info:eu-repo/semantics/article
Relationships of Light to Enzyme and Sucrose Transformations in Sugarcane Treated with Paraquat
Título en español.
Registro en:
10.46429/jaupr.v54i2.11091
Institución
Resumen
Light relationships to enzyme and sugar transformations were studied in sugarcane treated with Paraquat. A bipyridylium herbicide, Paraquat has shown promise as a preharvest-desiccant and flower-controlling agent but causes undesirable sugar and growth restrictions. The present studies were conducted as part of a program having chemical control of sucrose as an ultimate purpose. There were three objectives: 1, To clarify the dependence of Paraquat on light for its desiccative action; 2, to clarify the roles of light in abnormal enzyme behavior induced by Paraquat; and 3, to define the role of light in sucrose losses triggered by Paraquat. Two experiments were conducted with immature sugarcane of the variety P.R. 980. All plants were grown by sand culture in the greenhouse under strict water and nutritional control. For the first experiment plants were treated with 0 or 0.05 percent Paraquat solutions and subjected to continuous darkness or maintained under natural illumination. During the second experiment one group of plants was darkened for 72 hours followed by 72 hours of natural illumination, and a second group was maintained for 144 hours with natural light exposure. During both studies leaf and immature storage tissues were frozen at appropriate intervals for enzyme and sugar analyses. Enzymes assayed included acid phosphatase, ATP-ase, amylase, invertase, peroxidase and polyphenol oxidase. Changes in sucrose, fructose, glucose and ribose were studied by paper chromatography. The following results were obtained: 1. Darkened cane did not experience typical Paraquat destruction of green tops as did those kept under normal light. Leaf sucrose declined markedly among all darkened plants. Nearly identical sucrose losses were recorded in Paraquat-treated plants receiving normal illumination. 2. Regarding sucrose synthesis, it was concluded that Paraquat treatment of sugarcane has an effect equivalent to a continuous night of several weeks or more duration. 3. During the first experiment ATP-ase was greatly suppressed by Paraquat under normal light conditions. The herbicide's effect was blocked by darkness. The involvement of Paraquat in the adenylic acid system and its consequences is discussed. Invertase was suppressed both by darkness and by Paraquat. 4. During experiment 2, undarkened plants experienced severe foliar drying within 72 hours after Paraquat treatment. At this time the darkened plants still appeared green and normal. Removal to sunlight initiated typical foliar destruction by the herbicide. 5. Plants not treated with Paraquat lost sucrose and reducing sugars in darkness, but the sugars reappeared when plants were reintroduced to light. The 0.05 percent Paraquat level caused typically severe sucrose decline. Sucrose did not recover under natural illumination nor in darkened plants upon reexposure to light. 6. During both experiments, Paraquat-treated plants accumulated ribose in their leaves, indicating a blockage of photosynthesis at the site of phosphoribose isomerase action, i.e., in the conversion of ribose-5-phosphate to ribulose-5-phosphate. 7. In spite of continuing ribose production, reexposure of darkened Paraquat-treated plants to sunlight led to recovery of fructose and glucose production. It is suggested that an alternate method of ribulose-5- phosphate formation, from xylulose-5-phosphate, and catalyzed by ribulose phosphate-xylulose phosphate isomerase, was activated during darkness. This presupposes that a dark reaction occurs in which foliar mechanisms are sensitized to danger before the herbicide assumes phytotoxic capability. 8. Failure of leaf sucrose to recover after reexposure to sunlight suggests that Paraquat is also acting against sucrose synthetase or related catalysts of sucrose biosynthesis. 9. Darkened, herbicide-free cane accumulated excessive amounts of sucrose in leaf and immature storage tissues within 6 hours after reillumination. The possibility of effecting more efficient sucrose production by stress of darkness, as opposed to limitations of sugar transport, are discussed. 