Ca²⁺- і АФК-залежне індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном
Мелатонін (N-ацетил-5-метокситриптамін) нині вважається важливою регуляторною молекулою не лише тварин, а й рослин. Встановлено його значення в адаптації рослин до дії стресорів різної природи, зумовлене, зокрема, посиленням функціонування антиоксидантної системи. Однак роль сигнальних посередникі...
Saved in:
| Published in: | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Date: | 2022 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2022
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/187178 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Ca²⁺- і АФК-залежне індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном / Д.А. Тарабан, Ю.В. Карпець, Т.О. Ястреб, А.І. Дяченко, Ю.Є. Колупаєв // Доповіді Національної академії наук України. — 2022. — № 4. — С. 98-105. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859829873053270016 |
|---|---|
| author | Тарабан, Д.А. Карпець, Ю.В. Ястреб, Т.О. Дяченко, А.І. Колупаєв, Ю.Є. |
| author_facet | Тарабан, Д.А. Карпець, Ю.В. Ястреб, Т.О. Дяченко, А.І. Колупаєв, Ю.Є. |
| citation_txt | Ca²⁺- і АФК-залежне індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном / Д.А. Тарабан, Ю.В. Карпець, Т.О. Ястреб, А.І. Дяченко, Ю.Є. Колупаєв // Доповіді Національної академії наук України. — 2022. — № 4. — С. 98-105. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Доповіді НАН України |
| description | Мелатонін (N-ацетил-5-метокситриптамін) нині вважається важливою регуляторною молекулою не лише
тварин, а й рослин. Встановлено його значення в адаптації рослин до дії стресорів різної природи, зумовлене,
зокрема, посиленням функціонування антиоксидантної системи. Однак роль сигнальних посередників
у реалізації стрес-протекторної дії мелатоніну залишається малодослідженою. Метою дослідження
було встановлення можливої участі активних форм кисню (АФК) та іонів кальцію в процесі індукування
теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном. 24-годинна обробка 4-добових етіольованих
проростків мелатоніном у концентраціях 0,1–10 мкМ зумовлювала істотне підвищення їх виживаності
після ушкоджувального прогріву у водяному термостаті (45 °С, 10 хв). Інкубація проростків у розчині
мелатоніну спричиняла транзиторне зростання в коренях вмісту пероксиду водню з максимумом через 1 год,
проте на момент закінчення інкубації (24 год) відзначалося зниження кількості H₂O₂ порівняно з контролем.
Спричинюваний мелатоніном ефект підвищення вмісту пероксиду водню в коренях проростків усувався
скавенджером H₂O₂ диметилтіосечовиною (ДМТС) та інгібітором НАДФH-оксидази імідазолом. Також
цей ефект не виявлявся в присутності кальцієвих антагоністів — ЕГТА (хелатора позаклітинного кальцію)
та неоміцину (інгібітора надходження кальцію в цитозоль з внутрішньоклітинних компартментів), що
вказує на залежність індукованого мелатоніном утворення АФК від кальцієвого гомеостазу. Оброблення
проростків антиоксидантом ДМТС, інгібітором НАДФH-оксидази імідазолом, антагоністами кальцію
ЕГТА і неоміцином також практично повністю усувало позитивний вплив мелатоніну на виживаність
проростків після ушкоджувального прогріву. Зроблено висновок про участь АФК та кальцію як сигнальних
посередників у процесі підвищення теплостійкості проростків пшениці дією мелатоніну.
Melatonin (N-acetyl-5-methoxytryptamine) is now considered an important regulatory molecule not only for
animals but also for plants. Its importance isfound out in the adaptation of plants to the action of stressors of different
nature, due, in particular, to enhance the functioning of the antioxidant system. However, the role of signal
mediators in the implementation of the stress-protective effect of melatonin remains poorly understood. The aim
of the study was to establish the possible participation of reactive oxygen species (ROS) and calcium ions in the
process of inducing heat resistance of wheat seedlings by exogenous melatonin. 24-hour treatment of 4-day etiolated
seedlings with melatonin in concentrations in the range of 0.1–10 μM caused a significant increase in their
survival after the damaging heating in a water thermostat (45 °C, 10 min). Incubation of seedlings in melatonin
solution caused a transient increase of hydrogen peroxide content in the roots with a maximum after 1 h, but at
the end of incubation (24 h) there was a decrease in the amount of H₂O₂ compared to control. The melatonininduced
effect of increasing of hydrogen peroxide content in seedling roots was eliminated by the H₂O₂ scavenger
dimethylthiourea (DMTU) and the NADPH oxidase inhibitor imidazole. Also, this effect was not revealed in the
presence of calcium antagonists – EGTA (extracellular calcium chelator) and neomycin (inhibitor of calcium
influx into cytosol from intracellular compartments), which indicates the dependence of melatonin-induced ROS
formation on calcium homeostasis. Treatment of seedlings with antioxidant DMTU, NADPH oxidase inhibitor
imidazole, calcium antagonists EGTA and neomycin also almost completely eliminated the positive effect of
melatonin on seedling survival after damaging heating. It is concluded that ROS and calcium are involved as
signaling mediators in the process of increasing the heat resistance of wheat seedlings by melatonin.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:32:28Z |
| format | Article |
| fulltext |
98
БІОЛОГІЯ
BIOLOGY
ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2022. № 4: 98—105
Ц и т у в а н н я: Тарабан Д.А., Карпець Ю.В., Ястреб Т.О., Дяченко А.І., Колупаєв Ю.Є. Ca2+- і АФК-залежне
індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном. Допов. Нац. акад. наук Укр.
