DEPÓSITO LEGAL ppi 201502ZU4666  
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es continuidad de la revista impresa  
ISSN 0041-8811  
Revista  
de la  
Universidad  
del Zulia  
Fundada en 1947  
por el Dr. Jesús Enrique Lossada  
Ciencias  
Exactas  
Naturales  
y de la Salud  
Año 12 N° 33  
Mayo - Agosto 2021  
Tercera Época  
Maracaibo-Venezuela  
REVISTA DE LA UNIVERSIDAD DEL ZULIA. 3ª época. Año 12 N° 33, 2021  
Mariia Bobrova et al.// The effect of hypothermia on the state of the prooxidant-antioxidant … 82-101  
The effect of hypothermia on the state of the prooxidant-  
antioxidant system of plants  
Mariia Bobrova *  
Olena Holodaieva **  
Svitlana Koval ***  
Olha Tsviakh ****  
Olena Kucher *****  
ABSTRACT  
Aim of the research: to identify changes in the value of indicators of the state of the prooxidant-  
antioxidant system (PAS) in the tissues of edible parts of agricultural plants under the influence of  
temperature changes. Methodology: Quantitative determination of indicators of the state of PAS was  
performed on tissue samples of edible parts of the following plants: Solánum lycopérsicum L., Сucumis  
sativus L., Capsicum annuum L., Solanum melongena L., Solanum tuberosum L., Allium sativum L., Allium cepa L.,  
Daucus carota L., Beta vulgaris L., Cucurbita pepo var. Giraumontia L. The concentration of superoxide anion  
-
radical (•O  
2
), TBA-active products, superoxide dismutase (SOD) activity, catalase, the  
concentration of ascorbic acid (AA), glutathione (GSH) were determined. The results of the research  
show that hypothermia activates both parts of the PAS, however, cooling is accompanied by more  
powerful both low molecular weight and enzymatic antioxidant (AO) protection. The research of  
AO can be divided according to the degree of reduction of the protective value in hypothermia in the  
following series: SOD, catalase, GSH, AA. The most resistant in terms of changes in PAS to  
hypothermia is Solanum tuberosum L., Allium sativum L., Beta vulgaris L.; the least resistant is Capsicum  
annuum L., and Solánum lycopérsicum L. The generative organs of plants are less resistant to hypothermia  
than the vegetative ones. Practical consequences. As a result of the conducted biochemical analysis,  
it is established which method of storage of plant products is more effective in terms of preservation  
of AO activity: cooling or freezing.  
KEYWORDS: biochemistry; metabolism; enzymes; vitamins; cooling, freezing.  
*
Senior Lecturer of the Department of Biology and Methods of Teaching of the Volodymyr Vynnychenko  
Central Ukrainian State Pedagogical University, Ukraine. E-mail: mails@kspu.kr.ua; kazna4eeva@gmail.com  
ORCID ID: http://orcid.org/0000-0001-7703-651X.  
*
* Associate Professor of the Department of General and Biological chemistry #2 Donetsk national medical  
university, Ukraine. E-mail: contact@dsmu.edu.ua; elena.gologaeva@gmail.com ORCID ID:  
http://orcid.org/0000-0002-4922-7033.  
*
** Senior Lecturer of the Department of the Fundamental Disciplines of the International European  
University, Ukraine. E-mail: admissions@ieu.com.ua; kovalsyu@gmail.com ORCID ID: http://orcid.org/0000-  
0
002-4907-177X.  
*
*** Senior Lecturer of the Department of Chemistry of the V.O. Sukhomlynskyi Mykolaiv National  
University, Ukraine. E-mail: office@mdu.edu.ua; tsvyakho@gmail.com ORCID ID: http://orcid.org/0000-  
0
002-1119-2170.  
*
**** Senior Lecturer of the Department of Chemistry of the V.O. Sukhomlynskyi Mykolaiv National  
University, Ukraine. E-mail: office@mdu.edu.ua; hrizantema84.84@gmail.com. ORCID ID:  
http://orcid.org/0000-0002-9963-6855.  
