Нині мелатонін (N-ацетил-5-метокситриптамін) розглядається як мультифункціональний біорегулятор не лише у ссавців, а й у рослин. Метою роботи було дослідження впливу мелатоніну на стійкість проростків пшениці (Triticum aestivum L., сорт Досконала) і жита (Secale cereale L., сорт Пам’ять Худоєрка) до високої температури та функціонування ключових клітинних захисних систем – антиоксидантної та осмопротекторної. Проростки жита відрізнялися від проростків пшениці вищою теплостійкістю, що виявлялося у меншому інгібуванні росту після 6-годинного прогріву за температури 44 °С та меншому прояві ефектів окиснювального стресу. Обробка зернівок пшениці мелатоніном в концентраціях 20–100 мкМ значно зменшувала інгібування росту пагонів і коренів, спричинюване дією високої температури. На проростки жита мелатонін впливав менш помітно, зменшуючи лише пригнічення росту пагонів. Обробка мелатоніном перешкоджала розвитку окиснювального стресу, спричинюваного дією високої температури, що виявлялося у зниженні показників генерації супероксидного радикала, вмісту пероксиду водню і малонового діальдегіду у пагонах проростків пшениці і жита. Обробка зернівок обох видів злаків мелатоніном спричиняла підвищення активності каталази на фоні теплового стресу, а також сприяла стабілізації активності пероксидази за стресових умов у пшениці і викликала її підвищення у жита. Крім того, обробка зернівок мелатоніном спричиняла підвищення вмісту розчинних вуглеводів за стресових умов, але істотно не впливала на вміст проліну у пагонах проростків обох видів. В цілому відзначено менш помітний вплив передобробки мелатоніном на функціонування протекторних систем жита. Ключовими ефектами мелатоніну за стресових умов є зменшення окиснювальних пошкоджень клітин, підвищення активності антиоксидантних ферментів та посилення накопичення розчинних вуглеводів.
Ключові слова: Triticum aestivum, Secale cereale, мелатонін, тепловий стрес, стійкість, окиснювальні пошкодження, антиоксидантна система, осмопротектори
Повний текст та додаткові матеріали
Цитована література
Alam, M.N., Zhang, L., Yang, L., et al., Transcriptomic profiling of tall fescue in response to heat stress and improved thermotolerance by melatonin and 24-epibrassinolide, BMC Genomics, 2018, vol. 19, no. 1, p. 224. https://doi.org/10.1186/s12864-018-4588-y
Antoniou, C., Chatzimichail, G., Xenofontos, R., et al., Melatonin systemically ameliorates drought stress-induced damage in Medicago sativa plants by modulating nitro-oxidative homeostasis and proline metabolism, J. Pineal Res., 2017, vol. 62, no. 4, p. e12401. https://doi.org/10.1111/jpi.12401
Arnao, M.B. and Hernandez-Ruiz, J., Functions of melatonin in plants: a review, J. Pineal Res., 2015, vol. 59, pp. 133–150. https://doi.org/10.1111/jpi.12253
Arnao, M.B. and Hernández-Ruiz, J., Melatonin: A New plant hormone and/or a plant master regulator?, Trends Plant Sci., 2019a, vol. 24, no. 1, pp. 38–48. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2018.10.010
Arnao, M. and Hernández-Ruiz, J., Melatonin and reactive oxygen and nitrogen species: a model for the plant redox network, Melatonin Res., 2019b, vol. 2, no. 3, pp. 152–168. https://doi.org/10.32794/11250036
Barrs, H. and Weatherley, P., A re-examination of the relative turgidity technique for estimating water deficits in leaves, Aust. J. Biol. Sci., 1962, vol. 15, no. 3, pp. 413–428.