10. The leaf enzymes ATP-ase, acid phosphatase, amylase, peroxidase, and polyphenol oxidase, plus invertase from immature storage tissue, were all significantly altered by light or Paraquat treatments during experiment 2. ATP-ase: The enzyme was severely suppressed by Paraquat in light, but not in darkness, and was rapidly suppressed upon reexposure to light. Evidence is presented of a non-toxic dark reaction which disposes of steps normally rate-limiting in daylight. Similar effects were noted upon acid phosphatase. Amylase: Amylase was stimulated by Paraquat in light which verified earlier findings. Amylase is considered a major factor in the herbicide's stimulation of metabolic processes. Darkness eliminated the stimulatory effect. A Paraquat free-radical produced after darkness may not be identical to that formed upon immediate exposure to light. Peroxidase: This enzyme declined sharply in iUuminated plants given Paraquat. Darkened plants strongly resisted the Paraquat suppression, although some loss of activity still occurred. It is suggested that traces of peroxide were formed and "alerted" peroxide-destroying mechanisms. Such an alarm system would be distinct from the darkened Paraquat-ATPase relationship in which the plant apparently made no effort to save an endangered enzyme. Polyphenol oxidase: Moderate Paraquat inhibition took place in light; none occurred in darkness or following darkness. Inhibition was delayed for about 3 days. An indirect Paraquat effect such as increasing moisture stress is suspected. Invertase: The enzyme's activity pattern was vastly altered by light and Paraquat. Darkness and Paraquat suppressed invertase with identical decline curves. Reillumination led to full invertase recovery plus significant overcompensation in zero-Paraquat plants. No recovery occurred in cane given Paraquat. A light-sensitive mechanism of invertase synthesis is proposed, with darkness and Paraquat giving reversible and non-reversible inhibition, respectively. 11. Sugarcane growth, sugar, and enzyme data concur with the supposition that a free radical of Paraquat is produced by photoreduction. In addition, prior to reduction and reoxidative transformations, there appears to be several types of herbicide-enzyme reactions occurring independently of light. These include: 1, Disposal of secondary but rate-limiting steps which speed an ultimate enzyme inhibition in light; and 2, sensitizing reactions in which critical enzymes are forewarned of phytotoxic compounds and essentially defensive or protective mechanisms are alerted. Se estudiaron las relaciones entre la luz y las enzimas y las transformaciones del azúcar en caña de azúcar tratada con Paraquat. El Paraquat es un herbicida de dipiridilio, que promete actuar como desecante si se aplica antes de la recolección y como agente regulador de la floración, aunque causa limitaciones indeseables en la formación del azúcar y en el crecimiento. Estos estudios se llevaron a cabo como parte de un programa, cuyo propósito esencial es el control químico de la sacarosa. Eran tres los objetivos: 1, Esclarecer de qué modo depende el Paraquat de la luz para su acción desecante; 2, aclarar la función de la luz en el comportamiento enzimático anormal inducido por el Paraquat; y 3, definir el papel que desempeña la luz en las pérdidas de sacarosa iniciadas por el Paraquat. Se llevaron a cabo dos experimentos con caña de azúcar inmatura de la variedad P.R. 980. Todas las plantas se cultivaron en arena en un invernadero bajo estricto control de agua y nutrimentos. En el primer experimento, las plantas se trataron con soluciones al 0 ó al 0.05 por ciento de Paraquat, Unas se sometieron a oscuridad continua y otras permanecieron bajo iluminación natural. En el segundo experimento, un grupo de plantas permaneció a oscuras durante 72 horas y luego se expusieron a la luz natural durante 72 horas; un segundo grupo se mantuvo expuesto a la luz natural durante 144 horas. En ambos estudios, los tejidos foliar y reservante tierno se congelaron a intervalos apropiados para hacer un análisis de las enzimas y el azúcar. Los análisis incluyeron fosfatasa ácida, ATP-asa, amilasa, invertasa, peroxidasa y oxidasa de polifenol. Los cambios en la sacarosa, fructosa, glucosa y ribosa se estudiaron mediante la cromatografía sobre papel. Se lograron los siguientes resultados: 1. En la oscuridad, las plantas no experimentaron la destrucción del cogollo verde, típica del Paraquat, tal como ocurrió con las que permanecieron bajo luz natural. La sacarosa foliar bajó marcadamente en todas las plantas expuestas a la oscuridad. Se registraron pérdidas casi idénticas de sacarosa en aquellas plantas tratadas con Paraquat y que se sometieron a iluminación normal. 2. Con respecto a la síntesis de la sacarosa, se concluyó que el tratamiento de la caña de azúcar con Paraquat tiene un efecto equivalente a una noche continua de varias semanas o más de duración. 3. En el primer experimento, la ATP-asa fue severamente inactivada por el Paraquat bajo condiciones normales de luz. El efecto del herbicida fue bloqueado por la oscuridad. Se discute la participación del Paraquat y sus consecuencias en el sistema de ácido adenílico. La invertasa fue inactivada, tanto por la oscuridad como por el Paraquat. 4. En el segundo experimento, las plantas que no se expusieron a las oscuridad sufrieron una severa desecación foliar dentro de las 72 horas posteriores al tratamiento con Paraquat, mientras que en ese mismo período las plantas mantenidas a oscuras todavía continuaban verdes y normales. Al exponerlas a la luz solar se inició la destrucción foliar típica del herbicida. 