Влияние 5-аминолевулиновой кислоты на физиолого-биохимические характеристики сортов озимой пшеницы с разным содержанием антоцианов в колеоптилях

Изучен ряд физиолого-биохимических характеристик двух сортов озимой пшеницы ‒ с красными (Эт W5) и зелеными (Влади) колеоптилями. Сорт Эт W5 с высоким содержанием в колеоптилях антоцианов (в среднем 412 ± 52 мкмоль/г сырой массы), хлорофиллов (Хл) и каротиноидов и низким ‒ гема и пролина обладал высокой морозостойкостью (88 % выживших растений, подвергшихся воздействию температуры ‒8 ºС в течение 5 ч в возрасте 7 дней), а также высокой способностью к продолжению роста и развития после перенесенного охлаждения. Сорт Влади с низким содержанием антоцианов (в среднем 12,5 ± 1,2 мкмоль/г сырой массы), Хл и каротиноидов, но с более высокими, чем у сорта Эт W5, уровнями гема и пролина в колеоптилях, характеризовался низкой морозостойкостью (80 % выживших растений) и слабой способностью к продолжению роста и развития после перенесенного охлаждения. Замачивание на 2 ч семян пшеницы в растворе экзогенной АЛК (50 мг/л) перед высевом способствовало повышению всхожести семян обоих сортов, а у растений сорта Эт W5 ‒ увеличению их длины (на 10 %) и содержания антоцианов в колеоптилях (в 1,4 раза), а также повышению морозоустойчивости (до 97 %). Под воздействием АЛК морозоустойчивость растений сорта Влади возрастала до 93 %.

1. Peer, W. A. Flavonoids as signal molecules: targets of flavonoid action / W. A. Peer, A. S. Murphy // The science of flavonoids / ed. by P. E. Grotewald. – New York, 2008. – P. 239–268.

2. Feild, T. S. Why leaves turn red in autumn. The role of anthocyanins in senescing leaves of red-osier dogwood / T. S. Feild, D. W. Lee, N. M. Holbrook // Plant Physiol. – 2001. – Vol. 127, N 2. – P. 566–574. https://doi.org/10.1104/pp.010063

3. Giusti, M. M. Molar absorptivity and color characteristics of acylated and non-acylated pelargonidin-based anthocyanins / M. M. Giusti, L. E. Rodriguez-Saona, R. E. Wrolstad // J. Agric. Food Chem. – 1999. – Vol. 47, N 11. – P. 4631–4637. https://doi.org/10.1021/jf981271k

4. Shi, M. Z. Biosynthesis and metabolic engineering of anthocyanins in arabidopsis thaliana / M. Z. Shi, D. Y. Xie // Recent Pat. Biotechnol. – 2014. – Vol. 8, N 1. – P. 47–60. https://doi.org/10.2174/1872208307666131218123538

5. Zhao, H. J. Protective effects of exogenous antioxidants and phenolic compounds on photosynthesis of wheat leaves under high irradiance and oxidative stress / H. J. Zhao, Q. Zou // Photosynthetica. – 2002. – Vol. 40, N 4. – P. 523–527. https://doi.org/10.1023/a:1024339716382

6. Wang, H. Oxygen radical absorbing capacity of anthocyanins / H. Wang, G. Cao, R. L. Prior // J. Agric. Food Chem. – 1997. – Vol. 45, N 2. – P. 304–309. https://doi.org/10.1021/jf960421t

7. Chalker-Scott, L. Do anthocyanins function as osmoregulators in leaf tissues? / L. Chalker-Scott // Adv. Bot. Res. ‒ 2002. – Vol. 37. – P. 103–127. https://doi.org/10.1016/S0065-2296(02)37046-0

8. Chalker‐Scott, L. Environmental significance of anthocyanins in plant stress responses / L. Chalker‐Scott // Photochem. Photobiol. – 1999. ‒ Vol. 70, N 1. – P. 1–9. https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.1999.tb01944.x

9. Both HY5 and HYH are necessary regulators for low temperature-induced anthocyanin accumulation in Arabidopsis seedlings / Y. Zhang [et al.] // J. Plant Physiol. – 2011. – Vol. 168, N 4. – P. 367–374. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2010.07.025

10. Accumulation of PAL transcript and PAL activity as affected by heat-conditioning and low-temperature storage and its relation to chilling sensitivity in mandarin fruits / M. T. Sanchez-Ballesta [et al.] // J. Agric. Food Chem. – 2000. – Vol. 48, N 7. – P. 2726–2731. https://doi.org/10.1021/jf991141r

11. Flavonoids are determinants of freezing tolerance and cold acclimation in Arabidopsis thaliana / E. Schulz [et al.] // Sci. Rep. – 2016. – Vol. 6, N 1. – P. 34027. https://doi.org/10.1038/srep34027

12. Аверина, Н. Г. Биосинтез тетрапирролов в растениях / Н. Г. Аверина, Е. Б. Яронская. ‒ Минск : Беларус. навука, 2012. ‒ 413 с.

13. 5-Aminolevulinic acid promotes anthocyanin accumulation in Fuji apples / L. Хie [et al.] // Plant Growth Regul. – 2013. – Vol. 69, N 3. – P. 295–303. https://doi.org/10.1007/s10725-012-9772-5

14. The mechanism analysis of anthocyanin accumulation in peach accelerated by ALA / L. Guo [et al.] // Acta Hortic. Sinica. – 2013. – Vol. 40, N 6. – P. 1043–1050.

