Oxidative events during in vitro androgenesis of barley (Hordeum vulgare L.)

Zjawiska związane ze stresem oksydacyjnym odgrywają ważna rolę w procesach regeneracji roślin. Celem niniejszej pracy było sprawdzenie czy dodatek gumy arabskiej (GA) wpływa na aktywność enzymów antyoksydacyjnych i poziom nadtlenku wodoru w androgenicznych kulturach jęczmienia zwyczajnego (Hordeum vulgare L.). Androgenezę indukowano w hodowlach in vitro pylników na pożywkach bez dodatku GA oraz z dodatkiem 10 mg/l GA. Hodowlę prowadzono przez 7 dni. W tym czasie badano aktywność enzymów generujących nadtlenek wodoru, tj. dysmutaz ponadtlenkowych (SOD), enzymów usuwających nadtlenek wodoru tj. peroksydaz (POX) i katalazy (CAT) oraz określano zmiany endogennego poziomu H2O2. Dodatkowo pomiary wykonano na pylnikach po izolacji z kłosów oraz pylnikach poddanych działaniu stresora, tj. roztworu mannitolu i siarczanu miedzi. Badania wykazały zróżnicowaną aktywność enzymów antyoksydacyjnych, która zależna była od rodzaju materiału, rodzaju pożywki oraz czasu kultury in vitro. Stwierdzono, że aktywność SOD, POX i CAT była znacznie wyższa w materiale sprzed kultury in vitro niż w kolejnych dniach hodowli. Wykazano, że GA specyficznie indukowała aktywność MnSOD, a także dwóch izoform POX: POX-3 i POX-4. Dodatkowo wykazano, że izoformy POX-3 i POX-4 wykazywały wzór aktywności zależny od czasu trwania hodowli. Co więcej dodatek GA miał pozytywny wpływ nie tylko na indukcję specyficznych izoform tych enzymów, ale także na całkowitą aktywność POX i SOD. Przeciwnie, GA nie miała wpływu na aktywność katalazy, której podobny poziom aktywności stwierdzono we wszystkich badanych materiał pochodzących z kultur in vitro. W badanym materiale stwierdzono znaczne różnice w poziomie endogennego H2O2, którego najwyższy poziom obserwowano w pylnikach bezpośrednio po zadziałaniu stresu mannitolu i siarczanu miedzi. W pierwszych dniach kultury endogenne stężenie nadtlenku wodoru było podobne na obu testowanych pożywkach, ale w 7 dniu kultury stwierdzono znaczny spadek ilości H2O2 w obecności GA. Fluktuacje zawartości nadtlenku wodoru częściowo korelują ze zmianami aktywności SOD i POX. Podsumowując, dodatek GA do pożywki wpływa znacząco na aktywność enzymatycznego systemu antyoksydacyjnego w androgenezie jęczmienia. Zmiany aktywności enzymów antyoksydacyjnych, wydają się z kolei mieć wpływ na stężenie H2O2 w tkankach eksplantatów. Znacznie obserwowanych zmian dla różnicowania androgenicznego w badanym materiale jest przedmiotem dyskusji.

Physiological events related to oxidative stress play an important role in plant regeneration processes. The aim of this study was to check whether the addition of gum arabic (GA) affects the activity of antioxidant enzymes and the level of hydrogen peroxide in androgenic cultures of barley (Hordeum vulgare L.). Androgenesis was induced in in vitro cultures of anthers on media without GA and with the addition of 10 mg/L GA. The culture was carried out for 7 days. During this time, the activity of enzymes generating hydrogen peroxide, i.e. superoxide dismutases (SOD), enzymes removing hydrogen peroxide (POX) and catalase (CAT), as well as changes in the endogenous level of H2O2 were investigated. In addition, measurements were made on anthers after isolation from spikes and anthers treated with a stressor, i.e. a solution of mannitol and copper sulphate. The studies showed different activity of antioxidant enzymes, which was dependent on the type of material, type of medium and time of culture in vitro. It was found that the activity of SOD, POX and CAT was significantly higher in the material from before the in vitro culture than in the subsequent days of cultivation. It was shown that GA specifically induced MnSOD activity as well as two POX isoforms: POX-3 and POX-4. Additionally, it was shown that the POX-3 and POX-4 isoforms showed an activity pattern depending on the duration of the culture. Moreover, GA supplement had a positive effect on the induction of specific isoforms of these enzymes, and also on the total activity of POX and SOD. In contrast, GA had no effect on catalase activity, with similar levels of activity found in all tested material from in vitro cultures. The examined material showed significant differences in the level of endogenous H2O2, whose highest level was observed in anthers immediately after the stress of mannitol and copper sulphate. In the first days of culture, the endogenous concentration of hydrogen peroxide was similar on both media tested, but on the 7th day of culture a significant decrease in the amount of H2O2 in the presence of GA was found. Fluctuations in the content of hydrogen peroxide partially correlate with changes in the activity of SOD and POX.In conclusion, the addition of GA to the nutrient medium significantly affects the activity of the enzyme antioxidant system in barley androgenesis. Changes in the activity of antioxidant enzymes, in turn, appear to affect H2O2 concentration. Significantly observed changes in androgenic differentiation in the analyzed material are under discussion.