WYBRANE ASPEKTY ANTYOKSYDACYJNEJ I

Roczniki Akademii Rolniczej w Poznaniu – CCCLXXXIII (2007)
BARBARA HAWRYLAK, MARIA SZYMAŃSKA
WYBRANE ASPEKTY ANTYOKSYDACYJNEJ
I PROOKSYDACYJNEJ AKTYWNOŚCI SELENU
W KORZENIACH KUKURYDZY (ZEA MAYS L.)
Z Katedry Fizjologii Roślin
Akademii Rolniczej w Lublinie
ABSTRACT. In order to study physiological role of selenium in higher plants, maize was cultivated
in a water culture without selenium or amended with selenite or selenate, in concentrations of 25
or 50 μmol·m-3. Selenium at 25 μmol·m-3 in selenate form acted as an antioxidant and promoted
roots growth. However, at concentration 50 μmol·m-3 of selenate and at all concentrations of
selenite, it was a prooxidant, caused lipid bilayer damage by lipid peroxidation.
Key words: selenium, glutathione, malonodialehyde, maize
Wstęp
Selen uznano za pierwiastek niezbędny dla zwierząt oraz bakterii, który w śladowych ilościach odgrywa zasadniczą rolę w ich metabolizmie, zwłaszcza w reakcjach
antyoksydacyjnych. Organizmy wymagające selenu do prawidłowego funkcjonowania
zawierają niezbędne selenobiałka, jak np. peroksydaza glutationowa (GSH-PX) (Terry
i in. 2000). Enzym ten zapobiega m.in. peroksydacji lipidów błon komórkowych, katalizując reakcję utleniania glutationu. Występowanie peroksydaz selenozależnych
stwierdzono w komórkach glonów Chlamydomonas reinhardtii, natomiast do tej pory
nie wykazano ich obecności w roślinach wyższych (Ellis i Salt 2003). Dlatego też,
pytanie o niezbędność selenu dla tych gatunków pozostaje w dalszym ciągu kontrowersyjne. Związki selenu są przez rośliny dosyć łatwo pobierane i gromadzone, chociaż
większość gatunków charakteryzuje się małą tolerancją na ten pierwiastek i jego akumulacja w tkankach wywołuje liczne zaburzenia metaboliczne (Terry i in. 2000). Jednak coraz więcej danych wskazuje, że niskie stężenia selenu wpływają korzystnie na
rośliny. Selen może zwiększać tolerancję roślin na stres oksydacyjny indukowany promieniowaniem UV (Hartikainen i Xue 1999), a także opóźniać ich starzenie (Xue i in.
2001). Ostatnio wykazano jego synergistyczny wpływ na transkrypcję enzymów antyRocz. AR Pozn. CCCLXXXIII, Ogrodn. 41: 487-491
© Wydawnictwo Akademii Rolniczej im. Augusta Cieszkowskiego w Poznaniu, Poznań 2007
PL ISSN 0137-1738
488
B. Hawrylak, M. Szymańska
oksydacyjnych, takich jak SOD (dysmutaza ponadtlenkowa) i GSH-Px (Seppänen i in.
2003). Dlatego sugeruje się, że selen również w roślinach może pełnić funkcję antyoksydanta lub aktywować mechanizmy łagodzące skutki stresu oksydacyjnego.
Przedstawione w niniejszej pracy dane, stanowią jedynie część cyklu badań nad antyoksydacyjną i prooksydacyjną aktywnością selenu w tkankach roślinnych. Ze względu
na obiecujący charakter uzyskanych wyników zachęcają do kontynuacji tych eksperymentów.
Materiał i metody
W eksperymencie przeprowadzonym metodą kultur wodnych badano wpływ selenu
na wybrane wskaźniki fizjologiczne korzeni kukurydzy (Zea mays L. var. saccharata
Kcke. ‘Złota Karłowa’). Około dziesięciodniowe siewki umieszczano w słojach szklanych, wypełnionych 1,5-krotnie stężoną pożywką Hoaglanda I (pH 6,2). Po trzech
dniach wzrostu roślin do pożywki wprowadzano selen w formie seleninu (Na2SeO3 ·
5H2O) lub selenianu (Na2SeO4) w stężeniach: 0 (kontrola), 25 lub 50 μmol·dm-3. Wegetacja przebiegała w warunkach kontrolowanej gęstości strumienia fotonów w zakresie
fotosyntetycznie czynnym (270 µmol·m-2·s-1), przy fotoperiodzie 14/10 h oraz w temperaturze 25/20°C (dzień/noc). Po 14 dniach od wprowadzenia selenu do środowiska
odżywczego roślin, w korzeniach analizowano zawartość dwualdehydu malonowego
(Boominathan i Doran 2002) oraz całkowitego glutationu (Anderson 1985). Bazując
na długości systemu korzeniowego wyznaczono indeks tolerancji (IT) (Mc Neilly
1994). W wysuszonym w temperaturze 105°C materiale roślinnym oznaczano zawartość selenu metodą absorpcyjnej spektrometrii gazowej z systemem generacji wodorków (HGAAS). Doświadczenie przeprowadzono w dwóch niezależnych powtórzeniach.
