1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физиология растений
  4. T. 70, № 5, 2023

Физиология растений, 2023, T. 70, № 5, стр. 484-493

Кратковременная предобработка мелатонином повышает устойчивость растений ячменя к последующему действию кадмия

Е. Д. Данилова a, *, И. Е. Злобин a, b, М. В. Ефимова a

a Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Национальный исследовательский Томский государственный университет”
Томск, Россия

b Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук
Москва, Россия

* E-mail: nusy.l.d@gmail.com

Поступила в редакцию 04.03.23
После доработки 04.03.2023
Принята к публикации 04.03.2023

Аннотация

Исследовано влияние кратковременной и длительной прикорневой обработки мелатонином на ростовые параметры, фотохимическую активность ФС II, содержание основных фотосинтетических пигментов, перекисное окисление липидов и накопление неорганических ионов в растениях ячменя на фоне действия хлорида кадмия. Впервые показано, что защитное действие фитомелатонина при кратковременной обработке проявляется в снижении токсического действия кадмия на содержание фотосинтетических пигментов и накопление ионов кадмия в побегах и корнях растений ячменя. В основе протекторного действия мелатонина лежит его способность снижать интенсивность окислительного стресса за счет поддержания уровня каротиноидов и повышения активности антиоксидантных ферментов. Эффективность кратковременного применения мелатонина по ряду показателей превосходит его защитный эффект от длительного воздействия. Полученные данные свидетельствуют о возможности применения мелатонина в качестве вещества, индуцирующего состояние прайминга растений при последующем действии кадмия.

Ключевые слова: мелатонин, кадмий, Hordeum vulgare, прайминг, тяжелые металлы, неорганические ионы, фотосинтез

Список литературы

  1. Clemens S., Ma J.F. Toxic heavy metal and metalloid accumulation in crop plants and foods // Annu. Rev. Plant Biol. 2016. V. 67. P. 489. https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-043015-112301

  2. Srivastava V., Sarkar A., Singh S., Singh P., de Araujo A.S.F., Singh R. Agroecological responses of heavy metal pollution with special emphasis on soil health and plant performances // Front. Environ. Sci. 2017. V. 5. P. 1. https://doi.org/10.3389/fenvs.2017.00064

  3. Danilova E.D., Zlobin I.E., Kuznetsov V.V., Efimova M.V. Exogenic melatonin reduces the toxic effect of polymetallic stress on barley plants // Dokl. Biochem. Biophys. 2021. V. 499. P. 228. https://doi.org/10.1134/S1607672921040049

  4. Asgher M., Khan M.I.R., Anjum N.A., Khan N.A. Minimising toxicity of cadmium in plants – role of plant growth regulators // Protoplasma. 2015. V. 252. P. 399. https://doi.org/10.1007/s00709-014-0710-4

  5. Muradoglu F., Gundogdu M., Ercisli S., Encu T., Balta F., Jaafar H., Zia-Ul-Haq M. Cadmium toxicity affects chlorophyll a and b content, antioxidant enzyme activities and mineral nutrient accumulation in strawberry // Biological Res. 2015. V. 48. P. 1. https://doi.org/10.1186/s40659-015-0001-3

  6. Cho U.H., Seo N.H. Oxidative stress in Arabidopsis thaliana exposed to cadmium is due to hydrogen peroxide accumulation // Plant Sci. 2005. V. 168. P. 113. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2004.07.021

  7. Hussain I., Iqbal M., Qurat-Ul-Ain S., Rasheed R., Mahmood S., Perveen F., Wahid A. Cadmium dose and exposure-time dependent alterations in growth and physiology of maize (Zea mays) // Int. J. Agric. Biol. 2012. V. 14. P. 959.