5. Las plantas no tratadas con el Paraquat perdieron sacarosa y azúcares reductores en la oscuridad, pero los azúcares reaparecieron cuando las plantas se expusieron nuevamente a la luz. Una concentración de 0.05 por ciento de Paraquat causó un descenso severo de sacarosa. La sacarosa no recuperó su nivel bajo la iluminación natural, ni en las plantas sombreadas expuestas nuevamente a la luz. 6. En ambos experimentos, las plantas tratadas con Paraquat acumularon ribosa en las hojas, indicando así un bloqueo de la fotosíntesis en la etapa de la acción de la isomerasa de fosforribosa, es decir, al convertirse la ribosa-5-fosfato a ribulosa -5-fosfato. 7. A pesar de una continua producción de ribosa, el exponer de nuevo las plantas que habían sido expuestas a la oscuridad y tratadas con Paraquat a la luz solar, indujo una recuperación de fructosa y producción de glucosa. Se sugiere un método alterno mediante el cual la xilulosa-5-fosfato, catalizada por la isomerasa de ribulosa fosfato-xilulosa fostato, se activa en la oscuridad para dar lugar a ribulosa-5-fosfato. Esto presupone que ocurre una reacción causada por el efecto de la oscuridad en la que mecanismos foliares se tornan sensibles al peligro antes de que el herbicida alcance una capacidad fitotóxica. 8. El hecho de que la sacarosa foliar no recupere después de exponerse de nuevo a la luz solar, sugiere que el Paraquat actúa también contra la sintetasa de la sacarosa o los catalizadores relacionados con la biosíntesis de la sacarosa. 9. La caña expuesta a la oscuridad y libre de herbicida acumuló cantidades excesivas de sacarosa en la hoja y en el tejido reservante tierno dentro de las 6 horas después de la reiluminación. Se discute la posibilidad de efectuar una producción más eficiente de sacarosa mediante la influencia de la oscuridad, en oposición a las limitaciones en el transporte del azúcar. 10. Las enzimas foliares como la ATP-asa, fosfatasa ácida, amilasa peroxidasa y oxidasa de polifenol, más la invertasa del tejido reservante tierno, fueron significativamente alteradas por el tratamiento con luz o con Paraquat, en el segundo experimento. ATP-asa: Esta enzima fue inactivada severamente por el Paraquat bajo la luz, más no en la oscuridad, y también lo fue rápidamente al exponerse de nuevo a aquélla. Se comprueba la presencia de una reacción no tóxica que ocurre por efecto de la oscuridad, la cual elimina los pasos que normalmente limitan su intensidad, al exponerse a la luz natural. Se notaron efectos similares en la fosfatasa ácida. Amilasa: Esta enzima fue estimulada por el Paraquat en presencia de la luz, lo que comprobó los hallazgos anteriores. Se estima que la amilasa es un factor principal en la acción estimulante de los procesos metabólicos del herbicida. La oscuridad eliminó el efecto estimulante. Una radical libre del Paraquat, producida después de la exposición a la oscuridad, podría no ser idéntica a la formada por la exposición inmediata a la luz. Peroxidasa: Esta enzima disminuyó agudamente en las plantas iluminadas que se trataron con Paraquat. Las plantas a oscuras resistieron fuertemente la inactivación causada por el Paraquat, aunque aún así hubo alguna pérdida en actividad. Se sugiere la formación de trazas de peróxido que excitaron a los mecanismos destructores del peróxido. Tal sistema de alarma podría ser distinto a la relación entre el Paraquat a oscuras y la ATP-asa, en la que la planta no hizo esfuerzos por proteger la enzima puesta en peligro. Oxidasa de polifenol: Una inhibición moderada del Paraquat tuvo lugar bajo la luz; sin embargo, no ocurrió ninguna durante o después de ser expuesta a la oscuridad. La inhibición se retrasó cerca de 3 días. Se sospecha la presencia de un efecto indirecto del Paraquat, tal como cierta intensidad en la limitación de la humedad. Invertasa: El patrón de actividad enzimática de la invertasa se alteró marcadamente debido a la luz y al Paraquat. La oscuridad y el Paraquat deprimieron la invertasa con curvas idénticas de declinación. La reiluminación indujo una recuperación completa de la invertasa más una sobrecompensación en las plantas que no se trataron con el Paraquat. No hubo tal recuperación en las plantas tratadas con el Paraquat. Se propone que un mecanismo sensitivo a la luz interviene en la síntesis de la invertasa, y que la oscuridad y el Paraquat inducen una inhibición reversible e irreversible, respectivamente. 11. Los datos sobre el crecimiento, el azúcar y las enzimas concuerdan con la suposición de que la fotorreducción da paso a una radical libre del Paraquat. Además, antes de que las transformaciones reductoras y reoxidantes ocurran, parece que varias reacciones de tipo herbicida-enzima tienen lugar, independientemente de la luz. Estas incluyen: 1, Pasar por alto los pasos secundarios que retardan la reacción, lo que acelera la inhibición de una enzima esencial al exponerse a la luz; y 2, reacciones sensibilizadoras en las que a las enzimas decisivas se les previene de compuestos fitotóxicos y se alertan los mecanismos esencialmente defensivos o protectores.