Effects of drought and flooding stress to antioxidative defence system in two maize (Zea mayse L.) hybrids

Evidentne klimatske promene dovode do izmena ne samo u smislu zapremine već i raspodele padavina, pa su posledično sve češće smene perioda ekstremnih vodnih deficita i suficita. Vodni deficit i suficit utiču na rast i razvoj biljaka tako što dovode do inhibicije fotosinteze, oksidativnih oštećenja ćelijskih komponenti te promena u respiraciji. Cilj ove disertacije je bio da se utvrde efekti vodnog suficita i deficita na fiziološke, oksidativne i antioksidativne parametre kod dva hibrida kukuruza (ZP 555 i ZP 606). Vodnom suficitu su podvrgnute biljke u trajanju od 6, 24, 72 i 144 sati, a vodnom deficitu u trajanju od 8 i 15 dana, sa odgovarajućim kontrolnim biljkama. Listovi kontrolnih i tretiranih biljaka su korišteni za određivanje sledećih parametara: fizioloških (relativnog sadržaja vode (RWC), koncentracije fotosintetičkih pigmenata, solubilnih proteina, slobodnog prolina), oksidativnih (koncentracije malondialdehida – MDA i H2O2) i antiokdiativnih (neenzimskih - koncentracija polifenola, i enzimskih komponenti - aktivnosti antioksidativnih enzima: superoksid dismutase (SOD, EC 1.15.1.1), katalaze (CAT, EC 1.11.1.6), askorbat peroksidaze (APX, EC 1.11.1.11) i peroksidaza Klase III (POX, EC 1.11.1.7)). Rezultati dobijeni izlaganjem biljaka vodnom suficitu i deficitu su pokazali različit odgovor hibrida na poplavu i sušu i značajne interhibridne razlike kada je u odgovor na poplavu ili sušu. Promene u procesu fotosinteze su detektovane kroz promene koncentracije fotosintetičkih pigmenata. Pri uslovima vodnog suficita izmeren je porast koncentracije hlorofila a i b, te karotenoida kod hibrida ZP 555. Sa druge strane, smanjena koncentracija hlorofila b i karotenoida izmerena je kod hibrida ZP 606 nakon 24 sata vodnog suficita. Hibrid su imali istovetan odgovor na vodni deficit, gde je detektovano smanjenje koncentracije hlorofila a i karotenoida te povećanje koncentracije hlorofila b. Kao posledica vodnog suficita detektovana je i povećana koncentracija solubilnih proteina kod oba ispitivana hibrida. Viši nivoi oksidativnog stresa pri uslovima vodnog suficita su vidljivi kroz povećanu proizvodnju vodonik peroksida kod hibrida ZP 555. Vodni suficit je za posledicu imao veću aktivnost SOD i POX, te povećanu koncentraciju ukupnih polifenola kod oba ispitivana hibrida. Sistem polifenoli/POX kod hibrida ZP 606, pri uslovima vodnog suficita, omogućio je ovom hibridu da brzo i efikasno ukloni povećane koncentracije vodonik peroksida. Sa druge strane, pri uslovima vodnog deficita detektovano je smanjenje koncentracije solubinih proteina i prolina. Smanjenje koncentracije prolina, pri vodnom deficitu ima za posledicu disbalans u osmotskom potencijalu biljne ćelije. Osetljivost testiranih hibrida na vodni deficit je uočljiva pri prolongiranom izlaganju ovom stresu, koji je za posledicu imalo povećanje koncentracije vodonik peroksida (kod hibrida ZP 555) i stepena lipidne peroksidacije (kod oba hibrida). Sa druge strane, povećane aktivnosti SOD, CAT i POX su izmereni kod hibrida ZP 555 pri izlaganju vodnom deficitu. Antioksidativni odgovor hibrida ZP 606 na stres izazvan vodnim deficitom je bio u smislu povećanja aktivnosti SOD. Smanjena koncentracija polifenola izmeren je kod oba ispitivana hibrida pri uslovima vodnog deficita. Smanjenje koncentracije MDA i H2O2, povećanje aktivnosti antioksidativnih enzima zajedno sa povećanjem koncentracije neenzimskih komponenti, te akumulacija osmoprotektanata se može uzeti kao marker za određivanje tolerantnih genotipova biljaka. Tako, veća antioksidativna aktivnost, zajedno sa smanjenom koncentracijom H2O2 može predstavljati bolju adaptiranost i tolerantnost hibrida ZP 606 na vodni suficit u odnosu na hibrid ZP 555. Sa druge strane, povećana koncentracija MDA, smanjena sinteza proteina, te slobodnog prolina, kao