2022. № 4. С. 98—105. https://doi.org/10.15407/dopovidi2022.04.098
https://doi.org/10.15407/dopovidi2022.04.098
УДК 581.1:577.13
Д.А. Тарабан1, https://orcid.org/0000-0002-4891-2100
Ю.В. Карпець1, https://orcid.org/0000-0002-1888-2334
Т.О. Ястреб2, https://orcid.org/0000-0003-3604-9028
А.І. Дяченко3, https://orcid.org/0000-0002-9020-3041
Ю.Є. Колупаєв1,2, https://orcid.org/0000-0001-7151-906X
1 Державний біотехнологічний університет, Харків
2 Інститут рослинництва ім. В.Я. Юр’єва НААН України, Харків
3 Інститут клітинної біології та генетичної інженерії НАН України, Київ
E-mail: plant_biology@ukr.net
Ca2+- і АФК-залежне індукування теплостійкості
проростків пшениці екзогенним мелатоніном
Представлено членом-кореспондентом НАН України О.П. Дмитрієвим
Мелатонін (N-ацетил-5-метокситриптамін) нині вважається важливою регуляторною молекулою не лише
тварин, а й рослин. Встановлено його значення в адаптації рослин до дії стресорів різної природи, зумовлене,
зокрема, посиленням функціонування антиоксидантної системи. Однак роль сигнальних посередників
у реалізації стрес-протекторної дії мелатоніну залишається малодослідженою. Метою дослідження
було встановлення можливої участі активних форм кисню (АФК) та іонів кальцію в процесі індукування
теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном. 24-годинна обробка 4-добових етіольованих
проростків мелатоніном у концентраціях 0,1–10 мкМ зумовлювала істотне підвищення їх виживаності
після ушкоджувального прогріву у водяному термостаті (45 °С, 10 хв). Інкубація проростків у розчині
мелатоніну спричиняла транзиторне зростання в коренях вмісту пероксиду водню з максимумом через 1 год,
проте на момент закінчення інкубації (24 год) відзначалося зниження кількості H2O2 порівняно з контролем.
Спричинюваний мелатоніном ефект підвищення вмісту пероксиду водню в коренях проростків усувався
скавенджером H2O2 диметилтіосечовиною (ДМТС) та інгібітором НАДФH-оксидази імідазолом. Також
цей ефект не виявлявся в присутності кальцієвих антагоністів — ЕГТА (хелатора позаклітинного кальцію)
та неоміцину (інгібітора надходження кальцію в цитозоль з внутрішньоклітинних компартментів), що
вказує на залежність індукованого мелатоніном утворення АФК від кальцієвого гомеостазу. Оброблення
проростків антиоксидантом ДМТС, інгібітором НАДФH-оксидази імідазолом, антагоністами кальцію
ЕГТА і неоміцином також практично повністю усувало позитивний вплив мелатоніну на виживаність
проростків після ушкоджувального прогріву. Зроблено висновок про участь АФК та кальцію як сигнальних
посередників у процесі підвищення теплостійкості проростків пшениці дією мелатоніну.
Ключові слова: мелатонін, активні форми кисню, кальцій, теплостійкість, Triticum aestivum.
99ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2022. № 4
Ca2+- і АФК-залежне індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном
Перша публікація про наявність мелатоніну (N-ацетил-5-метокситриптаміну) у рослин да-
тована 1995 р. [1]. Відтоді ця сполука була виявлена у значних кількостях в органах рослин
різних таксономічних груп [2]. Проте функції мелатоніну у рослин інтенсивно досліджу-
ються лише протягом останнього десятиліття [3]. Нині встановлено його участь у регуляції
росту і розвитку рослин, зокрема, процесів фотосинтезу, старіння листків, формування ре-
продуктивних органів тощо [2].
Особлива увага приділяється дослідженню стрес-протекторних ефектів мелатоніну. Ви-
явлено підвищення ендогенного вмісту мелатоніну у рослин різних видів за умов гіпертермії
[5], сольового стресу, опромінення УФ-B [4]. У численних дослідженнях показаний захис-
ний вплив екзогенного мелатоніну на рослини за умов дії на них стресових чинників різної
природи — екстремальних температур, посухи, засолення, ксенобіотиків різної природи [2].
Однією з найважливіших складових стрес-протекторної дії мелатоніну вважається
зменшення спричинюваних стресорами окиснювальних пошкоджень клітинних структур.
Такий ефект зумовлений, зокрема, прямою антиоксидантною дією мелатоніну. Показано,
що його антиоксидантна активність вища від ефектів таких “класичних” антиоксидантів, як
аскорбінова кислота, глутатіон, НАДФH і токоферол [6]. Водночас відомо, що мелатонін
може спричиняти експресію генів антиоксидантних ферментів, зокрема різних форм супер-
оксиддисмутази, каталази і ферментів аскорбат-глутатіонового циклу [6]. Зрештою, є відо-
мості про пригнічення мелатоніном стрес-індукованої експресії генів каталітичної субоди-
ниці НАДФH-оксидази (RbohD і RbohF) [7].
