Использование инфракрасной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния для анализа состояния биомолекул у линий кукурузы Zea mays L.

Автор: Radenovich C.N., Максимов Г.В., Шутова В.В., Hao J., Delich N.S., Sechansky M.D., Popovich A.S.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Статья в выпуске: 5 т.56, 2021 года.

Бесплатный доступ

В настоящее время мало неинвазивных методов, которые позволяют контролировать содержание и конформацию молекул биоактивных органических соединений в клетках и тканях растений не только в лабораторных, но и в полевых условиях. Инфракрасная спектроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния (ИК- и КР-спектроскопия) активно используется для анализа роли молекул некоторых веществ в селекции сельскохозяйственных культур. С помощью методов вибронной спектроскопии мы исследовали изменения содержания и конформации молекул хлоропластов у различных линий кукурузы. Методом ИК-спектроскопии (область 3500-3000 см-1) установлено, что в воде, углеводах и белках хлоропластов доля колебаний ОН-групп и внутри- и межмолекулярных Н-связей максимальна у линии кукурузы ZPPL 186, а колебаний NH-групп амидов (белки) минимальна у линии ZPPL 225. Доказано, что для линии ZPPL 186 характерна максимальная доля колебаний от молекул алканов, карбоновых кислот (область 2920-2860 см-1) и деформационных колебаний ароматических структур (полоса 1000 см-1), находящихся в хлоропластах, тогда как для линии M1-3-3-sdms - доля валентных колебания O=C=O связей (полоса 2300 см-1). С использованием КР-спектроскопии (области 1250-500 см-1 и 1535-1400 см-1) обнаружено, что различия в спектрах между линиями кукурузы связаны с выявленными изменениями конформации молекул каротиноидов в хлоропластах, но не молекул целлюлозы. Установлено, что у всех образцов (кроме ZPPL 225) молекулы каротиноидов находятся в 15-trans форме с различной конформацией полиеновой цепи. Отметим, что у линии ZPPL 186 конформация каротиноидов, находящихся в хлоропластах, характеризуется минимальной величиной поворота вне плоскости полиеновой цепи и более выраженными колебаниями боковой СН3-группы. Высказывает предположение, что у изученных линий кукурузы каротиноиды хлоропластов листа не взаимодействуют с ароматическими аминокислотами белков. По мнению авторов, сочетание методов ИК- и КР-спектроскопии хлоропластов листа можно рекомендовать для контроля за содержанием и конформациоными изменениями биомолекул при селекции кукурузы.

Еще

Zea mays l, инбредная линия, лист, хлоропласты, спектры комбинационного рассеяния, инфракрасные спектры, конформационные изменения, углеводы, каротиноиды, белки, селекционное тестирование

Короткий адрес: https://sciup.org/142231392

IDR: 142231392 | DOI: 10.15389/agrobiology.2021.5.948rus

Список литературы Использование инфракрасной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния для анализа состояния биомолекул у линий кукурузы Zea mays L.

