Вплив L-орнітину на збільшення стійкості цукрових буряків до посухи

Пʼятниця, 9 липня 2021 15:00

Цукровий буряк (Beta vulgaris var. Saccharifera L.) вважається другою у світі цукроносною культурою після тростини з часткою близько 40% світового виробництва цукру. Цукровий буряк став важливою культурою, яка вирощується на вапняних, солончакових, лужних, малородючих і родючих ґрунтах. Величезна значимість цукрових буряків пояснюється їх придатністю до вирощування на новоосвоєних територіях як рентабельної культури, а також більшим виробництвом цукру в цих умовах, порівняно з тростиною. Більшість цих районів стикаються з деякими стресовими проблемами, а саме з засоленням ґрунтів та дефіцитом елементів живлення. Дефіцит води та посушливі умови, особливо в посушливих та напівпосушливих регіонах, викликані кліматичними змінами, вважаються головним фактором, який впливає на врожайність та продуктивність сільськогосподарських культур у багатьох регіонах світу. Крім того, вода необхідна для вегетативного розвитку, отримання максимальної врожайності та підвищення продуктивності вирощуваної культури.

За матеріалами статті на тему «Вплив застосування L-орнітину на поліпшення стійкості цукрових буряків до посухи» («Effect of L-Ornithine application on improving drought tolerance in sugar beet plants») онлайн журналу «Heliyon» 5 (2019).

Сучасному сільському господарству необхідно збільшувати ефективності використання води та стійкість до водного стресу для покращення показників росту та продуктивності рослин за допомогою антистресових сполук. Цього можна досягти за допомогою стабілізації клітинної структури та/або підтримки осморегуляції. У стратегії сільського господарства велика увага приділяється пошуку нетрадиційних природних та безпечних стимулюючих речовин для зменшення стресу та захисту рослинної клітини від сильних пошкоджень, які помітно впливають на показники росту рослин, що відбивається на показниках урожайності.

L-орнітин є попередником поліамінів, які беруть участь у регулюванні росту та розвитку рослин. Крім того, це проміжна сполука в біосинтезі аргініну, в процесі чого утворюються сполуки, такі як пролін, який є осмозахисною речовиною у рослинах. Поліаміни впливають на ДНК, РНК та біосинтез білків, підтримують ріст та розвиток рослин, затримують старіння та покращують стійкість рослин до хвороб, оскільки поліаміни можуть очищати вільні радикали в рослинах, вони також певною мірою захищають мембрану від окисних пошкоджень, а спермін є найбільш ефективним поліаміном, який зменшує стрес від посухи в рисі.

Добре відома значимість поліамінів як регуляторів росту рослин та їх позитивна роль в умовах багатьох стресових ситуацій, але вони є дуже дорогими речовинами. Висока вартість поліамінів (спермідину або сперміну) змусила вчених шукати інше альтернативне рішення (їх попередник, який перетворюється на поліаміни) з нижчою вартістю та кращою доступністю, що дозволяє отримати позитивний ефект поліамінів. Отже, основною метою дослідження є визначення впливу позакореневого внесення L-орнітину для пом'якшення негативних наслідків стресу від посухи на цукрових буряках, вирощуваних у піщаних та глинистих ґрунтових умовах. Крім того визначення типу ґрунту (глина та пісок) забезпечує кращі результати при позакореневому застосуванні L-орнітину на буряках.

Показники росту рослин

Стрес від посухи та позакореневе внесення L-орнітину впливали на показники росту рослин. У посівах цукрових буряків, вирощуваних на глинистих ґрунтах (Таблиця 1), стрес від дефіциту води значно зменшив (P ˂ 0,05) свіжу масу кореня, але збільшив його довжину. У піщаних ґрунтових умовах дефіцит води викликав збільшення довжини кореня, зменшення маси коренів та пагонів, але не змінив діаметр кореня, порівняно з відповідними контрольними значеннями.

Таблиця 1. Вплив водного режиму та позакореневого внесення L-орнітину на показники росту цукрових буряків у глинистих та піщаних ґрунтових умовах

*LSD — найменш значуща різниця.

