Roczniki Akademii Rolniczej w Poznaniu  CCCLXXXIII (2007)
BARBARA HAWRYLAK, MARIA SZYMAC
SKA
WYBRANE ASPEKTY ANTYOKSYDACYJNEJ
I PROOKSYDACYJNEJ AKTYWNOŚCI SELENU
W KORZENIACH KUKURYDZY (ZEA MAYS L.)
Z Katedry Fizjologii Roślin
Akademii Rolniczej w Lublinie
ABSTRACT. In order to study physiological role of selenium in higher plants, maize was cultivated
in a water culture without selenium or amended with selenite or selenate, in concentrations of 25
or 50 źmol�m-3. Selenium at 25 źmol�m-3 in selenate form acted as an antioxidant and promoted
roots growth. However, at concentration 50 źmol�m-3 of selenate and at all concentrations of
selenite, it was a prooxidant, caused lipid bilayer damage by lipid peroxidation.
Key words: selenium, glutathione, malonodialehyde, maize
Wstęp
Selen uznano za pierwiastek niezbędny dla zwierząt oraz bakterii, który w ślado-
wych ilościach odgrywa zasadniczą rolę w ich metabolizmie, zwłaszcza w reakcjach
antyoksydacyjnych. Organizmy wymagające selenu do prawidłowego funkcjonowania
zawierają niezbędne selenobiałka, jak np. peroksydaza glutationowa (GSH-PX) (Terry
i in. 2000). Enzym ten zapobiega m.in. peroksydacji lipidów błon komórkowych, kata-
lizując reakcję utleniania glutationu. Występowanie peroksydaz selenozależnych
stwierdzono w komórkach glonów Chlamydomonas reinhardtii, natomiast do tej pory
nie wykazano ich obecności w roślinach wyższych (Ellis i Salt 2003). Dlatego też,
pytanie o niezbędność selenu dla tych gatunków pozostaje w dalszym ciągu kontrower-
syjne. Związki selenu są przez rośliny dosyć łatwo pobierane i gromadzone, chociaż
większość gatunków charakteryzuje się małą tolerancją na ten pierwiastek i jego aku-
mulacja w tkankach wywołuje liczne zaburzenia metaboliczne (Terry i in. 2000). Jed-
nak coraz więcej danych wskazuje, że niskie stężenia selenu wpływają korzystnie na
rośliny. Selen może zwiększać tolerancję roślin na stres oksydacyjny indukowany pro-
mieniowaniem UV (Hartikainen i Xue 1999), a także opóz
niać ich starzenie (Xue i in.
2001). Ostatnio wykazano jego synergistyczny wpływ na transkrypcję enzymów anty-
Rocz. AR Pozn. CCCLXXXIII, Ogrodn. 41: 487-491
� Wydawnictwo Akademii Rolniczej im. Augusta Cieszkowskiego w Poznaniu, Poznań 2007
PL ISSN 0137-1738
488 B. Hawrylak, M. Szymańska
oksydacyjnych, takich jak SOD (dysmutaza ponadtlenkowa) i GSH-Px (Sepp�nen i in.
2003). Dlatego sugeruje się, że selen również w roślinach może pełnić funkcję antyok-
sydanta lub aktywować mechanizmy łagodzące skutki stresu oksydacyjnego.
Przedstawione w niniejszej pracy dane, stanowią jedynie część cyklu badań nad an-
tyoksydacyjną i prooksydacyjną aktywnością selenu w tkankach roślinnych. Ze względu
na obiecujący charakter uzyskanych wyników zachęcają do kontynuacji tych ekspery-
mentów.
Materiał i metody
W eksperymencie przeprowadzonym metodą kultur wodnych badano wpływ selenu
na wybrane wskaz
niki fizjologiczne korzeni kukurydzy (Zea mays L. var. saccharata
Kcke.  Złota Karłowa ). Około dziesięciodniowe siewki umieszczano w słojach szkla-
nych, wypełnionych 1,5-krotnie stężoną pożywką Hoaglanda I (pH 6,2). Po trzech
dniach wzrostu roślin do pożywki wprowadzano selen w formie seleninu (Na2SeO3 �
5H2O) lub selenianu (Na2SeO4) w stężeniach: 0 (kontrola), 25 lub 50 źmol�dm-3. Wege-
tacja przebiegała w warunkach kontrolowanej gęstości strumienia fotonów w zakresie
fotosyntetycznie czynnym (270 �mol�m-2�s-1), przy fotoperiodzie 14/10 h oraz w tempe-
raturze 25/20�C (dzień/noc). Po 14 dniach od wprowadzenia selenu do środowiska
odżywczego roślin, w korzeniach analizowano zawartość dwualdehydu malonowego
(Boominathan i Doran 2002) oraz całkowitego glutationu (Anderson 1985). Bazując
na długości systemu korzeniowego wyznaczono indeks tolerancji (IT) (Mc Neilly
1994). W wysuszonym w temperaturze 105�C materiale roślinnym oznaczano zawar-
tość selenu metodą absorpcyjnej spektrometrii gazowej z systemem generacji wodor-
ków (HGAAS). Doświadczenie przeprowadzono w dwóch niezależnych powtórzeniach.