15. Effects of bagging and exogenous 5-aminolevulinic acid treatment on coloration of ‘Yunhongli 2’ / C. C. Xiao [et al.] // Nanjing Agricult. Univ. – 2012. – Vol. 35. – P. 25–29.

16. 5-Aminolevulinic acid affects fruit coloration, growth, and nutrition quality of Litchi chinensis Sonn. cv. Feizixiao in Hainan, tropical China / S. Feng [et al.] // Sci. Hortic. – 2015. – Vol. 193. – P. 188–194. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2015.07.010

17. Effects of 5-aminolevulinic acid on chlorophyll, photosynthesis, soluble sugar and flavonoids of Ginkgo biloba / F. Xu [et al.] // Notulae Botanicae Horti Agrobotanici Cluj-Napoca. – 2011. – Vol. 39, N 1. – P. 41–47. https://doi.org/10.15835/nbha3915880

18. Молекулярно-генетические механизмы регуляции дигидрофлавонол редуктазы и транскрипционного фактора HY5 экзогенной 5-аминолевулиновой кислотой в проростках озимого рапса / Н. Г. Аверина [и др.] // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2020. – Т. 64, № 3. – С. 317–324.

19. Himi, E. Colour genes (R and Rc) for grain and coleoptile upregulate flavonoid biosynthesis genes in wheat / E. Himi, A. Nisar, K. Noda // Genome. – 2005. – Vol. 48, N 4. – P. 747–754. https://doi.org/10.1139/g05-026

20. Молекулярно-генетические механизмы формирования окраски плодов и семян растений / В. Ф. Аджиева [и др.] // Вавилов. журн. генетики и селекции. – 2015. – Т. 19, № 5. – С. 561–573.

21. Shoeva, O. Y. The specific features of anthocyanin biosynthesis regulation in wheat / O. Y. Shoeva, E. K. Khlestkina // Advances in wheat genetics: from genome to field : proc. of 12th Int. wheat genetics symp. / ed. : Y. Ogihara, S. Takumi, H. Handa. – Tokyo, 2015. – P. 147–157.

22. Shoeva, O. Y. Anthocyanins participate in the protection of wheat seedlings against cadmium stress / O. Y. Shoeva, E. K. Khlestkina // Cereal Res. Comm. – 2018. – Vol. 46, N 2. – P. 242–252. https://doi.org/10.1556/0806.45.2017.070

23. Relationship between anthocyanin biosynthesis and abiotic stress in wheat / O. Y. Tereshchenko [et al.] // Proceedings of the 15th EWAC сonference, November 7–11, 2011, Novi Sad, Serbia / еd. : A. Börner, B. Kobijlski. – Novi Sad, 2011. – P. 72–75.

24. Anthocyanins participate in protection of wheat seedlings from osmotic stress / O. Y. Shoeva [et al.] // Cereal Res. Comm. – 2017. – Vol. 45, N 1. – P. 47–56. https://doi.org/10.1556/0806.44.2016.044

25. Bogdanova, E. D. Resistance of common wheat to bunt / E. D. Bogdanova, A. T. Sarbaev, K. K. Makhmudova // Proceedings of the Research Conference on Genetics. – Moscow, 2002. – P. 43‒44.

26. Mabry, T. J. The systematic identification of flavonoids / T. J. Mabry, K. R. Markham, M. B. Thomas. – Berlin : Springer, 1970. – 354 p.

27. Misra N., Gupta A. K. Effect of salt stress on proline metabolism in two high yielding genotypes of green gram / N. Misra, A. K. Gupta // Plant Sci. – 2005. – Vol. 169, N 2. – P. 331–339. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2005.02.013

28. Rodriguez-Amaya, D. B. HarvestPlus handbook for сarotenoid analysis / D. B. Rodriguez-Amaya, M. Kimura. – Washington : HarvestPlus, 2004. – 63 p.

29. Weinstein, J. D. Separate physiological roles and subcellular compartments for two tetrapyrrole biosynthetic pathways in Euglena gracilis / J. D. Weinstein, S. I. Beale // J. Biol. Chem. – 1983. – Vol. 258, N 11. – P. 6799–6807. https://doi.org/10.1016/s0021-9258(18)32293-2

30. Кузнецов, Вл. В. Пролин при стрессе: биологическая роль, метаболизм, регуляция / Вл. В. Кузнецов, Н. И. Шевякова // Физиология растений. – 1999. – Т. 46, № 2. – С. 321–336.

31. Regulation of proline biosynthesis, degradation, uptake and transport in higher plants: its implication in plant growth and abiotic stress tolerance / P. V. K. Kishor [et al.] // Curr. Sci. – 2005. – Vol. 88, N 3. – P. 424–438.

32. Индукция накопления антоцианов и состояние защитной системы в растениях озимого рапса, обработанных 5-аминолевулиновой кислотой / Н. Г. Аверина [и др.] // Физиология растений. – 2017. – Т. 64, № 3. – С. 173–182.

33. The genomes uncoupled – dependent signaling pathway coordinates plastid biogenesis with the synthesis of anthocyanins / A. S. Richter [et al.] // Phil. Trans. Royal Soc. B: Biol. Sci. – 2020. – Vol. 375, N 1801. ‒ Art. ID 20190403. https://doi.org/10.1098/rstb.2019.0403