УДК 581.1 ВЛИЯНИЕ ГУМАТОВ Na, K, Fe НА АКТИВНОСТЬ

Научный журнал «Известия КГТУ», №36, 2015 г.
УДК 581.1
ВЛИЯНИЕ ГУМАТОВ Na, K, Fe НА АКТИВНОСТЬ АНТИОКСИДАНТНОЙ
СИСТЕМЫ γ-ОБЛУЧЕННЫХ ПРОРОСТКОВ ПШЕНИЦЫ
З. Г. Муслимова, И. В. Азизов
THE EFFECT OF NA, K, FE HUMATS ON ACTIVITY OF ANTIOXIDANT
SYSTEM OF γ-IRRADIATED WHEAT SEEDLINGS
Z. G. Muslimova, I. V. Azizov
Исследована активность антиоксидантной системы проростков, всхожесть
семян и динамика роста проростков семян пшеницы, предварительно обработанных гуматами натрия, калия и железа и подверженных γ-облучению. Были получены гуматы калия, натрия и железа путем обработки исходного сырья – торфа –
3%-ными растворами гидроксида калия и натрия соответственно. Гумат железа
был синтезирован добавлением раствора сульфата железа с аскорбиновой кислотой к раствору гумата. Для изучения радиопротекторных свойств гуматов семена
в течение 15 ч обрабатывали 0,001%-ными растворами гуматов калия, натрия и
железа. Перекисное окисление липидов является индикаторной реакцией повреждения клеточных мембран. Было установлено, что облучение семян в высоких
дозах увеличивает содержание в них перекиси водорода, супероксидных и гидроксильных радикалов и, таким образом, активирует перекисное окисление липидов. Изменения в динамике накопления вторичных продуктов перекисного окисления липидов в культуре ткани пшеницы после действия гамма-излучения выявляются достаточно четко. Для полного представления о действии радиации на
растительные ткани нами изучалась динамика роста растений и всхожесть семян.
Высокие дозы ионизирующего излучения снижали всхожесть семян и рост проростков, полученных из облученных семян, стимулировали процессы перекисного
окисления липидов у однонедельных проростков. Через две-три недели наблюдалось снижение скорости процесса перекисного окисления липидов у проростков,
обработанных гуматом натрия. В дальнейшем развитии проростков различия в
росте и активности антиоксидантной системы нивелировались. Полученные металлогуминовые комплексы (гумат Na, гумат K и гумат Fe) снижали повреждающее действие ионизирующей радиации на растения. При изучении всхожести
семян лучший результат дала обработка гуматом калия, а по отношению к динамике роста – при обработке гуматом железа.
пшеница, γ-облучение, перекисное окисление, антиоксидантная активность, гуминовые комплексы
The activity of the antioxidant system of seedlings, seed germination and seedling growth dynamics obtained from a prior treated humate sodium, potassium and iron,
and γ-irradiation exposed wheat seeds. Humates of potassium, sodium and iron by treating the starting materials – of peat respectively 3% solutions of potassium hydroxide and
Научный журнал «Известия КГТУ», №36, 2015 г.
sodium salts were obtained. Iron humate was synthesized by the addition of ferrous sulfate solution with ascorbic acid to a solution of humate. For the study of the radioprotective properties of humates, seeds were treated for 15 hours in 0.001% solutions of
humates of potassium, sodium and iron. Lipid peroxidation is an indicator reaction of
cell membranes damaging. It was found that irradiation of seeds in high doses increases
the content of hydrogen peroxide, superoxide and hydroxyl radicals and, thus, enables
lipid peroxidation. Changes in the dynamics of accumulation of secondary products of
lipid peroxidation in a wheat tissue culture after the action of gamma radiation were
detected clearly. For thorough understanding the effects of radiation on a plant tissue,
we also studied the dynamics of plant growth and seed germination. High doses of ionizing radiation reduced seed germination and stimulated lipid peroxidation in one-week
seedlings. After two and three weeks reduction of speed of lipid peroxidation in seedlings treated with Na humate was observed. In the further development of seedlings,
differences in the growth and activity of the antioxidant system were evened. The resulting metal humic complexes (Na humate, K humate and Fe humate) reduced the damaging effects of ionizing radiation on plants.
While studying seed germination processing with potassium humate gave the best result, and in relation to the dynamics of growth the best result was observed in processing with iron humate.
wheat, γ-irradiation, lipid peroxidation, antioxidant activity, humic acids
Известно, что радиоактивное излучение оказывает повреждающее действие на биологические системы. Повреждение, инициируемое свободными радикалами, усиливается за счет активных форм кислорода (АФК), которые вызывают
окислительную модификацию макромолекул, нарушение целостности клеточных
структур [1]. В липидах, в основном в полиненасыщенных жирных кислотах,
АФК вызывают цепные реакции с накоплением липидных, пероксильных, алкоксильных и других радикалов. Организмы способны защитить себя от разрушающего действия свободных радикалов за счет высокоактивной антиоксидантной системы, включающей в себя низко- и высокомолекулярные вещества, способные ингибировать свободнорадикальные процессы [2].
