1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Агрохимия
  4. № 8, 2023

Агрохимия, 2023, № 8, стр. 75-87

Анализ связи изоэнзимного полиморфизма ярового двурядного ячменя (Hordeum vulgare L.) с его сортовой устойчивостью к воздействию кадмия

А. В. Дикарев 1, *, В. Г. Дикарев 1, Н. С. Дикарева 1

1 Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии
249032 Калужская обл., Обнинск, Киевское шоссе, 109 км, Россия

* E-mail: ar.djuna@yandex.ru

Поступила в редакцию 14.02.2023
После доработки 23.03.2023
Принята к публикации 15.04.2023

Аннотация

В лабораторном эксперименте выяснили, как связано формирование контрастных реакций сортов ярового двурядного ячменя с изозимным полиморфизмом ряда ферментов, сопряженных с устойчивостью растительного организма к стрессу, на действие кадмия. Были взяты 14 сортов ярового ячменя различного географического происхождения (по 7 чувствительных и устойчивых к Cd2+). Отбор этих сортов был осуществлен в предшествующих исследованиях на основе морфометрических критериев. Семена ячменя этих сортов проращивали в термостате, после чего готовили белковые экстракты проростков, которые потом разделяли с помощью электрофореза в полиакриламидном геле. С фореграммами проводили гистохимические реакции для выявления зон активности следующих ферментов: супероксиддисмутазы, гваяколовой пероксидазы, глутаматдегидрогеназы, алкогольдегидрогеназы, малатдегидрогеназы, глутатионредуктазы, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, каталазы. Подсчитывали частоты встречаемости всех выявленных аллельных вариантов, после чего эти частоты с помощью критерия углового преобразования Фишера сравнивали для групп контрастных по устойчивости к кадмию сортов. В результате удалось выявить ряд изозимов, которые с большей вероятностью встречаются или у устойчивых к Cd2+ сортов, или у чувствительных. Таким образом, можно утверждать, что реакция конкретного сорта ячменя на действие кадмия связана с выработкой у него специфических аллельных вариантов. Полученные данные могут быть использованы для прогнозирования устойчивости или чувствительности отдельно взятого сорта ячменя к действию Cd2+.

Ключевые слова: яровой двурядный ячмень, кадмий, устойчивость к стрессу, контрастные по устойчивости сорта, электрофорез, изоферментный анализ.

Список литературы

  1. Гуральчук Ж.З. Механизмы устойчивости растений к действию тяжелых металлов // Физиол. и биохим. культ. раст. 1994. Т. 26. № 2. С. 107–117.

  2. Феник С.И., Трофимяк Т.Б., Блюм Я.Б. Механизмы формирования устойчивости растений к тяжелым металлам // Усп. совр. биол. 1995. Т. 115. № 3. С. 261–276.

  3. Clemens S. Molecular mechanisms of plant metal tolerance and homestasis // Planta. 2001. V. 212. P. 475–486.

  4. Sawidis T., Breuste J., Mitrovic M., Pavlovic P., Tsigaridas K. Trees as bioindicator of heavy metal pollution in three European cities // Environ. Pollut. 2011. P. 3560–3570.

  5. Кулаева О.А., Цыганов В.Е. Молекулярно-генетические основы устойчивости высших растений к кадмию и его аккумуляции // Экол. генетика. 2010. Т. 8. С. 3–15.

  6. Гераськин С.А., Дикарев А.В., Дикарев В.Г., Дикарева Н.С. Анализ внутривидового полиморфизма ячменя по устойчивости к действию кадмия // Агрохимия. 2021. № 8. С. 57–64.

  7. Дикарев А.В., Дикарев В.Г., Дикарева Н.С. Влияние нитрата свинца на морфологические и цитогенетические показатели растений ярового двурядного ячменя (Hordeum vulgare L.) // Агрохимия. 2014. № 7. С. 45–52.

  8. Дикарев А.В., Дикарев В.Г., Дикарева Н.С., Гераськин С.А. Внутривидовой полиморфизм ярового ячменя (Hordeum vulgare L.) по устойчивости к действию свинца // Сел.-хоз. биол. 2014. № 5. С. 78–87.

