АКТИВНОСТЬ И ИЗОФЕРМЕНТНЫЙ СОСТАВ ПЕРОКСИДАЗЫ В ХВОЕ СОСНЫ (PINUS SYLVESTRIS L.) В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫМИ ЭМИССИЯМИ РАЗНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И АВТОТРАНСПОРТА

  • Olga V. Kalugina Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН http://orcid.org/0000-0001-6500-748X
  • Tatiana A. Mikhailova Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН http://orcid.org/0000-0003-2214-8690
  • Larisa V. Afanasyeva Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН http://orcid.org/0000-0003-1339-7302
  • Olga V. Shergina Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН http://orcid.org/0000-0002-6333-8821
Ключевые слова: Pinus sylvestris L., гваякол-зависимая пероксидаза, изоформы пероксидазы, техногенное загрязнение

Аннотация

Состояние вопроса. Воздействие техногенного загрязнения инициирует развитие в тканях растений окислительного стресса, связанного с избыточным образованием активных форм кислорода (АФК). Для предотвращения негативного влияния АФК у растений функционирует антиоксидантная система защиты, важнейшим звеном которой является фермент пероксидаза. Исследования активности этого фермента проводились многими авторами при загрязнении растений определенными поллютантами – озоном, диоксидом серы, тяжелыми металлами. Представляло интерес выяснить проявление защитных свойств одного из чувствительных видов хвойных растений при воздействии разных типов техногенного загрязнения.

Цель работы – исследовать активность и изоферментный состав пероксидазы в хвое Pinus sylvestris L. при воздействии техногенных эмиссий разного состава на территории Байкальского региона.

Материал и методы. Активность гваякол-зависимой пероксидазы определяли спектрофотометрически в реакционной смеси, содержащей цитратно-фосфатный буфер, перекись водорода и гваякол. Определение изоформ пероксидазы осуществляли с помощью нативного электрофореза в полиакриламидном геле.

Результаты. В хвое деревьев сосны на техногенно загрязняемых территориях обнаружено увеличение активности пероксидазы от 6 до 22 раз. Максимальная активность фермента и наиболее высокая изменчивость спектра изопероксидаз отмечаются в хвое при загрязнении фторидами и полиароматическими соединениями. Новые изоформы выявлены в зоне среднеподвижных (Rf от 31 до 60) и в зоне быстрых (Rf от 61 до 100) компонентов. На фоновой территории найдено только две изоформы.

Заключение. Активность пероксидазы и число ее изоформ в хвое адекватно отражают степень техногенного загрязнения и угнетения древостоев и могут быть использованы при мониторинге состояния лесов.

Биографии авторов

Olga V. Kalugina, Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН

канд. биол. наук, старший научный сотрудник лаборатории природных и антропогенных экосистем

Tatiana A. Mikhailova, Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН

д-р биол. наук, заведующий лаборатории природных и антропогенных экосистем

Larisa V. Afanasyeva, Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН

канд. биол. наук, научный сотрудник лаборатории флористики и геоботаники

Olga V. Shergina, Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН

канд. биол. наук, старший научный сотрудник лаборатории природных и антропогенных экосистем

Литература

Andreeva V.A. Ferment peroksidaza: Uchastie v zashchitnom mekhanizme rastenij [Peroxidase enzyme: participation in preservative mechanism of plants]. Moscow: Nauka, 1988. 128 p.

Gosudarstvennyj doklad «O sostoyanii i ob ohrane okruzhayushchej sredy Irkutskoj oblasti v 2019 godu [State report «On the state and Environmental Protection of the Irkutsk region in 2019»]. Irkutsk, 2020, 214 p.

Graskova I.A., Borovskii G.B., Kolesnichenko A.V., Voinikov V.K. Peroksidaza kak komponent signal'noj sistemy kletok kartofelya pri patogeneze kol'cevoj gnili [Peroxidase as a component of the signaling pathway in potato cells during ring rot infection]. Russian J of Plant Phys, 2004, no. 51(5), pp. 621-626.

Loyda Z., Gossrau R., Schibler T. Gistokhimiya fermentov. Laboratornye metody [Histochemistry of enzymes. Laboratory methods]. Moscow: Mir, 1982.

Pobezhimova T.P., Kolesnichenko A.V., Grabel'nykh O.I. Metody izucheniya mitohondrij rastenij. Polyarografiya i elektroforez [Methods of studying plant mitochondria. Polarography and electrophoresis]. Moscow: OOO NPK Promekobezopasnost, 2004. 98 p.

Polesskaya O.G. Rastitel'naya kletka i aktivnye formy kisloroda: uchebnoe posobie [Plant cell and reactive oxygen species: a tutorial]. Moscow, 2007. 140 p.

Rakitsky V.N., Turusov V.S. Mutagennaya i kancerogennaya aktivnost' himicheskih soedinenij [Mutagenic and carcinogenic activity of chemical compounds]. Bulletin of the Russian Academy of Medical Science, 2005, vol. 3, pp. 7-9.

