Роль экзогенного воздействия кофейной кислоты на растения ячменя

Аннотация

В настоящее время остается малоизученной физиолого-биохимическая роль отдельных групп фенолов, обладающих высокой биологической активностью. Так, функции гидроксикоричных кислот, относящихся к фенилпропаноидам, в частности кофейной кислоты (КК), остаются невыясненными. Цель данной работы заключалась в изучении действия разных концентраций кофейной кислоты на продуктивность ячменя, как в обычных условиях развития растений, так и в присутствии солевого стресса.

В серии лабораторных экспериментов с использованием разных тест-культур и в вегетационном опыте на растениях ярового ячменя Hordeum vulgare L. исследовалось влияние кофейной кислоты. Активность разных концентраций кофейной кислоты устанавливали с использованием нескольких методических подходов по фитотестированию: экспресс-методом в чашках Петри; в пластиковых плоских планшетах апликатным способом; в условиях выращивания растений в водных растворах.

Вегетационный опыт проводили на серой лесной среднесуглинистой почве с содержанием органического вещества 3,8%, слабокислой реакцией почвенного раствора (рН_KCl 5,9). В фазу 2–3-го листа вносили раствор NaCl (7,5 г×л^-1). Обработку растений кофейной кислотой проводили фолиарно один раз в фазу кущения. В опыте использовали три концентрации КК, обоснованные по результатам предварительных лабораторных экспериментов: 100 мкМ, 50 мкМ, 10 мкМ. В фазу начала трубкования провели уборку растений ячменя и отбор почвенных образцов.

В сухой растительной массе определяли содержание калия, натрия и общего азота. Для определения содержания хлорофилла и каротиноидов использовали флаговый лист растений.

По результатам фитотестирования установлено, что для однодольных и двудольных культур наибольшая активность проявляется в вариантах с наименьшими концентрациями КК (10 и 25 мкМ), тогда как более высокие концентрации КК (50 и 100 мкМ) существенно снижают все тест-показатели.

По результатам вегетационного опыта установлено, что кофейная кислота не оказывает достоверного стимулирующего действия. В условиях хлоридно-натриевого засоления с использованием высокой концентрации КК (100 мкМ) происходит незначительное повышение в почве содержания калия. Содержание же натрия в почве с применением КК снизилось. Общая масса растений в расчете на сосуд достоверно снизилась с 1,25 г/сосуд до 0,25 г/сосуд. Без применения NaCl обработка КК не сопровождалась достоверными изменениями массы ячменя.

Содержание хлорофилла (а и b) в контрольном варианте составляло 1,83 мг×г^–1 сырого материала, что существенно ниже по сравнению с его содержанием в листьях растений, которые были обработаны КК: 4,03 (концентрация КК 10 мкМ) и 3,14 мг×г^–1 (концентрация КК 100 мкМ). На фоне внесения NaCl содержание суммы хлорофиллов a и b снизилось до 0,24 мг×г^–1, а при обработке растений КК увеличилось: с 1,26 при низкой концентрации КК (10 мкМ) до 2,14 мг×г^–1 при высокой (100 мкМ). Использование КК в концентрации 100 мкМ сопровождалось увеличением содержания каротиноидов от 0,22 до 0,61 и на фоне засоления от 0,16 до 0,38 мг×г^–1.

Таким образом, использование КК для обработки растений в период вегетации в условиях засоления влияет на изменение физиологических процессов, что способствует их адаптации.

Литература

1.               Антонюк Т.М., Косян А.М., Таран Н.Ю. Флавоноиды как биомаркеры абиотического стресса // Фенольные соединения: фундаментальные и прикладные аспекты / Под ред. Н.В. Загоскиной, Е.Б. Бурлаковой. М., 2010.

2.               Воронина Л.П., Терехова В.А., Морачевская Е.В. Фитотестирование в экологическом контроле. М., 2020.

3.               Ковалев Н.И. Применение гидроксикоричных кислот на лекарственных культурах // Агрохимия. 2022. Т. 8.

4.               Куликова Н.А., Филиппова О.И., Зиганшина А.Р. Эффективность праймирования семян пшеницы наночастицами серебра: влияние продолжительности обработки и стабилизирующего агента // Проблемы агрохимии и экологии. 2021. № 3–4.

5.               Куркина А.В. Флавоноиды как критерий качества лекарственного сырья и препаратов фармакопейных растений // Фенольные соединения: фундаментальные и прикладные аспекты. М., 2012.

6.               Макеева И.Ю., Сдержикова А.С., Бычков И.А. и др. Физиолого-биохимические ответы Solanum tuberosum на действие кофейной кислоты // Актуальные проблемы естественнонаучного образования, защиты окружающей среды и здоровья человека. 2016. 2(2).

