Samara Journal of ScienceSamara Journal of ScienceСамарский научный вестник2309-43702782-3016Samara State University of Social Sciences and Education51634810.55355/snv2023121106Biological SciencesБиологические наукиResearch ArticleThe effect of short-term cold exposure on the change in the concentration of free proline in various birch species in vitroВлияние краткосрочного холодового воздействия на изменение концентрации свободного пролина у различных видов берёзы in vitroVnukovaNatalya IvanovnaВнуковаНаталья Ивановна
Russian Federation

researcher of Forest Genetics and Biotechnology Department

научный сотрудник отдела лесной генетики и биотехнологии

natalya.vnuckova@yandex.ruAll-Russian Research Institute of Forest Genetics, Breeding and BiotechnologyВсероссийский научно-исследовательский институт лесной генетики, селекции и биотехнологии2906202312138422706202327062023Copyright ©; 2023, Vnukova N.I.Copyright ©; 2023, Внукова Н.И.2023Vnukova N.I.Внукова Н.И.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://snv63.ru/2309-4370/article/view/516348

In natural conditions of growth, forest woody plants constantly face negative environmental factors. Environmentally unfavorable impacts certainly affect the physiological and biochemical processes occurring in plants and lead to the activation of their own protective mechanisms. In recent years, methods of biotechnology (cell and tissue selection) have been increasingly used in the study of adaptive capabilities, as well as the degree of tolerance of plants to abiotic stress factors. In our work, we evaluated the specifics of the reaction of Betula pendula Roth, Betula pendula Roth var. carelica (Mercklin) L. Hämet-Ahti and Betula pubescens Ehrh. in vitro, in particular the change in the level of free proline to low-temperature stress (+4°C) of different duration times. It was found that the highest value of the amino acid content in relation to the control was in the Betula pendula Roth var. carelica Merckl. clones and ranged from 163 to 206%, in the Betula pubescens Ehrh. and Betula pendula Roth clones ranged from 103 to 128% and from 101 to 131%, respectively. Uniformity was noted among the clones of Betula pendula Roth var. carelica Merckl. according to the degree of response to stress. The relationship between the ability of plants to produce more proline and successful adaptation to cold shock was revealed.

В естественных условиях произрастания лесные древесные растения постоянно сталкиваются с негативными факторами окружающей среды. Экологически неблагоприятные воздействия, безусловно, влияют на физиолого-биохимические процессы, происходящие в растениях, и приводят к активизации собственных защитных механизмов. В последние годы все чаще в изучении адаптивных возможностей, а также степени толерантности растений к абиотическим стресс-факторам, используют методы биотехнологии (клеточная и тканевая селекция). В нашей работе оценивалась специфика реакции берёзы карельской, пушистой и повислой in vitro, в частности изменение уровня свободного пролина, на низкотемпературный стресс (+4°C) разного времени продолжительности. Установлено, что самым высоким значение содержания аминокислоты по отношению к контролю было у клонов берёзы карельской и колебалось в пределах от 163 до 206%, у клонов берёзы пушистой и повислой варьировало от 103 до 128% и от 101 до 131% соответственно. Отмечена однородность среди клонов берёзы карельской по степени реагирования на стресс. Выявлена связь между способностью растений продуцировать большее количество пролина и успешной адаптацией к холодовому шоку.