На глинистих ґрунтах в умовах нормального зрошення та стресу від посухи позакореневе внесення L-орнітину у високій концентрації показало позитивний вплив на масу кореня (510 та 502 г/рослину) та пагонів (116,30 та 118,8 г/рослину), порівняно з контрольними значеннями (432,50; 393,75 г/рослину та 97,5; 100 г/рослину). Щодо рослин, вирощуваних на піщаних ґрунтах, у стресових умовах позакореневе внесення L-орнітину, особливо при низькій концентрації, покращило довжину та діаметр кореня, масу коренів та пагонів рослин, порівняно з контрольними значенням (Таблиця 1).

Фотосинтетичні пігменти

Дані, представлені на Рис. 1 (a, b, c), показали, що стрес від посухи зменшив фотосинтетичні пігменти в цукрових буряках, вирощуваних на піщаних та глинистих ґрунтах, порівняно з нормальним зрошенням рослин. У піщаних ґрунтових умовах висока концентрація L-орнітину покращила хлорофіли "а" та "b" у всіх рослинах. Крім того, в умовах нормального зрошення L-орнітин у високій концентрації значно збільшив вміст каротиноїдів, однак в умовах стресу від посухи низька концентрація L-орнітину також продемонструвала значне збільшення каротиноїдів.

Рис. 1. Вплив водного режиму та позакореневого внесення L-орнітину на вміст хлорофілу “a” (a), хлорофілу “b” (b) та каротиноїдів (c) у листі цукрових буряків у глинистих або піщаних ґрунтових умовах. LSD при P < 0,05 для посухи — 0,20, для обробок — 0,25, для взаємодії — 0,30, вертикальні лінії означають значну різницю (SD), FW — свіжа маса.

Загальний вміст розчинних цукрів

В умовах дефіциту води загальний вміст розчинних цукрів значно знизився (Р ˂ 0,05) у рослинах, вирощуваних на глинистих ґрунтах. За нормального зрошення на глинистих та піщаних ґрунтах L-орнітин у високій концентрації викликав збільшення загального вмісту розчинних цукрів у досліджуваних рослинах. Тим часом найвищий загальний вміст розчинних цукрів був виявлений в умовах дефіциту води в рослинах, вирощуваних на піщаних ґрунтах та оброблених 0,30 ммоль L-орнітином.

Рис. 2. Вплив водного режиму та позакореневого внесення L-орнітину на загальний вміст розчинних цукрів у листі цукрових буряків у глинистих та піщаних ґрунтових умовах. LSD при P < 0,05 для посухи — 1,0, для обробок — 2,0, для взаємодії — 3,0, вертикальні лінії означають значну різницю (SD), FW — свіжа маса.

Загальний вміст вільних амінокислот

Стрес від посухи зменшив загальний вміст вільних амінокислот у рослинах, вирощуваних на глинистих та піщаних ґрунтах (Рис. 3).

В умовах дефіциту води та нормального зрошення застосування L-орнітину, особливо у високій концентрації, збільшило загальний вміст вільних амінокислот у рослинах, вирощуваних на глинистих та піщаних ґрунтах. В умовах дефіциту води застосування L-орнітину, особливо при низькій концентрації, збільшило загальний вміст вільних амінокислот у рослинах, вирощуваних на піщаних ґрунтах, порівняно з контрольним зразком.

Рис. 3. Вплив водного режиму та позакореневого внесення L-орнітину на загальний вміст вільних амінокислот у листі цукрових буряків у глинистих та піщаних ґрунтових умовах. LSD при P < 0,05 для посухи — 0,10, для обробок — 0,15, для взаємодії — 0,25, вертикальні лінії означають значну різницю (SD), FW — свіжа маса.

Перекисне окислення ліпідів (малондіальдегід — MDA)

Вплив посухи на показник клітинного пошкодження (малондіальдегід — MDA) показано на Рис. 4. Під впливом посухи вміст малондіальдегіду (МДА) збільшився в цукрових буряках, вирощуваних у глинистих та піщаних ґрунтових умовах. Рівень перекисного окиснення ліпідів у буряках знижувався, найнижчі значення були зафіксовані у рослинах, оброблених 0,30 ммоль L-орнітином та в умовах посухи (54,3 та 60 нмоль/г свіжої маси) в глинистих ґрунтових умовах (Рис. 4).

