Анотація до роботи:

Колупаєв Ю.Є. Фізіолого-біохімічні механізми формування адаптивних реакцій рослин: роль активних форм кисню та іонів кальцію. – Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук за спеціальністю 03.00.12 – фізіологія рослин. Інститут фізіології рослин і генетики НАН України. – Київ, 2007

Сформульовано положення, згідно з яким керований окиснювальний стрес може виступати індуктором адаптивних реакцій рослинного організму, що призводять до підвищення стійкості до абіотичних стресорів. Запропоновано й експериментально обґрунтовано гіпотетичний механізм взаємодії АФК та іонів Са²⁺ як інтермедіатів запуску стресових і адаптивних реакцій рослин. Згідно з ним індукування стійкості відбувається за умови взаємозалежного зростання вмісту АФК і проникнення іонів кальцію в цитозоль.

Показано, що ефект підвищення стійкості рослин до абіотичних стресорів екзогенними саліциловою та абсцизовою кислотами й іонами кальцію реалізується з участю АФК. Доведено, що у виникненні окиснювального стресу, індукованого дією на рослинні тканини екзогенними саліциловою кислотою та пероксидом водню, задіяні кальцієві канали і кальмодулін.

Екзогенні індуктори окиснювального стресу здатні спричиняти підвищення активності антиоксидантних ферментів, особливо виразно цей ефект виявляється після ушкоджуючої дії стресорів. Обробка рослинних об’єктів агентами окиснювального стресу активує нагромадження поліфункціональних низькомолекулярних протекторів (проліну та розчинних вуглеводів). Показано, що антиоксиданти пригнічують їх накопичення, індуковане дією саліцилової кислоти та іонів кальцію.

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення важливої наукової проблеми в галузі фізіології стійкості рослин. Сформульовано положення, відповідно до якого керований окиснювальний стрес може виступати індуктором адаптивних реакцій рослинного організму, що призводять до підвищення стійкості до абіотичних стресорів, а не чинником пошкодження. Досліджені механізми виникнення в рослинних об’єктах ефекту окиснювального стресу за дії екзогенних АФК, СК та іонів кальцію. Запропоновано й експериментально обгрунтовано гіпотетичний механізм зв’язків між АФК та іонами кальцію як інтермедіатами запуску стресових і адаптивних реакцій рослин. Згідно з ним індукування стійкості відбувається за умови взаємозалежного зростання вмісту АФК і проникнення іонів кальцію в цитозоль. Визначені конкретні реакції, фізіологічно важливі для стійкості рослин до абіотичних стресорів, що розвиваються внаслідок керованого окиснювального стресу. До таких реакцій належать, зокрема, активація ферментативної антиоксидантної системи та нагромадження низькомолекулярних сполук-протекторів поліфункціональної дії.

1. Передадаптація рослин екзогенними чинниками (сигнальні сполуки та АБК) призводить до АФК- і кальційзалежної стимуляції комплексу реакцій, в результаті яких формується здатність рослин до адекватної відповіді на дію ушкоджуючих чинників (біохімічної і фізіологічної адаптації).

1. Вплив на інтактні рослини або їх ізольовані органи екзогенних пероксиду водню, СК, АБК та іонів кальцію спричиняє ефект окиснювального стресу (збільшення вмісту ендогенних АФК в тканинах та посилення інтенсивності ПОЛ), який за дії певних доз ефекторів є керованим і оборотним.

2. Агенти окиснювального стресу (екзогенний пероксид водню або індуктори утворення АФК – СК, АБК, Са²⁺) підвищують стійкість рослинних об’єктів до дії гіпертермії і високих концентрацій NaCl. Такі ефекти пригнічуються антиоксидантом іонолом, що є прямим свідченням участі АФК в передадаптації рослин до дії абіотичних стресорів.

3. Нагромадження АФК і розвиток окиснювального стресу у рослин під впливом СК і Са²⁺ зумовлені модифікацією активності про-/антиоксидантних ферментів, зокрема, пероксидази, СОД і каталази. Виникнення окиснювального стресу під впливом іонів кальцію відбувається за зростання активності гваяколпероксидази, передусім її іоннозв’язаної форми. Індукування окиснювального стресу СК включає в себе інгібування каталази та підвищення активності гваяколпероксидази при одночасному зростанні активності СОД, що призводить до збільшення вмісту в тканинах пероксиду водню.

4. Дія екзогенних пероксиду водню, СК та іонів кальцію як індукторів окиснювального стресу гальмується блокаторами Са²⁺-каналів, що свідчить про значення надходження іонів кальцію в цитозоль в процесах генерації АФК та пероксидації ліпідів.

