Changes in the Content of Carotenoids in Moss Shoots Hylocomium splendens Hedw. under Conditions of Temperature Stress

A. G. Renkova; Ренкова А. Г.; V. R. Khabibrakhmanova; Хабибрахманова В. Р.; O. P. Gurjanov; Гурьянов О. П.; E. I. Galeeva; Галеева Е. И.; A. B. Mazina; Мазина А. Б.; F. V. Minibayeva; Минибаева Ф. В.

doi:10.31857/S0015330323601000

Изменения содержания каротиноидов в побегах мха Hylocomium splendens Hedw. в условиях температурного стресса

Авторы: Ренкова А.Г.¹, Хабибрахманова В.Р.¹^,2, Гурьянов О.П.¹, Галеева Е.И.¹, Мазина А.Б.¹, Минибаева Ф.В.¹
Учреждения:
1. Казанский институт биохимии и биофизики – обособленное структурное подразделение Федерального исследовательского центра “Казанский научный центр Российской академии наук”
2. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Казанский национальный исследовательский технологический университет”
Выпуск: Том 70, № 7 (2023)
Страницы: 898-905
Раздел: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
URL: https://rjmseer.com/0015-3303/article/view/648260
DOI: https://doi.org/10.31857/S0015330323601000
EDN: https://elibrary.ru/BELXXA
ID: 648260

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Способность растений адаптироваться к неблагоприятным условиям существования является необходимым условием выживания растений, сохранения генотипа и поддержания разнообразия флоры. Перспективным подходом для решения проблемы повышения устойчивости растений является изучение механизмов стрессовой устойчивости “экстремофилов”, в том числе мхов – высших несосудистых растений. Относительная простота анатомического строения и способность к выживанию в неблагоприятных условиях среды делают эти эволюционно-древние растения идеальными моделями для изучения механизмов адаптации. Известно, что функциональная активность фотосинтетического аппарата способна динамично изменяться при действии стрессовых факторов. В настоящей работе было проведено исследование стресс-индуцированных изменений содержания каротиноидов в лесном мхе гилокомиум блестящий (Hylocomium splendens Hedw.) в условиях температурного стресса. Нами были идентифицированы основные каротиноиды мха H. splendens. Установлено, что относительное содержание лютеина, β-каротина и зеаксантина возрастало при действии отрицательной и повышенной температур, тогда как общее содержание каротиноидов при температурном стрессе снижалось. Показано, что 1 ч воздействия неблагоприятных температур приводил к достоверному снижению нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла а, причем более сильные изменения наблюдались при воздействии отрицательной температуры. Анализ уровня транскриптов HsLUT1, одного из ключевых генов биосинтеза лютеина, при температурном стрессе показал его достоверное увеличение в 4–5 раз. Таким образом, полученные нами данные позволили выявить, что изменения экспрессии гена биосинтеза каротиноидов сопровождаются изменениями их содержания при температурном стрессе. Полученные данные расширяют наше знание о механизмах устойчивости у мохообразных и будут способствовать пониманию эволюционных изменений стрессовой устойчивости высших растений.

Ключевые слова

Hylocomium splendens, абиотический стресс, каротиноиды, пигменты, фотосинтез

Об авторах

А. Г. Ренкова

Email: renkova@kibb.knc.ru
Россия, Казань

В. Р. Хабибрахманова

Казанский институт биохимии и биофизики – обособленное структурное подразделение Федерального исследовательского центра “Казанский научный центр Российской академии наук”; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
“Казанский национальный исследовательский технологический университет”