Do statystycznego opracowania danych liczbowych zastosowano test Tukeya dla par
średnich (NIR) na poziomie istotności P = 0,05.
Wyniki i dyskusja
Oddziaływanie selenu na procesy fizjologiczne zachodzące w roślinach zależy od
jego wewnątrzkomórkowego stężenia. W przeprowadzonym eksperymencie wykazano
zwiększenie zawartości selenu w korzeniach kukurydzy wraz ze wzrostem jego stężenia
w pożywce. Porównując stosowane formy chemiczne pierwiastka stwierdzono, że jego
zawartość w korzeniach była istotnie większa w postaci seleninu niż selenianu. Analo-
giczne wyniki uzyskali Zayed i in. (1998), badając wpływ różnych związków selenu na
ich akumulację i translokację w roślinach użytkowych. Zróżnicowana zawartość selenu
jest najprawdopodobniej związana z odmiennymi mechanizmami pobierania poszcze-
gólnych form tego metaloidu. Stwierdzono mianowicie, że rośliny pobierają selenin
pasywnie, podczas gdy przyswajanie selenianu jest procesem regulowanym metabolicz-
nie (Terry i in. 2000).
Wybrane aspekty antyoksydacyjnej i prooksydacyjnej aktywności selenu... 489
Tabela 1
Wpływ wewnątrzkomórkowej zawartości selenu na wybrane wskaz
niki fizjologiczne
korzeni kukurydzy
The effect of intracellular concentration of selenium on selected physiological indices
of maize roots
Warunki wegetacji
Se MDA Glutation
Vegetation conditions
(mg�g-1 s.m.) IT (nmol�g-1 św.m.) (nmol�g-1 św.m.)
Se (%) MDA Glutathione
Forma Se Se
(mg�g-1 d.w.) (nmol�g-1 f.w.) (nmol�g-1 f.w.)
Se form (źmol�dm-3)
Kontrola 0 2,62 a 100,0 b 12,40 b 122 a
Control
Selenin 25 384 d 91,5 b 15,48 c 194 d
Selenite
50 479 e 66,3 a 22,12 d 168 c
Selenian 25 57 b 131,2 c 9,04 a 153 bc
Selenate
50 120 c 102,5 b 15,77 ce 134 ab
Średnie wartości w kolumnach oznaczone tą samą literą nie różnią się istotnie statystycznie.
Means in each column followed by the same letter are not significantly different.
Analizy uszkodzenia błon komórkowych przez reaktywne formy tlenu dokonuje się
zazwyczaj szacując stopień peroksydacji lipidów na podstawie zawartości dwualdehydu
malonowego (MDA)  końcowego produktu destrukcji nienasyconych kwasów tłusz-
czowych. Uzyskane w badaniach wyniki wykazały, że korzenie kukurydzy, rosnącej
w obecności 25 źmol�dm-3 selenianu, zawierały niższy poziom MDA w porównaniu
z roślinami kontrolnymi. Spadek zawartości MDA może wskazywać na antyoksydacyj-
ne właściwości selenu. W tych warunkach wykazano także stymulujący wpływ selenia-
nu na elongację systemu korzeniowego (IT = 131%), a także około 25-procentowy
wzrost zawartości glutationu. Odpowiedni poziom glutationu chroni komórki przed
szkodliwym wpływem wolnych rodników, wywołujących niespecyficzne utlenienie
białek i lipidów (Bartosz 2004).
Selenian w stężeniu 50 źmol�dm-3 oraz obie stosowane stężenia seleninu (25 i 50
źmolźdm-3) wpłynęły na wzrost zawartości MDA, co wskazuje na prooksydacyjnie
działanie selenu. Mimo że w tych warunkach zwiększała się również zawartość gluta-
tionu, to ten mechanizm obrony komórek przed stresem oksydacyjnym nie był na tyle
skuteczny, aby zapobiec uszkodzeniom lipidów błon komórkowych. Dane te sugerują,
że fitotoksyczność selenu, oprócz zaburzeń metabolicznych, może być spowodowana
prooksydacyjnym działaniem tego metaloidu. Natomiast potencjał wzrostowy korzeni nie
ulegał istotnym zmianom, z wyjątkiem roślin uprawianych w obecności 50 źmol�dm-3
seleniniu, gdzie stwierdzono około 34-procentową redukcję długości w porównaniu z
kontrolą. Selenin w stężeniu 50 źmol�dm-3 spowodował także zaburzenia geotropizmu
systemu korzeniowego, co przejawiało się prawie poziomym ustawieniem korzeni
bocznych względem korzenia głównego. Mniejsza tolerancja korzeni kukurydzy na
selenin może być związana z większą, w porównaniu z selenianem, akumulacją selenu
w tych organach.
