vuzbiochemiИзвестия вузов. Прикладная химия и биотехнологияProceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology2227-29252500-1558ИРНИТУ10.21285/achb.902MAEZIWvuzbiochemi-1183Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯPHYSICOCHEMICAL BIOLOGYИзучение влияния ионов меди на состав фитостеринов вакуолярной мембраны Beta vulgaris L.Effect of copper ions on the composition of phytosterols of the vacuolar membrane of Beta vulgaris L.https://orcid.org/0000-0001-7440-5658СпиридоноваЕ. В.SpiridononaE. V.

Спиридонова Екатерина Владимировна, к.б.н., научный сотрудник

664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132

Ekaterina V. Spiridonona, Cand. Sci. (Biology), Researcher

132, Lermontov St., Irkutsk, 664033

yatakol@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5159-9816КапустинаИ. С.KapustinaI. S.

Капустина Ирина Сергеевна, к.б.н., старший научный сотрудник

664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132

Irina S. Kapustina, Cand. Sci. (Biology), Senior Researcher

132, Lermontov St., Irkutsk, 664033

   

nirinka24@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7552-0818ГуринаВ. В.GurinaV. V.

Гурина Вероника Валериевна, к.б.н., научный сотрудник

664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132

Veronica V. Gurina, Cand. Sci. (Biology), Researcher

132, Lermontov St., Irkutsk, 664033

   

nichka.g@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1076-3944СемёноваН. В.SemyonovaN.  V.

Семёнова Наталья Викторовна, к.б.н., научный сотрудник

664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132

Natalia V. Semyonova, Cand. Sci. (Biology), Researcher

132, Lermontov St., Irkutsk, 664033

   

tashasemyonova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0436-8166ОзолинаН. В.OzolinaN. V.

Озолина Наталья Владимировна, д.б.н., заведующий лабораторией

664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132

Natalia V. Ozolina, Dr. Sci. (Biology), Head of the Laboratory

132, Lermontov St., Irkutsk, 664033

   

ozol@sifibr.irk.ruСибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАНРоссияSiberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RASRussian Federation2024280320241419098Copyright © Спиридонова Е.В., Капустина И.С., Гурина В.В., Семёнова Н.В., Озолина Н.В., 20242024Спиридонова Е.В., Капустина И.С., Гурина В.В., Семёнова Н.В., Озолина Н.В.Spiridonona E.V., Kapustina I.S., Gurina V.V., Semyonova N.V., Ozolina N.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vuzbiochemi.elpub.ru/jour/article/view/1183

Целью исследования являлось изучение влияния различных концентраций ионов меди на состав фитостеринов вакуолярной мембраны (тонопласта) корнеплодов столовой свеклы (Beta vulgaris L.). Для характеристики стресса, вызванного действием ионов меди, проводилось кондуктометрическое изучение проницаемости клеточных мембран и определение уровня перекисного окисления липидов. В результате установлено, что в присутствии меди происходит увеличение этих показателей в тканях корнеплодов столовой свеклы. Среди фитостеринов тонопласта были изучены β-ситостерин, стигмастерин, кампестерин и холестерин. В составе клеточных мембран они выполняют структурную функцию, вносят вклад в образование липидных микродоменов, оказывают влияние на рост и развитие растений, а также участвуют в ответных реакциях растений на стресс. Изучение влияния ионов меди на фитостерины тонопласта показало, что большую часть из них занимает свободная форма. В присутствии 100 мкМ меди было выявлено существенное увеличение содержания кампестерина. Важным показателем состояния растительных мембран являются отношения стигмастерина/β-ситостерина и 24-метил-/этилстеринов, которые могут влиять на ответ растений на стресс. Выявленные увеличения в соотношениях стигмастерина/β-ситостерина и 24-метил-/этилстеринов, вероятно, выступают в роли одного из механизмов регулирования функционирования тонопласта в условиях стресса, вызванного ионами меди. Таким образом, полученные результаты могут говорить об участии клеточных мембран, в том числе тонопласта, в механизмах адаптации клеток тканей корнеплодов столовой свеклы к стрессу, вызванному ионами меди.

