triticum aestivum l.) orgĀnu attĪstĪbu...

73
Daugavpils Universitāte Ekoloģijas institūts Daugavpils University Institute of Ecology MARINA SAVICKA KARSTUMA STRESA IETEKME UZ KVIEŠU DĪGSTU (TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UN OKSIDATĪVO PROCESU IZMAIŅĀM THE INFLUENCE OF HEAT STRESS ON DEVELOPMENT AND OXIDATIVE PROCESSES IN THE ORGANS OF WHEAT SEEDLINGS (TRITICUM AESTIVUM L.) Promocijas darba KOPSAVILKUMS bioloģijas doktora zinātniskā grāda (Dr. biol.) iegūšanai (ekoloģijas apakšnozarē) SUMMARY Of Doctoral thesis For obtaining of Doctor of Biology (Dr.biol.) scientific degree in sub-branch of Ecology Zinātniskais vadītājs: Dr.biol., asoc. profesore Nataļja Škute Scientific adviser: Dr. biol., asoc. professor Nataļja Škute Daugavpils 2013

Upload: others

Post on 16-Jan-2020

15 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

Daugavpils Universitāte

Ekoloģijas institūts

Daugavpils University

Institute of Ecology

MARINA SAVICKA

KARSTUMA STRESA IETEKME UZ KVIEŠU DĪGSTU

(TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UN

OKSIDATĪVO PROCESU IZMAIŅĀM

THE INFLUENCE OF HEAT STRESS ON DEVELOPMENT AND

OXIDATIVE PROCESSES IN THE ORGANS OF WHEAT

SEEDLINGS (TRITICUM AESTIVUM L.)

Promocijas darba

KOPSAVILKUMS

bioloģijas doktora zinātniskā grāda (Dr. biol.) iegūšanai

(ekoloģijas apakšnozarē)

SUMMARY

Of Doctoral thesis

For obtaining of Doctor of Biology (Dr.biol.) scientific degree

in sub-branch of Ecology

Zinātniskais vadītājs: Dr.biol., asoc. profesore Nataļja Škute

Scientific adviser: Dr. biol., asoc. professor Nataļja Škute

Daugavpils 2013

Page 2: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

2

Promocijas darbs izstrādāts: Daugavpils Universitātes Ekoloģijas institūta laika periodā no

2006. līdz 2012. gadam.

Ieguldījums tavā nākotnē!

Promocijas darbu atbalstīja: Šis darbs ir izstrādāts ar Eiropas Sociālā fonda atbalstu projektos

„Atbalsts doktorantūras studijām un pēcdoktorantūras pētījumiem dabas zinātnēs un informācijas

tehnoloģijās” (Vienošanās Nr. 2004/VPD1/ESF/PIAA/04/NP/3.2.3.1/0003/0065) un

„Starpdisciplinārās zinātniskās grupas izveidošana jaunu fluorescentu materiālu un metožu

izstrādei un ieviešanai” (Vienošanās Nr. 2009/0205/1DP/1.1.1.2.0/09/APIA/VIAA/152)

Darba raksturs: promocijas darbs bioloģijas nozares ekoloģijas apakšnozarē.

Promocijas darba zinātniskais vadītāja:

Dr. biol., Nataļja Škute (Daugavpils Universitāte, Latvija)

Recenzenti:

Dr. habil. biol., Ģederts Ieviņš (Latvijas Universitāte)

Dr.biol., Inese Kokina (Daugavpils Universitāte)

PhD., Tatjana Krama (Daugavpils Universitāte)

Promocijas padomes priekšsēdētājs: Dr. biol., profesors Arvīds Barševskis

Promocijas darba aizstāvēšana notiks: Daugavpils Universitātes Bioloģijas Promocijas

padomes atklātajā sēdē 2013. gada 17. aprīlī, plks. 13.00, Vienības ielā 13, 311. Auditorijā,

Daugavpils Universitātē, Daugavpilī.

Ar promocijas darbu un tā kopsavilkumu var iepazīties Daugavpils Universitātes bibliotēkā,

Vienības 13, 116. auditorijā, Daugavpilī un http://du.lv/lv/zinatne/promocija/darbi

Atsauksmes sūtīt: Promocijas padomes sekretārei, Vienības iela 13-209, Daugavpils, LV-5401;

mob. +37126002593; e-pasts: [email protected].

Padomes sekretāre: Dr. biol., Jana Paidere, Daugavpils Universitātes pētniece.

Page 3: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

3

Doctoral thesis elaborated at Institute of Ecology, Daugavpils University in time period from

2006 to 2012.

Ieguldījums tavā nākotnē!

The promotion thesis has been supported by the European Social Fund within the projects Nr.

2004/VPD1/ESF/PIAA/04/NP/3.2.3.1/0003/0065 and

Nr. 2009/0205/1DP/1.1.1.2.0/09/APIA/VIAA/152

Character of the paper: Doctoral thesis in the branch of Biology, sub-branch of Ecology.

Scientific adviser of the Doctoral Thesis:

Dr. biol., Nataļja Škute (Daugavpils University, Latvia)

Reviewers:

Dr. habil.biol., Ģederts Ieviņš (University of Latvia)

Dr.biol., Inese Kokina (Daugavpils University)

PhD, Tatjana Krama (Daugavpils University)

Chairman of the Promotion Council: Dr. biol., professor Arvīds Barševskis

Defence of Doctoral thesis will take place in the open meeting of Daugavpils University

Promotion Council of Biology in 17th

April, 2013, Vienības street 13, 311 room in Daugavpils.

The thesis and summary is available at the Library of Daugavpils University, Vienības street 13,

116 room, Daugavpils and http://du.lv/lv/zinatne/promocija/darbi

Comments are welcome. Send them to the secretary of the Promotion Council, Vienības street

13-209, Daugavpils, LV-5401, mob. +37126002593, e-mail: [email protected].

Secretary of the Promotion Council: Dr.biol., Jana Paidere, Daugavpils University.

Page 4: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

4

SATURS/CONTENTS

IEVADS ..................................................................................................................................................... 5

MATERIĀLI UN METODES ................................................................................................................... 9

REZULTĀTI ............................................................................................................................................11

DISKUSIJA..............................................................................................................................................27

SECINĀJUMI ..........................................................................................................................................35

INTRODUCTION ....................................................................................................................................37

MATERIALS AND METHODS .............................................................................................................41

RESULTS ................................................................................................................................................44

DISCUSSION ..........................................................................................................................................61

CONCLUSIONS ......................................................................................................................................70

REFERENCES/ LITERATŪRAS SARAKSTS ......................................................................................71

Page 5: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

5

IEVADS

Pētījuma aktualitāte

Klimatiskās stabilitātes izmaiņas un anomālo laika apstākļu varbūtība padara par aktuālu augu

pielāgošanās reakciju pētījumus. Viena no klimata izmaiņām ir paaugstināta vidējā temperatūra.

Karstuma stresa problēma tiek prognozēta arī nākotnē. Pēc meteorologu prognozēm vidējā

temperatūra pasaulē paaugstināsies par 1,5°C līdz 4,5°C nākamo 50 gadu laikā (Bengtsson,

1994). Turklāt daudzi reģioni piedzīvos neraksturīgas karstuma stresa epizodes (dažu dienu

temperatūras paaugstināšanos līdz 35-40°C) gada laikā (Wrigley, 2006). Tas paaugstinās

karstuma stresa izraisīto bojājumu intensitāti daudzām mērenā klimata zonas augu sugām

(Huang, 2006).

Viena no pirmajām auga atbildēm uz stresa faktora iedarbību, tajā skaitā uz karstuma stresu, ir

pastiprināta aktīvā skābekļa formu (ASF) produkcija un rezultātā membrānu lipīdu peroksidācijas

procesu aktivācija (Dat et al., 1998). Lipīdu peroksidācijas paaugstināšanās izraisa būtiskus

membrānu bojājumus (Барабой и др., 1991). Oksidatīvo procesu apvaldīšanai ir nepieciešama

antioksidantu sistēmas iejaukšanās. Antioksidantu sistēmas aktivitāte var paaugstināties stresoru

darbības laikā. Tas novērš oksidatīvos membrānu bojājumus un šūnu bojāeju (Goyal, Asthir,

2010). Augu izturību pret karstuma stresu nosaka attiecība starp lipīdu peroksidācijas līmeni un

antioksidantu sistēmas aktivitāti. Tāpēc, lai noskaidrotu auga un atsevišķu orgānu reakciju uz

konkrēta vides faktora iedarbību, nepieciešams izpētīt katru vides faktoru atsevišķi. Augu atbildes

mehānismu stresa apstākļos un izturības iegūšanas noskaidrošanai ir milzīga praktiska nozīme.

Augu izturības veidošanās procesā pret katru vides faktoru ir svarīgas ne tikai specifiskās

reakcijas, kas ir atkarīgas no faktora iedarbības īpatnībām un auga sugas, bet arī nespecifiskās

šūnu reakcijas, kas rodas jebkuru nelabvēlīgo faktoru rezultātā. Dīgstu stadija ir visjūtīgākais un

viskritiskākais periods augu ontoģenēzē, īpaši pret apkārtējās vides stresiem (Çavusoglu &

Kabar, 2012).

Augu mitohondrijiem ir liela nozīme atbildes laikā uz stresu, par to liecina mitohondriālās

homeostāzes izjukšana un rezultātā mitohondriālā ASF veidošanās. Mitohondriālo caurlaidību

regulējošo poru atvēršanos var iniciēt daudzi faktori, piemēram, šūnas bojājumi, oksidatīvais

stress u.c. (Lord et al., 2011). Ciklosporīns A (CsA) ir atgriezenisks mitohondriālo poru

atvēršanās inhibitors ne tikai dzīvnieku šūnās, bet arī augu šūnās. Tas bloķē mitohondriālo poru

atvēršanos un kavē šūnas nāvi (Arpagaus et al., 2002). Tika parādīts, ka CsA ir spēcīgs oksidatīvā

stresa inducētājs dzīvnieku šūnās. Tas piedalās ASF veidošanā un rezultātā var mainīt lipīdu

Page 6: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

6

peroksidācijas līmeni dzīvnieku audos (Nagaraja et al., 2009). Ir arī daži dati, ka CsA kavē ASF

veidošanos augu šūnās stresa laikā (Lin et al., 2006). Tomēr literatūrā gandrīz nav datu par CsA

ietekmi uz augu šūnu oksidatīvo stāvokli un antioksidantu sistēmas darbību stresa faktoru

iedarbības laikā. Sakarā ar to, izraisa lielu interesi dzīvnieku šūnu oksidatīvo procesu modulatora

CsA ietekmes pētījumi uz lipīdu peroksidāciju un antioksidantu sistēmas aktivitāti dažādos augu

orgānos karstuma stresa iedarbības laikā.

Pētījuma novitāte

Pētījumu rezultāti būtiski papildina un paplašina esošo priekšstatu par karstuma stresa lomu

oksidatīvo procesu attīstībā funkcionāli dažādos augu orgānos.

Pirmo reizi tika veikta morfo-fizioloģisko parametru (garums, relatīvā sausā masa, vasas/saknes

attiecība, relatīvais ūdens saturs) kompleksa analīze karstuma stresa laikā. Līdz šim daudzi

morfo-fizioloģiskie parametri tika izmantoti kā ūdens deficīta un sāļu stresa rādītāji, bet karstuma

stresa pētījumos gandrīz netika pielietoti, piemēram, saknes/vasas attiecība, relatīvā sausā masa,

relatīvais augšanas indekss u.c.

Pirmo reizi tika veikti karstuma stresa inducēto antioksidantu fermentu elektroforētiskās

aktivitātes izmaiņas pētījumi funkcionāli dažādos kviešu dīgstu orgānos dažādās dīgstu attīstības

stadijās

Pirmo reizi tika izpētīta dzīvnieku mitohondriālo poru atvēršanās inhibitora Cs A ietekme uz

funkcionāli dažādiem kviešu dīgstu orgāniem dažādās dīgstu attīstības stadijās karstuma stresa

laikā

Pirmo reizi tika salīdzināta atbildes reakcija uz karstuma stresa iedarbību funkcionāli dažādos

kviešu dīgstu orgānos, kas atrodas dažādās ontoģenēzes stadijās.

Galvenās hipotēzes

1. Karstuma stresa iedarbība kavē augšanu un attīstību, veicina oksidatīvo procesu attīstību

un samazina antioksidantu sistēmas aktivitāti dīgstu attīstības stadijā.

2. Cikolsporīna A klātbūtne pastiprina karstuma stresa ietekmi uz oksidatīvo procesu

attīstību dīgstu attīstības stadijā.

Darba mērķis:

Analizējot kviešu dīgstu orgānu morfo-fizioloģiskās un bioķīmiskās izmaiņas, kuras izraisītas ar

īslaicīga un ilglaicīga karstuma stresa iedarbību dažādās dīgstu attīstības stadijās, noskaidrot

funkcionāli dažādu kviešu dīgstu orgānu atbildi uz oksidatīvo procesu izmaiņām

Page 7: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

7

Galvenie uzdevumi:

1. Izpētīt īslaicīga un ilglaicīga karstuma stresa ietekmi uz etiolēto kviešu dīgstu augšanu un

attīstību agrīnajā un vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā funkcionāli dažādos orgānos.

2. Izpētīt morfo-fizioloģisko parametru (garums, relatīvā sausā masa, vasas/saknes attiecība,

relatīvais ūdens saturs) izmaiņas etiolēto kviešu dīgstu orgānos karstuma stresa iedarbības

laikā.

3. Izpētīt membrānu lipīdu peroksidācijas procesu un membrānu stabilitātes izmaiņas dažāda

ilguma karstuma stresa iedarbības rezultātā kviešu dīgstu orgānos.

4. Analizēt atsevišķo kviešu dīgstu orgānu aizsargreakcijas, nosakot antioksidantu fermentu

elektroforetisko aktivitāti.

5. Izpētīt proteīnu kvalitatīvās izmaiņas kviešu dīgstu orgānos dažāda ilguma karstuma stresa

iedarbības laikā.

6. Izpētīt mitohondriālo caurlaidību regulējošo poru atvēršanās inhibitora ciklosporīna A ietekmi

uz lipīdu peroksidācijas, membrānu stabilitātes un antioksidantu fermentu elektroforētiskās

aktivitātes izmaiņām etiolēto kviešu dīgstu orgānos karstuma stresa iedarbības laikā.

Promocijas darba aprobācija

Par promocijas darba rezultātiem ziņots 11 starptautiskajās zinātniskajās konferencēs un 1

vietējas nozīmes zinātniskajā konferencē:

5th Baltic Congress of Genetics (Kaunas, Lithuania, 19.-22.2012): ‘The Synthesis of

Different Isoforms of Antioxidant Enzymes as a Reaction on Heat Stress in Different

Wheat Organs (Triticum aestivum L.)’

Development and Application of New Fluorescent Materials and Methods (Daugavpils,

Latvia, 12.09.2012): ‘The Influence of High Temperature on Oxidative Processes and

Accelerated Senescence in Wheat Seedling (Triticum aestivum L.) Coleoptile’

V International Conference of Young Scientists ‘Biodiversity. Ecology. Adaptation.

Evolution.’ (Odesa, Ukraine, 13. – 17.06.2011): Impact of Heat Stress on Development of

Senescent Organs of Wheat Seedlings (Triticum aestivum L.): Biochemical and

Morphological Changes.

6th International Conference „Research and Conservation of Biological Diversity in

Baltic Region” (Daugavpils, Latvia 28.-29.04.2011): ‘High-temperature Injury in Relation

to Membrane Lipid Peroxidation in Different Organs of Wheat Seedlings (Triticum

aestivum L.)’

Page 8: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

8

V International Young Scientists’ Conference ‘Biology: from a Molecule up to the

Biosphere’ (Kharkiv, Ukraine, 22.-25.11.2010): ‘Effects of Heat Stress on Oxidative

Damage and Morphological Changes in Wheat Seedlings (Triticum aestivum L.)’

5th International Conference „Research and Conservation of Biological Diversity in

Baltic Region” (Daugavpils, Latvia 22.-24.04.2009): ‘Superoxide Dismutase and Catalase

Electrophoretic Activity and Lipid Peroxidation in Wheat Seedlings (Triticum aestivum

L.) after Heat Stress’

3rd International Young Scientists’ Conference ‘Biology: from a Molecule up to the

Biosphere’ (Kharkiv, Ukraine, 18.-21.11.2008): ‘Lipid Peroxidation and Antioxidant

Activity in Wheat (Triticum aestivum L.) Seedlings in Response to Heat Shock’

International Life-Sciences Conference (Warsaw, Poland 10.-14.09.2008): ‘The Effect of

Heat Stress on the Activity of Antioxidant Enzymes and Lipid Peroxidation in Wheat

(Triticum aestivum L.) Seedlings’

50th International Scientific Conference of Daugavpils University (Daugavpils, Latvia,

05.-17.05.2008): ‘The effect of short-term and long-term influence of heat shock on

production of reactive oxygen species and growth of wheat (Triticum aestivum L.)

seedlings’

IV Baltic Genetical Congress (Daugavpils, Latvia, 09.-12.10.2007): ‘Influence of some

antioxidants on enzyme activity and electrophoretic pattern of isoenzymes of superoxide

dismutase and catalase in wheat seedlings (Triticum aestivum L.)’

World Conference of Stress (Budapest, Hungary, 23.-26.08.2007): ‘Influence of

antioxidants on some stages of oxidative stress in plant cells of wheat and barley

seedlings’

4th International Conference „Research and Conservation of Biological Diversity in

Baltic Region” (Daugavpils, Latvia, 25.-27.04.2007): ‘Some molecular mechanisms of

oxidative stress in plant cells of wheat seedlings’

Darba galvenie rezultāti ir atspoguļoti 4 zinātniskos rakstos:

Savicka M., Škute N. 2012. Some morphological, physiological and biochemical

characteristics of wheat seedling Triticum aestivum L. organs after high-temperature

treatment. Ekologija. 58(1): 9-21.

Page 9: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

9

Savicka M., Škute N. 2010. Effects of high temperature on malondialdehyde content,

superoxide production and growth changes in wheat seedlings (Triticum aestivum L.).

Ekologija. 56(1-2): 26-33.

Shkute N., Savicka M. 2009. Influence of mammalian imunodepresant cyclosporin A on

some molecular processes of plant senescence. Acta Biologica Univiversit. Daugavp. 9

(2): 283-290.

Savicka M., Škute N. 2008. The influence of heat shock on production of reactive oxygen

species and growth of wheat (Triticum aestivum L.) seedlings. Proceedings of the 50th

International Scientific Conference of Daugavpils University. 79-88.

Promocijas darba apjoms un struktūra

Darba apjoms ir 169 lpp. Tajā ir 76 attēli un 6 tabulas. Darbā ir citēti 286 literatūras avoti un 1

internēta avots. Darba struktūru veido ievads, literatūras apskats, materiāli un metodes, rezultāti,

diskusija, secinājumi, literatūras saraksts un 3 pielikumi. Darba materiālu un metožu apraksts,

galvenie rezultāti to analīze un secinājumi apkopoti šajā kopsavilkumā.

MATERIĀLI UN METODES

Pētījumu objekts

Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās bioloģijas pētījumu modelis,

jo graudaugiem ir raksturīga sinhrona augšana un attīstība visas ontoģenēzes laikā. Pētījumiem

tika izmantoti kviešu šķirnes „Harmonija” etiolēto dīgstu orgāni, t.i., pirmā lapa, koleoptile un

sakne. Kviešu dīgstu saknes tika izmantotas tāpēc, ka augstas temperatūras ietekme uz saknēm

izraisa visa auga novecošanos. Pirmā lapa un koleoptile tika izmantotas tāpēc, ka pirmā lapa ir

attīstošs orgāns, bet koleoptile ir novecojošs kviešu dīgstu orgāns.

Augstas temperatūras un ciklosporīna A (1 mg/l) iedarbība

Karstuma stresa (KS) efekts tika iegūts paaugstinot temperatūru no 26°C līdz 42°C. Kviešu

dīgsti tika pakļauti īslaicīgam (15, 30 un 60 minūšu) un ilglaicīgam (24 stundu) KS agrīnajā un

vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā (četras un septiņas dienas veci dīgsti attiecīgi). Pirmās lapas,

koleoptiles un saknes mērījumiem tika savāktas uzreiz pēc KS un ar 24 stundu intervālu pēc KS.

Tika veikti biometrisko parametru mērījumi, lipīdu peroksidācijas produktu – malondialdehīda

(MDA) un diēnu konjugātu (DK) un elektrolītu noplūdes (EN) noteikšana, summāro proteīnu

daudzuma izmaiņu un antioksidantu enzīmu elektroforētiskās aktivitātes pētījumi.

Page 10: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

10

Sākot no 1. dienas kviešu dīgsti audzēti CsA (1 mg/l) klātbūtnē. MDA, EN, summāro proteīnu un

antioksidantu fermentu elektroforētiskās aktivitātes izmaiņas kviešu dīgstu orgānos agrīnajā

dīgstu attīstības stadijā tika pētītas CsA kombinācijā ar dažāda ilguma KS.

Augšanas parametru mērījumi

Pirmās lapas, koleoptiles garums un maksimālais saknes garums tika noteikts milimetros. Visi

rezultāti ir vidējie no trim neatkarīgiem mērījumiem. Kopumā morfometriskie mērījumi tika

veikti 5310 kviešu dīgstiem.

Pirmās lapas, koleoptiles un saknes svaigā (SvM), turgorā (TM) un sausā masa (SM) tika noteikta

uzreiz pēc KS, kā arī ar 24 stundu intervālu pēc KS (Ali et al., 2009).

