Изменение биохимического профиля корневых экзометаболитов гороха посевного под воздействием тяжелых металлов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Методом ВЭЖХ анализа проведена сравнительная оценка изменения качественных и количественных показателей биохимического состава низкомолекулярных корневых экзометаболитов у трех разных генотипов гороха посевного (SGE, SGECDt и Софья) на раннем этапе вегетации под влиянием внесения в среду токсичных концентраций тяжелых металлов в виде хлоридов (кадмия и/или кобальта - 4 µM / 40 µM). Загрязнение питательного субстрата солями тяжелых металлов вызвало увеличение суммарного выхода сахаров и аминокислот у генотипов SGE и SGECDt. У сорта Софья этот эффект проявлялся только в отношении сахаров. Статистически значимой разницы в общем выходе органических кислот между тремя генотипами не наблюдали. Кластерный анализ и анализ главных компонент выделил уникальный мутант гороха SGECDt на фоне других генотипов при совместном введении в питательную среду солей обоих тяжелых металлов. Фрактальный анализ степени структурированности корневой экссудации на примере наибольшей по числу входящих в нее компонентов фракции аминокислот, показал, что значения коэффициентов корреляции демонстрируют возрастание суммарной биомассы растений при уменьшении индексов биосистемной детерминированности. Наименьший показатель индекса консолидации растительной системы в отсутствие стресса выявлен у сорта Софья. Под воздействием ТМ величина этого показателя никак не менялась, что может указывать на стагнацию роста растения и переход его к состоянию близкому к анабиозу. Об этом же можно судить исходя из данных ингибирования роста у генотипа и снижения выхода аминокислот. В присутствии ТМ по отдельности индекс детерминированности на горохе SGE индивидуально снижался, а у мутанта SGECdt, наоборот, повышался. Совместное действие металлов на SGECdt было мультипликативным. По этим показателям можно судить о том, что растение затрачивает больше сил для привлечения потенциальной полезной микрофлоры с целью образования эффективного симбиоза и успешного противодействия металл-индуцированному стрессу.

Об авторах

Я. В Пухальский

Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии

Email: puhalskyyan@gmail.com
196608, Санкт-Петербург, Пушкин, ш. Подбельского, 3

С. И Лоскутов

Всероссийский НИИ пищевых добавок - филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В.М. Горбатова Российской академии наук

191014, Санкт-Петербург, Литейный пр., 55

Н. И Воробьев

Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии

196608, Санкт-Петербург, Пушкин, ш. Подбельского, 3

М. А Чукаева

Санкт-Петербургский горный университет

199106, Санкт-Петербург, 21-я линия В.О., 2

Д. О Нагорнов

Санкт-Петербургский горный университет

199106, Санкт-Петербург, 21-я линия В.О., 2

А. И Шапошников

Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии

196608, Санкт-Петербург, Пушкин, ш. Подбельского, 3

Т. С Азарова

Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии

196608, Санкт-Петербург, Пушкин, ш. Подбельского, 3

А. П Кожемяков

Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии

196608, Санкт-Петербург, Пушкин, ш. Подбельского, 3

Список литературы

  1. Inderjit, Weston L.A. Root Exudates: An Overview. Root Ecology. Ecological Studies (Analysis and Synthesis). Berlin: Springer-Heidelberg, 2003. Vol. 168. P. 235-255. doi: 10.1007/978-3-662-09784-7_10
  2. Root biomass and exudates link plant diversity with soil bacterial and fungal biomass / N. Eisenhauer, A. Lanoue, T. Strecker, et al. // Sci. Rep. 2017. Vol. 7. URL: https://www.nature.com/articles/srep44641/(дата обращения: 19.06.2022). doi: 10.1038/srep44641
  3. Helal H.M., Sauerbeck D. Effect of plant roots on carbon metabolism of soil microbial biomass // Zeitschrift Für Pflanzenernährung Und Bodenkunde. 1986. Vol. 149. No 2. P. 181-188. doi: 10.1002/jpln.19861490205
  4. Dynamic root exudate chemistry and microbial substrate preferences drive patterns in rhizosphere microbial community assembly / K. Zhalnina, K.B. Louie, Z. Hao, et al. // Nat. Microbiol. 2018. Vol. 3. P. 470-480. doi: 10.1038/s41564-018-0129-3
  5. Root exudation of primary metabolites: mechanisms and their roles in plant responses to environmental stimuli / A. Canarini, W. Wanek, A. Merchant, et al. // Front. Plant Sci. 2018. Vol. 10. No 157. URL: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2019.00157/full/(дата обращения: 19.06.2022). doi: 10.3389/fpls.2019.00157
  6. Root exudation of sugars, amino acids, and organic acids by maize as affected by nitrogen, phosphorus, potassium, and iron deficiency / L.C. Carvalhais, P.G. Dennis, D. Fedoseyenko, et al. //j. Plant. Nutr. Soil Sci. 2011. Vol. 174. P. 3-11. doi: 10.1002/jpln.201000085
  7. Gransee A. Effects of root exudates on nutrient availability in the rhizosphere. Plant Nutrition. Developments in Plant and Soil Sciences. Holland: Springer, 2001. P. 626-627. doi: 10.1007/0-306-47624-X_303
  8. Nutrient availability in the rhizosphere: a review / T. Mimmo, Y. Pii, F. Valentinuzzi, et al. // Acta Hortic. 2018. Vol. 1217. P. 13-28. doi: 10.17660/ActaHortic.2018.1217.2
  9. Effects of cadmium stress on growth, anatomy and hormone contents in Glycine max (L.) Merr. / M.V. Perez Chaca, A. Vigliocco, H. Reinoso, et al. // Acta Physiol Plant. 2014. Vol. 36. P. 2815-2826. doi: 10.1007/s11738-014-1656-z
  10. Cadmium: toxicity and tolerance in plants / S.A. Hasan, Q. Fariduddin, B. Ali, et al. //j. Environ. Biol. 2009. Vol. 30. No 2. P. 165-174.
  11. Ранжирование химических элементов по их экологической опасности для почвы / С.И. Колесников, К.Ш. Казеев, В.Ф. Вальков и др. // Доклады Российской Академии сельскохозяйственных наук. 2010. № 1. С. 27-29.
  12. Елькина Г.Я. Реакция растений на полиэлементное загрязнение подзолистых почв тяжелыми металлами // Агрохимия. 2017. Т. 7. С. 78-85.
  13. Combined toxicity and underlying mechanisms of a mixture of eight heavy metals / Q. Zhou, Y. Gu, X. Yue, et al. // Mol. Med. Rep. 2017. Vol. 15. No 2. P. 859-866. doi: 10.3892/mmr.2016.6089
  14. A review of toxicity and mechanisms of individual and mixtures of heavy metals in the environment / X. Wu, S.J. Cobbina, G. Mao, et al. // Environ. Sci. Pollut. Res. 2016. Vol. 23. P. 8244-8259. doi: 10.1007/s11356-016-6333-x
  15. Cadmium spiked soil modulates root organic acids exudation and ionic contents of two differentially Cd tolerant maize (Zea mays L.) cultivars / M.T. Javed, M.S. Akram, K. Tanwir, et al. // Ecotoxicol Environ Saf. 2017. Vol. 141. P. 216-225. doi: 10.1016/j.ecoenv.2017.03.027
  16. Seshadri B., Bolan N., Naidu R. Rhizosphere-induced heavy metal(loid) transformation in relation to bioavailability and remediation //j. Soil Sci. Plant Nutr. 2015. Vol. 15. No 2. URL: https://www.scielo.cl/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0718-95162015005000043&lng=en&nrm=iso&tlng=en/(дата обращения: 19.06.2022). doi: 10.4067/s0718-95162015005000043
  17. Exogenous treatment with salicylic acid attenuates cadmium toxicity in pea seedlings / L.P. Popova, L.T. Maslenkova, R.Y. Yordanova, et al. // Plant Physiol. Biochem. 2009. Vol. 47. P. 224-231. doi: 10.1016/j.plaphy.2008.11.007
  18. Sugiyama A., Yazaki K. Root exudates of legume plants and their involvement in interactions with soil microbes. Secretions and Exudates in Biological Systems, Signaling and Communication in Plants. Berlin: Springer-Verlag, 2012. P. 27-48. doi: 10.1007/978-3-642-23047-9_2.
  19. A chemically induced new pea (Pisum sativum L.) mutant SGECDt with increased tolerance to and accumulation of cadmium / V.E. Tsyganov, A.A. Belimov, A.Y. Borisov, et al. // Ann. Bot. 2007. Vol. 99. P. 227-237. doi: 10.1093/aob/mcl261
  20. A sterile hydroponic system for characterising root exudates from specific root types and whole-root systems of large crop plants / A. Kawasaki, S. Okada, C. Zhang, et al. // Plant Methods. 2018. Vol. 14. URL: https://plantmethods.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13007-018-0380-x/(дата обращения: 19.06.2022). doi: 10.1186/s13007-018-0380-x
  21. Evaluation of a novel tool for sampling root exudates from soil-grown plants compared to conventional techniques / E. Oburger, M. Dell‘mour, S. Hann, et al. // Environ. Exp. Bot. 2013. Vol. 87. P. 235-247. doi: 10.1016/j.envexpbot.2012.11.007
  22. Sharakshane A. An easy estimate of the PFDD for a plant illuminated with white LEDs: 1000 lx = 15 μmol/s/m2 // BioRxiv. 2018. URL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/289280v1.full/(дата обращения: 19.06.2022). doi: 10.1101/289280
  23. Лаврентьева Г.В., Круглов С.В., Анисимов В.С. Динамика катионного состава почвенного раствора известкованной дерново-подзолистой почвы при загрязнении Co и Cd и изменении pH // Почвоведение. 2008. № 9. С. 1092-1100. doi: 10.1134/S106422930809007X
  24. Кондратьев М.Н., Роньжина Е.С., Ларикова Ю.С. Влияние абиотических стрессов на метаболизм вторичных соединений в растениях // Известия КГТУ. 2018. Т.49. С. 203-219.
  25. Quantitative changes in protein expression of cadmium-exposed poplar plants / P. Kieffer, J. Dommes, L. Hoffmann, et al. // Proteomics. 2008. Vol. 8. P. 2514-2530. doi: 10.1002/pmic.200701110
  26. Effects of Cadmium Exposure on Growth and Metabolic Profile of Bermudagrass (Cynodon dactylon (L.) Pers.) / Y. Xie, L. Hu, Z. Du, et al. // PLoS One. 2014. Vol. 9. URL: https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0115279/(дата обращения: 19.06.2022). doi: 10.1371/journal.pone.0115279
  27. Glucose alleviates cadmium toxicity by increasing cadmium fixation in root cell wall and sequestration into vacuole in Arabidopsis / Y.Z. Shi, X.F. Zhu, J.X. Wan, et al. // JIPB. 2015. Vol. 57. P. 830-837. doi: 10.1111/jipb.12312
  28. Wang S., Mulligan C.N. Effects of three low-molecular-weight organic acids (LMWOAs) and pH on the mobilization of arsenic and heavy metals (Cu, Pb, and Zn) from mine tailings // Environ Geochem Health. 2013. Vol. 35. No 1. P. 111-118. doi: 10.1007/s10653-012-9461-3
  29. Dynamics of three organic acids (malic, acetic and succinic acid) in sunflower exposed to cadmium and lead / Z. Niu, X. Li, L. Sun, et al. // Int. J. Phytoremediation. 2013. Vol. 15. No 7. P. 690-702. doi: 10.1080/15226514.2012.723066
  30. The significance of methionine, histidine and tryptophan in plant responses and adaptation to cadmium stress / V. Zemanova, M. Pavlik, D. Pavlikova, et al. // Plant Soil Environ. 2014. Vol. 60. No 9. P. 426-432. doi: 10.17221/544/2014-PSE

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2023