vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2022-1-76-85vir-nw-1193Research ArticleИЗУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ РАСТЕНИЙSTUDYING AND UTILIZATION OF PLANT GENETIC RESOURCESИзменения в содержании белков, липидов и состоянии антиоксидантной системы у мутантных форм амаранта Amaranthus cruentus L.Changes in the content of proteins and lipids and in the state of the antioxidant system in mutant forms of Amaranthus cruentus L.https://orcid.org/0000-0002-0385-4867ТаиповаР. М.TaipovaR. M.

Рагида Мухтаровна Таипова, аспирант кафедры биохимии и биотехнологии биологического факультета

450076, Уфа, ул. Заки Валиди, 32

Ragida M. Taipova, postgraduate student, Department of Biochemistry and Biotechnology, Faculty of Biology

32 Zaki Validi St., Ufa 450074

Taipova.Ragida@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3590-7097НестеровВ. Н.NesterovV. N.

Виктор Николаевич Нестеров, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

44500, Тольятти, ул. Комзина, 10

Viktor N. Nesterov, Cand. Sci. (Biology), Senior Researcher

10 Komzina St., Tolyatti, 445003

nesvik1@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6312-3620РозенцветО. А.RozentsvetO. A.

Ольга Анатольевна Розенцвет, доктор биологических наук, главный научный сотрудник

44500, Тольятти, ул. Комзина, 10

Olga A. Rozentsvet, Dr. Sci. (Biology), Chief Researcher

10 Komzina St., Tolyatti, 445003

olgarozen55@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1564-164XКулуевБ. Р.KuluevB. R.

Булат Разяпович Кулуев, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник

450054, Уфа, пр. Октября, 71

Bulat R. Kuluev, Dr. Sci. (Biology), Leading Researcher

71 Oktyabrya Ave., Ufa 450054

kuluev@bk.ruБашкирский государственный университетРоссияBashkir State UniversityRussian FederationСамарский федеральный исследовательский центр РАН, Институт экологии Волжского бассейна РАНРоссияInstitute of Ecology of the Volga Basin of the Russian Academy of Sciences, branch of Samara Federal Research Center of the Russian Academy of SciencesRussian FederationУфимский федеральный исследовательский центр РАН, Институт биохимии и генетикиРоссияInstitute of Biochemistry and Genetics, subdivision of Ufa Federal Research Centre of the Russian Academy of SciencesRussian Federation20221504202218317685Copyright © Таипова Р.М., Нестеров В.Н., Розенцвет О.А., Кулуев Б.Р., 20222022Таипова Р.М., Нестеров В.Н., Розенцвет О.А., Кулуев Б.Р.Taipova R.M., Nesterov V.N., Rozentsvet O.A., Kuluev B.R.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://elpub.vir.nw.ru/jour/article/view/1193

Актуальность. Одним из важных показателей пищевой ценности амаранта является высокое содержание белка и ненасыщенных жирных кислот в семенах, поэтому получение и выявление таких форм амаранта при селекции, к тому же отличающихся устойчивостью к абиотическим стрессовым факторам, является актуальным.Материалы и методы. В работе были использованы листья и семена красного амаранта Amaranthus cruentus L. сорта ‘Багряный’, а также мутантов второго поколения инбридинга, полученных путем обработки азидом натрия. Содержание общего растворимого белка определяли методом Бредфорда, анализ липидов проводили методом тонкослойной хроматографии, состояние антиоксидантной системы определяли по активности каталаз и пероксидаз, а также скорости образования супероксид-аниона.Результаты. Наибольшая концентрация общего белка в семенах составила 13,8 мг/г семян у мутанта № 5. В семенах амаранта было выявлено 15 жирных кислот, причем у четырех мутантов амаранта было выявлено достоверное увеличение процентного содержания омега-6-ненасыщенной линолевой кислоты. Показано увеличение солеустойчивости у мутантов № 2 и № 3 по сравнению с контролем. У мутанта № 2 при засолении выявлялась более высокая активность пероксидаз, а у мутанта № 3 – каталаз, и они оба характеризовались сниженной скоростью образования супероксид-аниона по сравнению с контролем.Заключение. Мутанты амаранта, характеризующиеся повышенной стрессоустойчивостью, увеличенным содержанием белка и линолевой кислоты, могут быть рекомендованы для дальнейшей селекции с целью получения новых сортов этой культуры с улучшенными хозяйственно ценными признаками

Background. One of the important indicators of the nutritional value of amaranth is the high content of protein and lipids in seeds. Hence, obtaining and identifying such forms of amaranth through breeding, so that they also possessed resistance to abiotic stressors, is an important task.Materials and methods. Leaves and seeds of Amaranthus cruentus L. and mutants of the second inbred generation obtained by treatment with sodium azide were analyzed. The Bradford assay was used to measure the content of total soluble protein, lipid analysis was performed by thin-layer chromatography, the state of the antioxidant system was assessed according to catalase and peroxidase activities and the rate of superoxide anion formation. Mathematical data were processed using the Statistica 10.0 software.Results. The highest concentration of total protein in seeds was 13.78 mg/g in one of the mutants obtained after treatment with 3 mM sodium azide. Fifteen fatty acids were found in amaranth seeds, and in four mutants a significant increase in the percentage of omega-6 unsaturated linoleic acid was recorded. An increase in salt tolerance compared to the control was observed in mutants No. 2 and No. 3. Mutant No. 2 under salinization demonstrated higher peroxidase activity and mutant No. 3 higher catalase activity; both mutants showed a reduced rate of superoxide anion formation compared to the control.Conclusion. Amaranth mutants identified for higher stress resistance, protein content and linoleic acid content can be recommended for further breeding to produce new cultivars of amaranth with economically valuable traits.