i smanjena koncentracija polifenola vodi ka zaključku da su oba ispitivana hibrida kukuruza podjednako neotporna na stres izazvan vodnim deficitom u uslovima trajanja suše od 15 dana kod biljaka starosti 30 dana. Plants are continuously challenged by the rising incidence of drought and flooding as a consequence of global warming. These stresses may cause severe depression in the plant’s growth by inhibiting photosynthesis, inducing oxidative cell damage, and cell respiration changes. The present work aimed to study the effect of flooding and drought stress on physiological, oxidative, and antioxidative parameters in leaves of two maize hybrids (ZP 555 and ZP 606). Maize plants`leaves at the stage of three fully developed leaves were harvested after 6, 24, 72, and 144 hours of applied flooding stress and after 8 and 15 days after applied drought stress. Leaves from experimental plants and control plants were used for the determination of physiological (relative water content (RWC), the content of photosynthetic pigments and soluble proteins, proline), oxidative stress parameters (the content of malondialdehyde (MDA) and H2O2), as well as antioxidants (the total polyphenols content (Phe), and activity of antioxidative enzymes [catalase (CAT, EC 1.11.1.6), superoxide dismutase (SOD, EC 1.15.1.1), ascorbate peroxidases (APX, EC 1.11.1.11), and Class III peroxidases (POX, EC 1.11.1.7)]). Results indicated that drought and flooding stress-induced time-dependent changes of measured parameters and those hybrids differ in stress response. Changes in photosynthesis can be seen thought modifications in photosynthetic pigments concentration. An increase in the concentration of chlorophylls and carotenoids have been noted during flooding in ZP 555 hybrids. On the other hand, flooding stress decreased the chlorophyll b and carotenoid concentrations in ZP 606 hybrids. A decrease in the concentration of chlorophyll a and carotenoids and an increase in chlorophyll b concentration were a response of both examined hybrids on drought stress. Also, intensive protein synthesis was noted in both hybrids during flooding. More intensive oxidative stress levels were correlated with an increase in H2O2 in hybrid ZP 555. Induced SOD and POX activities and concentration of polyphenols were detected in both hybrids during flooding stress. Polyphenols/POX system provided faster hydrogen peroxide displacement cells of ZP 606 hybrids. On the other hand, a decline in the concentration of soluble proteins and proline was drought-stress induced. The drought-induced decrease in proline concentration caused a disbalance in cell osmotic potential. The sensitivity of the tested hybrids to water deficit was noted during the prolongation of this stress, which caused an increase in the hydrogen peroxide concentration (in hybrids ZP 555) and lipid peroxidation (in both hybrids). Moreover, a drought-induced increase in the activity of antioxidative enzymes, SOD (both hybrids), CAT and POX (only ZP 555) was noted. A decline in the concentration of polyphenols caused by drought stress makes both hybrids drought sensitive. The decrease in the concentration of MDA and H2O2, followed by an increase in activity in antioxidative enzymes and concentration of nonenzymic, together with an increase in osmoprotectants accumulation, presents valuable tools for the selection of flooding/drought -tolerant plants. The present study results suggest that a more robust antioxidative metabolism is essential under flooding stress and could be a protective strategy against oxidative damage induced by flooding in ZP 606 maize plants compared to ZP 555 plants. On the other hand, enlarge in the concentration of MDA, followed by a decrease in protein, proline and polyphenols concentration, suggests that both tested 30 days old hybrids are defenceless against oxidative damage induced by 15-days drought stress