WYBRANE ASPEKTY ANTYOKSYDACYJNEJ I PROOKSYDACYJNEJ AKTYWNOŚCI SELENU W KORZENIACH KUKURYDZY (ZEA MAYS L.) Wstęp

Transkrypt

1 Roczniki Akademii Rolniczej w Poznaniu CCCLXXXIII (2007) BARBARA HAWRYLAK, MARIA SZYMAŃSKA WYBRANE ASPEKTY ANTYOKSYDACYJNEJ I PROOKSYDACYJNEJ AKTYWNOŚCI SELENU W KORZENIACH KUKURYDZY (ZEA MAYS L.) Z Katedry Fizjologii Roślin Akademii Rolniczej w Lublinie ABSTRACT. In order to study physiological role of selenium in higher plants, maize was cultivated in a water culture without selenium or amended with selenite or selenate, in concentrations of 25 or 50 μmol m -3. lenium at 25 μmol m -3 in selenate form acted as an antioxidant and promoted roots growth. However, at concentration 50 μmol m -3 of selenate and at all concentrations of selenite, it was a prooxidant, caused lipid bilayer damage by lipid peroxidation. Key words: selenium, glutathione, malonodialehyde, maize Wstęp len uznano za pierwiastek niezbędny dla zwierząt oraz bakterii, który w śladowych ilościach odgrywa zasadniczą rolę w ich metabolizmie, zwłaszcza w reakcjach antyoksydacyjnych. Organizmy wymagające selenu do prawidłowego funkcjonowania zawierają niezbędne selenobiałka, jak np. peroksydaza glutationowa (GSH-PX) (Terry i in. 2000). Enzym ten zapobiega m.in. peroksydacji lipidów błon komórkowych, katalizując reakcję utleniania glutationu. Występowanie peroksydaz selenozależnych stwierdzono w komórkach glonów Chlamydomonas reinhardtii, natomiast do tej pory nie wykazano ich obecności w roślinach wyższych (Ellis i Salt 2003). Dlatego też, pytanie o niezbędność selenu dla tych gatunków pozostaje w dalszym ciągu kontrowersyjne. Związki selenu są przez rośliny dosyć łatwo pobierane i gromadzone, chociaż większość gatunków charakteryzuje się małą tolerancją na ten pierwiastek i jego akumulacja w tkankach wywołuje liczne zaburzenia metaboliczne (Terry i in. 2000). Jednak coraz więcej danych wskazuje, że niskie stężenia selenu wpływają korzystnie na rośliny. len może zwiększać tolerancję roślin na stres oksydacyjny indukowany promieniowaniem UV (Hartikainen i Xue 1999), a także opóźniać ich starzenie (Xue i in. 2001). Ostatnio wykazano jego synergistyczny wpływ na transkrypcję enzymów anty- Rocz. AR Pozn. CCCLXXXIII, Ogrodn. 41: Wydawnictwo Akademii Rolniczej im. Augusta Cieszkowskiego w Poznaniu, Poznań 2007 PL ISSN