5. Одночасна обробка рослинних тканин екзогенними кальцієм і пероксидом водню в нетоксичних концентраціях спричиняє розвиток некерованого окиснювального стресу, що має місце після дії ушкоджуючого чинника (нагрівання). АФК і продукти ПОЛ посилюють надходження Са²⁺ в цитозоль, а іони кальцію сприяють розвитку окиснювального стресу. Підтримання кальцієвого гомеостазу - важливий чинник регулювання окиснювально-відновного балансу в рослинних клітинах.

6. Передстресова обробка рослинних тканин індукторами утворення АФК (Са²⁺, СК або безпосередньо пероксид водню в нетоксичних концентраціях) зменшує інтенсивність ПОЛ за дії ушкоджуючих чинників (нагрівання, дія NaCl).

7. Обробка рослин агентами окиснювального стресу призводить до активації ферментативної системи антиоксидантного захисту за умов дії на рослини ушкоджуючих стресових чинників. Посилення активності цієї системи усувається антиоксидантами та інгібіторами білкового синтезу, що свідчить про участь АФК в індукуванні синтезу антиоксидантних ферментів в рослинних тканинах.

8. Обробка екзогенними антиоксидантами (іонол, ДМСО) підвищує стійкість рослин до абіотичних стресорів. Позитивний ефект ДМСО, на відміну від іонолу, що діє як «пастка» вільних радикалів, зумовлений його впливом на активність антиоксидантних ферментів.

9. Агенти окиснювального стресу здатні індукувати нагромадження в рослинах поліфункціональних низькомолекулярних протекторів – проліну і розчинних вуглеводів. Ці ефекти пригнічуються екзогенними антиоксидантами, що свідчить про участь АФК у формуванні таких захисних реакцій.

Публікації автора:

1. Колупаєв Ю.Є. Вплив екзогенних низькомолекулярних сполук на колеоптилі пшениці за умов сольового стресу // Физиология и биохимия культ. растений. – 1994. – Т. 26, № 1. – С. 56-61.

2. Колупаєв Ю.Є. Низькомолекулярні сполуки азоту в рослинах за умов стресів: особливості метаболізму та можливе фізіологічне значення // Физиология и биохимия культ. растений. – 1995. – Т. 27, № 5/6. – С. 324-335.

3. Колупаєв Ю.Є. Вплив диметилсульфоксиду на стійкість колеоптилів пшениці до теплового стресу // Физиология и биохимия культ. растений. – 1997. –Т. 29, № 4. – С. 265-270.

4. Колупаєв Ю.Є., Карпець Ю.В., Діденко С.Ю. Можливі механізми протекторної дії диметилсульфоксиду на рослинні тканини при жорсткому високотемпературному стресі // Биол. вестник. – 2000. – Т. 4, № 1-2. – С. 54-57.

5. Колупаєв Ю.Є. Реакція рослин на дію екстремальних факторів: неспецифічна складова та її фізіологічне значення // Фізіологія рослин на межі тисячоліть / Голов. ред. В.В.Моргун. - К.: Фітосоціоцентр, 2001.- Т. 2. - С. 190-193.

6. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В., Акинина Г.Е. Действие Са²⁺ на клетки колеоптилей озимой пшеницы в условиях высокотемпературного стресса // Вісн. Харк. націон. аграрн. ун-ту. Сер. Біологія. - 2002. - №9 (1). - С. 16-23.

7. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В. Влияние экзогенного кальция на интенсивность пероксидного окисления липидов в колеоптилях озимой пшеницы и их теплоустойчивость // Физиология и биохимия культ. растений. – 2003. – Т. 35, №1. – С. 68 – 74.

8. Колупаев Ю.Е., Акинина Г.Е., Мокроусов А.В., Сирота Н.И. Индукция салициловой кислотой окислительного стресса и теплоустойчивости растительных клеток // Вісник Харк. націон. аграрн. ун-ту. Сер. Біологія. - 2004 – Вип. 1(4). - С. 40-47.

9. Колупаев Ю.Е., Акинина Г.Е., Карпец Ю.В., Паталах И.И. Зависимость влияния экзогенного салицилата на активность гваяколпероксидазы и теплоустойчивость колеоптилей пшеницы от состояния Са²⁺-каналов // Вісник Харк. націон. аграрн. ун-ту. Сер. Біологія. – 2004. – Вип.2(5). - С. 52-56.