Bates, L.S., Walden, R.P., and Tear, G.D., Rapid determination of free proline for water stress studies, Plant Soil, 1973, vol. 39, pp. 205–210. https://doi.org/10.1007/BF00018060
Buttar, Z.A., Wu, S.N., Arnao, M.B., et al., Melatonin suppressed the heat stress-induced damage in wheat seedlings by modulating the antioxidant machinery, Plants (Basel), 2020, vol. 9, no. 7, p. 809. https://doi.org/10.3390/plants9070809
Chang, J., Guo, Y., Li, J., et al., Positive interaction between H2O2 and Ca2+ mediates melatonin-induced CBF pathway and cold tolerance in watermelon (Citrullus lanatus L.), Antioxidants, 2021, vol. 10, p. 1457. https://doi.org/10.3390/antiox10091457
Cui, G., Sun, F., Gao, X., et al., Proteomic analysis of melatonin-mediated osmotic tolerance by improving energy metabolism and autophagy in wheat (Triticum aestivum L.), Planta, 2018, vol. 248, no. 1, pp. 69–87. https://doi.org/10.1007/s00425-018-2881-2
Dubbels, R., Reiter, R.J., Klenke, E., et al., Melatonin in edible plants identified by radioimmunoassay and by high performance liquid chromatography-mass spectrometry, J. Pineal Res., 1995, vol. 18, pp. 28–31. https://doi.org/10.1111/j.1600-079x.1995.tb00136.x
Fan, J., Xie, Y., Zhang, Z., and Chen, L., Melatonin: A multifunctional factor in plants, Int. J. Mol. Sci., 2018, vol. 19, p. 1528. https://doi.org/10.3390/ijms19051528
Gong, B., Yan, Y., Wen, D., and Shi, Q., Hydrogen peroxide produced by NADPH oxidase: a novel downstream signaling pathway in melatonin-induced stress tolerance in Solanum lycopersicum, Physiol. Plant., 2017, vol. 160, no. 4, pp. 396–409. https://doi.org/10.1111/ppl.12581
Hardeland, R., Neurobiology, pathophysiology, and treatment of melatonin deficiency and dysfunction, Sci. World J., 2012, vol. 2012, p. 640389. https://doi.org/10.1100/2012/640389
Iqbal, N., Fatma, M., Khan, N.A., and Umar, S., Regulatory role of proline in heat stress tolerance: modulation by salicylic acid, in Plant Signaling Molecules, Khan, M.I.R., Reddy, P.S., Ferrante, A., and Khan, N.A., Eds., Elsevier, 2019, pp. 437–448. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816451-8.00027-7
Iqbal, N., Fatma, M., Gautam, H., et al., The crosstalk of melatonin and hydrogen sulfide determines photosynthetic performance by regulation of carbohydrate metabolism in wheat under heat stress, Plants, 2021, vol. 10, p. 1778. https://doi.org/10.3390/plants10091778
Jahan, M.S., Shu, S., Wang, Y., et al., Melatonin alleviates heat-induced damage of tomato seedlings by balancing redox homeostasis and modulating polyamine and nitric oxide biosynthesis, BMC Plant Biol., 2019, vol. 19, no. 1, p. 414. https://doi.org/10.1186/s12870-019-1992-7
Karpets, Yu.V., Kolupaev, Yu.E., Yastreb, T.O., and Oboznyi, A.I., Effects of NO-Status modification, heat hardening, and hydrogen peroxide on the activity of antioxidant enzymes in wheat seedlings, Russ. J. Plant Physiol., 2015, vol. 62, no. 3, pp. 292–298. https://doi.org/10.1134/S1021443715030097
Karpets, Yu.V., Shkliarevskyi, M.A., Khripach, V.A., and Kolupaev, Yu.E., State of enzymatic antioxidative system and heat resistance of wheat plantlets treated by combination of 24-epibrassinolide and NO donor, Cereal Res. Commun., 2021, vol. 49, no. 2, pp. 207–216. https://doi.org/10.1007/s42976-020-00090-5
Kolupaev, Yu.E., Ryabchun, N.I., Vayner, A.A., et al., Antioxidant enzyme activity and osmolyte content in winter cereal seedlings under hardening and cryostress, Russ. J. Plant Physiol., 2015, vol. 62, no. 4, pp. 499–506. https://doi.org/10.1134/S1021443715030115