Betula pendula RothBetula pendula Roth var. carelica Merckl.Betula pubescens Ehrh.in vitroclonemicro-plantsdegree of stabilityfree prolinelow-temperature stressregenerative potentialберёза повислаяберёза карельскаяберёза пушистаяin vitroклонмикрорастениястепень устойчивостисвободный пролиннизкотемпературный стрессрегенерационный потенциалЛукаткин А.С. Холодовое повреждение теплолюбивых растений и окислительный стресс. Саранск: Изд-во Мордовского ун-та, 2002. 208 с.Janda T., Szalai G., Rios-Ganzalez K., Veisz O., Paldi E. Comparative study of frost tolerance and antioxidant activity in cereals // Plant Science. 2003. Vol. 164, iss. 2. P. 301–306. DOI: 10.1016/s0168-9452(02)00414-4.Казнина Н.М., Батова Ю.В., Титов А.Ф., Лайдинен Г.Ф. Роль отдельных компонентов антиоксидантной системы в адаптации растений Elytrigia repens (L.) Nevski к кадмию // Труды Карельского научного центра Российской академии наук. 2016. № 11. С. 17–26. DOI: 10.17076/eb365.Sharma P., Jha A.B., Dubey R.S., Pessarakli M. Reactive oxygen species, oxidative damage, and antioxidative defense mechanism in plants under stressful conditions // Journal of Botany. 2012. Vol. 2012. DOI: 10.1155/2012/217037.Miller G., Suzuki N., Ciftci-Yilmaz S., Mittler R. Reactive oxygen species homeostasis and signalling during drought and salinity stresses // Plant, Cell and Environment. 2010. Vol. 33, iss. 4. P. 453–467. DOI: 10.1111/j.1365-3040.2009.02041.x.Blokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K.V. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivation stress: a review // Annals of Botany. 2003. Vol. 91, iss. 2. P. 179–194. DOI: 10.1093/aob/mcf118.Радюкина Н.Л. Функционирование компонентов антиоксидантной системы дикорастущих видов растений при кратковременном действии стрессоров: дис. … д-ра биол. наук: 03.01.05. М., 2015. 207 с.Терлецкая Н.В. Неспецифические реакции зерновых злаков на абиотические стрессы in vivo и in vitro. Алматы, 2012. 208 с.Игнатенко А.А. Участие антиоксидантной системы в регуляции холодоустойчивости растений пшеницы и огурца салициловой кислотой и метилжасмонатом: дис. … канд. биол. наук: 03.01.05. Петрозаводск, 2019. 191 с.de Carvalho K., de Campos M.K.F., Domingues D.S., Pereira L.F.P, Vieira L.G.E. The accumulation of endogenous proline induces changes in gene expression of several antioxidant enzymes in leaves of transgenic Swingle citrumelo // Molecular Biology Reports. 2013. Vol. 40, iss. 4. P. 3269–3279. DOI: 10.1007/s11033-012-2402-5.Saradhi P.P., Arora A.S., Prasad K.V.S.K. Proline accumulates in plants exposed to UV radiation and protects them against UV induced peroxidation // Biochemical and Biophysical Research Communications. 1995. Vol. 209, iss. 1. P. 1–5. DOI: 10.1006/bbrc.1995.1461.Кузнецов Вл.В., Шевякова Н.И. Пролин при стрессе: биологическая роль, метаболизм, регуляция // Физиология растений. 1999. Т. 46, № 2. С. 321–336.Szabados L., Savoure A. Proline: a multifunctional amino acid // Trends in Plant Science. 2010. Vol. 15, iss. 2. P. 89–97. DOI: 10.1016/j.tplants.2009.11.009.Liang X., Zhang L., Natarajan S.K., Becker D.F. Proline mechanisms of stress survival // Antioxidants & Redox Signaling. 2013. Vol. 19, № 9. P. 998–1011. DOI: 10.1089/ars.2012.5074.Колупаев Ю.Е., Горелова Е.И., Ястреб Т.О. Механизмы адаптации растений к гипотермии: роль антиоксидантной системы // Вестник Харьковского национального аграрного университета. Серия Биология. 2018. Вып. 1 (43). С. 6–33.Lehmann S., Funck D., Szabados L., Rentsch D. Proline metabolism and transport in plant development // Amino Acids. 2010. Vol. 39. P. 949–962. DOI: 10.1007/s00726-010-0525-3.Кривобочек В.Г., Стаценко А.П., Тразанова Е.А., Курышев И.А. Свободный пролин – биохимический показатель солеустойчивости растений // Аграрный научный журнал. 2017. № 1. С. 16–19.Хабиева Н.А., Куркиев К.У. Морфо-физиологические изменения у проростков озимой тритикале (Triticosecale) в условиях хлоридного засоления // Успехи современной науки. 2017. Т. 2, № 10. С. 144–148.Сергеева Л.Е., Бронникова Л.И., Тищенко Е.Н. Содержание свободного пролина как показатель жизнедеятельности клеточной культуры Nicotiana tabacum L. при стрессе // Биотехнология. 2011. Т. 4, № 4. С. 87–94.Данилова Е.Д., Медведева Ю.В., Ефимова М.В. Влияние хлоридного засоления на ростовые и физиологические процессы растений Solanum tuberosum L. среднеспелых сортов // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2018. № 44. С. 158–171. DOI: 10.17223/19988591/44/9.Шерудило Е.Г., Сысоева М.И., Илюха В.А. Реакция антиоксидантной системы растений огурца на постоянное и кратковременное периодическое действие низкой температуры // Труды Карельского научного центра Российской академии наук. 2013. № 3. С. 166–172.Землянухина О.А., Калаев В.Н., Воронина В.С., Мирошниченко Л.А. Влияние абиотического стресса на содержание свободного пролина у микроклонов вейгелы цветущей «вариегата» (Weigela florida «Variegata») // Проблемы региональной экологии. 2016. № 6. С. 6–13.Внукова Н.И. Изменение содержания пролина у микрорастений берёзы in vitro как ответная реакция на хлоридное засоление питательной среды // ФГБУ «ВНИИЛГИСбиотех» – Наука и практика. М.: Перо, 2021. С. 35–40.Табацкая Т.М., Внукова Н.И., Машкина О.С. Ответные реакции берёзы на воздействие кадмия в условиях in vitro // Труды Санкт-Петербургского научно-исследовательского института лесного хозяйства. 2022. № 3. С. 25–37.Fichman Y., Gerdes S.Y., Kovacs H., Szabados L., Zilberstein A., Csonka L.N. Evolution of proline biosynthesis: enzymology, bioinformatics, genetics, and transcriptional regulation // Biological Reviews. 2015. Vol. 90, iss. 4. P. 1065–1099. DOI: 10.1111/brv.12146.Serraj R., Sinclair T.R. Osmolyte accumulation: can it really help increase crop yield under drought conditions? // Plant, Cell & Environment. 2002. Vol. 25, iss. 2. P. 333–341. DOI: 10.1046/j.1365-3040.2002.00754.x.Машкина О.С., Табацкая Т.М., Внукова Н.И. Способ длительного хранения in vitro микрорастений берёзы: патент на изобретение RU 2634409. 03.10.2016.Bates L.S., Waldren R.P., Teare I.D. Rapid determination of free proline for water-stress studies // Plant and Soil. 1973. Vol. 39, № 1. P. 205–207. DOI: 10.1007/bf00018060.Шихалеева Г.Н., Будняк А.К., Шихалеев И.И., Иващенко О.Л. Модифицированная методика определения пролина в растительных объектах // Вестник Харьковского национального университета имени В.Н. Каразина. 2014. Вып. 21, № 1112. С. 168–172.Внукова Н.И. Отбор устойчивых к длительному низкотемпературному воздействию клонов берёзы in vitro // ФГБУ «ВНИИЛГИСбиотех» – Наука и практика. М.: Перо, 2021. С. 25–34.