Relatīvā sausā masa (RSM) tika aprēķināta, izmantojot vienādojumu (Ali et al., 2009):

Saknes/Vasas (S/V) attiecība tika aprēķināta, izmantojot vienādojumu (Worku, Astatkie, 2010):

, kur SSM – saknes SM; LSM – lapas SM; KSM – koleoptiles SM.

Relatīvais augšanas indekss (RAI) tika aprēķināts, izmantojot vienādojumu (Bhattacharjee,

Mukherjee, 2003):

Relatīvais ūdens saturs (RŪS) tika aprēķināts, izmantojot vienādojumu (Turner, 1981):

Elektrolītu noplūdes mērījumi

Kviešu dīgstu orgānu membrānu caurlaidība tika aprēķināta pēc elektrolītu noplūdes (EN) (Guo

et al., 2006), izmantojot vienādojumu:

Lipīdu peroksidācijas produktu noteikšana

MDA daudzums tika noteikts pēc reakcijas ar tiobarbiturskābi (Ali et al., 2005). MDA daudzums

tika noteikts spektrofotometriski 532nm un 600nm viļņa garumos (ɛ = 155mM-1

cm-1

). Lipīdu

peroksidācija tika noteikta pēc DK veidošanās (Recknagel, Ghoshal, 1966). DK daudzums tika

noteikts spektrofotometriski 233nm viļņa garumā (2,2x105 M

-1cm

-1).

Kviešu dīgstu orgānu proteīnu pētījumi

Pirmās lapas, koleoptiles un saknes paraugi tika fiksēti proteīnu pētījumu veikšanai, sākot no 4.

dīgstu attīstības dienas pēc 15, 30 un 60 minūšu KS un sākot no 5. dīgstu attīstības dienas pēc 24

Page 11: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

11

stundu KS, kā arī trīs dienas pēc KS ar 24 stundu intervālu. Paraugi tika homogenizēti 50mM K-

fosfāta buferšķīdumā (pH 7,8).

Summārais proteīnu daudzums tika noteikts pēc „Invitrogen” protokola, izmantojot Quant – iT™

proteīnu noteikšanas komplektu ar Qubit™ fluorimetra (Invitrogen™) palīdzību.

Antioksidantu fermentu elektroforetiskā aktivitāte

SOD, CAT un POD izoenzīmu paraugi tika identificēti izmantojot elektroforēzi 15%, 7,5% un

12% poliakrīlamīda gēlā attiecīgi. Noteikts proteīnu daudzums (20 μg) tika izmantots katram

paraugam.

Nātrija dodecilsulfāta – poliakrilamīda gēlā elektroforēze (SDS-PAGE)

Kopējo proteīnu sadalīšanai elektriskā laukā tika izmantota SDS-PAGE metode (Laemmli, 1970)

ar modifikācijām.

Datu statistiskā apstrāde un analīze

Pētījumu rezultātu statistiskai analīzei izmantotas šādas datorprogrammas: Microsoft Excel 2010

un Statistica 7.0. Visi rezultāti ir vidējie no trim neatkarīgiem mērījumiem (izņemot

elektroforētiskos pētījumus). Visiem pētījumu rezultātiem tika aprēķinātas standartnovirzes un

standartkļūdas (SE). Rezultātiem tika veikta dispersijas analīze (One-Way ANOVA) un tika

noteikta to p-vērtība (p < 0,05).

REZULTĀTI

Augsnes un gaisa temperatūru izmaiņas Latvijā no 2004. gada līdz 2011. gadam

Tika analizēti novērojumu staciju dati par maksimālo gaisa temperatūru izmaiņām Latvijā pēdējo

astoņu gadu laikā (2004. – 2011. gg.), kā arī augsnes virskārtas temperatūras vasaras mēnešos

(LVĢMC). Vidējās maksimālās gaisa temperatūras vasaras mēnešos variē no 24˚C līdz 32˚C.

Augsnes virskārtas temperatūras pārsvarā variē no 20˚C līdz 50˚C. Vairāk nekā 60% no

temperatūru sadalījuma reģistrēti diapazonā 20-40˚C. Vairāk nekā 10% no visu augsnes

virskārtas temperatūru vasaras mēnešos ir diapazonā 40-50˚C, bet pētāmā perioda viskarstākajos

gados sasniedz pat 33% (2006. gadā).

Page 12: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

12

Morfo-fizioloģisko parametru izmaiņas kviešu dīgstu orgānos karstuma stresa iedarbības

rezultātā

Relatīvā ūdens satura (RŪS) izmaiņas

Agrīnajā dīgstu attīstības stadijā graujošs ūdens zudums tika novērots koleoptilēs pēc ilglaicīga

karstuma stresa (KS) iedarbības, t.i., uzreiz pēc KS – par 6,3% un 5. dienā par – 49% (p<0,05).

Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā uzreiz pēc ilglaicīga KS iedarbības pirmo lapu RŪS pazeminājās

par 5% (p>0,05), taču 4. dienā pēc stresa – par 45% (p<0,001). Koleoptiles ūdens zudums bija

atkarīgs no KS ilguma, t.i., uzreiz pēc 15 minūšu – 21%, pēc 60 minūšu – 40% un pēc 24 stundu

– 50%. 5. dienā pēc KS koleoptiļu RŪS pakāpeniski samazinājās vairāk nekā par 50% (p<0,01)

salīdzinājumā ar kontroli (1. un 2. attēls).

1. attēls

RŪS (%) izmaiņas koleoptilēs pēc īslaicīga KS (42°C) iedarbības agrīnajā (A) un vēlīnajā (B)

kviešu dīgstu attīstības stadijās. Rezultāti ir vidējie ± SE no 3 neatkarīgiem mērījumiem.

2. attēls

RŪS (%) izmaiņas koleoptilē pēc ilglaicīga KS (42°C) iedarbības agrīnajā (A) un vēlīnajā (B)

kviešu dīgstu attīstības stadijās (*-stresa iedarbības sākuma diena). Rezultāti ir vidējie ± SE no 3

neatkarīgiem mērījumiem.

Page 13: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

13

Kviešu dīgstu orgānu garuma izmaiņas karstuma stresa iedarbības rezultātā

Agrīnajā dīgstu attīstības stadijā tika novērota būtiska pirmās lapas augšanas garumā inhibēšana

5. dienā pēc 15, 30 un 60 minūšu KS (par 16% (p<0,05), 35% (p<0,001) un 27% (p<0,01)

attiecīgi). Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā uzreiz pēc 15 minūšu un 24 stundu iedarbības pirmās

lapas gandrīz pārtrauc savu augšanu (p<0,001), bet uzreiz pēc 30 un 60 minūšu KS lapu augšana

tika inhibēta par 19% un 17% attiecīgi un 5. dienā pēc stresa – par 28% un 26% attiecīgi (p<0,05)

(3. attēls). Uzreiz pēc ilglaicīga KS pirmās lapas garums tika inhibēts gan agrīnajā, gan vēlīnajā

dīgstu attīstības stadijā (par 23% un 29% attiecīgi; p<0,001), bet pētāmā perioda beigās par 55%

un 31% attiecīgi.

KS izraisīja būtisku maksimālā sakņu garuma inhibēšanu (p<0,001) visās dīgstu attīstības

stadijās. Pēc stresa periodā KS inhibējošā ietekme pastiprinājās gan agrīnajā (>50%; p<0,001),

gan vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā (>40%; p<0,001). Koleoptilēs, kas tika pakļautas KS

iedarbībai, izmaiņas bija nenozīmīgas (p>0,05).

3. attēls

Pirmās lapas garuma (mm) izmaiņas pēc īslaicīga KS (42°C) iedarbības agrīnajā (A) un vēlīnajā

(B) kviešu dīgstu attīstības stadijās (KS1 – 4 dienas veci dīgsti; KS2 – 7 dienas veci dīgsti).

Rezultāti ir vidējie ± SE no 3 neatkarīgiem mērījumiem.

Relatīvās sausās masas (RSM) izmaiņas

Agrīnajā dīgstu attīstības stadijā RSM palielināšanās kviešu dīgstiem pēc 15 minūšu iedarbības

(no 8% (p<0,01) līdz 15% (p<0,05)) notiek pārsvarā pirmo lapu un koleoptiļu RSM

palielināšanās dēļ. Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā pēc 15 minūšu KS tika novērota dīgstu RSM

samazināšanās visā pētāmā perioda laikā no 1% līdz 21%. Uzreiz pēc 30 minūšu KS agrīnajā un

vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā RSM palielinājās par 4% un 6% attiecīgi (p<0,05), tomēr pētāmā

perioda beigās RSM paaugstinājās par 10% un 12% attiecīgi (p>0,05) salīdzinājumā ar kontroli.

Page 14: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

14

Turklāt agrīnajā dīgstu attīstības stadijā dīgstu RSM palielināšanās notika visu kviešu dīgstu

orgānu RSM palielināšanās dēļ, bet vēlīnajā stadijā – galvenokārt virszemes dīgsta daļas RSM

palielināšanās dēļ. Dīgsta RSM izmaiņas pēc 60 minūšu KS iedarbības tika novērotas tikai

vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā, t.i., dīgstu RSM samazināšanās par 13% pētāmā perioda beigās,

kas notika koleoptiles (19%) un saknes (13%) RSM samazināšanās rezultātā. Agrīnajā dīgstu

attīstības stadijā dīgstu RSM samazināšanās uzreiz pēc ilglaicīga KS (7%; p<0,001) notiek sakņu

RSM samazināšanās dēļ (43%; p<0,05) un pētāmā perioda beigās (20%; p<0,001) samazinājās

pirmo lapu un koleoptiļu RSM (26% un 38% attiecīgi; p<0,01), bet RSM palielinājums līdz

kontroles līmenim vēlīnajā stadijā – paaugstinātas pirmās lapas RSM dēļ (27%; p<0,05).

Saknes/vasas (S/V) attiecības izmaiņas

15 minūšu un 24 stundu KS iedarbība izraisa viskrasāko S/V attiecības samazināšanos (p<0,05),

t.i., uzreiz pēc KS iedarbības par 28% un 73% attiecīgi agrīnajā dīgstu attīstības stadijā un par

44% un 40% attiecīgi – vēlīnajā stadija (4. attēls). Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā pēc ilglaicīga

stresa perioda S/V attiecība palielinājās un sasniedza kontroldīgstu līmeni. Agrīnajā dīgstu

attīstības stadijā pēc īslaicīga KS S/V attiecība samazinājās un 5. dienā pēc 15 minūšu stresa tā

bija par 56% (p<0,001), pēc 30 minūšu – par 19% (p<0,05), bet pēc 60 minūšu – 47%; (p<0,001)

mazāka nekā kontroldīgstiem. Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā pēc īslaicīga KS S/V attiecība

samazinājās un 5. dienā pēc 15 minūšu stresa tā bija par 64% (p<0,001), pēc 30 minūšu – par

51% (p<0,01), bet pēc 60 minūšu – par 28%; (p<0,001) mazāka nekā kontroldīgstiem.

4. attēls

S/V attiecības izmaiņas kviešu dīgstiem pēc KS (42°C) iedarbības agrīnajā (KS1) un vēlīnajā

(KS2) kviešu dīgstu attīstības stadijās. Rezultāti ir vidējie ± SE no 3 neatkarīgiem mērījumiem.

Page 15: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

15

Relatīvā augšanas indeksa (RAI) izmaiņas

RAI ir atkarīgs ne tikai no KS iedarbības ilguma, bet arī no orgāna, uz kuru iedarbojas KS (6.

tabulā). Viskritiskākais KS ilgums ir 24 stundas, bet vislabvēlīgākais – 30 minūtes. Visjūtīgākās

pret KS izrādījās saknes (6. tabulā).

5. dienā pēc 15, 30 un 60 minūšu KS agrīnajā dīgstu attīstības stadijā tika konstatēta pirmās lapas

RAI samazināšanās (apmēram par 35%; p<0,05), vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā RAI

samazinājās vairāk nekā par 20% (p<0,05). Koleoptiles RAI palielinājums tika konstatēts trīs

dienas pēc īslaicīga stresa perioda agrīnajā dīgstu attīstības stadijā (p<0,05), tomēr 5. dienā pēc

30 un 60 minūšu KS RAI bija zemāks par 23% un 33% attiecīgi (p<0,05), bet pēc 15 minūšu KS

– kontroles līmenī. Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā periodā pēc stresa tika novērota koleoptiļu

RAI pakāpeniska samazināšanās, visos dīgstos, kas tika pakļauti īslaicīgai KS iedarbībai.

Agrīnajā dīgstu attīstības stadijā tika novērota pakāpeniska sakņu RAI samazināšanās un 5. dienā

pēc 15, 30 un 60 minūšu stresa RAI samazinājās par 62%, 42% un 65% attiecīgi (p<0,001).

Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā tika konstatēta agrīnajai stadijai līdzīga pakāpeniska sakņu RAI

samazināšanās (p<0,001).

Turpmākajās dienās pēc 24 stundu KS agrīnajā dīgstu attīstības stadijā tika novērots straujš

kviešu dīgstu orgānu RAI kritums (p<0,001), vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā RAI saglabājās

nemainīgi zems (>50%; p<0,05).

6. Tabula

RAI (%) izmaiņas kviešu dīgstiem pēc dažāda ilguma KS (42°C) iedarbības agrīnajā (KS1 – 4

dienas veci dīgsti) un vēlīnajā (KS2 – 7 dienas veci dīgsti) kviešu dīgstu attīstības stadijās

KS

iedarbības

ilgums

RAI (%)

Pirmā lapa Koleoptile Sakne

KS1 KS2 KS1 KS2 KS1 KS2

0 min 100 100 100 100 100 100

15 min 125±0,05*** 89±0,56** 119±1,78** 100±0,05 100±0,05 42±2,22**

30 min 100±0,05* 112±0,69** 120±13,19 125±0,05*** 100±0,08 84±6,11

60 min 100±0,02* 135±2,08** 102±2,96 85±5,45 80±0,10*** 79±1,11**

24 st. 71±0,01*** 54±4,17** 104±4,35 50±10,00* 27±1,79*** 33±7,50**

*- p<0,05; **- p<0,01; ***- p<0,001. Rezultāti ir vidējie ± SE no 3 neatkarīgiem mērījumiem.

Page 16: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

16

Lipīdu peroksidācijas izmaiņas kviešu dīgstu orgānos karstuma stresa iedarbības rezultātā

Malondialdehīda daudzuma izmaiņas

Agrīnajā dīgstu attīstības stadijā pēc īslaicīgas KS iedarbības tika novērota MDA daudzuma

samazināšanās pirmajās lapās (p<0,001) (5. attēls). Piektajā dienā pēc 15 minūšu KS agrīnajā

dīgstu attīstības stadijā MDA līmenis bija zemāks par 48%, bet pēc 30 un 60 minūšu KS

iedarbības par 59% (p<0,001). Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā uzreiz pēc 15, 30 un 60 minūšu

KS pirmo lapu MDA līmenis samazinājās par 48%, 54% un 57% attiecīgi salīdzinājumā ar

kontroldīgstu pirmo lapu. Tomēr 4. dienā pēc īslaicīga stresa MDA līmenis līdzinājās kontrolei,

tāpēc ka kontroldīgstu pirmās lapas MDA līmenis samazinājās (p<0,05).

5. attēls

MDA daudzuma izmaiņas kviešu dīgstu pirmajā lapā pēc īslaicīga KS (42˚C) iedarbības agrīnajā

(KS1) un vēlīnajā (KS2) dīgstu attīstības stadijās.

Pēc īslaicīgas KS iedarbības agrīnajā dīgstu attīstības stadijā MDA līmenis koleoptilēs sāka

pakāpeniski paaugstināties, sākot no 2. dienas pēc stresa. 5. dienā pēc 15 minūšu stresa MDA

līmenis koleoptilēs paaugstinās 2,5 reizes (p<0,001), bet pēc 30 un 60 minūšu stresa bija 4 reizes

augstāks (p<0,05), nekā kontroldīgstu koleoptilēs. Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā īslaicīgs KS

izraisa spēcīgu MDA līmeņa paaugstināšanos koleoptilēs, t.i., uzreiz pēc 15 minūšu – 2,5 reizes

(p<0,05), pēc 30 minūšu – 4,5 reizes un pēc 60 minūšu – 3,3 reizes (p<0,001) salīdzinājumā ar

kontroli. 2. un 3. dienā pēc stresa koleoptilēs tika reģistrēta MDA līmeņa paaugstināšanās, t.i.,

pēc 15 minūšu – 7 reizes (p<0,05), pēc 30 un 60 minūšu – 4 un 3,5 reizes attiecīgi (p<0,001). 4.

dienā pēc stresa MDA daudzums bija 3 reizes augstāks nekā kontrolē (p<0,001).

Agrīnajā dīgstu attīstības stadijā MDA līmenis saknēs uzreiz pēc 30 un 60 minūšu stresa tika

reģistrēts zemāks nekā kontrolē MDA līmenis (16% un 46% attiecīgi; p<0,05). Turpmāko dienu

Page 17: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

17

laikā MDA līmenis saknēs paaugstinājās un 5. dienā pēc īslaicīga stresa MDA līmenis saknēs bija

vairāk nekā 3 reizes (p<0,05) augstāks nekā kontrolē. Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā 15, 30 un

60 minūšu KS iedarbība izraisīja MDA līmeņa paaugstināšanos (par 88%, 48% un 3 reizes

attiecīgi; p<0,05). Īslaicīgam stresam pakļautajās saknēs MDA līmenis saglabājās vairāk nekā 3

reizes augstāks nekā kontroldīgstu sakņu MDA līmenis visu pētāmo periodu (p<0,01).

Būtiska MDA daudzuma samazināšanās (p<0,001) tika reģistrēta pirmajās lapās uzreiz pēc

ilglaicīga KS iedarbības agrīnajā (48%) un vēlīnajā (32%) dīgstu attīstības stadijā salīdzinājumā

ar kontroli (6. attēls). Pirmo lapu MDA līmenis pēc ilglaicīgas KS iedarbības bija zemāks nekā

kontroldīgstu lapu MDA līmenis visu pētāmā perioda laiku un pētāmā perioda beigās tas bija par

56% zemāks (p<0,001) agrīnajā dīgstu attīstības stadijā un par 17% (p<0,01) mazāks nekā

kontroldīgstu pirmās lapas MDA līmenis vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā. Agrīnajā dīgstu

attīstības stadijā uzreiz pēc 24 stundu KS iedarbības koleoptilēs tika reģistrēts kontrolei līdzīgs

MDA līmenis. Turpmākajās dienās pēc ilglaicīga stresa MDA līmenis paaugstinājās un pētāmā

perioda beigās tas bija vairāk nekā 2 reizes augstāks (p<0,001) nekā kontroldīgstu koleoptilēs.

Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā MDA līmenis koleoptilēs paaugstinājās par 51% (p<0,05) uzreiz

pēc ilglaicīga KS iedarbības un 4. dienā pēc stresa iedarbības MDA līmenis paaugstinājās 65%

(p<0,001). MDA līmenis saknēs samazinājās dīgstu attīstības laikā. Tomēr uzreiz pēc ilglaicīga

KS iedarbības agrīnajā dīgstu attīstības stadijā tika novērota MDA daudzuma samazināšanās

salīdzinājumā ar kontroli (34%; p<0,01), 4. dienā pēc stresa iedarbības MDA līmenis bija

kontroldīgstu sakņu līmenī. Vēlīnajā dīgstu attīstības stadija tika reģistrēta MDA līmeņa

paaugstināšanās saknēs uzreiz pēc 24 stundu karstuma stresa (54%; p<0,01), tomēr pētāmā

periodā beigās samazinājās līdz kontroldīgstu līmenim.

6. attēls

MDA daudzuma izmaiņas pirmajā lapā pēc ilglaicīga KS (42˚C) iedarbības agrīnajā (KS1) un

vēlīnajā (KS2) dīgstu attīstības stadijās. Rezultāti ir vidējie ± SE no 3 neatkarīgiem mērījumiem.

Page 18: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

18

Diēnu konjugātu daudzuma izmaiņas

Visos pētītos etiolēto kviešu dīgstu orgānos tika novēroti trīs DK veidošanās maksimumi agrīnās

ontoģenēzes laikā Tomēr pirmajās lapās un saknēs DK daudzums samazinājās etiolēto kviešu

dīgstu agrīnās ontoģenēzes laikā, bet koleoptilēs tika novērota strauja DK daudzuma

palielināšanās dīgstu attīstības laikā (p<0,05).

Pirmais DK veidošanās maksimums pirmajā lapā pēc 15, 30 un 60 minūšu KS iedarbības agrīnajā

dīgstu attīstības stadijā sakrita ar kontroli, t.i., 1. dienā pēc stresa iedarbības, tomēr bija par 20%,

23% un 12% attiecīgi (p<0,05) mazāks (7. attēls). Otrais DK veidošanās maksimums 15, 30 un

60 minūšu stresam pakļautajās lapās bija nobīdīts par vienu dienu agrāk nekā kontroldīgstu

pirmajā lapā, t.i., 3. dienā pēc stresa un bija 34%, 2 reizes un 62% attiecīgi augstāks (p<0,05).

Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā DK veidošanās maksimumi pirmajās lapās, kas tika pakļautas 15,

30 un 60 minūšu KS tika konstatēti uzreiz pēc īslaicīgas KS iedarbības (augstāki par 74%, 28%

un 88% attiecīgi; p<0,05) un 3. dienā pēc stresa iedarbības (sakrita ar kontroldīgstu pirmās lapas

DK līmeni).

