Хлорофиллы а+б, мг/г сырой массы
	T23	T2
H2O (контроль)	0,315+0,007	0,284 ± 0,005
Альбит	0,267 ± 0,005	0,325 ± 0,006
Янтарная кислота	0,320 ± 0,012	0,310 ± 0,0010
H2O2	0,321 ± 0,011	0,337 ± 0,009

Возможно, снижение содержания хлорофиллов в условиях низкотемпературного стресса частично связано с нарушением биосинтеза протохлорофилидов или с ингибированием биосинтеза 5-аминолевулиновой кислоты [14]. Известно, что низкотемпературный стресс вызывает окисление липидов в мембране, что приводит к образованию АФК, в основном в пластидах. Впоследствии АФК окисляют фотосинтетический пигмент, снижая содержание хлорофилла [15].

Однако в проростках, семена которых были обработаны H₂O₂ и Альбитом, обнаружили повышение суммарного содержания хлорофиллов на 4,98 и 21,71 % соответственно (см. табл. 3). По-видимому, степень устойчивости хлорофиллов в проростках к действию гипотермии может определяться концентрацией и видом регулятора роста. Так низкая концентрация экзогенной H2O2 регулирует физиологические процессы, включая фотосинтез, повышая устойчивость фотосинтетических пигментов, в т. ч. каротиноидов [16].

В хлоропластах каротиноиды выполняют функцию вспомогательных светособирающих пигментов, направляющих избыточную энергию от хлорофиллов на защиту от фотоокислительных повреждений [17].

В наших опытах на световых проростках были получены неоднозначные данные. В условиях гипотермии содержание каротиноидов снизилось в световых проростках, семена которых были обработаны ЯК, на 11,11 %, а в контроле — на 13,76 %, в то время как у семян, обработанных H₂O₂ и Альбитом, в проростках повысилось количество пигмента на 5,41 и 19,33 % соответственно (табл. 4).

Таблица 4. Суммарное содержание каротиноидов, мг/г сырой массы, в световых и этиолированных проростках амаранта сорта Валентина, обработанных регуляторами роста при действии низкой положительной температуры 2 °C

Обработка семян	В условиях света		В условиях темноты
	T23	T2	T23	T2
H2O (контроль)	0,138 ± 0,004	0,119 ± 0,003	0,024 ± 0,002	0,041 ± 0,001
Альбит	0,119 ± 0,002	0,142 ± 0,005	0,022 ± 0,001	0,049 ± 0,002
Янтарная кислота	0,135 ± 0,007	0,120 ± 0,004	0,029 ± 0,003	0,043 ± 0,005
H2O2	0,148 ± 0,003	0,156 ± 0,004	0,031 ± 0,004	0,043 ± 0,001

При этом в этиолированных проростках при действии низких положительных температур содержание каротиноидов увеличивалось при всех обработках семян: в контроле на 70,83 %, при обработках Альбитом на 122,73 %, ЯК — на 48,28 %, H₂O₂ — на 38,71 %. Отмечено, что в этиолированных проростках накапливается значительно меньшее количество каротиноидов по сравнению со световыми проростками как при оптимальной, так и низкой температуре. Возможно, это связано с тем, что биосинтез каротиноидов в этиолированных проростках ограничивается наличием метаболических предшественников [18].

При действии света в условиях оптимальной температуры нами выявлена сильная активация биосинтеза каротиноидов во всех видах обработки. По-видимому, этиопластные каротиноиды способствуют адаптации этиолированных проростков к свету. При этом регулирование образования каротиноидов в темноте может позволить этиолированным сеянцам оптимизировать переход к фотосинтезу после освещения. Следовательно, процесс деэтиоляции проростков амаранта, индуцируемый светом, включает образование высоких уровней каротиноидов, хлорофиллов и амарантина для поддержания фотосинтетических и защитных реакций.

В условиях гипотермии увеличение содержания суммы хлорофиллов, а также каротиноидов в проростках амаранта, выращенных из семян при обработке H₂O₂ и Альбитом, свидетельствует о повышении устойчивости фотосинтетических пигментов и, следовательно, фотосинтетического аппарата.

Влияние низкой положительной температуры на содержание антиоксиданта амарантина и фотосинтетических пигментов в семядольных листьях световых проростков, выращенных из семян, обработанных регуляторами роста. При изучении накопления амарантина в семядольных листьях световых проростков в ответ на действие низкотемпературного стресса было выявлено, что содержание амарантина увеличивалось, но его количество зависело от варианта обработки. Так, в контроле и при обработке семян H₂O₂, ЯК и Альбитом содержание амарантина под действием гипотермии увеличивалось на 12,46; 35; 41,29 и 44,41 % соответственно (табл. 5).