химически индуцированный мутагенезазид натриялипиды и жирные кислотылинолевая кислотаобщий белоксолевой стресскаталазыпероксидазысупероксид-анионchemical mutagenesissodium azidelipids and fatty acidslinoleic acidtotal proteinsalt stresscatalasesperoxidasessuperoxide anionработа выполнена в рамках госзадания при поддержке гранта Президента РФ МД-2304.2020.4. Авторы выражают благодарность Л. М. Тарановой, инженеру-исследователю лаборатории экологической биохимии ИЭВБ РАН, за техническую поддержку экспериментальной работы. Авторы благодарят рецензентов за их вклад в экспертную оценку этой работы.this work was performed under State Task and supported by the grant from the President of the Russian Federation MD-2304.2020.4. The authors express their gratitude to L. M. Taranova, research engineer at the Laboratory of Environmental Biochemistry of the Institute of Ecology of the Volga Basin of the RAS, for technical support of the experimental work. The authors thank the reviewers for their contribution to the peer review of this work.ReferencesAgarwal S., Pandey V. Antioxidant enzyme response to NaCl stress in Cassia angustifolia. Biologia Plantarum. 2004;48(4):555-560. DOI: 10.1023/B:BIOP.0000047152.07878.e7Agarwal S., Pandey V. Antioxidant enzyme response to NaCl stress in Cassia angustifolia. Biologia Plantarum. 2004;48(4):555-560. DOI: 10.1023/B:BIOP.0000047152.07878.e7Asada K. Production and action of active oxygen species in photosynthetic tissues. Causes of Photoxidative Stress and Amelioration of Defense Systems in Plants. New York, NY: CRC Press; 1994. р.78.Asada K. Production and action of active oxygen species in photosynthetic tissues. Causes of Photoxidative Stress and Amelioration of Defense Systems in Plants. New York, NY: CRC Press; 1994. р.78.Aydin S.S., Büyük I., Aras S. Relationships among lipid peroxidation, SOD enzyme activity, and SOD gene expression profile in Lycopersicum esculentum L. exposed to cold stress. Genetics and Molecular Research. 2013;12(3):3220-3229. DOI: 10.4238/2013.august.29.6Aydin S.S., Büyük I., Aras S. Relationships among lipid peroxidation, SOD enzyme activity, and SOD gene expression profile in Lycopersicum esculentum L. exposed to cold stress. Genetics and Molecular Research. 2013;12(3):3220-3229. DOI: 10.4238/2013.august.29.6Becker R., Wheeler E.L., Lorenz K., Stafford A.E., Grosjean O.K., Betschart A.A. et al. A composition study of amaranth grain. Journal of Food Science. 1981;46(4):1175-1180. DOI: 10.1111/j.1365-2621.1981.tb03018.xBecker R., Wheeler E.L., Lorenz K., Stafford A.E., Grosjean O.K., Betschart A.A. et al. A composition study of amaranth grain. Journal of Food Science. 1981;46(4):1175-1180. DOI: 10.1111/j.1365-2621.1981.tb03018.xBenavides M.P., Marconi P.L., Gallego S.M., Comba M.E., Tomaro M.L. Relationship between antioxidant defense system and salt tolerance in Solanum tuberosum. Australian Journal of Plant Physiology. 2000;27(3):273-278. DOI: 10.1071/PP99138Benavides M.P., Marconi P.L., Gallego S.M., Comba M.E., Tomaro M.L. Relationship between antioxidant defense system and salt tolerance in Solanum tuberosum. Australian Journal of Plant Physiology. 2000;27(3):273-278. DOI: 10.1071/PP99138Blokhina O., Virolainen-Arne E., Fagerstedt K.V. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivation stress: a review. Annals of Botany. 2003;91(2):179-194. DOI: 10.1093/aob/mcf118Blokhina O., Virolainen-Arne E., Fagerstedt K.V. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivation stress: a review. Annals of Botany. 2003;91(2):179-194. DOI: 10.1093/aob/mcf118Bradford M.M. A rapid and sensitive methods for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein–dye binding. Analytical Biochemistry. 1976;72:248-254. DOI: 10.1006/abio.1976.9999Bradford M.M. A rapid and sensitive methods for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein–dye binding. Analytical Biochemistry. 1976;72:248-254. DOI: 10.1006/abio.1976.9999Das S. Amaranthus: a promising crop of future. Singapore: Springer; 2016. DOI: 10.1007/978-981-10-1469-7Das S. Amaranthus: a promising crop of future. Singapore: Springer; 2016. DOI: 10.1007/978-981-10-1469-7Dionisio-Sese M.L., Tobita S. Antioxidant responses of rice seedlings to salinity stress. Plant Science. 