Recibido: 03/02/2021  
Aceptado: 26/03/2021  
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Mariia Bobrova et al.// The effect of hypothermia on the state of the prooxidant-antioxidant … 82-101  
El efecto de la hipotermia sobre el estado del sistema prooxidante-  
antioxidante de las plantas  
RESUMEN  
Objetivo de la investigación: identificar cambios en el valor de los indicadores del estado del  
sistema prooxidante-antioxidante (PAS) en los tejidos de partes comestibles de plantas  
agrícolas, bajo la influencia de cambios de temperatura. Metodología: la determinación  
cuantitativa de indicadores del estado de PAS se realizó en muestras de tejido de partes  
comestibles de las siguientes plantas: Solánum lycopérsicum L., Сucumis sativus L.,  
Capsicum annuum L., Solanum melongena L., Solanum tuberosum L., Allium sativum L .,  
Allium cepa L., Daucus carota L., Beta vulgaris L., Cucurbita pepo var. Giraumontia L. Se  
determinó la concentración de radical anión superóxido ( O2-), productos activos TBA,  
actividad superóxido dismutasa (SOD), catalasa, concentración de ácido ascórbico (AA),  
glutatión (GSH). Los resultados de la investigación muestran que la hipotermia activa ambas  
partes del PAS. Sin embargo, el enfriamiento va acompañado de una protección antioxidante  
enzimática (AO) y de bajo peso molecular más potente. La investigación de AO se puede  
dividir según el grado de reducción del valor protector en hipotermia en las siguientes series:  
SOD, catalasa, GSH, AA. El más resistente en términos de cambios en PAS a hipotermia es  
Solanum tuberosum L., Allium sativum L., Beta vulgaris L .; el menos resistente es Capsicum  
annuum L. y Solánum lycopérsicum L. Los órganos generativos de las plantas son menos  
resistentes a la hipotermia que los vegetativos. Consecuencias prácticas. Como resultado del  
análisis bioquímico realizado, se establece qué método de almacenamiento de productos  
vegetales es más efectivo en términos de conservación de la actividad AO: enfriamiento o  
congelación.  
PALABRAS CLAVE: bioquímica; metabolismo; enzimas; vitaminas; enfriamiento;  
congelación.  
Introduction  
The influence of temperature on the vital activity of plant organisms is one of the key  
problems of adaptive physiology. The significance of the problems of cold and frost resistance  
of plants is because 64% of the land area of the plant indicates the detrimental effect of low  
temperatures. The connection with global climate change on the planet, the urgency of the  
problem is growing, as caused by anthropogenic factors, the total loss is provided by  
increasing instability of weather and climatic conditions, while different temperature  
differences over relatively short periods of time (Kolupayev & Trunova, 1992; Kolupaev &  
Karpets, 2010; Kolupaev, 2001; Estela Urbina et al. 2020). A lot of work is devoted to the  
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study of temperature changes in the viscosity of membranes and cytosol, the activity of  
metabolic processes. However, the biochemical basis of the effect of temperature on plant  
homeostasis is investigated in fragments. Listening that the action of any stressors is  
reflected in the state of the PAS understudy, the problem determines the increased relevance.  
Since plants are the main source of AO to humans, the study of changes in their number under  
the action of different storage temperatures is of great practical importance.  
Aim of the research: to identify changes in the value of indicators of the state of the  
PAS in the tissues of edible parts of agricultural plants under the influence of temperature  
changes. To achieve this aim, the following tasks were identified:  
1
. To investigate the effect of temperature changes on the content of enzymatic and  
low molecular weight antioxidants in plant tissues.  
2. To identify the effect of temperature changes on the content of prooxidants in plant  
tissues.  
3. To determine which of the antioxidants is more resistant to temperature changes.  
4
. To compare the resistance of plants to hypothermia in terms of changes in  
prooxidant and antioxidant activity in their tissues  
. To compare which method of storage of plant products is more effective in terms of  
preserving antioxidant activity: cooling or freezing.  
