Aluminium-induced oxidative stress and antioxidant defence in leaves of two rye varieties

• Autorzy: Stepien P.

Warianty tytułu

PL

Wtórny stres oksydacyjny i poziom obrony antyoksydacyjnej u dwu odmian żyta w warunkach toksyczności glinu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The effect of the aluminium toxicity (1 and 5 mM of AlCl3) on the activity of the antioxidant en­zymes (superoxide dismutase, ascorbate peroxidase and glutathione reductase), the oxidative lipid degradation and the functioning of photosynthesis were studied in two rye varieties - Dańkowskie Złote and Dańkowskie Rubin - differing in the level of Al tolerance. The antioxidant enzymes activities, even when determined in control plants, were significantly higher in Dańkowskie Złote classified as more Al-tolerant. Supplementation of aluminium in the nutrient solution elevated the level of antioxidants in leaves of both cultivars; however, it was presented here that the important element of the greater resistance to aluminium toxicity observed in Dańkowskie Złote is larger induction of the antioxidant enzyme activities. The efficient antioxidant defence system in this variety greatly prevented the harmful effect of the reactive oxygen species (ROS) in the leaf as demonstrated by lower level of lipid peroxidation in and higher photosynthetic capacity revealed by the gas exchange and chlorophyll fluorescence measurements. The results presented here con­firm that efficient antioxidant defence is an essential component of the resistance to environmental stresses conditions.

PL

W dwu odmianach żyta - Dańkowskie Złote oraz Dańkowskie Rubin - różniących się poziomem tolerancji na obecność jonów Al w podłożu, badano wpływ toksyczności glinu (1 i 5 mM A1C13) na aktywność wybranych enzymów antyoksydacyjnych, stopień oksydacyjnych uszkodzeń lipidów budujących błony biologiczne oraz przebieg procesów fotosyntetycznych. W ramach przeprowa­dzonych prac eksperymentalnych wykazano, że Dańkowskie Złote, klasyfikowane jako bardziej odporne na glin, jest znacząco lepiej przystosowane do niwelowania skutków wtórnego stresu oksydacyjnego, wynikającego ze wzmożonej produkcji reaktywnych form tlenu w warunkach stresu. Decydującym elementem tej adaptacji jest wysoki, konstytutywny poziom obrony anty- oksydacyjnej, wyrażający się wysokim naturalnym poziomem aktywności enzymów dysmutazy ponadtlenkowej czy reduktazy glutationowej. Również poziom aktywności enzymatycznych in­dukowany obecnością jonów Al u obu odmian żyta był znacznie wyższy u odmiany Dańkowskie Złote, niż u Dańkowskie Rubin. W efekcie posiadania skutecznego systemu ochrony antyoksyda- cyjnej Dańkowskie Złote wykazuje znacznie mniejszy stopień uszkodzeń struktur wewnątrzko­mórkowych wywołanych toksycznością glinu oksydacyjnych, co wyrażone zostało między innymi niższym poziomem peroksydacji lipidów oraz mniejszą inhibicją aparatu fotosyntetycznego, niż w przypadku odmiany Dańkowskie Rubin.

• Wydawca: -
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Rolnictwo
• Rocznik: 2014
• Tom: 110
• Opis fizyczny: p.49-61,fig.,ref.

Twórcy

autor

Stepien P.

