У геномі Arabidopsis thaliana містяться три гени — Cat1, Cat2 та Cat3, які кодують три ізоформи каталази (САТ). Дві ізоформи (САТ2, САТ3) експресуються у листках і забезпечують розщеплення пероксиду водню, який утворюється у пероксисомах при фотодиханні. Захисна роль САТ за надмірного освітлення (світловий стрес) добре відома, проте залишається незрозумілим, якою є роль ізоформи CAT2 у підтриманні окисно-відновного балансу в клітині за дії оксидативного стресу, що виникає за дії інших стресорів, наприклад, високих концентрацій іонів важких металів. Нами досліджено вплив хлоридів міді та кадмію на вміст низькомолекулярних антиоксидантів, аскорбату/дегідроаскорбату (Asc/DHA) в A. thaliana дикого типу та нокаутної мутантної лінії cat2, в якої відсутня ізоформа САТ2. Отримані дані свідчать, що у лінії cat2 відбуваються перебудови метаболізму, які компенсують зниження активності САТ. Ці перебудови, принаймні частково, полягають у активації обміну Asc/DHA. У темряві, за відсутності генерування пероксиду водню у пероксисомах, ці компенсаторні механізми залишаються активними протягом кількох годин (метаболічна «інерція»), що призводить до тимчасового зсуву окисно-відновного балансу в бік відновлення. Зростання вмісту іонів Сu2+ у тканинах листка призводить до окиснення Asc до DHA, що індукує захисну відповідь, спрямовану на стабілізацію пулу Asc+DHA. Порівняно з іонами Сu2+ підвищення концентрації іонів Сd2+ спричинює набагато менші зміни вмісту Asc та DHA. Отримані дані свідчать, що CAT не бере безпосередньої участі у захисті рослин при накопиченні іонів ВМ у листках. Однак пошкодження клітин за відсутності активності CAT2 обмежується внаслідок активації метаболізму Asc/DHA.
Ключові слова: Arabidopsis thaliana, ізоформи каталази, оксидативний стрес, важкі метали, кадмій, мідь, аскорбат, дегідроаскорбат
Повний текст та додаткові матеріали
У вільному доступі: PDFЦитована література
1. Reczek, C. & Chandel, N. (2015). ROS-dependent signal transduction. Cur. Opin. in Cell Biol., 33, pp. 8-13. https://doi.org/10.1016/j.ceb.2014.09.010
2. Mhamdi, A., Queval, G., Chaouch, S., Vanderauwera, S., Breusegem, F.V. & Noctor, G. (2010). Catalase function in plants: a focus on Arabidopsis mutants as stress-mimic models. J. Exp. Bot., 61, pp. 4197-4220. https://doi.org/10.1093/jxb/
3. Das, K. & Roychoudhury, A. (2014). Reactive oxygen species (ROS) and response of antioxidants as ROS-scavengers during environmental stress in plants. Front. Environ. Sci., 2, pp. 1-12. https://doi.org/10.3389/fenvs.2014.00053
4. Buzduga, I.M., Volkov, R.A. & Panchuk, I.I. (2018). Metabolic compensation in Arabidopsis thaliana catalase-deficient mutants. Cytol. Genet., 52, No. 1, pp. 31-39. https://doi.org/10.3103/S0095452718010036
5. Sharma, I. & Ahmad, P. (2014). Catalase: a versatile antioxidant in plants. In Ahmad, P. (Ed.) Oxidative Damage to Plants, (pp. 131-148). Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-799963-0.00004-6
6. Queval, G., Issakidis-Bourguet, E., Hoeberichts, F.A., Vandorpe M., Gakiere, B., Vanacker, H. & Noctor, G. (2007). Conditional oxidative stress responses in the Arabidopsis photorespiratory mutant cat2 demonstrate that redox state is a key modulator of daylength-dependent gene expression, and define photoperiod as a crucial factor in the regulation of H2O2-induced cell death. The Plant J., 52, No. 4, pp. 640-657. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2007.03263.x