  8. El Rasafi T., Oukarroum A., Haddioui A., Song H., Kwon E.E., Bolan N., Tack F.M.G., Sebastian A., Prasad M.N.V., Rinklebe J. Cadmium stress in plants: a critical review of the effects, mechanisms, and tolerance strategies // Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 2020. P. 1. https://doi.org/10.1080/10643389.2020.183543

  9. Bian M., Zhou M., Sun D., Li C. Molecular approaches unravel the mechanism of acid soil tolerance in plants // Crop J. 2013. V. 1. P. 91. https://doi.org/10.1016/j.cj.2013.08.002

  10. Arnao M.B., Hernandez-Ruiz J. Functions of melatonin in plants: a review // J. Pineal Res. 2015. V. 59. P. 133. https://doi.org/10.1111/jpi.12253

  11. Zhang Y.P., Yang S.J., Chen Y.Y. Effects of melatonin on photosynthetic performance and antioxidants in melon during cold and recovery // Biol. Plant. 2017. V. 61. P. 571. https://doi.org/10.1007/s10535-017-0717-8

  12. Kholodova V.P., Vasil’ev S.V., Efimova M.V., Voronin P.Yu., Rakhmankulova Z.F., Danilova E.Yu., Kuznetsov Vl.V. Exogenous melatonin protects canola plants from toxicity of excessive copper // Russ. J. Plant Physiol. 2018. T. 65. P. 882. https://doi.org/10.1134/S1021443718060080

  13. Nawaz M.A., Jiao Y., Chen C., Shireen F., Zheng Z., Imtiaz M., Bie Z., Huang Y. Melatonin pretreatment improves vanadium stress tolerance of watermelon seedlings by reducing vanadium concentration in the leaves and regulating melatonin biosynthesis and antioxidant-related gene expression // J. Plant Physiol. 2018. V. 220. P. 115. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2017.11.003

  14. Savvides A., Ali S., Tester M., Fotopoulos V. Chemical priming of plants against multiple abiotic stresses: mission possible? // Trends Plant Sci. 2016. V. 21. P. 329. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2015.11.003

  15. Blamey F.P.C., Hernandez-Soriano M.C., Cheng M., Cheng M., Tang C., Paterson D.J., Lombi E., Wang W.H., Scheckel K.G., Kopittke P.M. Synchrotron-based techniques shed light on mechanisms of plant sensitivity and tolerance to high manganese in the root environment // Plant Physiol. 2015. V. 169. P. 2006. https://doi.org/10.1104/pp.15.00726

  16. Danilova E.D., Litvinovskaya R.P., Zlobin I.E., Kolomeichuk L.V., Murgan O.K., Sauchuk A.L., Khripach V.A., Kuznetsov V.V., Efimova M.V. Polymetallic stress changes the endogenous status of brassinosteroids and reduces the effectiveness of photochemical reactions photosystem II in barley plants // Dokl. Biochem. Biophys. 2022. V. 504. P. 123. https://doi.org/10.1134/S1607672922030024

  17. Kopittke P.M., Blamey F.P.C., Asher C.J., Menzies N.W. Trace metal phytotoxicity in solution culture: a review // J. Exp. Bot. 2010. V. 61. P. 945. https://doi.org/10.1093/jxb/erp385

  18. Li Z., Wang P., Menzies N.W., Kopittke P.M. Defining appropriate methods for studying toxicities of trace metals in nutrient solutions // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2018. V.147. P. 872. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2017.09.044

  19. Аникеев В.В., Кутузов Ф.Ф. Новый способ определения листовой поверхности у злаков // Физиология растений. 1961. Т. 8. С. 375.

  20. Buege J.A., Aust S.D. Microsomal lipid peroxidation // Biomembrans. 1978. V. 52. P. 302. https://doi.org/10.1016/s0076-6879(78)52032-6

  21. Lichtenthaler H.K. Chlorophylls and carotenoids: pigments of photosynthetic biomembranes // Plant Cell. 1987. P. 350. https://doi.org/10.1016/0076-6879(87)48036-1

  22. Bates L.S., Waldren R.P., Teare I.D. Rapid determination of free proline for water-stress studies // Plant Soil. 1973. V. 39. P. 205. https://doi.org/10.1007/BF00018060

  23. Beauchamp C., Fridovich I. Superoxide dismutase improved assays and an assay applicable to acrylamide gels // Anal. Biochem. 1971. V. 44. P. 276. https://doi.org/10.1016/0003-2697(71)90370-8

  24. Shevyakova N.I., Stetsenko L.A., Meshcheryakov A.B., Kuznetsov Vl.V. The activity of the peroxidase system in the course of stress-induced CAM development // Russ. J. Plant Physiol. 2002. V. 49. P. 598. https://doi.org/10.1023/A:1020224531599