Зменшення вмісту АФК у рослинних клітинах під впливом мелатоніну, що досягається
за рахунок різних механізмів, запобігає розвитку окиснювальних ушкоджень за стресових
умов. Однак АФК, насамперед молекули пероксиду водню, є важливими сигнальними мо-
лекулами, що беруть участь як у передачі стресових сигналів, так і в реалізації ефектів різ-
номанітних регуляторних молекул, у тому числі деяких фітогормонів [8]. Можлива участь
АФК у прояві стрес-протекторної дії мелатоніну на рослини досліджена поки що слабо.
Проте на прикладі рослин томатів показано підвищення активності НАДФH-оксидази
і вмісту пероксиду водню під впливом екзогенного мелатоніну [9]. При цьому інгібітор
НАДФH-оксидази дифеніленіодоніум усував ефект підвищення стійкості томатів до те-
плового, холодового і осмотичного стресів, спричинюваний дією мелатоніну. На рослинах
кавуна недавно показано роль пероксиду водню, генерованого з участю НАДФH-оксидази,
у розвитку їх холодостійкості за обробки мелатоніном [10]. Також виявлено підвищення
концентрації цитозольного кальцію за дії мелатоніну [10].
Однак причинно-наслідкові зв’язки між можливими змінами кальцієвого гомеостазу і
генерацією АФК та формуванням стійкості рослин до стресових температур дотепер залиша-
ються майже не дослідженими. Це, зокрема, стосується і феномену індукування теплостій-
кості злаків за обробки мелатоніном, виявленого в ряді досліджень [11]. У зв’язку з викладе-
ним метою дослідження було встановлення участі АФК в індукуванні мелатоніном стійкос-
ті проростків пшениці до потенційно летального теплового стресу. Також із застосуванням
інгібіторного методу досліджено можливе значення різних пулів кальцію в прояві впливу
мелатоніну на генерацію АФК клітинами коренів і розвиток теплостійкості проростків.
Матеріли і методи. Для експериментів використовували етіольовані проростки пше-
ниці (Triticum aestivum L.) сорту Досконала. Насіння отримано з колекції Інституту рос-
100 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2022. № 4
Д.А. Тарабан, Ю.В. Карпець, Т.О. Ястреб, А.І. Дяченко, Ю.Є. Колупаєв
линництва ім. В.Я. Юр’єва НААН України
(репродукція 2020 р.). Зернівки після по-
верхневого знезараження 6 %-м перокси-
дом водню протягом 30 хв пророщували
в темряві за температури 20—22 °C впро-
довж трьох діб. Після цього у середовище
додавали мелатонін у кінцевих концентра-
ціях діапазону 0,01–100 мкМ та інкубува-
ли проростки протягом доби. Контрольні
зразки інкубували на дистильованій воді.
В окремих варіантах досліду проростки
протягом 26 год обробляли скавенджером
пероксиду водню диметилтіосечовиною
(ДМТС, 0,15 мМ), інгібітором НАДФН-оксидази імідазолом (10 мкМ), антагоністами каль-
цію — 500 мкМ ЕГТА (хелатор позаклітинного Ca2+) або 200 мкМ неоміцином — інгібітором
залежного від фосфоліпази C надходження кальцію в цитозоль з внутрішньоклітинних ком-
партментів. У варіантах з вивчення комбінованого впливу мелатоніну та антагоністів АФК
і кальцію останні вносили в середовище інкубації проростків за 2 год до введення в нього
мелатоніну. Концентрації вказаних інгібіторів, що істотно модифікували ефекти екзогенного
мелатоніну, але не спричиняли помітних токсичних ефектів, вибирали у попередніх дослідах.
Під час інкубації проростків на досліджуваних розчинах визначали вміст у коренях пе-
роксиду водню феротіоціанатним методом [12].
Для визначення теплостійкості проростків їх прогрівали у водяному ультратермостаті
за температури 45,0 ± 0,1 °С протягом 10 хв. Після цього проростки усіх варіантів переноси-
ли на очищену воду. Через 3 доби оцінювали виживаність проростків [13].
Досліди проводили у триразовому повторенні, на рисунках наведені середні величини
та їх похибки.Обговорюються відмінності, вірогідні при p 0,05.
Результати досліджень та їх обговорення. Оброблення проростків розчинами мелатоні-
ну в концентраціях діапазону від 0,1 до 10 мкМ спричинювало істотне підвищення їх вижива-
ності після ушкоджувального прогріву (рис. 1). Максимальний стрес-протекторний ефект ме-
латонін чинив у концентрації 1 мкМ. За дії концентрацій 0,01 та 100 мкМ виживаність також
була вищою від контролю, але цей ефект був вірогідним лише при p 0,1. В усіх подальших
експериментах для оброблення проростків використовували мелатонін у концентрації 1 мкМ.
Вміст пероксиду водню в коренях проростків контрольного варіанта впродовж доби
експерименту істотно не змінювався (рис. 2). Додавання мелатоніну в середовище інкубації
проростків спричиняло швидке підвищення в коренях вмісту пероксиду водню. Вірогідний
ефект відзначався вже через 20 хв від початку його дії (див. рис. 2). Через 1 год вміст H2O2
у коренях проростків дослідного варіанта досягав максимальних значень. Надалі (через
2–3 год інкубації) вміст пероксиду водню поступово знижувався, хоча й перевищував від-
повідні значення контролю. Через 4–24 год вміст пероксиду водню у варіанті з обробленням
коренів мелатоніном істотно падав і його величини ставали меншими від контролю. Таким
чином, підвищення вмісту пероксиду водню за дії мелатоніну було транзиторним і напри-
кінці інкубації змінювалося його зниженням.
Рис. 1. Концентраційна залежність впливу мелато-
ніну на виживаність проростків пшениці після 10 хв
прогріву за температури 45 °С
0,01 0,1 1 10 100
70
60
50
40
30
20
Контроль
В
иж
ив
ан
іс
ть
, %
Концентрація, мкМ
101ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2022. № 4
Ca2+- і АФК-залежне індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном
Оброблення проростків скавенджером пероксиду водню ДМТС знижувало його вміст у
коренях та усувало підвищення кількості H2O2, спричинюване дією мелатоніну (рис. 3, а).
У варіанті з обробленням інгібітором НАДФH-оксидази імідазолом відзначалася тенден-
ція до деякого зниження вмісту пероксиду водню. При цьому вказаний інгібітор помітно
пригнічував зростання кількості H2O2 за оброблення коренів проростків мелатоніном. Це
вказує на роль НАДФH-оксидази як ферментативного джерела АФК, задіяного у зростанні
вмісту пероксиду водню в коренях під впливом мелатоніну.
Хелатор кальцію ЕГТА сам по собі практично не впливав на вміст H2O2 у коренях про-
ростків пшениці (див. рис. 3, а). Однак передоброблення коренів проростків цим антагоніс-
том кальцію нівелювало його зростання, спричинюване мелатоніном. Під впливом інгібі-
тора надходження кальцію з внутрішньоклітинних компартментів неоміцину відзначалася
тенденція до невеликого зменшення вмісту пероксиду водню в коренях проростків. При
Рис. 2. Динаміка вмісту пероксиду водню в коре-
нях проростків пшениці за інкубації в середовищі
з додаванням мелатоніну. 1 — контроль; 2 — ме-
латонін
Рис. 3. Вміст пероксиду водню в коренях (а) і виживаність проростків пшениці (б) після ушкоджуваль-
ного прогріву (45 °С, 10 хв) за їх оброблення мелатоніном, ДМТС, імідазолом та антагоністами кальцію.
1 — контроль; 2 — мелатонін (1 мкМ); 3 — ДМТС (150 мкМ); 4 — мелатонін (1 мкМ) + ДМТС (150 мкМ);
5 — імідазол (10 мкМ); 6 — мелатонін (1 мкМ) + імідазол (10 мкМ); 7 — ЕГТА (500 мкМ); 8 — мелатонін
(1 мкМ) + ЕГТА (500 мкМ); 9 — неоміцин (200 мкМ); 10 — мелатонін (1 мкМ) + неоміцин (200 мкМ)
1 год 2 год 3 год 4 год 24 год
210
190
170
150
130
110
90
70
20 хв
нм
ол
ь/
г
си
ро
ї м
ас
и
1
2
2 3 4 5 6 7 8 9 10
180
160
140
120
100
80
1
нм
ол
ь/
г
си
ро
ї м
ас
и
а
2 3 4 5 6 7 8 9 10
70
60
50
40
30
20
1
В
иж
ив
ан
іс
ть
, %
б
102 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2022. № 4
Д.А. Тарабан, Ю.В. Карпець, Т.О. Ястреб, А.І. Дяченко, Ю.Є. Колупаєв
цьому даний антагоніст кальцію повністю
усував підвищення вмісту H2O2 у варіанті з
мелатоніном. Отже, результати інгібіторного
аналізу вказують на участь різних пулів каль-
цію в підвищенні вмісту пероксиду водню в
клітинах коренів проростків за їх оброблення
мелатоніном.
Кальцієзалежне зростання кількості пе-
роксиду водню в проростках, імовірно, є сиг-
налом, необхідним для розвитку їх теплостій-
кості під впливом мелатоніну. Про це свідчить
усунення спричинюваного мелатоніном підвищення їх теплостійкості у присутності анти-
оксиданту ДМТС, інгібітора НАДФН-оксидази імідазолу та антагоністів кальцію — ЕГТА
і неоміцину (див. рис. 3, б). Слід зауважити, що оброблення проростків жодним із вказаних
модуляторів редокс-гомеостазу і кальцієвого статусу само по собі істотно не змінювало те-
плостійкість, що свідчить про відсутність можливого їх токсичного впливу.
Даних про вплив мелатоніну на кальцієвий гомеостаз рослинних клітин поки що дуже
мало. Проте недавно у роботі Chang зі співавт. [10] показано, що оброблення рослин кавуна
мелатоніном, яке спричинювало підвищення їх холодостійкості, супроводжувалося зрос-
танням у тканинах вмісту пероксиду водню, зумовленим посиленням експресії гена однієї
з молекулярних форм НАДФH-оксидази (RBOHD). Цей ефект виявився кальцієзалежним
і усувався неспецифічним блокатором кальцієвих каналів лантаном. У наших експеримен-
тах з використанням відповідних інгібіторів також показано залежність посилення генера-
ції АФК клітинами коренів від активності НАДФH-оксидази і надходження кальцію як з
позаклітинного простору, так і з внутрішньоклітинних компартментів (див. рис. 3, а). Крім
імовірного впливу на експресію генів RBOH, кальцій може чинити й безпосередній вплив
на активність цього ферменту, а також модулювати активність протеїнкінази, що активує
НАДФH-оксидазу шляхом фосфорилювання [14].
Припускають, що послідовні зміни кальцієвого і редокс-гомеостазу є і необхідними
складовими зареєстрованого впливу мелатоніну на утворення латеральних коренів. У ро-
боті Bian зі співавт. [15] запропоновано модель, згідно з якою після з’єднання мелатоніну
з мембранним рецептором з участю α-субодиниці G-білка відкриваються кальцієві канали
плазматичної мембрани, внаслідок чого іони кальцію активують НАДФH-оксидазу і спри-
чиняють посилення генерації АФК клітинами. У свою чергу, АФК діють як елемент сигна-
лінгу, що зумовлює утворення бічних коренів.
Для з’ясування механізмів впливу кальцію на формування сигналу АФК, що опосеред-
ковує індуковане мелатоніном підвищення теплостійкості проростків пшениці, необхідні
спеціальні дослідження. Однак поведений нами інгібіторний аналіз і пряме визначення
Рис. 4. Гіпотетична схема Ca2+- і АФК-залежного
впливу мелатоніну на теплостійкість проростків пше-
ниці. RBOH — каталітична субодиниця НАДФН-
оксидази. Пояснення в тексті
Мелатонін
ЕГТА Ca2+
цит Неоміцин
H2O2 ДМТС
Імідазол RBOH
Антиоксидантна система
та інші стрес-протекторні системи
Теплостійкість
103ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2022. № 4
Ca2+- і АФК-залежне індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном
вмісту пероксиду водню в клітинах коренів проростків пшениці свідчать про наявність
зв’язків між змінами кальцієвого гомеостазу, посиленням залежного від НАДФH-оксидази
утворення АФК і формуванням теплостійкості проростків пшениці (рис. 4).
Помітні стрес-протекторні ефекти екзогенного мелатоніну дають підставу розглядати
модуляцію його вмісту в рослинах як дієвий спосіб підвищення їх стійкості до абіотичних,
зокрема температурних, стресів.
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1. Dubbels R., Reiter R.J., Klenke E., Goebel A., Schnakenberg E., Ehlers C., Schiwara H.W., Schloot W. Mela-
tonin in edible plants identified by radioimmunoassay and by high performance liquid chromatography-mass
spectrometry. J. Pineal Res. 1995. 18. P. 28—31. https://doi.org/10.1111/j.1600-079x.1995.tb00136.x
2. Fan J., Xie Y., Zhang Z., Chen L. Melatonin: A multifunctional factor in plants. Int. J. Mol. Sci. 2018. 19.
Art. 1528. https://doi.org/10.3390/ijms19051528
3. Arnao M.B., Hernandez-Ruiz J. Functions of melatonin in plants: a review. J. Pineal Res. 2015. 59. P. 133—
150. https://doi.org/10.1111/jpi.12253
4. Altaf M.A., Shahid R., Ren M.-X., Mora-Poblete F., Arnao M.B., Naz S., Anwar M., Altaf M.M., Shahid S.,
Shakoor A., Sohail H., Ahmar S., Kamran M., Chen J.-T. Phytomelatonin: An overview of the importance and
mediating functions of melatonin against environmental stresses. Physiol. Plant. 2021. 172, № 2. P. 820–846.
https://doi.org/10.1111/ppl.13262
5. Shi H., Tan D.-X., Reiter R.J., Ye T., Yang F., Chan Z. Melatonin induces class A1 heat-shock factors (HSFA1s)
and their possible involvement of thermotolerance in Arabidopsis. J. Pineal Res. 2015. 58. P. 335–342.
https://doi.org/10.1111/jpi.12219
6. Yu Y., Lv Y., Shi Y., Li T., Chen Y., Zhao D., Zhao Z. The role of phyto-melatonin and related metabolites in
response to stress. Molecules. 2018. 23, № 8. Art. 1887. https://doi.org/10.3390/molecules23081887
7. Lei K., Sun S., Zhong K., Li S., Hu H., Sun C., Zheng Q., Tian Z., Dai T., Sun J. Seed soaking with melatonin
promotes seed germination under chromium stress via enhancing reserve mobilization and antioxidant metabo-
lism in wheat. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2021. 220. Art. 112241. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.112241
8. Kolupaev Yu.E., Karpets Yu.V., Kabashnikova L.F. Antioxidative system of plants: Cellular compartmenta-
lization, protective and signaling functions, mechanisms of regulation (Review). Appl. Biochem. Microbiol.
2019. 55, № 5. P. 441—459. https://doi.org/10.1134/S0003683819050089
9. Gong B., Yan Y., Wen D., Shi Q. Hydrogen peroxide produced by NADPH oxidase: a novel downstream sig-
naling pathway in melatonin-induced stress tolerance in Solanum lycopersicum. Physiol. Plant. 2017. 160.
№ 4. P. 396–409. https://doi.org/10.1111/ppl.12581
10. Chang J., Guo Y., Li J., Su Z., Wang C., Zhang R., Wei C., Ma J., Zhang X., Li H. Positive interaction between
H2O2 and Ca2+mediates melatonin-induced CBF pathway and cold tolerance in watermelon (Citrullus lana-
tus L.). Antioxidants. 2021. 10. № 9. Art. 1457. https://doi.org/10.3390/antiox10091457
11. Alam M.N., Zhang L., Yang L., Islam M.R., Liu Y., Luo H., Yang P., Wang Q., Chan Z. Transcriptomic profiling
of tall fescue in response to heat stress and improved thermotolerance by melatonin and 24-epibrassinolide.
BMC Genomics. 2018. 19. Art. 224. https://doi.org/10.1186/s12864-018-4588-y
12. Sagisaka S. The occurrence of peroxide in a perennial plant, Populus gelrica. Plant Physiol. 1976. 57, № 2.
P. 308–309. https://doi.org/10.1104/pp.57.2.308
13. Kolupaev Yu.E., Oboznyi A.I., Shvidenko N.V. Role of hydrogen peroxide in generation of a signal inducing
heat tolerance of wheat seedlings. Russ. J. Plant Physiol. 2013. 60, № 2. P. 227–234.
https://doi.org/10.1134/S102144371302012X
14. Kolupaev Yu.E., Karpets Yu.V., Dmitriev A.P. Signal mediators in plants in response to abiotic stress: Calci-
um, reactive oxygen and nitrogen species. Cytol. Genet. 2015. 49. P. 338—348.
https://doi.org/10.3103/S0095452715050047
15. Bian L., Wang Y., Bai H., Li H., Zhang C., Chen J., Xu W. Melatonin-ROS signal module regulates plant la-
teral root development. Plant Signal. Behav. 2021. 16, № 5. Art. 1901447.
https://doi.org/10.1080/15592324.2021.1901447
Надійшло до редакції 18.05.2022
104 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2022. № 4
Д.А. Тарабан, Ю.В. Карпець, Т.О. Ястреб, А.І. Дяченко, Ю.Є. Колупаєв
REFERENCES
1. Dubbels, R., Reiter, R. J., Klenke, E., Goebel, A., Schnakenberg, E., Ehlers, C., Schiwara, H. W. & Schloot, W.
(1995). Melatonin in edible plants identified by radioimmunoassay and by high performance liquid chromatog-
raphy-mass spectrometry. J. Pineal Res., 18, pp. 28-31. https://doi.org/10.1111/j.1600-079x.1995.tb00136.x
2. Fan, J., Xie, Y., Zhang, Z. & Chen, L. (2018). Melatonin: A multifunctional factor in plants. Int. J. Mol. Sci.,
19, Art. 1528. https://doi.org/10.3390/ijms19051528
3. Arnao, M. B. & Hernandez-Ruiz, J. (2015). Functions of melatonin in plants: a review. J. Pineal Res., 59,
pp. 133-150. https://doi.org/10.1111/jpi.12253
4. Altaf, M. A., Shahid, R., Ren, M. -X., Mora-Poblete, F., Arnao, M. B., Naz, S., Anwar, M., Altaf, M. M., Shahid,
S., Shakoor, A., Sohail, H., Ahmar, S., Kamran, M. & Chen, J. -T. (2021). Phytomelatonin: An overview of the
importance and mediating functions of melatonin against environmental stresses. Physiol. Plant., 172, No. 2,
pp. 820-846. https://doi.org/10.1111/ppl.13262
5. Shi, H., Tan, D. -X., Reiter, R. J., Ye, T., Yang, F. & Chan, Z. (2015). Melatonin induces class A1 heat-shock
factors (HSFA1s) and their possible involvement of thermotolerance in Arabidopsis. J. Pineal Res., 58,
pp. 335-342. https://doi.org/10.1111/jpi.12219
6. Yu, Y., Lv, Y., Shi, Y., Li, T., Chen, Y., Zhao, D. & Zhao, Z. (2018). The role of phyto-melatonin and related
metabolites in response to stress. Molecules, 23, No. 8, Art. 1887. https://doi.org/10.3390/molecules23081887
7. Lei, K., Sun, S., Zhong, K., Li, S., Hu, H., Sun, C., Zheng, Q., Tian, Z., Dai, T. & Sun, J. (2021). Seed soaking
with melatonin promotes seed germination under chromium stress via enhancing reserve mobilization and
antioxidant metabolism in wheat. Ecotoxicol. Environ. Saf., 220, Art. 112241.
https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.112241
8. Kolupaev, Yu.E., Karpets, Yu.V. & Kabashnikova, L. F. (2019). Antioxidative system of plants: Cellular com-
partmentalization, protective and signaling functions, mechanisms of regulation (Review). Appl. Biochem.
Microbiol., 55, No. 5, pp. 441-459. https://doi.org/10.1134/S0003683819050089
9. Gong, B., Yan, Y., Wen, D. & Shi, Q. (2017). Hydrogen peroxide produced by NADPH oxidase: a novel down-
stream signaling pathway in melatonin-induced stress tolerance in Solanum lycopersicum. Physiol. Plant.,
160, No. 4, pp. 396-409. https://doi.org/10.1111/ppl.12581
10. Chang, J., Guo, Y., Li, J., Su, Z., Wang, C., Zhang, R., Wei, C., Ma, J., Zhang, X. & Li, H. (2021). Positive in-
teraction between H2O2 and Ca2+mediates melatonin-induced CBF pathway and cold tolerance in water-
melon (Citrullus lanatus L.). Antioxidants, 10, No. 9, Art. 1457. https://doi.org/10.3390/antiox10091457
11. Alam, M. N., Zhang, L., Yang, L., Islam, M. R., Liu, Y., Luo, H., Yang, P., Wang, Q. & Chan, Z. (2018). Tran-
scriptomic profiling of tall fescue in response to heat stress and improved thermotolerance by melatonin and
24-epibrassinolide. BMC Genomics, 19, Art. 224. https://doi.org/10.1186/s12864-018-4588-y
12. Sagisaka, S. (1976). The occurrence of peroxide in a perennial plant, Populus gelrica. Plant Physiol., 57, No. 2,
pp. 308-309. https://doi.org/10.1104/pp.57.2.308
13. Kolupaev, Yu. E., Oboznyi, A. I. & Shvidenko, N. V. (2013). Role of hydrogen peroxide in generation of a
signal inducing heat tolerance of wheat seedlings. Russ. J. Plant Physiol., 60, No. 2, pp. 227-234.
https://doi.org/10.1134/S102144371302012X
14. Kolupaev, Yu. E., Karpets, Yu. V. & Dmitriev, A. P. (2015). Signal mediators in plants in response to abiotic
stress: Calcium, reactive oxygen and nitrogen species. Cytol. Genet., 49, No. 5, pp. 338-348.
https://doi.org/10.3103/S0095452715050047
15. Bian, L., Wang, Y., Bai, H., Li, H., Zhang, C., Chen, J. & Xu, W. (2021) Melatonin-ROS signal module regu-
lates plant lateral root development. Plant Signal. Behav., 16, No. 5, Art. 1901447.
https://doi.org/10.1080/15592324.2021.1901447
Received 18.05.2022
105ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2022. № 4
Ca2+- і АФК-залежне індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном
D.A. Taraban1, https://orcid.org/0000-0002-4891-2100
Yu.V. Karpets1, https://orcid.org/0000-0002-1888-2334
T.O. Yastreb2, https://orcid.org/0000-0003-3604-9028
A.I. Dyachenko3, https://orcid.org/0000-0002-9020-3041
Yu.E. Kolupaev1,2, https://orcid.org/0000-0001-7151-906X
1 State Biotechnological University, Kharkiv
2 Yuriev Plant Production Institute of the NAAS of Ukraine, Kharkiv
3 Institute of Cell Biology and Genetic Engineering of the NAS of Ukraine, Kyiv
Email: plant_biology@ukr.net
Ca2+- AND ROS-DEPENDENT INDUCTION
OF HEAT RESISTANCE OF WHEAT SEEDLINGS BY EXOGENOUS MELATONIN
Melatonin (N-acetyl-5-methoxytryptamine) is now considered an important regulatory molecule not only for
animals but also for plants. Its importance isfound out in the adaptation of plants to the action of stressors of dif-
ferent nature, due, in particular, to enhance the functioning of the antioxidant system. However, the role of signal
mediators in the implementation of the stress-protective effect of melatonin remains poorly understood. The aim
of the study was to establish the possible participation of reactive oxygen species (ROS) and calcium ions in the
process of inducing heat resistance of wheat seedlings by exogenous melatonin. 24-hour treatment of 4-day etio-
lated seedlings with melatonin in concentrations in the range of 0.1–10 μM caused a significant increase in their
survival after the damaging heating in a water thermostat (45 °C, 10 min). Incubation of seedlings in melatonin
solution caused a transient increase of hydrogen peroxide content in the roots with a maximum after 1 h, but at
the end of incubation (24 h) there was a decrease in the amount of H2O2 compared to control. The melatonin-
induced effect of increasing of hydrogen peroxide content in seedling roots was eliminated by the H2O2 scavenger
dimethylthiourea (DMTU) and the NADPH oxidase inhibitor imidazole. Also, this effect was not revealed in the
presence of calcium antagonists – EGTA (extracellular calcium chelator) and neomycin (inhibitor of calcium
influx into cytosol from intracellular compartments), which indicates the dependence of melatonin-induced ROS
formation on calcium homeostasis. Treatment of seedlings with antioxidant DMTU, NADPH oxidase inhibitor
imidazole, calcium antagonists EGTA and neomycin also almost completely eliminated the positive effect of
melatonin on seedling survival after damaging heating. It is concluded that ROS and calcium are involved as
signaling mediators in the process of increasing the heat resistance of wheat seedlings by melatonin.