Kolupaev, Yu.E., Yastreb, T.O., Oboznyi, A.I., et al., Constitutive and cold-induced resistance of rye and wheat seedlings to oxidative stress, Russ. J. Plant Physiol., 2016, vol. 63, no. 3, pp. 326–337. https://doi.org/10.1134/S1021443716030067
Kolupaev, Yu.E., Makaova, B.E., Ryabchun, N.I., et al., Adaptation of cereal seedlings to oxidative stress induced by hyperthermia, Agriculture and Forestry, 2022, vol. 68, no. 4, pp. 7–18. https://doi.org/10.17707/AgricultForest.68.4.01
Kolupaev, Yu.E., Yastreb, T.O., Ryabchun, N.I., et al., Cellular mechanisms for the formation of plant adaptive responses to high temperatures, Cytol. Genet., 2023, vol. 57, no. 1, pp. 55–75. https://doi.org/10.3103/S0095452723010048
Koster, K.L. and Lynch, D.V., Solute accumulation and compartmentation during the cold acclimation of puma rye, Plant Physiol., 1992, vol. 98, no. 1, pp. 108–113. https://doi.org/10.1104/pp.98.1.108
Lei, K., Sun, S., Zhong, K., et al., Seed soaking with melatonin promotes seed germination under chromium stress via enhancing reserve mobilization and antioxidant metabolism in wheat, Ecotoxicol. Environ. Saf., 2021, vol. 220, p. 112241. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.112241
Meng, J.F., Xu, T.F., Wang, Z.Z., et al., The ameliorative effects of exogenous melatonin on grape cuttings under water-deficient stress: antioxidant metabolites, leaf anatomy, and chloroplast morphology, J. Pineal Res., 2014, vol. 57, no. 2, pp. 200–212. https://doi.org/10.1111/jpi.12159
Nawaz, K., Chaudhary, R., Sarwar, A., et al., Melatonin as master regulator in plant growth, development and stress alleviator for sustainable agricultural production: current status and future perspectives, Sustainability, 2021, vol. 13, p. 294. https://doi.org/10.3390/su13010294
Oboznyi, O.I., Kryvoruchenko, R.V., Shevchenko, M.V., and Kolupaev, Yu.E., Antioxidant activity of winter wheat seedlings of different ecotypes in connection with sustainable hyperthermia and dehydration, Vìsnik Harkìvs’kogo Nacìonal’nogo Agrarnogo Unìversitetu, Serìâ Bìologiâ, 2013, vol. 1, no. 28, pp. 52–59.
Romanenko, O., Kushch, I., Zayets, S., and Solodushko, M., Viability of seeds and sprouts of winter crop varieties under drought conditions of Steppe, Agroecol. J., 2018, vol. 1, pp. 87–95. https://doi.org/10.33730/2077-4893.1.2018.160584
Romanenko, K.O., Babenko, L.M., Smirnov, O.E., and Kosakivska, I.V., Antioxidant protection system and photosynthetic pigment composition in Secale cereale subjected to short-term temperature stresses, Open Agric. J., 2022, vol. 16, p. e187433152206273. https://doi.org/10.2174/18743315-v16-e220627
Sagisaka, S., The occurrence of peroxide in a perennial plant, Populus gelrica, Plant Physiol., 1976, vol. 57, pp. 308–309. https://doi.org/10.1104/pp.57.2.308
Siddiqui, M.H., Alamri, S., Al-Khaishany, M.Y., et al., Exogenous melatonin counteracts NaCl-induced damage by regulating the antioxidant system, proline and carbohydrates metabolism in tomato seedlings, Int. J. Mol. Sci., 2019, vol. 20, no. 2, p. 353. https://doi.org/10.3390/ijms20020353
Signorelli, S., Coitino, E.L., Borsani, O., and Monsa, J., Molecular mechanisms for reactions between OH radicals and proline, J. Phys. Chem., 2014, vol. 118, no. 1, pp. 137–147. https://doi.org/10.1021/jp407773u
Sun, Q., Zhang, N., Wang, J., et al., Melatonin promotes ripening and improves quality of tomato fruit during postharvest life, J. Exp. Bot., 2015, vol. 66, no. 3, pp. 657–668. https://doi.org/10.1093/jxb/eru332
Tan, D.X., Chen, L.D., Poeggeler, B., et al., Melatonin: a potent, endogenous hydroxyl radical scavenger, J. Pineal Res., 1993, vol. 1, pp. 57–60.