The study set out to investigate the effect of different concentrations of copper ions on the composition of phytosterols of the vacuolar membrane (tonoplast) of beetroot (Beta vulgaris L.). To characterise the stress caused by the action of copper ions, a conductometric study of the permeability of cell membranes and the level of lipid peroxidation was carried out. The results demonstrate an increase in these indicators in beetroot tissues. Among tonoplast phytosterols, β-sitosterol, stigmasterol, campesterol, and cholesterol were studied. In cell membranes, these phytosterols perform a structural function, contributing to lipid microdomain formation, influencing plant growth and development, and participating in plant responses to stress. The study of the effect of copper ions on tonoplast phytosterols showed most of them to be occupied by the free form. In the presence of 100 μM copper, a significant increase in campesterol content was detected. The ratio of stigmasterol/β-sitosterol and 24-methyl-/ ethylsterol, which may influence the stress response of plants, is an important indicator of plant membrane health. The observed increases in the ratios of stigmasterol/β-sitosterol and 24-methyl-/ethylsterols can be explained in terms of mechanisms for regulating the functioning of the tonoplast under stress caused by copper ions. Thus, the obtained results may indicate the participation of cell membranes, including tonoplast, in the mechanisms of adaptation of beetroot tissue cells to stress caused by copper ions.

Beta vulgaris L.медьстрессвакуолярная мембрана (тонопласт)стериныBeta vulgaris L.copperstressvacuolar membrane (tonoplast)sterolsИсследование выполнено за счет средств гранта Российского научного фонда № 23-26-00208 (https://rscf.ru/project/23-26-00208/) на оборудовании Центра коллективного пользования «Биоаналитика» Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН (г. Иркутск, Российская Федерация).The study was funded by the grant of the Russian Science Foundation no. 23-26-00208, https://rscf.ru/ project/23-26-00208/. The equipment of the Bioanalytica Center for Collective Use of the Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (Irkutsk) was used.ReferencesRahman Z., Singh V.P. The relative impact of toxic heavy metals (THMs) (arsenic (As), cadmium (Cd), chromium (Cr) (VI), mercury (Hg), and lead (Pb)) on the total environment: an overview // Environmental Monitoring and Assessment. 2019. Vol. 191. P. 419. DOI: 10.1007/s10661-019-7528-7.Rahman Z., Singh V.P. The relative impact of toxic heavy metals (THMs) (arsenic (As), cadmium (Cd), chromium (Cr) (VI), mercury (Hg), and lead (Pb)) on the total environment: an overview. Environmental Monitoring and Assessment. 2019;191:419. DOI: 10.1007/s10661-019-7528-7.Feki K., Tounsi S., Mrabet M., Mhadhbi H., Brini F. Recent advances in physiological and molecular mechanisms of heavy metal accumulation in plants // Environmental Science and Pollution Research. 2021. Vol. 28. P. 64967– 64986. DOI: 10.1007/s11356-021-16805-y.Feki K., Tounsi S., Mrabet M., Mhadhbi H., Brini F. Recent advances in physiological and molecular mechanisms of heavy metal accumulation in plants. Environmental Science and Pollution Research. 2021;28:64967-64986. DOI: 10.1007/s11356-021-16805-y.Jiang Y.-T., Tang R.-J., Zhang Y.-J., Xue H.