К ВОПРОСУ О БИОХИМИЧЕСКИХ ОСНОВАХ АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ К ИОНИЗИРУЮЩЕМУ ИЗЛУЧЕНИЮ

Аннотация

В статье представлены краткие сведения об ионизирующих излучениях и некоторых аспектах их влияния на организмы высших растений на основе изучения и анализа литературных источников. Цель исследования заключалась в анализе накопленных экспериментальных данных относительно влияния острого и хронического облучения на растения. Чтобы определить, как разная степень воздействия ионизирующего излучения сказывается на физиологических и биохимических процессах, протекающих в растениях, были рассмотрены различные диапазоны доз. В исследовании акцентировали внимание на том, что различные мишени действия ионизирующего излучения могут существенно варьироваться в зависимости от вида растения, его возрастной стадии и условий, в которых оно развивается. В статье приведён краткий обзор основных вопросов радиобиологии растений, который включает в себя обсуждение ключевых механизмов, посредством которых ионизирующее излучение может повреждать клетки растений, а также потенциальные пути их восстановления. Рассмотрено, как повреждения, вызванные радиацией, могут влиять на рост, развитие и репродукцию растений, а также на их устойчивость к стрессовым факторам. Полученные результаты могут быть полезны не только для дальнейшего изучения влияния радиации на растительный мир, но и для практических приложений в области сельского хозяйства и экологии, где понимание этих процессов играет важную роль в устойчивом управлении природными ресурсами. Данное исследование является значимым вкладом в радиобиологию высших растений, подчеркивающим важность дальнейших исследований в этой области для более глубокого понимания воздействия ионизирующего излучения на живые организмы.

Ключевые слова: Arabidopsis thaliana, Glycine max L. Merrill, активные формы кислорода, антиоксидантная защита, ионизирующие излучения, каталаза, облучение растений, супероксиддисмутаза, ферменты

Об авторах

Список литературы

1. Duarte G. T., Volkova P. Y., Fiengo Perez F., Horemans N. Chronic Ionizing Radiation of Plants: An Evolutionary Factor from Direct Damage to Non-Target Effects // Plants. 2023. Vol. 12. Issue 5. Article 1178. https://doi.org/10.3390/plants12051178
2. Mishra S., Duarte G. T., Horemans N., Ruytinx J., Gudkov D., Danchenko M. Complexity of responses to ionizing radiation in plants, and the impact on interacting biotic factors // Science of the Total Environment. 2024. № 924. Article 171567. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.171567
3. Caplin N., Willey N. Ionizing Radiation, Higher Plants, and Radioprotection: From Acute High Doses to Chronic Low Doses // Frontiers in Plant Science. 2018. Vol. 9. Article 847. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00847
4. Kovalchuk I., Abramov V., Pogribny I., Kovalchuk O. Molecular aspects of plant adaptation to life in the Chernobyl zone // Plant Physiol. 2004. Vol. 135. Issue 1. Pр. 357–363. https://doi.org/10.1104/pp.104.040477
5. Gudkov S. V., Grinberg M. A., Sukhov V., Vodeneev V. Effect of ionizing radiation on physiological and molecular processes in plants // Journal of Environmental Radioactivity. 2019. Vol. 202. Pр. 8–24. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2019.02.001
6. Geras'kin S. A. Ecological effects of exposure to enhanced levels of ionizing radiation // Journal of Environmental Radioactivity. 2016. № 162–163. Pр. 347–357. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2016.06.012
7. Ludovici G. M., Oliveira de Souza S., Chierici A., Cascone M. G., d'Errico F., Malizia A. Adaptation to ionizing radiation of higher plants: From environmental radioactivity to chernobyl disaster // Journal of Environmental Radioactivity. 2020. Vol. 222. Article 106375. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2020.106375
8. Mu H., Sun J., Li L., Yin J., Hu N., Zhao W., Ding D., Yi L. Ionizing radiation exposure: hazards, prevention, and biomarker screening // Environmental science and pollution research international. 2018. Vol. 25. Issue 16. Pр. 15294–15306. https://doi.org/10.1007/s11356-018-2097-9
9. Эффекты хронического облучения в популяциях растений на примере референтного организма «сосна обыкновенная». Обзор / С. А. Гераськин, П. Ю. Волкова, А. А. Удалова, Е. А. Казакова, Д. В. Васильев, Н. С. Дикарева, Е. С. Макаренко, Г. Т. Дуарте, А. Г. Кузьменков // Радиация и риск (Бюллетень Национального радиационно-эпидемиологического регистра). 2018. Т. 27. № 4. С. 95–118. https://doi.org/10.21870/0131-3878-2018-27-4-95-118