Sadvakasova G.G., Kunaeva R.M. Nekotorye fiziko-himicheskie i biologicheskie svojstva peroksidazy rastenij [Some physicochemical and biological properties of plant peroxidase]. Physiology and biochemistry of cultivated plants, 1987, vol. 19(2), pp. 107-119.

Sorokina E.P., Dmitrieva K.K., Karpov L.K., Maslennikov V.V. Analiz regional'nogo geohimicheskogo fona kak osnova ekologo-geohimicheskogo kartirovaniya ravninnyh territoriya (na primere severnoj chasti Zapadno-Sibirskogo regiona) [Analysis of regional geochemical background as the basis of ecological-geochemical mapping lowland territories (for example, the northern part of the Western Siberian region)]. Applied Geochemistry, 2001, vol. 2, pp. 316-339.

Statsenko A.P., Tuzhilova L.I., Vyugovsky A.A. Rastitel'nye peroksidazy-markery himicheskogo zagryazneniya prirodnyh sred [Vegetable peroxidases are markers of chemical pollution of natural environments]. Bulletin of OGU, 2008, vol. 10(92), pp. 188-191.

Tulokhonov A.K. Bajkal'skij region: Problemy ustojchivogo razvitiya [The Baikal region: problems of sustainable development]. Novosibirsk, Nauka, 1996. 208 p.

Almagro L., Gómez Ros L.V., Belchi-Navarro S., Bru R., Barceló A.R., Pedreño M.A. Class III peroxidases in plant defence reactions. J Exp Bot, 2009, vol. 60, pp. 377-390. https://doi.org/10.1093/jxb/ern277

Blokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K.V. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivation stress: a review. Annals of Botany, 2003, vol. 91, pp. 179-194. https://doi.org/10.1093/aob/mcf118

Brennan T., Frenkel C. Involvement of Hydrogen Peroxide in the Regulation of Senescence in Pear. Plant Physiology, 1977, vol. 59, pp. 411-416. http://dx.doi.org/10.1104/pp.59.3.411

Contin D.R., Soriani H.H., Hernandez I., Furrie, R.P.M., Munne-Bosch S., Martinez C.A. Antioxidant and photoprotective defenses in response to gradual water stress under low and high irradiance in two Malvaceae tree species used for tropical forest restoration. Trees, 2014, vol. 28, pp. 1705-1722. https://doi.org/10.1007/s00468-014-1079-x

Ferrini F., Tattini M., Bussotti F., Fini A. Trees in the urban environment: Response mechanisms and benefits for the ecosystem should guide plant selection for future plantings. Agrochimica, 2014, LVIII(3), pp. 234-246. https://doi.org/10.12871/0021857201432

Foyer C.H., Noctor G. Stress-triggered redox signaling: what´s in pROSpect? Plant Cell Environ, 2016, vol. 39(5), pp. 951-964. https://doi.org/10.1111/pce.12621

Geras’kin S, Volkova P, Vasiliyev D, Dikareva N, Oudalova A, Kazakova E, Makarenko E, Duarte G, Kuzmenkov A. Scots pine as a promising indicator organism for biomonitoring of the polluted environment: A case study on chronically irradiated populations. Mutat Res Gen Tox En, 2019, vol. 842, pp. 3-13. https://doi.org/10.1016/j.mrgentox.2018.12.011

Gorshkov A.G. Determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in the needles of a Scotch pine (Pinus sylvestris L.) a biomonitor of atmospheric pollution. J Anal Chem, 2008, vol. 63(8), pp. 805-811. https://doi.org/10.1134/S1061934808080169

Horsman D.C., Wellburn A.R. Synergistic effects of S02 and N02 polluted air upon enzyme activity in pea seedlings. Environ Pollut, 1975, vol. 8, pp. 123-133.

Horsman D.C., Wellburn A.R. Effect of S02 polluted air up on enzyme activity in plants originating from areas of different annual mean atmospheric S02 concentrations. Environ Pollut, 1977, vol. 13, pp. 33-39.

Hossain M.A., Piyatida P., da Silva J.A.T., Fujita M. Molecular mechanism of heavy metal toxicity and tolerance in plants: central role of glutathione in detoxification of reactive oxygen species and methylglyoxal and in heavy metal chelation. J Bot, 2012, pp. 1-37. https://doi.org/10.1155/2012/872875

Keller Th. The use of peroxidase activity for monitoring and mapping air pollution areas. Eur J For Pathol, 1974, vol. 4, pp. 11-19. https://doi.org/10.1111/j.1439-0329.1974.tb00407.x

Keller Th. Auswirkungen niedriger S02-Konzentrationen auf junge Fichten. Schweiz Z. Forstwesen, 1976, vol. 127, pp. 237-251.