10. Колупаев Ю.Е., Акинина Г.Е. Изменение теплоустойчивости растительных клеток, вызываемое модификаторами интенсивности окислительных процессов // Физиология и биохимия культ. растений. - 2005. - Т. 37, № 1.- С. 66-72.

11. Колупаєв Ю.Є., Акініна Г.Є. Вплив Са²⁺ на компоненти системи антиоксидантного захисту в колеоптилях пшениці за умов теплового стресу // Живлення рослин: теорія і практика / Голов. ред. В.В.Моргун. - К.: Логос, 2005. - С. 71-81.

12. Колупаев Ю.Е., Акинина Г.Е., Мокроусов А.В. Индукция теплоустойчивости колеоптилей пшеницы ионами кальция и ее связь с окислительным стрессом // Физиология растений. – 2005. – Т. 52, № 2. – С. 227-232.

13. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В., Акинина Г.Е. Влияние салициловой кислоты и перекиси водорода на содержание пролина в колеоптилях пшеницы при тепловом и солевом стрессах // Вісн. Харків. націон. аграрн. ун-ту. Сер. Біологія. – 2005. – Вип. 1(6). С. 51-56.

14. Колупаєв Ю.Є., Акініна Г.Є. Вплив саліцилової кислоти на теплостійкість колеоптилів пшениці у зв’язку зі змінами окислювального метаболізму // Физиология и биохимия культ. растений. - 2005. - Т. 37, № 6. - С. 524-529.

15. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В. Генерация активных форм кислорода колеоптилями пшеницы при индуцировании их теплоустойчивости ионами кальция и салициловой кислотой // Вісник Харк. націон. аграрн. ун-ту. Сер. Біологія. - 2005. – Вип.2 (7). - С. 22-28.

16. Колупаєв Ю.Є., Карпець Ю.В., Акинина Г.Є. Вплив саліцилової кислоти на активність каталази і гваяколпероксидази колеоптилів пшениці за умов теплового стресу // Физиология и биохимия культ. растений. - 2006. - Т. 38, № 4. - С. 317-323.

17. Колупаєв Ю.Є., Карпець Ю.В. Індукування саліциловою кислотою тепло- і солестійкості проростків Triticum aestivum L. у зв’язку зі змінами прооксидантно-антиоксидантної рівноваги // Укр. ботан. журн. – 2006. – Т. 63, № 4. – С. 558-565.

18. Колупаєв Ю.Є., Мусатенко Л.І., Косаківська І.В., Карпець Ю.В. Вплив саліцилової кислоти і фітогормонів на теплостійкість сім’ядолей Cucumis sativus L. у зв’язку зі зрушеннями прооксидантно-антиоксидантної рівноваги // Укр. ботан. журн. – 2006. – Т. 63, № 6. – С. 837-843.

19. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В. Салицилатиндуцируемая генерация супероксида колеоптилями пшеницы зависит от кальциевого статуса их клеток // Вісн. Харків. націон. аграрн. ун-ту. Сер. Біологія. – 2006. – Вип. 1 (8). – С. 51-57.

20. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В. Супрессия антиоксидантом ионолом повышения теплоустойчивости проростков пшеницы, индуцируемого ионами кальция // Вісн. Харків. націон. аграрн. ун-ту. Сер. Біологія.– 2006. – Вип. 2 (9). - С. 21-30.

21. Колупаєв Ю.Є., Карпець Ю.В. Сумісний вплив іонів Са²⁺ та пероксиду водню на окислювальний метаболізм і теплостійкість колеоптилів пшениці // Физиология и биохимия культ. растений. – 2007. – Т. 39, № 1. – С. 66-72.

22. Колупаев Ю.Е. Кальций и стрессовые реакции растений // Вісн. Харків. націон. аграрн. ун-ту. Сер. Біологія. – 2007. – Вип. 1 (10). – С. 24-41.

23. Колупаєв Ю.Є., Карпець Ю.В. Активні форми кисню як посередники в індукуванні теплостійкості проростків пшениці саліциловою кислотою // Физиология и биохимия культ. растений. – 2007. – Т. 39, № 3. – С. 242-248.

24. Колупаєв Ю.Є., Карпець Ю.В. Активність супероксиддисмутази і каталази у колеоптилях пшениці за дії пероксиду водню і нагрівання // Физиология и биохимия культ. растений. – 2007. – Т. 39, № 4. – С. 319-325.

25. Колупаєв Ю.Є. Можлива роль супероксиддисмутази у саліцилатіндукованому нагромадженні пероксидів у колеоптилях Triticum aestivum L. // Укр. ботан. журн. – 2007. – Т. 64, № 2. – С. 270-278.

