Сформульовано положення, згідно з яким керований окиснювальний стрес може бути використаний як індуктор адаптивних реакцій рослинного організму, що зумовлюють підвищення стійкості до абіотичних стресорів. Згідно з ним індукування стійкості відбувається за умови взаємозалежного зростання вмісту АФК і проникнення іонів кальцію в цитозоль. Показано, що ефект підвищення стійкості рослин до абіотичних стресорів екзогенними саліциловою та абсцизовою кислотами й іонами кальцію реалізується за участі АФК. Доведено, що у виникненні окиснювального стресу, індукованого дією на рослинні тканини екзогенними саліциловою кислотою та пероксидом водню, задіяні кальцієві канали та кальмодулін. Екзогенні індуктори окиснювального стресу здатні спричиняти підвищення активності антиоксидантних ферментів, особливо виразно цей ефект має прояв після ушкоджувальної дії стресорів. Обробка рослинних об'єктів агентами окиснювального стресу активує нагромадження поліфункціональних низькомолекулярних протекторів (проліну та розчинних вуглеводів). Показано, що антиоксиданти пригнічують процес їх нагромадження, індукованого дією саліцилової кислоти та іонів кальцію.

  Скачати повний текст

Дисертаційна робота присвячена встановленню ролі ключових сигнальних посередників, зокрема, АФК, оксиду азоту, сірководню та іонів кальцію у реалізації стрес-протекторної дії ді- і тетраамінів на рослини за гіпертермії та зневоднення. Основними її завданнями було дослідження впливу екзогенних поліамінів на стійкість рослин до гіпертермії та нестачі вологи у зв'язку з модифікацією активності антиоксидантних ферментів і вмісту низькомолекулярних поліфункціональних протекторних сполук; встановлення участі АФК, оксиду азоту, сірководню та іонів кальцію в реалізації захисної дії поліамінів на проростки пшениці за умов гіпертермії; дослідження впливу діамінів на активність діаміноксидази і нітратредуктази як можливих ферментів синтезу NO та встановлення функціональних зв'язків між оксидом азоту і пероксидом водню при реалізації стрес-протекторних ефектів путресцину і кадаверину; визначення дії екзогенних поліамінів на функціонування продихового апарату рослин та дослідження участі іонів кальцію і компонентів ліпідного сигналінгу в реалізації їх ефектів.Встановлено, що досліджувані поліаміни (путресцин, кадаверин і спермін) спричиняли підвищення теплостійкості проростків пшениці. Мінімальна концентрація путресцину, яка викликала вірогідне підвищення виживаності проростків, становила 0,25 мМ. Найвищий захисний ефект всі поліаміни виявляли в концентрації 1 мМ. При цьому захисна дія сперміну була виражена дещо більше, ніж ефекти путресцину і кадаверину. Водночас стрес-протекторна дія двох діамінів в діапазоні концентрацій 0,5-2,5 мМ майже не відрізнялася.Отримані результати також вказують на участь поліамінів у регуляції стану продихів у рослин. Показано, що інкубація епідермісу листків гороху в середовищі з додаванням путресцину або сперміну спричиняла зменшення величини продихової апертури. Вплив поліамінів на функціонування продихового апарату є кальційзалежним. У присутності блокатора кальцієвих каналів LaCl3 вплив путресцину і сперміну на стан продихів виявлявся слабо. Їх ефекти частково нівелювалися хелатором позаклітинного кальцію ЕГТА, проте повністю усувалися інгібітором фосфоліпази C неоміцином. Отримано дані, що вказують також на причетність компонентів ліпідного сигналінгу до регуляторного впливу поліамінів на стан продихів. Вплив путресцину і сперміну на величину апертури продихів не виявлявся у присутності н-бутанолу – інгібітору залежного від фосфоліпази D утворення фосфатидної кислоти, але не його неактивного ізомеру бутанолу-2. Таким чином, отримані результати вказують на можливу роль надходження кальцію в цитозоль з внутрішньоклітинних компартментів та значення сигнальних інтермедіатів, що утворюються за участю фосфоліпаз C і D, в реалізації продихових ефектів поліамінів.