Botanica Pacifica

Research Paper

Botanica Pacifica. A journal of plant science and conservation Preprint
Article first published online: 31 MAY 2016 | DOI: 10.17581/bp.2016.05110

Effects of norflurazon on СО2 fixation and Rubisco activity in some C3 and C4 plants under different light intensity

Tatiana M. Kosogova 1, Nelly G. Rusinova 2 & Navassard V. Karapetyan 2

1 Lugansk National Agrarian University, Lugansk, Ukraine
2 A.N. Bach Institute of Biochemistry, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Norflurazon (NF) is a herbicide that is known to inhibit carotenoid biosynthesis, destroy chlorophylls, desintefrate chloroplasts, and ruin chloroplast ribosome. In this study, we clarify how light intensity modulates effects of NF on СО2 fixation and activity of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) in some C3 and C4 plants. We investigate effects of NF on maize, barley, triticale, and radish under low light intensity (0.12 and 0.4 W/m2), and on maize, wheat, bean, and radish under high light intensity (100 W/m2). We show that the effects are modulated by light intensity and species peculiarities. Specifically, C3 plants, with no mechanism for CO2 recycling, loose carbon compounds easier compared to C4 plants, resulting in earlier manifestation of photodestruction under NF treatment. Besides, we show that Rubisco activity increases as far as its content decreases.

Косогова Т.М., Русинова Н.Г., Карапетян Н.В. Влияние норфлуразона на фиксацию CO2 и активность Rubisco у некоторых C3- и C4-растений при различной освещенности. Обработка растений гербицидом норфлуразоном (НФ) приводит к подавлению биосинтеза каротиноидов, дезинтеграции хлоропластов, разрушению в них рибосом и хлорофиллов. Данное исследование посвящено особенностям влияния НФ на фиксацию CO2 и активность Rubisco у некоторых C3- и C4-растений при различной освещенности. Исследовано влияние НФ на кукурузу, ячмень, тритикале и редис при низкой освещенности (0,12 и 0,4 Вт/м2), и на кукурузу, пшеницу, бобы и редис – при высокой (100 Вт/м2) Показано, что влияние НФ зависит от освещенности и видовых особенностей растений. В частности, C3-растения, не имея механизма дополнительного связывания CO2, легче теряют соединения углерода, вследствие чего вызываемые НФ фотодеструктивные процессы проявляются у них раньше. Установлено также, что активность Rubisco обратно пропорциональна ее содержанию.

Keywords: CO2 fixation, Rubisco activity, light intensity, norflurazon, C3 plants, C4 plants, carotenoids, chlorophylls, фиксация CO2, активность Rubisco, освещенность, норфлуразон, C3-растения, C4-растения, каротиноиды, хлорофиллы

PDF


References

Bartels P.G. & Watson C.W. 1978. Inhibition of carotenoid synthesis by fluridone and norflurazon. Weed Science 26(2): 198–203.

Bolychevtseva Yu.V., Chivkunova O.B., Merzlyak M.N. & Karapetyan N.V. 1987. Effects of norflurazon on content of pigments, fatty acids, and lipid peroxidation products in barley seedling grown under different light intensity. Biohimiya 52(1):160–167 (in Russian). [Болычевцева Ю.В., Чивкунова О.Б., Мерзляк М.Н., Карапетян Н.В. 1987. Влияние норфлуразона на содержание пигментов, жирных кислот и продуктов перекисного окисления липидов в проростках ячменя, выращенных при различной освещенности // Биохимия. T. 52, № 1. С. 160–167].

Bolychevtseva Yu.V., Turnitseva М.S., Bezsmertnaya I.N. & Karapetyan N.V. 1988. Polypeptide composition and chloroplast structure in barley grown under norflurazon and low light intensity. Biohimiya 53(1):677–685 (in Russian). [Болычевцева Ю.В., Турищева М.С., Безсмертная И.Н., Карапетян Н.В. 1988. Полипептидный состав и структура хлоропластов ячменя, выращенного в присутствии норфлуразона при слабой освещенности // Биохимия. Т. 53, № 1. С. 677–685].