7.               Малый практикум по физиологии растений: Учебное пособие / Под ред. А.Т. Мокроносова. М., 1994.

8.               Мировая система почвенной классификации для диагностики почв и создания легенд почвенных карт. Исправленная и дополненная версия 2015 / Пер. И.А. Спиридоновой. Под ред. М.И. Герасимовой, П.В. Красильникова. М., 2017.

9.               Никитин Б.А. Метод определения гумуса почвы // Агрохимия. 1999. Т. 3.

10.            Носов А.М. Вторичный метаболизм // Физиология растений / Под ред. И.П. Ермакова. М., 2005.

11.            Петрова Н.В., Медведева Н.А., Буданцева А.Л. и др. Содержание кофейной, розмариновой и хлорогеновой кислот в листьях некоторых видов семейства Бурачниковых (Boraginacere) // Химия растительного сырья. 2015. № 1.

12.            Прусакова Л.Д., Кефели В.И., Белопухов С.Л. и др. Роль фенольных соединений в растениях // Агрохимия. 2008. № 7.

13.            Серегина И.И., Сучкова Е.В. Возможность применения регуляторов роста для снижения негативного действия кадмия на рост, развитие и продуктивность яровой пшеницы // Бюлл. ВИУА. 2003. № 118.

14.            Barkosky R.R., Einhellig F.A., Butler J.L. Caffeic acid-induced changes in plant–water relationships and photosynthesis in leafy spurge Euphorbia esula // J. of Chemical Ecology. 2000. Vol. 26.

15.            Douglas C.J. Phenylpropanoid metabolism and lignin biosynthesis: from weeds to trees // Trends Plant Sci. 1996. Vol. 1. https://doi.org/10.1016/1360-1385(96)10019-4

16.            El-Awadi M.E.S., Mona G.D., Yasser R.A.-B. et al. Investigations of growth promoting activity of some phenolic acids // Agricultural Engineering International: CIGR Journal. 2017. Special issue.

17.            Isayenkov S.V., Maathuis F.J.M. Plant salinity stress: many unanswered questions remain // Frontiers in Plant Science. 2019. Vol. 10.

18.            Klein A., Keyster M., Ludidi N. Caffeic acid decreases salinity-induced root nodule superoxide radical accumulation and limits salinity-induced biomass reduction in soybean // Acta Physiol. Plant. 2013. Vol. 35. https://doi.org/10.1007/s11738-013-1339-1

19.            Liu J., Wang X., Bai R. et al. Synthesis, characterization, and antioxidant activity of caffeic‐acid‐grafted corn starch // Starch‐Stärke. 2018. Vol. 70(1–2).

20.            Mehmood H, Abbasi G.H, Jamil M. et al. Assessing the potential of exogenous caffeic acid application in boosting wheat (Triticum aestivum L.) crop productivity under salt stress // PLoS ONE. 2021. Vol. 16(11): e0259222. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0259222

21.            Merlani M., Barbakadze V., Amiranashvili L. et al. New caffeic acid derivatives as antimicrobial agents: design, synthesis, evaluation and docking. // Current Topics in Medicinal Chemistry. 2019. Vol. 19(4).

22.            Riaz U., Kharal M.A., Murtaza G. et al. Prospective roles and mechanisms of caffeic acid in counter plant stress: A mini review // Pakistan Journal of Agricultural Research. 2019. Vol. 32(1).

23.            Sidoryk K., Jaromin A., Filipczak N. et al. Synthesis and Antioxidant Activity of Caffeic Acid Derivatives // Molecules. 2018. Vol. 23, 2199. https://doi.org/10.3390/molecules23092199

24.            Vogt Th. Phenylpropanoid biosynthesis. // Molecular Plant 3.1. 2010. https://doi.org/10.1093/mp/ssp106

25.            Voronina L.P., Doneryan L.G., Ponogaybo K.E. Indicators of soil and snow mass exposed to deicing agents for improving the system of hygienic regulation and pollution control // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 862. 012034 https://doi.org/10.1088/1755-1315/862/1/012034

26.            Wan Y., Zhang Y., Zhang L. et al. Caffeic acid protects cucumber against chilling stress by regulating antioxidant enzyme activity and proline and soluble sugar contents // Acta Physiologiae Plantarum. 2015. Vol. 37(1).

27.            Zafar-ul-Hye M., Nawaz M.S., Asghar H. et al. Caffeic acid helps to mitigate adverse effects of soil salinity and other abiotic stresses in legumes // Journal of Genetics and Genomes. 2020. Iss. 4.

28.            Isayenkov S.V., Maathuis F.J.M. Plant salinity stress: many unanswered questions remain // Frontiers in Plant Science. 2019. Vol. 10.