Физиология растений и генетика 2018, том 50, № 5, 402-409, doi: https://doi.org/10.15407/frg2018.05.402

Влияние кадмия и наночастиц эссенциальных металлов на параметры антиоксидантного метаболизма растений салата

Хоменко И.М., Косык А.И., Таран Н.Ю.

  • Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Учебно-научный центр «Институт биологии и медицины»

Из-за усиления антропогенного воздействия на окружающую среду продуктивность биоценозов снижается. В результуте применения фосфатных минеральных удобрений почвы загрязняются микропримесями кадмия. Рассмотрено использование наночастиц металлов-микроэлементов питания в качестве альтернативного источника подпитки важных сельскохозяйственных культур. Исследовано влияние 0,1 мМ раствора Cd2+ и предпосевной обработки смесью наночастиц Cu, Zn, Mn, Fe на растения салата Lactuca sativa L. двух отличающихся по уровню накопления фенольных метаболитов сортов: Лоло (зеленый цвет надземной части), Лоло Росса (красный цвет). Исследован адаптивный ответ растений салата с помощью анализа содержания первичных продуктов пероксидного окисления липидов (ПОЛ) и активации антиоксидантных систем энзиматического (активность гваяколпероксидазы, фенилаланинаммиаклиазы) и неэнзиматического характера (содержание фенольных соединений). Определена специфика влияния наночастиц эссенциальных металлов и повышенного содержания кадмия. Дополнительная к наночастицам металлов нагрузка кадмием вызывала накопление фенольных метаболитов (36 %) и возрастание активности фени­лаланинаммиаклиазы (в два раза) у зеленого сорта Лоло в отличие от красного Лоло Росса. У обоих сортов снижался уровень продуктов ПОЛ в конце 14-суточной экспозиции, нивелирующее влияние нанообработки на токсическое действие кадмия у них не обнаружено.

Ключевые слова: Lactuca sativa L., ионы кадмия, наночастицы эссенциальных ме­таллов, гидропероксиды липидов, гваяколпероксидаза, фенольные соединения, фенилаланинаммиаклиаза

Физиология растений и генетика
2018, том 50, № 5, 402-409

Полный текст и дополнительные материалы

В свободном доступе: PDF  

Цитированная литература

1. Batsmanova, L.M. & Taran, N.Yu. (2010). Screening of plant adaptive capacity by indicators of oxidative stress. Kyiv: TOV Aveha [in Ukrainian].

2. Kosyk, O.I., Khomenko, I. M., Taran, N.Yu., Aidosova, S.S. & Sarsenbaev, K.N. (2016). Resistance features of mono- and dicotyledonous plants under the action of xenobiotics. ScienceRise: Biological Science, 3, iss. 3, pp. 37-45 [in Russian].

3. Azzi, V., Kazpard, V., Lartiges, B., Kobeissi, A., Kanso, A. & El Samrani, A. G. (2017). Trace metals in phosphate fertilizers used in Eastern Mediterranean countries. Clean Air Soil Water, 45, No. 1. doi: https://doi.org/10.1002/clen.201500988

4. Bradford, M.M. (1976). A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal. Biochem., 72, pp. 248-254. https://doi.org/10.1016/0003-2697(76)90527-3

5. Cuypers, A., Smeets, K., Ruytinx, J., Opdenakker, K., Keunen, E., Remans, T., Horemans, N., Vanhoudt, N., Van Sanden, S., Van Belleghem, F., Guisez, Y., Colpaert, J. & Vangronsveld, J. (2011). The cellular redox state as a modulator in cadmium and copper responses in Arabidopsis thaliana seedlings. J. Plant Physiol., 168, pp. 309-316. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2010.07.010

6. Dias, A. & Kosta, M. (1983). Effect of low salt concentrations on nitrate reductase and peroxidase of sugar beet leaves. J. Exp Bot., 34, pp. 537-543. https://doi.org/10.1093/jxb/34.5.537

7. Eghbaliferiz, S. & Iranshahi, M. (2016). Prooxidant activity of polyphenols, flavonoids, anthocyanins and carotenoids: Updated review of mechanisms and catalyzing metals. Phytother. Res., 30, pp. 1379-1390. doi: https://doi.org/10.1002/ptr.5643

8. Fedenko, V.S., Shemet, S.A. & Struzhko, V.S. (2005). Complexation of cyanidin with cadmium ions in solution. Ukrainian Biochem J., 77, No. 1, pp. 104-109.