Email: renkova@kibb.knc.ru
Россия, Казань; Россия, Казань

Список литературы

Sabovljevic M., Bijelovic A., Grubisic D. Bryophytes as a potential source of medicinal compounds // Med Raw. 2001. V. 21. P. 17.
Krinsky N.I. Antioxidant function of carotenoids // Free Radical Biol. Med. 1989. V. 7. P. 617. https://doi.org/10.1016/0891-5849(89)90143-3
Meier S., Tzfadia O., Vallabhaneni R., Gehring C., Wurtzel E.T. A transcriptional analysis of carotenoid, chlorophyll and plastidial isoprenoid biosynthesis genes during development and osmotic stress responses in Arabidopsis thaliana // BMC Syst. Biol. 2011. V. 5. P. 77. https://doi.org/10.1186/1752-0509-5-77
Hashimoto H., Uragami C., Cogdell R.J. “Carotenoids and photosynthesis,” in Carotenoids in Nature. Springer: Cham, Switzerland, 2016. P. 111.
Falkowski P.G., Raven J.A. Aquatic photosynthesis. Malden. USA: Blackwell Sci., 1997. 375 p.
Дымова О.В., Захожий И.Г., Головко Т.К. Возрастные и адаптивные изменения фотосинтетического аппарата листьев зимне-зеленого травянистого растения Ajuga Reptans L. в природных условиях таежной зоны // Физиология растений. 2023. Т. 70. С. 577.
Demming-Adams B., Garab G., William Adams III, Govindjee. Non-photochemical quenching and energy dissipation in plants, algae and cyanobacteria. Springer Dordrec, 2014. https://doi.org/10.1007/978-94-017-9032-1
Hou X., Rivers J., León P., McQuinn R.P., Pogson B.J. Synthesis and function of apocarotenoid signals in plants // Trends Plant Sci. 2016. V. 21. P. 792. https://doi.org/0.1016/j.tplants.2016.06.001
Jia K., Baz L., Al-Babili S. From carotenoids to strigolactones // J. Exp. Bot. 2017. V. 69. P. 2189. https://doi.org/10.1093/jxb/erx476
Chaundhary N., Nijhawan A., Khurana J.P., Khurana P. Carotenoid biosynthesis genes in rice: structural analysis, genomewide expression profiling and phylogenetic analysis // Mol. Genet. Genomics. 2010. V. 283. P. 13.
Ruiz-Sola M.A., Rodríguez-Concepción M. Carotenoid biosynthesis in Arabidopsis: a colorful pathway. Arabidopsis Book 10: e0158. 2012. https://doi.org/10.1199/tab.0158
Takemura M., Maoka T., Misawa N. Carotenoid analysis of a liverwort Marchantia polymorpha and functional identification of its lycopene b- and e-cyclase genes // Plant Cell Physiol. 2014. V. 55. P. 194. https://doi.org/10.1093/pcp/pct170
He J., Li P., Huo H., Liu L., Tang T., He M., Huang J., Liu L. Heterologous expression of HpBHY and CrBKT increases heat tolerance in Physcomitrella patens // Plant Diversity. 2019. V. 41. P. 266. https://doi.org/10.1016/j.pld.2019.04.001
Часов А.В., Минибаева Ф.В. Фотосинтетический аппарат мха гилокомиума блестящего устойчив к низким экстремальным температурам // Экология. 2023. №6. (в печати).
Дымова О.В., Кузиванова О.А. Оптимизация способа экстракции фотосинтетических пигментов и их содержание в талломах лишайников // Химия растительного сырья. 2018. № 2. С. 137. https://doi.org/10.14258/jcprm.2018023013
Jiao Y., Reuss L., Wang Y. β-Cryptoxanthin: chemistry, occurrence, and potential health benefits // Curr. Pharmacol. 2019. V. 5. P. 20. https://doi.org/10.1007/s40495-019-00168-7
Gama J.J.T., Sylos C.M. Major carotenoid composition of Brazilian Valencia orange juice: identification and quantification by HPLC // Food Res. Intern. 2005. V. 38. P. 899. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2005.03.008
Renkova A.G., Koulintchenko M.V., Mazina A.B., Leksin I.Y., Minibayeva F.V. Identification, characterization, and expression analysis of carotenoid biosynthesis genes in the moss Hylocomium splendens // Theor. Exp. Plant Physiol. 2023. (в пeчaти).
Wahid A., Ghazanfar A. Possible involvement of some secondary metabolites in salt tolerance of sugarcane // J. Plant Physiol. 2006. V. 163. P. 723. https://doi.org/10.1016/ j.jplph.2005.07.007
Swapnil P., Meena M., Singh S.K., Dhuldhaj U., Harish Marwal A. Vital roles of carotenoids in plants and humans to deteriorate stress with its structure, biosynthesis, metabolic engineering and functional aspects // Curr. Plant Biol. 2021. V. 26. P. 100203. https://doi.org/10.1016/j.cpb.2021.100203
Arróniz-Crespo M., Gwynn-Jones D., Callaghan T.V., Núñez-Olivera E., Martínez-Abaigar J., Horton P., Phoenix G. K. Impacts of long-term enhanced UV-B radiation on bryophytes in two sub-Arctic heathland sites of contrasting water availability // Ann. Bot. 2011. V. 108. P. 557. https://doi.org/10.1093/aob/mcr178
Huang J., Zhong Y., Liu J., Sandmann G., Chen F. Metabolic engineering of tomato for high-yield production of astaxanthin // Metab. Eng. 2013. V. 17. P. 59. https://doi.org/10.1016/j.ymben.2013.02.005
Popova A.V., Dobrev K., Velitchkova M., Ivanov A.G. Differential temperature effects on dissipation of excess light energy and energy portioning in lut2 mutant of Arabidopsis thaliana under photoinhibitory conditions // Photosyn. Res. 2019. V. 139. P. 367. https://doi.org/10.1007/s11120-018-0511-2
Tian L., Della Penna D. Progress in understanding the origin and functions of carotenoid hydroxylases in plants LUT1 // Arch Biochem. Biophys. 2004. V. 430. P. 22. https://doi.org/10.1016/j.abb.2004.02.003
Breeze E., Harrison E., Mchattie S., Hughe, L., Hickman R., Hill C. High-breeze resolution temporal profiling of transcripts during Arabidopsis leaf senescence reveals a distinct chronology of processes and regulation // Plant Cell. 2011. V. 23. P. 873. https://doi.org/10.1105/tpc.111.083345
Tang C., Xie J., Ly J., Li J., Zhang J., Wang C., Liang G. Alleviating damage of photosystem and oxidative stress from chilling stress with exogenous zeaxanthin in pepper (Capsicum annuum L.) seedlings // Plant Physiol. Biochem. 2021. V. 163. P. 395. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2021.03.010