7. attēls

DK daudzuma izmaiņas kviešu dīgstu pirmajā lapā pēc īslaicīga KS (42˚C) iedarbības agrīnajā

(KS1) un vēlīnajā (KS2) dīgstu attīstības stadijās. Rezultāti ir vidējie ± SE no 3 neatkarīgiem

mērījumiem.

Pēc īslaicīga KS iedarbības agrīnajā un vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā DK veidošanās

maksimumi koleoptilē ir nobīdīti vienu dienu iepriekš salīdzinājumā ar kontroldīgstu

koleoptilēm, t.i., uzreiz pēc stresa temperatūras iedarbības un 3. dienā pēc karstuma stresa

iedarbības. Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā koleoptiļu DK maksimumi pēc sava lieluma bija

Page 19: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

19

vairāk nekā 3 reizes augstāki nekā kontrolē (p<0,01). Agrīnajā un vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā

kviešu dīgstu saknēs tika konstatēti divi DK veidošanās maksimumi pēc īslaicīga KS, t.i., uzreiz

pēc KS un 3. dienā pēc stresa. Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā saknēs tika konstatēta būtiska DK

daudzuma palielināšanās uzreiz pēc 15, 30 un 60 minūšu KS iedarbības par 99%, 2,5 reizes un

par 48% attiecīgi (p<0,05).

Agrīnajā dīgstu attīstības stadijā ilglaicīga KS iedarbība neizraisīja statistiski būtisku DK līmeņa

izmaiņu pirmajās lapās salīdzinājumā ar kontroli, tomēr vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā,

neskatoties uz kontroldīgstu pirmajai lapai līdzīgu DK veidošanās raksturu, tika novērota

ievērojama DK daudzuma palielināšanās (apmēram 50%; p<0,01), kas saglabājās visu pēc stresa

perioda laiku (8. attēls).

8. attēls

DK daudzuma izmaiņas kviešu dīgstu pirmajā lapā pēc ilglaicīga KS (42˚C) iedarbības agrīnajā

(KS1) un vēlīnajā (KS2) dīgstu attīstības stadijās. Rezultāti ir vidējie ± SE no 3 neatkarīgiem

mērījumiem.

Būtiska DK līmeņa paaugstināšanās tika reģistrēta koleoptilēs visās dīgstu attīstības stadijās.

Uzreiz pēc ilglaicīgas KS iedarbības koleoptilē DK līmenis paaugstinājās agrīnajā un vēlīnajā

dīgstu attīstības stadijā par 30% un 43% attiecīgi (p<0,05) salīdzinājumā ar kontroli. Otrais DK

veidošanās maksimums tika reģistrēts 3. dienā pēc ilglaicīga KS visās dīgstu attīstības stadijās un

bija 3 reizes augstāks (p<0,01) nekā kontroldīgstu koleoptiles DK līmenis.

Uzreiz pēc ilglaicīgas KS iedarbības saknēs tika novērots DK daudzuma palielinājums agrīnajā

un vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā par 17% un 39% attiecīgi (p<0,05). Tomēr pētāmā perioda

beigās ilglaicīgam stresam pakļauto sakņu DK līmenis paaugstinājās agrīnajā un vēlīnajā dīgstu

attīstības stadijā (103% un 89% attiecīgi; p<0,05).

Page 20: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

20

Membrānu caurlaidības izmaiņas kviešu dīgstu orgānos karstuma stresa iedarbības

rezultātā

Īslaicīgais KS samazina membrānu caurlaidību pirmajā lapā. Uzreiz pēc 15 minūšu karstuma

stresa elektrolītu noplūde (EN) pirmajā lapā samazinājās par 7% (p>0,05), pēc 30 minūšu – par

1% (p>0,05) un pēc 60 minūtēm – par 33% (p<0,05) salīdzinājumā ar kontroldīgstu EN. Arī 5.

dienā pēc 15, 30 un 60 minūšu stresa agrīnajā dīgstu attīstības stadijā tika novērota statistiski

būtiska (p<0,05) membrānu caurlaidības samazināšanās pirmajā lapā par 49%, 39% un 47%

attiecīgi (9. attēls). Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā 15, 30 un 60 minūšu KS nelabvēlīgi ietekmē

pirmās lapas membrānu stāvokli, par ko liecina paaugstināta EN uzreiz pēc karstuma stresa

iedarbības (par 35%, 33% un 66% attiecīgi; p<0,05) (9. attēls). Turpmākajās dienās pēc 15 un 30

minūšu stresa EN līmenis lapās samazinājās un pētāmā perioda beigās bija kontroldīgstu līmenī.

Tomēr pirmajās lapās, kuras tika pakļautas 60 minūšu KS 5. dienā tika novērota strauja

membrānu caurlaidības paaugstināšanās par 95% (p<0,05).

Nemainīgi augsts EN līmenis tika novērots pirmajā lapā pēc ilglaicīga karstuma stresa iedarbības

visā pētāmā perioda laikā salīdzinājumā ar kontroldīgstu pirmo lapu (10. attēls). Kaut gan

vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā pirmās lapas membrānu caurlaidība pēc stresa temperatūras

iedarbības ir augstāka (apmēram četras reizes; p<0,05) nekā agrīnajā dīgstu attīstības stadijā

(apmērām trīs reizes; p<0,05) salīdzinājumā ar kontroli.

9. attēls

EN (%) izmaiņas kviešu dīgstu pirmajā lapā pēc īslaicīga KS (42˚C) iedarbības agrīnajā (KS1) un

vēlīnajā (KS2) dīgstu attīstības stadijās.

Agrīnajā dīgstu attīstības stadijā EN koleoptilēs paaugstinājās ar KS iedarbības laiku (p<0,05),

t.i., uzreiz pēc 15 minūšu KS – par 35%, pēc 30 minūšu– par 88%, pēc 60 minūšu– 2 reizes un

Page 21: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

21

pēc 24 stundu – 4 reizes. Turpmākajās dienās pēc īslaicīga karstuma stresa koleoptiļu membrānu

caurlaidība samazinājās un saglabājās zemāka nekā kontrolē visu pētāmā perioda laiku, bet pēc

ilglaicīgas KS iedarbības palika nemainīgi augsta (p<0,01). Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā KS

būtiski paaugstināja EN koleoptilēs (p<0,01) uzreiz pēc KS iedarbības, t.i., uzreiz pēc 15 minūšu

KS par 96%, pēc 30 minūšu – par 103%, pēc 60 minūšu – par 87% un pēc 24 stundu– četras

reizes. Paaugstināts EN līmenis koleoptilēs saglabājās arī perioda beigās, t.i., 2 reizes augstāks

pēc 15 minūtēm, par 33% - pēc 30 minūtēm, par 74% - pēc 60 minūtēm un par 32% - pēc 24

stundām salīdzinājumā ar kontroli (p<0,05).

10. attēls

EN (%) izmaiņas pirmajās lapās pēc ilglaicīgas KS (42˚C) iedarbības agrīnajā (KS1) un vēlīnajā

(KS2) dīgstu attīstības stadijās. Rezultāti ir vidējie ± SE no 3 neatkarīgiem mērījumiem.

Agrīnajā dīgstu attīstības stadijā uzreiz pēc 60 minūšu iedarbības EN līmenis saknēs samazinājās

(22%; p<0,05), bet pēc 24 stundu KS paaugstinājās (10%; p<0,05). Turpmākajās pēc KS dienās

EN līmenis saknēs saglabājās kontroldīgstu sakņu līmenī. Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā EN

līmenis saknēs pēc īslaicīga KS iedarbības bija zemāks nekā kontroldīgstu saknēs un šāda

tendence saglabājās visu pētāmā perioda laiku. Tomēr pēc ilglaicīga KS vēlīnajā dīgstu attīstības

stadijā EN saknēs bija augsta visu pētāmā perioda laiku salīdzinājumā ar kontroli, t.i., uzreiz pēc

KS paaugstinājās par 34% (p<0,05), bet pētāmā perioda beigās pusotras reizes augstāka (p<0,05).

Oksidatīvo procesu izmaiņas kviešu dīgstu orgānos CsA (1mg/l) klātbūtnē

Agrīnajā dīgstu attīstības stadijā CsA klātbūtnē samazinājās MDA daudzums koleoptilēs

(p<0,05), tomēr novecošanās laikā CsA izraisīja nenozīmīgu MDA daudzuma palielināšanos.

CsA klātbūtne ievērojami samazināja MDA daudzumu etiolēto kviešu dīgstu saknēs agrīnajā

Page 22: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

22

dīgstu attīstības stadijā, tomēr, sākot no 6. dīgstu attīstības dienas MDA līmenis sāka pakāpeniski

paaugstināties un palika augstāks nekā kontroldīgstu saknēs (p<0,05).

CsA klātbūtne samazināja MDA līmeni pirmajās lapās uzreiz pēc 15 un 30 minūšu KS iedarbības

par 17% un 35% attiecīgi salīdzinājumā ar kontroli un paaugstināja vairāk nekā par 50% (p<0,05)

salīdzinājumā ar dīgstiem, kas tika audzēti bez CsA. Trešajā diena pēc īslaicīgas KS iedarbības

MDA līmenis bija līdzīgs kontrolei. Kaut gan MDA līmenis bija augstāks (p<0,001)

salīdzinājumā ar lapām, kas tika audzētas bez CsA. 15 minūšu KS iedarbība izraisa MDA līmeņa

paaugstināšanos koleoptilēs neatkarīgi no CsA klātbūtnes (42%; p<0,001). Pēc 30 minūšu KS

iedarbības koleoptilēs, kas tika audzētas CsA klātbūtnē, MDA līmenis pakāpeniski paaugstinājās

(p<0,01) un pētāmā perioda beigās MDA līmenis bija par 74% (p<0,01) augstāks nekā

kontroldīgstu koleoptilēs, kas tika audzētas CsA klātbūtnē. Uzreiz pēc 60 minūšu KS iedarbības

MDA daudzums palielinājās (p<0,01) par 85% salīdzinājumā ar kontroli un par 67%

salīdzinājumā ar stresam pakļautajām koleoptilēm, kas tika audzētas bez CsA. Turpmākajās

dienās pēc 60 minūšu karstuma stresa MDA līmenis samazinājās līdz kontroldīgstu koleoptiles

līmenim.

CsA klātbūtne samazināja (p<0,05) MDA līmeni saknēs pēc īslaicīga KS.

Pēc ilglaicīgas KS iedarbības MDA daudzums pirmajās lapās, kas tika audzētas CsA klātbūtnē,

bija kontroldīgstu pirmo lapu MDA līmenī, tomēr paaugstinājās (p<0,05) salīdzinājumā ar

ilglaicīgām KS pakļautajām pirmajām lapām, kas tika audzētas bez CsA. Tikai 3. dienā pēc

ilglaicīga KS iedarbības MDA daudzums samazinājās salīdzinājumā ar kontroli (43%), kas tika

audzētas bez CsA. Ilglaicīga KS iedarbība izraisa graujošu MDA līmeņa paaugstināšanos (vairāk

nekā 4 reizes; p<0,001) koleoptilēs, kas tika audzētas CsA klātbūtnē. Šāds MDA daudzums

koleoptilēs tika novērots visu pētāmā perioda laiku (p<0,001). Etilēto kviešu dīgstu saknēs, kas

tika audzētas CsA klātbūtnē, netika novērotas MDA daudzuma izmaiņas pēc 24 stundu karstuma

stresa. Tomēr MDA daudzums bija lielāks (p<0,05) nekā saknēs, kas tika audzētas bez CsA.

Membrānu caurlaidības izmaiņas kviešu dīgstu orgānos CsA (1mg/l) klātbūtnē pēc

karstuma stresa iedarbības

CsA klātbūtne nemaina elektrolītu noplūdes (EN) raksturu kviešu dīgstu orgānos pētāmā perioda

laikā (11. attēls). CsA klātbūtne neietekmē koleoptiļu membrānu caurlaidību, tomēr būtiski

samazina EN saknēs, t.i., 4. dīgstu attīstības dienā ar CsA audzēto dīgstu EN saknē samazinās par

29% (p<0,01), bet 8. dienā – par 72% (p<0,001) salīdzinājumā ar kontroli.

Page 23: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

23

Uzreiz pēc 24 stundu KS iedarbības tika konstatēta 2 reizes augstāka (p<0,05) EN pirmajās lapās,

kas tika audzētas CsA klātbūtnē, tomēr EN bija zemāka (32%; p<0,05) nekā pirmajās lapās, kas

tika audzētas bez CsA. Turpmākajās dienās pēc KS, CsA klātbūtnē audzētiem kviešu dīgstiem,

tika novērota pirmās lapas membrānas caurlaidības samazināšanās līdz kontroldīgstu līmenim

(12.(a) attēls). Pēc ilglaicīgas KS iedarbības koleoptilēs tika novērota 4 reizes lielāka (p<0,05)

EN salīdzinājumā ar kontroli neatkarīgi no CsA klātbūtnes (12.(b) attēls). Uzreiz pēc ilglaicīga

KS EN līmenis saknēs, kas tika audzētas CsA klātbūtnē, bija zemāks (18%) nekā saknēs, kas tika

audzētas bez CsA, tomēr 2 reizes (p<0,01) augstāks nekā kontrolē (12.(c) attēls).

11. attēls

EN (%) izmaiņas kviešu dīgstu orgānos agrīnās ontoģenēzes laikā dīgstiem, kas tika audzēti CsA

(1 mg/l) klātbūtnē. Rezultāti ir vidējie ± SE no 3 neatkarīgiem mērījumiem.

12. attēls

EN izmaiņas pirmajā lapā (A), koleoptilē (B) un saknē (C) pēc ilglaicīga KS iedarbības uz

dīgstiem, kas tika audzēti CsA klātbūtnē. Rezultāti ir vidējie ± SE no 3 neatkarīgiem mērījumiem.

CsA klātbūtne samazināja pirmās lapas membrānu caurlaidību uzreiz pēc 15 un 30 minūšu KS

iedarbības par 47% un 54% attiecīgi (p<0,05) salīdzinājumā ar kontroli un par 52% un 60%

attiecīgi (p<0,05) salīdzinājumā ar dīgstiem, kas tika audzēti bez CsA klātbūtnes (13. attēls).

Page 24: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

24

Tomēr uzreiz pēc 60 minūšu KS iedarbības tika novērota EN palielināšanās par 54% pirmajās

lapās, kas tika audzētas CsA klātbūtnē salīdzinājumā ar kontroli un par 97% (p<0,05)

salīdzinājumā ar pirmajām lapām, kuras tika audzētas bez CsA. 3. dienā pēc īslaicīgas KS

iedarbības EN līmenis bija līdzīgs kontrolei.

CsA klātbūtne samazina membrānu caurlaidību koleoptilēs uzreiz pēc 15 un 30 minūšu KS

iedarbības (39% un 36% attiecīgi; p<0,05) salīdzinājumā ar kontroli, šāds nemainīgi zems EN

līmenis (līdz 20%) saglabājās turpmāko dienu laikā. Tomēr CsA klātbūtne paaugstināja EN

līmeni uzreiz pēc 60 minūšu KS iedarbības 3 reizes (p<0,001) salīdzinājumā ar kontroli un par

25% (p<0,05) salīdzinājumā ar dīgstiem, kas tika audzēti bez CsA klātbūtnes. EN līmenis

koleoptilēs, kas tika audzētas CsA klātbūtnē, 5. dienā pēc stresa tas sasniedza kontroles līmeni.

CsA samazināja EN eksperimentālajās saknēs un neskatoties uz to, ka membrānu caurlaidība 3.

dienā pēc īslaicīga stresa (15, 30 un 60 minūtes) bija daudz augstāka (4, 3 un 2 reizes attiecīgi;

p<0,05) nekā kontroldīgstu saknēs, kas tika audzētas CsA klātbūtnē, EN līmenis bija zemāks

(p<0,05) nekā saknēs, kas tika audzētas bez CsA.

13. attēls

Elektrolītu noplūdes izmaiņas kviešu dīgstu pirmajā lapā pēc īslaicīga KS1 iedarbības uz

dīgstiem, kas tika audzēti CsA klātbūtnē. Rezultāti ir vidējie ± SE no 3 neatkarīgiem mērījumiem.

Summāro šķīstošo proteīnu daudzuma izmaiņas kviešu dīgstu orgānos CsA (1mg/l)

klātbūtnē pēc karstuma stresa iedarbības

CsA klātbūtne izmainīja summāro šķīstošo proteīnu daudzumu etioleto kviešu dīgstu orgānos.

Pirmajās lapās, kas tika audzētas CsA klātbūtnē, palielināja proteīnu daudzumu: 4. un 6. dīgstu

attīstības dienā, t.i., par 11% un 28% attiecīgi (p<0,05). CsA klātbūtne samazināja proteīnu

daudzumu koleoptilē, tomēr saknēs CsA inhibējošā ietekme netika novērota.

Page 25: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

25

Īslaicīga KS iedarbība neietekmēja etiolēto kviešu dīgstu orgānu proteīnu daudzumu. Tomēr

pirmajās lapās CsA klātbūtne pēc 15 un 30 minūšu KS pilnīgi reducēja otro proteīnu daudzuma

palielināšanās maksimumu. Kviešu dīgstu koleoptilēs un saknēs proteīnu daudzuma izmaiņa pēc

īslaicīgas KS netika novērota neatkarīgi no CsA klātbūtnes.

Pirmajā dienā pēc ilglaicīga stresa proteīnu daudzums samazinājās (16%) etiolēto kviešu dīgstu

pirmajās lapās, kas tika audzētas CsA klātbūtnē. Tomēr palika kontroldīgstu līmenī pirmajās

lapās, kas tika audzētas bez CsA klātbūtnes. Ilglaicīgs KS stimulēja proteīnu daudzuma

palielināšanos (13%; p<0,05) koleoptilēs neatkarīgi no CsA klātbūtnes, un samazināja proteīnu

daudzumu saknēs, kas tika audzētas CsA klātbūtnē (par 41%; p<0,05).

Kvalitatīvas summāro šķīstošo proteīnu izmaiņas kviešu dīgstu orgānos CsA (1mg/l)

klātbūtnē pēc karstuma stresa iedarbības

Polipeptīdus, kuri noteikti dīgstu pirmajā lapā var sadalīt trīs grupās: 85 – 40kDa, 36 – 25kDa un

20 – 13kDa. Īslaicīga KS iedarbība nemaina pirmās lapas polipeptīdu elektroforētisko aktivitāti.

Tomēr uzreiz pēc ilglaicīgas KS iedarbības tika novērota 61,7kDa, 79,9kDa un 81,8kDa

polipeptīdu elektroforētiskās intensitātes paaugstināšanās neatkarīgi no CsA klātbūtnes.

Ievērojamas izmaiņas tika novērotas 20 – 13kDa grupā, kur uzreiz pēc ilglaicīgas KS iedarbības

pirmās lapas peptīdiem tika novērota jauna josla (19,2kDa). Etiolēto kviešu dīgstu lapās, kas tika

audzētas CsA klātbūtnē, parādījās jauna josla (12,9kDa). Koleoptilēs tika noteikta viena

polipeptīdu grupa 70 – 25kDa robežās neatkarīgi no CsA klātbūtnes. Etiolēto kviešu dīgstu

saknēs tika novērotas divas polipeptīdu joslas ar paaugstinātu intensitāti (20,9kDa un 10,6kDa).

Turklāt CsA klātbūtne paaugstināja šo joslu intensitāti saknēs, kas tika pakļautas īslaicīgam KS.

KS ilguma pagarināšanās samazināja šo joslu intensitāti.

Antioksidantu fermentu elektroforētiskās aktivitātes izmaiņas kviešu dīgstu orgānos

karstuma stresa iedarbības rezultātā

Pirmajā lapā konstatēta tikai 1 CAT izoforma – CAT1, koleoptilē 2 izoformas – CAT1 un CAT2,

bet CAT elektroforētiskā aktivitāte saknēs netika konstatēta. Uzreiz pēc ilglaicīgas KS iedarbības

pirmajā lapā tika novērota pazemināta CAT1 elektroforētiskā aktivitāte, tomēr pirmajā lapā

paaugstināta CAT1 elektroforētiskā aktivitāte tika novērota uzreiz pēc īslaicīga KS neatkarīgi no

CsA klātbūtnes. Koleoptilē tika novērota paaugstināta CAT elektroforētiskā aktivitāte pēc

ilglaicīga KS, un tika konstatēta jaunas izoformas parādīšanās (CAT2) (14.(a) attēls). Abu

izoformu paaugstinātā aktivitāte pēc ilglaicīga KS tika novērota visu pētāmā perioda laiku.

Page 26: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

26

Tomēr dīgstiem, kas tika audzēti CsA klātbūtnē CAT2 izoformas parādīšanās netika novērota,

kaut gan CAT1 izoformas elektroforetiskā aktivitāte arī bija augsta (14.(b) attēls). Pēc īslaicīga

KS nedaudz paaugstināta CAT1 izoformas elektroforētiskā aktivitāte tika novērota koleoptilēs

neatkarīgi no CsA klātbūtnes.

Etiolēto kviešu dīgstu saknēs un koleoptilēs tika reģistrētas 4 SOD izoformas (MnSOD1 –

MnSOD3 un CuZnSOD1), bet pirmajā lapā – 3 izoformas (MnSOD1, MnSOD3 un CuZnSOD1),

kuru elktroforētiskā aktivitāte bija daudz vājāka salīdzinājumā ar saknēm un koleoptilēm. KS

iedarbība un CsA klātbūtne neizraisīja SOD elektroforētiskās aktivitātes izmaiņas pirmajās lapās

un koleoptilēs. Ilglaicīga KS iedarbība izraisīja CuZnSOD izoformas reducēšanos etiolēto kviešu

dīgstu saknēs neatkarīgi no CsA klātbūtnes (15. attēls).