Рис. 4. Вплив водного режиму та позакореневого внесення L-орнітину на перекисне окислення ліпідів (вміст малондіальдегіду (МДА)) у листі цукрових буряків у глинистих або піщаних ґрунтових умовах. LSD при P < 0,05 для посухи — 4,59, обробок — 16,0 та для взаємодії — 19,50, вертикальні лінії означають значну різницю (SD), FW — свіжа маса.

Антиоксидантні ферменти

Дані, наведені на Рис. 5, показують, що активність ферменту каталази значно збільшилася (Р ˂ 0,05) у відповідь на стрес від посухи та застосування L-орнітину. Найвища активність каталази була виявлена в умовах дефіциту води в рослин, оброблених 0,30 ммоль L-орнітином у піщаних ґрунтових умовах. Що стосується ферменту пероксидази, під впливом посухи в глинистих та піщаних ґрунтових умовах її активність суттєво знизилася (Р ˂ 0,05). З іншого боку, активність пероксидази значно зросла під час обробки 0,30 ммоль L-орнітином рослин, вирощуваних на глинистих ґрунтах, а також рослин із дефіцитом води, вирощуваних на піщаних ґрунтах, порівняно з контрольними зразками (Рис. 6).

Рис. 5. Вплив водного режиму та позакореневого внесення L-орнітину на активність ферменту каталази в листі цукрових буряків у глинистих та піщаних ґрунтових умовах. LSD при P < 0,05 для посухи — 9,49, обробок — 20,24 та для взаємодії — 25,50, вертикальні лінії означають значну різницю (SD), FW — свіжа маса.

Рис. 6. Вплив водного режиму та позакореневого внесення L-орнітину на активність ферменту пероксидази у листі цукрових буряків у глинистих та піщаних ґрунтових умовах. LSD при P < 0,05 для посухи — 160, для обробок — 182,50 для взаємодії — 353,0, вертикальні лінії означають значну різницю (SD), FW — свіжа маса.

Білок

Дані, представлені в Таблиці 2 та на Рис. 7, показали, що поліпептид із 165 кДа був присутній у всіх рослинах із дефіцитом води, оброблених L-орнітином, або в зрошуваних буряках на глинистому ґрунті. Однак поліпептиди з 97, 88 та 82 кДа не були виявлені у всіх досліджуваних рослинах, порівняно з контрольними зразками. Крім того, було виявлено поліпептид із 46 кДа, але поліпептиди з 77, 43 та 42 кДа зникли, коли всі досліджувані рослини оброблялися 0,60 ммоль L-орнітином, порівняно з необробленими рослинами. Хоча в піщаних ґрунтових умовах (Таблиця 3 та Рис. 8) очевидно, що стрес від посухи призвів до зникнення поліпептидів із 140, 100, 83, 75 та 50 кДа. Тільки поліпептиди зі 100, 75 та 50 кДа відновилися за допомогою внесення L-орнітину. Більше того, поліпептиди з 76 і 65 кДа індукувались у рослинах із дефіцитом води як під час обробки L-орнітином, так і без неї.

Таблиця 2. Вплив водного режиму та позакореневого внесення L-орнітину на білок у листі цукрових буряків у глинистих ґрунтових умовах

*А — контроль та нормальне зрошення; B — контроль та 0,30 ммоль L-орнітину; C — контроль та 0,60 ммоль L-орнітину; D — контроль посухи; E — посуха та 0,30 ммоль L-орнітину; F — посуха та 0,60 ммоль L-орнітину.

Таблиця 3. Вплив водного режиму та позакореневого внесення L-орнітину на білок у листі цукрових буряків у піщаних ґрунтових умовах

*A — контроль та 60 ммоль L-орнітину; B — контроль та 30 ммоль L-орнітину; С — контроль та звичайне зрошення; D — посуха та 60 ммоль L-орнітину; E — посуха та 30 ммоль L-орнітину; F — посуха.

Обговорення

Посуха вважається найважливішим екологічним стресом, який обмежує ріст і розвиток рослин. Дефіцит води є вирішальним фактором стресу, який впливає на ріст рослин через його значний вплив на збільшення, розвиток та подовження клітин. Негативні наслідки стресу від посухи обумовлені дисбалансом між виробництвом вільних радикул та антиоксидантними захисними системами. Дефіцит води також змінює біохімічні компоненти та фізіологічні процеси, такі як фотосинтез, синтез білка та накопичення осмопротекторів.