Дисертаційне дослідження поглиблює уявлення про механізми стрес-протекторної дії поліамінів на рослини, пов'язані з їх залученням в процеси клітинного сигналінгу. Це створює підґрунтя для включення поліамінів в групу практично значимих фізіологічно активних речовин зі стрес-протекторними ефектами. Встановлений у ґрунтовій культурі за умов посухи, наближених до природних, стрес-протекторний вплив фоліарної обробки путресцином і сперміном на інтактні зелені рослини пшениці дозволяє розглядати цей прийом як перспективний для підвищення посухостійкості рослин у польових умовах.^UPhD thesis is devoted to study the role of key signaling mediators, in particular, ROS, nitric oxide, hydrogen sulfide and calcium ions in the implementation of the stress-protective effect of di- and tetraamines on plants during hyperthermia and dehydration. The main objectives were to exemine the effect of exogenous polyamines on plants resistance to hyperthermia and lack of moisture due to the modification of antioxidant enzymes activity and the content of low molecular weight polyfunctional protective compounds; establishing the participation of ROS, nitric oxide, hydrogen sulfide and calcium ions in the implementation of the protective effect of polyamines on wheat seedlings under conditions of hyperthermia; establishing the effect of diamines on the activity of diamine oxidase (DAO) and nitrate reductase as possible enzymes of NO synthesis and the establishment of functional relationships between nitric oxide and hydrogen peroxide in the implementation of the stress-protective effects of putrescine and cadaverine; determining the effect of exogenous polyamines on the functioning of plant stomatal system and the study of the participation of calcium ions and lipid signaling components in the implementation of their effects.It was found that the studied polyamines (putrescine, cadaverine and spirmine) caused an increase in heat resistance of wheat seedlings. The minimum concentration of putrescine, which caused a probable increase in seedling survival, was 0.25 mM. The highest protective effect of all polyamines was found at a concentration of 1 mM. The protective effect of spermine was expressed slightly more than the effects of putrescine and cadaverine. At the same time, the stress-protective effect of the two diamines in the concentration range of 0.5 – 2.5 mM almost did not differ.The obtained results also indicate the participation of polyamines in the regulation of the condition of the stomata in plants. It has been shown that incubation of pea leaf epidermis in medium with the addition of putrescine or spermine caused a decrease in the size of the respiratory aperture. The effect of polyamines on the functioning of the respiratory system is calcium-dependent. In the presence of a calcium channel blocker LaCl3, the effect of putrescine and spermine on the condition of the stomata was weak. Their effects were partially offset by the extracellular calcium chelator EGTA, but completely eliminated by the phospholipase C inhibitor neomycin.Data were obtained that also indicate on the involvement of LPO in the regulatory effect of polyamines on the condition of the stomata. The effect of putrescine and spermine on the value of the aperture of the stomata was not detected in presence of n-butanol – an inhibitor of phospholipase D-dependent formation of phosphatidic acid, but not its inactive isomer of butanol-2. Thus, the results indicate the possible role of calcium in the cytosol from intracellular compartments and the importance of signaling intermediates formed by phospholipases C and D in the implementation of the respiratory effects of polyamines.Thus, the dissertation research deepens the understanding of the mechanisms of stress-protective action of polyamines on plants associated with their involvement in cellular signaling processes. This creates a basis for the inclusion of polyamines in the group of practically significant physiologically active substances with stress-protective effects. Established in soil culture under drought conditions close to natural, the stress-protective effect of foliar treatment with putrescine and spermine on intact green wheat plants allows us to consider this technique as promising for increasing drought resistance of plants in the field.