14. attēls

CAT elektroforētiskā aktivitāte pēc dažāda ilguma (15, 30 un 60 min.; 24 st.) KS iedarbības

kviešu dīgstu koleoptilēs dīgstiem, audzētiem bez CsA (A) un CsA klātbūtnē (B)

15. attēls

Kviešu dīgstu sakņu SOD elektroforētiskā aktivitāte pēc dažāda ilguma (15, 30 un 60 min.; 24

st.) KS iedarbības

Page 27: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

27

16. attēls

Kviešu dīgstu sakņu POD elektroforētiskā aktivitāte pēc dažāda ilguma (15, 30 un 60 min.; 24

st.) KS iedarbības

Saknēs un koleoptilēs tika reģistrētas 6 POD izoformas, bet pirmajā lapā – 5 izoformas (POD1-

POD3; POD5 un POD6). Koleoptilē netika novērotas POD izoformu elektroforētiskās aktivitātes

izmaiņas KS laikā neatkarīgi no CsA klātbūtnes. Samazināta POD3 aktivitāte tika novērota uzreiz

pēc KS iedarbības pirmajā lapā, tomēr turpmākajās dienās pēc tās pilnīgi atjaunojās. Saknes

POD3 izoformas elektroforētiskā aktivitāte pavājinās ar KS iedarbības ilgumu (16. attēls). Pēc

ilglaicīga KS POD3 un POD5 izoformu aktivitāte netika novērota kviešu dīgstu saknēs visā

pētāmā perioda laikā neatkarīgi no CsA klātbūtnes.

DISKUSIJA

Augsta temperatūra ir viens no svarīgākajiem vides faktoriem, kas ierobežo mērenā klimata zonas

augu augšanu un produktivitāti. Optimālā mērenā klimata zonas augu augšanas temperatūra ir

starp 10˚C un 25˚C (Paulson, 1994). Gaisa temperatūra Latvijā vasaras mēnešos var sasniegt

vairāk nekā 35˚C, bet augsnes virskārtas temperatūras paaugstināšanās 40-50˚C robežās tika

novērota 12% - 33% gadījumos vasaras laikā, kas ir virs augu attīstībai nepieciešamā optimālā

līmeņa (pēc LVĢMC datiem). Augstas temperatūras stress bieži iniciē oksidatīvus procesus, un

stress bieži turpinās novecošanās perioda laikā (Ferguson et al., 1993). Tomēr augstas

temperatūras ietekme uz daudziem procesiem, iekļautiem novecošanās procesā, paliek maz pētīta.

Page 28: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

28

Kviešu dīgstu orgānu morfo-fizioloģisko parametru izmaiņas karstuma stresa iedarbības

rezultātā

Kviešu dīgstu orgāni dažādi reaģē uz stresa temperatūras iedarbību, par to liecina morfo-

fizioloģisko parametru izmaiņas. Svarīgi ir novērtēt augu izdzīvošanas spējas pēc karstuma stresa

(KS), jo šis rādītājs iekļauj sevī gan augu primāro siltumizturību, gan atjaunošanās spējas. Mūsu

iegūtie rezultāti liecina, ka pirmā lapa un koleoptile zaudē savas atjaunošanās spējas pēc

ilglaicīgas KS iedarbības neatkarīgi no dīgstu attīstības stadijas. Par to liecina relatīvā ūdens

satura (RŪS) samazināšanās un augšanas apstāšanās. Iespējams, tas ir saistīts ar koleoptiles

aizsargfunkcijas zudumu, jo augsta temperatūra izraisa priekšlaicīgu koleoptiles novecošanos

(Ferguson et al., 1993).

Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā KS nomāc pirmās lapas augšanu. Tomēr vispostošākais efekts

tika novērots pēc visīsākās (15 min.) un visilgākās (24 st.) KS iedarbības. Pēc īslaicīga KS tika

novērotas nenozīmīgas pirmās lapas RŪS izmaiņas visās dīgstu attīstības stadijās, neskatoties uz

to, ka vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā tika novērota būtiska pirmās lapas augšanas inhibēšana.

Iespējams, ka augšanas inhibēšana ir saistīta ar pirmās lapas novecošanās procesa sākumu

(Aleksandrushkina et al. 2009). Var pieļaut, ka KS iedarbība paātrina pirmās lapas novecošanās

procesu, un novecojošās lapās, kurās vairs nenotiek šūnu dalīšanās, pēc KS iedarbības samazinās

nobriedušo šūnu izmēri (Alves, Setter, 2004).

Īslaicīga KS iedarbība agrīnajā dīgstu attīstības stadijā nedaudz stimulē koleoptiļu augšanu, un tās

necieš no ūdens deficīta, tomēr vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā novecojošās koleoptilēs tika

konstatēts graujošs ūdens zudums. Iespējams, ka īslaicīgam stresam vēlīnajā dīgstu attīstības

stadijā pakļautas novecojošās koleoptiles nespēj atjaunot savas uzsūkšanas un turgora spējas, un

ūdens zudums palielinās, t.i., īslaicīgs KS paātrina koleoptiles novecošanās procesu.

Sakņu daudzums, garums un masa parasti tiek izmantoti sakņu augšanas novērtēšanai saknes

absorbējošo īpašību dēļ (Huang and Gao, 2000). Pētījuma laikā tika konstatēts, ka KS neatkarīgi

no iedarbības ilguma inhibē sakņu sistēmas augšanu un attīstību, un augšana gandrīz pilnīgi

apstājas uzreiz pēc KS. Pētījumā iegūtie dati parāda, ka ekstrēmas temperatūras ir cieši saistītas

ar ūdens zudumu reducētās sakņu ūdens absorbcijas spējas un izjauktās lapu atvārsnīšu

iztvaikošanas dēļ (Mo et al., 2011), KS pakļautie augi cieš no spēcīga ūdens deficīta un viena no

redzamām sekām ir novīšana.

Auga saknes un vasas sausās masas parasti atrodas noteiktā līdzsvarā un var kalpot par stresa

izmaiņu raksturojumu. Ilglaicīga KS inducētās dīgstu saknes/vasas (S/V) attiecības, relatīvās

sausās masas (RSM) un relatīvā augšanas indeksa (RAI) samazināšanās ir visu kviešu dīgstu

Page 29: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

29

orgānu RSM samazināšanās rezultāts. Ilglaicīga KS iedarbība izraisa spēcīgu ūdens zudumu, kas

nomāc šūnu augšanu un attīstību zema turgora spiediena dēļ (Shao et al., 2008). Ilglaicīgs KS

nomāc sakņu augšanu un samazina uzsūkšanas spējas visās dīgstu attīstības stadijās, un saknes

nespēj atjaunot savu turgoru pēc stresa perioda. Tādējādi sakņu sistēmas normālās

funkcionēšanas traucējumi pēc ilglaicīga KS izraisa virszemes auga daļas bojājumus.

Īslaicīga KS iedarbības laikā tika novērota pakāpeniska S/V attiecības samazināšanās pētāmā

perioda laikā visās dīgstu attīstības stadijās. Tomēr, ja salīdzina S/V attiecības ar kviešu dīgstu

orgānu garuma un masas izmaiņām, ir redzams, ka S/V attiecības samazināšanās pēc īslaicīga

stresa iedarbības agrīnajā dīgstu attīstības stadijā ir sakņu garuma un masas samazināšanās

rezultāts un, iespējams, sakņu galiņu atmiršanas sekas. Īslaicīga KS iedarbība stimulē pirmo lapu

un koleoptiļu RAI palielināšanos pirmajās dienās pēc stresa. 30 minūšu KS agrīnajā dīgstu

attīstības stadijā labvēlīgi ietekmē kviešu dīgstu augšanu. Interesanti ir tas, ka visaugstākais RAI

tika novērots novecojošam orgānam – koleoptilei agrīnajā dīgstu attīstības stadijā pēc īslaicīga

KS, kas ļauj koleoptilei pasargāt pirmo lapu no bojājumiem. Iespējams, tas ir saistīts ar to, ka

īslaicīgs KS stimulē šūnas dalīšanos un šūnu elongāciju (Bos et al., 2000).Tikai 8. eksperimentālo

dīgstu attīstības dienā tika novērots koleoptiles un pirmās lapas RAI kritums. Tādējādi koleoptiles

novecošanās procesi tika nobīdīti, pateicoties īslaicīgam KS agrīnajā dīgstu attīstības stadijā.

Vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā KS paātrina koleoptiles novecošanās procesus neatkarīgi no

iedarbības ilguma, kas uzreiz atspoguļojas pirmās lapas stāvoklī.

Tomēr tikai morfo-fizioloģisko pazīmju izmantošana augstas temperatūras izraisīto atšķirību

noteikšanai nav pietiekami informatīva, tāpēc darbā tika izmantotas arī bioķīmiskās pazīmes, t.i.,

lipīdu peroksidācija, membrānu stabilitāte un proteīnu izmaiņas.

Lipīdu peroksidācijas izmaiņas kviešu dīgstu orgānos karstuma stresa iedarbības rezultātā

Augstas temperatūras inducētie oksidatīvie bojājumi izraisa membrānu bojājumus un elektrolītu

noplūdi etiolēto kviešu dīgstu orgānos. Lipīdu peroksidācijas produktus izmanto par membrānu

lipīdu oksidatīvo bojājumu pierādījumu (Guo et al., 2006).

Būtiskākais malondialdehīda (MDA) daudzuma palielinājums tika konstatēts koleoptilēs pēc KS

iedarbības visās pētāmajās stadijās. Turklāt MDA līmenis pēc īslaicīga stresa iedarbības bija

daudz augstāks nekā pēc ilglaicīga. Par MDA daudzuma paaugstināšanās iemeslu koleoptilēs pēc

īslaicīga KS var būt ASF produkcija, jo tieši H2O2 piedalās lipīdu peroksidācijā (Goyal, Asthir,

2010), kā arī graujošs ūdens zudums. Īslaicīga KS iedarbība agrīnajā dīgstu attīstības stadijā var

būt siltumizturības veidošanās rādītājs, jo šajā stadijā īslaicīgs KS labvēlīgi ietekmēja koleoptiļu

Page 30: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

30

augšanu un attīstību. Siltumizturības veidošanās un H2O2 daudzuma attiecības pēc īslaicīga KS

tika parādīta dažu sugu dīgstiem (Карпець, Колупаєв, 2008). Tomēr īslaicīga KS iedarbība

vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā un ilglaicīga KS iedarbība visās pētāmajās dīgstu attīstības

stadijās paātrina koleoptiles novecošanās procesu turpmākajās dienās pēc KS.

KS, neatkarīgi no iedarbības ilguma un kviešu dīgstu attīstības stadijas, samazina MDA līmeni

pirmajā lapā. Tomēr šajā gadījumā nevar apgalvot, ka KS neietekmē pirmo lapu augšanu un

attīstību, jo īslaicīga KS iedarbība vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā un ilglaicīga KS iedarbība

visās pētāmajās dīgstu attīstības stadijās pilnīgi inhibē pirmās lapas augšanu garumā.

Saknēm, līdzīgi kā koleoptilem, pēc īslaicīgas KS iedarbības tika novērota būtiskāka MDA

līmeņa paaugstināšanās nekā pēc ilglaicīgas neatkarīgi no dīgstu attīstības stadijas. Iespējams, tas

var būt saistīts ar sakņu jūtīgumu pret KS un ar H2O2 hiperprodukciju, kuru apstiprina SOD

paaugstināta aktivitāte. MDA līmeņa pazemināšanos etiolēto kviešu dīgstu saknēs pēc ilglaicīga

KS var paskaidrot ar samazinātu SOD aktivitāti un ar CuZnSOD izoformas inaktivēšanos.

Diēnu konjugāti (DK) ir primārais lipīdu peroksidācijas produkts, kas atspoguļo agrīno

oksidēšanas pakāpi (Владимиров, 1989). DK veidošanās kviešu dīgstu orgānos ir cikliska.

Pirmajās lapās un saknēs DK daudzums samazinājās, bet novecojošajos orgānos – koleoptilēs

paaugstinājās agrīnās ontoģenēzes laikā. Īslaicīgs KS izmainīja ciklisko DK veidošanās raksturu,

tomēr ilglaicīgs KS neizmainīja DK veidošanās raksturu kviešu dīgstu orgānos, iespējams, tāpēc,

ka ilglaicīga stresa iedarbība notika DK veidošanās maksimumu laikā.

Uzreiz pēc KS iedarbības agrīnajā dīgstu attīstības stadijā tika novērota nenozīmīga DK līmeņa

paaugstināšanās kviešu dīgstu orgānos, tomēr vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā DK līmenis strauji

paaugstinājās. Turklāt DK līmenis uzreiz pēc īslaicīgas KS iedarbības bija vairākkārt augstāks

nekā pēc ilglaicīgas stresa iedarbības. DK daudzuma izmaiņas bija atkarīgas no orgāna attīstības

stadijas. Novecojošajās koleoptilēs īslaicīga KS iedarbība izraisīja DK līmeņa paaugstināšanos

tikai vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā, bet ilglaicīga iedarbība – visās dīgstu attīstības stadijās.

Pirmajās lapās un saknēs DK līmenis bija tikai nedaudz augstāks pēc īslaicīga KS visās dīgstu

attīstības stadijās. Kaut gan pēc ilglaicīgas KS iedarbības vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā DK

līmenis paaugstinājās stresam pakļautajās pirmajās lapās un saknēs. Iespējams, vēlīnajā dīgstu

attīstības stadijā ilglaicīgai KS nelabvēlīgai iedarbībai pievienojās oksidatīvie procesi. DK var būt

arī par antioksidantu sistēmas efektivitātes indikatoru oksidatīvo bojājumu laikā (Anwar et al.,

2006). Par to liecina antioksidantu fermentu elektroforētiskā analīze.

Page 31: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

31

Šūnu membrānu caurlaidības izmaiņas kviešu dīgstu orgānos karstuma stresa iedarbības

rezultātā

Lipīdu peroksidācijas procesi būtiski izmaina šūnu membrānu lipīdu bislāņa struktūru, kas izraisa

jonu un metabolītu pasīvā transporta pastiprināšanu (Барабой, Сутковой, 1997).

Saknē reģistrēta visaugstākā membrānu caurlaidība no visiem kviešu dīgstu orgāniem (p<0,001),

koleoptiles šūnu membrānu caurlaidība pakāpeniski paaugstinājās dīgstu attīstības laikā, bet

pirmajā lapā bija diezgan pastāvīga.

Mūsu pētījumi parādīja, ka ilglaicīga KS iedarbība ievērojami paaugstināja kviešu dīgstu orgānu

membrānu caurlaidību neatkarīgi no dīgstu attīstības stadijas. Būtiskāka elektrolītu noplūde (EN)

tika novērota pirmajās lapās un koleoptilēs. Tabakas lapu pētījumos (Ivanov et al., 2001), tika

parādīts, ka ievērojamu membrānu caurlaidības paaugstināšanos izraisa tikai ilglaicīga karstuma

stresa iedarbība (168st., 45°C). Mūsu pētījumi parādīja, ka uzreiz pēc īslaicīga KS iedarbības

vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā pirmo lapu un koleoptiļu EN līmenis arī paaugstinājās. Tomēr

pirmās lapas spēja atjaunoties pēc īslaicīga KS, par ko liecina EN līmeņa samazināšanās līdz

kontroldīgstu līmenim turpmākajās dienās pēc KS iedarbības. EN līmeņa izmaiņas sakrīt ar

membrānu lipīdu peroksidācijas līmeni, t.i., DK līmenis samazinājās līdz kontrollīmenim.

EN pirmajās lapās pēc ilglaicīgas KS iedarbības visās dīgstu attīstības stadijās un pēc īslaicīgas

KS iedarbības vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā sakrīt ar membrānu caurlaidības paaugstināšanos

koleoptilēs. Iespējams, novecojošā orgānā – koleoptilē īslaicīga un ilglaicīga KS iedarbība izraisa

neatgriezeniskus šūnu membrānu bojājumus. Par to liecina ne tikai augsts membrānu caurlaidības

līmenis visā periodā pēc stresa, bet arī augsts DK līmenis. Mūsu pētījumi parādīja, ka DK ir

būtisks šūnas membrānu bojājumu indikators, jo tieši DK līmeņa paaugstināšanās pavada

membrānu caurlaidības paaugstināšanos pirmajās lapās un koleoptilēs.

Īslaicīga KS iedarbība neizraisa membrānu caurlaidības paaugstināšanos un pat ievērojami

samazina membrānu caurlaidību saknēs vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā. Tas sakrīt ar DK

daudzumu saknēs periodā pēc īslaicīga KS, jo tika parādīts, ka DK daudzums ir kontroldīgstu

līmenī. Pēc ilglaicīgas KS iedarbības saknēs tika novērota būtiska EN. Salīdzinot sakņu

membrānu caurlaidības un lipīdu peroksidacijas līmeni pēc ilglaicīga KS, ir redzams, ka sakņu

DK līmenis palielinājās.

Līdz šim kā oksidatīvā stresa indikatoru izmantoja MDA, bet DK izmaiņas stresa laikā, tajā

skaitā KS laikā, gandrīz netika pētītas. Mūsu pētījumi parādīja, ka tieši DK ir membrānu

caurlaidības paaugstināšanās indikators, membrānu caurlaidības izmaiņu raksturs sakrita ar DK

izmaiņām.

Page 32: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

32

Kvalitatīvas un kvantitatīvas summāro šķīstošo proteīnu izmaiņas kviešu dīgstu orgānos

karstuma stresa iedarbības laikā

Proteīnu degradācija paaugstinās KS laikā daudzās augu sugās (He et al., 2005). Kvalitatīvas

proteīnu izmaiņas tika noteiktas etiolēto kviešu dīgstu orgānos uzreiz pēc īslaicīga un ilglaicīga

KS iedarbības agrīnajā dīgstu attīstības stadijā ar SDS-PAGE palīdzību, tāpēc ka SDS-šķīstošie

proteīni ir galvenokārt membrānu proteīni (He et al., 2005).

Kviešu dīgstu orgānu SDS-PAGE profili stipri atšķiras pēc KS iedarbības. Ilglaicīga KS

iedarbība palielina pirmo lapu polipeptīdu joslu intensitāti un jaunu joslu parādīšanos, iespējams,

karstuma šoka proteīnus (Hsp). Uzreiz pēc ilglaicīga KS pirmajā lapā paaugstinājās dažu joslu

intensitāte (85 – 40kDa). Ievērojamas polipeptīdu izmaiņas tika novērotas arī 20 – 13kDa

diapazonā, kur uzreiz pēc 24 stundu KS iedarbības pirmajās lapās tika novērota jauna josla

(19,2kDa). Iespējams, tas ir saistīts ar Hsp sintēzi. Citu augu sugu lapās arī tika konstatēta dažu

proteīnu joslu paaugstināta intensitāte, kā arī jaunu joslu parādīšanās pēc KS iedarbības (Nagesh

Babu, Devaraj, 2008).

Koleoptilēs netika novērotas summāro proteīnu elektroforētiskās aktivitātes izmaiņas pēc KS

iedarbības, tomēr tika konstatēta būtiska proteīnu daudzuma samazināšanās pēc ilglaicīga KS

iedarbības, kas saglabājās visā pētāmajā periodā. Iespējams, ka novecojošās koleoptilēs notiek

proteīnu degradācija, un KS iedarbība vairs nevar ietekmēt proteīnu izmaiņas tajās.

Saknēs tika novērotas divas polipeptīdu joslas ar paaugstinātu intensitāti ( 20,9kDa un 10,6kDa),

kuru intensitāte samazinās ar KS ilguma pagarināšanu. Var pieļaut, ka proteīnu sintēze saknēs ir

atkarīga ne tikai no augstās temperatūras lieluma, bet arī no iedarbības ilguma. Ilglaicīga KS

iedarbība būtiski samazina arī summāro šķīstošo proteīnu daudzumu saknēs. Mēreni augstas

temperatūras neizraisa kviešu dīgstu sakņu summāro šķīstošo proteīnu izmaiņas (Bakalova et al.,

2008). Tomēr tāda proteīnu samazināšanās spilgti izteikta pēc 45°C temperatūras iedarbības

(Карапец и др., 2007). Pēc iegūto rezultātu datiem var secināt, ka saknes ir vairāk jūtīgas pret

KS. Tas var būt saistīts ar proteināžu aktivitātes paaugstināšanos saknēs KS laikā. Jo daudzi

pētījumi parāda, ka proteināžu aktivitāte ir atkarīga ne tikai no KS intensitātes, bet arī no

iedarbības ilguma un ievērojami paaugstinās pēc ilglaicīgas iedarbības (He et al., 2005).

Antioksidantu fermentu elektroforētiskās aktivitātes izmaiņas kviešu dīgstu orgānos

karstuma stresa iedarbības rezultātā

Antioksidantu fermenti uztur augu membrānu viengabalainību (Mittler, 2002). Antioksidantu

līdzsvara izmaiņa ir viena no nespecifiskām stresa reakcijām (Веселова и др., 1993). KS

Page 33: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

33

inducēja oksidatīvus bojājumus un izmainīja katalāzes (CAT), superoksīddismutāzes (SOD) un

peroksidāzes (POD) elektroforētisko aktivitāti.