7. Vandenabeele, S., Vanderauwera, S., Vuylsteke, M., Rombauts, S., Langebartels, C., Seidlitz, H.K., Zabeau, M., Montagu, M.V., Inze, D. & Breusegem, F.V. (2004). Catalase deficiency drastically affects gene expression induced by high light in Arabidopsis thaliana. The Plant J., 39, No. 1, pp. 45-58. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2004.02105.x
8. Emamverdian, A., Ding, Y., Mokhberdoran, F. & Xie, Y. (2015). Heavy metal stress and some mechanisms of plant defense response. The Scientific World J., 1, pp. 1-18. https://doi.org/10.1155/2015/756120
9. Singh, S., Parihar, P., Singh, R., Singh, V. P. & Prasad, S. M. (2016). Heavy metal tolerance in plants: role of transcriptomics, proteomics, metabolomics, and ionomics. Front. Plant Sci., 6, p. 1143. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.01143
10. Ackova, D.G. (2018). Heavy metals and their general toxicity on plants. Plant Sci. Today, 5, No. 1, pp. 15-19. https://doi.org/10.14719/pst.2018.5.1.355
11. Liochev, S.I. (2018). The mechanism of Fenton-like reactions and their importance for biological systems. A biologist's view. In Metal ions in biological systems (pp. 1-39), CRC Press. https://doi.org/10.1201/9780203747605-1
12. Zhang, H., Lv, S., Xu, H., Hou, D., Li, Y. & Wang, F. (2017). H2O2 is involved in the metallothionein-mediated rice tolerance to copper and cadmium toxicity. Int. J. Mol. Sci., 18, pp. 1-12. https://doi.org/10.3390/ijms18102083
13. Ghori, N.H., Ghori, T., Hayat, M.Q., Imadi, S.R., Gul, A., Altay, V. & Ozturk, M. (2019). Heavy metal stress and responses in plants. Int. J. Environ. Sci. Technol., 1, pp. 1-22. https://doi.org/10.1007/s13762-019-02215-8
14. Puthur, J.T. (2016). Antioxidants and cellular antioxidation mechanism in plants. South Indian J. Biol. Sci., 2, No. 1, pp. 9-13. https://doi.org/10.22205/sijbs/2016/v2/i1/100335
15. Khan, M.I.R. & Khan, N.A. (2017). Reactive oxygen species and antioxidant systems in plants: role and regulation under abiotic stress. Singapore: Springer. https://doi.org/10.1007/978-981-10-5254-5
16. Araujoa, R.P., de Almeidaa, A.F., Pereiraa, L.S., Mangabeiraa, P.A.O., Souzaa, J.O., Pirovania, C.P., Ahnerta, D. & Baligar, V.C. (2017). Photosynthetic, antioxidative, molecular and ultrastructural responses of young cacao plants to Cd toxicity in the soil. Ecotoxicol. Environm. Safety, 144, pp. 148-157. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2017.06.006
17. Rohozynskiy, M.S., Shelifist, A.E., Kostyshyn, S.S. & Volkov, R.A. (1998). Influence of heavy metals ions on plants in vitro. Fiziologiya i Biokhimiya Kult. Rastenii, 30, No. 6, pp. 465-471 [in Russian].
18. Doliba, I.M., Volkov, R.A. & Panchuk, I.I. (2011). Activity of catalase and ascorbate peroxidase in Cat2 knock-out mutant of Arabidopsis thaliana upon cadmium stress. Visnik Ukrainskogo Tovaristva Genetikiv i selekcioneriv, 9, No. 2, pp. 200-208 [in Ukrainian].
19. Buzduga, I.M. & Panchuk, I.I. (2013). Effect of copper on ascorbate peroxidase activity in Cat2 knock-out mutant of Arabidopsis thaliana. Biological Systems (Scientific Herald of Chernivtsy University), 5, No. 4, pp. 466-470 [in Ukrainian].
20. Doliba, I.M., Volkov, R.A. & Panchuk, I.I. (2012). Effect of copper ions on lipid peroxidation in Cat2 knock-out mutant of Arabidopsis thaliana. Visnik Ukrainskogo Tovaristva Genetikiv i Selekcioneriv, 10, No. 1, pp. 13-19 [in Ukrainian].
21. Doliba, I.M., Volkov, R.A. & Panchuk, I.I. (2012). Effect of copper on catalase and ascorbate peroxidase activity in Arabidopsis thaliana. Fiziologiya i Biokhimiya Kult. Rastenii, 44, No. 2, pp. 153-161 [in Ukrainian].