2 488 B. Hawrylak, M. Szymańska oksydacyjnych, takich jak SOD (dysmutaza ponadtlenkowa) i GSH-Px (ppänen i in. 2003). Dlatego sugeruje się, że selen również w roślinach może pełnić funkcję antyoksydanta lub aktywować mechanizmy łagodzące skutki stresu oksydacyjnego. Przedstawione w niniejszej pracy dane, stanowią jedynie część cyklu badań nad antyoksydacyjną i prooksydacyjną aktywnością selenu w tkankach roślinnych. Ze względu na obiecujący charakter uzyskanych wyników zachęcają do kontynuacji tych eksperymentów. Materiał i metody W eksperymencie przeprowadzonym metodą kultur wodnych badano wpływ selenu na wybrane wskaźniki fizjologiczne korzeni kukurydzy (Zea mays L. var. saccharata Kcke. Złota Karłowa ). Około dziesięciodniowe siewki umieszczano w słojach szklanych, wypełnionych 1,5-krotnie stężoną pożywką Hoaglanda I (ph 6,2). Po trzech dniach wzrostu roślin do pożywki wprowadzano selen w formie seleninu (Na 2 O 3 5H 2 O) lub selenianu (Na 2 O 4 ) w stężeniach: 0 (kontrola), 25 lub 50 μmol dm -3. Wegetacja przebiegała w warunkach kontrolowanej gęstości strumienia fotonów w zakresie fotosyntetycznie czynnym (270 µmol m -2 s -1 ), przy fotoperiodzie 14/10 h oraz w temperaturze 25/20 C (dzień/noc). Po 14 dniach od wprowadzenia selenu do środowiska odżywczego roślin, w korzeniach analizowano zawartość dwualdehydu malonowego (Boominathan i Doran 2002) oraz całkowitego glutationu (Anderson 1985). Bazując na długości systemu korzeniowego wyznaczono indeks tolerancji (IT) (Mc Neilly 1994). W wysuszonym w temperaturze 105 C materiale roślinnym oznaczano zawartość selenu metodą absorpcyjnej spektrometrii gazowej z systemem generacji wodorków (HGAAS). Doświadczenie przeprowadzono w dwóch niezależnych powtórzeniach. Do statystycznego opracowania danych liczbowych zastosowano test Tukeya dla par średnich (NIR) na poziomie istotności P = 0,05. Wyniki i dyskusja Oddziaływanie selenu na procesy fizjologiczne zachodzące w roślinach zależy od jego wewnątrzkomórkowego stężenia. W przeprowadzonym eksperymencie wykazano zwiększenie zawartości selenu w korzeniach kukurydzy wraz ze wzrostem jego stężenia w pożywce. Porównując stosowane formy chemiczne pierwiastka stwierdzono, że jego zawartość w korzeniach była istotnie większa w postaci seleninu niż selenianu. Analogiczne wyniki uzyskali Zayed i in. (1998), badając wpływ różnych związków selenu na ich akumulację i translokację w roślinach użytkowych. Zróżnicowana zawartość selenu jest najprawdopodobniej związana z odmiennymi mechanizmami pobierania poszczególnych form tego metaloidu. Stwierdzono mianowicie, że rośliny pobierają selenin pasywnie, podczas gdy przyswajanie selenianu jest procesem regulowanym metabolicznie (Terry i in. 2000).

3 Wybrane aspekty antyoksydacyjnej i prooksydacyjnej aktywności selenu Tabela 1 Wpływ wewnątrzkomórkowej zawartości selenu na wybrane wskaźniki fizjologiczne korzeni kukurydzy The effect of intracellular concentration of selenium on selected physiological indices of maize roots Warunki wegetacji Vegetation conditions Forma form Kontrola Control lenin lenite lenian lenate (μmol dm -3 ) (mg g -1 s.m.) (mg g -1 d.w.) IT (%) MDA (nmol g -1 św.m.) MDA (nmol g -1 f.w.) Glutation (nmol g -1 św.m.) Glutathione (nmol g -1 f.w.) 0 2,62 a 100,0 b 12,40 b 122 a d 91,5 b 15,48 c 194 d e 66,3 a 22,12 d 168 c b 131,2 c 9,04 a 153 bc c 102,5 b 15,77 ce 134 ab Średnie wartości w kolumnach oznaczone tą samą literą nie różnią się istotnie statystycznie. Means in each column followed by the same letter are not significantly different. Analizy uszkodzenia błon komórkowych przez reaktywne formy tlenu dokonuje się zazwyczaj szacując stopień peroksydacji lipidów na podstawie zawartości dwualdehydu malonowego (MDA) końcowego produktu destrukcji nienasyconych kwasów tłuszczowych. Uzyskane w badaniach wyniki wykazały, że korzenie kukurydzy, rosnącej w obecności 25 μmol dm -3 selenianu, zawierały niższy poziom MDA w porównaniu z roślinami kontrolnymi. Spadek zawartości MDA może wskazywać na antyoksydacyjne właściwości selenu. W tych warunkach wykazano także stymulujący wpływ selenianu na elongację systemu korzeniowego (IT = 131%), a także około 25-procentowy wzrost zawartości glutationu. Odpowiedni poziom glutationu chroni komórki przed szkodliwym wpływem wolnych rodników, wywołujących niespecyficzne utlenienie białek i lipidów (Bartosz 2004). lenian w stężeniu 50 μmol dm -3 oraz obie stosowane stężenia seleninu (25 i 50 μmol dm -3 ) wpłynęły na wzrost zawartości MDA, co wskazuje na prooksydacyjnie działanie selenu. Mimo że w tych warunkach zwiększała się również zawartość glutationu, to ten mechanizm obrony komórek przed stresem oksydacyjnym nie był na tyle skuteczny, aby zapobiec uszkodzeniom lipidów błon komórkowych. Dane te sugerują, że fitotoksyczność selenu, oprócz zaburzeń metabolicznych, może być spowodowana prooksydacyjnym działaniem tego metaloidu. Natomiast potencjał wzrostowy korzeni nie ulegał istotnym zmianom, z wyjątkiem roślin uprawianych w obecności 50 μmol dm -3 seleniniu, gdzie stwierdzono około 34-procentową redukcję długości w porównaniu z kontrolą. lenin w stężeniu 50 μmol dm -3 spowodował także zaburzenia geotropizmu systemu korzeniowego, co przejawiało się prawie poziomym ustawieniem korzeni bocznych względem korzenia głównego. Mniejsza tolerancja korzeni kukurydzy na selenin może być związana z większą, w porównaniu z selenianem, akumulacją selenu w tych organach.