Pirmajā lapā tika konstatētas trīs SOD izoformas, tomēr SOD elektroforētiskās aktivitātes

izmaiņas pēc KS iedarbības netika konstatētas. Iespējams, tāpēc, ka agrīnajā dīgstu attīstības

stadijā KS samazina lipīdu peroksidāciju pirmajās lapās. Tādējādi, varam pieļaut, ka oksidatīvie

procesi pirmajā lapā pēc KS iedarbības ir kontrollīmenī. Koleoptilēs tika reģistrētas četras SOD

izoformas ar augstāku elektroforētisko aktivitāti nekā lapās un saknēs. Iespējams SOD

elektroforētiskās aktivitātes paaugstināšanās ir atbilde uz paaugstinātu O2¯ produkciju

novecojošajās koleoptilēs, jo KS pastiprināja oksidatīvus procesus tajos. Mūsu rezultāti saskan ar

īslaicīga KS pētījumiem izolētajās etiolēto kviešu dīgstu koleoptilēs (Колупаев, Карпец, 2008).

POD aktivitāte šūnā nav viennozīmīgā, no vienas puses POD ģenerē ASF, bet no otras puses

piedalās H2O2 noārdīšanā (Minibayeva et al., 2009). Pirmo lapu pētījumu rezultāti saskan ar KS

un ūdens deficīta pētījumu rezultātiem (Dat et al., 1998), kuros tika parādīta POD aktivitātes

paaugstināšanās un CAT aktivitātes pazemināšanās. Pirmo lapu CAT un POD elektroforētiskā

aktivitāte paaugstinājās laikā pēc KS un spēcīgāka POD elektroforētiskā aktivitāte tika novērota

3. dienā pēc KS. Iespējams, šajā gadījumā var runāt par līdzsvara atjaunošanos starp ASF

daudzumu un antioksidantu sistēmas darbību un siltumizturības veidošanos.

Koleoptilēs POD elektroforētiskā aktivitāte bija kontroldīgstu koleoptiļu līmenī, tomēr tika

novērota CAT elektroforētiskās aktivitātes paaugstināšanās un jaunas izoformas parādīšanās pēc

ilglaicīga KS. Iepriekšējos pētījumos tika secināts, ka CAT un POD samazināšanās un ASF un

MDA paaugstināšanās liecina par oksidatīvo stresu un neatgriezeniskiem membrānu bojājumiem

(Yin et al., 2008; Колупаев, Карпец, 2008). Mūsu pētījumu rezultāti parāda, ka paaugstināta

koleoptiļu CAT un POD elektroforētiskā aktivitāte KS laikā nav oksidatīvo procesu

samazināšanās pierādījums, jo koleoptilēs tika novērota augsta lipīdu peroksidācija. Iespējams,

ilglaicīga KS iedarbība pastiprināja oksidatīvo procesu attīstību novecojošās koleoptilēs, par to

liecina MDA un DK līmeņa paaugstināšanās un EN palielināšanās. Rezultātā, pat paaugstināta

antioksidantu fermentu aktivitāte nespēja cīnīties ar KS bojājošo ietekmi.

Paaugstināta SOD un POD elektroforētiskā aktivitāte tika konstatēta saknēs uzreiz pēc īslaicīgas

KS iedarbības. Tajā laikā tika novērots arī pazemināts MDA līmenis. Šāds efekts ir saistīts ar

vairāku siltumizturīgu fermentu formu sintēzes pastiprināšanos. 3. dienā pēc KS iedarbības

saknēs tika novērota lipīdu peroksidācijas paaugstināšanās, kas saskan ar SOD un POD

elektroforētiskās aktivitātes samazināšanos. Ilglaicīga karstuma stresa iedarbība pilnīgi izmainīja

sakņu SOD un POD izoformu elektroforētisko aktivitāti salīdzinājumā ar īslaicīgu KS iedarbību.

Page 34: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

34

CuZnSOD izoforma ir jūtīga pret H2O2, tāpēc varam pieļaut, ka tieši H2O2 uzkrāšanās sakņu

šūnās oksidatīvo procesu rezultātā varēja izraisīt CuZnSOD izoformas inaktivāciju. Mūsu

pieņēmumu apstiprina POD elektroforētiskās aktivitātes samazināšanās un pat divu izoformu

inaktivācija (POD3 un POD5) pēc ilglaicīga KS iedarbības. Kviešu dīgstu saknēs, netika

konstatēta būtiska lipīdu peroksidācijas paaugstināšanās. Iespējams, tas ir saistīts ar to, ka saknēs

POD darbojas nevis kā antioksidants, bet kā spēcīgs oksidētājs. Tas arī var izskaidrot, kāpēc POD

elektroforētiskās aktivitātes samazināšanās neizraisa lipīdu peroksidācijas paaugstināšanos

saknēs.

Oksidatīvo procesu un antioksidantu sistēmas izmaiņas kviešu dīgstu orgānos CsA (1mg/l)

klātbūtnē

Ciklosporīns A (CsA) ir atgriezenisks mitohondriālo caurlaidību regulējošo poru atvēršanās

inhibitors. Tas bloķē mitohondriālo poru atvēršanos un kavē oksidatīvus procesus (Arpagaus et

al., 2002), tāpēc tika izpētīta CsA ietekme uz etiolēto kviešu dīgstu orgānu oksidatīviem

procesiem pēc KS iedarbības pašā agrīnajā dīgstu attīstības stadijā.

Lipīdu peroksidācijas samazināšanās, kuru inducēja CsA, paaugstināja etiolēto kviešu dīgstu

pirmo lapu un sakņu membrānu stabilitāti, bet koleoptiļu membrānu stabilitāte bija kontroldīgstu

līmenī. Oksidatīvo procesu intensitātes samazināšanās kviešu dīgstu orgānos, kas tika audzēti

mitohondriālo poru atvēršanās inhibitora CsA klātbūtnē, liecina, ka augu šūnu mitohondrijiem ir

liela loma oksidatīvā stresa inducēšanā.

Īslaicīga un ilglaicīga KS iedarbība izmaina CsA ietekmi uz mitohondriālo poru stāvokli un

rezultātā izmaina oksidatīvos procesus kviešu dīgstu orgānos. CsA klātbūtne būtiski samazināja

EN pirmajās lapās un koleoptilēs pēc 15 un 30 minūšu KS, bet 60 minūšu un 24 stundu KS

nivelēja CsA inhibējošo ietekmi uzreiz pēc stresa iedarbības un EN būtiski paaugstinājās. Tomēr

pirmās lapas spēja samazināt membrānu caurlaidību pēc oksidatīvā stresa, kuru inducēja KS,

atšķirībā no koleoptilēm, kurā EN līmenis paaugstinājās līdz stresam pakļauto koleoptiļu EN

līmenim, kas tika audzētas bez CsA. Iegūtie dati liecina par būtisku CsA un īslaicīga KS

kompleksu ietekmi uz pirmo lapu siltumizturības veidošanos, jo mitohondriālo poru atvēršanās

inhibitora CsA klātbūtnē pastiprinājās īslaicīga KS izraisīta lipīdu peroksidācijas inhibēšana,

paaugstinājās CAT un POD elektroforētiskā aktivitāte un tika konstatēta jauna proteīna

(12,9kDa) parādīšanās. Iespējams, ka tas ir saistīts ar mitohondriālo poru atvēršanās inhibēšanu.

CsA klātbūtne būtiski paaugstina membrānu stabilitāti saknēs pēc īslaicīga KS iedarbības un tas

Page 35: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

35

saskan ar MDA līmeņa pazemināšanos un ar proteīnu (20,9kDa un 10,6kDa) elektroforētiskās

aktivitātes paaugstināšanos. Taču ilglaicīga KS iedarbība nivelē CsA ietekmi saknēs.

No vienas puses, mitohondriālo poru jūtīgums pret CsA ietekmi var būt orgānu specifisks.

Pētījumos tika parādīts, ka CsA klātbūtne būtiski samazināja sakņu lipīdu peroksidāciju un

paaugstināja sakņu membrānu stabilitāti. CsA oksidatīvus procesus inhibējošā ietekme tika

novērota arī pirmajā lapā oksidatīvā stresa laikā, kuru inducēja īslaicīgs KS. Tomēr koleoptilē

CsA klātbūtne tikai pastiprināja oksidatīvo procesu attīstību.

No otras puses, tas var būt saistīts ne tikai ar orgānu specifiskumu, bet arī ar orgāna attīstības

stadiju. KS izraisa koleoptiles paātrinātu novecošanos, par ko liecina spēcīga oksidatīvo procesu

attīstība. Mitohondriālo caurlaidību regulējošā pora var mainīt savas īpašības atkarībā no stresa

iedarbības (Павловская и др., 2010). Iespējams, oksidatīvā stresa laikā mitohondriālās poras

zaudē jūtīgumu pret CsA. Tādējādi mitohondriālo poru atvēršanās inhibitors CsA var veikt tikai

ievērojamu stabilizējošu ietekmi uz kviešu dīgstu pirmo lapu un sakņu membrānu lipīdiem un

apturēt to degradāciju īslaicīga KS inducētā oksidatīvā stresa laikā.

SECINĀJUMI

1. Morfo-fizioloģisko parametru izmaiņas parāda, ilglaicīga karstuma stresa iedarbībā kviešu

dīgstu orgāni zaudē savas atjaunošanās spējas gan agrīnajā, gan vēlīnajā dīgstu attīstības

stadijā, bet īslaicīga karstuma stresa iedarbībā kviešu dīgstu orgāni zaudē savas atjaunošanās

spējas tikai vēlīnajā dīgstu attīstības stadijā.

2. Karstuma stresa iedarbība samazina membrānu lipīdu peroksidāciju attīstošajos orgānos -

pirmajās lapās.

3. Kviešu dīgstu orgānu šūnu membrānu caurlaidības paaugstināšanās ir cikliska, kas saistīts ar

lipīdu peroksidācijas produkta – diēnu konjugātu daudzuma izmaņām.

4. Karstuma stresa inducētā diēnu konjugātu daudzuma palielināšanās izraisa šūnu membrānu

caurlaidības paaugstināšanos kviešu dīgstu orgānos, bet diēnu konjugātu daudzuma

samazināšanās izraisa šūnu membrānu caurlaidības samazināšanos, tāpēc diēnu konjugātu

daudzuma izmaiņas var izmantot kā šūnu membrānu stabilitātes indikatoru.

5. Kvalitatīvas un kvantitatīvas summāro šķīstošo proteīnu izmaiņas ilglaicīga karstuma stresa

laikā ir atkarīgas no kviešu dīgstu orgānu attīstības stadijas, t.i., attīstošajā orgānā – pirmajā

lapā summāro šķīstošo proteīnu elektroforētiskā aktivitāte paaugstinās, bet novecojošajā

orgānā – koleoptilē nemainās, tomēr būtiski samazinās proteīnu daudzums.

Page 36: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

36

6. Kvalitatīvas un kvantitatīvas proteīnu izmaiņas saknēs ir atkarīgas no karstuma stresa

iedarbības ilguma, t.i., pagarinoties iedarbības ilgumam, samazinās proteīnu elektroforētiskā

aktivitāte un daudzums.

7. Antioksidantu fermentu elektroforētiskās aktivitātes izmaiņas kviešu dīgstos parāda, ka

ilglaicīgas karstuma stresa iedarbības rezultātā notiek dažu POD un SOD izoformu zudums

saknēs un jaunas CAT izoformas veidošanās koleoptilēs, kas var būt saistīts ar aktīvā

skābekļa formu uzkrāšanos ilglaicīga karstuma stresa laikā.

8. Mitohondriālo poru atvēršanās inhibitora CsA klātbūtne samazina oksidatīvos procesus, kurus

izraisa īslaicīga karstuma stresa iedarbība, un stabilizē membrānu lipīdus kviešu dīgstu

orgānos.

9. Ilglaicīgs karstuma stress samazina mitohondriālo poru jūtīgumu pret mitohondriālo poru

atvēršanās inhibitora iedarbību saknēs un novecojošajos orgānos – koleoptilēs, bet ilglaicīgs

karstuma stress nemaina mitohondriālo poru jūtīgumu pret mitohondriālo poru atvēršanās

inhibitora iedarbību attīstošajos orgānos – pirmajās lapās.

Page 37: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

37

INTRODUCTION

The importance of the research:

Climate changes and extreme weather conditions make the research of ability of plant adaptation

especially important. One of possible climate changes can be an increase in average temperature.

The problem of heat stress is being predicted in the future as well. According to scientists’

predictions the average world temperature is going to increase from 1,5°C to 4,5°C, probably by

~ 2,5°C in the next fifty-years’ time (Bengtsson, 1994). Besides, many regions are supposed to

experience unusual episodes of heat stress, i.e. maximum temperature increase by 35-40°C in

several days in a year (Wrigley, 2006). This heat stress may increase the intensity of injury in

many cool-season plant species (Huang, 2006).

One of the primary reactions of plants on exposure to the stress factor, including heat stress, is

increased production of reactive oxygen species (ROS) and, as a result, activation of the process

of membrane lipid peroxidation (Dat et al., 1998). The increase in the level of lipid peroxidation

causes significant membrane injuries (Барабой и др., 1991). In order to manage oxidative

processes, fast involvement of antioxidant systems is needed. The activity of antioxidant systems

can increase under the influence of stress factors (Goyal, Asthir, 2010). These systems prevent

oxidative damage of membranes and cell death. Relations between the level of lipid peroxidation

and activity of antioxidant systems determine to a certain degree plant resistance against heat

stress. So, to detect the reaction of a whole plant or plant’s different organs onto the exposure of a

certain environmental factor, research of each separate environmental factor is needed. Detection

of the response mechanisms of plants under stress conditions and acquired resistance has a

significant practical value. In order to make plant resistant against each environmental factor not

only specific reactions which depend on properties of environmental factor and plant species, but

also non-specific cell reactions created as a result of any adverse factor are important. Seedling

stage is the most sensitive and crucial period in plant ontogeny especially against environmental

stresses (Çavusoglu, Kabar, 2012).

Plant mitochondria are significant during stress response which is expressed in disturbance of

mitochondria homeostasis and, as a result, production of mitochondrial ROS. Many factors (e.g.,

cell damage, oxidative stress, Ca2+

accumulation, etc.) can initiate the opening of mitochondrial

permeability transition pore (Lord et al., 2011). Cyclosporine A (CsA) is reversible inhibitor of

mitochondrial permeability transition pore (MPTP) opening not only in mammalian cells, but

also in plant and prevents opening of MPTP and delays cell death (Arpagaus et al., 2002).

Page 38: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

38

Recent research shows that CsA is a powerful inducer of oxidative stress in mammalian cells,

which participates in production of ROS and, as result, can change the level of lipid peroxidation

in mammalian tissues (Nagaraja et al., 2009). Besides, the data show that CsA retard production

of ROS in plant cells during stress (Lin et al., 2006). However, it is important to mention the fact

that there is almost no information in scientific literature about CsA influence on oxidative

conditions of plant cells and activity of antioxidant system under stress conditions. Therefore, the

study of influence of mammalian cell oxidative process modulator CsA on the lipid peroxidation

and activity of antioxidant system in different plant organs during exposure to heat stress causes

big interest.

The novelty of the research:

The obtained results significantly supplement and expand the existing knowledge about the role

of heat stress in the development of oxidative processes in functionally different plant organs.

For the first time the complex research of changes of morpho-physiological parameters (growth,

relative dry weight, root/shoot ratio, relative water content, relative growth index) under heat

stress have been made. Previously many of these morpho-physiological parameters were used

only as indicators of water deficit and salt stress. However, in the previous study of heat stress

many of these parameters were almost not used, e.g. root/shoot ratio, relative growth index,

relative dry weight etc.

For the first time the changes of electrophoretic activity of antioxidant enzymes induced by heat

stress in the functionally different organs of wheat seedlings at different stages of seedling

development have been made.

For the first time the influence of inhibitor of mitochondrial permeability transition pore opening

– CsA in mammalian mitochondria on the functionally different organs of wheat seedlings at the

different stages of seedling development have been studied.

For the first time the response reaction on heat stress treatment in functionally different organs of

wheat seedlings at different stages of ontogeny has been compared.

The main hypotheses of the research:

1. The influence of heat stress inhibits growth and development, causes oxidative stress and

decreases the activity of antioxidant systems at the stage of seedling development.

2. The presence of cyclosporine A intensifies the influence of heat stress on the development of

oxidative processes at the stage of seedling development.

Page 39: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

39

The aim of the research:

By analysing the morpho-physiological and biochemical changes of the organs of wheat

seedlings caused by the exposure to short- and long-term heat stress at the different stages of

seedling development to elucidate the response of the functionally different organs of wheat

seedlings onto the changes of oxidative processes.

The tasks of the research:

1. To investigate the influence of heat stress on the growth and development of the functionally

different organs of etiolated wheat seedlings at the early and late stages of seedling

development.

2. To investigate changes of morpho-physiological parameters (growth, relative dry weight,

root/shoot ratio, relative water content, relative growth index) in the organs of etiolated wheat

seedlings under the influence of heat stress.

3. To investigate the process of membrane lipid peroxidation and changes in membrane stability

in the organs of etiolated wheat seedlings under the influence of short- and long-term heat

stress.

4. To analyse the protective reaction of different the organs of wheat seedlings and determine

the electrophoretic activity of antioxidant enzymes.

5. To investigate the qualitative changes of proteins in the organs of wheat seedlings under the

influence of short- and long-term heat stress.

6. To investigate the influence of the inhibitor transition pore Cs A on the lipid peroxidation,

membrane stability and electrophoretic activity of antioxidant enzymes in the organs of

etiolated wheat seedlings under the influence of heat stress.

Approbation:

Main results of the study were presented in 11 international conferences and in 1 local

conference:

5th Baltic Congress of Genetics (Kaunas, Lithuania, 19.-22.2012): ‘The Synthesis of

Different Isoforms of Antioxidant Enzymes as a Reaction on Heat Stress in Different

Wheat Organs (Triticum aestivum L.)’

Development and Application of New Fluorescent Materials and Methods (Daugavpils,

Latvia, 12.09.2012): ‘The Influence of High Temperature on Oxidative Processes and

Accelerated Senescence in Wheat Seedling (Triticum aestivum L.) Coleoptile’

Page 40: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

40

V International Conference of Young Scientists ‘Biodiversity. Ecology. Adaptation.

Evolution.’ (Odesa, Ukraine, 13. – 17.06.2011): Impact of Heat Stress on Development of

Senescent Organs of Wheat Seedlings (Triticum aestivum L.): Biochemical and

Morphological Changes.

6th International Conference „Research and Conservation of Biological Diversity in

Baltic Region” (Daugavpils, Latvia 28.-29.04.2011): ‘High-temperature Injury in Relation

to Membrane Lipid Peroxidation in Different Organs of Wheat Seedlings (Triticum

aestivum L.)’

V International Young Scientists’ Conference ‘Biology: from a Molecule up to the

Biosphere’ (Kharkiv, Ukraine, 22.-25.11.2010): ‘Effects of Heat Stress on Oxidative

Damage and Morphological Changes in Wheat Seedlings (Triticum aestivum L.)’

5th International Conference „Research and Conservation of Biological Diversity in

Baltic Region” (Daugavpils, Latvia 22.-24.04.2009): ‘Superoxide Dismutase and Catalase

Electrophoretic Activity and Lipid Peroxidation in Wheat Seedlings (Triticum aestivum

L.) after Heat Stress’

3rd International Young Scientists’ Conference ‘Biology: from a Molecule up to the

Biosphere’ (Kharkiv, Ukraine, 18.-21.11.2008): ‘Lipid Peroxidation and Antioxidant

Activity in Wheat (Triticum aestivum L.) Seedlings in Response to Heat Shock’

International Life-Sciences Conference (Warsaw, Poland 10.-14.09.2008): ‘The Effect of

Heat Stress on the Activity of Antioxidant Enzymes and Lipid Peroxidation in Wheat

(Triticum aestivum L.) Seedlings’

50th International Scientific Conference of Daugavpils University (Daugavpils, Latvia,

05.-17.05.2008): ‘The effect of short-term and long-term influence of heat shock on

production of reactive oxygen species and growth of wheat (Triticum aestivum L.)

seedlings’

IV Baltic Genetical Congress (Daugavpils, Latvia, 09.-12.10.2007): ‘Influence of some

antioxidants on enzyme activity and electrophoretic pattern of isoenzymes of superoxide

dismutase and catalase in wheat seedlings (Triticum aestivum L.)’

World Conference of Stress (Budapest, Hungary, 23.-26.08.2007): ‘Influence of

antioxidants on some stages of oxidative stress in plant cells of wheat and barley

seedlings’

Page 41: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

41

4th International Conference „Research and Conservation of Biological Diversity in

Baltic Region” (Daugavpils, Latvia, 25.-27.04.2007): ‘Some molecular mechanisms of

oxidative stress in plant cells of wheat seedlings’

The main results of the study are described in 4 scientific publications:

Savicka M., Škute N. 2012. Some morphological, physiological and biochemical

characteristics of wheat seedling Triticum aestivum L. organs after high-temperature

treatment. Ekologija. 58(1): 9-21.

Savicka M., Škute N. 2010. Effects of high temperature on malondialdehyde content,

superoxide production and growth changes in wheat seedlings (Triticum aestivum L.).

Ekologija. 56(1-2): 26-33.

Shkute N., Savicka M. 2009. Influence of mammalian imunodepresant cyclosporin A on

some molecular processes of plant senescence. Acta Biologica Univiversit. Daugavp. 9

(2): 283-290.

Savicka M., Škute N. 2008. The influence of heat shock on production of reactive oxygen

species and growth of wheat (Triticum aestivum L.) seedlings. Proceedings of the 50th

International Scientific Conference of Daugavpils University. 79-88.

