en   uk  
ISSN 2308-7099
Фізіологія рослин і генетика
 
 
Фізіологія рослин і генетика 2019, том 51, № 2, 172-182, doi: https://doi.org/10.15407/frg2019.02.172

Вплив iонiв Сd2+ на активнiсть стромальних карбоангiдраз хлоропластiв шпинату

Топчiй Н.М.1, Полiщук О.В.1, Золотарьова О.К.1, Ситник С.К.2

  1. Iнститут ботаніки ім. М.Г. Холодного Національної академії наук України 01004 Київ, вул. Терещенківська, 2
  2. Iнститут фізіології рослин і генетики Національної академії наук України 03022 Київ, вул. Васильківська, 31/17

Фракцію стромальних білків хлоропластів, ізольованих із листків Spinacia oleracea, отримано шляхом осмотичного руйнування цілих хлоропластів, відмитих від компонентів цитозолю. Методом інфрачервоного СО2-аналізу досліджено вплив іонів кадмію на активність стромальних карбоангідраз (КА). Напівмаксимальне інгібування дегідратазної активності КА спостерігали при добавлянні до реакційного середовища 35 мкМ СdCl2, при добавлянні 80 мкМ ферментативна активність становила 15 % контрольного значення. КА активність у ПААГ після неденатурувального електрофорезу візуалізували за зміною забарвлення індикатора бромтимолового синього в місцях локалізації КА. Виявлено чотири білкові смуги з різною рухливістю й різним рівнем КА активності. Число смуг із КА активністю та інтенсивність їх забарвлення зменшились після попередньої обробки стромальних білків СdCl2 різної концентрації. Найчутливішою до дії Сd2+ виявилася низькомолекулярна форма КА, активність якої повністю пригнічувалась у зразках, оброблених 80 мкМ СdСl2, тоді як КА, асоційована з РБФК/О, частково зберігала активність після інкубації стромальних білків зі 150 мкМ СdСl2. Отримані дані підтвердили можливість використання КА хлоропластів як біомаркера раннього моніторингу забруднення навколишнього середовища важкими металами.

Ключові слова: Spinacia oleracea, кадмій, карбоангідраза, біомаркер

Фізіологія рослин і генетика
2019, том 51, № 2, 172-182

Повний текст та додаткові матеріали

У вільному доступі: PDF  

Цитована література

1. https://eur-lex.europa.eu/

2. Shahid, M., Dumat, C., Khalid, S., Niazi, N. K. & Antunes, P. M. (2016). Cadmium bioavailability, uptake, toxicity and detoxification in soil-plant system. Reviews of Environmental Contamination and Toxicology, 241, pp. 73-137. https://doi.org/10.1007/398_2016_8

3. Ilyin, V.B. (2012). Heavy metals and non-metals in the soil-plant system. Novosibirsk: Science. 218 p. [in Russian].

4. Kupper, H. & Leitenmaier, B. (2013). Cadmium-accumulating plants. In Cadmium: from toxicity to essentiality. Springer, Dordrecht, pp. 373-393. https://doi.org/10.1007/978-94-007-5179-8_12

5. Dias, M. C., Monteiro, C., Moutinho-Pereira, J., Correia, C., Goncalves, B. & Santos, C. (2012). Cadmium toxicity affects photosynthesis and plant growth at different levels. Acta Physiol. Plant., 35, No. 4, pp. 1281-1289. https://doi.org/10.1007/s11738-012-1167-8

6. Benavides, M. P., Gallego, S. M., & Tomaro, M. L. (2005). Cadmium toxicity in plants. Brazilian J. of Plant Physiol., 17, No. 1, pp. 21-34. https://doi.org/10.1590/S1677-04202005000100003

7. Perreault, F., Dionne, J., Didur, O., Juneau, P. & Popovic, R. (2011). Effect of cadmium on photosystem II activity in Chlamydomonas reinhardtii: alteration of O-J-I-P fluorescence transients indicating the change of apparent activation energies within photosystem II. Photosynth. Res., 107, No. 2, pp. 151-157. https://doi.org/10.1007/s11120-010-9609-x

8. Faller, P., Kienzler, K. & Krieger-Liszkay, A. (2005). Mechanism of Cd2+ toxicity: Cd2+ inhibits photoactivation of photosystem II by competitive binding to the essential Ca2+ site. Biochim. Biophys. Acta, 1706, No. 1-2, pp. 158-164. https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2004.10.005

9. Sigfridsson, K.G.V., Bernat, G., Mamedov. F. & Styring, S. (2004). Molecular interference of Cd2+ with photosystem II. Biochim. Biophys. Acta, 1659, pp.19-31. https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2004.07.003

10. Fagioni, M., D'Amici, G.M., Timperio, A.M. & Zolla, L. (2009). Proteomic analysis of multiprotein complexes in the thylakoid membrane upon cadmium treatment. J. Proteome Res. 8, pp. 310-326. https://doi.org/10.1021/pr800507x

11. Pietrini, F., Iannelli, M. A., Pasqualini, S. & Massacci, A. (2003). Interaction of cadmium with glutathione and photosynthesis in developing leaves and chloroplasts of Phragmites australis. Plant Physiol., 133, No. 2, pp. 829-837. https://doi.org/10.1104/pp.103.026518

12. Krupa, Z., Oquist, G. & Huner, N. P. (1993). The effects of cadmium on photosynthesis of Phaseolus vulgaris - a fluorescence analysis. Physiol. Plant., 88, No. 4, pp. 626-630. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1993.tb01381.x

13. Asencio, C.I. & Cedeno-Maldonado, A. (1978). Effects of cadmium on carbonic anhydrase and activities dependent on electron transport of isolated chloroplasts. J. Agric. Univ. Puerto Rico, 63, pp. 195-201.