Таблица 5. Содержание амарантина и фотосинтетических пигментов: хлорофиллов и каротиноидов — в семядольных листьях световых проростков, обработанных регуляторами роста при действии низкой положительной температуры 2 °C

Обработка семян	Амарантин, мг/г  сырой массы		Хлорофиллы, мг/г  сырой массы		Каротиноиды, мг/г  сырой массы
	T23	T2	T23	T2	T23	T2
H2O (Контроль)	0,610 ±  0,010	0,686 ±  0,009	0,667 ±  0,009	0,657 ± 0,012	0,266 ± 0,009	0,276 ± 0,007
Альбит	0,599 ±  0,009	0,865 ±  0,014	0,708 ± 0,012	0,750 ± 0,014	0,290 ± 0,010	0,314 ± 0,006
Янтарная кислота	0,603 ±  0,012	0,852 ±  0,009	0,693 ± 0,010	0,760 ± 0,010	0,278 ± 0,005	0,321 ± 0,007
H2O2	0,618 ±  0,014	0,838 ±  0,010	0,693 ± 0,009	0,777 ± 0,007	0,283 ± 0,008	0,335 ± 0,009

Амарантин — пигмент, необходимый для гомеостаза в условиях абиотического стресса. Значительное накопление бетацианина аккумулируется в верхнем и нижнем эпидермисе, в палисадных и губчатых клетках мезофилла, а также и замыкающих клетках устьиц [19].

Содержание хлорофиллов в условиях низкой положительной температуры снизилось только в семядольных листьях контрольных проростков на 1,5 %, а обработка семян Альбитом, ЯК и H₂O₂ повысила содержание хлорофиллов в проростках на 5,93; 9,67 и 12,12 %.

Wittayathanarattana Т. и др. пришли к выводу, что действие кратковременного положительного низкотемпературного стресса на корневую систему амаранта ограничивает фотосинтез, что приводит к истощению ресурсов растений в тканях и заставляет их сохранять критически важные питательные вещества для выживания. Хлорофилл может быть менее необходим в условиях ограниченных ресурсов и избытка АФК по сравнению с амарантином и каротиноидами [15].

Каротиноиды представляют собой пигменты, накапливающиеся в хлоропластах и имеющие решающее значение для фотозащиты, улавливания света и стабилизации фотосинтетической активности [20], и обладают высокой антиоксидантной способностью, удаляя синглетный кислород и пероксильные радикалы [21].

При действии гипотермии наблюдали повышение уровня каротиноидов во всех вариантах обработки: в контроле на 3,76, при обработке семян Альбитом на 8,27, ЯК на 15,47 и H₂O₂ на 18,37 %.

В условиях низкой положительной температуры в семядольных листьях существенно увеличивается количество антиоксиданта — амарантина и каротиноидов в проростках всех образцов, обработанных Альбитом, H₂O₂ и ЯК. Следовательно, все использованные регуляторы роста запускают или, по крайней мере, поддерживают систему антиоксидантной защиты в световых и этиолированных проростках амаранта сорта Валентина при действии низких положительных температур.

Заключение

Предпосевная обработка семян амаранта регуляторами роста не только повышает качество семян, но и изменяет — повышает или снижает антиоксидантную способность проростков, а также ростовые процессы по сравнению с контролем. Низкая положительная температура индуцирует синтез амарантина в световых и этиолированных проростках при всех видах обработки семян регуляторами роста, тогда как синтез каротиноидов повышается в световых проростках только при обработке семян H₂O₂ и Альбитом, а в этилированных проростках — при обработке Альбитом, ЯК и H₂O₂.

По литературным данным и полученным нами результатам исследования можно предположить, что в условиях гипотермии индуцируется избыток молекул АФК в клетке, которые проявляют как свойства токсичных продуктов метаболизма, так и сигнальных молекул, вовлекаясь в процессы, приводящие к повышению устойчивости проростков к стрессу. Устойчивость проростков амаранта проявляется в количестве индуцированных молекул амарантина, образовавшихся после действия низкотемпературного стресса. Уровень повышения содержания амарантина в семядольных листьях после стрессового действия низкой температуры может указывать на разную способность проростков, индуцировать максимальное для данной обработки количество антиоксидантов. По сравнению с контролем система синтеза амарантина придает большую устойчивость проросткам к действию гипотермии, семена которых были обработаны регуляторами роста.

Об авторах

Екатерина Муратовна Гинс

Федеральный исследовательский центр картофеля им. А.Г. Лорха

Автор, ответственный за переписку.
Email: katya.888888@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5685-6305

младший научный сотрудник

Российская Федерация, 140051, Московская область, Люберецкий район, п. Красково, ул. Лорха, д. 23, литера «В»

Список литературы

Дополнительные файлы