  9. Дикарев А.В., Дикарев В.Г., Дикарева Н.С., Гераськин С.А. Исследование изозимного полиморфизма у сортов ярового ячменя (Hordeum vulgare L.), контрастных по устойчивости к свинцу // Сел.-хоз. биол. 2016. Т. 51. № 1. С. 89–99.

  10. Дикарев А.В., Дикарев В.Г., Дикарева Н.С. Сравнительный анализ частоты цитогенетических эффектов в апикальной меристеме корешков проростков сортов ярового ячменя (Hordeum vulgare L.), контрастных по устойчивости к свинцу // Тр. по прикл. бот., генет. и селекции. 2016. Т. 177. № 1. С. 50–68.

  11. Дикарев А.В., Дикарев В.Г., Дикарева Н.С., Гераськин С.А. Факторный анализ полиморфизма сортов ячменя по изоэнзимам, маркирующим устойчивость к свинцу // Агрохимия. 2017. № 6. С. 73–80.

  12. Сарапульцев Б.И., Гераськин С.А. Генетические основы радиорезистентности и эволюция. М.: Атомиздат, 1993. С. 250.

  13. Конарев В.Г. Белки растений как генетические маркеры. М.: Колос, 1983. С. 320.

  14. Созинов А.А. Полиморфизм белков и его значение в генетике и селекции. М.: Наука, 1985. С. 272.

  15. Чесноков Ю.В. ДНК-фингерпринтинг и анализ генетического разнообразия у растений // Сел.-хоз. биол. 2005. № 1. С. 20–40.

  16. Алтухов Ю.П. Генетические процессы в популяциях. М.: Академкнига, 2003. С. 431.

  17. Тимошкина Н.Н., Водолажский Д.И., Усатов А.В. Молекулярно-генетические маркеры в исследовании внутри- и межвидового полиморфизма осетровых рыб (Acipenseriformes) // Экол. генетика. 2010. Т. 8. № 1. С. 12–24.

  18. Алтухов Ю.П., Салменкова Е.А. Полиморфизм ДНК в популяционной генетике // Генетика. 2002. Т. 38. № 9. С. 1173–1195.

  19. Cartes P., McManus M., Wulf–Zotelle C. Differential superoxide dismutase expression in ryegrass cultivars in response to short term aluminum stress // Plant Soil. 2012. V. 350. P. 353–363.

  20. Wang Y., Greger M. Clonal differences in mercury tolerance, accumulation and distribution in willow // J. Environ. Qual. 2004. V. 33. P. 1779–1785.

  21. ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. М.: Стандартинформ, 2010. С. 25.

  22. Маурер Г. Диск-электрофорез. М.: Мир, 1971. С. 247.

  23. Плешков Б.П. Практикум по биохимии растений. М.: Колос, 1976. С. 256.

  24. Остерман Л.А. Методы исследования белков и нуклеиновых кислот. Электрофорез и ультрацентрифугирование. М.: Наука, 1981. С. 288.

  25. Manchenko G.P. Handbook of detection of enzymes on electrophoretic gels. N.Y.: CRC Press, 1994. P. 268.

  26. Зыкова Н.Ю., Лапкова О.С., Хлоповских Ю.Г. Методы математической обработки данных. Воронеж: Издат.-полиграф. центр ВоронежГУ, 2008. С. 84.

  27. Boening D.W. Ecological effects, transport and fate of mercury: a general review // Chemosphere. 2000. V. 40. P. 1335–1351.

  28. Wang Y., Greger M. Clonal differences in mercury tolerance, accumulation and distribution in willow // J. Environ. Qual. 2004. V. 33. P. 1779–1785.

  29. Zhou Z.S., Huang S.Q., Guo K., Mehta S.K., Zhang P.C., Yang Z.M. Metabolic adaptations to mercury-induced oxidative stress in roots of Medicago sativa L. // J. Inorg. Biochem. 2007. V. 101. P. 1–9.

  30. Drazkiewitcz M., Scorczinska-Polit E., Krupa Z. The redox state and activity of superoxide dismutase classes in Arabidopsis thaliana under cadmium or copper stress // Chemosphere. 2007. V. 67. P. 188–193.