Из литературных источников известно много фактов влияния гаммаизлучения на всхожесть семян и развитие растений. Известно, что под действием
малых доз гамма-облучения всхожесть семян обычно повышается, в то время как
под влиянием высоких доз прорастание семян снижается, развитие проростков
подавляется. С повышением дозы облучения вступают в действие различные системы репарации радиационных повреждений и, вероятно, реализуются разные
адаптивные стратегии [3].
Установлено стимулирующее действие гуминовых соединений на рост и
развитие растений, повышение их устойчивости к неблагоприятным факторам
окружающей среды. Растворимые формы гуматов (солей одновалентных металлов)
в малых концентрациях значительно стимулируют рост, развитие растений, повышают поступление питательных элементов в растения, активизируют белковый и
углеводный обмен, повышают урожай сельскохозяйственных культур [4]. Действие
веществ гумусовой природы на растения особенно заметно при отклонении внешних условий от нормы: при повышенной температуре, дефиците кислорода, пони-
Научный журнал «Известия КГТУ», №36, 2015 г.
женной влажности, несоответствии рН среды биологическим особенностям растений [5]. Однако их радиопротекторная функция достаточно не изучена.
К концу двадцатого века, одной из актуальных проблем которого является
химическое загрязнение окружающей среды и разработка новых радиопротекторных веществ, под протекторным действием гумусовых кислот подразумевают их
способность связывать в прочные комплексы как ионы радионуклидов и тяжелых
металлов, так и органические экотоксиканты в загрязненных водных и почвенных
средах. Особого внимания заслуживают адаптогенные свойства гуминовых веществ, обусловленные их способностью связывать радионуклиды, ионы тяжелых
металлов, пестициды, гербициды и другие экотоксиканты. Гумат железа также
проявляет стимулирующее действие на растения, предотвращая хлороз [6, 7]. Последнее обстоятельство весьма важно и связано с тем, что максимальной активностью обладает свободная форма токсиканта. Связанное вещество теряет свою токсичность. На этом основании гумусовые кислоты можно рассматривать как природные детоксиканты [8].
Таким образом, получение и исследование биологической активности и
радиопротекторных свойств гуминовых комплексов металлов (гумат Na, гумат K
и гумат Fe) представляется весьма актуальным направлением.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Процесс получения гуматов заключается в последовательной обработке
выбранного субстрата (сырья) слабыми растворами щелочей. Для получения
гуматов K, Na иcходное сырье – торф – обрабатывали соответственно 3%-ными
растворами KOH и NаOH при постоянном перемешивании. Синтез гумата железа
проводили добавлением раствора сульфата железа с аскорбиновой кислотой к
раствору гумата при постоянном рН с последующим высушиванием полученного
препарата [9].
Для изучения радиопротекторных свойств гуматов семена обрабатывали в
течение 15 ч в 0,001 %- ных растворах гуматов K, Na и Fe. После этого семена
подвергали общему равномерному γ-облучению от источника 60Со на установке
«Рхунд» в дозе 200 Гр. Перекисное окисление липидов (ПОЛ) является индикаторной реакцией повреждения клеточных мембран. В результате ПОЛ образуются
конечные метаболиты (малоновый диальдегид, этан, пентан и др.), реагирующие с
тиобарбитуровой кислотой (ТБК – реагирующих продуктов) [8].
Об изменении интенсивности ПОЛ судили по содержанию вторичного
продукта ПОЛ-МДА с помощью метода Costa c соавторами [10]. Метод основан
на том, что при высокой температуре в кислой среде МДА реагирует с 2 – ТБК,
образуя розовый триметиловый комплекс. Семена проращивали в чашках Петри.
Для анализа продуктов ТБК и антиоксидантов 1 г сырой массы проростков гомогенизировали в фарфоровой ступке с небольшим количеством реакционной смеси, состоящей из 0,25 %-ного раствора тиобарбитуровой кислоты (ТБК). Для
лучшего растирания добавляли стеклянный песок. Гомогенат переносили в стеклянную пробирку небольшими порциями реакционной смеси. Пробы перемешивали и помещали в нагретую до 950 С водяную баню на 30 мин. Затем содержимое
проб переносили в центрифужные пробирки и центрифугировали 10 мин при
10000 g. Оптическую плотность измеряли на спектрофотометре Multiscan Go
фирмы Thermo Scientific (Финляндия) при Д=532 и Д=600 нм. Содержание
Научный журнал «Известия КГТУ», №36, 2015 г.