9. Ghassemzadeh, F., Yousefzadeh, H. & Arbab-Zavar, M.H. (2008). Antioxidative and metabolic responses to arsenic in the common reed (Phragmites australis): implications for phytoremediation. Land Contam. Reclam., 16, pp. 213-222. https://doi.org/10.2462/09670513.872

10. Juбrez-Maldonado, A., Gonzбlez-Morales, S. & Cabrera-De la Fuente, M. (2018). Nanometals as promoters of nutraceutical quality in crop plants. Impact of Nanoscience in the Food Industry (pp. 277-310). Academic Press. doi: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811441-4.00010-8

11. Karimi, J. & Mohsenzadeh, S. (2017). Physiological effects of silver nanoparticles and silver nitrate toxicity in Triticum aestivum. Iranian Journal of Science and Technology, 41, No. 1, pp. 111-120. doi: https://doi:10.1007/s40995-017-0200-6 https://doi.org/10.1007/s40995-017-0200-6

12. Konotop, Ye.O., Kovalenko, M.S., Ulynets, V.Z., Meleshko, A.O., Batsmanova, L.M. & Taran, N.Yu. (2014). Phytotoxicity of colloidal solutions of metal-containing nanoparticles. Cytology and Genetics, 48, No. 2, pp. 37-42. doi: https://doi.org/10.3103/S0095452714020054

13. Kosyk, O.I., Khomenko, I.M., Batsmanova L.M. & Taran, N.Yu. (2017). Phenylalanine ammonia-lyase activity and anthocyanin content in different varieties of lettuce under the cadmium influence. The Ukrainian Biochemical Journal, 89, No. 2, pp. 85-91. doi: https://doi:10.15407/ubj89.02.085 https://doi.org/10.15407/ubj89.02.085

14. Liu, R., Zhang, H. & Lal, R. (2016). Effects of stabilized nanoparticles of copper, zinc, manganese, and iron oxides in low concentrations on lettuce (Lactuca sativa) seed germination: Nanotoxicants or nanonutrients? Water Air Soil Pollut., 227, No. 1, p. 42. doi: https://doi: 10.1007/s11270-015-2738-2 https://doi.org/10.1007/s11270-015-2738-2

15. Marchand, L., Grebenshchykova, Z. & Mench, M. (2016). Intra-specific variability of the guaiacol peroxidase (GPOD) activity in roots of Phragmites australis exposed to copper excess. Ecological Engineerin, 90, pp. 57-62. doi: https://doi: 10.1016/ j.ecoleng.2016.01.055 https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2016.01.055

16. Mika, A. & Lьthje, S. (2003). Properties of guaiacol peroxidase activities isolated from corn (Zea mays L.) root plasma membranes. Plant Physiol., 132, pp. 1489-1498. doi: https://doi: 10.1104/pp.103.020396 https://doi.org/10.1104/pp.103.020396

17. Park, Jong-Sug, Choung, Myoung-Gun, Kim, Jung-Bong, Hahn, Bum-Soo, Kim, Jong-Bum, Bae, Shin-Chul, Roh, Kyung-Hee, Kim, Yong-Hwan, Cheon, Choong-Ill, Sung, Mi-Kyung & Cho, Kang-Jin (2007). Genes up-regulated during red coloration in UV-B irradiated lettuce leaves. Plant Cell Rep., 26, pp. 507-516. https://doi.org/10.1007/s00299-006-0255-x

18. Park, Jong-Sug, Kim, Jung-Bong, Cho, Kang-Jin, Cheon, Choong-Ill, Sung, Mi-Kyung, Choung, Myoung-Gun & Kyung-Hee, Roh. (2008). Arabidopsis R2R3-MYB transcription factor AtMYB60 functions as a transcriptional repressor of anthocyanin biosynthesis in lettuce (Lactuca sativa). Plant Cell Rep., 27, pp. 985-994. https://doi.org/10.1007/s00299-008-0521-1

19. Smirnov, O.E., Kosyan, A.M., Kosyk, O.I. & Taran, N.Yu. (2015). Response of phenolic metabolism induced by aluminium toxicity in Fagopyrum esculentum Moench. plants. Ukr. Biochem. J., 87, No. 6, pp. 129-135. doi: https://doi.org/10.15407/ubj87.06.129

20. Taran, N., Batsmanova, L., Kovalenko, M. & Okanenko, A. (2016). Impact of metal nanoform colloidal solution on the adaptive potential of plants. Nanoscale Res Lett., 11, pp. 89-95. doi: https://doi:10.1186/s11671-016-1294-z https://doi.org/10.1186/s11671-016-1294-z

21. Zucker, M. (1969). Induction of phenylalanine ammonia-lyase in Xanthium leaf disks. Photosynthetic requirement and effect of daylength. Plant Physiol., 44, pp. 912-922. https://doi.org/10.1104/pp.44.6.912