Аскорбат-глутатионовый цикл в проростках пшеницы и риса при аноксии и последующей реаэрации

Важной частью антиоксидантной системы растений является аскорбат-глутатионовый цикл (АГЦ), функционирование которого регистрируется при действии разнообразных стрессоров, в том числе дефицита и/или отсутствия O₂, а также окислительного стресса, возникающего сразу после восстановления доступа кислорода (реаэрация, или постаноксия). Показана значительная аккумуляция окисленных форм аскорбата и глутатиона в проростках пшеницы (Triticum aestivum, сорт Ленинградка, неустойчивое растение) при действии на него 24-часовой аноксии и реаэрации, что свидетельствует о развитии окислительного стресса. У риса (Oryza sativa, сорт Лиман, устойчивое растение) преобладали восстановленные формы данных антиоксидантов как в контроле, так и при стрессе, что может указывать на их интенсивное восстановление. У пшеницы активности аскорбат-пероксидазы и дегидроаскорбатредуктазы в побегах, а также монодегидроаскорбатредуктазы и глутатионредуктазы в корнях снижались под действием аноксии и реаэрации. У риса активность антиоксидантных ферментов сохранялась в отсутствие кислорода (аскорбатпероксидаза, глутатионредуктаза) и возрастала при постаноксии (редуктазы АГЦ). Аноксия стимулировала накопление мРНК генов органелльных форм аскорбатпероксидазы OsAPX3, OsAPX5 в побегах и OsAPX3-5, OsAPX7 в корнях проростков риса. При постаноксии во всем растении возрастал вклад генов цитоплазматических форм фермента – OsAPX1, OsAPX2, а также пластидной OsAPX8. При реаэрации аккумулировались транскрипты пероксисомной и цитоплазматической монодегидроаскорбатредуктазы OsMDAR2 и OsMDAR4, цитозольной и органелльной глутатионредуктазы OsGR2 и OsGR3. В большинстве случаев недостаток О₂ индуцировал активность генов, кодирующих пероксисомные, пластидные и митохондриальные формы ферментов, а реаэрация усиливала работу генов, кодирующих цитоплазматические формы. При действии аноксии и последующей реаэрации выявлена инактивация ферментов АГЦ в проростках пшеницы, что нарушало эффективную работу цикла и запускало аккумуляцию окисленных форм аскорбата и глутатиона. У риса аноксия приводила к сохранению активности ферментов АГЦ, а реаэрация ее стимулировала, в том числе на уровне экспрессии генов, что обеспечивало эффективное функционирование аскорбат-глутатионового цикла.

1. Arrigoni O., Dipierro S., Borraccino G. Ascorbate free radical reductase, a key enzyme of the ascorbic acid system. FEBS Lett. 1981; 125(2):242-244. DOI 10.1016/0014-5793(81)80729-6

2. Biemelt S., Keetman U., Albrecht G. Re-aeration following hypoxia or anoxia leads to activation of the antioxidative defense system in roots of wheat seedlings. Plant Physiol. 1998;116(2):651-658. DOI 10.1104/pp.116.2.651

3. Blokhina O.B., Virolainen E., Fagerstedt K.V., Hoikkala A., Wähälä K., Chirkova T.V. Antioxidant status of anoxia-tolerant and -intolerant plant species under anoxia and reaeration. Physiol. Plant. 2000; 109(4):396-403. DOI 10.1034/j.1399-3054.2000.100405.x

4. Blokhina O.B., Chirkova T.V., Fagerstedt K.V. Anoxic stress leads to hydrogen peroxide formation in plant cells. J. Exp. Bot. 2001; 52(359):1179-1190. DOI 10.1093/jxb/52.359.1179

5. Blokhina O.B., Virolainen E., Fagerstedt K.V. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivation stress: a review. Ann. Bot. 2003; 91(2):179-194. DOI 10.1093/aob/mcf118

6. 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;72(1-2):248-254. DOI 10.1016/0003-2697(76)90527-3