Do statystycznego opracowania danych liczbowych zastosowano test Tukeya dla par
średnich (NIR) na poziomie istotności P = 0,05.
Wyniki i dyskusja
Oddziaływanie selenu na procesy fizjologiczne zachodzące w roślinach zależy od
jego wewnątrzkomórkowego stężenia. W przeprowadzonym eksperymencie wykazano
zwiększenie zawartości selenu w korzeniach kukurydzy wraz ze wzrostem jego stężenia
w pożywce. Porównując stosowane formy chemiczne pierwiastka stwierdzono, że jego
zawartość w korzeniach była istotnie większa w postaci seleninu niż selenianu. Analogiczne wyniki uzyskali Zayed i in. (1998), badając wpływ różnych związków selenu na
ich akumulację i translokację w roślinach użytkowych. Zróżnicowana zawartość selenu
jest najprawdopodobniej związana z odmiennymi mechanizmami pobierania poszczególnych form tego metaloidu. Stwierdzono mianowicie, że rośliny pobierają selenin
pasywnie, podczas gdy przyswajanie selenianu jest procesem regulowanym metabolicznie (Terry i in. 2000).
Wybrane aspekty antyoksydacyjnej i prooksydacyjnej aktywności selenu...
489
Tabela 1
Wpływ wewnątrzkomórkowej zawartości selenu na wybrane wskaźniki fizjologiczne
korzeni kukurydzy
The effect of intracellular concentration of selenium on selected physiological indices
of maize roots
Warunki wegetacji
Vegetation conditions
Forma Se
Se form
Se
(μmol·dm-3)
Se
(mg·g-1 s.m.)
Se
(mg·g-1 d.w.)
2,62 a
IT
(%)
MDA
(nmol·g-1 św.m.)
MDA
(nmol·g-1 f.w.)
Glutation
(nmol·g-1 św.m.)
Glutathione
(nmol·g-1 f.w.)
100,0 b
12,40 b
122 a
Kontrola
Control
0
Selenin
Selenite
25
384 d
91,5 b
15,48 c
194 d
50
479 e
66,3 a
22,12 d
168 c
Selenian
Selenate
25
57 b
131,2 c
9,04 a
153 bc
50
120 c
102,5 b
15,77 ce
134 ab
Średnie wartości w kolumnach oznaczone tą samą literą nie różnią się istotnie statystycznie.
Means in each column followed by the same letter are not significantly different.
Analizy uszkodzenia błon komórkowych przez reaktywne formy tlenu dokonuje się
zazwyczaj szacując stopień peroksydacji lipidów na podstawie zawartości dwualdehydu
malonowego (MDA) – końcowego produktu destrukcji nienasyconych kwasów tłuszczowych. Uzyskane w badaniach wyniki wykazały, że korzenie kukurydzy, rosnącej
w obecności 25 μmol·dm-3 selenianu, zawierały niższy poziom MDA w porównaniu
z roślinami kontrolnymi. Spadek zawartości MDA może wskazywać na antyoksydacyjne właściwości selenu. W tych warunkach wykazano także stymulujący wpływ selenianu na elongację systemu korzeniowego (IT = 131%), a także około 25-procentowy
wzrost zawartości glutationu. Odpowiedni poziom glutationu chroni komórki przed
szkodliwym wpływem wolnych rodników, wywołujących niespecyficzne utlenienie
białek i lipidów (Bartosz 2004).
Selenian w stężeniu 50 μmol·dm-3 oraz obie stosowane stężenia seleninu (25 i 50
μmolּdm-3) wpłynęły na wzrost zawartości MDA, co wskazuje na prooksydacyjnie
działanie selenu. Mimo że w tych warunkach zwiększała się również zawartość glutationu, to ten mechanizm obrony komórek przed stresem oksydacyjnym nie był na tyle
skuteczny, aby zapobiec uszkodzeniom lipidów błon komórkowych. Dane te sugerują,
że fitotoksyczność selenu, oprócz zaburzeń metabolicznych, może być spowodowana
prooksydacyjnym działaniem tego metaloidu. Natomiast potencjał wzrostowy korzeni nie
ulegał istotnym zmianom, z wyjątkiem roślin uprawianych w obecności 50 μmol·dm-3
seleniniu, gdzie stwierdzono około 34-procentową redukcję długości w porównaniu z
kontrolą. Selenin w stężeniu 50 μmol·dm-3 spowodował także zaburzenia geotropizmu
systemu korzeniowego, co przejawiało się prawie poziomym ustawieniem korzeni
bocznych względem korzenia głównego. Mniejsza tolerancja korzeni kukurydzy na
selenin może być związana z większą, w porównaniu z selenianem, akumulacją selenu
w tych organach.