-W., Ferjani A., Luan S., et al. Two tonoplast proton pumps function in Arabidopsis embryo development // New Phytologist. 2020. Vol. 225, no. 4. P. 1606–1617. DOI: 10.1111/nph.16231.Jiang Y.-T., Tang R.-J., Zhang Y.-J., Xue H.-W., Ferjani A., Luan S., et al. Two tonoplast proton pumps function in Arabidopsis embryo development. New Phytologist. 2020;225(4):1606-1617. DOI: 10.1111/nph.16231.Лось Д.А. Восприятие стрессовых сигналов биологическими мембранами. В кн.: Проблемы регуляции в биологических системах. Биофизические аспекты / под ред. А.Б. Рубина М. – Ижевск: Изд-во НИЦ «Регуляторная и хаотичная динамика», Институт компьютерных исследований, 2007. С. 329–360.Los’ D.A. Perception of stress signals by biological membranes. In: Rubin A.B. (ed.). Problemy regulyatsii v biologicheskikh sistemakh. Biofizicheskie aspekty = Problems of regulation in biological systems. Biophysical aspects. Moscow – Izhevsk: Scientific Center “Regulatory and chaotic dynamics”, Institute for Computer Research; 2007, p. 329-360. (In Russian).Валитова Ю.Н., Сулкарнаева А.Г., Минибаева Ф.В. Растительные стерины: многообразие, биосинтез, физиологические функции (обзор) // Биохимия. 2016. Т. 81. N 8. С. 1050–1068. EDN: WJXJID.Valitova J.N., Sulkarnayeva A.G., Minibayeva F.V. Plant sterols: diversity, biosynthesis, and physiological functions. Biokhimiya. 2016;81(8):1050-1068. (In Russian). EDN: WJXJID.Ozolina N.V., Kapustina I.S., Gurina V.V., Bobkova V.A., Nurminsky V.N. Role of plasmalemma microdomains (Rafts) in protection of the plant cell under osmotic stress // Journal of Membrane Biology. 2021. Vol. 254. P. 429–439. DOI: 10.1007/s00232-021-00194-x.Ozolina N.V., Kapustina I.S., Gurina V.V., Bobkova V.A., Nurminsky V.N. Role of plasmalemma microdomains (Rafts) in protection of the plant cell under osmotic stress. Journal of Membrane Biology. 2021;254:429-439. DOI: 10.1007/s00232-021-00194-x.Mir A.R., Pichtel J., Hayat S. Copper: uptake, toxicity and tolerance in plants and management of Cu-contaminated soil // BioMetals. 2021. Vol 34. P. 737–759. DOI: 10.1007/s10534-021-00306-z.Mir A.R., Pichtel J., Hayat S. Copper: uptake, toxicity and tolerance in plants and management of Cu-contaminated soil. BioMetals. 2021;34:737-759. DOI: 10.1007/s10534-021-00306-z.Гришенкова Н.Н., Лукаткин А.С. Определение устойчивости растительных тканей к абиотическим стрессам с использованием кондуктометрического метода // Поволжский экологический журнал. 2005. N 1. С. 3–11. EDN: HSPMUH.Grishenkova N.N., Lukatkin A.S. A conductometric technique to estimate the plant tissue stability to abiotic stresses. Povolzhskii ekologicheskii zhurnal = Povolzhskiy Journal of Ecology. 2005;1:3-11. (In Russian). EDN: HSPMUH.Ozolina N.V., Gurina V.V., Nesterkina I.S., Nurminsky V.N. Variations in the content of tonoplast lipids under abiotic stress // Planta. 2020. Vol. 251. P. 107. DOI: 10.1007/s00425-020-03399-x.Ozolina N.V., Gurina V.V., Nesterkina I.S., Nurminsky V.N. Variations in the content of tonoplast lipids under abiotic stress. Planta. 2020;251:107. DOI: 10.1007/s00425-020-03399-x.Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах. М.: Наука, 1972. 252 с.Vladimirov Yu.A., Archakov A.I. Lipid peroxidation in biological membranes. Moscow: Nauka; 1972, 252 p. (In Russian).Саляев Р.К., Кузеванов В.Я., Хаптагаев С.Б., Копытчук В.