  31. Malecka A., Jarmuszkiewicz W., Tomaszewska B. Antioxidative defense to lead stress in subcellular compartments of pea root cells // Acta Biochim. Polonica. 2001. V. 48. № 3. P. 687–690.

  32. Cho U.H., Park J.O. Mercury-induced oxidative stress in tomato seedlings // Plant Sci. 2000. V. 156. P. 1–9.

  33. Cargnelutti D., Tabaldi L.A., Spanevello R.M. Mercury toxicity induces oxidative stress in growing cucumber seedlings // Chemosphere. 2006. V. 65. P. 999–1006.

  34. Chen J., Shiyab S., Han F.X. Bioaccumulation and physiological effects of mercury in Pteris vittata and Nephrolepis exaltata / Ecotoxicology. 2009. V. 18. P. 110–121.

  35. Apel K., Hirt H. Reactive oxygen species: metabolism, oxidative stress, and signal transduction // Annu. Rev. Plant Biol. 2004. V. 55. P. 373–399.

  36. del Ri’o L.A., Sandalio L.M., Corpas F.J., Palma J.M., Barroso J.B. Reactive oxygen species and reactive nitrogen species in peroxisomes, production, scavenging, and role in cell signaling // Plant Physiol. 2006. V. 141. P. 330–335.

  37. Полесская О.Г. Растительная клетка и активные формы кислорода. М.: Университет, 2007. 140 с.

  38. Mittler R., Vanderauwera S., Gollery M., Van Breusegem F. Reactive oxygen gene network of plants // Trends Plant Sci. 2004. V. 9. P. 490–498.

  39. Fried R. Enzymatic and non-enzymatic assay of superoxide-dismutase // Biochemie. 1975. V. 57. P. 657–660.

  40. Inze D., Montagu M. Oxidative stress in plants // Current Opinion in Biotechnology. 1995. V. 6. P. 153–158.

  41. Scandalios J.G. Oxygen stress and superoxide dismutases // Plant Physiol. 1993. V. 101. P. 7–12.

  42. Alscher R.G., Erturk N., Heath L.S. Role of superoxide dismutases (SODs) in controlling oxidative stress in plants // J. Exp. Bot. 2002. V. 53. P. 1331–1341.

  43. Rancelis V., Cesniene T., Kleizaite V. Influence of cobalt uptake by Vicia faba seeds on chlorophyll morphosis induction, SOD polymorphism and DNA methylation // Environ. Toxicol. 2010. V. 10. P. 5–15.

  44. Tanaka Y. Salt tolerance of transgenic rice overexpressing yeast mitochondrial Mn-SOD in chloroplasts // Plant Sci. 1999. V. 148. P. 131–138.

  45. Taylor N.L., Day A.C. Targets of stress-induced oxidative damage in plant mitochondria and their impact on cell carbon/nitrogen metabolism // J. Exp. Bot. 2004. V. 55. № 394. P. 1–10.

  46. Vacca R.A. Production of reactive oxygen species, alteration of cytosolic ascorbate peroxidase, and impairment of mitochondrial metabolism are early events in heat shock–induced programmed cell death in tobacco // Plant Physiol. 2004. V. 134. № 3. P. 1100–1112.

  47. Mallick S., Sinam G., Sinha S. Study on arsenate tolerant and sensitive cultivars of Zea mays L.: differential detoxification mechanism and effect on nutrient status // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2011. V. 74. P. 1316–1324.

  48. Elbaz A., Wei Y., Meng Q. Mercury-induced oxidative stress and impact on antioxidant enzymes in Chlamidomonas reinhardtii // Ecotoxicology. 2010. V. 10. P. 8–18.

  49. Dat J., Vandenabeele S., Vranova E. Dual action of the active oxygen species during plant stress responses // Cell. Mol. Life Sci. 2000. V. 57. P. 779–795.

  50. Lanubile A., Bernardi J., Marocco A. Differential activation of defense genes and enzymes in maize genotypes with contrasting levels of resistance to Fusarium verticilloides // Environ. Exp. Bot. 2012. V. 78. P. 39–46.