Breitenbach J., Zhu C. & Sandmann G. 2001. Bleaching herbicide norflurazon inhibits phytoene desaturase by competition with the cofactors. Journal of Agricultural and Food Chemistry 49(11):5270–5272. CrossRef

Davis B.J. 1964. Disc electrophoresis. II. Method and application to human serum proteins. Annals of the New York Academy of Sciences 121(2):404–427.

Dean C. & Leech R.M. 1982. Genome expression during normal leaf development I. Cellular and chloroplast numbers and DNA, RNA, and protein levels in tissues of different ages within a seven-day-old wheat leaf. Plant Physiology 69(4):904–910. CrossRef

Ezhova T.A., Soldatova O.P. & Omdar U.N. 1997. Norflurazon-resistant low-growing mutants of Arabidopsis as objects to study resistance to oxidation stress. Fiziologiya rastenii 44(5):650–670 (in Russian). [Ежова Т.А., Солдатова О.П., Ондар У.Н. 1997. Толерантные к норфлуразону карликовые мутанты Arabidopsis как объекты изучения резистентности к окислительному стрессу // Физиология растений. Т. 44, № 5. С. 665–670].

Fedtke C. 1979. Plant physiological adaptations induced by low rates of photosynthesis. Zeitschrift für Naturforschung C 34(11):932–935.

Feierabend J. & Schubert B. 1978. Comparative investigation of the action of several chlorosis-inducing herbicides on the biogenesis of chloroplasts and leaf microbodies. Plant Physiology 61(6):1017–1022. CrossRef

Frosch S., Jabben M., Bergfeld R., Kleinig H. & Mohr H. 1979. Inhibition of carotenoid biosynthesis by the herbicide SAN 9789 and its consequences for the action of phytochrome on plastogenesis. Planta 145(5):497–505. CrossRef

Golfred M.G. & Karapetyan N.V. 1989. Physical and chemical basics of herbicide action. VINITI, Moscow, 77 pp. (in Russian). [Гольфред М.Г., Карапетян Н.В. 1989. Физико-химические основы действия гербицидов. Москва: ВИНИТИ. 77 с.].

Jung S. 2004. Effect of chlorophyll reduction in Arabidopsis thaliana by methyl jasmonate or norflurazon on antioxidant systems. Plant Physiology and Biochemistry 42(3): 225–231. CrossRef

Lowry O.H., Rosebrough N.J., Farr A.L. & Randall R.J. 1951. Protein measurement with the Folin phenol reagent. Journal of Biological Chemistry 193(1):265–275.

Mayfield S.P., Nelson T. & Taylor W.C. 1986. The fate of chloroplast proteins during photooxidation in carotenoid-deficient maize leaves. Plant Physiology 82(3):760–764. CrossRef

Rivera-Madrid R., Burnell J., Aguilar-Espinosa M., Rodríguez-Ávila N.L., Lugo-Cervantes E. & Sáenz-Carbonell L.A. 2013. Control of carotenoid gene expression in Bixa orellana L. leaves treated with norflurazon. Plant Molecular Biology Reporter 31(6):1422–1432. CrossRef

Rusinova N.G., Belyaeva E.V. & Karapetyan N.V. 1992. CO2 fixation rate and ribulose bisphosphate carboxylase activity in С3 and С4 plants grown under norflurazon. Biohimiya 57(11):1671–1683 (in Russian). [Русинова Н.Г., Беляева Е.В., Карапетян Н.В. 1992. Скорость фиксации СО2 и активность рибулозобисфосфаткарбоксилазы С3- и С4-растений, выращенных с норфлуразоном // Биохимия. Т. 57, № 11. С. 1671–1683].

Sandmann G., Linden H. & Böger P. 1989. Enzyme-kinetic studies on the interaction of norflurazon with phytoene desaturase. Zeitschrift für Naturforschung C 44(9–10): 787–790.

Streusand V.J. & Portis A.R. 1987. Rubisco activase mediates ATP-dependent activation of ribulose bisphosphate carboxylase. Plant Physiology 85(1):152–154. CrossRef





© 2016-2017 Botanica Pacifica