Effect of copper ions on the composition of phytosterols of the vacuolar membrane of Beta vulgaris L.

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The study set out to investigate the effect of different concentrations of copper ions on the composition of phytosterols of the vacuolar membrane (tonoplast) of beetroot (Beta vulgaris L.). To characterise the stress caused by the action of copper ions, a conductometric study of the permeability of cell membranes and the level of lipid peroxidation was carried out. The results demonstrate an increase in these indicators in beetroot tissues. Among tonoplast phytosterols, β-sitosterol, stigmasterol, campesterol, and cholesterol were studied. In cell membranes, these phytosterols perform a structural function, contributing to lipid microdomain formation, influencing plant growth and development, and participating in plant responses to stress. The study of the effect of copper ions on tonoplast phytosterols showed most of them to be occupied by the free form. In the presence of 100 μM copper, a significant increase in campesterol content was detected. The ratio of stigmasterol/β-sitosterol and 24-methyl-/ ethylsterol, which may influence the stress response of plants, is an important indicator of plant membrane health. The observed increases in the ratios of stigmasterol/β-sitosterol and 24-methyl-/ethylsterols can be explained in terms of mechanisms for regulating the functioning of the tonoplast under stress caused by copper ions. Thus, the obtained results may indicate the participation of cell membranes, including tonoplast, in the mechanisms of adaptation of beetroot tissue cells to stress caused by copper ions.

