Изучение влияния ионов меди на состав фитостеринов вакуолярной мембраны Beta vulgaris L.

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.

1. 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. Vol. 191. P. 419. DOI: 10.1007/s10661-019-7528-7.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах. М.: Наука, 1972. 252 с.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. 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: WECLSO