ВПЛИВ ГЛЮКОЗИ ТА САХАРОЗИ НА ВМІСТ ФОТОСИНТЕТИЧ-НИХ ПІГМЕНТІВ У ARABIDOPSIS THALIANA ЗА ДІЇ ТЕПЛОВОГО СТРЕСУ
DOI:
https://doi.org/10.31861/biosystems2022.02.118Keywords:
сахароза, глюкоза, хлорофіли, каротиноїди, Arabidopsis thaliana, тепловий стресAbstract
Підвищення середньої температури поверхні Землі негативно впливає на розвиток, ріст і продуктивність культурних рослин. Одним із основних метаболічних ушкоджень, спричинених впливом підвищених температур є надмірне виробництво активних форм кисню (АФК). АФК, накопичуючись у хлоропластах завдають значної шкоди фотосинтетичному апарату рослин, руйнуючи мембрану хлоропластів і пошкоджуючи пігменти. У регуляції процесів фотосинтезу, дихання, проростання насіння, цвітіння та старіння рослин ключову роль відіграють вуглеводи. Вуглеводи вважаються хімічно сигнальними та чутливими молекулами, які можуть сприймати специфічний сигнал за нормальних умов та за дії стресових факторів . Mетою нашої роботи було вивчення впливу екзогенних сахарози та глюкози на вміст фотосинтетичних пігментів у рослин A. thaliana за дії теплового стресу. Для досліджень використовувались рослини дикого типу та нокаутна лінія cat2cat3 з відсутніми ізоформами каталази, основного ферменту антиоксидантного захисту. Рослини вирощували умовах 16-годинного світлового дня за сталої температури + 28º С, вологості повітря 70% та освітленості 2,5 кЛк. Обробку здійснювали в темряві протягом 2 та 4 годин за температури +37 (помірний стрес) та +44°С (жорстка стресова обробка). Контролем слугували рослини, листки яких інкубувалися у калій-фосфатному буфері без додавання сахарози та глюкози за температури +20° С. Показано, що вміст хлорофілу а, b та каротиноїдів у інтактних рослин дикого типу та нокаутної лінії був однаковим. За дії теплового стресу вміст досліджуваних пігментів у присутності сахарози не змінювався в обох лініях. При проведенні теплового стресу в присутності глюкози відмічено зміни за 4-х годинного стресу. Показано, що у контрольних рослин, що інкубувались за кімнатної температури в присутності глюкози зростав вміст хлорофілу а, та каротиноїдів у дикого типу. За дії жорсткого теплового стресу (+44°С) відмічено зниження вмісту пігментів. Отримані нами дані свідчать про те, що в умовах 4 годинного теплового стресу екзогенна глюкоза залучена у відповідь рослинної клітини на стрес. Для рослин нокаутної лінії cat2cat3 жодних змін у вмісті хлорофілів та каротиноїдів не спостерігалось
References
Ahmad F, Singh A, Kamal A. Osmoprotective role of sugar in mitigating abiotic stress in plants. In: Protective chemical agents in the amelioration of plant abiotic stress: biochemical and molecular perspectives (eds. A Roychoudhury, D Kumar). NJ: John Wiley & Sons, 2020; 53–70.
Aluko OO, Li C, Wang Q, Liu H. Sucrose utilization for improved crop yields: a review article. International Journal Molecular Science. 2021; 22: 4704. doi: 10.3390/ijms22094704
Balfagón D, Zandalinas SI, Mittler R, Gómez‐Cadenas A. High temperatures modify plant responses to abi-otic stress conditions. Physiologia Plantarum. 2020. doi:10.1111/ppl.13151
Buzduga IM, Tkachuk TS, Panchuk II. Effect of sucrose and glucose on oxidative modification ofproteins upon heat stress in Arabidopsis thaliana cat2cat3 knockout mutant. Biosystem Journal. 2020; 12(2): 150-155.
Chen ST, He NY, Chen JH, Guo FQ. Identification of core subunits of photosystem II as action sites of HSP21, which is activated by the GUN5-mediated retrograde pathway in Arabidopsis. Plant Journal. 2017; 89: 1106–1118. doi: 10.1111/tpj.13447
Chi-Ming Y, Hei-Mei T, Hau YJ. Glucose and δ aminolevulinic acid stimulate the dark chlorophyll synthesis of rice seedlings. Journal Integrative Plant Biology. 2003; 45(4): 422–426.
Eldahshan OA, Singab ANB. Carotenoids. Journal of Pharmacognosy and Phytochemistry. 2003; 2(1): 225–234.
Ferguson JN, McAusland L, Smith KE, et al. Rapid temperature responses of photosystem II efficiency forecast genotypic variation in rice vegetative heat tolerance. The Plant Journal. 2020; 1–17. doi:10.1111/tpj.14956
Gomathi R, Krishnapriya V, Kohila S, et al. High tem-perature stress causes transient change in the photo-synthetic machinery and sucrose metabolism of sug-arcane (Saccharum spp.). Agrica. 2021; 10: 1–12. doi: 10.5958/2394-448X.2021.00001.8
Hassan MU, Chattha MU, Khan I, et al. Heat stress in cultivated plants: nature, impact, mechanisms, and mitigation strategies. A review. Plant Biosystems. 2020; doi: 10.1080/11263504.2020. 1727987
Hassan MU, Rasool T, Iqbal C, et al. Linking plants functioning to adaptive responses under heat stress conditions: A mechanistic review. Journal of Plant Growth Regulation. 2022; 41: 2596–2613. doi:10.1007/ s00344-021-10493-1
Huang YW, Zhou ZQ, Yang HX, et al. Glucose application protects chloroplast ultrastructure in heat-stressed cucumber leaves through modifying antioxidant enzyme activity. Biologia Plantarum. 2015; 59: 131–138. doi: 10.1007/ s10535-014-0470-1
Hu S, Ding Y, Zhu C. Sensitivity and responses of chloroplasts to heat stress in plants. Frontiers in Plant Science. 2020; 11: 1–11. doi:10.3389/ fpls.2020.00375
Lichtenthaler HK. Chlorophylls and carotenoids: Pigments of photosynthetic biomembranes. Methods Enzymol. 1987; 148: 350–382.
Martínez‐Noël GM and Tognetti JA. Sugar signaling under abiotic stress in plants. In: Plant metabolites and regulation under environmental stress (eds. P. Ahmad et al.). Academic Press, 2018; 397–406.
Medina E, Kim SH, Yun M, Choi WG. Recapitulation of the function and role of ROS generated in response to heat stress in plants. Plants. 2021; 10 (371): 1–13. doi: 10.3390/plants 10020371
Mittler R, Zandalinas SI, Fichman Y, Breusegem FV. Reactive oxygen species signalling in plant stress re-sponses.Nature Review. Molecular Cell Biology. 2022; 23: 663–679. doi:10.1038/ s41580-022-00499-2
Prasanna R, Pabby A, Singh PK. Effect of glucose and light/dark environment on pigmentation profiles in Calothrix elenkenii. Folia Microbiol. 2004; 49: 26–30. doi: 10.1007/BF02931641
Siddiqui H, Sami F, Hayat S. Glucose: Sweet or bitter effects in plants-a review on current and future per-spective. Carbohydrate Research. 2019; 1–28. doi: 10.1016/ j.carres.2019.107884.
Sharma M, Banday ZZ, Shukla BN, Laxmi A. Glu-cose-regulated HLP1 acts as a key molecule in gov-erning thermomemory. Plant Physiology. 2019; 180(2): 1081–1100. doi:10.1104/pp.18.01371
Tan W, Meng QW, Brestic M, et al. Photosynthesis is improved by exogenous calcium in heat-stressed tobacco plants. Journal of Plant Physiology. 2011; 168: 2063–2071. doi: 10.1016/j.jplph.2011.06.009.
Vu DP, Rodrigues CM, Jung B, et al. Vacuolar sucrose homeostasis is critical for plant development, seed properties, and nighttime survival in Arabidopsis. Journal of Experimental Botany. 2020; 71(16): 4930–4943. doi: 10.1093/jxb/eraa20
Wani SH, Kumar V. Heat stress tolerance in plants: physiological, molecular and genetic perspectives. First edition. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons; 2020.
