Гормональный и антиоксидантный статус популяций Physcia stellaris (L.) ^l. произрастающих в разных природных зонах Республики Башкортостан

Главная

Статья в Elpub

РУС ENG

Вестник Томского государственного университета. Биология. 2018; : 176-191

Гормональный и антиоксидантный статус популяций Physcia stellaris (L.) ^l. произрастающих в разных природных зонах Республики Башкортостан

Фархутдинов Р. Г., Саитова З. Р., Шпирная И. А., Зайцев Д. Ю., Шарипова Г. В.

https://doi.org/10.17223/19988591/42/9

Аннотация

Лишайники вида Physcia stellaris (L.) Nyl собирали в лесах лесостепной (Альшеевский район), горно-лесной (Ишимбайский район) зонах Республики Башкортостан и в парках г. Стерлитамак. Установлено, что представители популяции P. stellaris г. Стерлитамака имели меньшую сухую массу, площадь, среднюю длину, а также число апотеций и лопастей, по сравнению с лишайниками, растущими в Ишимбайском и Альшеевском районах, Статистически значимых различий в морфометрических показателях между образцами лишайников, выросших в Ишимбайском и Альшеевском районах не выявлено. Показана более высокая активность каталазы в образцах из г. Стерлитамак, что свидетельствует об участии антиоксидантной системы лишайников в процессах адаптации к условиям антропогенного воздействия. Определены различия гормонального статуса (индолилуксусной кислоты, абсцизовой кислоты, суммы цитокининов и производных зеатина) у лишайников, растущих в разных условиях обитания. Установлено, что в образцах лишайников, произрастающих в городе, наблюдались высокий уровень содержания АБК и относительно низкие концентрации ауксинов и цитокининов в талломах. Сделано предположение о том, что относительно низкая ростовая активность лишайников, произрастающих в городе, может быть связана с реакцией гормональной системы. Обнаружены различия в гормональном статусе лишайников, произрастающих в разных природных зонах. Показано наличие определенной связи между высоким уровнем содержания ауксинов и более крупными размерами клеток фотобионта в Ишимбайском районе. И наоборот, более мелкие клетки фотобионта в Альшеевском районе установлены на фоне высокого уровня содержания цитокининов в талломах лишайников.

Список литературы

1. Мейсурова А.Ф., Нотов А.А. Содержание металлов в лишайниках на особо охраняемых природных территориях, сопряженных с урбоэкосистемами // Журнал прикладной спектроскопии. 2016. Т. 83, № 5. С. 794-802.

2. Суетина Ю.Г. Онтогенез и структура популяции Xanthoria parietina (L.) Th. Fr. в различных экологических условиях // Экология. 2001. № 3. С. 203-208.

3. Михайлова И.Н., Микрюков В.С., Фролов И.В. Состояние сообществ эпифитных лишайников в условиях антропогенных нагрузок: влияние методов учета обилия на информативность показателей // Экология. 2015. № 6. С. 427-433. doi: org/10.7868/ S0367059715060116

4. Суетина Ю.Г., Глотов Н.В. Изменчивость признаков в онтогенезе эпифитного лишайника Нypogymniaphysodes (L.) Nyl. // Онтогенез. 2014. Т. 45, № 3. С. 201-206. doi: 10.7868/S0475145014030070

5. Веселов Д.С., Веселов С.Ю., Высоцкая Л.Б., Кудоярова Г.Р., Фархутдинов Р.Г. Гормоны растений: регуляция концентрации, связь с ростом и водным обменом. М. : Наука, 2007. 158 с.

6. Высоцкая Л.Б., Веселов Д.С., Фархутдинов Р.Г., Веселов С.Ю. Гормональная регуляция водного обмена и роста растений на разных фонах минерального питания и при дефиците воды. Уфа : РИЦ БашГУ, 2014. 244 с.

7. Ott S., Krieg T., Spanier U., Schieleit P. Phytohormones in lichens with emphasis on ethylene biosynthesis and functional aspects on lichen symbiosis // Phyton Annales Rei Botanicae. 2001. Vol. 40, is. 3. PP. 83-94.

8. Battal P., Aslan A., Turker M., Uzun Y. Effect of the air pollutant sulfur dioxide on phytohormone levels in some lichens // Fresenius Environmental Bulletin. 2004. Vol. 13, is. 5, PP. 436-440.