Taraban, D.A., Karpets, Yu.V., Yastreb, Ò.O., et al., Ca2+- and ROS-dependent induction of heat resistance of wheat seedlings by exogenous melatonin, Rep. Natl. Acad. Sci. Ukr., 2022, vol. 4, pp. 98–105. https://doi.org/10.15407/dopovidi2022.04.098
Wang, P., Yin, L., Liang, D., et al., Delayed senescence of apple leaves by exogenous melatonin treatment: toward regulating the ascorbate-glutathione cycle, J. Pineal Res., 2012, vol. 53, no. 1, pp. 11–20. https://doi.org/10.1111/j.1600-079X.2011.00966.x
Wang, Y., Reiter, R.J., and Chan, Z., Phytomelatonin: a universal abiotic stress regulator, J. Exp. Bot., 2018, vol. 69, no. 5, pp. 963–974. https://doi.org/10.1093/jxb/erx473
Wei, J., Li, D., Zhang, J., et al., Phytomelatonin receptor PMTR1-mediated signaling regulates stomatal closure in Arabidopsis thaliana, J. Pineal Res., 2018, vol. 65, no. 2, p. e12500. https://doi.org/10.1111/jpi.12500
Xu, W., Cai, S.Y., Zhang, Y., et al., Melatonin enhances thermotolerance by promoting cellular protein protection in tomato plants, J. Pineal Res., 2016, vol. 61, no. 4, pp. 457–469. https://doi.org/10.1111/jpi.12359
Yadav, R., Saini, R., Adhikary, A., and Kumar, S., Unravelling cross priming induced heat stress, combinatorial heat and drought stress response in contrasting chickpea varieties, Plant Physiol. Biochem., 2022, vol. 180, no. 1, pp. 91–105. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2022.03.030
Yatsyshyn, V.Yu., Kvasko, A.Yu., and Yemets, A.I., Genetic approaches in research on the role of trehalose in plants, Cytol. Genet., 2017, vol. 51, no. 5, pp. 371–383. https://doi.org/10.3103/S0095452717050127
Yu, Y., Lv, Y., Shi, Y., et al., The role of phytomelatonin and related metabolites in response to stress, Molecules, 2018, vol. 23, no. 8, p. 1887. https://doi.org/10.3390/molecules23081887
Zhang, J., Shi, Y., Zhang, X., et al., Melatonin suppression of heat-induced leaf senescence involves changes in abscisic acid and cytokinin biosynthesis and signaling pathways in perennial ryegrass (Lolium perenne L.), Environ. Exp. Bot., 2017, vol. 138, pp. 36–45. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2017.02.012
Zhang, H., Liu, L., Wang, Z., et al., Induction of low temperature tolerance in wheat by presoaking and parental treatment with melatonin, Molecules, 2021, vol. 26, p. 1192. https://doi.org/10.3390/molecules26041192
Zhao, K., Fan, H., Zhou, S., and Song, J., Study on the salt and drought tolerance of Suaeda salsa and Kalanchoe claigremontiana under iso-osmotic salt and water stress, Plant Sci., 2003, vol. 165, no. 4, pp. 837–844. https://doi.org/10.1016/S0168-9452(03)00282-6