Позакореневе внесення L-орнітину проводилося у вегетативній фазі розвитку цукрових буряків, вирощуваних в умовах водного стресу, для визначення способів пом'якшення окислювального пошкодження, викликаного впливом стресу від посухи. Позакореневе внесення L-орнітину, особливо у високій концентрації (0,60 ммоль), призвело до значного зменшення впливу посухи, що було одним із параметрів загальних морфологічних характеристик росту рослин. Існують дані про те, що L-орнітин є попередником поліамінів, які мають важливе значення для регуляції росту та розвитку рослин. У рослинах поліамін асоціюється із покращенням їх стійкості до стресу від посухи. Поліаміни беруть участь у декількох фізіологічних процесах у рослині, пов’язаних із їх розвитком та ростом, а також реакціями на стрес через безліч біохімічних функцій. L-орнітин є важливим регулятором біосинтезу та накопичення глутаміну в клітинах, а також підтримує оптимальне засвоєння вуглецю та азоту, що веде до збільшення виробництва біомаси та стійкості рослин до абіотичного стресу.

Склад і вміст пігменту показали, що водний стрес призвів до значного зниження вмісту хлорофілів «a» та «b» та каротиноїдів у листі цукрових буряків. Симптоми часто проявляються як швидким розкладанням, так і повільним синтезом фотосинтетичних пігментів. З іншого боку, розпад пігменту не був пов’язаний зі зниженням ефективності фотохімічних параметрів, але сприяв збільшенню співвідношення каротиноїдів до загального вмісту хлорофілів. Вміст пігменту збільшувався та покращувався за рахунок позакореневого внесення l-орнітину. Щоб пояснити цей результат можна теоретично припустити, що метаболічний шлях орнітину, особливо при високій концентрації, може бути відхилений від синтезу поліамінів до альтернативного шляху, що може призвести до перевиробництва певних амінокислот, дисбалансу в дії кількох ферментів та/або токсичних сполук, оскільки H₂O₂ призводить до пошкодження мембрани тилакоїдів і подальшого зменшення фотосинтезуючих пігментів. Зміни в біосинтезі поліамінів та їх рівнів є невід’ємною частиною реакції рослин на стрес.

Вуглеводи відіграють важливу роль у регулюванні осмотичного тиску та захисних речовин у вегетативній фазі розвитку рослин. Значний вплив стресу від посухи призвів до зміни рівня розчинних цукрів, що може бути обумовлено гідролізом вуглеводів та/або зниженням експресії ферментів фотосинтезу в стресових умовах. Крім того, результати показали, що загальний вміст розчинних цукрів зменшився у всіх рослинах, оброблених 0,30 ммоль L-орнітином, порівняно з контрольними значеннями. Тим часом, протилежні результати були отримані при застосуванні 0,60 ммоль L-орнітину. Нижчий рівень орнітину підвищував рівень поліаміну в рослинних клітинах, що призвело до зменшення та регулювання наслідків стресу від посухи, що відображається у зменшенні вмісту розчинного цукру в рослинах, оброблених 0,30 ммоль L-орнітином та підданих впливу стресу у вегетативній фазі їх розвитку. З іншого боку, висока концентрація L-орнітину спричинила накопичення розчинних цукрів, що може бути зумовлено високим рівнем орнітину, підвищеним аргініном та оксидом азоту; проміжні продукти в орнітин-поліаміновій сітці діють як сигнальні молекули метаболітів та модулюють рівень осмозахисних молекул, що беруть участь у стійкості до посухи.

Наведені дані показали незначне зниження вмісту вільних амінокислот в умовах стресу від посухи, що може бути пов’язано з денатурацією ферментів, задіяних у біосинтезі амінокислот, що призводить до зниження регуляції синтезу білка в цукрових буряках. Більше того, позакореневе внесення L-орнітину тим чи іншим чином полегшило окисне пошкодження, як наслідок впливу водного стресу на амінокислоти. Екзогенний L-орнітин може забезпечити рослини метаболітом, який може легко перетворюватися в амінокислоти під час водного стресу. У той же час було встановлено, що L-орнітин може відігравати вирішальну роль у регуляції метаболізму амінокислот проліну та глутаміну. Це може бути пов’язано з тим, що рівні L-орнітину відігравали регуляторну роль у контролі глютаміну до L-орнітину, до аргініну та глутаміну, до L-орнітину, до шляхів розкладання у рослинах.

