Физиолого-биохимические реакции Sorghum bicolor на бактеризацию и воздействие поллютантов

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Исследованы физиолого-биохимические параметры сорго веничного (Sorghum bicolor L. Moench), характеризующие реакции его 3-недельных проростков на присутствие биотического (бактериальный штамм Gordonia sp. N7) и абиотических (никель и н-гексадекан) факторов. Исследованы такие показатели как выживаемость растений, биомасса корней и побегов, индексы толерантности, транслокационный фактор никеля, содержание фотосинтетических пигментов, спектр и активность пероксидаз в корневых экссудатах. Показано, что реакции сорго на комбинированное воздействие стрессоров отличались от таковых при их индивидуальном воздействии. Показано, что н-гексадекан и бактеризация по-отдельности и совместно оказывали стимулирующее влияние на прирост биомассы сорго. Напротив, никель в использованной концентрации (20 мг/кг) проявлял выраженное ингибирующее воздействие на изученные показатели. Комбинирование исследуемых компонентов изменяло некоторые показатели относительно индивидуальных, однако токсичность металла доминировала, существенно нивелируя стимулирующее влияние н-гексадекана и актинобактерий рода Gordonia на рост растения. Однако по состоянию фотосинтетического аппарата и активности пероксидаз в корневых экссудатах отмечены различающиеся реакции растений на комбинированный стресс. Существенные изменения происходили в процессах накопления никеля в органах растений: в присутствии н-гексадекана и особенно бактерии увеличивалась аккумуляция никеля в надземной части сорго – ТФ повышался более чем в 2 раза. Полученные результаты дают обоснование целесообразности использования штамма Gordonia sp. N7 как технологического приема, способствующего процессу фиторемедиации по извлечению никеля из загрязненного грунта с помощью Sorghum bicolor. В то же время, необходимо отметить, что выявленный эффект следует учитывать в сельскохозяйственном кормопроизводстве, поскольку он свидетельствует о повышении загрязнения растительной продукции тяжелым металлом.

Full Text

Restricted Access

About the authors

О. В. Турковская

Федеральный исследовательский центр “Саратовский научный центр Российской академии наук”

Email: turkovskaya_o@ibppm.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Russian Federation, Саратов

А. Д. Бондаренкова

Федеральный исследовательский центр “Саратовский научный центр Российской академии наук”

Email: turkovskaya_o@ibppm.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Russian Federation, Саратов

С. Н. Голубев

Федеральный исследовательский центр “Саратовский научный центр Российской академии наук”

Email: turkovskaya_o@ibppm.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Russian Federation, Саратов

Н. Н. Позднякова

Федеральный исследовательский центр “Саратовский научный центр Российской академии наук”

Author for correspondence.
Email: turkovskaya_o@ibppm.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Russian Federation, Саратов

Е. В. Дубровская

Федеральный исследовательский центр “Саратовский научный центр Российской академии наук”

Email: turkovskaya_o@ibppm.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Russian Federation, Саратов

И. Ю. Сунгурцева

Федеральный исследовательский центр “Саратовский научный центр Российской академии наук”

Email: turkovskaya_o@ibppm.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Russian Federation, Саратов

А. Ю. Муратова

Федеральный исследовательский центр “Саратовский научный центр Российской академии наук”

Email: turkovskaya_o@ibppm.ru

Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов

Russian Federation, Саратов

References

  1. Sathya A., Kanaganahalli V., Srinivas Rao P., Gopalakrishnan S. Cultivation of sweet sorghum on heavy metalcontaminated soils by phytoremediation approach for production of bioethanol // In: M.N.V. Prasad, ed., Bioremediation and Bioeconomy, Amsterdam: Elsevier, 2016. P. 271. http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-802830-8.00012-5
  2. De Bernard A., Casucci C., Businelli D., D’Amato R., Beone G. M., Fontanella M.C., Vischetti C. Phytoremediation potential of crop plants in countering nickel contamination in carbonation lime // Plants. 2020. V. 9. P. 580. https://doi.org/10.3390/plants9050580
  3. Rao P.S., Reddy B.V.S., Reddy Ch.R., Blümmel M., Kumar A.A., Rao P.P., Basavaraj G. Utilizing co-products of the sweet sorghum based biofuel industry as livestock feed in decentralized systems // In: FAO. 2012. Biofuel co-products as livestock feed – Opportunities and challenges, edited by Harinder P.S. Makkar. Rome. P. 229.
  4. Hong S.H., Cho K.-S., Ryu H., Kim J. Rhizoremediation of diesel-contaminated soil using the plant growth-promoting rhizobacterium Gordonia sp. S2RP-17 // Biodegradation. 2011. V. 22. P. 593. https://doi.org/10.1007/s10532-010-9432-2
  5. Lo Piccolo L., De Pasquale C., Fodale R., Puglia A.M., Quatrini P. Involvement of an alkane hydroxylase system of Gordonia sp. strain SoCg in degradation of solid n-alkanes // Appl. Environ. Microbiol. 2011. V. 77. P. 1204. https://doi.org/10.1128/AEM.02180-10
  6. Litvinenko L.V. Ability of the Dietzia, Gordonia and Rhodococcus actinobacteria to accumulate nickel ions // Microbiol. 2019. V. 88. P. 207. https://doi.org/10.1134/S0026261719020061
  7. Atagana H.I. Bioremediation of co-contamination of crude oil and heavy metals in soil by phytoremediation using Chromolaena odorata (L) King & H.E. Robinson // Water Air Soil Pollut. 2011. V. 215. P. 261. https://doi.org/10.1007/s11270-010-0476-z
  8. Пиковский Ю.И. Трансформация техногенных потоков нефти в почвенных экосистемах // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. Под ред. М.А. Глазовской. М.: Наука, 1988. С. 7.
  9. Muratova A., Lyubun Y., German K., Turkovskaya O. Effect of cadmium stress and inoculation with a heavy-metal-resistant bacterium on the growth and enzyme activity of Sorghum bicolor // Environ. Sci. Pollut. Res. 2015. V. 22. P. 16098. https://doi.org/10.1007/s11356-015-4798-7
  10. Бондаренкова А.Д. Стимулирующие рост растений ризобактерии в фиторемедиации почв, загрязненных углеводородами // Дисc. … канд. биол. наук. Саратов: ИБФРМ РАН, 2009. 162 с.
  11. Dubrovskaya E., Pozdnyakova N., Golubev S., Muratova A., Grinev V., Bondarenkova A., Turkovskaya O. Peroxidases from root exudates of Medicago sativa and Sorghum bicolor: catalytic properties and involvement in PAH degradation // Chemosphere. 2017. V. 169. P. 224. http://dx.doi.org/10.1016/j.chemosphere.2016.11.027
  12. Smith G.S., Johnston C.M., Cornforth I.S. Comparison of nutrient solutions for growth of plants in sand culture // New Phytol. 2006. V. 94. P. 537. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.1983.tb04863.x
  13. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.2041-06.
  14. Герхардт Ф. Методы общей бактериологии. М.: Мир, 1983. Т. 3. 536 с.
  15. Ali N.A., Berna M.P., Ater M. Tolerance and bioaccumulation of cadmium by Phragmites australis grown in the presence of elevated concentrations of cadmium, copper and zinc // Aquat. Bot. 2004. V. 80. P. 163. https://doi.org/10.1016/J.AQUABOT.2004.08.008
  16. Елизарьева Е.Н., Янбаев Ю.А., Кулагин А.Ю. Особенности выбора фиторемедиационных технологий очистки почв и сточных вод от ионов тяжелых металлов // Вестник удмуртского университета. Биология. Науки о Земле. 2016. Т. 26. С. 7.
  17. Методы биохимического анализа растений / В.В. Полевой и Г.Б. Максимов. Л.: Изд-во Ленинградского университета. 1978. 192 с.
  18. Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of proteindye-binding // Anal Biochem. 1976. V. 72. P. 248. https://doi.org/10.1006/abio.1976.9999
  19. Niku-Paavola M.L., Karhunen E., Salola P., Raunio J. Ligninolytic enzymes of white-rot fungus Phlebia radiate // Biochem J. 1988. V. 254. P. 877. https://doi.org/10.1042/bj2540877
  20. Bartha R., Bordeleau L. Cell–free peroxidases in soil // Soil Biol. Biochem. 1969. V. 1. P. 139. https://doi.org/10.1016/0038-0717(69)90004-2
  21. Criquet S., Joner E., Leglize P., Leyval C. Anthracene and mycorrhiza affect the activity of oxidoreductases in the roots and the rhizosphere of lucerne (Medicago sativa L.) // Biotechnol. Lett. 2000. V. 22. P. 1733. https:// doi: 10.1023/A:1005604719909
  22. 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/10.1038/227680a0
  23. Cao A., Cappai G., Carucci A., Muntoni A. Selection of plants for zinc and lead phytoremediation // J. Environ. Sci. Health. 2004. V. 39. P. 1011. https://doi.org/10.1081/ese-120028410
  24. Ahmad M.S.A., Ashraf M. Essential roles and hazardous effects of nickel in plants. In: Reviews of environmental contamination and toxicology, Whitacre D.M. (ed.). New York: Springer, 2011. P. 125. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-0668-6_6
  25. Seregin I.V., Kozhevnikova A.D. Physiological role of nickel and its toxic effects on higher plants // Russ. J. Plant Physiol. 2006. V. 53. P. 257. https://doi.org/10.1134/S1021443706020178
  26. Khan S., Afzal M., Iqbal S., Khan Q.M. Plant-bacteria partnerships for the remediation of hydrocarbon contaminated soils // Chemosphere. 2013. V. 90. P. 1317. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2012.09.045
  27. Vega-Jarquin C., Dendooven L., Magaña-Plaza I., Thalasso F., Ramos-Valdivia A. Biotransformation of n-hexadecane by cell suspension cultures of Cinchona robusta and Dioscorea composite // Environ. Toxicol. Chem. 2001. T. 20. P. 2670. https://doi.org/10.1002/etc.5620201203
  28. Solyanikova I.P., Golovleva L.A. Hexadecane and hexadecane-degrading bacteria: mechanisms of interaction // Microbiology. 2019. V. 88. P. 19. https://doi.org/10.1134/S0026261718060152
  29. Rubtsova E.V., Kuyukina M.S., Ivshina I.B. Effect of cultivation conditions on the adhesive activity of rhodococci towards n-hexadecane // Appl. Biochem. Microbiol. 2012. V. 48. P. 501. https://doi.org/10.1134/S0003683812050110
  30. Ivshina I.B., Kuyukina M.S., Kostina L.V. Adaptive mechanisms of nonspecific resistance to heavy metal ions in alkanotrophic actinobacteria // Rus. J. Ecol. (Ekologiya). 2013. P. 115. https://doi.org/10.1134/S1067413613020082
  31. Белимов А.А., Тихонович И.А. Микробиологические аспекты устойчивости и аккумуляции тяжелых металлов у растений (обзор) // Сельскохозяйственная биология. 2011. № 3. С. 10.
  32. Oh K., Cao T.H., Cheng H.Y., Liang X.H., Hu X.F., Yan L.J., Yonemochi S., Takahi S. Phytoremediation potential of sorghum as a biofuel crop and the enhancement effects with microbe inoculation in heavy metal contaminated soil // J. Biosci. Medic. 2015. V. 3. P. 9. http://dx.doi.org/10.4236/jbm.2015.36002
  33. Abou-Shanab R., Delorme T.A., Angle J.S., Chaney R.L., Ghanem K., Moawad H., Ghozlan H.A. Phenotypic characterization of microbes in the rhizosphere of Alyssum murale // Int. J. Phytoremediation. 2003. V. 5. P. 367. https://doi.org/10.1080/16226510390268766
  34. Kreslavski V.D., Carpentier R., Klimov V.V., Murata N., Allakhverdiev S.I. Molecular mechanisms of stress resistance of photosynthetic apparatus // Biochemistry (Moscow) Supplement Series A Membrane and Cell Biology. 2007. V. 1. P. 185. https://doi.org/10.1134/S1990747807030014
  35. Küpper H., Küpper F., Spiller M. Environmental relevance of heavy metal substituted chlorophylls using the example of water plants // J. Exp. Bot. 1996. V. 47. P. 259. https://doi.org/10.1093/jxb/47.2.259
  36. Смирнова Ю.В., Курамшина З.М., Гамоненко О.В. Влияние эндофитных бактерий Bacillus subtilis на содержание фотосинтетических пигментов в растениях пшеницы при воздействии никеля // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн. 2018. № 12. C. 54. http://7universum.com/ru/nature/archive/item/6661.
  37. Bashan Y., Bustillos J.J., Leyva L.A., Hernandez J. P., Bacilio M. Increase in auxiliary photoprotective photosynthetic pigments in wheat seedlings induced by Azospirillum brasilense // Biol. Fertil. Soils. 2006. V. 42. P. 279. https://doi.org/10.1007/s00374-005-0025-x
  38. Czarnes S., Mercier P.E., Lemoine D.G., Hamzaoui J., Legendre L. Impact of soil water content on maize responses to the plant growth promoting rhizobacterium Azospirillum lipoferum CRT1 // J. Agro Crop Sci. 2020. V. 206. P. 505. https://doi.org/10.1111/jac.12399
  39. Газарян И.Г., Хушпульян Д.М., Тишков В.И. Особенности структуры и механизма действия пероксидаз растений // Успехи биол. химии. 2006. Т. 46. С. 303.
  40. Граскова И.А., Боровский Г.Б., Владимирова С.В., Романенко А.С., Войников В.К. Изоферментные спектры пероксидаз картофеля при патогенезе кольцевой гнили // Доклады РАН. 2002. Т. 384. № 6. С. 844.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Survival of Sorghum bicolor plants under growing season conditions. Error bars indicate confidence interval calculated for n ≥ 5 at P ≤ 0.05; the same letters indicate values that do not differ significantly from each other at P ≤ 0.05. H – pure version, G – n-hexadecane, M – metal (Ni2+), N7 – bacteria Gordonia sp. N7.

Download (17KB)
Indexing metadata
3. Fig. Fig. 2. Biomass of shoots (1) and roots (2) of 3-week-old Sorghum bicolor plants in different variants of the growing season. Error bars indicate confidence interval calculated for n ≥ 5 at P ≤ 0.05; the same capital letters indicate the weight values of the shoots, which do not differ significantly from each other; Identical lowercase letters indicate root weight values that do not differ significantly from each other at P ≤ 0.05. H – pure version, G – n-hexadecane, M – metal (Ni2+), N7 – bacteria Gordonia sp. N7.

Download (17KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Accumulation of nickel ions in shoots (1) and roots (2) of Sorghum bicolor and nickel TF (3). Error bars indicate the error of the mean not exceeding 5% for n ≥ 5; the same capital letters indicate values for shoots that do not differ significantly from each other; The same lowercase letters indicate values for roots that do not differ significantly from each other at P ≤ 0.05. G – n-hexadecane, M – metal (Ni2+), N7 – bacteria Gordonia sp. N7.

Download (16KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Spectrum of peroxidases in root exudates of Sorghum bicolor in the presence of metal ions (nickel), n-hexadecane and Gordonia sp. N7. H – pure version, G – n-hexadecane, M – metal (Ni2+), N7 – bacteria Gordonia sp. N7.

Download (19KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Activity of peroxidases from root exudates of Sorghum bicolor in relation to test substrates: 1 – ODA; 2 – DAF; 3 – ABTS. The same capital letters indicate values for ODA that do not differ significantly from each other; the same lowercase letters indicate values for DAF that do not differ significantly from each other; The same symbols indicate values for ABTS that do not differ significantly from each other at P ≤ 0.05. H – pure version, G – n-hexadecane, M – metal (Ni2+), N7 – bacteria Gordonia sp. N7.

Download (16KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. The effect of nickel in increasing concentrations on the activity of purified cationic peroxidase from the roots of Sorghum bicolor (with DAP). On the y-axis, enzyme activity is in % relative to the variant without nickel. At a nickel concentration of 0 mM, activity was taken as 100%.

Download (1KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».