Выявление особенностей NaCl-индуцированной модификации ростовых процессов и индукции запрограммированной клеточной гибели в корне подсолнечника

  • Вера Сергеевна Мацкевич Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-5116-0157
  • Сергей Николаевич Звонарев Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-5403-0235
  • Артур Александрович Шикер Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-2251-0779
  • Оксана Александровна Туровец Полесский институт растениеводства НАН Беларуси, ул. Школьная, 2, 247781, поселок Криничный, Мозырский район, Гомельская область, Беларусь https://orcid.org/0000-0001-8995-7519
  • Игорь Иванович Смолич Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Анатолий Иосифович Соколик Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-1513-9465
  • Вадим Викторович Демидчик Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0003-3765-8386

Аннотация

В мировом масштабе около 30 % всех почв повреждены засолением, которое приводит к снижению продуктивности агро- и биоценозов, уменьшению биоразнообразия и, как следствие, значительным экономическим потерям. Для важнейшей масличной культуры – подсолнечника (Helianthus annuus L.) – первичные реакции на солевой стресс практически не изучены. В настоящей работе проанализировано воздействие широкого диапазона концентраций NaCl на рост основного корня проростков подсолнечника и развитие процессов запрограммированной клеточной гибели в трихобластах. В ходе проведенных опытов продемонстрировано, что растения подсолнечника являются относительно устойчивыми к засолению. Они способны расти при уровне NaCl в среде до 250 ммоль/л. Значительные симптомы запрограммированной гибели клеток обнаруживались только при концентрации NaCl 250 –500 ммоль/л. Выявлена ранее не описанная в литературе реакция снижения количества симптомов запрограммированной клеточной гибели при обработке 150 ммоль/л NaCl (средний уровень стресса для подсолнечника). Анализ NaCl-индуцируемого выходящего потока калия показал, что он лишь на 15 % ингибировался специфическими антагонистами калиевых каналов (Ва2+ ). Это указывает на низкую долю последних и доминирующую роль неселективных катионных каналов в обеспечении NaCl-индуцированного выхода калия у растений Helianthus annuus L. 

Биографии авторов

Вера Сергеевна Мацкевич, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирантка кафедры клеточной биологии и биоинженерии растений биологического фа культета. Научный руководитель – В. В. Демидчик

Сергей Николаевич Звонарев, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирант кафедры клеточной биологии и биоинженерии растений биологического факультета. Научный руководитель – В. В. Демидчик

Артур Александрович Шикер, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

студент биологического факультета. Научный руководитель – В. С. Мацкевич

Оксана Александровна Туровец, Полесский институт растениеводства НАН Беларуси, ул. Школьная, 2, 247781, поселок Криничный, Мозырский район, Гомельская область, Беларусь

старший научный сотрудник лаборатории масличных культур

Игорь Иванович Смолич , Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат биологических наук, доцент; заведующий кафедрой клеточной биологии и биоинженерии растений биологического факультета

Анатолий Иосифович Соколик, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат биологических наук; заведующий лабораторией физиологии и биотехнологии растений, доцент кафедры клеточной биологии и биоинженерии растений биологического факультета

Вадим Викторович Демидчик, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор биологических наук, доцент; декан биологического факультета