7. Chirkova T., Yemelyanov V. The study of plant adaptation to oxygen deficiency in Saint Petersburg University. Biol. Commun. 2018; 63(1):17-31. DOI 10.21638/spbu03.2018.104

8. Chirkova T.V., Novitskaya L.O., Blokhina O.B. Lipid peroxidation and antioxidant systems under anoxia in plants differing in their tolerance to oxygen deficiency. Russ. J. Plant Physiol. 1998;45(1):55-62

9. Damanik R.I., Maziah M., Ismail M.R., Ahmad S., Zain A.M. Responses of the antioxidative enzymes in Malaysian rice (Oryza sativa L.) cultivars under submergence condition. Acta Physiol. Plant. 2010;32(4):739-747. DOI /10.1007/s11738-009-0456-3

10. Ding H., Wang B., Han Y., Li S. The pivotal function of dehydroascorbate reductase in glutathione homeostasis in plants. J. Exp. Bot. 2020;71(12):3405-3416. DOI 10.1093/jxb/eraa107

11. Foyer C.H., Halliwell B. The presence of glutathione and glutathione reductase in chloroplasts: a proposed role in ascorbic acid metabolism. Planta. 1976;133(1):21-25. DOI 10.1007/BF00386001

12. Foyer C.H., Noctor G. Redox regulation in photosynthetic organisms: signaling, acclimation, and practical implications. Antioxid. Redox Signal. 2009;11(4):861-905. DOI 10.1089/ars.2008.2177

13. Garnczarska M. Response of the ascorbate–glutathione cycle to reaeration following hypoxia in lupine roots. Plant Physiol. Biochem. 2005;43(6):583-590. DOI 10.1016/j.plaphy.2005.05.003

14. Gill S.S., Tuteja N. Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant Physiol. Biochem. 2010;48:909-930. DOI 10.1016/j.plaphy.2010.08.016

15. Gill S.S., Anjum N.A., Hasanuzzaman M., Gill R., Trivedi D.K., Ahmad I., Pereira E., Tuteja N. Glutathione and glutathione reductase: a boon in disguise for plant abiotic stress defense operations. Plant Physiol. Biochem. 2013;70:204-212. DOI 10.1016/j.plaphy.2013.05.032

16. Halliwell B. Reactive species and antioxidants. Redox biology is a fundamental theme of aerobic life. Plant Physiol. 2006;141(2):312-322. DOI 10.1104/pp.106.077073

17. Hasanuzzaman M., Nahar K., Anee T.I., Fujita M. Glutathione in plants: biosynthesis and physiological role in environmental stress tolerance. Physiol. Mol. Biol. Plants. 2017;23(2):249-268. DOI 10.1007/s12298-017-0422-2

18. Hasanuzzaman M., Bhuyan M.H.M.B., Anee T.I., Parvin K., Nahar K., Mahmud J.A., Fujita M. Regulation of ascorbate-glutathione path-way in mitigating oxidative damage in plants under abiotic stress. Antioxidants. 2019;8(9):384. DOI 10.3390/antiox8090384

19. Hossain Z., Lopez-Climent M.F., Arbona V., Perez-Clemente R.M., Gomez-Cadenas A. Modulation of the antioxidant system in citrus under waterlogging and subsequent drainage. J. Plant Physiol. 2009; 166(13):1391-1404. DOI 10.1016/j.jplph.2009.02.012

20. Ishikawa T., Shigeoka S. Recent advances in ascorbate biosynthesis and the physiological significance of ascorbate peroxidase in photosynthesizing organisms. Biosci. Biotechnol. Biochem. 2008;72(5): 1143-1154. DOI 10.1271/bbb.80062

21. Kausar R., Hossain Z., Makino T., Komatsu S. Characterization of ascorbate peroxidase in soybean under flooding and drought stresses. Mol. Biol. Rep. 2012;39(12):10573-10579. DOI 10.1007/s11033-012-1945-9