26. Колупаєв Ю.Є., Карпець Ю.В., Мусатенко Л.І. Участь активних форм кисню в індукуванні солестійкості проростків пшениці саліциловою кислотою // Доп. НАН України. – 2007. - № 6. – С. 154-158.

27. Колупаєв Ю.Є., Карпець Ю.В. Кальційзалежний вплив пероксиду водню на теплостійкість колеоптилів Triticum aestivum L. // Укр. ботан. журн. – 2007. – Т. 64, № 5. – С. 713-719.

28. Колупаєв Ю.Є., Карпець Ю.В. Антиоксидантна дія диметилсульфоксиду на проростки пшениці за теплового стресу // Вісн. Харків. націон. аграрн. ун-ту. Сер. Біологія. – 2007. – Вип. 2 (11). – С. 69-75.

29. Колупаєв Ю.Є. Стресові реакції рослин: молекулярно-клітинний рівень. – Х., 2001. – 171 с.

30. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В., Ястреб Т.О., Обозный А.И. Роль активных форм кислорода в индуцируемом экзогенным кальцием накоплении пролина в отрезках колеоптилей пшеницы // Вісн. Харків. націон. аграрн. ун-ту. Сер. Біологія. – 2007. – Вип. 1 (10). – С. 122-125.

31. Kolupaev Yu.E. Effect of antimetabolites and dimethylsulphoxide on the vegetable cell resistance against potentially lethal stresses // Annual symposium Physical-chemical basis of plant physiology. 5-8 Feb., 1996, Penza: Abstracts. – Pushchino, 1996. – P. 99.

32. Колупаєв Ю.Є. Початкові стресові реакції рослинної клітини // Мат-ли ХІ з’їзду Укр. ботан. тов-ва, Харків, 25-27 вересня 2001 р.,- Х., 2001.- С. 170-171.

33. Колупаєв Ю.Є., Карпець Ю.В., Акинина Г.Є Можливі механізми захисної дії Са²⁺ на рослинні клітини за умов теплового стресу // Проблеми сучасної екології: Тези міжнар. конф. (Запоріжжя, 24-26 червня 2002 р.). – Запоріжжя, 2002.- С. 106.

34. Kolupayev Yu.Ye., Akinina G.Ye., Mokrousov A.V. The influence of exogenic of Ca²⁺ and salicylic acid on lipid peroxidation process in plant cells and their heat resistance // Actual problems of botany and plant physiology. – Saransk: The Mordovian N.P. Ogariov State University, 2004. – P. 120-121.

35. Колупаєв Ю.Є., Акинина Г.Є., Мокроусов А.В. Модифікація показників прооксидантно-антиоксидантної рівноваги і теплостійкості рослинних клітин екзогенним Са²⁺ // Онтогенез рослин у природному та трансформованому середовищі. Фізіолого-біохімічні та екологічні аспекти. Тези Другої Міжнародної конференції. Львів, 18-21 серпня 2004 р.- Львів: Сполом, 2004.- С. 245.

36. Kolupayev Yu. Ye., Akinina G. Ye., Mokrousov A. V. Possible Mechanisms of Protective Effect of Salicilyc Acid on Plant Cell under Heat Stress // Growth and Development of Plans. Theoretical and Practical Problems : Abstract of international scientific conference (Babtai, 7–9 June, 2004) . – Babtai : Lithuan. Inst. of Horticult., 2004. – P. 46-47.

37. Колупаев Ю.Е., Акинина Г.Е., Карпец Ю.В. Кальций и клеточные механизмы устойчивости растений // Актуальные проблемы сохранения устойчивости живых систем: Мат-лы 8-й Международной научной экологический конференции, Белгород, 27-29 сентября 2004 г. - Белгород, 2004. - С. 90-91.

38. Колупаев Ю.Е., Акинина Г.Е., Сирота Н.И. Мокроусов А.В. Модификация теплоустойчивости растительных клеток салициловой кислотой и ее влияние на окислительный метаболизм // Актуальные проблемы сохранения устойчивости живых систем: Мат-лы 8-й Международной научной экологический конференции, Белгород, 27-29 сентября 2004 г. - Белгород, 2004.- С. 91-93.

39. Колупаєв Ю.Є., Карпець Ю.В., Акініна Г.Є. Екзогенна саліцилова кислота як Ca²⁺-залежний індуктор окислювального стресу і теплостійкості рослинних клітин // Сучасні проблеми фізіології та інтродукції рослин // Мат-ли Всеукр. наук.-практ. конф., Дніпропетровськ, 5-6 квітня 2005 р. - Дніпропетровськ, 2005.- С. 27-28.