14. Polishchuk, A. V., Semenihin, A. V., Topchiy, N. M. & Zolotareva, O. K. (2018). Inhibition of multiple forms of carbonic anhydrases of spinach chloroplasts by Cu ions. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr., No. 4, pp. 94-101. https://doi.org/10.15407/dopovidi2018.04.094

15. Hall, D. O. (1972). Nomenclature of isolated chloroplasts. Nature, 235, No. 56, pp. 125-128. https://doi.org/10.1038/newbio235125a0

16. Reeves, S. G. & Hall, D. O. (1980). Higher plants chloroplasts and grana: general preparative procedures (excluding high carbon dioxide fixation ability chloroplasts). Methods Enzymol., 69, pp. 85-94. https://doi.org/10.1016/S0076-6879(80)69010-7

17. Arnon, D.I. (1949). Copper enzymes in isolated chloroplast. Polyphenoloxidase in Beta vulgaris. Plant Physiol., 24, No. 1, pp. 1-15. https://doi.org/10.1104/pp.24.1.1

18. Ornstein, L. & Davis, B. J. (1964). Disc electrophoresis I. Background and theory. Ann. N. Y. Acad. Sci., 121, pp. 321-349. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1964.tb14207.x

19. Edwards, L. J. & Patton, R. L. (1966). Visualization of carbonic anhydrase activity in polyacrilamide gel. Stain Technol., 41, No. 6, pp. 333-334. https://doi.org/10.3109/10520296609116335

20. Wilbur, K.W. & Anderson, N.G. (1948). Electrometric and colorimetric determination of carbonic anhydrase. J. Biol. Chem., 176, pp. 147-154.

21. Kimber, M.S. & Pai, E.F. (2000). The active site architecture of Pisum sativum beta-carbonic anhydrase is a mirror image of that of alpha-carbonic anhydrases. EMBO J., 19, No. 7, pp. 1407-1418. https://doi.org/10.1093/emboj/19.7.1407

22. Rudenko, N.N., Ignatova, L.K., Fedorchuk, T.P. & Ivanov, B.N. (2015). Carbonic anhydrases in photosynthetic cells of higher plants. Biochemistry, 80, No. 6, pp. 798-813. https://doi.org/10.1134/S0006297915060048

23. Fabre, N., Reiter, I.M., Becuwe-Linka, N., Genty, B. & Rumeau, D. (2007). Characterization and expression analysis of genes encoding a and b carbonic anhydrases in Arabidopsis. Plant Cell Environ., 30, pp. 617-629. https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2007.01651.x

24. Moroney, J.V., Bartlett, S.G. & Samuelsson, G. (2001). Carbonic anhydrases in plants and algae. Plant Cell Environ., 24, pp. 141-153. https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2001.00669.x

25. DiMario, R. J., Clayton, H., Mukherjee, A., Ludwig, M. & Moroney, J.V. (2017). Plant carbonic anhydrases: structures, locations, evolution, and physiological roles. Mol. Plant., 10, pp. 30-46. https://doi.org/10.1016/j.molp.2016.09.001

26. DiMario, R.J., Quebedeaux, J.C., Longstreth, D.J., Dassanayake, M., Hartman, M.M. & Moroney, J.V. (2016). The cytoplasmic carbonic anhydrases b-CA2 and b-KA4 are required for optimal plant growth at low CO2. Plant Physiol., 171, pp. 280-293. https://doi.org/10.1104/pp.15.01990

27. Badger, M.R. & Price, G.D. (1994). The role of carbonic anhydrase in photosynthesis. Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol., 45, pp. 369-392. https://doi.org/10.1146/annurev.pp.45.060194.002101

28. Johansson, I.M. & Forsman, C. (1993). Kinetic studies of pea carbonic anhydrase. Eur. J. Biochem., 218, No. 2, pp. 439-446. https://doi.org/10.1111/j.1432-1033.1993.tb18394.x

29. Kaplan, A. & Reinhold, L. (1999). CO2 concentrating mechanisms in photosynthetic microorganisms. Ann. Rev. Plant Biol., 50, No. 1, pp. 539-570. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.50.1.539

30. Jebanathirajah, J. A. & Coleman, J.R. (1998). Association of carbonic anhydrase with a Calvin cycle enzyme complex in Nicotiana tabacum. Planta, 204, pp. 177-182. https://doi.org/10.1007/s004250050244

31. Lionetto, M. G., Caricato, R., Giordano, M. E., Erroi, E. & Schettino, T. (2012). Carbonic anhydrase and heavy metals. Biochemistry ed. by Ekinci D., pp. 205-224. ISBN: 978-953-51-0076-8.

32. Lionetto, M. G., Caricato, R., Giordano, M. E. & Schettino, T. (2016). The complex relationship between metals and carbonic anhydrase: new insights and perspectives. Int. J. Mol. Sci., 17, No. 127, pp. 1-14. https://doi.org/10.3390/ijms17010127

33. Soyut, H., Beydemir, Є. & Hisar, O. (2008). Effects of some metals on carbonic anhydrase from brains of rainbow. Trout. Biol. Trace Elem. Res., 123, No. 1, pp. 179-190. https://doi.org/10.1007/s12011-008-8108-9