Растения на протяжении своей жизни подвергаются воздействию неблагоприятных внешних факторов, действующих с разной силой и продолжительностью. В таких условиях в клетках могут накапливаться агрессивные формы кислорода, которые способны вызывать окислительные повреждения практически всех жизненно важных структур клетки. Поэтому устойчивость и продуктивность растений зависят от способности их к нейтрализации активных форм кислорода [1,2].
К формам активного кислорода относятся нейтральные молекулы (синглетный кислород и пероксид водорода), а также свободнорадикальные частицы (перекисные радикалы, супероксидный анион-радикал, гидроксильный радикал) [1].
Первичными свободными радикалами чаще всего являются свободные радикалы молекулярного кислорода. В первую очередь супероксидный анион, образование которого происходит в первой фотосистеме хлоропластов и в митохондриях на комплексах дыхательной цепи. Супероксид анион-радикал действует как окислитель и как восстановитель.
Наиболее активен гидроксильный радикал, который взаимодействует с большинством органических молекул. Гидроксид-радикал является важным фактором окислительной модификации клеточных структур.
Перекись водорода образуется при участии супероксиддисмутазы в результате нейтрализации супероксид-радикала, а также многих других реакциях, интенсивно протекающих в пероксисомах и глиоксисомах [7].
Синглетный кислород образуется в хлоропластах и может возникать в некоторых темновых ферментативных процессах.
Для сохранности клеток от окислительных повреждений существует система защиты. Эффект антиоксидантной системы определяется как активацией антиоксидантных ферментов, так и накоплением различных низкомолекулярных органических антиоксидантов, которые снижают повреждающее действие стрессоров [5,6]. Система включает ферментативные и неферментативные компоненты. К ферментативным относятся супероксиддисмутаза (СОД), пероксидаза, каталаза.
В результате взаимодействия супероксид-радикалов под действием СОД происходит образование перекиси водорода. Дальнейшее разложение пероксида осуществляют ферменты каталаза и пероксидаза. Каталаза разлагает пероксид до молекулярного кислорода и воды. Пероксидазы катализируют восстановление пероксида при участии субстратов. На данный момент в зависимости от типа субстрата пероксидазы делят на три группы: гваяколовая пероксидаза, аскорбатпероксидаза и глутатионпероксидаза [5].
К неферментативным актиоксидантам относятся витамин Е, пролин, каротиноиды, аскорбиновая кислота, глутатион и некоторые другие низкомолекулярные органические соединения. Они взаимодействуют с агрессивными формами кислорода и нейтрализуют их.
В селекции и производстве гороха в последние десятилетия предпочтение отдается сортам гороха с усатым типом листа. Это эволюционно новая форма гороха, она впервые обнаружена всего 60 лет назад. Главным преимуществом ее является способность формировать неполегающий ли слабо полегающий стеблестой. Это улучшает фитоценотические свойства культуры и технологичность выращивания. Однако потенциал формирования продуктивности и стабильность урожайности в разные по погодным условиям годы у усатых сортов ниже, чем у обычных листочковых сортов [3,4].
В этой связи нами было проведено сравнительное изучение компонентов антиоксидантной системы у листочковых и усатых сортов гороха. Исследовали три сорта листочкового морфотипа (Орловчанин, Труженик, Темп) и шесть сортов усатого типа (Норд, Орлус, Фараон, Алла, Наташа, Ус.П-393), которые выращивали в условиях полевого опыта.
В листочках и усиках гороха у этих сортов в период цветения растений определяли активность пероксидазы и каталазы, а также содержание каротиноидов. Исследовали листья первого продуктивного узла.
Активность каталазы определяли по А.Н. Баху и А.И.Опарину. Данный метод основан на определении количества пероксида водорода, разложившегося под действием фермента. Оставшийся не разложенный пероксид оттитровывали перманганатом калия в кислой среде. Активность пероксидазы определяли по Бояркину. Метод основан на измерении времени, за которое опытный раствор достигает определенной оптической плотности при окислении бензидина. Содержание каротиноидов определяли спектрофотометрическим методом.
Результаты исследований выявили значительные различия по активности ферментов-антиоксидантов в листьях у сортов гороха (табл. 1).
Активность как каталазы, так и пероксидазы была выше в листьях обычного типа. В зависимости от сорта превышение активности пероксидазы в листочках по сравнению с усиками составляло от 10 до 76%, в среднем на 37%. Аналогично активность каталазы в листочках у изученных сортов была на 14-157% выше, чем в усиках, а в среднем на 62%. Самыми высокими показателями активности пероксидазы характеризовался листочковый сорт Труженик, по каталазе – листочковый сорт Темп.
Таблица 1.
Активность каталазы и пероксидазы в листьях у сортов гороха разного морфотипа (усл. ед./1 г сырой массы листьев)
Для защиты хлорофилла от фотоокислительного разрушения каротиноиды имеют существенное значение. Они стабилизируют пигментную систему растений и сохраняют функциональность хлорофилла.
Исследования показали, что концентрация каротиноидов в листочках выше, чем в усиках (таблица 2).
Таблица 2.
Содержание каротиноидов в листочках и усиках у сортов гороха разных морфотипов (мг/г сухой массы)
У изученных листочковых сортов это превышение составляло от 6 до 47%, или в среднем на 30%.
Таким образом, результаты наших исследований свидетельствуют о том, что одной из причин пониженной экологической устойчивости усатых сортов гороха являются более низкие показатели компонентов системы обезвреживания агрессивных форм кислорода.
Список литературы:
Мерзляк Н.М. Активированный кислород и жизнедеятельность растений // Соровский образовательный журнал. -1999. № 9. – С.21-25.
Новикова Н.Е., Зотиков В.И. Физиологические основы устойчивости сельскохозяйственных растений: Учебное пособие. — Орёл: Изд-во ООО Полиграфическая фирма «Картуш», 2015 . – 173 с.
Новикова Н.Е., Лаханов А.П. Особенности формирования биомассы и семенной продуктивности у сортов гороха с усатым типом листа// Доклады РАСХН. – 1997. – №5. С. 11-13.
Новикова Н.Е., Лаханов А.П. О стабильности урожайности сортов гороха с усатым типом листа // Аграрная Россия. – 2002. – №3. – С.43-45.
Полесская О.Г. Растительная клетка и активные формы кислорода. — М.: КДУ, 2007. — 139 с
Радюкина Н. Л. Функционирование антиоксидантной системы дикорастущих видов растений при кратковременном действии стрессоров. – Автореф. докт. дис. биол. наук. – М., 2015. – 48 с.
Чиков В.И. Фотодыхание // Соросовский образовательный журнал. — 1996. — № 11. — С. 2-8.