Wpływ selenu na własności fizjologiczne siewek pszenicy i rzepaku

Abstract

W komórkach zwierzęcych selen jest niezbędnym składnikiem białek (selenoprotein). Nie jest konieczny dla rozwoju i przebiegu funkcji fizjologicznych komórek roślinnych, jednakże jego akumulacja w roślinach stanowi główne źródło selenu dla zwierząt. Selen należy do mikroelementów, zatem jego zbyt wysokie stężenie może wywołać efekt toksyczny. We wszystkich układach biologicznych, granica pomiędzy tolerancją na selen, a jego toksycznymi efektami jest wąska. Dlatego też celem pracy było określenie w jakich dawkach jony selenu mogą wywoływać efekty stresogenne, powodujące zmiany fizjologiczne oraz biochemiczne u pszenicy oraz rzepaku. Rośliny te wybrano z uwagi na ich agronomiczne znaczenie jako podstawowe produkty rolnicze wykorzystywane dla potrzeb przemysłu spożywczego.

W pracy analizowano efekt działania selenu na własności fizjologiczne oraz metaboliczne komórek, a także fizykochemiczne właściwości membran chloroplastów dwóch genotypów pszenicy ozimej (polskiej - Kamila i fińskiej - Manu) stanowiących przykład roślin jednoliściennych oraz rzepaku ozimego Bojan (roślina dwuliścienna). Badania prowadzono na siewkach (części nadziemne i korzenie) po 10-cio dniowej hodowli, w sterylnych warunkach in vitro, na pożywkach wg Murashige i Skoog’a (kontrola) oraz pożywkach zawierających dodatkowo 100, 200, 300 i 400 μM Na2SeO4. Zahamowanie przyrostu masy siewek stanowiło fizjologiczny parametr określenia stresogennego poziomu Se. Dla pszenicy Kamila było to stężenie od 300 μM Se, natomiast dla pszenicy Manu i rzepaku - była to taka sama dawka, wynosząca już 100 μM Se. Różnice w fizjologicznym działaniu stresogennym Se pomiędzy badanymi genotypami pszenicy mogły być związane z różnicami w absorpcji Se (pszenica Manu akumulowała około 2 razy więcej selenu niż Kamila). Około 10-krotnie większe ilości selenu, jakie stwierdzono u rzepaku, w porównaniu do pszenic, były wynikiem potencjalnych różnic w pobieraniu jonów pomiędzy jedno- i dwuliściennymi roślinami.

Efekt stresogenny Se oraz mobilizację mechanizmów obronnych komórek badano poprzez określenie zmian 1) transportu substancji z pożywek hodowlanych (zawartość mikro- i makroelementów, przepuszczalność plazmalemy), 2) metabolicznych (zawartość białka i cukrów), 3) aktywacji enzymów antyoksydacyjnych i poziomu nadtlenku wodoru, a także 4) fizykochemicznych parametrów własności membran chloroplastów (polaryzacja fluorescencji, potencjał elektrokinetyczny).

Stwierdzono, iż stres selenowy, pomimo, iż generowany był przy różnych dawkach Se, wywołał podobne efekty u wszystkich badanych genotypów na poziomie komórki. Powodował zmniejszenie przepuszczalności plazmalemmy co wpływało na zmiany transportu mikro- i makroelementów. Wzrost poziomu metabolitów, szczególnie cukrów, jaki wystąpił podczas hodowli roślin na pożywkach zawierających stresogenne dawki Se, miał przypuszczalnie na celu utrzymanie homeostazy i „zapewnienie” komórkom tych substancji, które są niezbędne do „produkcji’ energii przy mobilizacji systemów obronnych w warunkach działania stresu. Zmiany aktywacji enzymów antyoksydacyjnych (SOD, CAT i POD) wskazały na zaangażowanie „enzymatycznej linii obrony” w warunkach generowania nadmiaru reaktywnych form tlenu. Mniejsza akumulacja Se i lepsza sprawność systemu antyoksydacyjnego były przypuszczalnie przyczyną, większej tolerancji komórek pszenicy Kamila na podane dawki selenu.