Дисертаційна робота присвячена вивченню участі компонентів антиоксидантної та осмопротекторної систем у жита, пшениці і тритикале в їх адаптації до низьких температур та дослідженню індукування цих систем дією газотрансмітерів оксиду азоту (NO) і сірководню (H2S) та фітогормону саліцилової кислоти.У роботі показано зміни у функціонуванні антиоксидантної та осмопротекторної систем при низькотемпературному загартуванні зернових злаків, що вказує на їх значення в адаптації до гіпотермії; встановлено видові та сортові особливості функціонування цих систем і показано можливість їх індукування та підвищення морозостійкості рослин шляхом застосування донорів NO і H2S та фітогормону саліцилової кислоти. Основними експериментальними об'єктами слугували етіольовані проростки пшениці м'якої (Triticum aestivum L., сорт Досконала, озимий, морозостійкий), жита посівного (Secale cereale L., сорт Пам'ять Худоєрка, озимий, морозостійкий), тритикале (× Triticosecale Wittmack, озимі морозостійкі сорти Раритет, Букет та неморозостійкі сорти «дворучки» – Олександра і Підзимок харківський). Загартування проростків проводили протягом 6-7 діб за температури 2–4°С. Також загартовані та незагартовані проростки піддавали проморожуванню за температур діапазону від -5 до -9°С і визначали їх виживаність.У серії експериментів з дослідження впливу донора сірководню на стійкість проростків до від'ємних температур гідросульфід натрію (NaHS) в концентраціях діапазону 0,025–1 мМ додавали в середовище на початку пророщування насіння і на третю добу.В експериментах з оцінки впливу NO на стійкість до від'ємних температур проводили праймування насіння донором NO шляхом занурення в розчин нітропрусиду натрію (Na2[Fe(CN)5NO], НПН) в концентраціях діапазону 50–200 мкМ. В серіях дослідів з комбінованого впливу саліцилової кислоти та НПН насіння досліджуваних варіантів занурювали в розчин, що містив 10 мкМ саліцилової кислоти та 100 мкМ НПН. В роботі проведено порівняння показників функціонування антиоксидантної та осмопротекторної систем етіольованих проростків озимих жита, тритикале і пшениці у фізіологічно нормальних умовах і після холодового загартування, в адаптацію жита до гіпотермії більший внесок роблять високі активність пероксидази та вміст проліну, а тритикале – високий вміст флавоноїдів і цукрів. Водночас у пшениці після загартування більш істотно змінювалася активність антиоксидантних ферментів СОД і каталази. В серіях експериментів з різними сортами тритикале встановлено зв'язок між морозостійкістю та станом антиоксидантної системи. Після загартування проростків при 2–4°C протягом 6 діб у морозостійких сортів тритикале Букет і Раритет активності СОД і каталази підвищувалися, а у менш стійких – Олександра і Підзимок харківський –змінювалися менш істотно. Водночас у цих сортів більш помітно зростала активність пероксидази. У загартованих проростків сортів Букет, Раритет і Олександра вміст цукрів був значно вищим, ніж у сорту Підзимок харківський. Вміст проліну у відповідь на загартування підвищувався в усіх сортів, при цьому абсолютні значення у сортів Букет, Раритет і Підзимок харківський були вищими, ніж у сорту Олександра.Встановлено, що між морозостійкістю проростків і дорослих рослин пшениці, жита і тритикале існує достатньо тісна кореляція (r = 0,78, P ≤ 0,07). Однак тісна кореляція відзначалася між інтегральним нормованим показником, що складався з суми нормованих величин активності антиоксидантних ферментів та вмісту низькомолекулярних протекторів у загартованих проростків злаків і морозостійкістю проростків (r = 0,94, P ≤ 0,01) та рослин у фазі кущіння (r = 0,90, P ≤ 0,05). Цей інтегральний показник може бути використаний як маркер морозостійкості озимих злаків для виявлення стійких генотипів.Проведено порівняльне дослідження впливу екзогенного H2S на стійкість проростків озимих пшениці та жита до кріостресу. Обробка незагартованих проростків NaHS в концентраціях 0,1 і 0,5 мМ викликала підвищення їх виживаності після проморожування при температурі -5°C.Праймування зернівок озимих жита і пшениці донором оксиду азоту нітропрусидом натрію (НПН , 100–200 мкМ) підвищувало здатність проростків до холодового загартування. Показано підвищення виживаності проростків після проморожування внаслідок праймування насіння саліциловою кислотою (10 мкМ) і посилення захисного ефекту при комбінованій обробці саліциловою кислотою зі 100 мкМ НПН. Таким чином, донори газотрансмітерів сірководню та оксиду азоту, а також стресовий фітогормон саліцилова кислота, можуть чинити кріопротекторний вплив на злаки, активуючи сигнальну мережу і посилюючи функціонування антиоксидантної та осмопротекторної систем за умов адаптації рослин до холоду.