490 B. Hawrylak, M. Szymańska
Doświadczenia Hartikainen i in. (2000), prowadzone na roślinach życicy trwałej,
wykazały, że selen w niskich stężeniach może działać antyoksydacyjnie, hamując pe-
roksydację lipidów oraz stymulując aktywność GSH-Px. Natomiast w obecności wyso-
kich stężeń selenu w podłożu stwierdzono wzrost poziomu szkodliwych produktów
peroksydacji, koncentracji tokoferoli oraz drastyczny spadek plonowania.
Wnioski
1. Selenian w stężeniu 25 źmol�dm-3 wykazuje działanie antyoksydacyjne, hamując
proces peroksydacji lipidów oraz stymulując elongację systemu korzeniowego kukurydzy.
2. Obecność w środowisku odżywczym kukurydzy selenianu w stężeniu 50 źmol�dm-3
oraz seleninu w stężeniach 25 i 50 źmol�dm-3 potęguje gromadzenie szkodliwych pro-
duktów peroksydacji w korzeniach.
3. Selen, niezależnie od stosowanej formy, wpływa na wzrost zawartości glutationu
w tkankach korzeni.
4. Korzenie kukurydzy gromadzą więcej selenu, jeżeli jest on dostarczany w formie
seleninu niż selenianu, co wiąże się również z ich większą tolerancją na selenian.
Literatura
Bartosz G. (2004): Druga twarz tlenu: wolne rodniki w przyrodzie. PWN, Warszawa.
Boominathan R., Doran P.M. (2002): Ni-induced oxidative stress in roots of the Ni hyperaccu-
mulator, Alyssum bertolonii. New Phytol. 156: 205-215.
Ellis D.R., Salt D.E. (2003): Plants, selenium and human health. Curr. Opin. Plant Biol. 6: 273-
279.
Hartikainen H., Xue T. (1999): The promotive effect of selenium on plant growth as trigged by
ultraviolet irradiation. J. Environ. Qual. 28: 1272-1275.
Hartikainen H., Xue T., Piironen V. (2000): Selenium as an anti-oxidant and pro-oxidant in
ryegrass. Plant Soil 225: 193-200.
Mc Neilly T. (1994): Metal toxicity. W: Soil mineral stresses. Approaches to crop improvement.
Red. A.R.Yeo, T.J. Flowers. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg.
Sepp�nen M., Turakainen M., Hartikainen H. (2003): Selenium effects on oxidative stress in
potato. Plant Sci. 165: 311-319.
Terry N., Zayed M., De Souza M.P., Tarun A.S. (2000): Selenium in higher plants. Annu. Rev.
Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 51: 401-432.
Xue T., Hartikainen H., Piironen V. (2001): Antioxidative and growth-promoting effect of
selenium in senescing lettuce. Plant Soil 237: 55-61.
Zayed A.M., Lytle C.M., Terry N. (1998): Accumulation and volatilization of different chemi-
cal species of selenium by plants. Planta 206: 284-292.
Wybrane aspekty antyoksydacyjnej i prooksydacyjnej aktywności selenu... 491
SELECTED ASPECTS OF ANTIOXIDANT AND PROOXIDANT ACTIVITY
OF SELENIUM IN MAIZE ROOTS (ZEA MAYS L.)
S u mma r y
Selenium is an essential element for antioxidation reactions in humans, animals and bacteria.
In higher plants, however, the role of selenium is still unclear. The objective of this experiment
was to investigate the effect of exogenous selenium in its selenite or selenate form on the growth,
glutathione concentration and lipid peroxidation in roots of maize seedlings. At low concentration
(25 źmol�dm-3), selenate tended to stimulate the root elongation, the accumulation of glutathione
and it acted as an antioxidant, inhibiting lipid peroxidation. At higher concentration of selenate
(50 źmol�dm-3) and at all concentrations of selenite (25 and 50 źmol�dm-3), selenium was
a prooxidant. The accumulation of lipid peroxidation products was enhanced and glutathione
concentration increased. Root elongation did not change in presence of 25 and 50 źmol�dm-3
selenite and selenate, respectively. However, selenite at dosage of 50 źmol�dm-3 exerted distur-
bance in root growth and morphology.