40. Акініна Г.Є., Карпець Ю.В., Сирота М.І., Колупаєв Ю.Є. Саліцилова кислота індукує Са²⁺-залежний синтез пероксидази в колеоптилях пшениці // Укр. біохім. журн. – 2005. - Т. 77, № 5. - С. 133.

41. Колупаєв Ю.Є., Карпець Ю.В. Роль іонів Са²⁺ у розвитку окиснювального стресу в рослинних клітинах // Мат-ли XII з’їзду Укр. ботан. тов-ва, Одеса, 15-18 травня 2006 р. – Одеса, 2006. – С. 452-453.

42. Kolupaev Yu.Ye, Karpets Yu.V. Influence of salicylic and ionol on heat and salt resistance of wheat plantlets in connection with formation of reactive oxygen species // XV FESPB Congress Federation of European Societies of Plant Biology: Book in Abstracts, Lyon, 17-21 July 2006. – Lyon, 2006. – P. 167.

43. Колупаєв Ю.Є. Супресія іонолом підвищення теплостійкості проростків пшениці, індукованого саліциловою кислотою // Матеріали IX Укр. біохім. з’їзду, Харків, 24-27 жовтня 2006 р. – Х., 2006. – С. 79-80.

44. Карпець Ю.В., Колупаєв Ю.Є. Можлива роль кальцієвого статусу рослинних клітин у виникненні саліцилатіндукованого „окиснювального спалаху” // Матеріали IX Укр. біохім. з’їзду, Харків, 24-27 жовтня 2006 р. – Х., 2006. – С. 128-129.

45. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В. Генерация супероксидного радикала колеоптилями пшеницы при действии перекиси водорода и нагрева // Сучасні проблеми біології, екології та хімії: Міжнар. конф., 29 березня – 1 квітня 2007 р. – Запоріжжя, 2007. - Ч. 2. – С. 552-554.

46. Карпець Ю.В., Колупаєв Ю.Є. Індукція теплостійкості різних видів рослин екзогенною саліциловою кислотою // Сучасні проблеми біології, екології та хімії: Міжнар. конф., 29 березня – 1 квітня 2007 р. – Запоріжжя, 2007. - Ч. 1. – С. 41-42.

47. Колупаєв Ю.Є., Карпець Ю.В., Ястреб Т.О. Вплив диметилсульфоксиду на теплостійкість проростків пшениці у зв’язку з його антиоксидантними ефектами // Сучасні проблеми фізіології та інтродукції рослин. Мат-ли Всеукр. науково-практ. конф., Дніпропетровськ, 22-23 травня 2007 р. – Дніпропетровськ, 2007. – С. 68-69.

48. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В. Возможная роль активных форм кислорода в индуцировании теплоустойчивости проростков пшеницы экзогенным кальцием // Современная физиология растений: от молекул до экосистем. Мат-лы докл. Междунар. конф. (Сыктывкар, 18-24 июня 2007 г.). – Сыктывкар, 2007. – Ч. 2. - С. 200-202.

49. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В. Влияние салициловой кислоты на активность про/антиоксидантных ферментов в колеоптилях пшеницы и их теплоустойчивость // Современная физиология растений: от молекул до экосистем. Мат-лы докл. Междунар. конф. (Сыктывкар, 18-24 июня 2007 г.). – Сыктывкар, 2007. – Ч. 2. - С. 198-200.

50. Kolupaev Yu. Probable mechanisms of the heat resistance induction of wheat coleoptiles by exogenous hydrogen peroxide // Онтогенез рослин у природному та трансформованому середовищі. Фізіолого-біохімічні та екологічні аспекти: Тези Третьої Міжнар. конф. – Львів, 2007. – С. 191.

51. Kolupaev Yu., Karpets Yu., Kosakivska I., Musatenko L. Salicylic acid increases the salt resistance of wheat plantlets with the participation of reactive oxygen species // Онтогенез рослин у природному та трансформованому середовищі. Фізіолого-біохімічні та екологічні аспекти: Тези Третьої Міжнар. конф. – Львів, 2007. – С. 192.

52. Колупаєв Ю.Є., Карпець Ю.В., Косаківська І.В. Роль змін про-/антиоксидантної рівноваги і кальцієвого статусу рослинних клітин при індукуванні їх терморезистентності екзогенною саліциловою кислотою // 2-ий з’їзд Українського товариства клітинної біології: Збірник тез. – К., 2007. - С. 227.