1998;135(1):1-9. DOI: 10.1016/S0168-9452(98)00025-9Dionisio-Sese M.L., Tobita S. Antioxidant responses of rice seedlings to salinity stress. Plant Science. 1998;135(1):1-9. DOI: 10.1016/S0168-9452(98)00025-9Elfeky S., Abo-Hamad S., Saad-Allah K.M. Physiological impact of sodium azide on Helianthus annuus seedlings. International Journal of Agronomy and Agricultural Research. 2014;4(5):102-109.Elfeky S., Abo-Hamad S., Saad-Allah K.M. Physiological impact of sodium azide on Helianthus annuus seedlings. International Journal of Agronomy and Agricultural Research. 2014;4(5):102-109.Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П., Перуанский Ю.В., Луковникова Г.А., Иконникова М.И. Методы биохимического исследования растений / под ред. А.И. Ермакова. 3-е изд. Ленинград: Агропромиздат; 1987.Ermakov A.I., Arasimovich V.V., Yarosh N.P., Peruanskiy Yu.V., Lukovnikova G.A., Ikonnikova M.I. Methods of biochemical research in plants (Metody biokhimicheskogo issledovaniya rasteniy). A.I. Ermakov (ed.). 3rd ed. Leningrad: Agropromizdat; 1987. [in Russian]Евграшкина Т.Н., Иванищев В.В., Бойкова О.И., Жуков Н.Н. Индукция окислительного стресса карбонатным засолением в проростках тритикале. Российская сельскохозяйственная наука. 2020;(1):11-14. DOI: 10.31857/S2500-2627-2020-1-11-14Evgrashkina T.N., Ivanishchev V.V., Boykova O.I., Zhukov N.N. Induction of oxidative stress with carbonate salinization in triticale seedlings. Russian Agricultural Sciences. 2020;(1):11-14. [in Russian] DOI: 10.31857/S2500-2627-2020-1-11-14Foyer C.H., Noctor G. Redox sensing and signaling associated with reactive oxygen in chloroplasts, peroxisomes and mitochondria. Physiologia Plantarum. 2003;119(3):355-364. DOI: 10.1034/j.1399-3054.2003.00223.xFoyer C.H., Noctor G. Redox sensing and signaling associated with reactive oxygen in chloroplasts, peroxisomes and mitochondria. Physiologia Plantarum. 2003;119(3):355–364. DOI: 10.1034/j.1399-3054.2003.00223.xGamel T.H., Mesallam A.S., Damir A.A., Shekib L.A., Linssen J.P. Characterization of amaranth seed oils. Journal of Food Lipids. 2007;14(3):323-334. DOI: 10.1111/j.1745-4522.2007.00089.xGamel T.H., Mesallam A.S., Damir A.A., Shekib L.A., Linssen J.P. Characterization of amaranth seed oils. Journal of Food Lipids. 2007;14(3):323-334. DOI: 10.1111/j.1745-4522.2007.00089.xGómez-Pando L., Eguiluz A., Jimenez J., Falconí J., Heros Aguilar E. Barley (Hordeum vulgare) and Kiwicha (Amaranthus caudatus) improvement by mutation induction in Peru. In: Q.Y. Shu (ed.). Induced Plant Mutations in the Genomics Era. Rome: FAO; 2009. p.330-332.Gómez-Pando L., Eguiluz A., Jimenez J., Falconí J., Heros Aguilar E. Barley (Hordeum vulgare) and Kiwicha (Amaranthus caudatus) improvement by mutation induction in Peru. In: Q.Y. Shu (ed.). Induced Plant Mutations in the Genomics Era. Rome: FAO; 2009. p.330-332.Гудым Е.В. Характеристика мутантных форм амаранта по качеству зерна. Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. 2018;(1):113-117.Gudym E.V. Description of mutant amaranth forms according to grain quality (Kharakteristika mutantnykh form amaranta po kachestvu zerna). Bulletin of the Belarussian State Agricultural Academy. 2018;(1):113-117. [in Russian]Hasanuzzaman M., Hossain M.A., Teixeira da Silva J.A., Fujita M. Plant response and tolerance to abiotic oxidative stress: Antioxidant defense is a key factor. In: B. Venkateswarlu, A.K. Shanker, C. Shanker, M. Maheswari (eds). Crop Stress and Its Management: Perspectives and Strategies. Dordrecht: Springer; 2011. p.261-315. DOI:10.1007/978-94-007-2220-0_8Hasanuzzaman M., Hossain M.A., Teixeira da Silva J.A., Fujita M. Plant response and tolerance to abiotic oxidative stress: Antioxidant defense is a key factor. In: B. Venkateswarlu, A.K. Shanker, C. Shanker, M. Maheswari (eds). Crop Stress and Its Management: Perspectives and Strategies. Dordrecht: Springer; 2011. p.261-315. DOI:10.1007/978-94-007-2220-0_8Кейтс М. Техника липидологии. Выделение, анализ и идентификация липидов / пер. с англ. В. Вавера. Москва: МИР; 1975.Kates M. Techniques of lipidology: Isolation, analysis, and identification of lipids. Transl. from Eng. by V. Vaver. Moscow: MIR; 1975. [in Russian]Kečkešová M., Gálová Z., Hricová A. Changes in protein profile in amaranth mutant line. Journal of Microbiology, Biotechnology and Food Sciences. 