Radosavljević M., Bekrić V., Božović I., Jakovljević J. Physical and chemical properties of various corn genotypes as a criterion of technological quality. Genetika, 2000, 32(3): 319-329.
Konstantinov K., Mladeović Drinić S., Abđelkovič V., Babić M. Ethics in scientific results application: gene and life forms patenting. Genetika, 2010, 42(1): 195-208.
Radenović C.N., Maksimov G.V., Tyutyaev E.V., Stanković G.J., Jovanović Z.V., Beljanski M.V. Detecting the phase transition in thylakoid membranes of maize inbred lines by means of delayed fluorescence. Plant Physiology and Biochemistry, 2014, 81: 208-211 (doi: 10.1016/j.plaphy.2014.03.013).
Grubbs B.A., Etter N.P., Slaughter W.E., Pittsford A.M., Smith C.R., Schmitt P.D. A low-cost beam-scanning second harmonic generation microscope with application for agrochemical development and testing. Analytical Chemistry, 2019, 91(18): 11723-11730 (doi: 10.1021/acs.analchem.9b02304).
Butler H.J., Martin F.L., Roberts M.R., Adams S., McAinsh M.R. Observation of nutrient uptake at the adaxial surface of leaves of tomato (Solanum lycopersicum) using Raman spectroscopy. Analytical Letters, 2020, 53(4): 536-562 (doi: 10.1080/00032719.2019.1658199).
Hu F., Shi L., Min W. Biological imaging of chemical bonds by stimulated Raman scattering microscopy. Nature Methods, 2019, 16(9): 830-842 (doi: 10.1038/s41592-019-0538-0).
Vlasov A.V., Maliar N.L., Bazhenov S.V., Nikelshparg E.I., Brazhe N.A., Vlasova A.D., Osipov S.D., Sudarev V.V., Ryzhykau Y.L., Bogorodskiy A.O., Zinovev E.V., Rogachev A.V., Manukhov I.V., Borshchevskiy V. I., Kuklin A. I., Pokorný J., Sosnovtseva O., Maksimov G.V., Gordeliy V.I. Raman scattering: from structural biology to medical applications. Crystals, 2020, 10(1): 38 (doi: 10.3390/cryst10010038).
Schulz H., Baranska M.Identification and quantification of valuable plant substances by IR and Raman spectroscopy. Vibrational Spectroscopy, 2007, 43(1): 13-25 (doi: 10.1016/j.vibspec.2006.06.001).
Еремина О.Е., Семенова А.А., Сергеева Е.А., Браже Н.А., Максимов Г.В., Шеховцова Т.Н., Гудилин Е.А., Веселова И.А. Спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния в современном химическом анализе: достижения и перспективы использования. Успехи химии, 2018, 87(8): 741-770 (doi: 10.1070/RCR4804).
Schiavon M., Pizzeghello D., Muscolo A., Vaccaro S., Francioso O., Nardi S. High molecular size humic substances enhance phenylpropanoid metabolism in maize (Zea mays L.). J. Chem. Ecol., 2010, 36(6): 662-669 (doi: 10.1007/s10886-010-9790-6).
Ertani A., Francioso O., Tinti A., Schiavon M., Pizzeghello D., Nardi S. Evaluation of seaweed extracts from Laminaria and Ascophyllum nodosum spp. as biostimulants in Zea mays L. using a combination of chemical, biochemical and morphological approaches. Front Plant Sci., 2018, 9: 428 (doi: 10.3389/fpls.2018.00428).
Radenović Č.N., Maksimov G.V., Shutova V.V., Slatinskaya O.V., Protopopov F.F., Delić N.S., Grchić N.M., Pavlov J.M., Čamdžija Z.F. Complete study of nature and importance of spectral bands contained in infrared spectra of leaves of maize inbred lines with significant breeding properties. Russian Agricultural Sciences, 2019, 45(4): 334-339 (doi: 10.3103/S106836741904013X).
Vollhardt P.C., Schore N.E. Organic сhemistry. W.H. Freeman and Company, United States, 1996.
Krimm S., Bandekar J. Vibrational spectroscopy and conformation of peptides, polypeptides, and proteins. Advances in Protein Chemistry, 1986, 38: 181-364 (doi: 10.1016/S0065-3233(08)60528-8).
Свердлов Л.М., Ковнер М.А., Крайнов Е.П. Колебательные спектры многоатомных молекул. М., 1970.