Литература

  1. Bazihizina N, Barrett-Lennard EG, Colmer TD. Plant growth and physiology under heterogeneous salinity. Plant and Soil. 2012;354(1–2):1–19. DOI: 10.1007/s11104-012-1193-8.
  2. Jithesh MN, Prashanth SR, Sivaprakash KR, Parida AK. Antioxidative response mechanisms in halophytes: Their role in stress defence. Journal of Genetics. 2006;85(3):237–254. DOI: 10.1007/BF02935340.
  3. Bartels D, Sunkar R. Drought and salt tolerance in plants. Critical Reviews in Plant Sciences. 2005;24(1):23–58. DOI: 10.1080/ 07352680590910410.
  4. Munns R, Tester M. Mechanisms of Salinity Tolerance. Annual Review of Plant Biology. 2008;59(1):651– 681. DOI: 10.1146/ annurev.arplant.59.032607.092911.
  5. Deinlein U, Stephan AB, Horie T, Luo W, Xu G, Schroeder JI. Plant salt-tolerance mechanisms. Trends in Plant Science. 2014; 19(6):371–379. DOI: 10.1016/j.tplants.2014.02.001.
  6. Geilfus C-M. Chloride: from nutrient to toxicant. Plant and Cell Physiology. 2018;59(5):877– 886. DOI: 10.1093/pcp/pcy071.
  7. Demidchik V. Mechanisms of oxidative stress in plants: from classical chemistry to cell biology. Environmental and Experimental Botany. 2015;109:212–228. DOI: 10.1016/j.envexpbot.2014.06.021.
  8. Demidchik V. ROS-activated ion channels in plants: biophysical characteristics, physiological functions and molecular nature. International Journal of Molecular Sciences. 2018;19(4):1263–1281. DOI: 10.3390/ijms19041263.
  9. Demidchik V, Cuin TA, Svistunenko D, Smith SJ, Miller AJ, Shabala S, et al. Arabidopsis root K+ efflux conductance activated by hydroxyl radicals: single-channel properties, genetic basis and involvement in stress-induced cell death. Journal of Cell Science. 2010;123:1468 –1479. DOI: 10.1242/jcs.064352.
  10. Marschner H. Marschner’s Mineral Nutrition of Higher Plants. London: Academic Press; 2012.
  11. Demidchik V, Tester M. Sodium fluxes through nonselective cation channels in the plasma membrane of protoplasts from arabidopsis roots. Plant Physiology. 2002;128(2):379–387. DOI: 10.1104/pp.010524.
  12. Demidchik V, Shabala S. Mechanisms of cytosolic calcium elevation in plants: the role of ion channels, calcium extrusion systems and NADPH oxidase-mediated ‘ROS-Ca2+ Hub’. Functional Plant Biology. 2017;45(2):9–27. DOI: 10.1071/FP16420.
  13. Horie T, Karahara I, Katsuhara M. Salinity tolerance mechanisms in glycophytes: an overview with the central focus on rice plants. Rice. 2012;5(1):11–29. DOI: 10.1186/1939-8433-5-11.
  14. Murashige T, Skoog F. A revised medium for rapid growth and bio-assays with tobacco tissue cultures. Physiologia Plantarum. 1962;15(3):473– 497. DOI: 10.1111/j.1399-3054.1962.tb08052.x.
  15. Kumar D, Al Hassan M, Naranjo MA, Agrawal V, Boscaiu M, Vicente O. Effects of salinity and drought on growth, ionic relations, compatible solutes and activation of antioxidant systems in oleander (Nerium oleander L.). PLOS ONE. 2017;12(9):e0185017. DOI: 10.1371/journal.pone.0185017.
  16. Robin AHK, Matthew C, Uddin MdJ, Bayazid KN. Salinity-induced reduction in root surface area and changesin major root and shoot traits at the phytomer level in wheat. Journal of Experimental Botany. 2016;67(12):3719–3729. DOI: 10.1093/jxb/erw064.
  17. Sozharajan R, Natarajan S. Influence of NaCl salinity on plant growth and nutrient assimilation of Zea mays L. Journal of Applied and Advanced Research. 2016;1(1):54 – 61. DOI: 10.21839/jaar.2016.v1i1.16.
  18. Hogg BV, Kacprzyk J, Molony EM, O’Reilly C, Gallagher TF, Gallois P, et al. An in vivo root hair assay for determining rates of apoptotic-like programmed cell death in plants. Plant Methods. 2011;7(1):1– 9. DOI: 10.1186/1746-4811-7-45.
  19. Jones AM. Programmed cell death in development and defense. Plant Physiology. 2001;125:94 – 97. DOI: 10.1104/pp.125.1.94.
  20. Demidchik V, Straltsova D, Medvedev SS, Pozhvanov GA, Sokolik A, Yurin V. Stress-induced electrolyte leakage: the role of K+-permeable channels and involvement in programmed cell death and metabolic adjustment. Journal of Experimental Botany. 2014;65(5):1259 –1270. DOI: 10.1093/jxb/eru004.
  21. Shabala S, Cuin A. Potassium transport and plant salt tolerance. Physiologia Plantarum. 2008;133(4):651– 669. DOI: 10.1111/ j.1399-3054.2007.01008.x.
  22. Morais-Cabral JH, Zhou Y, MacKinnon R. Energetic optimization of ion conduction rate by the K+ selectivity filter. Nature. 2001;414:37– 42. DOI: 10.1038/35102000.
  23. Noctor G, Reichheld JP, Foyer CH. ROS-related redox regulation and signaling in plants. Seminars in Cell and Developmental Biology. 2017;78:45– 49. DOI: 10.1016/j.semcdb.2017.07.013.
  24. Shabala S, editor. Plant stress physiology. 2nd edition. Boston: CABI; 2017.
  25. Demidchik V, Tyutereva E, Voitsekhovskaja O. The role of ion disequilibrium in induction of root cell death and autophagy by environmental stresses. Functional Plant Biology. 2017;45(2):28 – 46. DOI: 10.1071/FP16380.
  26. Cox CD, Nomura T, Ziegler CS, Campbell AK, Wann KT, Martinac B. Selectivity mechanism of the mechanosensitive channel MscS revealed by probing channel subconducting states. Nature Communications. 2013;4:2137–2148. DOI: 10.1038/ncomms3137.
  27. Urano D, Jones AM. Heterotrimeric G-protein – coupled signaling in plants. Annual Review of Plant Biology. 2014;65(1): 365–384. DOI: 10.1146/annurev-arplant-050213-040133.
Опубликован
2019-10-30
Ключевые слова: подсолнечник, корень, рост, запрограммированная клеточная гибель, засоление, выход K
Поддерживающие организации Работа выполнена в рамках международного проекта Государственного комитета по науке и технологиям «Оценить воздействие абиотических стрессоров на выход из клеток подсолнечника ионов калия» совместно с Индией.
Как цитировать
Мацкевич, В. С., Звонарев, С. Н., Шикер, А. А., Туровец, О. А., Смолич , И. И., Соколик, А. И., & Демидчик, В. В. (2019). Выявление особенностей NaCl-индуцированной модификации ростовых процессов и индукции запрограммированной клеточной гибели в корне подсолнечника. Экспериментальная биология и биотехнология, 3, 13-20. https://doi.org/10.33581/2521-1722-2019-3-13-20
Раздел
Клеточная биология и физиология