Size and structure of the thesis:

The size of the thesis is 169 pages. It consists of 76 figures and 6 tables. 286 references and 1

Internet source were cited. The structure of the thesis consists of introduction, review of scientific

literature, materials and methods, results, discussion, conclusions, acknowledgements, list of

references and 3 appendixes. Materials and methods, main result, their analysis and conclusions

are summarised in this volume.

MATERIALS AND METHODS

The object of research

Wheat is a convenient object for studying plant morphology, physiology and molecular biology,

because the development of cereals is synchronous throughout ontogeny. The object of the study

was the organs of etiolated seedlings of winter wheat (Triticum aestivum L., cv. Harmonia).

Wheat roots were used because high root temperature accelerates senescence of the entire plant.

Page 42: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

42

The first leaf and coleoptile were used because the first leaf is a developing organ of wheat, but

the coleoptile is a senescent organ of wheat.

Heat and Cyclosporine A (1 mg/l) treatment

Heat treatments to wheat seedlings were given in a plant growth chamber by raising its

temperature to desired levels from 26 to 42 °C. The seedlings were exposed by short-term (15, 30

and 60 min) and long-term (24 h) heat stress (HS) at the early and at the late stages of seedling

development (4- and 7-day-old seedlings respectively). Samples (first leaves, coleoptiles and

roots) were taken immediately after high-temperature exposure and at twenty-four hour intervals

for measurement of biometric parameters, lipid peroxidation products (malondialdehyde, MDA,

and conjugated dienes, CD), electrolyte leakage (EL), changes of total soluble protein amount

and electrophoretic activity of antioxidant enzymes (CAT, SOD, POD).

Wheat seedlings were grown in the presence of CsA (1 mg/l), starting from the first day of

seedling development. MDA, EL, changes of total protein amount and electrophoretic activity of

antioxidant enzymes were investigated in the organs of wheat seedlings after compound

treatment of short- and long-term HS and CsA at the early stage of seedling development.

Measurements of the growth parameters

The first leaf, coleoptile and maximum root length was measured in millimeters (mm). Data are

presented taking into consideration the standard error (SE) of three replicates. In general, 5310

wheat seedlings were used for morphometric measurements.

Fresh weight (FW), dry weight (DW) and turgid weight (TW) of the first leaf, coleoptile and

roots were measured immediately after HS and at twenty-four hour intervals after HS (Ali et al.,

2009).

Relative dry weight (RSM) was calculated from the following formula (Ali et al., 2009):

Root/Shoot (R/S) ratio was calculated from the following formula (Worku, Astatkie, 2010):

, where RDW – the root DW; LDW – the first leaf DW; CDW – the coleoptile

DW.

Relative growth index (RGI) was calculated from the following formula (Bhattacharjee,

Mukherjee, 2003):

Page 43: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

43

Relative water content (RWC) was calculated from the following formula (Turner, 1981):

Determination of electrolyte leakage

The electrolyte leakage (EL) in the organs of wheat seedlings was determined as described before

by Guo et al. (2006).The EL was calculated from the following formula:

Measurement of lipid peroxidation

The MDA content was determined by the thiobarbituric acid reaction as described by Ali et al.

(2005). MDA concentration was estimated by subtracting the non-specific absorption at 600 nm

from the absorption at 532 nm using a molar extinction coefficient, 155mM−1

cm−1

. Lipid

peroxidation was determined by measuring CD formation (Recknagel, Ghoshal, 1966). The CD

content in the sample was calculated according to 233 nm molar extinction coefficient to

polyunsaturated fatty acids conjugated dienes, 2,2x105 M

-1 cm

–1.

Protein research in the organs of wheat seedlings

The first leaves, coleoptiles and roots of etiolated wheat seedlings were sampled for protein

analysis, starting from 4th

day of seedling development (the 15-, 30- and 60-min HS) and 5th

day

of seedling development (the 24h HS) and three days after stress at twenty-four hour intervals.

All samples were homogenized in 50mM K-phosphate buffer (pH 7.8).

Total amount of proteins was detected by the „Invitrogen” protocol, using Quant-iT™ protein

detection kit and Qubit™ fluorometer (Invitrogen™).

Electrophoretic activity of antioxidant ferments

SOD, CAT and POD isoenzyme patterns were identified by native PAGE on 15%, 7.5% and 12%

acrylamide gels, respectively. Defined amounts of protein, 20 mg, were used.

Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE)

SDS-PAGE was used in order to separate proteins according to their electrophoretic mobility.

SDS-PAGE was carried out according to Laemmli (1970) with slight modification.

Statistical analysis

Statistical data processing and analysis were done with the analysis functions of Microsoft Excel

2010 and Statistica 7.0. All results represent the means of three replicate (except PAGE and SDS-

Page 44: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

44

PAGE). Data are presented taking into consideration the standard error (SE) of three replicates.

Results were analysed by one-way ANOVA to identify significant differences between the

groups, and their significance levels (p < 0.05) were determined.

RESULTS

Changes of air and soil surface temperatures from 2004 to 2011

The data of 23 weather stations (the maximum summer air temperature and soil surface

temperature) from 2004 to 2011 were analysed (LVĢMC). Average maximum air temperatures

varied from 24˚C to 32˚C in summer months. Soil surface temperature was varied in the range

between 20˚C to 50˚C, the range between 20 to 40˚C was found in more than 60% cases. Data

analysis of soil surface temperature in Latvia showed the raise of temperature in the range

between 40-50˚C in more than 10% cases during summer months depending on a year, but it

reached 33% in the hottest years (in 2006).

Changes of morpho-physiological parameters of the organs of wheat seedlings under heat

stress

Changes of relative water content (RWC)

The powerful water loss was observed in the coleoptiles after long-term heat stress (HS) exposure

at the early stage of seedling development, i.e. immediately after HS water loss was 6.3%, and

water loss was 49% (p<0.05) five days after HS. The RWC decreased by 5% (p>0.05) in the first

leaves immediately after long-term HS exposure at the late stage of seedling development, and it

reached 45% (p<0.001) at the end of the investigated period compared to control. The water loss

in the coleoptiles depended on the duration of HS exposure, i.e. immediately after the 15-

minutes’ exposure – 21%, after 60 min – 40%, and after 24h – 50%. The gradual decrease in the

RWC (more than 50%, p<0.01) in the coleoptiles five days after HS was observed (Figures 1 and

2).

Page 45: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

45

Figure 1

RWC (%) of the coleoptiles at the early (A) and at the late (B) stages of wheat seedling

development in response to short-term HS (42°C). All results represent the means of three

replicate ± SE.

Figure 2

RWC (%) of the coleoptiles at the early (A) and at the late (B) stages of wheat seedling

development in response to long-term HS (42°C; * - experiment starting date). All results

represent the means of three replicate ± SE.

Changes of length of the organs of wheat seedlings under heat stress

The significant inhibition of the first leaf length was observed on the 5th

day after the 15-, 30-,

and 60-minutes’ HS exposure (16% (p<0.05), 35% (p<0.001), and 27% (p<0.01) respectively).

The arrest of the growth of the first leaf was observed after the 15-minutes’ and 24-hours’ HS at

the late stage of seedling development (p<0.001). The growth of the first leaf was inhibited by

19% and 17% immediately after the 30- and 60-minutes’ stress respectively, and it decreased by

28% and 26% respectively five days after HS (p<0.05) (Figure 3). The growth of the first leaf

was inhibited immediately after long-term HS exposure at the early and late stages of seedling

Page 46: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

46

development (23% and 29% respectively; p<0.001) and it was inhibited by 55% and 31%

respectively at the end of the investigated period compared to control.

The HS caused inhibition of the maximum root length growth at all stages of seedling

development (p<0.001). The adverse influence of HS increased in the roots throughout the

investigated period at the early and late stages of seedling development, and it reached more than

50% (p<0.001) and more than 40% (p<0.001) respectively at the end of the investigated period

compared to control. Insignificant changes were observed in the coleoptile growth after HS

exposure (p>0.05).

Figure 3

Length of the first leaf at the early (A) and at the late (B) stages of wheat seedling development in

response to short-term HS (42°C) (HS1 (4-day-old seedlings) and HS2 (7-day-old seedlings).

Changes of relative dry weight (RDW)

The increase in the RDW of the first leaves and coleoptiles caused the increase in the RDW of

wheat seedlings (from 8% (p<0.01) to 15% (p<0.05)) after the 15-minutes’ HS at the early stage

of seedling development. The gradual decrease in the RDW (from 1% to 21%) of wheat

seedlings was observed after the 15-minutes’ HS at the late stage of seedling development. The

RDW of wheat seedlings increased immediately after the 30-minutes’ HS at the early and late

stages of seedling development (4% and 6% respectively; p<0.05), and it reached 10% and 12%

respectively at the end of the investigated period compared to control (p>0.05). Though the RDW

increase at the early stage of seedling development occurred due to the increase of the RDW of

all organs of wheat seedlings, but the RDW increase at the late stage occurred due to the increase

of the RDW of underground parts of seedlings. Changes of the RDW after the 60-minutes’ HS

exposure were observed only at the late stage of seedling development – at the end of the

Page 47: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

47

investigated period it was found to be decreased by 13%, it occurred due to the reduction of the

RDW of the coleoptile (19%) and roots (13%). The decrease in the RDW of wheat seedlings

(7%; p<0.001) immediately after long-term HS at the early stage of seedling development

occurred due to the decrease in the RDW of the root (43%; p<0.05). The RDW decreased (20%;

p<0.001) due to the decrease in the RDW of the first leaf and coleoptile (26% and 38%

respectively; p<0.01) at the end of the investigated period. However, the RDW increased till the

control level at the late stage of seedling development due to the increase in the RDW of the first

leaf (27%; p<0.05).

Changes of root/shoot ratio (R/S)

The most drastic decrease in the R/S ratio was observed after the 15-minutes’ and 24-hours’ HS

exposure (p<0.05) – it decreased by 28% and 73% respectively immediately after HS exposure at

the early stage of seedling development, and by 44% and 40% respectively at the late stage

(Figure 4). However, the R/S ratio increased after long-term HS at the late stage of seedling

development and reached the control level. The decrease in the R/S ratio was observed after

short-term HS at the early stage of seedling development – on the 5th

day after the 15-, 30- and

60-minutes’ HS exposure it was found to be decreased by 56% (p<0.001), 19% (p<0.05), and

47%; (p<0.001) respectively compared to control. The decrease in the R/S ratio was observed

also after short-term HS at the late stage of seedling development – on the 5th

day after the 15-,

30- and 60-minutes’ HS exposure it was found to decrease by 64% (p<0.001), 51% (p<0.01), and

28%; (p<0.001) respectively compared to control.

Figure 4

R/S ratio of wheat seedlings at the early (A) and at the late (B) stages of wheat seedling

development in response to HS (42°C). All results represent the means of three replicate ± SE.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Control 15 min 30 min 60 min 24 h

Ro

ot/

Sh

oo

t ra

tio

Duration of heat stress

HS1 HS2

Page 48: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

48

Changes of relative growth index (RGI)

The RGI depended on HS duration and the treated organ (Table 6). The most critical duration of

HS was 24 hours, and the most favourable duration of HS was 30 minutes. The roots were the

most sensitive against HS exposure (Table 6).

The decrease of the RGI of the first leaf was observed on the 5th

day after short-term HS at the

early stage of seedling development (approx. by 35%, p<0.05), and it decreased by more than

20% at the late stage of seedling development (p<0.05). The increase of the RGI of the coleoptile

was observed during three days after short-term HS exposure at the early stage of seedling

development (p<0.05), however, the RGI decreased by 23% and 33% (p<0.05) after the 30- and

60-minutes’ HS respectively on the 5th

day after HS exposure, but it was similar to control after

the 15-minutes’ HS. The gradual decrease of the RGI of the coleoptile was observed after short-

term HS at the late stage of seedling development. The gradual decrease of the RGI of the roots

was observed after short-term HS at the early stage of seedling development, and on the 5th

day

after the beginning of the 15-, 30- and 60-minutes’ HS it was found to decrease by 62%, 42% and

65% (p<0.001) respectively. The decrease of the RGI of the roots at the late stage of seedling

development was similar to the RGI increase at the early stage of seedling development

(p<0.001).

A sharp decrease of the RGI (p<0.001) of the organs of wheat seedlings was observed after long-

term HS at the early stage of seedling development, and it was steadily low at the late stage of

seedling development compared to the RGI of the control seedlings (>50%; p<0.05).

Table 6

RGI of the organs of wheat seedlings at the early (HS1 – 4-day-old seedlings) and at the late

(HS2 – 7-day-old seedlings) stages of wheat seedling development in response to HS (42°C).

Duration

of HS

RGI (%)

The first leaf The coleoptile The roots

HS1 HS2 HS1 HS2 HS1 HS2

0 min 100 100 100 100 100 100

15 min 125±0.05*** 89±0.56** 119±1.78** 100±0.05 100±0.05 42±2.22**

30 min 100±0.05* 112±0.69** 120±13.19 125±0.05*** 100±0.08 84±6.11

60 min 100±0.02* 135±2.08** 102±2.96 85±5.45 80±0.10*** 79±1.11**

24 h 71±0.01*** 54±4.17** 104±4.35 50±10.00* 27±1.79*** 33±7.50**

*- p<0.05; **- p<0.01; ***- p<0.001. All results represent the means of three replicate ± SE.

Page 49: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

49

Changes of lipid peroxidation in the organs of wheat seedlings under heat stress

Changes in malondialdehyde level

The decrease in the MDA level was observed in the first leaf after short-term HS exposure at the

early stage of seedling development (p<0.001; Figure 5), and on the 5th

day after the beginning of

the 15-, 30- and 60-minutes’ HS it was found to be decreased by 48%, 59% and 59% (p<0.001)

respectively. The MDA level decreased by 48%, 54% and 57% immediately after the 15-, 30-

and 60-minutes’ HS respectively in the first leaf at the late stage of seedling development

compared to control seedlings. However, the MDA level was similar to control level on the 4th

day after short-term HS exposure due to the decrease in the MDA level in the control leaves

(p<0.05).

Figure 5

MDA level in the first leaf at the early (HS1) and at the late (HS2) stages of development in

response to short-term HS (42˚C)

The MDA level increased gradually in the coleoptiles, starting from the 2nd

day after short-term

HS at the early stage of seedling development. The MDA level increased in the coleoptiles 2.5

times (p<0.001) on the 5th

day after the 15-minutes’ HS, but it increased 4-fold on the 5th

day

after the 30- and 60-minutes’ HS (p<0.05) compared to control seedlings. The significant

increase in the MDA level was observed in the coleoptiles after short-term HS at the late stage of

seedling development. The MDA level increased 2.5 times (p<0.05) after the 15-minutes’ HS,

4.5 times after the 30-minutes’ HS, and 3.3 times after the 60-minutes’ HS (p<0.001) compared

to the control coleoptiles. On the 2nd

and 3rd

days after short-term HS the 7-fold increase of MDA

level was observed in the coleoptiles after the 15-minutes’ HS (p<0.05), and the 4 and 3.5-fold

increase was observed in the coleoptiles after the 30- and 60-minutes’ HS respectively (p<0.001).

Page 50: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

50

On the 4th

day after HS at the late stage of seedling development the 3-fold increase in the MDA

level was observed in the coleoptiles compared to the control coleoptiles (p<0.001).

The MDA level was found to be lower in the heat-treated roots immediately after the 30- and 60-

minutes’ HS at the early stage of seedling development than in the control roots (16% and 46%

respectively; p<0.05). However, the MDA level increased in the following days after exposure,

and 3-fold increase in the MDA level was observed in the heat-treated roots on the 5th

after HS

exposure compared to control (p<0.05). The 15-, 30- and 60-minutes’ HS exposure at the late

stage of seedling development caused the significant increase of the MDA level in the roots (by

88%, 48% and 3-fold respectively; p<0.05). The MDA level remained more than three times

higher in heat-treated roots till the end of the investigated period compared to control (p<0.01).

A significant decrease (p<0.001) in the MDA level was observed in the first leaf immediately

after long-term HS exposure at the early (48%) and at the late (32%) stages of seedling

development compared to control (Figure 6).

Figure 6

MDA level in the first leaf at the early (HS1) and at the late (HS2) stages of development in

response to long-term HS (42˚C). All results represent the means of three replicate ± SE.

The MDA level was found to be significantly lower in the heat-treated first leaves after the long-

term HS than in the control first leaves during the investigated period, and at the end of the

investigated period it decreased by 56% (p<0.001) at the early stage of seedling development and

by 17% (p<0.01) at the late stage of seedling development. The MDA level was similar to the

control MDA level in the coleoptiles after the 24-h HS at the early stage of seedling development.

However, the MDA level increased in the coleoptiles during four days after long-term HS

exposure, and it was 2-fold higher (p<0.001) at the end of the investigated period compared to the

control coleoptiles. The increase in the MDA level was observed in the coleoptiles immediately

Page 51: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

51

after long-term HS exposure at the late stage of seedling development (51%; p<0.05), and it

reached 65% (p<0,001) on the 4th

day after HS exposure. The decrease in the MDA level was

observed in the roots throughout seedling development. The decrease in the MDA level was

observed in the roots immediately after long-term HS exposure at the early stage of seedling

development compared to control (34%; p<0.01), but it reached a similar value to the control

value on the 4th

day after the 24-h HS. The increase in the MDA level was observed in the roots

immediately after the 24-h HS at the late stage of development (54%; p<0.01), and it reached a

similar value to the control value at the end of the investigated period.

Changes in content of conjugated dienes (CD)

Three peaks of the CD formation were observed in the organs of wheat seedlings throughout the

early ontogeny. However, the CD content decreased in the first leaf and roots throughout the

early ontogeny, and the sharp increase of the CD content was observed in the coleoptile

throughout seedling development (p<0.05).

Figure 7

CD level in the first leaf at the early (HS1) and at the late (HS2) stages of development in

response to short-term HS (42˚C). All results represent the means of three replicate ± SE.

The first peak of the CD formation in the first leaf after the 15-, 30- and 60-minutes’ HS

concurred with the control at the early stage of seedling development, however, the CD content

was lower in the heat-treated first leaves compared to the control leaves (20%, 23% and 12%

respectively; p<0.05) (Figure 7). The second peak of the CD formation in the first leaf after the

15-, 30- and 60-minutes’ HS was observed one day earlier than in the control leaves, and it was

found to be respectively 34%, 2-fold and 62% higher than in the control leaves (p<0.05). The

Page 52: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

52

peaks of the CD formation in the first leaves, which was treated by short-term HS, at the late

stage of seedling development were observed immediately after the 15-, 30- and 60-minutes’ HS

(the CD level was higher by 74%, 28% and 88% respectively; p<0.05) and on the 3rd

day after

exposure (the CD level was similar to control).

The peaks of the CD formation were observed one day earlier in the coleoptiles after short-term

HS at all stages of seedling development compared to the control coleoptiles, i.e., immediately

after HS exposure and on the 3rd

day after HS exposure. The peaks of the CD formation in the

coleoptiles were 3-fold higher at the late stage of seedling development compared to the control

coleoptiles (p<0.01). Two peaks of the CD formation were observed in the roots after short-term

HS at all stages of seedling development – immediately after HS exposure and on the 3rd

day

after HS exposure. The significant increase in the CD level was observed in the roots after the 15-

, 30- and 60-minutes’ HS at the late stage of seedling development (99%, 2.5-fold and 48%

respectively; p<0.05).

There were no significant changes in the content of the CD after long-term HS in the first leaf at

the early stage of development. However, the significant increase in the CD level was observed in

the first leaf after long term HS at the late stage of seedling development (approx. 50%; p<0.01),

and the increased CD level in the first leaf after the 24-h HS remained all investigated period

(Figure 8).

Figure 8

CD level in the first leaf at the early (HS1) and at the late (HS2) stages of development in

response to long-term HS (42˚C). All results represent the means of three replicate ± SE.

The significant increase in the CD level was observed in the coleoptiles at all stages of seedling

development. The increase in the CD level was observed in the coleoptiles immediately after

Page 53: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

53

long-term HS exposure at the early and late stages of seedling development compared to the

control coleoptiles (30% and 43% respectively; p<0.05). The second peak of the CD formation

was observed on the 3rd

day after long-term HS exposure at all stages of seedling development,

and it was 3-fold higher than the CD level in the control coleoptiles (p<0,01).

The increase in the CD level was observed in the roots immediately after long-term HS at the

early and late stages of seedling development (17% and 39% respectively; p<0.05), and it

reached 103% and 89% respectively (p<0.05) at the end of the investigated period.

Changes of cellular membrane permeability in the organs of wheat seedlings under heat

stress

Short-term HS decreased membrane permeability in the first leaves. The electrolyte leakage (EL)

in the first leaf increased by 7% (p>0.05) immediately after the 15-minutes’ HS, by 1% (p>0.05)

– after the 30-minutes’ HS, and by 33% (p<0.05) – after the 60-minutes’ HS compared to control

seedlings. A statistically significant decrease in the EL was observed in the first leaf on the 5th

day after the 15-, 30- and 60-minutes’ HS at the early stage of seedling development (49%, 39%,

and 47%; p<0.05) (Figure 9).

Figure 9

EL in the first leaf at the early (HS1) and at the late (HS2) stages of development in response to

short-term HS (42°C)

The 15-, 30- and 60-minutes’ HS adversely affected the membrane of the first leaves at the late

stage of seedling development, thereby the EL increased by 35%, 33%, and 66% respectively

(p<0.05; Figure 9). There was observed the decrease in the EL in the heat-treated first leaf at the

late stages during some days after the 15- and 30-minutes’ HS and it reached control level of the

Page 54: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

54

EL at the end of the investigated period. However, a sharp increase in the EL was observed in

the first leaf on the 5th

day after the 60-minutes’ HS at the late stage of development (95%;

p<0.05).