Merlin J. Resonance Raman spectroscopy of carotenoids and carotenoid-containing systems. Pure and Applied Chemistry, 1985, 57(5): 785-792 (doi: 10.1351/pac198557050785).
Amir R.M., Anjum F.M., Khan M.I., Khan M.R., Pasha I., Nadeem M. Application of Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy for the identification of wheat. J. FoodSci. Technol., 2013, 50: 1018-1023 (doi: 10.1007/s13197-011-0424-y).
Тютяев Е.В., Шутова В.В., Максимов Г.В., Раденович Ч., Гродзинский Д.М. Состояние фотосинтетических пигментов в листьях инбредных линий и гибридов кукурузы. Физиология растений и генетика, 2015, 47(2): 147-159.
Berthold D.A., Babcock G.T., Yocum C. F. A highly resolved, oxygen evolving Photosystem II preparation from spinach thylakoid membranes. FEBS Lett., 1981, 134(2): 231-234 (doi: 10.1016/0014-5793(81)80608-4).
Ловягина Е.Р., Давлетшина Л.Н., Култышева М.Ю., Тимофеев К.Н., Иванов И.И., Семин Б.К. Особенности процесса взаимодействия катионов Fe(II) с донорной стороной фотосистемы II, не содержащей марганец. Физиология растений, 2005, 52(1): 12-20.
Shutova V., Yusipovich A., Parshina E., Zakharkin D., Revin V. Effect of particle size on the enzymatic hydrolysis of polysaccharides from ultrafine lignocellulose particles. Applied Biochemistry and Microbiology, 2012, 48(3): 312-317 (doi: 10.1134/S000368381203012X).
Radenović Č., Grodzinskij D.M., Filipović M. The prestigious maize inbred lines and hybrids with erect top leaves are characterised by a property of an efficient photosynthetic model and a satisfactory base for the further progress in breeding and selection. Физиология и биохимия культурныхрастений, 2010, 42(3): 187-201.
Shutova V.V., Tyutyaev E.V., Churin A.A., Ponomarev V.Yu, Belyakova G.A., Maksimov G.V. IR and Raman Spectroscopy in the study of carotenoids of Cladophora rivularis algae. Biophysics, 2016, 61(4): 601-605 (doi: 10.1134/S0006350916040217).
Robert B. The electronic structure, stereochemistry and resonance Raman spectroscopy of carotenoids. In: The photochemistry of carotenoids. New York, Boston, Dordrecht, London, Moscow, Kluwer Academic Publishers, 2004: 189-201.
Hudson S.D., Chumanov G. Bioanalytical applications of SERS (surface-enhanced Raman spectroscopy). Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2009, 394(3): 679-686 (doi: 10.1007/s00216-009-2756-2).
Ruban A.V., Berera R., Ilioaia C. van Stokkum IH, Kennis JT, Pascal AA, van Amerongen H, Robert B, Horton P, van Grondelle R. Identification of a mechanism of photoprotective energy dissipation in higher plants. Nature, 2007, 450: 575-578 (doi: 10.1038/nature06262).
Gruszecki W.I., Gospodarek M., Grudzinski W. Mazur R, Gieczewska K, Garstka M. Light-induced change of configuration of the LHCII-Bound xanthophyll (tentatively assigned to violaxanthin): a resonance Raman study. J. Phys. Chem. B, 2009, 113: 2506-2512 (doi: 10.1021/jp8101755).
Todorenko D.A., Hao J., Slatinskaya O.V., Allakhverdiev E.S., Khabatova V.V., Ivanov A.D., Radenovic C.N., Matorin D.N., Alwasel S., Maksimov G.V., Allakhverdiev S.I. Effect of thiamethoxam on photosynthetic pigments and primary photosynthetic reactions in two maize genotypes (Zea mays). Functional Plant Biology, 2021, 48(10): 994-1004 (doi: 10.1071/FP21134).
Radenović Č., Maksimov G.V., Grodzinskij M.D. Identification of organic molecules in kernels of maize inbred lines displayed with infrared spectra. Plant Physiology and Genetics (Kiev, Ukraine), 2015, 47(1/273): 15-24.
Radenović, Č., Filipović M., Selaković D. The prestigious maize inbred lines with erect top leaves. The priority performance of the efficient photosynthetic model in breeding. Genetika, 2009, 41(1): 49-58 (doi: 10.2298/GENSR0901041R).

Еще

Статья научная