About the authors

E. V. Spiridonona

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: yatakol@mail.ru

I. S. Kapustina

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: nirinka24@mail.ru

V. V. Gurina

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: nichka.g@bk.ru

N.  V. Semyonova

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: tashasemyonova@mail.ru

N. V. Ozolina

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: ozol@sifibr.irk.ru

References

  1. Rahman Z., Singh V.P. The relative impact of toxic heavy metals (THMs) (arsenic (As), cadmium (Cd), chromium (Cr) (VI), mercury (Hg), and lead (Pb)) on the total environment: an overview // Environmental Monitoring and Assessment. 2019. Vol. 191. P. 419. doi: 10.1007/s10661-019-7528-7.
  2. Feki K., Tounsi S., Mrabet M., Mhadhbi H., Brini F. Recent advances in physiological and molecular mechanisms of heavy metal accumulation in plants // Environmental Science and Pollution Research. 2021. Vol. 28. P. 64967– 64986. doi: 10.1007/s11356-021-16805-y.
  3. Jiang Y.-T., Tang R.-J., Zhang Y.-J., Xue H.-W., Ferjani A., Luan S., et al. Two tonoplast proton pumps function in Arabidopsis embryo development // New Phytologist. 2020. Vol. 225, no. 4. P. 1606–1617. doi: 10.1111/nph.16231.
  4. Лось Д.А. Восприятие стрессовых сигналов биологическими мембранами. В кн.: Проблемы регуляции в биологических системах. Биофизические аспекты / под ред. А.Б. Рубина М. – Ижевск: Изд-во НИЦ «Регуляторная и хаотичная динамика», Институт компьютерных исследований, 2007. С. 329–360.
  5. Валитова Ю.Н., Сулкарнаева А.Г., Минибаева Ф.В. Растительные стерины: многообразие, биосинтез, физиологические функции (обзор) // Биохимия. 2016. Т. 81. N 8. С. 1050–1068. EDN: WJXJID.
  6. Ozolina N.V., Kapustina I.S., Gurina V.V., Bobkova V.A., Nurminsky V.N. Role of plasmalemma microdomains (Rafts) in protection of the plant cell under osmotic stress // Journal of Membrane Biology. 2021. Vol. 254. P. 429–439. doi: 10.1007/s00232-021-00194-x.
  7. Mir A.R., Pichtel J., Hayat S. Copper: uptake, toxicity and tolerance in plants and management of Cu-contaminated soil // BioMetals. 2021. Vol 34. P. 737–759. doi: 10.1007/s10534-021-00306-z.
  8. Гришенкова Н.Н., Лукаткин А.С. Определение устойчивости растительных тканей к абиотическим стрессам с использованием кондуктометрического метода // Поволжский экологический журнал. 2005. N 1. С. 3–11. EDN: HSPMUH.
  9. Ozolina N.V., Gurina V.V., Nesterkina I.S., Nurminsky V.N. Variations in the content of tonoplast lipids under abiotic stress // Planta. 2020. Vol. 251. P. 107. doi: 10.1007/s00425-020-03399-x.
  10. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах. М.: Наука, 1972. 252 с.
  11. Саляев Р.К., Кузеванов В.Я., Хаптагаев С.Б., Копытчук В.Н. Выделение и очистка вакуолей и вакуолярных мембран из клеток растений // Физиология растений. 1981. Т. 28. N 6. C. 1295–1305. EDN: WCTLVJ.
  12. Folch J., Lees M., Sloane Stanley G.H. A simple method for the isolation and purification of total lipides from animal tissues // Journal of Biological Chemistry. 1957. Vol. 226, no. 1. P. 497–509. doi: 10.1016/S0021-9258(18)64849-5.
  13. Malins D.C., Mangold H.K. Analysis of complex lipid mixtures by thin–layer chromatography and complementary methods // Journal of the American Oil Chemists Society. 1960. Vol. 37. P. 576–578. doi: 10.1007/BF02631604.
  14. Дударева Л.В., Семенова Н.В., Нохсоров В.В., Рудиковская Е.Г., Петров К.А. Компонентный состав фитостеринов надземной части хвоща пестрого Equisétum variegatum Schleich. ex. Web., произрастающего в северо-восточной Якутии // Химия растительного сырья. 2020. Т. 2. С. 133– 139. doi: 10.14258/jcprm.2020025555. EDN: HHWJMX.
  15. Зауралов О.А., Лукаткин А.С. Кинетика экзоосмоса электролитов у теплолюбивых растений при действии пониженных температур // Физиология растений. 1985. Т. 48. N 3. С. 349–355.
  16. Spiridonova E.V., Ozolina N.V., Nesterkina I.S., Gurina V.V., Nurminsky V.N., Donskaya L.I., et al. Effect of cadmium on the roots of beetroot (Beta vulgaris L.) // International Journal of Phytoremediation. 2019. Vol. 21, no. 10. P. 980–984. doi: 10.1080/15226514.2019.1583722.
  17. Møller I.M., Jensen P.E., Hansson A. Oxidative modifications to cellular components in plants // Annual Review of Plant Biology. 2007. Vol. 58. P. 459–481. doi: 10.1146/annurev.arplant.58.032806.103946.
  18. Thounaojam T.C., Panda P., Mazumdar P., Kumar D., Sharma G.D., Sahoo L., et al. Excess copper induced oxidative stress and response of antioxidants in rice // Plant Physiology and Biochemistry. 2012. Vol. 53. P. 33–39. doi: 10.1016/j.plaphy.2012.01.006.
  19. Михайлова И.Д., Лукаткин А.С. Перекисное окисление липидов в растениях огурца и редиса при действии тяжелых металлов // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Химия. Биология. Экология. 2016. Т. 16. N 2. С. 206–210. doi: 10.18500/1816-9775-201616-2-206-210. EDN: WJKXVJ.
  20. Некрасова Г.Ф., Ушакова О.С., Ермаков А.Е., Уймин М.А., Бызов И.В. Действие ионов меди (II) и наночастиц оксидов меди на Elodea densa Planch. // Экология. 2011. N 6. С. 422–428. EDN: ONFZJX.
  21. Лукаткин А.С., Грузнова К.А., Башмаков Д.И., Лукаткин А.А. Влияние регулятора роста эпин-экстра на растения пшеницы при действии тяжелых металлов // Агрохимия. 2019. N 2. C. 81–88. doi: 10.1134/S0002188119020108. EDN: YWYDML.
  22. Gong Q., Wang L., Dai T., Zhou J., Kang Q., Chen H., et al. Effects of copper on the growth, antioxidant enzymes and photosynthesis of spinach seedlings // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2019. Vol. 171. P. 771–780. doi: 10.1016/j.ecoenv.2019.01.016.
  23. Nesterov V., Bogdanova E., Makurina O., Rozina S., Rozentsvet O. Effect of NaCl, copper and cadmium ions on halophytes with different types of salt resistance: accumulation, physiological and biochemical reactions // Functional Plant Biology. 2021. Vol. 48, no. 10. P. 1053– 1061. doi: 10.1071/FP21083.
  24. Wang T., Hicks K.B., Moreau R. Antioxidant activity of phytosterols, oryzanol, and other phytosterol conjugates // Journal of the American Oil Chemists – Society. 2002. Vol. 79, no. 12. P. 1201–1206. doi: 10.1007/s11746-002-0628-x.
  25. Kumar M.S.S., Ali K., Dahuia A., Tyagi A. Role of phytosterols in drought stress tolerance in rice // Plant Physiology and Biochemistry. 2015. Vol. 96. P. 83–89. doi: 10.1016/j.plaphy.2015.07.014.
  26. Wang K., Senthil-Kumar M., Ryu C.-M., Kang L., Mysore K.S. Phytosterols play a key role in plant innate immunity against bacterial pathogens by regulating nutrient efflux into the apoplast // Plant Physiology. 2012. Vol. 158, no. 4. P. 1789–1802. doi: 10.1104/pp.111.189217.
  27. Senthil-Kumar M., Wang K., Mysore K.S. AtCYP710A1 gene-mediated stigmasterol production plays a role in imparting temperature stress tolerance in Arabidopsis thaliana // Plant Signaling & Behavior. 2013. Vol. 8, no. 2. P. e23142. doi: 10.4161/psb.23142.
  28. Нестеркина И.С., Гурина В.В., Озолина Н.В., Нурминский В.Н. Изменение содержания стеринов тонопласта при осмотическом стрессе // Биологические мембраны. 2019. Т. 36. N 4. С. 301–304. doi: 10.1134/S0233475519040108. EDN: BEKYKW.
  29. Ozolina N.V., Nesterkina I.S., Kolesnikova E.V. Salyaev R.K., Nurminsky V.N., Rakevich A.L., et al. Tonoplast of Beta vulgaris L. contains detergent-resistant membrane microdomains // Planta. 2013. Vol. 237. P. 859–871. doi: 10.1007/s00425-012-1800-1.
  30. Ozolina N.V., Kapustina I.S., Gurina V.V., Nurminsky V.N. Role of tonoplast microdomains in plant cell protection against osmotic stress // Planta. 2022. Vol. 255. P. 65. doi: 10.1007/s00425-021-03800-3.
  31. Ренкова А.Г., Хабибрахманова В.Р., Валитова Ю.Н. Мухитова Ф.К., Минибаева Ф.К. Действие стрессовых фитогормонов на метаболизм стеринов Triticum aestivum L. // Физиология растений. 2021. Т. 68. N 3. С. 279–288. doi: 10.31857/S0015330321020159. EDN: WECLSO

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


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».