ДИНАМІКА АКТИВНОСТІ КАТАЛАЗИ В ЛИСТКАХ ПШЕНИЦІ ЗА ДЕФІЦИТУ ВОДИ

Посуха належить до найбільш поширених абіотичних чинників середовища, які обмежують продуктивність культурних рослин [11]. Останні роки в Україні дефіцит води в ґрунті відзначають не лише в літній, але й в осінній період вегетації озимої пшениці, що спричиняє затримку розвитку рослин і погану перезимівлю. Вивчення стійкості рослин пшениці до посухи на ранніх етапах онтогенезу залишається актуальною проблемою сучасної біологічної науки.

Дефіцит води в ґрунті індукує сигнал з коренів до пагонів, який транспортується по ксилемі і спричиняє пригнічення продихової транспірації, зменшення втрат води [12]. Відповідь рослин на дефіцит води охоплює кілька типів адаптивних стратегій, які регулюють водний статус і фізіологічні функції рослин, площу листкової поверхні, співвідношення корінь/пагін [3, 10]. Одночасно відзначається дефіцит СО₂, відбувається інгібування циклу Кальвіна, активності фотосистеми ІІ, що спричиняє надлишкове утворення активних форм кисню (АФК) [6, 9]. Нами було вивчено вплив посухи на ростові процеси у рослин пшениці на ранніх етапах онтогенезу [1, 5]. Було показано, що в період проростання насіння критичними до дії стресового чинника є проліферативні процеси через їх високу енерго- та ресурсоємність. Нами показано, що для переходу клітин до мітозу існує пороговий рівень вмісту води в меристемах , який становить близько 60% води у розрахунку на сиру масу. Зародок проростаючої зернівки пшениці може переходити до стану вимушеного спокою при значному зневодненні, що взагалі властиво для насіння. У сформованого листка пшениці здатність витримувати значний дефіцит води втрачається. Критичною для життєздатності клітин листкового мезофілу є втрата 30-35% води листком від початкової кількості, однак водний дефіцит листка вищий, ніж 5-7%, спричиняє стрес [2]. Водний стрес призводить до дисбалансу в утворенні та утилізації АФК [4]. Встановлено, що посуха викликає деструкцію клітин листкового мезофілу, прискорює їх старіння. Серед найбільш поширених форм АФК знаходиться пероксид водню. Він виконує в клітині регуляторні та сигнальні функції, а в надлишкових кількостях спричиняє окиснювальне пошкодження мембран. Для утилізації пероксиду водню в рослинній клітині функціонують ферменти пероксидази і каталаза [8]. Специфікою каталази є її локалізація в пероксисомах і участь в процесах катаболізму, які активуються в процесі деструкції клітини. Метою наших досліджень було вивчення активності каталази в клітинах мезофілу перших двох листків пшениці за умов ґрунтової посухи.

Матеріали і методи. Рослини озимої м’якої пшениці (Triticum aestivum L.) сортів Київська 8, Херсонська безоста, Сирена одеська, Донська напівкарликова, Київська остиста, Харус вирощували в посудинах, які містили 1 кг сірого лісового ґрунту, до періоду формування двох листків. Надалі рослини контрольного варіанту вирощували за оптимального зволоження, а в дослідних варіантах припиняли полив, що спричиняло зменшення вмісту води в ґрунті з 70 до 30% від повної вологоємності. Протягом трьох діб посухи через кожні 24 години проводили вивчення активності каталази за методом Баха [7]. Розрахунки активності ферменту проводили в ммоль пероксиду водню, що утилізується ферментом за хвилину, у перерахунку на грам сирої маси листків. Повторність досліду чотириразова. Статистична обробка результатів здійснювалась за програмою Microsoft Excel.

Результати та обговорення. Встановлено, що в період посухи вміст води в листках пшениці зменшувався, а водний дефіцит зростав. В рослинах контрольних варіантів вміст води в листках складав 85-67%, але протягом 72 годин зменшувався на 12-15% і складав 73-75% у розрахунку на масу сирої речовини. Втрата такої кількості води листками відповідала умовам середньої посухи. Показано, що вже через 12 годин після припинення поливу в листках рослин пшениці сорту Київська 8 відбувалось незначне зменшення активності каталази, але протягом наступних трьох діб активність каталази знаходилась на одному рівні з рослинами контрольного варіанту (рис.1А).

В листках пшениці Херсонська безоста активність каталази в листках значно зростала через 12 годин після припинення поливу і залишилась на одному рівні протягом трьох діб (рис1. Б). В контролі активність каталази зростала протягом 48 годин, що може бути обумовлене природним старінням перших листків. Наприкінці третьої доби досліду активність каталази у рослин контрольного і дослідного варіанту була однаковою. У пшениці сорту Сирена одеська активність каталази в контролі і досліді варіантів не відрізнялась (рис.1В). У сорту Донська напівкарликова після першої доби посухи відзначено зростання активності каталази в клітинах листкового мезофілу (рис. 2А).