^UThe dissertation is devoted to the study of the participation of the components of antioxidant and osmoprotective systems in rye, wheat, and triticale in the adaptation to low temperatures, and to the study of these systems' induction by gasotransmitters nitrogen oxide NO and hydrogen sulfide H2S, and phytohormone salicylic acid.In the work, changes in the functioning of antioxidant and osmoprotective systems at low-temperature hardening of grain cereals were shown, which indicates their importance in adapting to hypothermia; species and varietal characteristics of these systems were identified and the possibility of their induction and increase of frost resistance of plants through the application of H2S and NO donors, and phytohormone salicylic acid were shown.The main experimental objects were etiolated seedlings of soft wheat (Triticum aestivum L., variety Doskonala, winter, frost-resistant), rye (Secale cereale L., variety Pamyat' Khudoerka, winter, frost-resistant), and triticale (×Triticosecale Wittmack, frost-resistant winter varieties Raritet and Buket, and non-frost-resistant facultative (‘dvuruchka') ones Alexandra and Pidzymok Kharkivskiy). Hardening of seedlings was performed for 6 -7 days at a temperature of 2-4°C. Hardened and unhardened seedlings were subjected to freezing at temperatures of -5 or -9°C, and their survival was determined.In a series of experiments to study the effect of H2S on the resistance of seedlings to negative temperatures, sodium hydrosulfide (NaHS) in concentrations range of 0.025–1 mM was added to the medium at the beginning of seed germination and on the third day.In the experiments to study the NO effect on frost resistance, seeds were primed with NO donor by immersion to the sodium nitroprusside (Na2[Fe(CN)5NO], SNP) solution in concentrations range of 50-200 µM. In the series of experiments on the salicylic acid and SNP combined effects, seeds of the studied variants were immersed in a solution containing 10 μM salicylic acid and 100 μM SNP.The paper compares the performance indicators of the antioxidant and osmoprotective systems of etiolated seedlings of winter rye, triticale, and wheat in physiologically normal conditions and after cold hardening, high peroxidase activity and proline content make a greater contribution to the rye adaptation to hypothermia, and triticale has a high content of flavonoids and sugars. At the same time, in wheat the activity of the antioxidant enzymes SOD and catalase changed more significantly after hardening.In a series of experiments with different varieties of triticale, a relationship was established between the frost resistance and the state of antioxidant system. After hardening of seedlings of frost-resistant triticale varieties Buket and Raritet at 2-4°C for 6 days, the activities of SOD and catalase increased, and in less resistant Alexandra and Pidzymok Kharkivskiy changed less significantly. At the same time in this varieties the activity of guaiacol peroxidase increased more markedly.The hardened seedlings of Buket, Raritet, and Alexandra varieties had a much higher sugar content than the Pidzymok Kharkivskiy variety. The content of proline in response to hardening increased in all varieties, while the absolute values in the varieties Buket, Raritet, and Pidzymok Kharkivskiy were higher than in the variety Alexandra.It was found that there is a fairly strong correlation between the frost resistance of seedlings and adult plants of wheat, rye and triticale (r = 0.78, P ≤ 0.07. However, a strong correlation was observed between the integral normalized index, which consisted of the sum of normalized values of antioxidant enzyme activity and the content of low-molecular-weight protectors in hardened seedlings, and frost resistance of seedlings (r = 0.94, P ≤ 0.01) and plants in the tillering phase (r = 0.90, P ≤ 0.05), and their frost resistance. This integral index can be used as a marker of frost resistance of winter cereals to identify resistant genotypes.A comparative study of the exogenous H2S effect on resistance of wheat and rye seedlings to cryostress was conducted. Treatment of unhardened seedlings with NaHS at concentrations of 0.1 and 0.5 mM caused an increase in their survival after freezing at -5°C.Priming of rye and wheat seeds by 0.1-0.2 mM SNP increased their hardening ability. The increase in the seedlings' survival after freezing due to priming of seeds was shown as a result of priming seeds with 10 μM salicylic acid, and combined treatment with 10 μM salicylic acid and 100 μM SNP enhanced the protective effect. Thus, donors of gasotransmitters hydrogen sulfide and nitrogen oxide, as well as plant stress hormone salicylic acid, can have a cryoprotective effect on cereals, activating a signaling network and enhancing the functioning of antioxidant and osmoprotective systems when plants adapt to cold.