4 490 B. Hawrylak, M. Szymańska Doświadczenia Hartikainen i in. (2000), prowadzone na roślinach życicy trwałej, wykazały, że selen w niskich stężeniach może działać antyoksydacyjnie, hamując peroksydację lipidów oraz stymulując aktywność GSH-Px. Natomiast w obecności wysokich stężeń selenu w podłożu stwierdzono wzrost poziomu szkodliwych produktów peroksydacji, koncentracji tokoferoli oraz drastyczny spadek plonowania. Wnioski 1. lenian w stężeniu 25 μmol dm -3 wykazuje działanie antyoksydacyjne, hamując proces peroksydacji lipidów oraz stymulując elongację systemu korzeniowego kukurydzy. 2. Obecność w środowisku odżywczym kukurydzy selenianu w stężeniu 50 μmol dm -3 oraz seleninu w stężeniach 25 i 50 μmol dm -3 potęguje gromadzenie szkodliwych produktów peroksydacji w korzeniach. 3. len, niezależnie od stosowanej formy, wpływa na wzrost zawartości glutationu w tkankach korzeni. 4. Korzenie kukurydzy gromadzą więcej selenu, jeżeli jest on dostarczany w formie seleninu niż selenianu, co wiąże się również z ich większą tolerancją na selenian. Literatura Bartosz G. (2004): Druga twarz tlenu: wolne rodniki w przyrodzie. PWN, Warszawa. Boominathan R., Doran P.M. (2002): Ni-induced oxidative stress in roots of the Ni hyperaccumulator, Alyssum bertolonii. New Phytol. 156: Ellis D.R., Salt D.E. (2003): Plants, selenium and human health. Curr. Opin. Plant Biol. 6: Hartikainen H., Xue T. (1999): The promotive effect of selenium on plant growth as trigged by ultraviolet irradiation. J. Environ. Qual. 28: Hartikainen H., Xue T., Piironen V. (2000): lenium as an anti-oxidant and pro-oxidant in ryegrass. Plant Soil 225: Mc Neilly T. (1994): Metal toxicity. W: Soil mineral stresses. Approaches to crop improvement. Red. A.R.Yeo, T.J. Flowers. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg. ppänen M., Turakainen M., Hartikainen H. (2003): lenium effects on oxidative stress in potato. Plant Sci. 165: Terry N., Zayed M., De Souza M.P., Tarun A.S. (2000): lenium in higher plants. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 51: Xue T., Hartikainen H., Piironen V. (2001): Antioxidative and growth-promoting effect of selenium in senescing lettuce. Plant Soil 237: Zayed A.M., Lytle C.M., Terry N. (1998): Accumulation and volatilization of different chemical species of selenium by plants. Planta 206:

5 Wybrane aspekty antyoksydacyjnej i prooksydacyjnej aktywności selenu SELECTED ASPECTS OF ANTIOXIDANT AND PROOXIDANT ACTIVITY OF SELENIUM IN MAIZE ROOTS (ZEA MAYS L.) Summary lenium is an essential element for antioxidation reactions in humans, animals and bacteria. In higher plants, however, the role of selenium is still unclear. The objective of this experiment was to investigate the effect of exogenous selenium in its selenite or selenate form on the growth, glutathione concentration and lipid peroxidation in roots of maize seedlings. At low concentration (25 μmol dm -3 ), selenate tended to stimulate the root elongation, the accumulation of glutathione and it acted as an antioxidant, inhibiting lipid peroxidation. At higher concentration of selenate (50 μmol dm -3 ) and at all concentrations of selenite (25 and 50 μmol dm -3 ), selenium was a prooxidant. The accumulation of lipid peroxidation products was enhanced and glutathione concentration increased. Root elongation did not change in presence of 25 and 50 μmol dm -3 selenite and selenate, respectively. However, selenite at dosage of 50 μmol dm -3 exerted disturbance in root growth and morphology.