Стрес від посухи розрізняється утворенням активних форм кисню (АФК) на клітинному рівні та зменшується за рахунок збільшення антиоксидантних систем. Надлишок утворення АФК може викликати окислювальний стрес у рослин, пошкоджуючи нуклеїнові кислоти, білки, фотосинтетичні пігменти та мембранні ліпіди. Антиоксидантні ферменти — це захисна система, яка усуває активні форми кисню в рослинах. Висока експресія цих ферментів може зменшити негативний вплив активних форм кисню у стресових умовах.

В умовах стресу від посухи активність антиоксидантних ферментів свідчила про більшу здатність рослини поглинати вільні радикали. Більше того, в таких умовах екзогенний L-орнітин сприяє поліпшенню антиоксидантної ферментної активності цукрових буряків, підвищуючи тим самим здатність до виведення активних форм кисню (АФК) та покращуючи стійксть рослин. Посилена система антиоксидантного захисту в рослинах, оброблених L-орнітином, призвела до поліпшення стійкості клітинних мембран, як це показало менше перекисне окислення ліпідів. L-орнітин може перетворюватися на ендогенні поліаміни, які можуть відігравати подвійну роль у процесі знешкодження активних форм кисню (АФК). По-перше, поліаміни можуть відігравати вирішальну роль у проявах стресу від посухи для підтримки адаптивних реакцій. Більше того, повідомлялося, що поліаміни контролюють баланс між виробництвом активних форм кисню (АФК) та очищенням, тобто можуть «формувати» ознаки H₂O₂. Крім того, поліаміни можуть утворювати комплекси з каталазою, які є більш ефективними, ніж ізольований фермент. Вищу активність пероксидази можна поясними можливою роллю кон'югатів поліамін-гідроксикоричної кислоти, як субстратів для цього ферменту.

Поява двох диференційованих білків, а також повторна поява двох інших білків, які зникли під впливом водного стресу у відповідь на позакореневе внесення L-орнітину, може передбачити наявність чотирьох генів, які реагують на стрес, пов'язаних із дією L-орнітину в адаптації до стресу від посухи на піщаних ґрунтах. З іншого боку, зникнення трьох диференційованих білків із молекулярною масою 97, 88 і 82 кДа відбулося у відповідь як на концентрації L-орнітину, так і на три інших поліпептиди (77, 43 і 42 кДа) лише при високій концентрації L-орнітину як в умовах посухи, так і без неї на глинистих ґрунтах. Ці результати означають, що висока концентрація L-орнітину може сильно впливати на зниження регуляції шести генів. Як правило, зміни експресії білка в цукрових буряках, які зазнали впливу стресу від посухи та/або оброблених L-орнітином, можуть відігравати важливу роль у життєво важливих фізіологічних процесах, таких як окисно-відновна регуляція або передача сигналу за допомогою модулюючих поліпептидів, відповідальних за окислювальний стрес.

Висновки

Проведене дослідження висвітлює результати позакореневого внесення L-орнітину на цукрових буряках, вирощуваних в умовах водного стресу. Результати показали, що позакореневе застосування L-орнітину покращило стійкість рослин до посухи за допомогою регуляції осмотичного механізму, такого як накопичення розчинних цукрів та загальних вільних амінокислот, підтримки стабільності мембран за рахунок зниження перекисного окислення ліпідів та збільшення кількості антиоксидантних ферментів та синтезу нових поліпептиди. Ці результати очевидні для цукрових буряків, які вирощувалися на глинистих та піщаних ґрунтах. Хоча L-орнітин є дорогою амінокислотою як ефектор для пом'якшення стресу від посухи, з економічного та наукового погляду він вважається важливою природною сполукою та може допомогти фізіологам отримати більше знань про механізм його дії на рослинах у стресових умовах.