22. Knörzer O.C., Durner J., Boger P. Alterations in the antioxidative system of suspension cultured soybean cells (Glycine max) induced by oxidative stress. Physiol. Plant. 1996;97(2):388-396. DOI 10.1034/j.1399-3054.1996.970225.x

23. Law M.Y., Charles S.A., Halliwell B. Glutathione and ascorbic acid in spinach (Spinacia oleracea) chloroplasts. The effect of hydrogen peroxide and of paraquat. Biochem. J. 1983;210(3):899-903. DOI 10.1042/bj2100899

24. Liu M., Jiang Y. Genotypic variation in growth and metabolic responses of perennial ryegrass exposed to short-term waterlogging and submergence stress. Plant Physiol. Biochem. 2015;95:57-64. DOI 10.1016/j.plaphy.2015.07.008

25. Livak K.J., Schmittgen T.D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2−ΔΔCT method. Methods. 2001;25(4):402-408. DOI 10.1006/meth.2001.1262

26. Morell S., Follmann H., De Tullio M., Haberlein I. Dehydroascorbate and dehydroascorbate reductase are phantom indicators of oxidative stress in plants. FEBS Lett. 1997;414(3):567-570. DOI 10.1016/S0014-5793(97)01074-0

27. Nakano Y., Asada K. Hydrogen peroxide is scavenged by ascorbate-specific peroxidase in spinach chloroplasts. Plant Cell Physiol. 1981;22(5):867-880. DOI 10.1093/oxfordjournals.pcp.a076232

28. Nishizawa K., Hiraga S., Yasue H., Chiba M., Tougou M., Nanjo Y., Komatsu S. The synthesis of cytosolic ascorbate peroxidases in germinating seeds and seedlings of soybean and their behavior under flooding stress. Biosci. Biotechnol. Biochem. 2013;77(11):2205-2209. DOI 10.1271/bbb.130384

29. Noctor G., Foyer C.H. Ascorbate and glutathione: keeping active oxygen under control. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1998; 49:249-279. DOI 10.1146/annurev.arplant.49.1.249

30. Palma J.M., Corpas F.J., Del Rio L.A. Proteome of plant peroxisomes: new perspectives on the role of these organelles in cell biology. Proteomics. 2009;9(9):2301-2312. DOI 10.1002/pmic.200700732

31. Paradiso A., Caretto S., Leone A., Bove A., Nisi R., De Gara L. ROS production and scavenging under anoxia and re-oxygenation in Arabidopsis cells: a balance between redox signaling and impairment. Front. Plant Sci. 2016;7:1803. DOI 10.3389/fpls.2016.01803

32. Parlanti S., Kudahettige N.P., Lombardi L., Mensuali-Sodi A., Alpi A., Perata P., Pucciariello C. Distinct mechanisms for aerenchyma formation in leaf sheaths of rice genotypes displaying a quiescence or escape strategy for flooding tolerance. Ann. Bot. 2011;107(8):1335-1343. DOI 10.1093/aob/mcr086

33. R Core Team. R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for statistical computing, Vienna, Austria. 2023. (https://www.R-project.org/)

34. Rao M.V., Hale B.A., Ormrod D.P. Amelioration of ozone-induced oxidative damage in wheat plants grown under high carbon dioxide. Role of antioxidant enzymes. Plant Physiol. 1995;109(2):421-432. DOI 10.1104/pp.109.2.421

35. Sairam R.K., Kumutha D., Ezhilmathi K., Chinnusamy V., Meena R.C. Waterlogging induced oxidative stress and antioxidant enzyme activities in pigeon pea. Biol. Plant. 2009;53(3):493-504. DOI 10.1007/s10535-009-0090-3

36. Sairam R.K., Dharmar K., Lekshmy S., Chinnusamy V. Expression of antioxidant defense genes in mung bean (Vigna radiata L.) roots under water-logging is associated with hypoxia tolerance. Acta Physiol. Plant. 2011;3(3):735-744. DOI 10.1007/s11738-010-0598-3