  25. Esen A.A. Simple method for quantitative, semiquantitative, and qualitative assay of protein // Anal. Biochem. 1978. V. 89. P. 264. https://doi.org/10.1016/0003-2697(78)90749-2

  26. Ruban A.V. Nonphotochemical chlorophyll fluorescence quenching: mechanism and effectiveness in protecting plants from photodamage // Plant Physiol. 2016. V. 170. P. 1903. https://doi.org/10.1104/pp.15.01935

  27. Yan H., Jia S., Mao P. Melatonin priming alleviates aging-induced germination inhibition by regulating β-oxidation, protein translation, and antioxidant metabolism in oat (Avena sativa L.) seeds // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. P. 1. https://doi.org/10.3390/ijms21051898

  28. Mehta V., Kansara R., Srivashtav V., Savaliya P. A novel insight into phytoremediation of heavy metals through genetic engineering and phytohormones // J. Nanosci. Nanomed. Nanobio. 2021. V. 4. P. 1.

  29. Sadak M.S., Abdalla A.M., Abd Elhamid E.M., Ezzo M.I. Role of melatonin in improving growth, yield quantity and quality of Moringa oleifera L. plant under drought stress // Bull. Natl. Res. Cent. 2020. V. 44. P. 1.

  30. Danilova E.D., Efimova M.V., Kolomeichuk L.V., Kuznetsov V.V. Melatonin supports photochemical activity of assimilation apparatus and delays senescence of leaves of monocotyledonous plants // Dokl. Biochem. Biophys. 2020. V. 495. P. 271. https://doi.org/10.1134/S1607672920050051

  31. Wang L.Y., Liu J.L., Wang W.X., Sun Y. Exogenous melatonin improves growth and photosynthetic capacity of cucumber under salinity-induced stress // Photosynthetica. 2016. V. 54. P. 19. https://doi.org/10.1007/s11099-015-0140-3

  32. Zhang Y.P., Yang S.J., Chen Y.Y. Effects of melatonin on photosynthetic performance and antioxidants in melon during cold and recovery // Biol. Plant. 2017. V. 61. P. 571. https://doi.org/10.1007/s10535-017-0717-8

  33. Sharma A., Zheng B. Melatonin mediated regulation of drought stress: physiological and molecular aspects // Plants. 2019. V. 8. P. 1. https://doi.org/10.3390/plants8070190

  34. Hoqu M., Tahjib-Ul-Arif M., Hannan A., Sultana N., Akhter S., Hasanuzzaman M., Akter F., Hossain M.S., Sayed M.A., Hasan M.T., Skalicky M., Li X., Brestic M. Melatonin modulates plant tolerance to heavy metal stress: Morphological responses to molecular mechanisms // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. № 21. P. 1. https://doi.org/10.3390/ijms222111445

  35. Xu L., Zhang F., Tang M., Wang Y., Dong J., Ying J., Chen Y., Hu B., Li C., Liu L. Melatonin confers cadmium tolerance by modulating critical heavy metal chelators and transporters in radish plants // J. Pin. Res. 2020. V. 69. P. 1. https://doi.org/10.1111/jpi.12659

  36. Jiang M., Dai S., Wang B., Xie Z., Li J., Wang L., Li S., Tana Y., Tian B., Shu Q., Huang J. Gold nanoparticles synthesized using melatonin suppress cadmium uptake and alleviate its toxicity in rice // Enviro. Sci. Nano. 2021. V. 8. P. 1042.

  37. Amjadi Z., Namdjoyan S., Soorki A.A. Exogenous melatonin and salicylic acid alleviates cadmium toxicity in safflower (Carthamus tinctorius L.) seedlings // Ecotoxicol. 2021. V. 30. P. 387. https://doi.org/10.1007/s10646-021-02364-y

  38. Hasan M.K., Ahammed G.J., Sun S., Li M., Yin H., Zhou J. Melaton ininhibits cadmium translocation and enhances plant tolerance by regulating sulfur uptake and assimilation in Solanum lycopersicum L. // J. Agric. Food Chem. 2019. V. 67. P. 10563. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.9b0240

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Физиология растений

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал