Влияние ночного охлаждения растений кукурузы на про-/антиоксидантный метаболизм, фотосинтез и дыхание листьев

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Исследовали влияние низкой положительной температуры на функциональные показатели листьев раннеспелого гибрида кукурузы Уральский 150. Растения в фазе трех листьев экспонировали в ночные часы при 5°–6°C и возвращали днем в нормальные условия (ФАР 400 мкмоль квантов/м2с, фотопериод 12/12 ч, температура 25°–27°/23°C). Образцы листьев отбирали в течение часа после экспозиции. Максимум накопления Н2О2 отмечали после трех ночей низкотемпературного воздействия. На фоне значительного (в 3 раза) увеличения содержания Н2О2 возрастала активность ферментов, участвующих в детоксикации пероксида водорода. После семи холодных ночей содержание Н2О2 снижалось, но все еще оставалось заметно выше контрольных значений. Содержание продуктов липопероксидации изменялось в меньшей степени, чем Н2О2. Показатели фотосинтеза и дыхания больше зависели от температуры, при которой проводили измерения (25° и 6°C), чем от ночного охлаждения. При 25°C листья опытных растений мало отличались от контроля по фотохимической эффективности ФСII, скорости нетто-фотосинтеза и дыхательной способности. При 6°C отмечали существенное снижение этих показателей. Причем опытные растения сохраняли более оптимальное соотношение дыхательных путей, благодаря большей устойчивости цитохромного дыхания к снижению температуры. Спустя двое суток после прекращения холодового воздействия побеги опытных растений имели одинаковую с контрольными биомассу, но несколько отставали по развитию листовой поверхности. В целом полученные результаты свидетельствуют о способности раннеспелого гибрида кукурузы Уральский 150 акклиматизироваться к снижению температуры в ночные часы. Полученные данные дополняют представления о физиологических реакциях кукурузы на холодовое воздействие и могут быть использованы для оценки их холодоустойчивости.

Keywords

About the authors

T. K. Golovko

Institute of Biology of the Komi Science Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: golovko@ib.komisc.ru
Syktyvkar, Russia

E. V. Silina

Institute of Biology of the Komi Science Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: golovko@ib.komisc.ru
Syktyvkar, Russia

R. V. Malyshev

Institute of Biology of the Komi Science Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: golovko@ib.komisc.ru
Syktyvkar, Russia

M. A. Shelyakin

Institute of Biology of the Komi Science Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: shelyakin@ib.komisc.ru
Syktyvkar, Russia

G. N. Tabalenkova

Institute of Biology of the Komi Science Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: golovko@ib.komisc.ru
Syktyvkar, Russia

References

  1. Unc A., Altdorff D., Abakumov E., Adl S., Baldursson S., Bechtold M., Cattani D.J., Firbank L.G., Grand S., Guðjónsdóttir M., Kallenbach C., Kedir A.J., Li P., McKenzie D.B., Misra D. et al. Expansion of agriculture in northern cold-climate regions: a cross-sectoral perspective on opportunities and challenges // Front. Sustain. Food Syst. 2021. V. 5. P. 663448. https://doi.org/10.3389/fsufs.2021.663448
  2. Табаленкова Г.Н., Силина Е.В., Дымова О.В., Далькэ И.В., Головко Т.К. Формирование урожая и качество зеленой массы кукурузы в условиях центрального агроклиматического района Республики Коми // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2021. Т. 22. C. 689–697. https://doi.org/10.30766/2072-9081.2021.22.5.689-697
  3. Головко Т.К., Далькэ И.В., Шморгунов Г.Т., Триандафилов А.Ф., Тулинов А.Г. Рост растений и продуктивность кукурузы в холодном климате // Российская с.-х. наука. 2019. № 2. С. 19–23. https://doi.org/10.31857/S2500-26272019219-23
  4. Meng A., Wen D., Zhang C. Maize Seed Germination under low-temperature stress impacts seedling growth under normal temperature by modulating photosynthesis and antioxidant metabolism // Front. Plant Sci. 2022. V. 13. P. 843033. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.843033
  5. Zhou X., Muhammad I., Lan H., Xia C. Recent advances in the analysis of cold tolerance in maize // Front. Plant Sci. 2022. V. 13. P. 866034. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.866034
  6. Long S.P., East T.M., Baker N.R. Chilling damage to photosynthesis in young Zea mayz L. Effects of light and temperature variation on photosynthetic СO2 assimilation // J. Exp. Bot. 1983. V. 4. P. 177–188. https://doi.org/10.1093/jxb/34.2.177
  7. Hussain H.A., Shengnan M., Hussain S., Ashraf U., Zhang Q., Anjum S.A., Ali I., Wang L. Individual and concurrent effects of drought and chilling stresses on morpho-physiological characteristics and oxidative metabolism of maize cultivars // bioRxiv. 2019. https://doi.org/10.1101/829309
  8. Fryer M.J., Andrews J.R., Oxborough K., Blowers D.A., Baker N.R. Relationship between CO2 assimilation, photosynthetic electron transport, and active O2 metabolism in leaves maize in the field during periods of low temperature // Plant Physiol. 1998. V. 116. P. 571–580. https://doi.org/10.1104/pp.116.2.571
  9. Prasad T.K., Anderson M.C., Marti B.A., Stewar C.R. Evidence for chilling-induced oxidative stress in maize seedlings and a regulatory role for hydrogen peroxide // Plant Physiol. 1994. V. 105. P. 65–74. https://doi.org/10.1104/pp.105.2.619
  10. Yu T., Zhang J., Cao J., Cai Q., Li X., Sun Y., Li S., Li Y., Hu G., Cao S., Liu C., Wang G., Wang L. Leaf transcriptomic response mediated by cold stress in two maize inbred lines with contrasting tolerance levels // Genomics. 2021. V. 113. P. 782–794. https://doi.org/10.1016/j.ygeno.2021.01.018
  11. Burnett A.C., Kromdijk J. Can we improve the chilling tolerance of maize photosynthesis through breeding? // J. Exp. Bot. 2022. V. 73. P. 3138–3156. https://doi.org/10.1093/jxb/erac045
  12. Guo X., Liu D., Chong K. Cold signaling in plants: Insights into mechanisms and regulation // J. Integr. Plant Biol. 2018. V. 60. P. 745–756. https://doi.org/10.1111/jipb.12706
  13. Sobkowiak A., Jonczyk M., Adamczyk J., Szczepanik J., Solecka D., Kuciara I., Hetmanczyk K., Trzcinska-Danielewicz J., Grzybowski M., Skoneczny M., Fronk J., Sowiński P. Molecular foundations of chilling-tolerance of modern maize // BioMedCentral Genomics. 2016. V. 17. P. 125. https://doi.org/10.1186/s12864-016-2453-4
  14. Fracheboud Y., Haldimann P., Leipner J., Stamp P. Chlorophyll fluorescence as a selection tool for cold tolerance of photosynthesis in maize (Zea mays L.) // J. Exp. Bot. 1999. V. 50. P. 1533–1540. https://doi.org/10.1093/jxb/50.338.1533
  15. Koscielniak J., Janowiak F., Kurczyeh Z. Increase in photosynthesis of maize hybrids (Zea mays L.) at suboptimal temperature (15°C) by selection of parental lines on the basis of chlorophyll a fluorescence measurements // Photosynthetica. 2005. V. 43. P. 125–134. https://doi.org/10.1007/s11099-005-5134-0.
  16. Vetoshkina D., Pozdnyakova-Filatova I., Nadeeva E., Frolova A., Naydov I., Ivanov B., Borisova-Mubarakshina M. The increase in adaptive capacity to high illumination of barley plants colonized by rhizobacteria P. putida BS3701 // Appl. Biochem. Microbiol. 2019. V. 55. P. 173–181. https://doi.org/10.1134/S0003683819020133
  17. Malyshev R.V., Silina E.V. Luminometer: principle of operation, device, and recommendations for assembly // Instrum. Exp. Tech. 2023. V. 66 P. 476–482. https://doi.org/10.1134/s0020441223020203
  18. Heath R.L., Packer L. Photoperoxidation in isolated chloroplasts: I. Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation // Arch. Biochem. Biophys. 1968. V. 125. P. 189–198. https://doi.org/10.1016/0003-9861(68)90654-1