Н. Выделение и очистка вакуолей и вакуолярных мембран из клеток растений // Физиология растений. 1981. Т. 28. N 6. C. 1295–1305. EDN: WCTLVJ.Salyaev R.K., Kuzevanov V.Ya., Khaptagaev S.B., Kopytchuk V.N. Isolation and purification of vacuoles and vacuolar membranes from plant cells. Fiziologiya rastenii. 1981;28(6):1295-1305. (In Russian). EDN: WCTLVJ.Folch J., Lees M., Sloane Stanley G.H. A simple method for the isolation and purification of total lipides from animal tissues // Journal of Biological Chemistry. 1957. Vol. 226, no. 1. P. 497–509. DOI: 10.1016/S0021-9258(18)64849-5.Folch J., Lees M., Sloane Stanley G.H. A simple method for the isolation and purification of total lipides from animal tissues. Journal of Biological Chemistry. 1957;226(1):497509. DOI: 10.1016/S0021-9258(18)64849-5.Malins D.C., Mangold H.K. Analysis of complex lipid mixtures by thin–layer chromatography and complementary methods // Journal of the American Oil Chemists Society. 1960. Vol. 37. P. 576–578. DOI: 10.1007/BF02631604.Malins D.C., Mangold H.K. Analysis of complex lipid mixtures by thin–layer chromatography and complementary methods. Journal of the American Oil Chemists Society. 1960;37:576-578. DOI: 10.1007/BF02631604.Дударева Л.В., Семенова Н.В., Нохсоров В.В., Рудиковская Е.Г., Петров К.А. Компонентный состав фитостеринов надземной части хвоща пестрого Equisétum variegatum Schleich. ex. Web., произрастающего в северо-восточной Якутии // Химия растительного сырья. 2020. Т. 2. С. 133– 139. DOI: 10.14258/jcprm.2020025555. EDN: HHWJMX.Dudareva L.V., Semenova N.V., Nochsorov V.V., Rudikovskaya E.G., Petrov К.А. The component composition of the phytosterols of the aerial part of the horsetail variegated Еquisétum variegatum Schleich. ex. Web. growing in north-east Yakutia. Khimija rastitel’nogo syr’ja = Chemistry of plant raw material. 2020;2:133-139. (In Russian). DOI: 10.14258/jcprm.2020025555. EDN: HHWJMX.Зауралов О.А., Лукаткин А.С. Кинетика экзоосмоса электролитов у теплолюбивых растений при действии пониженных температур // Физиология растений. 1985. Т. 48. N 3. С. 349–355.Zauralov O.A., Lukatkin A.S. Kinetics of electrolyte exoosmosis in heat-loving plants exposed to low temperatures. Fiziologiya rastenii. 1985;48(3):349-355. (In Russian).Spiridonova E.V., Ozolina N.V., Nesterkina I.S., Gurina V.V., Nurminsky V.N., Donskaya L.I., et al. Effect of cadmium on the roots of beetroot (Beta vulgaris L.) // International Journal of Phytoremediation. 2019. Vol. 21, no. 10. P. 980–984. DOI: 10.1080/15226514.2019.1583722.Spiridonova E.V., Ozolina N.V., Nesterkina I.S., Gurina V.V., Nurminsky V.N., Donskaya L.I., et al. Effect of cadmium on the roots of beetroot (Beta vulgaris L.). International Journal of Phytoremediation. 2019;21(10):980984. DOI: 10.1080/15226514.2019.1583722.Møller I.M., Jensen P.E., Hansson A. Oxidative modifications to cellular components in plants // Annual Review of Plant Biology. 2007. Vol. 58. P. 459–481. DOI: 10.1146/annurev.arplant.58.032806.103946.Møller I.M., Jensen P.E., Hansson A. Oxidative modifications to cellular components in plants. Annual Review of Plant Biology. 2007;58:459-481. DOI: 10.1146/annurev.arplant.58.032806.103946.Thounaojam T.C., Panda P., Mazumdar P., Kumar D., Sharma G.D., Sahoo L., et al. Excess copper induced oxidative stress and response of antioxidants in rice // Plant Physiology and Biochemistry. 