There was observed a steadily high level of the EL in the first leaf after long-term HS throughout

the investigated period compared to control seedlings (Figure 10). Although a high level of the

EL was observed throughout the investigated period (p<0.05), at the late stages membrane

permeability in the first leaf was higher after long-term HS exposure (approx. 4-fold) than at the

early stages (approx. 3-fold) compared to control.

Figure 10

EL in the first leaf at the early (HS1) and at the late (HS2) stages of development in response to

long-term HS (42°C). All results represent the means of three replicate ± SE.

The increase in the EL depended on the duration of HS exposure in the coleoptile at the early

stage of seedling development (p<0.05), thereby the EL increased by 35% immediately after the

15-minutes’ HS, by 88% after the 30-minutes’ HS, 2-fold after the 60-minutes’ HS and 4-fold

after the 24-h HS. However, membrane permeability decreased in the coleoptiles on the next day

after short-term HS at the early stage of development, and it remained lower than in the control

coleoptiles throughout the investigated period. But, it remained steadily high after long-term HS

exposure at the early stage of seedling development (p<0.01). The EL level significantly

increased in the coleoptiles immediately after HS exposure at the late stage of seedling

development (p<0.01). The EL increased by 96% immediately after the 15-minutes’ HS

exposure, by 103% after the 30-minutes’ HS, by 87% after the 60-minutes’ HS and 4-fold after

the 24-h HS. The increased EL level remained also at the end of the investigated period. The 2-

fold increase of the EL was observed after the 15-minutes’ HS, 33% – after the 30-minutes’ HS,

Page 55: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

55

74% – after the 60-minutes’ HS, and 32% – after the 24-hours’ HS compared to control

coleoptiles (p<0.05).

The EL level decreased in the roots immediately after the 60-minutes’ HS (22%; p<0.05), but

increased immediately after the 24-h HS (10%; p<0.05) at the early stage of seedling

development. However, the EL level in the roots was found to be similar to the control level

throughout the recovery period. The EL level in the roots was lower than the EL in the control

roots after short-term HS exposure at the late stage of seedling development and remained

steadily low throughout the studied period compared to control. However, the EL level remained

steadily high in the roots after long-term HS exposure at the late stage of seedling development.

Immediately after exposure EL was found to increase by 34% and the 1.5-fold increase in the EL

was observed at the end of the investigated period (p<0.05).

Changes of oxidative processes in the organs of wheat seedlings in the presence of CsA (1

mg/l)

The MDA level decreased in the coleoptiles at the early stage of seedling development in the

presence of CsA (p<0.05). However, the presence of CsA caused an insignificant increase in the

MDA level in the senescent coleoptiles. The presence of CsA significantly decreased the MDA

level in the roots at the early stage of seedling development. However, on the 6th

day of

development the MDA level started to increase in the roots of wheat seedlings, and it increased

above control value (p<0.05).

The 17% and 35% decrease in the MDA level was found in the first leaf grown in the presence of

CsA after the 15- and 30-minutes’ HS exposure compared to control and the 50% increase in the

MDA level (p<0,05) was found in the first leaf compared to seedlings grown in the absence of

CsA. The MDA level was similar to control in the first leaf on the 3rd

day after short-term HS

exposure in the presence of CsA. However, the MDA level in the presence of CsA was found

higher than in the absence of CsA (p<0.001). The 15-minutes’ HS exposure caused the increase

in the MDA level in the coleoptiles regardless of the presence of CsA (42%; p<0.001). The

gradual increase in the MDA level (p<0.01) was found in the coleoptiles grown in the presence of

CsA after the 30-minutes’ HS and it increased by 74% (p<0.01) at the end of the investigated

period compared to the control coleoptiles grown in the presence of CsA. The MDA level

increased by 85% in the coleoptiles grown in the presence of CsA immediately after the 60-

minutes’ HS compared to control and by 67% compared to heat-treated coleoptiles grown in the

Page 56: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

56

absence of CsA (p<0.01). However, the MDA level decreased in the coleoptile one day after the

60-minutes’ HS and was similar to control throughout the investigated period.

The presence of CsA decreased the MDA level (p<0.05) in the roots after short-term HS

exposure.

The MDA level in the first leaf grown in the presence of CsA after long-term HS exposure was

found to be similar to the MDA level in the control first leaf grown in the presence of CsA, but, it

increased compared to the MDA level in the first leaf grown in the absence of CsA (p<0,05). The

MDA level decreased only on the 3rd

day after long-term HS compared to the control first leaf

grown in the absence of CsA (43%). Powerful increase in the MDA level after long-term HS was

observed in the coleoptiles grown in the presence of CsA (more than 4-fold, p<0.001), and it

remained steadily high throughout the investigated period (p<0.001). There were no changes in

the MDA level in the roots grown in the presence of CsA after the 24-h HS, however, the MDA

level was found to be higher than in the roots grown in the absence of CsA.

Change of membrane permeability in the organs of wheat seedlings in the presence of CsA

(1 mg/l)

There were no changes in the curve of the electrolyte leakage (EL) in the organs of wheat

seedlings grown in the presence of CsA throughout the investigated period (Figure 11). There

were no changes in the EL in the coleoptile in the presence of CsA. However, the EL

significantly decreased in the roots in the presence of CsA –the EL decreased by 29% (p<0.01)

on the 4th

day of seedling development, and the decrease reached 72% (p<0.001) on the 8th

day of

seedling development compared to the control roots.

The 2-fold increase (p<0,05) in the EL was found immediately after the 24-h HS in the first leaf

grown in the presence of CsA compared to the EL in the control leaf, however, it was lower

(32%; p<0.05) than in heat-treated first leaf grown in the absence of CsA. The membrane

permeability decreased in the heat-treated leaf throughout the investigated period and it was

found to be similar to the control EL level at the end of the investigated period (Figure 12(a)).

The 4-fold increase was observed in the coleoptile after long-term HS exposure regardless of the

presence of CsA (Figure 12(b)). The EL decreased in the roots grown in the presence of CsA

compared to the roots grown in the absence of CsA immediately after long-term HS (18%), but it

was 2-fold higher (p<0.01) compared to the control EL (Figure 12(c)).

Page 57: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

57

Figure 11

EL (%) in the organs of wheat seedlings grown in the presence of CsA (1 mg/l) throughout the

early ontogeny. All results represent the means of three replicate ± SE.

Figure 12

EL in the first leaf (A), coleoptile (B) and roots (C) of wheat seedlings grown in the presence of

CsA in response to the 24-hours’ HS. All results represent the means of three replicate ± SE.

Membrane permeability decreased in the first leaf grown in the presence of CsA immediately

after the 15- and 30-minutes’ HS (p<0.05) compared to the control EL level (47% and 54%

respectively), and compared to the first leaf grown in the absence of CsA (52% and 60%

respectively) (Figure 13). However, the EL increased by 54% in the first leaf grown in the

presence of CsA immediately after the 60-minutes’ HS compared to the EL in the control first

leaf and by 97% (p<0.05) compared to the first leaf grown in the absence of CsA. The EL level

was found to be similar to the control level on the 3rd

day after HS.

The EL decreased in the coleoptile grown in the presence of CsA immediately after the 15- and

30-minutes’ (39% and 36% respectively; p<0.05) compared to control, and the decreased EL

level remained throughout the investigated period (till 20%). However, the EL level increased 3-

fold (p<0.001) in the coleoptile in the presence of CsA immediately after the 60-minutes’ HS

compared to control and by 25% (p<0.05) compared to the heat-treated coleoptile grown in the

Page 58: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

58

absence of CsA. The EL level in the coleoptile grown in the presence of CsA reached the control

EL level on the 5th

day after HS exposure.

The presence of CsA decreased the EL level in the experimental roots and despite the increase in

the EL level in the roots grown in the presence of CsA on the 3rd

day after the 15-, 30- and 60-

minutes’ HS compared to the control roots grown in the presence of CsA (4-, 3- and 2-fold

respectively; p<0.05), the EL level was lower than in the control roots grown in the absence of

CsA (p<0.05).

Figure 13

EL in the first leaf of wheat seedlings grown in the presence of CsA in response to short-term HS.

All results represent the means of three replicate ± SE.

Quantitative changes of total soluble proteins in the organs of wheat seedlings under heat

stress in the presence of CsA (1 mg/l)

The presence of CsA changed the amount of total soluble proteins in the organs of wheat

seedlings. The increased protein amount was found in the first leaf grown in the presence of CsA

(11% – on the 4th

day of seedling development; 28% – on the 6th

day of development; p<0.05).

The presence of CsA caused the decrease in protein amount in the coleoptile, but the inhibiting

influence of CsA in the roots was not observed.

There were no changes in the total amount of proteins in the organs of wheat seedlings after

short-term HS. However, the reduced second peak of total soluble protein formation was found in

the first leaf grown in the presence of CsA after the 15- and 30-minutes’ HS. There were no

changes in the total amount of soluble proteins in the first leaf and coleoptile after short-term HS

regardless of the presence of CsA.

Total amount of proteins decreased in the first leaf on the 1st day after long-term HS in the

presence of CsA (16%). However, it was found to be similar to control in the first leaf in the

absence of CsA. Long-term HS provoked the increase in amount of proteins in the coleoptile

Page 59: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

59

regardless of the presence of CsA (13%; p<0.05). The decrease in amount of proteins was found

in the roots after long-term HS in the presence of CsA (41%; p<0.05).

Qualitative changes of total soluble proteins in the organs of wheat seedlings under heat

stress in the presence of CsA (1 mg/l)

Polypeptides detected in the first leaf of wheat seedlings segregated into four groups. The groups,

based on molecular weight were: 85 – 40kDa, 36 – 25kDa, and 20 – 13kDa. There were no

changes in electrophoretic activity of polypeptides in the first leaf after short-term HS exposure.

However, the three most intensive polypeptide bands (61,7kDa, 79,9kDa, and 81,8kDa) were

found in the first leaf immediately after long-term HS exposure regardless of the presence of

CsA. Significant changes of polypeptides were determined in the range of 20 – 13kDa, in which a

new band (19,2kDa) immediately after long-term HS in the first leaf was observed. A new band

(12,9kDa) in the first leaf grown in the presence of CsA was observed. One polypeptide group

(70 – 25kDa) was observed in the coleoptiles regardless of the presence of CsA. Two polypeptide

bands with increased intensity (20,9kDa and 10,6kDa) were observed in the roots of etiolated

wheat seedlings. Besides, the intensity of these bands increased in the presence of CsA after

short-term HS exposure. However, the increased duration of HS decreased intensity of bands.

Changes of electrophoretic activity of antioxidant enzymes in the organs of wheat seedlings

under heat stress

One CAT isoform was detected in the first leaf (CAT1), two CAT isoforms were detected in the

coleoptile (CAT1 and CAT2), but, electrophoretic activity of CAT was not observed in the roots

of wheat seedlings. The reduced electrophoretic activity of CAT was observed in the first leaf

immediately after long-term HS exposure. However, the increased electrophoretic activity of

CAT1 was observed in the first leaf immediately after short-term HS despite the presence of

CsA. The increased electrophoretic activity of CAT was observed in the coleoptiles after long-

term HS exposure, and appearance of the new isoform (CAT2) was detected (figure 14.(a)). The

increased electrophoretic activity of both isoforms was observed during the investigated period.

However, appearance of CAT2 isoform was not detected in the coleoptile in the presence of CsA.

Though the electrophoretic activity of CAT1 isoform in the presence of CsA also was high

(figure 14.(b)). Insignificantly increased electrophoretic activity of CAT1 was observed in the

coleoptile after short-term HS despite the presence of CsA.

Page 60: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

60

Four SOD isoforms (MnSOD1 – MnSOD3 and CuZnSOD1) were detected in the coleoptile and

roots of etiolated wheat seedlings. Three SOD isoforms (MnSOD1, MnSOD3 and CuZnSOD1)

were detected in the first leaf, however, their electrophoretic activity was lower than in the

coleoptile and roots. HS exposure and the presence of CsA did not provoke changes of SOD

electrophoretic activity in the first leaf and coleoptile. Long-term HS exposure provoked

disappearance of CuZnSOD isoform in the roots of etiolated wheat seedlings despite the presence

of CsA (figure 15).

Figure 14

CAT electrophoretic activity in the coleoptiles of wheat seedlings grown in the absence (A) and

presence (B) of CsA in response to HS exposure (15, 30 and 60 min; 24 h)

Figure 15

SOD electrophoretic activity in the roots of wheat seedlings in response to HS exposure (15, 30

and 60 min; 24 h)

Page 61: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

61

Figure 16

POD electrophoretic activity in the roots of wheat seedlings in response to HS exposure (15, 30

and 60 min; 24 h)

Six POD isoforms were detected in the roots and coleoptiles, and five POD isoforms were

detected in the first leaves (POD1-POD3; POD5 and POD6). Changes of electrophoretic activity

of POD isoforms were not observed in the coleoptile after HS despite the presence of CsA.

Decreased POD3 electrophoretic activity was observed immediately after HS exposure in the first

leaves, but it reached control level at the next days after HS exposure. Increasing the duration of

HS decreased the electrophoretic activity of POD3 isoform in the roots (Figure 16). There were

no changes in the electrophoretic activity of POD3 and POD5 isoforms in the roots grown in the

presence of CsA after long-term HS compared to control seedlings.

DISCUSSION

High temperature is one of the most important environmental factors which limit the growth and

yield of cool-season plant species. The optimum temperature of the growth of cool-season plants

varies between 10˚C and 25˚C (Paulson, 1994). The air temperature in Latvia in summer can rise

above 35˚C, but the soil surface temperature in the range 40-50˚C was observed in 12% - 33%

cases during summer months depending on a year (LVĢMC data), which is higher than the

optimal temperature level necessary for plant development. Heat stress often causes accelerated

senescence and stress influence continues during the period of senescence (Ferguson et al., 1993).

However, the influence of high temperature on various processes involved in senescence process

has not been studied enough.

Page 62: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

62

Changes of morpho-physiological parameters of the organs of wheat seedlings under heat

stress

The response of the organs of wheat seedlings on exposure of stress temperature is different. It is

shown in changes of morpho-physiological parameters. It is important to estimate the ability of

plants to survive under heat stress (HS) because this parameter included both primary heat

resistance of plants, and the ability of plants to recover. Our results showed that the first leaf and

coleoptile lost their recovery skills after long-term HS exposure at all stages of development. The

decrease in the relative water content (RWC) and growth arrest indicates this. Probably, it is

connected with loss of protective functions of coleoptile because high temperature provokes

accelerated senescence of coleoptile (Ferguson et al., 1993).

HS inhibited the first leaf growth at the late stage of seedling development. However, the most

unfavourable influence of HS exposure was observed after the shortest (15 min) and the longest

(24 st.) HS treatment. In spite of the significant inhibition of the first leaf growth, slight changes

of the RWC in the first leaf were observed after short-term HS at all stages of seedling

development. Probably, the growth inhibition is connected with beginning of the first leaf

senescence (Aleksandrushkina et al. 2009). It can be assumed that HS exposure accelerates the

first leaf senescence, and the size of mature cells decreased in the senescent leaves where cell

division does not occur (Alves, Setter, 2004).

Short-term HS exposure slightly stimulated the coleoptile growth at the early stages of seedling

development, and it did not suffer from water deficit. However, injurious loss of water was

observed in the senescent coleoptile at the late stages of seedling development. Probably, the

senescent coleoptile could not repair its imbibition and turgid skills after short-term HS exposure

at the late stages of seedling development, and water loss increased. Thereby, short-term HS

accelerated senescence of coleoptile.

The amount of roots, the length and weight of roots usually is used to estimate root growth

because of the water absorption ability (Huang and Gao, 2000). The results of our research

showed that the growth and development of root system was inhibited by HS despite the duration

of HS exposure, and root growth was almost completely arrested immediately after HS exposure.

The data of our research showed that extreme temperatures were associated with water loss

because of disturbance of the water absorption ability of roots and stomata evaporation of leaves

(Mo et al., 2011). Plants under HS suffered from strong water deficit, and one of the

consequences is wilting.

Page 63: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

63

Root and shoot dry weight usually is in the certain balance and can be an indicator of stress

changes. The decrease of root/shot ratio (R/S), relative dry weight (RDW) and relative growth

index (RGI) of wheat seedlings induced by long-term HS was a result of the decrease of the

RDW of all wheat seedling organs. Long-term HS exposure provokes the strong water loss, and it

inhibits cell growth and development because of low turgor pressure (Shao et al., 2008). Long-

term HS inhibits root growth and decreases root imbibition at all stages of seedling development,

and the roots cannot restore their turgor during recovery period. Thus, disturbance of root

functions after long-term HS provokes injuries of above ground plant parts.

The gradual decrease of R/S ratio was observed after long-term HS at all stages of seedling

development. However, a comparison of R/S ratio and changes of length and weight of wheat

seedlings showed that the decrease of R/S ratio after short-term HS at the early stage of seedling

development occurred because of the decrease of the length and weight of roots and dieback of

root tips as well. Short-term HS exposure stimulated the increase of the RGI of the first leaf and

coleoptile in the initial days after stress. It was found that exposure of 30 minutes to HS at the

early stage of seedling development favorably impacted the growth of wheat seedlings.

Interestingly, the highest RGI was observed in the senescent organ, i.e. coleoptile, at the early

stage of seedling development after short-term exposure. Probably, it allowed the coleoptile to

protect the first leaf from injuries. Probably, short-term HS caused stimulation of cell division

and elongation (Bos et al., 2000). The decrease of the first leaf and coleoptile RGI was observed

only at the eighth day of development of the experimental seedlings. Thus, the process of the

coleoptile senescence was delayed due to short-term HS at the early stage of seedling

development. HS accelerated the coleoptile senescence at the late stage of seedling development

despite the duration of HS exposure, and it immediately affected the first leaf condition.

However, in order get the statistically significant results about the influence of HS on plants not

only measurements of morpho-physiological parameters, but also biochemical methods

(measurements of lipid peroxidation, membrane permeability and protein amount) are important.

Changes of lipid peroxidation level in the organs of wheat seedlings under heat stress

The high temperature induced oxidative injuries, which provoked membrane injury and

electrolyte leakage in the etiolated organs of wheat seedlings. Products of lipid peroxidation have

been commonly used to assess oxidative injury of membrane lipids (Guo et al., 2006).

Significant increase of malondialdehyde (MDA) level was observed in the coleoptile after HS

exposure at all stages of seedling development. Though the MDA level was much higher after

Page 64: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

64

short-term HS than after long-term HS. Possible reasons for the increase of the MDA level under

HS could be ROS production, because exactly H2O2 participates in lipid peroxidation (Goyal,

Asthir, 2010), and drastic water loss as well. Short-term HS at the early stage of seedling

development might be an indicator of formation of heat resistance because short-term HS

favourably affected the growth and development of coleoptile at this stage. Relationship between

formation of heat resistance and H2O2 level was observed in seedlings of various species

(Карпець, Колупаєв, 2008). However, short-term HS at the late stage of seedling development

and long-term HS at all stages of seedling development accelerated senescence of the coleoptile.

HS increased the MDA level in the first leaf regardless of the duration of HS. In this case,

however, assumption that HS did not affect growth and development of the first leaf was

incorrect, because short-term HS exposure at the late stage of seedling development and long-

term HS at all studied stages of development completely inhibited the leaf length growth.

The increase of the MDA level in the root like the MDA level in the coleoptile was higher after

short-term HS than after long-term HS in the roots despite the duration of HS. Probably, it can be

connected with root sensitivity against HS, and with overproduction of H2O2, it was confirmed by

high electrophoretic activity of SOD. The decrease of the MDA level in roots after long-term HS

can be explained by decreased electrophoretic activity of SOD and CuZnSOD isoform

inactivation.

Conjugated dienes (CD) are the primary product of lipid peroxidation . The CD level reflects the

early stage of lipid oxidation (Владимиров, 1989). The results of our research showed that the

production of the CD has a cyclic character in the organs of wheat seedlings. The CD level in the

first leaf and roots decreased, but it increased in the senescent organ (coleoptile) during the early

ontogeny. Short-term HS changed the cyclic curve of the CD production; however, long-term HS

did not change curve of the CD production in the organs of wheat seedlings. Probably, long-term

HS exposure occurred at the same time with the maximum of the CD formation.

Insignificant increase of the CD level was observed in the organs of wheat seedlings at the early

stage of seedling development, though, the CD level increased dramatically at the late stage of

development. Besides, the CD level increased several times more immediately after short-term

HS than after long-term HS exposure. Changes of the CD level depended on the stage of seedling

development. Short-term HS exposure provoked the increase of the CD level in the senescent

coleoptiles only at the late stage of seedling development, but long-term HS provoked the

increase of the CD level at all stages of seedling development. Insignificant increase of the CD

level was observed in the first leaves and roots after short-term HS exposure at all stages of

Page 65: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

65

seedling development. Though the CD level increased in the first leaves and roots after long-term

HS exposure at the late stage of seedling development. Probably, oxidative processes added to

adverse long-term HS exposure at the late stage of seedling development. Besides, the CD can be

an indicator of efficiency of antioxidant system under oxidative injuries (Anwar et al., 2006). The

electrophoretic analysis of antioxidant ferments proves participation of antioxidant in protection

against oxidative injuries.

Changes of cellular membrane permeability in the organs of wheat seedlings under heat

stress

Lipid peroxidation significantly changes the structure of membrane lipid bilayer and enhances

passive transport of ions and metabolites (Барабой, Сутковой, 1997).

The highest membrane permeability was observed in the roots of wheat seedlings (p<0,001).

Membrane permeability gradually increased in the coleoptile throughout seedling development,

but it was quite stable in the first leaf.

The data of our results showed that long-term HS exposure significantly increased the membrane

permeability of the organs of etiolated wheat seedlings regardless of the stage of seedling

development. Significant electrolyte leakage (EL) was observed in the first leaf and coleoptile.

Ivanov et al. (2001) showed that only long-term high temperature (168h, 45°C) exposure

provoked the significant increase of the EL in tobacco leaves. However, the results of our

research showed that short-term HS exposure also increased the EL in the first leaf and coleoptile

at the late stage of seedling development. The first leaves could recover their state after short-

term HS; the decrease of the EL till the EL level of control seedlings during period of recovery

proved it. Changes of the EL agreed with changes of the level of membrane lipid peroxidation,

i.e. the CD level like the EL level decreased till the control level.

The EL level in the first leaves agreed with the increase of the EL in the coleoptiles after long-

term HS at all stages of seedling development and after short-term HS at the late stage of seedling

development. Probably, short-term and long-term HS exposure provoked irreversible injuries of

cellular membranes in the senescent coleoptiles. The high level of membrane permeability during

recovery period and high CD level proved the adverse influence of HS. The results of our

research showed that the CD is an important indicator of cellular membrane injury because the

increase of the CD was connected with the increase of membrane permeability in the first leaves

and coleoptiles.

Page 66: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

66

Short-term HS exposure did not provoke the increase of membrane permeability in the roots and

even significantly decreased membrane permeability in the roots at the late stage of seedling

development. The EL coincided with the CD level in the roots after short-term stress period. The

data of research showed that the CD level was similar to the level of control CD. The significant

increase in the EL was observed in the roots after long-term HS exposure. Besides, the increase

of the CD was observed in the roots after long-term HS as well.

In the previous research MDA was used as oxidative stress indicator, but changes of CD under

stress treatment, including HS, almost have not been studied. However, the results of our research

showed that CD level was an indicator of membrane permeability. Changes of membrane

permeability corresponded to the change of the CD level.

Qualitative and quantitative changes of total soluble proteins in the organs of wheat

seedlings under heat stress

Increased protein degradation is observed under HS in several plant species (He et al., 2005).

Qualitative changes of proteins were determined in the organs of etiolated wheat seedlings after

short- and long-term HS exposure at the early stage of seedling development while using SDS-

PAGE because SDS-soluble proteins are mainly membrane proteins (He et al., 2005).

SDS-PAGE profiles of the organs of wheat seedlings differed a lot after HS exposure. The

intensity of polypeptide bands of the first leaf increased after long-term HS exposure. Besides,

the appearance of new bands occurred, probably heat shock proteins (Hsp). The intensity of some

bands (85 – 40kDa) in the first leaf increased immediately after long-term HS. Significant

changes of polypeptides were determined in the range of 20 – 13kDa, in which a new band

(19,2kDa) immediately after long-term HS in the first leaf was observed. Probably, it is

connected with Hsp synthesis. The increased intensity of some protein bands and the appearance

of new bands were found in the leaves of other plant species under heat stress exposure (Nagesh

Babu, Devaraj, 2008).

The changes of electrophoretic activity of total soluble proteins were not detected in the

coleoptiles of etiolated wheat seedlings after HS. However, significant decrease in protein

amount, which was observed throughout the whole period of research, was found after long-term

HS exposure. Probably, protein degradation took place in the senescent coleoptiles and heat stress

exposure could not influence protein changes in the coleoptiles of wheat seedlings any more.

Two polypeptide bands (20,9kDa and 10,6kDa) with increased staining intensity were observed

in the roots of wheat seedlings. The band intensity decreased together with the increase of HS

Page 67: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

67

duration. Probably, the protein synthesis in the plant roots depends not only from high

temperature level but also from stress duration. Besides, long-term HS exposure significantly

reduced the total amount of soluble proteins in the roots of wheat seedlings. Moderate high

temperature did not provoke changes of the total soluble proteins in the roots of wheat seedlings

(Bakalova et al., 2008). However, such a decrease in the amount of proteins was detected after

the lethal temperature (45°C) exposure (Карапец и др., 2007). According to our results the roots

were more sensitive to HS. This may be connected with the increase of protease activity in the

roots of wheat seedlings under heat stress. The protease activity was dependent not only on the

intensity of HS but also on HS duration and significantly increased after long-term exposure (He

et al., 2005).

Changes of electrophoretic activity of antioxidant enzymes in the organs of wheat seedlings

under heat stress

Antioxidant enzymes maintain membrane integrity of higher plants (Mittler, 2002). The change

of antioxidant balance is one of the unspecific reactions of stress (Веселова и др., 1993). HS

induced the oxidative damages and changed the electrophoretic activity of antioxidant enzymes

(CAT, SOD and POD).

There were three SOD isoforms in the first leaf. However, unchanged activities of SOD isoforms

were found after HS exposure. Probably, HS exposure decreased level of lipid peroxidation in the

first leaf at the early stage of seedling development. Thus, we can assume that the oxidative

processes in the first leaf after HS were similar to the control first leaf. There were four SOD

isoforms in the coleoptile with increased electrophoretic activity compared to the first leaf and

roots. Probably, the increase of SOD electrophoretic activity is the response to the increased

production of O2¯ in the senescent coleoptiles because HS intensified the oxidative processes in

them. Our results agree with short-term HS research in the isolated coleoptiles of wheat seedlings

(Колупаев, Карпец, 2008).

POD can act in the cells in different ways: on the one hand, POD can produce ROS but, on the

other hand, it catalyzes the oxidation of H2O2 (Minibayeva et al., 2009). The results of our

research agree with the research of heat stress and water deficit stress (Dat et al., 1998), in which

significant increase of POD activity and decrease of CAT activity were found. Our results

showed that POD and CAT electrophoretic activity in the first leaf increased after HS and higher

POD electrophoretic activity was found on the third day after treatment. This may be connected

Page 68: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

68

with the recovery of balance between ROS and antioxidant system activity which results in the

formation of heat resistance.

Unchanged POD electrophoretic activity was found in the coleoptiles of wheat seedlings. The

increase of CAT electrophoretic activity and the appearance of a new CAT isoform were

observed after long-term HS. Previous research showed that the oxidative damages and

irreversible damages of membrane appeared as a result of the decrease of CAT and SOD activity

and significant increase of ROS and MDA level (Yin et al., 2008; Колупаев, Карпец, 2008). The

results of our research showed that increased CAT and POD electrophoretic activity in the

coleoptiles under HS was not evidence of decrease of oxidative processes because of the presence

of high level of the lipid peroxidation products in the coleoptile. Probably, long-term HS

exposure increased level of oxidative processes (increased MDA and CD level and increased

membrane permeability) in the senescent coleoptiles. As a result, even increased activity of

antioxidant enzymes could not overcome the injurious effect of HS.

The increased SOD and POD electrophoretic activity and decreased MDA level were found in

the roots immediately after short-term HS exposure. Probably, the increased SOD and POD

activity was connected with increased synthesis of heat resistant forms of enzymes. At the third

day after HS the increase of lipid peroxidation resulted in the decrease of SOD and POD

electrophoretic activity. Long-term HS exposure completely changed the electrophoretic activity

of SOD and POD isoform in the roots compared to short-term heat stress. CuZnSOD isoform is

H2O2-sensitive, therefore we can assume that excessive H2O2 level was able to cause the

inactivation of CuZnSOD isoform after long-term HS exposure. Our assumption confirmed the

decrease of POD electrophoretic activity and even the inactivation of two POD isoforms (POD3

and POD5) after long-term HS exposure. Significant increase of lipid peroxidation level in the

roots was not observed. Probably, POD in the roots fulfilled the oxidative, but not antioxidative,

function. In this case it can be explained why the decrease of POD electrophoretic activity did not

cause the increase of lipid peroxidation.

Changes of oxidative processes and antioxidant system in the organs of wheat seedlings in

the presence of CsA (1mg/l)

Cyclosporine A (CsA) is reversible inhibitor of mitochondrial permeability transition pore

(MPTP) opening. CsA prevents opening of MPTP and delays oxidative processes (Arpagaus et

al., 2002), therefore the influence of CsA on oxidative processes in etiolated wheat seedlings

under HS treatment at the early stage of seedling development was studied.

Page 69: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

69

The CsA induced decrease of lipid peroxidation increased membrane stability of the first leaves

and roots, but membrane stability of the coleoptiles was similar to control. The decrease of

oxidative process intensity in the organs of wheat seedlings, which was grown in the presence of

CsA, showed that mitochondria of plant cells plays an important role in the induction of oxidative

stress.

Short-term and long-term HS exposure changed the influence of CsA on mitochondrial pores,

and, as a result, it changed oxidative processes in the organs of wheat seedlings. The presence of

CsA significantly decreased the EL in the first leaves and coleoptiles after the 15- and 30-

minutes’ HS exposure. But, 60-minutes’ and 24-h HS destroyed the inhibiting influence of CsA

immediately after stress exposure and the EL increased significantly. However, the first leaves

were able to decrease membrane permeability after high temperature induced oxidative stress,

unlike the coleoptiles. The EL increased in the coleoptiles till the heat-treated coleoptile level,

which were grown without presence of CsA. The data of our research showed that the complex of

CsA and short-term HS favourably affected the formation of heat resistance in the first leaf

because short-term HS and CsA complex provoked the inhibition of lipid peroxidation, increased

the electrophoretic activity of SOD and CAT and the appearance of the new protein band (12,9

kDa) was observed. Probably, it was associated with the inhibition of mitochondrial pore

opening. CsA presence significantly increased membrane stability and electrophoretic activity of

some protein bands (20,9kDa and 10,6kDa), and it decreased the MDA level in the roots after

short-term HS exposure. However, long-term HS exposure reduced the influence of CsA in the

roots.

On the one hand, the sensitivity of mitochondrial pore against influence of CsA could be organ-

specific. The results of our research showed that the presence of CsA significantly decreased lipid

peroxidation in roots and increased root membrane stability. The inhibition of oxidative processes

was observed in the first leaves in CsA presence during high temperature induced oxidative

stress. However, the presence of CsA intensified oxidative processes in the coleoptiles.

On the other hand, it could be connected not only with organ specificity but also with the stage of

seedling development. The powerful increase of oxidative processes showed that HS provoked

accelerated senescence of coleoptiles. Mitochondrial permeability transition pore can change its

properties according to stress exposure (Павловская и др., 2010). Probably, mitochondrial pores

lost their sensitivity against CsA during oxidative stress. Thus MPTP inhibitor CsA can exert a

stabilizing influence on membrane lipids of the first leaves and roots and inhibit degradation of

membrane lipids during short-term HS induced oxidative stress.

Page 70: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

70

CONCLUSIONS

1. Changes of morpho-physiological parameters show that the organs of wheat seedlings lose

their recovery abilities after long-term heat stress exposure (42°C; 24 h) at both the early, and

the late stages of wheat seedling development which have been investigated, however, the

organs of wheat seedlings lose their recovery abilities after short-term heat stress only at the

late stage of seedling development.

2. Heat stress exposure decreases membrane lipid peroxidation in developing organs – the first

leaves.

3. The increase in cell membrane permeability of the organs of wheat seedlings has cyclic

character which corresponds to the increase of the level of lipid peroxidation product

(conjugated dienes) during the early ontogeny.

4. Heat stress induced increase in the conjugated dienes causes the increase in membrane

permeability in the organs of wheat seedlings, but the decrease in the conjugated diene level

causes the decrease in cellular membrane permeability, therefore the changes of the level of

conjugated dienes can be used as the indicator of stability of cell membranes.

5. Qualitative and quantitative changes of total soluble proteins under long-term heat stress

depend on stage of development of wheat seedling organs, i.e., the electrophoretic activity of

total soluble proteins increase in developing organs (the first leaves) and it do not change in

senescent organs (coleoptiles), however, total protein amount significantly decreases in the

coleoptiles.

6. Qualitative and quantitative changes of total soluble proteins in the roots depend on the

duration of heat stress exposure, i.e., the increase of the duration of heat stress exposure

decreases the electrophoretic activity and the amount of proteins.

7. Changes in electrophoretic activity of antioxidant ferments show that loss of some POD and

SOD isoforms in the roots and an appearance of new CAT isoform in the coleoptiles under

long-term heat stress can be connected with accumulation of reactive oxygen species under

long-term heat stress.

8. The presence of inhibitor of mitochondrial pore opening (CsA) stabilizes the membrane lipids

of the organs of wheat seedlings and decreases oxidative processes, which is induced by

short-term heat stress.

9. Long-term heat stress decreases the sensitivity of the inhibitor of mitochondrial pore opening

in the roots and senescent organs – coleoptiles, but it do not change the sensitivity of

mitochondrial pore against CsA in the developing organs – the first leaves.

Page 71: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

71

REFERENCES/ LITERATŪRAS SARAKSTS

1. Aleksandrushkina N.I., Seredina A.V., Vanyushin B.F. 2009. Endonuclease activities in the

coleoptile and the first leaf of developing etiolated wheat seedlings. Russian J. Plant Phys.

56(2): 154-163.

2. Ali M.A., Abbas A., Niaz S., Zulkiffal M., Ali S. 2009. Morpho-physiological criteria for

drought tolerance in sorghum (Sorghum Bicolor) at seedling and post-anthesis stages. Int. J.

Agric. Biol., 11: 674–680.

3. Ali M.B., Hahn E. J., Paek K.Y. 2005. Effects of light intensities on antioxidant enzymes and

malondialdehyde content during short-term acclimatization on micro-propagated

Phalaenopsis plantlet. Environ. Exp. Botany. 54(2): 109–120.

4. Alves, A.A.C., Setter T.L. 2004. Response of cassava leaf area expansion to water deficit:

Cell proliferation, cell expansion and delayed development. Ann. Bot. (London) 94:605–613.

5. Anwar F., Jamil A., Iqbal S., Sheikh M.A. 2006. Antioxidant activity of various plant extracts

under ambient and accelerated storage of sunflower oil. Grasas y Aceites. 57 (2): 189-197.

6. Arpagaus S., Rawyler A., Braendle R. 2002. Occurrence and characteristics of the

mitochondrial permeability transition in plants. J. Biol. Chem. 277:1780–7.

7. Bakalova, S.N., Nedeva, D.Y., McKee J. 2008. Protein profiles in wheat seedlings subjected

to dehydration stress. Appl. Ecology Environ. Research. 6(2): 37-48.

8. Bengtsson, L., Climate change. Climate of the 21th century. Agric. For. Meteor., 72:3, 1994.

9. Bhattacharjee S., Mukherjee A.K. 2003. Implications of reactive oxygen species in heat shock

induced germination and early growth impairment in Amaranthus lividus L. Biol. Plantarum.

47 (4): 517-522

10. Bos, H.J., T. Tijani-Eniola, and P.C. Struik. 2000. Morphological analysis of leaf growth of

maize: Responses to temperature and light intensity. Neth. J. Agric. Sci. 48:181–198.

11. Çavusoglu K., Kabar K. 2010. Effects of hydrogen peroxide on the germination and early

seedling growth of barley under NaCl and high temperature stresses. EurAsian J. BioSci. 4:

70–79.

12. Dat J. F., Foyer C. H., Scott I. M. 1998. Changes in salicylic acid and antioxidants during

induced thermotolerance in mustard seedlings. Plant Physiol. 118: 1455–1461.

13. Ferguson D. L., Al-Khatib K., Guikema J. A., Paulsen G. M. 1993. Degradation of proteins

from thylakoid membranes in senescing leaves at high temperature. Plant Cell Envoron. 16:

421-428.

Page 72: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

72

14. Goyal M., Asthir B. 2010. Polyamine catabolism influences antioxidative defense mechanism

in shoots and roots of five wheat genotypes under high temperature stress. Plant Growth

Regul. 60(1): 13-25.

15. Guo Z., Ou W., Lu S., Zhong Q. 2006. Differential responses of anti-oxidative system to

chilling and drought in four rice cultivars differing in sensitivity. Plant Physiol. Biochem.

44:828–36.

16. He Y., Liu X., Huang B. 2005. Changes in Protein Content, Protease Activity, and Amino

Acid Content Associated with Heat Injury in Creeping Bentgrass. J. Am. Soc. Hortic. Sci.

130(6): 842-847.

17. Huang B. 2006. Cellular Membranes in Stress Sensing and Regulation of Plant Adaptation to

Abiotic Stresses. In: (ed. Huang B.) Plant–Environment Interactions, Third Edition. NY:

Taylor & Francis Group, pp. 1-25.

18. Huang B. and Gao H. 2000. Growth and carbohydrate metabolism of creeping bentgrass

cultivars in response to increasing temperatures. Crop Sci. 40:1115–1120.

19. Ivanov S., Konstantinova T., Parvanova D., Todorova D., Djilianov D., Alexieva V. 2001.

Effect of high temperatures on the growth, free proline content and some antioxidants in

tobacco plants. Proc. Bulg. Acad. Sci. 54(7): 71–74.

20. Laemmli U.K. 1970. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of

bacteriophage T4. Nature 227 (5259): 680–685.

21. Lin J., Wang Y., Wang G. 2006. Salt stress-induced programmed cell death in tobacco

protoplasts is mediated by reactive oxygen species and mitochondrial permeability transition

pore status. J. Plant Physiol. 163: 731—739.

22. Lord C.E.N., Wertman J.N., Lane S., Gunawardena A. 2011. Do mitochondria play a role in

remodelling lace plant leaves during programmed cell death? BMC Plant Biol. 11:102,

doi:10.1186/1471-2229-11-102

23. Minibayeva F., Kolesnikov O., Chasov A., Beckett R.P., Lüthje S., Vylegzhanina N., Buck

F., Böttger M. 2009. Wound-induced apoplastic peroxidase activities: their roles in the

production and detoxification of reactive oxygen species. Plant Cell Environ. 32: 497-508.

24. Mittler R. 2002. Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance. Trends Plant Sci 7: 405–

410

25. Mo Y., Liang G., Shi W., Xie J. 2011. Metabolic responses of alfalfa (Medicago Sativa L.)

leaves to low and high temperature induced stresses. Af. J. Biotech. 10(7): 1117-1124.

Page 73: TRITICUM AESTIVUM L.) ORGĀNU ATTĪSTĪBU UNdu.lv/wp-content/uploads/2015/12/savicka_kopsavilkums_save-1.pdf · Kviešu dīgsti ir ērts augu morfoloģijas, fizioloģijas un molekulārās

73

26. Nagaraja H.S., Jassal R.S., Chakravarthi S., Thanikachalam P., Lee N., Anupama B.K. 2009.

Apigenin reduces cyclosporine A induced changes in lipid hydroperoxides and total

antioxidants in Sprague-Dawley rats. J. Chin. Med. 4(1): 26-31.

27. Paulsen G.M. 1994. High temperature responses of crop plants. In: Boote K.J., Bennett J.M.,

Sinclair T.R., Paulsen G.M. (eds.) Physiology and determination of crop yield. Madison, WI:

ASA, CSSA, SSA, 365–389.

28. Recknagel R. O., Ghoshal A. K. 1966. Lipoperoxidation of rat liver microsomal lipids by

carbon tetrachloride. Nature. Vol. 210: 1162–1163.

29. Shao H.B., L.Y. Chu, M.A. Shao, Jaleel C.A., Hong-Mei M. 2008. Higher plant antioxidants

and redox signaling under environmental stresses. Comp. Rend. Biol. 331: 433–441.

30. Turner N.C. 1981. Techniques and experimental approaches for the measurement of plant

water status. Plant Soil. 58: 339–366.

31. Worku M., Astatkie T. 2010. Dry matter partitioning and physiological responses of Coffea

arabica varieties to soil moisture deficit stress at the seedling stage in Southwest Ethiopia. Af.

J. Agricul. Res. 5(15): 2066-2072.

32. Wrigley C. 2006. Global Warming and Wheat Quality. Cereal Foods World. 51(1): 34-36.

33. Yin H., Chen Q., Yi M. 2008. Effects of short-term heat stress on oxidative damage and

responses of antioxidant system in Lilium longiflorum. Plant Growth Reg. 54(1): 45-54.

34. Барабой В.А., Сутковой Д.А. Окислительно-антиоксидантный гомеостаз в норме и при

патологии. – Киев: Наук. думка, 1997. – 420 с.

35. Веселова Т.В., Веселовский В.А., Чернавский Д.С. 1993. Стресс у растений.

Биофизический подход. М.: Изд-во Моск. ун-та, 144 с.

36. Владимиров Ю.А. 1989. Роль нарушений свойств липидного слоя мембран в развитии

патологических процессов. Патол. физиол. и экспер. тер. 4: 7-19.

37. Карпец Ю.В. 2007. О возможных механизмах индуцирования теплоустойчивости

проростков пшеницы мягкой и сосны обыкновенной кратковременным действием

высокой температуры // Вісн. Харків. на-ціон. аграрн. ун-ту. Сер. Біологія. 3 (12): 63-70.

38. Колупаев Ю. Е., Карпец Ю. В. 2008. Окислительный стресс и состояние

антиоксидантной системы в колеоптилях пшеницы при действии пероксида водорода и

нагрева. Вісн. Харків. націон. аграрн. ун-ту. Сер. Біологія. 2 (17): 42-52

39. Павловская Н.С., Грабельных О.И., Побежимова Т.П., Королёва Н.А., Войников В.К.

2010. Чувствительность дыхания и набухания митохондрий злаков к соединениям,

изменяющим проницаемость мембран. Физиол. и биох.растений. 3(11): 119-132.