Kohaich K., Baaziz M. New investigations on the guaiacol peroxidase of Opuntia ficus indica L. and its modulation by ascorbic acid and copper. Towards an optimization of quantitative and qualitative tests. J Molec Catal B: Enzymatic, 2015, vol. 119, pp. 26-32. https://doi.org/10.1016/j.molcatb.2015.05.013

Li C.H., Wang T.Z., Li Y., Zheng Y.H., Jiang G.M. Flixweed is more competitive than winter wheat under ozone pollution: evidences from membrane lipid peroxidation, antioxidant enzymes and biomass. PLoS One, 2013, vol. 8(3), e60109. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0060109

Manual on methods and criteria for harmonized sampling, assessment, monitoring and analysis of the effects of air pollution on forests (2010) UNECE, ICP Forests Programme Coordinating Centre. http://www.icp-forests.org/Manual.htm/ (accessed July, 13, 2019).

McKillup S. Statistics explained. An introductory guide for life scientists. Cambridge University Press, 2012. https://doi.org/10.1017/CBO9780511815935

Murtaza B., Naeem F., Shahid M., Abbas G., Shah N.S., Amjad M., Bakhat H.F., Imran M., Niazi N.K., Murtaza G. A multivariate analysis of physiological and antioxidant responses and health hazards of wheat under cadmium and lead stress. Environ Sci Pollut Res, 2019, vol. 26, pp. 362-370. https://doi.org/10.1007/s11356-018-3605-7

Onele A.O., Chasov A., Viktorova L., Beckett R.P., Trifonova T., Minibayeva F. Biochemical characterization of peroxidases from the moss Dicranum scoparium. South African Journal of Botany, 2018, vol. 119, pp. 132-141. https://doi.org/10.1016/j.sajb.2018.08.014

Passardi F., Cosio C., Penel C., Dunand C. Peroxidases have more functions than a Swiss army knife. Plant Cell Reports, 2005, vol. 24, pp. 255-265. https://doi.org/10.1007/s00299-005-0972-6

Passardi F., Penel C., Dunand C. Performing the paradoxical: how plant peroxidases modify the cell wall. Trend Plant Sci, 2004, vol. 9, pp. 534-540. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2004.09.002

Proidakova O.A., Vasil’eva I.E. Method to Improve Schemes of Sample Preparation and Atomic-Absorption Analysis of Geochemical Samples. Inorg Mater, 2010, vol. 46(14), pp. 1503-1512. https://doi.org/10.1134/S0020168510140062

Rozhkov A.S., Mikhailova T.A. The effect of fluorine-containing emissions on conifers. Berlin Heidelberg: Springer–Verlag, 1993.

Sanina N.B., Proidakova O.A. Heavy metals in soil of the Baikal biosphere reserve (in connection with degradation of fir forests of the Northern macroslope of Khamar-Daban Range). Chin J Geochem, 2006, vol. 25(S), p. 191.

Scandalios J.G. The rise of ROS. Trends Biochem Sci, 2002, vol. 27, pp. 483-486.

Sharma P., Jha A.B., Dubey R.S., Pessarakli M. Reactive oxygen species, oxidative damage, and antioxidative defense mechanism in plants under stressful conditions. J Bot, 2012, pp. 1-26. https://doi.org/10.1155/2012/217037

Si L., Guo C., Cao Y., Cong W., Yuan Z. The effect of nitrobenzene on antioxidative enzyme activity and DNA damage in tobacco seedling leaf cells. Environ Toxicol Chem, 2012, vol. 31(9), pp. 2078-2084. https://doi.org/10.1002/etc.1920

Song H., Wang Y.S., Sun C.C., Wang Y.T., Peng Y.L., Cheng H. Effects of pyrene on antioxidant systems and lipid peroxidation level in mangrove plants Bruguiera gymnorrhiza. Ecotoxicology, 2012, vol. 21(6), pp. 1625-1632. https://doi.org/10.1007/s10646-012-0945-9

Srivastava S., Dubey R.S. Manganese-excess induces oxidative stress, lowers the pool of antioxidants and elevates activities of key antioxidative enzymes in rice seedlings. Plant Growth Regul, 2011, vol. 64, pp. 1-16. https://doi.org/10.1007/s10725-010-9526-1

Tingey D.T., Fites R.C., Wickliff C. Differential foliar sensitivity of soybean cultivars to ozone associated with differential enzyme activities. Physiol Plant, 1976, vol. 37, pp. 69-72. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1976.tb01874.x

Welz B., Sperling M. Atomic Absorption Spectrometry, Weinheim: Willey-VCH, 1999.

Yoruk R., Marshall M.R. Physicochemical properties and function of plant polyphenol oxidase: a review. J Food Biochem, 2003, vol. 27, pp. 361-422. https://doi.org/10.1111/j.1745-4514.2003.tb00289.x

Опубликован
2021-02-28
Как цитировать
Kalugina, O., Mikhailova, T., Afanasyeva, L., & Shergina, O. (2021). АКТИВНОСТЬ И ИЗОФЕРМЕНТНЫЙ СОСТАВ ПЕРОКСИДАЗЫ В ХВОЕ СОСНЫ (PINUS SYLVESTRIS L.) В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫМИ ЭМИССИЯМИ РАЗНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И АВТОТРАНСПОРТА. Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture, 13(1), 11-34. https://doi.org/10.12731/2658-6649-2021-13-1-11-34
Раздел
Биологические исследования