Na poziomie chloroplastów stwierdzono różnice pomiędzy pszenicami i rzepakiem we własnościach membran tych organelli, w warunkach działania stresu selenowego. U roślin jednoliściennych pod wpływem Se, następuje zwiększenie „płynności” zewnętrznej membrany chloroplastów, natomiast u dwuliściennych - większe „usztywnienie”. Hamowanie akumulacji Se w chloroplastach roślin dwuliściennych, wywołane zmniejszeniem przepuszczalności zewnętrznej membrany tego organellum, może być odpowiedzialne za to, iż większe dawki Se będą absorbowane, przy makroskopowych efektach fizjologicznych podobnych do tych stwierdzonych u roślin jednoliściennych. Wzrost wartości potencjału elektrokinetycznego, wraz ze wzrostem zawartości Se w komórkach, jaki stwierdzono u wszystkich badanych genotypów, świadczy o reorganizacji hydrofilowej części membrany w celu zmniejszenia elektrostatycznego przyciągania pomiędzy membraną a jonami selenu, tworzących w środowisku cytozolu dodatnie kompleksy kationowe.

Selenium in animal cells is an essential component of proteins (selenoproteins). It is not necessary for the development and course of the physiological functions of plant cells, but its accumulation in plants is a major source of selenium for animals. Selenium is a microelement, so its too high concentrations may cause toxic effects. In all biological systems, the line between tolerance to selenium and its toxic effects is narrow. Therefore, the aim of this study was to determine what dose of selenium ions may cause the effects of stressors causing physiological and biochemical changes in wheat and rape. These plants were selected because of their agronomic importance as a primary agricultural products used for the food industry. The study analyzed the effect of selenium on physiological and metabolic properties of cells, as well as the physicochemical properties of the membranes of chloroplasts two wheat genotypes (Polish -Kamila and Finnish - Manu) which are monocots and rape Bojan (dicotyledonous plants). The study was conducted on seedlings (aerial parts and roots) after the 10-day culture in sterile conditions in vitro, on the medium according to Murashige and Skoog (control), and media containing an additional 100, 200, 300 and 400 μM Na2Se04. Inhibition of seedling weight gain was a physiological stressor parameter to determine the level of Se. Kamila wheat was the concentration of 300 μM Se, while Manu wheat and rape - it was the same dose, already amounting to 100 μM Se. The differences in the physiological reaction between the two wheat genotypes under the Se stress could be related to differences in the absorption of Se (wheat Manu accumulating about 2 times more selenium than Kamila). About 10-fold higher amounts of selenium, which have been identified in rape compared to wheat were due to potential differences in the uptake of ions between the one-and dicotyledonous plants. The stressful effect of Se and mobilizing defense mechanisms of cells was studied by determining changes in 1) the transport of substances in culture media (the content of micro-and macronutrients, membrane permeability), 2) metabolic (protein and carbohydrates), 3) activation of antioxidant enzymes and the level of hydrogen peroxide, and 4) the physicochemical properties of the membranes of chloroplasts parameters (fluorescence polarization, electrokinetic potential). It was found that the stress of selenium, despite the fact that was generated at different doses Se, caused similar effects in all genotypes studied at the cellular level. On membranes level Se stress resulted in reduced permeability changes which affect the transport of micro-and macronutrients. The increase of metabolites, especially sugars, which occurred during the cultivation of plants on media containing stressful dose of Se, was supposed to maintain homeostasis and to "ensure" cells of those substances which are necessary for the "production" of energy at mobilizing the defense systems under conditions of stress. Changes in activation of antioxidant enzymes (SOD, CAT and POD) pointed to the involvement of "enzymatic defense" in terms of excess generation of reactive oxygen species. Less accumulation of Se and antioxidant system's efficiency was probably the cause of more cell tolerance to wheat Kamila given dose of selenium. The differences were found between wheat genotypes in the properties of the chloroplasts membranes, in terms of selenium stress. In monocots due Se, followed by increasing the "fluidity" of outer membrane of chloroplasts, while in dicots - more "stiffness". Inhibition of accumulation of Se in the chloroplasts of dicotyledonous plants, due to decreased permeability of the outer membrane of the organelle may be responsible for the fact that higher doses of Se will be absorbed and the macroscopic physiological effects similar to those found in monocots. The increase in the value of the electrokinetic potential, together with an increase in the Se content of the cells, which was found in all tested genotypes of reorganization provides the hydrophilic part of the membrane in order to reduce the electrostatic attraction between the membrane and selenium ions, forming in the environment of the cytosol positive cationic complexes.