В контролі активність каталази листків пшениці сорту Донська напівкарликова протягом трьох діб також незначно зменшувалась. Наприкінці третьої доби досліду активність каталази у листків контрольного та дослідного варіантів стала однаковою, що свідчить про адаптацію рослин до умов середньої посухи і зменшення пулу субстрату каталази – пероксиду водню.

У пшениці сорту Київська остиста активність каталази в листках дослідного варіанту в період посухи збільшилась наприкінці другої доби посухи, але на третю добу вирівнялась, порівняно з відповідними значеннями контрольного варіанту (рис. 2Б).

У листках пшениці сорту Харус активність каталази за дії ґрунтової посухи зростала вже протягом першої доби, залишалась на такому ж рівні протягом другої доби і вирівнювалась з контролем наприкінці третьої доби (рис. 2 В).

Таким чином, за дії середньої посухи в листках пшениці сортів Херсонська безоста, Донська напівкарликова, Київська остиста, Харус відзначено збільшення активності каталази на першу-другу добу після припинення поливу і вирівнювання значень з контролем наприкінці третьої доби досліду. Середня посуха у цих сортів пшениці спричиняє збільшення ендогенного пулу пероксиду водню, який є специфічним субстратом для каталази. У сортів Київська 8 і Сирена одеська активність каталази в листках контрольного та дослідного варіантів протягом трьох діб залишалась однаковою, що свідчить про стійкість рослин до умов середньої посухи і відсутність значних змін в метаболізмі.

На підставі отриманих нами результатів зміни активності каталази в клітинах листкового мезофілу можна вважати, що умови середньої посухи з втратою листками 10-15% води протягом трьох діб не спричиняють значних деструктивних змін, можуть бути скомпенсовані і не викликають значного зростання ендогенного пулу пероксиду водню в пероксисомах. Однак окремі сорти пшениці відрізняються за стійкістю до дефіциту води в ґрунті вже на початкових етапах онтогенезу, що може бути ідентифіковано за активністю антиоксидантного ферменту каталази.

Висновки. Умови середньої посухи не спричиняли значних змін активності каталази в клітинах мезофілу молодих листків рослин озимої пшениці, що свідчить про відсутність деструктивних процесів та явища катаболізму, яке тісно пов’язане з активацією каталаз, що специфічно локалізовані в пероксисомах.

Література:

1. Жук О.І. Клітинний ріст інтактних рослин в умовах дефіциту води //Алелопатія і сучасна біологія. – Київ. Фітосоціоцентр. – 2006. – С.212-216.

2. Жук О.І. Фізіологічні аспекти посухостійкості пшениці //Фізіологія рослин: проблеми і перспективи розвитку.-т.2.-Київ, «Логос».-2009.-С.226-232.

3. Жук О.И. Адаптивная эволюция водного режима и засухоустойчивости растений //Фактори експериментальної еволюції організмів. Збірка наукових праць.-т.8.-Київ, «Логос».-2010.-С.12-16.

4. Жук О.І. Формування адаптивної відповіді рослин на дефіцит води // Физиология и биохимия культ.растений.-2011.-т.43,№1.- С.26-37.

5. Жук О.І., Григорюк І.П., Гродзинський Д.М. Клітинний ріст інтактних рослин за умов водного стресу //Физиология и биохимия культ.растений.-1999.-т.31,№2.-С.83-92.

6. Foyer C.N., Noctor G. Oxygen processing in photosynthesis:regulation and signaling // New Phytologist.- 2000.-v.146,N2.-P.359-388.

7. Kar M., D. Mishra Catalase, peroxidase and polyphenoloxidase activities during rice leaf senescence // Plant Physiol. – 1976. – Vol.57, №2. – P.315 – 319.

8. Lavaleta-Mancera H.A., Lopez-Delgado H., Loza-Tavera H., Mora-Herrera M.,Trevilla-Garcia C., Vargas-Suarez M., Ougham H. Cytokinin promotes catalase and ascorbate peroxidase activities and preserves the chloroplast integrity during dark senescence //Journal Plant Physiology.-2007.-v.164,N12.-P.1572-1582.

9. Lawlor D.W. Limitation to photosynthesis in water stresset leaves:stomata vs.metabolism and the role of ATP //Annals Botany.- 2002.-v.89, N1.-P.1-15.

10. Potters G., Pasternak T.P., Guisez Y., Palme K.J., Jansen M.A.K. Stress-induced morphogenic responses:growing out of trouble?//Trends Plant Science. -2007.-v.12,N3.-P.98-105.

11. Sarvari M., Boros B. The impact of climate on crop production// Агроекологічний журнал.-2010, №2.-С.53-58.

12. Schachtman D.P., Goodger J.Q.D. Chemical root to shoot signaling under drought// Trends Plant Science.- 2008.-v.13, N6.-P.281-287.