Keywords: melatonin, reactive oxygen species, calcium, heat resistance, Triticum aestivum.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-187178 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:32:28Z |
| publishDate | 2022 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Тарабан, Д.А. Карпець, Ю.В. Ястреб, Т.О. Дяченко, А.І. Колупаєв, Ю.Є. 2022-12-08T19:14:44Z 2022-12-08T19:14:44Z 2022 Ca²⁺- і АФК-залежне індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном / Д.А. Тарабан, Ю.В. Карпець, Т.О. Ястреб, А.І. Дяченко, Ю.Є. Колупаєв // Доповіді Національної академії наук України. — 2022. — № 4. — С. 98-105. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. 1025-6415 DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2022.04.098 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/187178 581.1:577.13 Мелатонін (N-ацетил-5-метокситриптамін) нині вважається важливою регуляторною молекулою не лише тварин, а й рослин. Встановлено його значення в адаптації рослин до дії стресорів різної природи, зумовлене, зокрема, посиленням функціонування антиоксидантної системи. Однак роль сигнальних посередників у реалізації стрес-протекторної дії мелатоніну залишається малодослідженою. Метою дослідження було встановлення можливої участі активних форм кисню (АФК) та іонів кальцію в процесі індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном. 24-годинна обробка 4-добових етіольованих проростків мелатоніном у концентраціях 0,1–10 мкМ зумовлювала істотне підвищення їх виживаності після ушкоджувального прогріву у водяному термостаті (45 °С, 10 хв). Інкубація проростків у розчині мелатоніну спричиняла транзиторне зростання в коренях вмісту пероксиду водню з максимумом через 1 год, проте на момент закінчення інкубації (24 год) відзначалося зниження кількості H₂O₂ порівняно з контролем. Спричинюваний мелатоніном ефект підвищення вмісту пероксиду водню в коренях проростків усувався скавенджером H₂O₂ диметилтіосечовиною (ДМТС) та інгібітором НАДФH-оксидази імідазолом. Також цей ефект не виявлявся в присутності кальцієвих антагоністів — ЕГТА (хелатора позаклітинного кальцію) та неоміцину (інгібітора надходження кальцію в цитозоль з внутрішньоклітинних компартментів), що вказує на залежність індукованого мелатоніном утворення АФК від кальцієвого гомеостазу. Оброблення проростків антиоксидантом ДМТС, інгібітором НАДФH-оксидази імідазолом, антагоністами кальцію ЕГТА і неоміцином також практично повністю усувало позитивний вплив мелатоніну на виживаність проростків після ушкоджувального прогріву. Зроблено висновок про участь АФК та кальцію як сигнальних посередників у процесі підвищення теплостійкості проростків пшениці дією мелатоніну. Melatonin (N-acetyl-5-methoxytryptamine) is now considered an important regulatory molecule not only for animals but also for plants. Its importance isfound out in the adaptation of plants to the action of stressors of different nature, due, in particular, to enhance the functioning of the antioxidant system. However, the role of signal mediators in the implementation of the stress-protective effect of melatonin remains poorly understood. The aim of the study was to establish the possible participation of reactive oxygen species (ROS) and calcium ions in the process of inducing heat resistance of wheat seedlings by exogenous melatonin. 24-hour treatment of 4-day etiolated seedlings with melatonin in concentrations in the range of 0.1–10 μM caused a significant increase in their survival after the damaging heating in a water thermostat (45 °C, 10 min). Incubation of seedlings in melatonin solution caused a transient increase of hydrogen peroxide content in the roots with a maximum after 1 h, but at the end of incubation (24 h) there was a decrease in the amount of H₂O₂ compared to control. The melatonininduced effect of increasing of hydrogen peroxide content in seedling roots was eliminated by the H₂O₂ scavenger dimethylthiourea (DMTU) and the NADPH oxidase inhibitor imidazole. Also, this effect was not revealed in the presence of calcium antagonists – EGTA (extracellular calcium chelator) and neomycin (inhibitor of calcium influx into cytosol from intracellular compartments), which indicates the dependence of melatonin-induced ROS formation on calcium homeostasis. Treatment of seedlings with antioxidant DMTU, NADPH oxidase inhibitor imidazole, calcium antagonists EGTA and neomycin also almost completely eliminated the positive effect of melatonin on seedling survival after damaging heating. It is concluded that ROS and calcium are involved as signaling mediators in the process of increasing the heat resistance of wheat seedlings by melatonin. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Біологія Ca²⁺- і АФК-залежне індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном Ca²⁺- and ROS-dependent induction of heat resistance of wheat seedlings by exogenous melatonin Article published earlier |
| spellingShingle | Ca²⁺- і АФК-залежне індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном Тарабан, Д.А. Карпець, Ю.В. Ястреб, Т.О. Дяченко, А.І. Колупаєв, Ю.Є. Біологія |
| title | Ca²⁺- і АФК-залежне індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном |
| title_alt | Ca²⁺- and ROS-dependent induction of heat resistance of wheat seedlings by exogenous melatonin |
| title_full | Ca²⁺- і АФК-залежне індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном |
| title_fullStr | Ca²⁺- і АФК-залежне індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном |
| title_full_unstemmed | Ca²⁺- і АФК-залежне індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном |
| title_short | Ca²⁺- і АФК-залежне індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном |
| title_sort | ca²⁺- і афк-залежне індукування теплостійкості проростків пшениці екзогенним мелатоніном |
| topic | Біологія |
| topic_facet | Біологія |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/187178 |
| work_keys_str_mv | AT tarabanda ca2íafkzaležneíndukuvannâteplostíikostíprorostkívpšenicíekzogennimmelatonínom AT karpecʹûv ca2íafkzaležneíndukuvannâteplostíikostíprorostkívpšenicíekzogennimmelatonínom AT âstrebto ca2íafkzaležneíndukuvannâteplostíikostíprorostkívpšenicíekzogennimmelatonínom AT dâčenkoaí ca2íafkzaležneíndukuvannâteplostíikostíprorostkívpšenicíekzogennimmelatonínom AT kolupaêvûê ca2íafkzaležneíndukuvannâteplostíikostíprorostkívpšenicíekzogennimmelatonínom AT tarabanda ca2androsdependentinductionofheatresistanceofwheatseedlingsbyexogenousmelatonin AT karpecʹûv ca2androsdependentinductionofheatresistanceofwheatseedlingsbyexogenousmelatonin AT âstrebto ca2androsdependentinductionofheatresistanceofwheatseedlingsbyexogenousmelatonin AT dâčenkoaí ca2androsdependentinductionofheatresistanceofwheatseedlingsbyexogenousmelatonin AT kolupaêvûê ca2androsdependentinductionofheatresistanceofwheatseedlingsbyexogenousmelatonin |