37. Shikov A.E., Chirkova T.V., Yemelyanov V.V. Post-anoxia in plants: reasons, consequences, and possible mechanisms. Russ. J. Plant Physiol. 2020;67(1):45-59. DOI 10.1134/S1021443720010203

38. Shikov A.E., Chirkova T.V., Yemelyanov V.V. Functions of reactive oxygen species in plant cells under normal conditions and during adaptation. Ecol. Genet. 2021;19(4):343-363. DOI 10.17816/ecogen75975

39. Shikov A.E., Lastochkin V.V., Chirkova T.V., Mukhina Z.M., Yemelyanov V.V. Post-anoxic oxidative injury is more severe than oxidative stress induced by chemical agents in wheat and rice plants. Acta Physiol. Plant. 2022;44(9):90. DOI 10.1007/s11738-022-03429-z

40. Skutnik M., Rychter A.M. Differential response of antioxidant systems in leaves and roots of barley subjected to anoxia and post-anoxia. J. Plant Physiol. 2009;166(9):926-937. DOI 10.1016/j.jplph.2008.11.010

41. Ushimaru T., Shibasaka M., Tsuji H. Development of O2 detoxification system during adaptation to air of submerged rice seedlings. Plant Cell Physiol. 1992;33(8):1065-1071. DOI 10.1093/oxfordjournals.pcp.a078357

42. Ushimaru T., Kanematsu S., Katayama M., Tsujid H. Antioxidative enzymes in seedlings of Nelumbo nucifera germinated under water. Physiol. Plant. 2001;112(1):39-46. DOI 10.1034/j.1399-3054.2001.1120106.x

43. Wang H., Chen Y., Hu W., Snider J.L., Zhou Z. Short-term soil-waterlogging contributes to cotton cross tolerance to chronic elevated temperature by regulating ROS metabolism in the subtending leaf. Plant Physiol. Biochem. 2019;139:333-341. DOI 10.1016/j.plaphy.2019.03.038

44. Wickham H., Averick M., Bryan J., Chang W., McGowan L.D., François R., Grolemund G., Hayes A., Henry L., Hester J., Kuhn M., Pedersen T.L., Miller E., Bache S.M., Müller K., Ooms J., Robinson D., Seidel D.P., Spinu V., Takahashi K., Vaughan D., Wilke C., Woo K., Yutani H. Welcome to the tidyverse. J. Open Source Softw. 2019;4(43):1686. DOI 10.21105/joss.01686

45. Yemelyanov V.V., Lastochkin V.V., Chirkova T.V., Lindberg S.M., Shishova M.F. Indoleacetic acid levels in wheat and rice seedlings under oxygen deficiency and subsequent reoxygenation. Biomolecules. 2020;10(2):276. DOI 10.3390/biom10020276

46. Yemelyanov V.V., Lastochkin V.V., Prikaziuk E.G., Chirkova T.V. Activities of catalase and peroxidase in wheat and rice plants under conditions of anoxia and post-anoxic aeration. Russ. J. Plant Physiol. 2022;69(6):1-15. DOI 10.1134/S1021443722060036

47. Yiu J.-C., Liu C.-W., Fang D.Y., Lai Y.-S. Waterlogging tolerance of Welsh onion (Allium fistulosum L.) enhanced by exogenous spermidine and spermine. Plant Physiol. Biochem. 2009;47(8):710-716. DOI 10.1016/j.plaphy.2009.03.007

48. Yuan L.-B., Dai Y.-S., Xie L.-J., Yu L.-J., Zhou Y., Lai Y.-X., Yang Y.-C., Xu L., Chen Q.-F., Xiao S. Jasmonate regulates plant responses to postsubmergence reoxygenation through transcriptional activation of antioxidant synthesis. Plant Physiol. 2017;173(3):1864-1880. DOI 10.1104/pp.16.01803