• Faculty of Life Sciences, University of Manchester, United Kingdom

Bibliografia

• Alscher R.G., Erturk N., Heath L.S., 2002. Role of superoxide dismutases (SODs) in controlling oxidative stress in plants. J. Exp. Bot., 53: 1331-1341.
• Asada K., 2000. The water-water cycle as alternative photon and electron sinks. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci., 355: 1419-1430.
• Asada K., 1992. Ascorbate peroxidase - a hydrogen proxide scavengin enzyme in plants. Physiol. Plant., 55: 235-241.
• Bor M, Özdemir F, Türkan I ., 2003. The effects of salt stress on lipid peroxidation and antioxidants in leaves of sugar beet Beta vulgaris L. and wild beet Beta maritima L. Plant Sci., 164: 77-84.
• Donahue J.L., Okpodu C.M., Cramer C.L., Grabau E.A., Alscher R.G., 1997. Responses of antioxi­dants to paraquat in Pea leaves. Plant. Physiol., 113: 249-257.
• Foyer C.H., Vanacker H., Gomez L.D., Harbinson J., 2002. Regulation of photosynthesis and anti­oxidant metabolism in maize leaves at optimal and chilling temperatures: review. Plant Physiol. Biochem., 40: 659-668.
• Genty B., Briantais J-M., Baker N.R., 1989. The relationship between the quantum yield of photo- synthetic electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence. Bioch. Biophys. Acta. 990: 87-92.
• Golding A.J., Johnson G.N., 2003. Down-regulation of linear and activation of cyclic electron transport during drought. Planta, 218: 107-114.
• Hasni I., Hamdani S., Carpentier R., 2013. Destabilization of the Oxygen Evolving Complex of Photosystem II by Al3+. Photochem. Photobiol., 89 (5): 1135-1142.
• Hernandez J.A., Aguilar A.B., Portillo B., Löpez-Gömez E., Beneyto J.M., Garcia-Legaz M.F., 2003. The effect of calcium on the antioxidant enzymes from salt-treated loquat and anger plants. Funct. Plant Biol., 30: 1127-1137.
• Horst W.J., Wang Y., Eticha D., 2010. The role of the root apoplast in aluminium-induced inhibition of root elongation and in aluminium resistance of plants: a review. Ann. Bot., 106: 185-197.
• Jiang H.X., Chen L.S., Zheng J.G., Han S., Tang N., Smith B.R., 2008. Aluminum induced effects on photosystem II photochemistry in citrus leaves assessed by the chlorophyll a fluorescence transient. Tree Physiol., 28: 1863-1871.
• Liu C., Liu Y., Guo K., Fan D., Li G., Zheng Y., Yu L., Yang R., 2011. Effect of drought on pig­ments, osmotic adjustment and antioxidant enzymes in six woody plant species in karst habitats of southwestern China. Environ. Exp. Bot., 71: 174-183.
• Luo Y., Zhao X., Zhou R., Zuo X., Zhang J. Li Y., 2011. Physiological acclimation of two psam- mophytes to repeated soil drought and rewatering. Acta Physiol. Plant., 33: 79-91.
• Maxwell K., Johnson G.N., 2000. Chlorophyll fluorescence-a practical guide. J. Exp. Bot., 51: 659-668.
• Meloni D.A., Oliva M.A., Martinez C.A., Cambraia J., 2003. Photosynthesis and activity of su­peroxide dismutase, peroxidase and glutathione reductase in cotton under salt stress. Environ. Exp. Bot., 49: 69-76.
• Miyake C., Shinzaki Y., Nishioka M., Horiguchi S., Tomizawa K., 2006. Photoinactivation of ascor- bate peroxidase in isolated tobacco chloroplasts: Galdieria partita APX maintains the electron flux through the water-water cycle in transplastomic tobacco plants. Plant. Cell Physiol., 47: 200-210.
• Murata N., Takahashi S., Nishiyama Y., Allakhverdiev S.I., 2007. Photoinhibition of photosystem II under environmental stress. Biochim. Biophys. Acta, 1767: 414-421.
• Ogbaga C.C., Stępień P., Johnson G.N., 2014. Sorghum (Sorghum bicolor) varieties adopt strongly contrasting strategies in response to drought. Physiol. Plant.
• Peixoto P.H., Da Matta F.M. and Cambraia J., 2002. Responses of the photosynthetic apparatus to aluminum stress in two sorghum cultivars. J. Plant Nutr. 25: 821-832.
• Rao M.V., Paliyath G., Ormrod D.P., 1996. Ultraviolet-B-and ozone-induced biochemical changes in antioxidant enzymes of Arabidopsis thaliana. Plant, Physiol., 110: 125-136.
• Sairam R.K., Saxena D.C., 2000. Oxidative stress and antioxidants in wheat genotypes: possible mechanism of water stress tolerance. J. Agron. Crop. Sci., 184: 55-61
• Shigeoka S., Ishikawa T., Tamoi M., Miyagawa Y., Takeda, T., Yabuta, Y., 2002. Regulation and function of ascorbate peroxidase isoenzymes. J. Exp. Bot. 53: 1305-1319.
• Silva S., 2012. Aluminium Toxicity Targets in Plants. J. Bot.: 1-8.
• Silva S., Pinto G., Dias M. C., Correia C. M., Moutinho-Pereira J., Pinto-Carnide O., Santos C., 2012. Aluminum long-term stress differently affects photosynthesis in rye genotypes. Plant Physiol. Biochem., 54: 105-112.
• Stępień P., Johnson G.N., 2009. Contrasting responses of photosynthesis to salt stress in the glycophyte Arabidopsis and the halophyte Thellungiella: role of the plastid terminal oxidase as an alternative electron sink. Plant Physiol., 149: 1154-1165.
• Stępień P., Kłobus G., 2005. Antioxidant defense in the leaves of C3 and C4 plants under salinity stress. Physiol. Plant, 125: 31-40.
• Stępień P., Kłobus G., 2006. Water relations and photosynthesis in Cucumis sativus L. leaves under salt stress. Biol. Plant, 50: 610-616.
• Vardar F. and Unal M., 2007. Aluminium toxicity and resistance in higher plants. Adv. Mol. Biol. 1: 1-12.
• Von Uexkull H.R., Mutert E., 1995. Global extent, development and economic impact of acid soils [in:] Plant-Soil interactions at low pH. Principles and Management. Date R.A. (ed.), NJ. Klu- wer Academic Publ. Dordrecht.
• Zhang X.Y., Liang C., Wang G.P., Luo Y., Wang W., 2010. The protection of wheat plasma mem­brane under cold stress by glycine betaine overproduction. Biol. Plant, 54: 83-88