Effect of Zinc Deficiency and Excess on the Antioxidant Enzymes Activity in Barley Seedling Leaves

Abstract

Zinc (Zn) is an essential microelement in plant nutrition but its high concentrations can be toxic to plants. Either Zn deficiency or its excess negatively affects plant metabolism, in particular due to alterations in cellular redox balance and development of oxidative stress. However, little is known about the effect of Zn deficiency and excess on the activity of antioxidant enzymes and expression of genes encoding them. The aim of this investigation was to study the effect of Zn deficiency and its excess on the intensity of oxidative processes, superoxide dismutase (SOD) and peroxidase (PO) activity, and genes (HvCu/ZnSOD1 and HvPRX07) expression in barley leaves (Hordeum vulgare L. cv. Nur). Plants were grown for 7 days at optimal zinc concentration (2 μM), its deficiency (0 μM) and excess (1000 μM). Both stress factors caused similar shoot growth inhibition. However, they both differently influenced the intensity of lipid peroxidation (LPO), total enzyme activity and gene expression. Zn deficiency led to an increase in mRNA content of HvPRX07 gene, while the activities of PO and SOD were lower compared to those at optimal Zn level. The LPO intensity did not increase. Zn excess caused a significant increase in HvCu/ZnSOD1 gene expression, and the activity of both enzymes. LPO intensity also increased. This may suggest that under zinc deficiency the inhibition of plant growth is not directly related to the changes of cell redox balance, whereas Zn excess results in an oxidative stress that can cause inhibition of shoot growth

Цинк – один из наиболее важных микроэлементов для растений, но в высоких концентрациях он для них токсичен. Поэтому как недостаток металла, так и его избыток приводят к нарушению метаболизма растений, причиной которого может являться изменение редокс-баланса клеток и развитие в них окислительного стресса. Однако данных о влиянии дефицита и избытка цинка на активность компонентов антиоксидантной системы (АОС) относительно немного, а сведений об изменении в этих условиях экспрессии кодирующих их генов практически нет. Вследствие этого целью исследования явилось сравнительное изучение влияния дефицита и избытка цинка на интенсивность окислительных процессов, активность супероксиддисмутазы (СОД) и пероксидазы (ПО) и экспрессию генов HvCu/ZnSOD1 и HvPRХ07 в листьях ячменя (Hordeum vulgare L.). Для этого растения выращивали в течение 7 сут в условиях контролируемой среды при оптимальной концентрации цинка (2 мкМ), его недостатке (0 мкМ) или избытке (1000 мкМ). Обнаружено, что воздействие на проростки обоих стресс-факторов вызывало торможение роста побега, причем почти в равной степени. Однако их влияние на интенсивность перекисного окисления липидов (ПОЛ), общую активность ферментов и экспрессию генов оказалось различным. При дефиците цинка увеличивалось количество транскриптов гена HvPRХ07, но активность ПО и СОД была ниже, чем при оптимальном уровне металла. Это, однако, не приводило к усилению ПОЛ. При избытке цинка возрастала экспрессия гена HvCu/ZnSOD1, увеличивалась активность СОД и ПО, но интенсивность ПОЛ при этом возрастала, свидетельствуя о развитии окислительного стресса. Полученные результаты показывают, что при дефиците цинка задержка роста растений не связана напрямую с нарушением окислительно-восстановительного баланса клеток, тогда как при его избытке (1000 мкМ) окислительный стресс является одной из причин ингибирования роста побега