490
B. Hawrylak, M. Szymańska
Doświadczenia Hartikainen i in. (2000), prowadzone na roślinach życicy trwałej,
wykazały, że selen w niskich stężeniach może działać antyoksydacyjnie, hamując peroksydację lipidów oraz stymulując aktywność GSH-Px. Natomiast w obecności wysokich stężeń selenu w podłożu stwierdzono wzrost poziomu szkodliwych produktów
peroksydacji, koncentracji tokoferoli oraz drastyczny spadek plonowania.
Wnioski
1. Selenian w stężeniu 25 μmol·dm-3 wykazuje działanie antyoksydacyjne, hamując
proces peroksydacji lipidów oraz stymulując elongację systemu korzeniowego kukurydzy.
2. Obecność w środowisku odżywczym kukurydzy selenianu w stężeniu 50 μmol·dm-3
oraz seleninu w stężeniach 25 i 50 μmol·dm-3 potęguje gromadzenie szkodliwych produktów peroksydacji w korzeniach.
3. Selen, niezależnie od stosowanej formy, wpływa na wzrost zawartości glutationu
w tkankach korzeni.
4. Korzenie kukurydzy gromadzą więcej selenu, jeżeli jest on dostarczany w formie
seleninu niż selenianu, co wiąże się również z ich większą tolerancją na selenian.
Literatura
Bartosz G. (2004): Druga twarz tlenu: wolne rodniki w przyrodzie. PWN, Warszawa.
Boominathan R., Doran P.M. (2002): Ni-induced oxidative stress in roots of the Ni hyperaccumulator, Alyssum bertolonii. New Phytol. 156: 205-215.
Ellis D.R., Salt D.E. (2003): Plants, selenium and human health. Curr. Opin. Plant Biol. 6: 273279.
Hartikainen H., Xue T. (1999): The promotive effect of selenium on plant growth as trigged by
ultraviolet irradiation. J. Environ. Qual. 28: 1272-1275.
Hartikainen H., Xue T., Piironen V. (2000): Selenium as an anti-oxidant and pro-oxidant in
ryegrass. Plant Soil 225: 193-200.
Mc Neilly T. (1994): Metal toxicity. W: Soil mineral stresses. Approaches to crop improvement.
Red. A.R.Yeo, T.J. Flowers. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg.
Seppänen M., Turakainen M., Hartikainen H. (2003): Selenium effects on oxidative stress in
potato. Plant Sci. 165: 311-319.
Terry N., Zayed M., De Souza M.P., Tarun A.S. (2000): Selenium in higher plants. Annu. Rev.
Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 51: 401-432.
Xue T., Hartikainen H., Piironen V. (2001): Antioxidative and growth-promoting effect of
selenium in senescing lettuce. Plant Soil 237: 55-61.
Zayed A.M., Lytle C.M., Terry N. (1998): Accumulation and volatilization of different chemical species of selenium by plants. Planta 206: 284-292.
Wybrane aspekty antyoksydacyjnej i prooksydacyjnej aktywności selenu...
491
SELECTED ASPECTS OF ANTIOXIDANT AND PROOXIDANT ACTIVITY
OF SELENIUM IN MAIZE ROOTS (ZEA MAYS L.)
Summary
Selenium is an essential element for antioxidation reactions in humans, animals and bacteria.
In higher plants, however, the role of selenium is still unclear. The objective of this experiment
was to investigate the effect of exogenous selenium in its selenite or selenate form on the growth,
glutathione concentration and lipid peroxidation in roots of maize seedlings. At low concentration
(25 μmol·dm-3), selenate tended to stimulate the root elongation, the accumulation of glutathione
and it acted as an antioxidant, inhibiting lipid peroxidation. At higher concentration of selenate
(50 μmol·dm-3) and at all concentrations of selenite (25 and 50 μmol·dm-3), selenium was
a prooxidant. The accumulation of lipid peroxidation products was enhanced and glutathione
concentration increased. Root elongation did not change in presence of 25 and 50 μmol·dm-3
selenite and selenate, respectively. However, selenite at dosage of 50 μmol·dm-3 exerted disturbance in root growth and morphology.