2012;1:1129-1135.Kečkešová M., Gálová Z., Hricová A. Changes in protein profile in amaranth mutant line. Journal of Microbiology, Biotechnology and Food Sciences. 2012;1:1129-1135.Koca H., Ozdemir F., Turkan I. Effect of salt stress on lipid peroxidation and superoxide dismutase and peroxidase activities of Lycopersicon esculentum and L. pennellii. Biologia Plantarum. 2006;50(4):745-748. DOI: 10.1007/s10535-006-0121-2Koca H., Ozdemir F., Turkan I. Effect of salt stress on lipid peroxidation and superoxide dismutase and peroxidase activities of Lycopersicon esculentum and L. pennellii. Biologia Plantarum. 2006;50(4):745-748. DOI: 10.1007/s10535-006-0121-2Левитана Т.П., Липская А.А., Дмитриева Е.Ю. Методы биохимического анализа растений. Ленинград: ЛГУ; 1978.Levitana T.P., Lipskaya A.A., Dmitrieva E.Yu. Methods for biochemical analysis of plants (Metody biokhimicheskogo analiza rasteniy). Leningrad: Leningrad State University; 1978. [in Russian]Лось Д.А. Десатуразы жирных кислот. Москва: Научный мир; 2014.Los D.A. Fatty acid desaturases. Moscow: Scientific World; 2014. [in Russian]Minibayeva F.V., Gordon L.K., Kolesnikov O.P., Chasov A.V. Role of extracellular peroxidase in the superoxide production by wheat root cells. Protoplasma. 2001;217(1-3):125-128. DOI: 10.1007/BF01289421Minibayeva F.V., Gordon L.K., Kolesnikov O.P., Chasov A.V. Role of extracellular peroxidase in the superoxide production by wheat root cells. Protoplasma. 2001;217(1-3):125-128. DOI: 10.1007/BF01289421Mlakar S.G., Turinek M., Jakop M., Bavec M., Bavec F. Nutrition value and use of grain amaranth: potential future application in bread making. Agricultura. 2009;6(2):43-53.Mlakar S.G., Turinek M., Jakop M., Bavec M., Bavec F. Nutrition value and use of grain amaranth: potential future application in bread making. Agricultura. 2009;6(2):43-53.Nagesh Babu R., Devaraj V.R. High temperature and salt stress response in French bean (Phaseolus vulgaris). Australian Journal of Crop Science. 2008;2(2):40-48.Nagesh Babu R., Devaraj V.R. High temperature and salt stress response in French bean (Phaseolus vulgaris). Australian Journal of Crop Science. 2008;2(2):40-48.Opute F.I. Seed lipids of the grain amaranths. Journal of Experimental Botany. 1978;30(3):601-606. DOI: 10.1093/jxb/30.3.601Opute F.I. Seed lipids of the grain amaranths. Journal of Experimental Botany. 1978;30(3):601-606. DOI: 10.1093/jxb/30.3.601Panchuck I.I., Volkov R.A., Schöff F. Heat stress- and heat shock transcription factor-dependent expression and activity of ascorbate peroxidase in Arabidopsis. Plant Physiology. 2002;129(2):838-853. DOI: org/10.1104/pp.001362Panchuck I.I., Volkov R.A., Schöff F. Heat stress- and heat shock transcription factor-dependent expression and activity of ascorbate peroxidase in Arabidopsis. Plant Physiology. 2002;129(2):838-853. DOI: org/10.1104/pp.001362Rücker B., Röbbelen G. Mutants of Brassica napus with altered seed lipid fatty acid composition. In: J.P. Williams, M.U. Khan, N.W. Lem (eds). Physiology, Biochemistry and Molecular Biology of Plant Lipids. Dordrecht: Springer; 1997. p.316-318. DOI: 10.1007/978-94-017Rücker B., Röbbelen G. Mutants of Brassica napus with altered seed lipid fatty acid composition. In: J.P. Williams, M.U. Khan, N.W. Lem (eds). Physiology, Biochemistry and Molecular Biology of Plant Lipids. Dordrecht: Springer; 1997. p.316-318. DOI: 10.1007/978-94-017Таипова Р.М., Кулуев Б.Р. Определение оптимальной концентрации мутагена азида натрия для обработки семян Amaranthus cruentus L. Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия, биология, фармация. 2021;(3):34-41.Taipova R.M., Kuluev B.R. Determination of the optimal concentration of mutagen sodium azide for Amaranthus cruentus L. seed treatment. Vestnik of Voronezh State Agrarian University. Series: Chemistry, Biology, Pharmacy. 2021;(3):34-41. [in Russian]Высочина Г.И. Амарант (Amaranthus L.): химический состав и перспективы использования (обзор). Химия растительного сырья. 2013;(2):5-14.Vysochina G.I. Amaranth (Amaranthus L.): chemical composition and prospects of using (review). Chemistry of Plant Raw Materials. 2013;(2):5-14. [in Russian]

The authors declare that there are no conflicts of interest present.