2012. Vol. 53. P. 33–39. DOI: 10.1016/j.plaphy.2012.01.006.Thounaojam T.C., Panda P., Mazumdar P., Kumar D., Sharma G.D., Sahoo L., et al. Excess copper induced oxidative stress and response of antioxidants in rice. Plant Physiology and Biochemistry. 2012;53:33-39. DOI: 10.1016/j.plaphy.2012.01.006.Михайлова И.Д., Лукаткин А.С. Перекисное окисление липидов в растениях огурца и редиса при действии тяжелых металлов // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Химия. Биология. Экология. 2016. Т. 16. N 2. С. 206–210. DOI: 10.18500/1816-9775-201616-2-206-210. EDN: WJKXVJ.Michailova I.D., Lukatkin A.S. Lipid peroxidation in cucumber and radish seedlings affected by heavy metals. Izvestiya Saratovskogo universiteta. Novaya seriya. Seriya: Khimiya. Biologiya. Ekologiya = Izvestiya of Saratov University. Chemistry. Biology. Ecology. 2016;16(2):206210. (In Russian). DOI: 10.18500/1816-9775-2016-162-206-210. EDN: WJKXVJ.Некрасова Г.Ф., Ушакова О.С., Ермаков А.Е., Уймин М.А., Бызов И.В. Действие ионов меди (II) и наночастиц оксидов меди на Elodea densa Planch. // Экология. 2011. N 6. С. 422–428. EDN: ONFZJX.Nekrasova G.F., Ushakova O.S., Ermakov A.E., Uimin M.A., Byzov I.V. Effects of copper (II) ions and copper oxide nanoparticles on Elodea Densa Planch. Ekologiya. 2011;6:422-428. (In Russian). EDN: ONFZJX.Лукаткин А.С., Грузнова К.А., Башмаков Д.И., Лукаткин А.А. Влияние регулятора роста эпин-экстра на растения пшеницы при действии тяжелых металлов // Агрохимия. 2019. N 2. C. 81–88. DOI: 10.1134/S0002188119020108. EDN: YWYDML.Lukatkin A.S., Gruznova K.A., Bashmakov D.I., Lukatkin A.A. Impact of growth regulator epin-extra on wheat plants affected by heavy metals. Agrokhimiya. 2019;2:81-88. (In Russian). DOI: 10.1134/S0002188119020108. EDN: YWYDML.Gong Q., Wang L., Dai T., Zhou J., Kang Q., Chen H., et al. Effects of copper on the growth, antioxidant enzymes and photosynthesis of spinach seedlings // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2019. Vol. 171. P. 771–780. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2019.01.016.Gong Q., Wang L., Dai T., Zhou J., Kang Q., Chen H., et al. Effects of copper on the growth, antioxidant enzymes and photosynthesis of spinach seedlings. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2019;171:771-780. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2019.01.016.Nesterov V., Bogdanova E., Makurina O., Rozina S., Rozentsvet O. Effect of NaCl, copper and cadmium ions on halophytes with different types of salt resistance: accumulation, physiological and biochemical reactions // Functional Plant Biology. 2021. Vol. 48, no. 10. P. 1053– 1061. DOI: 10.1071/FP21083.Nesterov V., Bogdanova E., Makurina O., Rozina S., Rozentsvet O. Effect of NaCl, copper and cadmium ions on halophytes with different types of salt resistance: accumulation, physiological and biochemical reactions. Functional Plant Biology. 2021;48(10):1053-1061. DOI: 10.1071/FP21083.Wang T., Hicks K.B., Moreau R. Antioxidant activity of phytosterols, oryzanol, and other phytosterol conjugates // Journal of the American Oil Chemists – Society. 2002. Vol. 79, no. 12. P. 1201–1206. DOI: 10.1007/s11746-002-0628-x.Wang T., Hicks K.B., Moreau R. Antioxidant activity of phytosterols, oryzanol, and other phytosterol conjugates. Journal of the American Oil Chemists – Society. 