ТБК-реагирующих продуктов выражали в мМ/г сырого веса. Статистическая обработка материалов выполнена с использованием статистических средств приложения MS Office Excel.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Как видно из рис. 1, изменения в динамике накопления вторичных продуктов перекисного окисления липидов в культуре ткани пшеницы после действия
гамма-излучения выявляются достаточно четко. Содержание ТБК-реактивных
продуктов в ткани непосредственно после облучения существенно возрастало.
Через две и три недели эта разница носила менее выраженный характер у проростков, обработанных гуматом натрия.
Продукты перекисного
окисления липидов
мМ/гр сырой массы
0,0060
0,0050
0,0040
1-я неделя
0,0030
2-я неделя
0,0020
3-я неделя
0,0010
0,0000
1
2
3
4
5
Рис. 1. Перекисное окисление липидов, мМ\гр.с.м: 1 – контроль; 2 – облученный
контроль; 3 – гумат натрия; 4 – гумат калия; 5 – гумат железа
Fig. 1. Lipid peroxidation , mM\gr.w.w: 1 – control; 2 – irradiated control;
3 – Na-humate, 4 – K-humate; 5 – Fe-humate
Литературные данные дают основание предположить, что γ-облучение может являться индуктором перекисного окисления липидов в листьях пшеницы.
Было обнаружено, что один из первичных откликов растительной ткани на облучение выражался в повышении содержания вторичных продуктов перекисного
окисления.
Кроме этого, для полного представления о действии радиации на растительную ткань мы также изучали динамику роста растений и всхожесть семян.
Как видно из рис. 2, облучение семян высокими дозами понижает их
всхожесть, обработка семян гуминовыми комплексами, по сравнению с
облученным контролем, повышает их всхожесть. Самый лучший результат
наблюдается у семян, обработанных K-гуматом.
Научный журнал «Известия КГТУ», №36, 2015 г.
Количество всходяших
семян%
120%
100%
80%
60%
40%
20%
0%
0
1
2
3
4
5
6
Рис. 2. Всхожесть семян, %: 1 – контроль; 2 – облученный контроль;
3 – гумат натрия; 4 – гумат калия; 5 – гумат железа
Fig. 2. Seed germination, %: 1 – control; 2 – irradiated control; 3 – Na-humate;
4 – K-humate; 5 – Fe-humate
Из рис. 3 следует, что облучение оказывает подавляющее действие на рост
проростков. На первой неделе прорастания разница между вариантами обработки
растворами разных солей гуматов выражается незначително. На третьей неделе
прорастания обработка семян Fe-гуматом по сравнению другими гуматами дает
наилучший результат.
20
Рост проростков, см
18
16
14
12
I неделя
10
II неделя
8
III неделя
6
4
2
0
1
2
3
4
5
Рис. 3. Рост проростков, см: 1 – контроль; 2 – облученный контроль;
3 – гумат натрия; 4 – гумат калия; 5 – гумат железа
Fig. 3. Growth of seedlings, cm: 1 – control; 2 – irradiated control; 3 – Na-humate;
4 – K-humate; 5 – Fe-humate
ВЫВОДЫ
Облучение семян в высоких дозах повышает содержание в них перекиси
водорода, супероксидного и гидроксильного радикала, активирует, таким образом, перекисное окисление липидов и, вероятно, вызывает активацию антиокси-
Научный журнал «Известия КГТУ», №36, 2015 г.
дантной системы растений, снижает всхожесть семян. Также в статье показано,
что предварительная обработка семян пшеницы гуминовыми комплексами разных металлов снижает действие радиации на всхожесть семян и на рост растений,
подавляет активацию перекисного окисления липидов и защищает растения от
разрушительного действия ионизирующей радиации.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Рогожин, В. В. Изменение реакции антиоксидантной системы проростков пшеницы после УФ-облучения семян / В. В. Рогожин, Т. Т. Курилюк,
Н. П. Филиппова // Биофизика. – 2000. – №4. – С.730-736.
2. Зенков, Н. К. Активированные кислородные метаболиты в биологических системах / Н. К. Зенков, Е. Б. Меньшикова // Успехи современной биологии.
– 1993. – №3. – C.286-290.
3. Николаева, М. Г. Справочник по проращиванию покоящихся семян /
М. Г. Николаева, М. В. Разумова, В. Н. Гладкова. – Ленинград: Наука, 1985. – 347 с.
4. Варшал, Г. М. Изучение органических веществ поверхностных вод и их
взаимодействия с ионами металлов / Г. М. Варшал, И. Я. Кащеева, И. С. Сироткина
// Геохимия. – 1979. – № 4. – С.598-607.
5. Кононова, М. М. Органическое вещество почвы. Его природа, свойства
и методы изучения / М. М. Кононова. – Москва, 1963. – 314 с.