10. Goldman M. Ionizing radiation and its risks // The Western Journal of Medicine. 1982. Vol. 137. Issue 6. P. 540–547.
11. Ward J. F. Complexity of damage produced by ionizing radiation // Cold Spring Harbor symposia on quantitative biology. 2000. Vol. 65. Pр. 377–382. https://doi.org/10.1101/sqb.2000.65.377
12. Dartnell L. R. Ionizing radiation and life // Astrobiology. 2011. Vol. 11. Issue 6. Pр. 551–582. https://doi.org/10.1089/ast.2010.0528
13. Duarte G. T., Volkova P. Y., Fiengo Perez F., Horemans N. Chronic Ionizing Radiation of Plants: An Evolutionary Factor from Direct Damage to Non-Target Effects // Plants (Basel). 2023. Vol. 12. Issue 5. Article 1178. https://doi.org/10.3390/plants12051178
14. Baverstock K., Karotki A. V. Towards a unifying theory of late stochastic effects of ionizing radiation // Mutation Research. 2011. № 718 (1–2). Pр. 1–9. https://doi.org/10.1016/j.mrgentox.2010.11.003
15. Fortunato S., Lasorella C., Dipierro N., Vita F., de Pinto M. C. Redox Signaling in Plant Heat Stress Response // Antioxidants (Basel). 2023. Vol. 12. Issue 3. Article 605. https://doi.org/10.3390/antiox12030605
16. Aguiar C. L., Baptista A. S., Walder J. M., Tsai S. M., Carrão-Panizzi M. C., Kitajima E. W. Changes in isoflavone profiles of soybean treated with gamma irradiation // International Journal of Food Science and Nutrition. 2009. Vol. 60. Issue 5. Pр. 387–394. https://doi.org/10.1080/09637480701754968
17. Zhang L., Zheng F., Qi W., Wang T., Ma L., Qiu Z., Li J. Irradiation with low-dose gamma ray enhances tolerance to heat stress in Arabidopsis seedlings // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2016. Vol. 128. Pр. 181–188. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2016.02.025
18. Shimalina N., Orekhova N., Pozolotina V. Comparative Evaluation of Prooxidant/Antioxidant Balance in Seed Progeny of Plantago major L. from Radioactively and Chemically Contaminated Areas // Journal of Siberian Federal University. Biology. 2001. Vol. 14. Pр. 306–317. https://doi.org/10.17516/1997-1389-0358
19. Гераськин С. А., Волкова П. Ю., Чурюкин Р. С., Битаришвили С. В., Бондаренко В. С., Казакова Е. А. Механизмы формирования адаптивных реакций при облучении семян сельскохозяйственных культур низкими дозами ионизирующего излучения // Радиационные технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности: состояние и перспективы: Сборник докладов международной научно-практической конференции, Обнинск, 26–28 сентября 2018 года. Обнинск: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии», 2018. С. 69–72.
20. Hossain Z., Khatoon A., Komatsu S. Soybean proteomics for unraveling abiotic stress response mechanism // Journal of Proteome Research. 2013. Vol. 12. Issue 11. Pр. 4670–4684. https://doi.org/10.1021/pr400604b
21. You J., Chan Z. ROS Regulation During Abiotic Stress Responses in Crop Plants // Frontiers in Plant Science. 2015. Vol. 8. Issue 6. Article 1092. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.01092
22. Hasanuzzaman M., Parvin K., Bardhan K., Nahar K., Anee T. I., Masud A. A. C., Fotopoulos V. Biostimulants for the Regulation of Reactive Oxygen Species Metabolism in Plants under Abiotic Stress. Cells. 2021. Vol. 10. Issue 10. Article 2537. https://doi.org/10.3390/cells10102537
23. Gill S. S., Anjum N. A., Gill R., Yadav S., Hasanuzzaman M., Fujita M., Mishra P., Sabat S. C., Tuteja N. Superoxide dismutase-mentor of abiotic stress tolerance in crop plants // Environmental science and pollution research international. 2015. Vol. 22. Issue 14. Pр. 10375–10394. https://doi.org/10.1007/s11356-015-4532-5
24. Hossain M. A. Bhattacharjee S., Armin S. M., Qian P., Xin W., Li H. Y., Burritt D. J., Fujita M., Tran L. S. Hydrogen peroxide priming modulates abiotic oxidative stress tolerance: insights from ROS detoxification and scavenging // Frontiers in Plant Science. 2015. Vol. 6. Article 420. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.00420
25. Wang W., Xia M. X., Chen J., Yuan R., Deng F. N., Shen F. F. Gene Expression Characteristics and Regulation Mechanisms of Superoxide Dismutase and Its Physiological Roles in Plants under Stress // Biochemistry (Mosc). 2016. Vol. 81. Issue 5. Pр. 465–480. https://doi.org/10.1134/S0006297916050047
26. Gudkov S. V., Grinberg M. A., Sukhov V., Vodeneev V. Effect of ionizing radiation on physiological and molecular processes in plant // Journal of Environmental Radioactivity. 2019. Vol. 202. Pр. 8–24. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2019.02.001
27. Mhamdi A., Queval G., Chaouch S., Vanderauwera S., Van Breusegem F., Noctor G. Catalase function in plants: a focus on Arabidopsis mutants as stress-mimic models // Journal of Experimental Botany. 2010. Vol. 61. Issue 15. Pр. 4197–4220. https://doi.org/10.1093/jxb/erq282
28. Bhattacharjee S. Reactive oxygen species and oxidative burst: Roles in stress, senescence and signal transducation in plants // Current Science. 2005. Vol. 89. Issue 7. Pр. 1113–1121.
29. Szechyńska-Hebda M., Ghalami R. Z., Kamran M., Van Breusegem F., Karpiński S. To Be or Not to Be? Are Reactive Oxygen Species, Antioxidants, and Stress Signalling Universal Determinants of Life or Death // Cells. 2022. Vol. 11. Issue 24. Article 4105. https://doi.org/10.3390/cells11244105
30. Blokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K. V. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivation stress: a review // Annals of Botany. 2003. № 2. Pр. 179–194. https://doi.org/10.1093/aob/mcf118
31. Al-Rumaih M. M., Al-Rumaih M. M. Influence of ionizing radiation on antioxidant enzymes in three species of trigonella // American Journal of Environmental Sciences. 2008. Vol. 4. Issue 2. Pр. 151–156. http://dx.doi.org/10.3844/ajessp.2008.151.156
32. Qi W., Zhang L., Feng W., Xu H., Wang L., Jiao Z. ROS and ABA signaling are involved in the growth stimulation induced by low-dose gamma irradiation in Arabidopsis seedling // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2015. Vol. 175. Issue 3. P. 1490–1506. https://doi.org/10.1007/s12010-014-1372-6
33. Alikamanoglu S., Yaycili O., Sen A. Effect of gamma radiation on growth factors, biochemical parameters, and accumulation of trace elements in soybean plants (Glycine max L. Merrill) // Biological Trace Element Research. 2011. Vol. 141. Issue 1–3. P. 283–293. https://doi.org/10.1007/s12011-010-8709-y.
34. Geras'kin S. Plant adaptation to ionizing radiation: Mechanisms and patterns // Science of the Total Environment. 2024. № 916. Article 170201. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.170201
35. Geras'kin S., Churyukin R., Volkova P. Radiation exposure of barley seeds can modify the early stages of plants' development // Journal of Environmental Radioactivity. 2017. Vol. 177. Pр. 71–83. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2017.06.008. PMID: 28624671.
36. Goh E. J., Kim J. B., Kim W. J., Ha B. K., Kim S. H., Kang S. Y., Seo Y. W., Kim D. S. Physiological changes and anti-oxidative responses of Arabidopsis plants after acute and chronic γ-irradiation // Radiation and Environmental Biophysics. 2014. Vol. 53. Issue 4. Pр. 677–693. https://doi.org/10.1007/s00411-014-0562-5
37. Bhattacharjee S. The Language of Reactive Oxygen Species Signaling in Plants // Journal of Botany. 2012. Vol 2012. Article 985298. https://doi.org/10.1155/2012/985298
38. Danchenko M., Klubicova K., Krivohizha M. V., Berezhna V. V., Sakada V. I., Hajduch M., Rashydov N. M. Systems biology is an efficient tool for investigation of low-dose chronic irradiation influence on plants in the Chernobyl zone // Tsitol Genet. 2016. Vol. 50. Issue 6. Pр. 60–79.
39. Pernis M., Skultety L., Shevchenko V., Klubicova K., Rashydov N., Danchenko M. Soybean recovery from stress imposed by multigenerational growth in contaminated Chernobyl environment // Journal of Plant Physiology. 2020. Vol. 251. Article 153219. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2020.153219
40. Im J., Kim W. J., Kim S. H., Ha B. K. Effects of proton beam irradiation on seed germination and growth of soybean (Glycine max L. Merr.) // Journal of the Korean Physical Society. 2017. Vol. 71. Pр. 752–757. https://doi.org/10.3938/jkps.71.752
41. Popović B. M., Stajner D., Mandić A., Canadanović-Brunet J., Kevrešan S. Enhancement of antioxidant and isoflavones concentration in gamma irradiated soybean // Scientific World Journal. 2013. № 2013. Article 383574. https://doi.org/10.1155/2013/383574
42. Variyar P. S., Limaye A., Sharma A. Radiation-induced enhancement of antioxidant contents of soybean (Glycine max Merrill) // Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2004. Vol. 52. Issue 11. Pр. 3385–3388. https://doi.org/10.1021/jf030793j
43. Yun J., Li X., Fan X., Tang Y., Xiao Y., Wan S. Effect of gamma irradiation on microbial load, physicochemical and sensory characteristics of soybeans (Glycine max L. Merrill) // Radiation Physics and Chemistry. 2012. Vol. 81. Pр. 1198–1202. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2011.11.030
44. Van de Walle J., Horemans N., Saenen E., Van Hees M., Wannijn J., Nauts R., van Gompel A., Vangronsveld J., Vandenhove H., Cuypers A. Arabidopsis plants exposed to gamma radiation in two successive generations show a different oxidative stress response // Journal of Environmental Radioactivity. 2016. Vol. 165. Pр. 270–279. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2016.10.014
45. Biermans G., Horemans N., Vanhoudt N., Vandenhove H., Saenen E., Van Hees M., Wannijn J., Vangronsveld J., Cuypers A. Biological effects of α-radiation exposure by (241) Am in Arabidopsis thaliana seedlings are determined both by dose rate and (241) Am distribution // Journal of Environmental Radioactivity. 2015 Vol. 149. Pр. 51–63. https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2015.07.007
46. Трофимова Е. А., Дементьев Д. В., Болсуновский А. Я. Влияние γ-излучения на развитие растений из облученных семян и проростков Allium cepa L. // Радиационная биология. Радиоэкология. 2019. Т. 59. № 3. С. 293–299. https://doi.org/10.1134/S0869803119030111
47. Kurimoto T., Constable J. V., Huda A. Effects of ionizing radiation exposure on Arabidopsis thaliana // Health Physics. 2010. Vol. 99. Issue 1. Pр. 49–57. https://doi.org/10.1097/HP.0b013e3181d85a67