  19. Beauchamp C., Fridovich I. Superoxide dismutase: Improved assays and an assay applicable to acrylamide gels // Anal. Biochem. 1971. V. 44. P. 276–287. https://doi.org/10.1016/0003-2697(71)90370-8
  20. Nakano Y., Asada K. Hydrogen peroxide is scavenged by ascorbate-specific peroxidase in spinach chloroplasts // Plant Cell Physiol. 1981. V. 22. P. 867–880. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.pcp.a076232
  21. Aebi H. Catalase in vitro // Meth. Enzymol. San Diego: Academic Press. 1984. V. 105. P. 121. https://doi.org/10.1016/S0076-6879(84)05016-3
  22. 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. 248–254. https://doi.org/10.1016/0003-2697(76)90527-3
  23. Goltsev V.N., Kalaji H.M., Paunov M., Baba W., Horalzek T., Mojsk, J., Kociel H., Allakverdiev S.I. Variable chlorophyll fluorescence and its use for assessing physiological condition of plant photosynthetic apparatus // Russ. J. Plant Physiol. 2016. V. 63. P. 869–893. https://doi.org/ 10.1134/S1021443716050058
  24. Foyer C.H., Noctor G. Redox homeostasis and antioxidant signaling: a metabolic interface between stress perception and physiological responses // Plant Cell. 2005. V. 17. P. 1866–1875. https://doi.org/10.1105/tpc.105.033589
  25. Waititu J.K., Cai Q., Sun Y., Li C., Zhang C., Liu J., Wang H. Transcriptome profiling of maize (Zea mays L.) leaves reveals key cold-responsive genes, transcription factors, and metabolic pathways regulating cold stress tolerance at the seedling stage // Genes. 2021. V. 12. P. 1638. https://doi.org/10.3390/genes12101638
  26. Kingston-Smith A.H., Harbinson J., Foyer C.H. Acclimation of photosynthesis, H2O2 content and antioxidants in maize (Zea mays) grown at sub-optimal temperatures // Plant Cell Environ. 1999. V. 22. P. 1071–1083. https://doi.org/10.1046/j.1365-3040.1999.00469.x
  27. Ramazan S., Qazi H.A., Dar Z.A., John R. Low temperature elicits differential biochemical and antioxidant responses in maize (Zea mays) genotypes with different susceptibility to low temperature stress // Physiol. Mol. Biol. Plants. 2021. V. 27. P. 1395–1412. https://doi.org/10.1007/s12298-021-01020-3
  28. Wang T., Wu Z., Chen J., Li F., Lv G. The effects of chilling on antioxidant enzyme system and related gene expression levels in sweet corn seeds with different germination characteristics // AFF. 2024. V. 13. P. 224–234. https://doi.org/10.11648/j.aff.20241306.11
  29. Awasthi R., Bhandari K., Nayyar H. Temperature stress and redox homeostasis in agricultural crops // Front. Environ. Sci. 2015. V. 3. P. 11. https://doi.org/10.3389/fenvs.2015.00011
  30. Hussain H.A., Hussain S., Khaliq A., Ashraf U., Anjum S.A., Men S., Wang L. Chilling and drought stresses in crop plants: implications, cross talk, and potential management opportunities // Front. Plant Sci. 2018. V. 9. P. 393. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00393
  31. Радюкина Н.Л., Иванов Ю.В., Шевякова Н.И. Методы оценки содержания активных форм кислорода, низкомолекулярных антиоксидантов и активности основных антиоксидантных ферментов // Молекулярно-генетические и биохимические методы в современной биологии растений. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. 347 с.
  32. Rymen B., Fiorani F., Kartal F., Vandepoele K., Inzé D., Beemster G.T.S. Cold nights impair leaf growth and cell cycle progression in maize through transcriptional changes of cell cycle genes // Plant Physiol. 2007. V. 143. P. 1429–1438. https://doi.org/10.1104/pp.106.093948
  33. Erdal E., Genisel M. The property of progesterone to mitigate cold stress in maize is linked to a modulation of the mitochondrial respiratory pathway // Theor. Exp. Plant Physiol. 2016. V. 28. P. 385–393. https://doi.org/10.1007/s40626-016-0076-4
  34. Turk H., Genisel M. Melatonin-related mitochondrial respiration responses are associated with growth promotion and cold tolerance in plants // Cryobiology. 2020. V. 92. P. 76–85. https://doi.org/10.1016/j.cryobiol.2019.11.006
  35. Ribas-Carbo M., Aroca R., Gonzàlez-Meler M.A., Irigoyen J.J., Sánchez-Díaz M. The electron partitioning between the cytochrome and alternative respiratory pathways during chilling recovery in two cultivars of maize differing in chilling sensitivity // Plant Physiol. 2000. V. 122. P. 199–204. https://doi.org/10.1104/pp.122.1.199
  36. Ikkonen E.N., Grabelnykh O.I., Sherudilo E.G., Shibaeva T.G. Salicylhydroxamic acid-resistant and sensitive components of respiration in chilling-sensitive plants subjected to a daily short-term temperature drop // Russ. J. Plant Physiol. 2020. V. 67. P. 60–67. https://doi.org/10.1134/S1021443719050066

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 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».