22. Ramirez, L., Bartoli, C.G. & Lamattina, L. (2013). Glutathione and ascorbic acid protect Arabidopsis plants against detrimental effects of iron deficiency J. Exp. Bot., 1, pp. 1-20. https://doi.org/10.1093/jxb/ert153
23. Gallie, D.R. (2013). The role of L-ascorbic acid recycling in responding to environmental stress and in promoting plant growth. J. Exp. Botany, 64, pp. 433-443. https://doi.org/10.1093/jxb/ers330
24. Melidou, I. & Kanellis, A.K. (2017). Genetic control of ascorbic acid biosynthesis and recycling in horticultural crop. Front. Chem., 5, pp. 1-8. https://doi.org/10.3389/fchem.2017.00050
25. Venkatesh, J. & Won Park, S. (2014). Role of L-ascorbate in alleviating abiotic stresses in crop plants. Bot. Studies, 55, pp. 1-19. https://doi.org/10.1186/1999-3110-55-38
26. Mieda, T., Yabuta, Y., Rapolu, M., Motoki, T., Takeda, T., Yoshimura, K., Ishikawa, T. & Shigeoka, S. (2004). Feedback inhibition of spinach L-galactose dehydrogenase by L-ascorbate. Plant Cell Physiol., 45, pp. 1271-1279. https://doi.org/10.1093/pcp/pch152
27. Valpuesta, V. & Botella, M.A. (2004). Biosynthesis of L-ascorbic acid in plants: new pathways for an old antioxidant. Trends Plant Sci., 9, No. 12, pp. 573-577. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2004.10.002
28. Foyer, C.H. & Noctor, G. (2011). Ascorbate and glutathione: the heart of the redox hub. Plant Physiol., 155, pp. 2-18. https://doi.org/10.1104/pp.110.167569
29. Jozefczak, M., Bohler, S., Schat, H., Horemans, N., Guisez, Y., Remans, T., Vangronsveld, J. & Cuypers, A. (2015). Both the concentration and redox state of glutathione and ascorbate influence the sensitivity of arabidopsis to cadmium. Ann. Bot., 116, No. 4, pp. 601-612. https://doi.org/10.1093/aob/mcv075
30. Yazlovytska, L.S., Rohozynskiy, M.S., Kostyshyn, S.S. & Volkov, R.A. (1999). Cu2+ and Ni2+ influence on RNA synthesis in maize seedlings. The Ukr. Biochem. J., 71, pp. 56-60 [in Ukrainian].
31. Murashige, T. & Skoog, F. (1962). A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures. Physiol. Plant, 15, No. 3, pp. 473-497. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1962.tb08052.x
32. Volkov, R.A., Panchuk, I.I. & Buzduga, I.M. (2017). Biochemical methods for plant studies. Chernivtsi: Ruta [in Ukrainian].
33. Luwe, M.W.F. (1993). Role of ascorbate in detoxify in ozone in the appoplast of spinach (Spinacia oleracea L.) leaves. Plant Physiol., 101, pp. 969-976. https://doi.org/10.1104/pp.101.3.969
34. Engel, J. (1997). Signifikante Schule der schlichten Statistik. Fuerth: Filander Verlag.
35. Doliba, I.M., Dolzhitska, A.G. & Panchuk, I.I. (2012). Rapid accumulation of the ions of cadmium in leaves of Arabidopsis activate the membrane lipid peroxidation. Biological Systems (Scientific Herald of Chernivtsy University), 4, pp. 366-371 [in Ukrainian].
36. Ahmad, J., Ali, A.A., Baig, M.A., Iqbal, M., Haq, I. & Qureshi, M.I. (2019). Role of phytochelatins in cadmium stress tolerance in plants. In Cadmium Toxicity and Tolerance in Plants (pp. 185-212), Academic Press. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814864-8.00008-5
37. Karam, E.A. & Keramat, B. (2017). Hydrogen sulfide protects coriander seedlings against copper stress by regulating the ascorbate-glutathione cycle in leaves. J. Plant Process Function, 5, No. 18, pp. 1-6.
38. Hojati, M., Modarres-Sanavy, S.A.M., Enferadi, S.T., Majdi, M., Ghanati, F., Farzadfar, S. & Pazoki, A. (2017). Cadmium and copper induced changes in growth, oxidative metabolism and terpenoids of Tanacetum parthenium. Environ. Sci. Pollut. Res., 1, pp. 1-12. https://doi.org/10.1007/s11356-017-8846-3