9. Михайлова В.А., Саитова З.Р., Фархутдинов Р.Г. Особенности видового состава лихенобиоты Башкортостана // Вестник Башкирского университета. 2013. Т. 18, № 2. C. 392-394.

10. Государственный доклад о состоянии окружающей среды г. Стерлитамак за 2009 г. Стерлитамак : СТУ Минэкологии РБ, 2010. 189 с.

11. Саитова З.Р., Фархутдинов Р.Г., Михайлова В.А. Лихеноиндикация качества воздуха в Ишимбайском заказнике Республики Башкортостан // Вестник Удмуртского университета. Сер. Биология. Науки о Земле. 2015. № 2. С. 17-23.

12. Алексеев В.А. Световой режим леса. Л. : Наука, 1975. 227 с.

13. Dietz S., Hartung W. Abscisic acid in lichens: variation, water relations and metabolism // New Phytol. 1998. № 138. PP. 99-106. doi: org/10.1046/j.1469-8137.1998.00881.

14. Beckett R.P., Minibayeva F. V., Vylegzhanina N.N., Tolpysheva T. High rates of extracellular superoxide production by lichens in the suborder Peltigerineae correlate with indices of high metabolic activity // Plant, Cell Envir. 2003. Vol. 26. PP. 1827-1837. doi: org/10.1046/ j.1365-3040.2003.01099.x

15. Домнина Е.А., Шапиро И.А., Быков О.Д. Изменение фотосинтеза и дыхания лишайников в районе Кирово-Чепецкого химического комбината // Ботанический журнал. 2007. Т. 92, № 4. С. 515-523.

16. Королюк М.А., Иванова Л.И., Майорова И.Г., Токарев В.С. Метод определения активности каталазы // Лабораторное дело. 1988. № 1. С. 16-19.

17. Hadwan M.H., Abed N.H. Data supporting the spectrophotometric method for the estimation of catalase activity. Data in Brief. 2016. Vol. 6. PP. 194-199. doi: org/10.1016/j. dib.2015.12.012

18. Пыстина Т.Н., Семенова Н.А., Новаковский А.Б. Популяционные различия лишайника Lobaria pulmonaria по величине клеток фототрофных компонентов в зависимости от условий местообитания // Вестник Института биологии КНЦ УрО РАН. 2010. № 10. С 2-7.

19. Абдульманова С.Ю., Эктова С.Н. Изменение скорости роста кустисто-разветвленных лишайников рода Cladonia в ходе пирогенных сукцессий на севере Западной Сибири // Сибирский экологический журнал. 2015. № 3. С. 398-412 doi: 10.15372/SEJ20150307

20. Зейферт Д.В., Бикбулатов И.Х., Рудаков К.М., Григорьева И.Н. Растительные сообщества и почвенная мезофауна территорий химических предприятий в степной зоне Башкирского Предуралья. Уфа : УГНТУ, 2000. 166 с.

21. Yemets O.A. Solhaug K.A., Gauslaa Y. Spatial dispersal of airborne pollutants and their effects on growth and viability of lichen transplants along a rural highway in Norway // Lichenologist. 2014. Vol. 46, Iss. 6. PR 809-823. doi: 10.1017/S0024282914000449

22. Minibayeva F., Dmitrieva S., Ponomareva A., Ryabovol V. Oxidative stress-induced autophagy in plants: the role of mitochondria // Plant Physiology and Biochemistry. 2012. Vol. 59. PP. 11-19. doi.org/10.1016/j.plaphy.2012.02.013

23. Fang W.-C., Kao С. Н. Enhanced peroxidase activity in rice leaves in response to excess iron, copper, and zinc // Plant Science. 2000. Vol. 158. PR 71-76. doi: 10.1016/S0168-9452(00)00307-1

24. Балахнина Т.И., Кособрюхов А.А., Иванов А.А., Креславский В.Д. Влияние кадмия на С02-газообмен, переменную флуоресценцию хлорофилла и уровень антиоксидантных ферментов в листьях гороха // Физиология растений. 2005. Т. 52. С. 21-27. doi: 10.1007/s11183-005-0003-z

25. Gill S.S., Tuteja N. Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants // Plant Physiology and Biochemistry. 2010. Vol. 48. PR 909-930. doi:10.1016/j.plaphy.2010.08.016

26. Blokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K.V. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivation stress // Annals ofBotany. 2003. Vol. 91. PR 179-194. doi: 10.1093/aob/mcf118

27. Epstein E., Sagee O., Cohen J.D., Garty J. Endogenous auxin and ethylene in the lichen Ramalina duriaei // Plant Physiol. 1986. Vol. 82. РР. 1122-1125.doi: 10.1104/pp.82.4.1122

28. Garty J., Kloog N., Wolfson R., Cohen Y., Karnieli A., Avni A. The influence of air pollution on the concentration of mineral elements, on the spectral reflectance response and on the production of stress-ethylene in the lichen Ramalina duriaei // New Phytologist. 1997. Vol. 137, № 4. PP. 587-597. doi: org/10.1006/enrs.1997.3727

29. Романов Г.А. Как цитокинины действуют на клетку // Физиология растений. 2009. Т. 56, № 2. С. 295-319. doi: 10.1134/S1021443709020174

30. McGow B.A. Cytokinin metabolism // Cytokinins: plant hormones in search of a role. Eds. Horgan R., Jeffcoat B. Bristol: British Plant Growth Regulator Group. 1995. PR 9-17.

31. Hirose N., Takei K., Kuroha T., Kamada-Nobusada T., Hayashi H., Sakakibara H. Regulation of cytokinin biosynthesis, compartmentalization and translocation // Journal of Experimental Botany. 2008. Vol. 59, Iss. 1. PR 75-83. doi: 10.1093/jxb/erm157

Tomsk State University Journal of Biology. 2018; : 176-191

Hormonal and antioxidant status of Physcia stellaris (L.) Nyl. populations growing in different natural zones of the Republic of Bashkortostan

Farkhutdinov R. G., Saitova Z. R., Shpirnaya I. A., Zaytsev D. Y., Sharipova G. V.

https://doi.org/10.17223/19988591/42/9

Abstract

Nowadays, the question concerning the role of lichens as indicators of the state of the environment remains urgent. The main aim of our research was to elucidate how different external factors influence their habitat and to establish the effects of anthropogenic load on morphological and physiological characteristics of lichen thallus. Mechanisms regulating growth responses of lichens are scarcely discussed and, therefore, it seemed interesting to study a possible role of the hormonal system in the formation of morphological characteristics depending on climate and ecological peculiarities of the lichen habitat. We collected Physcia stellaris (L.) Nyl. lichen in forests of the forest-steppe (Alsheevsky district, 53°58'06.5''N, 55°03'7.56''E), mountain forest (Ishimbaysky district, 53°62'50''N, 56°60'7.9''E) zones and in the parks of Sterlitamak (53°62'9,9''N, 55°9'3,01''E) of the Republic of Bashkortostan. In the species P. stellaris, we examined morphological and physiological features of the thallus: sizes of algal and fungal hyphae cells, biomass, length, area, number of blades and apothecia, enzyme activity and hormonal status. To compare the extent of shading in lichen habitats, we measured illumination with the help of luxmeter at the clearing in the woods and under the trees. Air humidity was measured with a humidity controller. To determine physiological and biochemical characteristics, we carried out lichen rehydration, when hormonal system and enzymes were recovered. To achieve this, lichens were placed in a moist camera for 14 h at 10±2°С and 80-90% relative air humidity. Phytohormones were determined after their extraction, purification and concentration with the help of solid phase enzyme immunoassay. To determine the activity of enzymes, pre-incubation of dry samples was carried out and then samples were homogenized and centrifuged twice at 10000 rotations per minute at 4°С. Catalase activity was determined according to the remaining quantity of hydorogen peroxide forming a complex with ammonium molybdate. To determine the sizes of fungus hyphae cells, temporary preparations were conducted. 0.5 g of preliminary moistened lichen samples was grinded in 5 ml of water and the obtained homogenate was observed under light microscope Axio Imager (Carl Zeiss, Jena, Germany) at different magnifications with the help of digital camera AxioCam MRc 5 (Carl Zeiss, Jena, Germany). Not less than 50 cells of algae and fungi were measured in each temporary preparation and algae cell volume was calculated according to sphere formula V=1/6nd³, where d is cell diameter. The volume of fungus hyphae was calculated according to ellipsoid formula: V=4/3nabc=4/3nab², where a is half of the cell length, while b is half of the width of cells (the values of radiuses b and c are assumed to be equal). We selected samples at virginal and generative stages of ontogenesis from the spectrum of population for cytological studies. Individuals at early stages were not considered. X-ray fluorescent analysis of SO₃ content in dried lichen samples was performed with an energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer of the EDX type (Schimadzu, Japan). Thallomes of P. stellaris lichen from Sterlitamak had smaller biomass, area, average length, number of blades and apothecies, compared to samples growing in Ishimbaysky and Alscheevsky districts (See Table 1). There were no significant differences between the samples of lichens grown in Ishimbaysky and Alsheevsky districts. Measurement of the size of the hyphae cells of fungi and algae of the lichen thallus showed that in Sterlitamak they were smaller than in Alscheyevsky and Ishimbaysky districts. We also established that in the samples of lichens from Alsheevsky district, the size of the cells of fungi and algae was less than from Ishimbaysky district (See Table 2). About 40% higher content of sulfur oxide was detected in the samples collected in the city as compared to those from Ishimbaysky and Alsheevsky districts (See Table 1). A high activity of catalase enzyme was detected in samples from Sterlitamak indicating participation of the antioxidant system in the processes of adaptation to the conditions of anthropogenic impact (See Table 3). The determination of the content of phytohormones (IAA, ABA, cytokinins and the sum of zeatin derivatives) demonstrated different hormonal status in lichens growing in different habitat conditions (See Table 4). Samples collected in the city showed a high level of ABA and relatively low concentrations of auxins and cytokinins in lichen tissues. It is suggested that a relatively low growth activity of lichens collected in the city may be associated with the reaction of the hormonal system. The hormonal status of lichens growing in different natural zones was also shown to be different. Certain relationship was revealed between the high level of auxin content and the larger size of the photobiont cells in Ishimbaysky district. On the contrary, smaller cells of a photobiont in Alsheevsky district were observed against a background of a high level of cytokinins in the tissues of lichens. Thus, estimation of only external growth indexes was insufficient for using lichen as indicators. Cell sizes, the content of pollutants in the tissues and the state of antioxidant and hormonal systems were also found to be informative.

References

1. Meisurova A.F., Notov A.A. Soderzhanie metallov v lishainikakh na osobo okhranyaemykh prirodnykh territoriyakh, sopryazhennykh s urboekosistemami // Zhurnal prikladnoi spektroskopii. 2016. T. 83, № 5. S. 794-802.

2. Suetina Yu.G. Ontogenez i struktura populyatsii Xanthoria parietina (L.) Th. Fr. v razlichnykh ekologicheskikh usloviyakh // Ekologiya. 2001. № 3. S. 203-208.

3. Mikhailova I.N., Mikryukov V.S., Frolov I.V. Sostoyanie soobshchestv epifitnykh lishainikov v usloviyakh antropogennykh nagruzok: vliyanie metodov ucheta obiliya na informativnost' pokazatelei // Ekologiya. 2015. № 6. S. 427-433. doi: org/10.7868/ S0367059715060116

4. Suetina Yu.G., Glotov N.V. Izmenchivost' priznakov v ontogeneze epifitnogo lishainika Nypogymniaphysodes (L.) Nyl. // Ontogenez. 2014. T. 45, № 3. S. 201-206. doi: 10.7868/S0475145014030070

5. Veselov D.S., Veselov S.Yu., Vysotskaya L.B., Kudoyarova G.R., Farkhutdinov R.G. Gormony rastenii: regulyatsiya kontsentratsii, svyaz' s rostom i vodnym obmenom. M. : Nauka, 2007. 158 s.

6. Vysotskaya L.B., Veselov D.S., Farkhutdinov R.G., Veselov S.Yu. Gormonal'naya regulyatsiya vodnogo obmena i rosta rastenii na raznykh fonakh mineral'nogo pitaniya i pri defitsite vody. Ufa : RITs BashGU, 2014. 244 s.

8. Battal P., Aslan A., Turker M., Uzun Y. Effect of the air pollutant sulfur dioxide on phytohormone levels in some lichens // Fresenius Environmental Bulletin. 2004. Vol. 13, is. 5, PP. 436-440.

9. Mikhailova V.A., Saitova Z.R., Farkhutdinov R.G. Osobennosti vidovogo sostava likhenobioty Bashkortostana // Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2013. T. 18, № 2. C. 392-394.

10. Gosudarstvennyi doklad o sostoyanii okruzhayushchei sredy g. Sterlitamak za 2009 g. Sterlitamak : STU Minekologii RB, 2010. 189 s.

11. Saitova Z.R., Farkhutdinov R.G., Mikhailova V.A. Likhenoindikatsiya kachestva vozdukha v Ishimbaiskom zakaznike Respubliki Bashkortostan // Vestnik Udmurtskogo universiteta. Ser. Biologiya. Nauki o Zemle. 2015. № 2. S. 17-23.

12. Alekseev V.A. Svetovoi rezhim lesa. L. : Nauka, 1975. 227 s.

13. Dietz S., Hartung W. Abscisic acid in lichens: variation, water relations and metabolism // New Phytol. 1998. № 138. PP. 99-106. doi: org/10.1046/j.1469-8137.1998.00881.

15. Domnina E.A., Shapiro I.A., Bykov O.D. Izmenenie fotosinteza i dykhaniya lishainikov v raione Kirovo-Chepetskogo khimicheskogo kombinata // Botanicheskii zhurnal. 2007. T. 92, № 4. S. 515-523.

16. Korolyuk M.A., Ivanova L.I., Maiorova I.G., Tokarev V.S. Metod opredeleniya aktivnosti katalazy // Laboratornoe delo. 1988. № 1. S. 16-19.

17. Hadwan M.H., Abed N.H. Data supporting the spectrophotometric method for the estimation of catalase activity. Data in Brief. 2016. Vol. 6. PP. 194-199. doi: org/10.1016/j. dib.2015.12.012

18. Pystina T.N., Semenova N.A., Novakovskii A.B. Populyatsionnye razlichiya lishainika Lobaria pulmonaria po velichine kletok fototrofnykh komponentov v zavisimosti ot uslovii mestoobitaniya // Vestnik Instituta biologii KNTs UrO RAN. 2010. № 10. S 2-7.

19. Abdul'manova S.Yu., Ektova S.N. Izmenenie skorosti rosta kustisto-razvetvlennykh lishainikov roda Cladonia v khode pirogennykh suktsessii na severe Zapadnoi Sibiri // Sibirskii ekologicheskii zhurnal. 2015. № 3. S. 398-412 doi: 10.15372/SEJ20150307

20. Zeifert D.V., Bikbulatov I.Kh., Rudakov K.M., Grigor'eva I.N. Rastitel'nye soobshchestva i pochvennaya mezofauna territorii khimicheskikh predpriyatii v stepnoi zone Bashkirskogo Predural'ya. Ufa : UGNTU, 2000. 166 s.

23. Fang W.-C., Kao S. N. Enhanced peroxidase activity in rice leaves in response to excess iron, copper, and zinc // Plant Science. 2000. Vol. 158. PR 71-76. doi: 10.1016/S0168-9452(00)00307-1

24. Balakhnina T.I., Kosobryukhov A.A., Ivanov A.A., Kreslavskii V.D. Vliyanie kadmiya na S02-gazoobmen, peremennuyu fluorestsentsiyu khlorofilla i uroven' antioksidantnykh fermentov v list'yakh gorokha // Fiziologiya rastenii. 2005. T. 52. S. 21-27. doi: 10.1007/s11183-005-0003-z

26. Blokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K.V. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivation stress // Annals ofBotany. 2003. Vol. 91. PR 179-194. doi: 10.1093/aob/mcf118

27. Epstein E., Sagee O., Cohen J.D., Garty J. Endogenous auxin and ethylene in the lichen Ramalina duriaei // Plant Physiol. 1986. Vol. 82. RR. 1122-1125.doi: 10.1104/pp.82.4.1122

29. Romanov G.A. Kak tsitokininy deistvuyut na kletku // Fiziologiya rastenii. 2009. T. 56, № 2. S. 295-319. doi: 10.1134/S1021443709020174

30. McGow B.A. Cytokinin metabolism // Cytokinins: plant hormones in search of a role. Eds. Horgan R., Jeffcoat B. Bristol: British Plant Growth Regulator Group. 1995. PR 9-17.

Гормональный и антиоксидантный статус популяций Physcia stellaris (L.) ^l. произрастающих в разных природных зонах Республики Башкортостан

Аннотация

Hormonal and antioxidant status of Physcia stellaris (L.) Nyl. populations growing in different natural zones of the Republic of Bashkortostan

Abstract

События