2002;79(12):1201-1206. DOI: 10.1007/s11746-002-0628-x.Kumar M.S.S., Ali K., Dahuia A., Tyagi A. Role of phytosterols in drought stress tolerance in rice // Plant Physiology and Biochemistry. 2015. Vol. 96. P. 83–89. DOI: 10.1016/j.plaphy.2015.07.014.Kumar M.S.S., Ali K., Dahuia A., Tyagi A. Role of phytosterols in drought stress tolerance in rice. Plant Physiology and Biochemistry. 2015;96:83-89. DOI: 10.1016/j.plaphy.2015.07.014.Wang K., Senthil-Kumar M., Ryu C.-M., Kang L., Mysore K.S. Phytosterols play a key role in plant innate immunity against bacterial pathogens by regulating nutrient efflux into the apoplast // Plant Physiology. 2012. Vol. 158, no. 4. P. 1789–1802. DOI: 10.1104/pp.111.189217.Wang K., Senthil-Kumar M., Ryu C.-M., Kang L., Mysore K.S. Phytosterols play a key role in plant innate immunity against bacterial pathogens by regulating nutrient efflux into the apoplast. Plant Physiology. 2012;158(4):17891802. DOI: 10.1104/pp.111.189217.Senthil-Kumar M., Wang K., Mysore K.S. AtCYP710A1 gene-mediated stigmasterol production plays a role in imparting temperature stress tolerance in Arabidopsis thaliana // Plant Signaling & Behavior. 2013. Vol. 8, no. 2. P. e23142. DOI: 10.4161/psb.23142.Senthil-Kumar M., Wang K., Mysore K.S. AtCYP710A1 gene-mediated stigmasterol production plays a role in imparting temperature stress tolerance in Arabidopsis thaliana. Plant Signaling & Behavior. 2013;8(2):e23142. DOI: 10.4161/psb.23142.Нестеркина И.С., Гурина В.В., Озолина Н.В., Нурминский В.Н. Изменение содержания стеринов тонопласта при осмотическом стрессе // Биологические мембраны. 2019. Т. 36. N 4. С. 301–304. DOI: 10.1134/S0233475519040108. EDN: BEKYKW.Nesterkina I.S., Gurina V.V., Ozolina N.V., Nurminsky V.N. Changes in tonoplast sterol contents under osmotic stress. Biologicheskie membrany. 2019;36(4):301304. (In Russian). DOI: 10.1134/S0233475519040108. EDN: BEKYKW.Ozolina N.V., Nesterkina I.S., Kolesnikova E.V. Salyaev R.K., Nurminsky V.N., Rakevich A.L., et al. Tonoplast of Beta vulgaris L. contains detergent-resistant membrane microdomains // Planta. 2013. Vol. 237. P. 859–871. DOI: 10.1007/s00425-012-1800-1.Ozolina N.V., Nesterkina I.S., Kolesnikova E.V. Salyaev R.K., Nurminsky V.N., Rakevich A.L., et al. Tonoplast of Beta vulgaris L. contains detergent-resistant membrane microdomains. Planta. 2013;237:859-871. DOI: 10.1007/s00425-012-1800-1.Ozolina N.V., Kapustina I.S., Gurina V.V., Nurminsky V.N. Role of tonoplast microdomains in plant cell protection against osmotic stress // Planta. 2022. Vol. 255. P. 65. DOI: 10.1007/s00425-021-03800-3.Ozolina N.V., Kapustina I.S., Gurina V.V., Nurminsky V.N. Role of tonoplast microdomains in plant cell protection against osmotic stress. Planta. 2022;255:65. DOI: 10.1007/s00425-021-03800-3.Ренкова А.Г., Хабибрахманова В.Р., Валитова Ю.Н. Мухитова Ф.К., Минибаева Ф.К. Действие стрессовых фитогормонов на метаболизм стеринов Triticum aestivum L. // Физиология растений. 2021. Т. 68. N 3. С. 279–288. DOI: 10.31857/S0015330321020159. EDN: WECLSORenkova A.G., Valitova J.N., Mukhitova F.K., Minibayeva F.V., Khabibrakhmanova V.R. Effects of stress phytohormones on sterol metabolism of Triticum aestivum L. Fiziologiya rastenii. 2021;68(3):279-288. (In Russian). DOI: 10.31857/S0015330321020159. EDN: WECLSO.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.