6. Соркина, Т. А. Биологическая активность гумата железа по отношению
к проросткам пшеницы / Т. А. Соркина [и др.] // Гуминовые вещества в биосфере:
IV Всерос. конф.: тр. – Москва, 2007. – С. 517-520.
7. Stevenson, F.J. Humus Chemistry, Genesis, Composition, Reactions /
F.J. Stevenson. – New York: John Wiley&Son, 1982. – 443 P.
8. УМКД «Экологическая Физиология Растений». Руководство к лабораторным и практическим занятиям. – Екатеринбург, 2008. – 157 c.
9. Patent PCT WO 2005/042551 A1 / Humic acid metallic compound, preparation thereof, composition, preparations containing same and use of said compound /
Irina Perminova (German). – PCT/EP2004/012307.
10. Costa, H. Effect of radiation on antioxidant defense system in sunflower
cotyledons / H. Costa, S.M. Gallego, M.L. Tomaro // Plant Science. – 2002. – Р. 939-945
REFERENCES
1. Rogozhin V.V., Kuriljuk T.T., Filippova N.P. Izmenenie reakcii antioksidantnoj sistemy prorostkov pshenicy posle UF-obluchenija semjan [Changning the reaction of the antioxidant system of wheat germ plants after UV-radiation of seeds]. Biofizika [Biophysics]. 2000, no. 4, pp.730-736.
2. Zenkov N.K., Men'shikova E.B. Aktivirovannye kislorodnye metabolity v biologicheskih sistemah [Activated oxygen metabolites in biological systems]. Uspehi sovremennoj biologii [The progress of modern Biology]. 1993, vol. 113, no. 3, pp. 286-290.
Научный журнал «Известия КГТУ», №36, 2015 г.
3. Nikolaeva M.G., Razumova M.V., Gladkova V.N. Spravochnik po prorashhivaniju pokojashhihsja semjan [The reference book in superincumbent seeds germination]. Leningrad, Nauka [Science]. 1985, 347 p.
4. Varshal G.M., Kashheeva I.Ja., Sirotkina I.S. Izuchenie organicheskih veshhestv poverhnostnyh vod i ih vzaimodejstvija s ionami metallov [Studies of organic
materials of surface waters and their interaction with metal ions]. Geohimija [Geochemistry]. 1979, no. 4, pp. 598-607.
5. Kononova M.M. Organicheskoe veshhestvo pochvy. Ego priroda, svojstva i
metody izuchenija [Soil organic matter. Its nature, properties and methods of study].
Moscow, 1963, 314 p.
6. Sorkina T.A., Kulikova N.A., Filippova O.I., Lebedeva G.F., Permi-nova I.V.
Biologicheskaja aktivnost' gumata zheleza po otnosheniju k prorostkam pshenicy [The
biological activity of Fe humate with respect to wheat germ plants]. Trudy IV Vserossijskoj konferencii “Guminovye veshhestva v biosfere” [The works of IV AllRussian conference “Humic substances in Biosphere”]. Moscow, 2007, pp. 517-520
7. Stevenson F.J. Humus Chemistry, Genesis, Composition, Reactions. New
York, John Wiley&Son, 1982, 443 p.
8. UMKD “Jekologicheskaja fiziologija rastenij”. Rukovodstvo k labora-tornym
i prakticheskim zanjatijam [Academical-Methodical Complex of the Discipline “Ecological Plant Physiology”. The study guide to laboratory and practical lessons]. Ekaterinburg, 2008, 157 p.
9. Patent PCT WO 2005/042551 A1. Humic acid metallic compound, preparation thereof, composition, preparations containing same and use of said compound. Irina
Perminova (German). PCT/EP2004/012307
10. Costa H., Gallego S.M., Tomaro M.L. Effect of radiation on antioxidant
defense system in sunflower cotyledons. Plant Science. 2002, pp. 939-945.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Муслимова Зохра Ганифа – Институт радиационных проблем Национальной
академии наук Азербайджана (г. Баку), аспирант, младший научный сотрудник
лаборатории радиопротекторов; е-mail: [email protected]
Muslimova Zohra Ganifa – Institute of Radiation Problems of the National Academy
of Sciences Azerbaijan (Baku), postgraduate student, junior scientific researcher
of laboratory radioprotectors; е-mail: [email protected]
Азизов Ибрагим Вагаб – Институт ботаники Национальной академии наук
Азербайджана (г. Баку), доктор биологических наук, руководитель структурного
подразделения «Фотохимия хлоропластов»; е-mail: [email protected]
Azizov Ibrahim Vagab – Institute of Botany of the National Academy of Sciences
of Azerbaijan (Baku), Doctor of Biological Sciences, the Head of the structural unit
«Photochemistry of chloroplasts»; е-mail: ibrahim.azizov47 @ gmail.com