  51. Lamb C., Dixon R.A. The oxidative burst in plant disease resistance // Annu. Rev. Plant. Physiol. Plant. Mol. Biol. 1997. V. 48. P. 251–275.

  52. Bolwell G.P., Butt V.S., Davies D.R., Zimmerlin A. The origin of the oxidative burst in plants // Free Radic. Res. 1995. V. 23. P. 517–523.

  53. Lane B.G. Oxalate, germin, and the extracellular matrix of higher plants // FASEB J. 1994. V. 8. P. 294–301.

  54. Hammond-Kosack K.E., Jones J.D.G. Resistance gene-dependent plant defense responses // Plant Cell. 1996. V. 8. P. 1773–1791.

  55. Greenberg J.T., Guo A., Klessig D.F., Ausubel F.M. Programmed cell death in plants: a pathogen-triggered response activated coordinately with multiple defense functions // Cell. 1994. V. 77. P. 551–563.

  56. Grabowska A., Nowicki M., Kwinta J. Glutamate dehydrogenase of the germinating triticale seeds: gene expression, activity distribution and kinetic characteristics // Acta Physiol. Plant. 2011. V. 33. P. 1981–1990.

  57. Loulakakis K.A., Roubelakis-Angelakis K.A. The seven NAD(H)-glutamate dehydrogenase isoenzymes exhibit similar anabolic and catabolic activities // Physiol. Plant. 1996. V. 96. P. 29–35.

  58. Purnell M.P., Scopelites D.S., Roubelakis-Angelakis K.A. Modulation of higher-plant NAD(H) dependent glutamate dehydrogenase activity in transgenic tobacco via alteration of beta-subunit level // Planta. 2005. V. 222. P. 167–180.

  59. Ameziane R., Bernhardt K., Lightfoot D.A. Expression of the bacterial gdhA gene encoding a glutamate dehydrogenase in tobacco and corn increased tolerance to the phosphinothricin herbicide // Nitrogen in a sustainable ecosystem: From the cell to the plant / Eds. M.A. Martins-Loucao, S.H. Lips. Leiden, the Netherlands: Backhuys Publishers, 2000. P. 339–343.

  60. Mungur R., Glass A.D.M., Goodenow D.B. Metabolite fingerprinting in transgenic Nicotiana tabacum altered by the Escherichia coli glutamate dehydrogenase gene // J. Biomed. Biotechnol. 2005. № 2. P. 198–214.

  61. Mungur R., Glass A.D., Wood A.J., Lightfoot D.A. Increased water deficit tolerance in Nicotiana tabacum expressing the Escherichia coli glutamate dehydrogenase gene // Plant Cell Physiol. 2006. V. 54. P. 260–272.

  62. Geburek T., Scholz F., Knabe W. Genetic studies by isozyme gene loci on tolerance and sensitivity in air polluted Pinus sylvestris field trial // Silvae Genetica. 1987. V. 36. № 2. P. 49–53.

  63. Wooton J.C. Re-assessment of ammonium-ion affinities of NADP-specific glutamate dehydrogenases // Biochem. J. 1983. V. 209. P. 527–531.

  64. Thompson C.E., Fernandes C.L., de Souza O.N., de Freitas L.B., Salzano F.M. Evaluation of the impact of functional diversification on Poaceae, Brassicaceae, Fabaceae, and Pinaceae alcohol dehydrogenase enzymes // J. Mol. Model. 2010. V. 16. P. 919–928.

  65. Gietl C. Malate dehydrogenase isoenzymes: cellular locations and role in the flow of metabolites between the cytoplasm and cell organelles // Biochim. Biophys. Acta. 1992. V. 1100. P. 217–234.

  66. Dasika S.K., Vinnakota K.C., Beard D.A. Determination of the catalytic mechanism for mitochondrial malate dehydrogenase // Biophys. J. 2015. V. 108. № 1. P. 408–419.

  67. Sharma P., Dubey R.S. Lead toxicity in plants // Braz. J. Plant. Physiol. 2005. V. 17. P. 35–52.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Агрохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал