Advances in Chemical PhysicsAdvances in Chemical PhysicsФизиология растений0015-33033034-6126The Russian Academy of Sciences64823510.31857/S0015330324010145NVGIDCЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИResearch ArticleКатионная пероксидаза сорго и ее участие в защите растения в условиях загрязненияКатионная пероксидаза сорго и ее участие в защите растения в условиях загрязненияЩербаковаЕ. В.
Russian Federation

Федеральный исследовательский центр “Саратовский научный центр Российской академии наук”

elizaveta-sch@mail.ruДубровскаяЕ. В.
Russian Federation

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Российской академии наук

elizaveta-sch@mail.ruПоздняковаН. Н.
Russian Federation

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Российской академии наук

elizaveta-sch@mail.ruГалицкаяА. А.
Russian Federation

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Российской академии наук

elizaveta-sch@mail.ruТурковскаяО. В.
Russian Federation

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Российской академии наук

elizaveta-sch@mail.ruИнститут биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Российской академии наукСаратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. ЧернышевскогоФедеральный исследовательский центр “Саратовский научный центр Российской академии наук”Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского15012024711819028012025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0015-3303/article/view/648235

Из проростков сорго веничного (Sorghum bicolor L. Moench) впервые выделили минорную катионную пероксидазу (МКП) с относительной электрофоретической подвижностью в ПААГ (Rf) равной 0.03. Ее молекулярная масса, определенная методом гель-фильтрации, была равна 155 кДа. В структуре фермента выявили три субъединицы с молекулярной массой в 35, 25 и 16 кДа. Пероксидазную и оксидазную активность МКП в диапазоне рН от 2.6 до 7.0 анализировали с использованием 2,6-диметоксифенола (ДМФ), 2,2’-азино-бис-(3-этилбензотиазолин-6-сульфоната) аммония (АБТС) и аскорбиновой кислоты (АСК). Максимальные показатели пероксидазной и оксидазной активности получили по отношению к АСК при рН 7.0 и 4.0 соответственно. При этом удельная активность пероксидазной реакции превышала таковую для оксидазной реакции в 68 раз. Значения КМ для АБТС составили 0.23 и 0.32 мкмоль при пероксидазном и оксидазном окислении соответственно. Исследовали влияние некоторых металлов и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) на активность МКП. В присутствии натрия ее активность увеличивалась примерно в 2.5 раза, а в присутствии антрацена – в 8 раз. Фермент эффективно окислял нативные ПАУ с АБТС в качестве медиатора: 90% антрацена, 80% фенантрена, 20% флуорантена и 15% пирена. Установлено, что наиболее активно трансформации подвергались трехкольцевые ПАУ, убыль которых была в 5 раз больше, чем убыль ПАУ с четырьмя кольцами. Таким образом, обнаруженная стимуляция активности МКП в присутствии загрязнителей неорганической и органической природы и способность окислять ряд нативных ПАУ могут свидетельствовать об ее активном участии в защите растения в условиях загрязнения.

Из проростков сорго веничного (Sorghum bicolor L. Moench) впервые выделили минорную катионную пероксидазу (МКП) с относительной электрофоретической подвижностью в ПААГ (Rf) равной 0.03. Ее молекулярная масса, определенная методом гель-фильтрации, была равна 155 кДа. В структуре фермента выявили три субъединицы с молекулярной массой в 35, 25 и 16 кДа. Пероксидазную и оксидазную активность МКП в диапазоне рН от 2.6 до 7.0 анализировали с использованием 2,6-диметоксифенола (ДМФ), 2,2’-азино-бис-(3-этилбензотиазолин-6-сульфоната) аммония (АБТС) и аскорбиновой кислоты (АСК). Максимальные показатели пероксидазной и оксидазной активности получили по отношению к АСК при рН 7.0 и 4.0 соответственно. При этом удельная активность пероксидазной реакции превышала таковую для оксидазной реакции в 68 раз. Значения КМ для АБТС составили 0.23 и 0.32 мкмоль при пероксидазном и оксидазном окислении соответственно. Исследовали влияние некоторых металлов и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) на активность МКП. В присутствии натрия ее активность увеличивалась примерно в 2.5 раза, а в присутствии антрацена – в 8 раз. Фермент эффективно окислял нативные ПАУ с АБТС в качестве медиатора: 90% антрацена, 80% фенантрена, 20% флуорантена и 15% пирена. Установлено, что наиболее активно трансформации подвергались трехкольцевые ПАУ, убыль которых была в 5 раз больше, чем убыль ПАУ с четырьмя кольцами. Таким образом, обнаруженная стимуляция активности МКП в присутствии загрязнителей неорганической и органической природы и способность окислять ряд нативных ПАУ могут свидетельствовать об ее активном участии в защите растения в условиях загрязнения.

Sorghum bicolor L. Moenchминорная катионная пероксидазанеорганические и органические загрязнителиПравительство РФGovernment of the Russian Federation1022040700974-4Nnamchi C.I., Parkin G., Efimov I., Basran J., Kwon H., Svistunenko D.A., Agirre J., Okolo B.N., Moneke A., Nwanguma B.C., Moody P.C.E., Raven E.L. Structural and spectroscopic characterisation of a heme peroxidase from sorghum // J. Biol. Inorg. Chem. 2016. V. 21. P. 63.https://doi.org/10.1007/s00775-015-1313-zТурковская О.В., Муратова А.Ю., Дубровская Е.В., Бондаренкова А.Д., Любунь Е.В. Фиторемедиационный потенциал сорго веничного для очистки земель от углеводородов нефти и тяжелых металлов // Аграрный научный журнал. 2020. С. 50. https://doi.org/10.28983/asj.y2020i12pp50-54Soudek P., Petrova S.., Vankova R., Song J., Vanek T. Accumulation of heavy metals using Sorghum sp. // Chemosphere. 2014. V. 104. P. 15. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2013.09.079Estrada B., Bernal M.A., Díaz J., Pomar F., Merino F. Fruit development in Capsicum annuum: changes in capsaicin, lignin, free phenolics, and peroxidase patterns // J. Agric. Food Chem. 2000. V. 48. P. 6234. https://doi.org/10.1021/jf000190xKhan A.A., Robinson D.S. Purification of anionic peroxidase isoenzyme from mango (Mangifera indica L. var. Chaunsa) // Food Chemistry. 1993. V. 46. P. 61.Kay E., Shannon L., Lew J.Y. Peroxidase isozymes from horseradish root. II. Catalytic properties // J. Biol. Chem. 1967. V. 242. P. 2470.Bela K., Riyazuddin R., Csiszar J. Plant glutathione peroxidases: Non-heme peroxidases with large functional flexibility as a Core Component of ROS-processing mechanisms and signalling // Antioxidants. 2022. V. 11. P. 1624. https://doi.org/10.3390/antiox11081624Allison S.D., Schultz J. Differential activity of peroxidase isozymes in response to wounding, gypsy moth and plant hormones in northern red oak (Quercus rubra L.) // Chem. Ecol. 2004. V. 30. P. 1363. https://doi.org/10.1023/b:joec.0000037745.66972.3eBolwell G.P., Bindschedler L.V., Blee K.A., Butt V.S., Davies D.R., Gardner S.L., Gerrish C., Minibayeva F. The apoplastic oxidative burst in response to biotic stress in plants: a three-component system // J. Exp. Bot. 2002. V. 53. P. 1367. https://doi.org/10.1093/jexbot/53.372.1367Barcelo A.R., Pomer F. Oxidation of cinnamyl alcohols and aldehydes by a basic peroxidase from lignifying Zinnia elegans hypocotyls // Phytochem. 2001. V. 57. P. 1105. https://doi.org/10.1016/s0031-9422(01)00050-4Guo X., Wu Q., Zhang Z., Zhu G., Zhou G. Nitrogen and phosphorus counteracted the adverse effects of salt on Sorghum by Improving ROS scavenging and osmotic regulation // Agronomy. 2023. V. 13. P. 1020. https://doi.org/10.3390/agronomy13041020Газарян И.Г., Хушпульян Д.М., Тишков В.И. Особенности структуры и механизма действия пероксидаз растений // Успехи биол. химии. 2006. Т. 46. С. 303.Kumari N., Sharma I., Alam A., Sharma V. Oxidative stress and role of antioxidant machinery in two cultivars of sorghum (Sorghum bicolor L.) to combat the damage induced by Macrophomina phaseolina // Eur. J. Biotechnol. Biosci. 2015. V. 3. P. 5. https://doi.org/10.1080/09583157.2018.1450491El-Ganainy S.M., El-Bakery A.M., Hafez H.M., Ismail A.M., El-Abdeen A.Z., Elgalel Ata A.A., Abd Elraheem O.A.Y., El Kady Y.M.Y., Hamouda A.F., El-Beltagi H.S., Shehata W.F., Shalaby T.A., Abbas A.O., Almaghsla M.I., Sattar M.N. et al. Humic acid-coated Fe3O4 nanoparticles confer resistance to Acremonium wilt disease and improve physiological and morphological attributes of grain Sorghum // Polymers. 2022. V. 14. P. 3099. https://doi.org/10.3390/polym14153099Pandey V.P., Awasthi M., Singh S., Tiwari S., Dwivedi U.N. A Comprehensive review on function and application of plant peroxidases // Anal. Biochem. 2017. V. 6. P. 1. https://doi.org/10.4172/2161-1009.1000308Dubrovskaya E.V.., Pozdnyakova N.N., Grinev V.S., Muratova A.Yu., Golubev S.N., Bondarenkova A.D., Turkovskaya O.V. Dominant form of cationic peroxidase from sorghum roots // Russ. J. Plant Physiol. 2016. V. 63. P. 338. https://doi.org/10.1134/S1021443716030055Nnamchi C.I., Okoloa B.N., Moneke A.N., Nwanguma B.C., Amadi O.C., Efimov I. Spectroscopic and kinetic properties of purified peroxidase from germinated Sorghum grains // J. Am. Soc. Brew. Chem. 2022. V. 80. P. 316. https://doi.org/10.1080/03610470.2021.1939639Pandey V.P., Singh S., Singh R., Dwivedi U.N. Purification and characterization of peroxidase from papaya (Carica papaya) fruit // Appl. Biochem. Biotechnol. 2012. V. 167. P. 367. https://doi.org/10.1007/s12010-012-9672-1Лебедев Л.Р., Чепрасова М.Ю., Волкова Н.В. Методы разделения и очистки биополимеров (учебное пособие). Барнаул: Типография Алтайского государственного университета, 2019. 51 с.Laemmli U.K. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4 // Nature. 1970. V. 227. P. 680. https://doi.org/10.1038/227680a0Thongkred P., Lotrakul P., Prasongsuk S., Imai T., Punnapayak P. Oxidation of polycyclic aromatic hydrocarbons by a tropical isolate of Pycnoporus coccineus and its laccase // Sci. Asia. 2011. V. 37. P. 225. https://doi.org/10.2306/scienceasia1513-1874.2011.37.225Chen Z., Li H., Peng A., Gao Y. Oxidation of polycyclic aromatic hydrocarbons by horseradish peroxidase in water containing an organic cosolvent // Environ. Sci. Pollut. Res. 2014. V. 21. P. 10696. https://doi.org/10.1007/s11356-014-3005-6Доис Э. Количественные проблемы биохимии (учебное пособие). Москва: Мир, 1983. 373 с.Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding // Anal. Biochem. 1976. V. 72. P. 248. https://doi.org/10.1006/abio.1976.9999Варфоломеев С.Д., Зайцев С.В. Кинетические методы в биохимических исследованиях. Москва: Издательство МГУ, 1982. 345 с.Pujari D.S., Chanda S.V. Effect of salinity stress on growth, peroxidase and IAA oxidase activities in vigna seedlings // Acta Physiol. Plant. 2002. V. 24. P. 435. https://doi.org/10.1007/s11738-002-0040-6Fang W.C., Kao C.N. Enhanced peroxidase activity in rice leaves in response to excess iron, copper and zinc // Plant Sci. 2000. V. 158. P. 71. https://doi.org/10.1016/s0168-9452(00)00307-1Dubrovskaya E.V., Pozdnyakova N.N., Golubev S.N., Grinev V.S., Turkovskaya O.V. Peroxidases from alfalfa roots: Catalytic properties and participation in degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons // Russ. J. Plant Physiol. 2017. V. 64. С. 174. https://doi.org/10.1134/S1021443717010058Позднякова Н.Н., Никифорова С.В., Макаров О.Е., Турковская О.В. Влияние полициклических ароматических углеводородов на продукцию лакказы грибом белой гнили Pleurotus ostreatus D1 // Прикладная биохимия и микробиология. 2011. Т. 47. С. 595.Шобанова И.А., Кащенок О.Н. Растительные пероксидазы в системе биотрансформации полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) // Ксенобиотики и живые системы / Под ред. В.М. Юрина и др. Минск: Электронная библиотека БГУ, 2008. С. 157.Lyubun Y., Muratova A., Dubrovskaya E., Sungurtseva I., Turkovskaya O. Combined effects of cadmium and oil sludge on sorghum: growth, physiology, and contaminant removal // Environ. Sci. Pollut. Res. 2020. V. 27. P. 22720. https://doi.org/10.1007/s11356-020-08789-yКрасовский Г.Н., Жолдакова З.И., Зайцев Н.А., Харчевникова Н.В., Беляева Н.И., Одинцов Е.Е., Егорова Н.А., Курляндский Б.А., Первухина И.В., Кучеренко А.И. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. ГН 2.1.5.1315-03. Москва: Минздрав России, 2003. 214 с.Дубровская Е.В., Шапошникова Т.С. Характеристика анионных внутриклеточных пероксидаз сорго веничного // Научное творчество ХХI века / Под ред. Я.М. Максимова. Красноярск: Научно-инновационный центр, 2012. С. 432.Захарова Г.С., Упоров И.В., Тишков В.И. Пероксидаза из корней хрена: модулирование свойств химической модификацией белковой глобулы и гема // Успехи биол. химии. 2011. Т. 51. С. 37.Tomilin M.V., Olyunina L.N., Veselov A.P. Light dependent changes in peroxidase activity and peroxide hydrogen generation in the wheat seedlings // J. Stress Physiol. Biochem. 2011. V. 7. P. 5.Серегин И.В. Распределение тяжелых металлов в растениях и их действие на рост: Дис. … докт. биол. наук. Москва: ИФР РАН, 2009. 424 с.Jouili H., Bouazizi H., El Ferjani E. Plant peroxidases: biomarkers of metallic stress // Acta Physiol. Plant. 2011. V. 6. P. 2075. https://doi.org/10.1007/s11738-011-0780-2Квеситадзе Г.И., Хатисашвили Г.А., Садунишвили Т.А., Евстигнеева З.Г. Метаболизм антропогенных токсикантов в высших растениях. Москва: Наука, 2005. 199 с.Bojes H.K., Pope P.G. Characterization of EPA’s 16 priority pollutant polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in tank bottom solids and associated contaminated soils at oil exploration and production sites in Texas // Regul. Toxicol. Pharmacol. 2007. V. 47. P. 288. https://doi.org/10.1016/j.yrtph.2006.11.007Molina L., Segura A. Biochemical and metabolic plant responses toward polycyclic aromatic hydrocarbons and heavy metals present in atmospheric pollution // Plants. 2021. V. 10. P. 2305. https://doi.org/10.3390/plants10112305