5
1
. Literature review  
The first experimental results linking the state of PAS with temperature changes were  
obtained in the '80-'90s. XX century. The influence of temperature as a stress factor is  
described in numerous works by Kolupaeva Y.E., who reveals both the mechanisms of  
temperature influence on physiological processes of the plant organism and the peculiarities  
of metabolism under temperature stress (Kolupayev & Trunova, 1992), the formation of  
temperature adaptations (Kolupaev & Karpets, 2010), and even molecular-cellular level of  
stress reactions of plants (Kolupaev, 2001). Peculiarities of plant perception of the cold signal  
are revealed in the works of Himalov F.R., Chemeris A.V., Vakhitova V.A (Himalov et al.,  
2004). Cellular mechanisms of adaptation to adverse environmental factors are given in the  
works of Kordyum E.L., Sytnyk K.M., Baranenko V.V. (Kordyum et al., 2003). The role of  
proteins in low-temperature stress is given in the work of Kolesnichenko A.V., and  
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Voynikova V.K. (Kolesnichenko & Voinikov, 2003). Kolupaev Yu.Ye., also describes the  
importance of prooxidants, namely the reactive forms of oxygen (ROS) in the adaptation of  
plants to stressors (Kolupaev & Karpets, 2009; Kolupaev, 2007). Lukatkina A.S., combines  
oxidative stress with cold damage to plants (Lukatkina, 2002).  
The relationship between temperature stressors and reactive oxygen species has been  
revealed in several works by foreign scientists. Thus, Bhattacharjee S., studied ROS and  
oxidative explosion in stress signal transduction (Bhattacharjee, 2005), which was also the  
subject of research by Apel K. and Hirt N., (Apel & Hirt, 2004), while Dat J.F.,  
Vandenabeele S., and Vranova E., considered ROS under stress resistance (Dat et al., 2000).  
The Biochemical School under the direction of Nikolas Smirnoff has significant work on the  
biochemistry of ROS and AO in plant tissues (Smirnoff, 2005), a number of works by  
Scandalios J.G. devoted to problems in the same direction (Scandalios, 2002; Scandalios,  
2 2  
2005). In the works of Voynikov V.K., an increase in the amount of H O and TBA-active  
products (TBAap) in plant tissues under the action of negative temperatures has been  
described (Voynikov, 2013). Piotrovsky M.S., Shevyreva T.A., Zhestkova I.M., Trofimova  
M.S., emphasize that the most sensitive to low-temperature stress are the processes of  
respiration and photosynthesis, as hypothermia causes primarily a change in the viscosity of  
cell membranes and dysfunction of electron transport chains with the formation of ROS  
(
Piotrovskii et al., 2011). Common in these two works is the idea of the relationship of  
NADPH with hypothermic products of ROS. Awasthi R., Bhandari K., and Nayyar H., prove  
the formation of ROS by low-temperature activation of NADPH oxidase  
(
Awasthi et al., 2015).  
The role of the AO system in hypothermia is noted in (Вerwal & Ram, 2018; Foyer &  
Noctor, 2005; Gill & Tuteja, 2010; Hasanuzzaman et al., 2017; Hasanuzzaman et al., 2019;  
Pacheco et al., 2018; Shao et al., 2008; Suzuki et al., 2012; Szalai et al., 2009), analyzing which  
we can conclude that almost all known enzymatic AO is involved in protecting plants from  
hypothermia and adaptation to it. The first link in AO protection is SOD. It is proved that  
the action of low temperatures not only changes the activity of SOD, but also changes the  
expression of genes responsible for its synthesis. For example, the increase in SOD activity  
has been experimentally proven in wheat (Kolupaev & Karpets, 2019; Dyachenko et al., 2007;  
Major et al., 2011), oats (Awasthi et al., 2015), strawberries (Luo et al., 2011), cucumber  
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Mariia Bobrova et al.// The effect of hypothermia on the state of the prooxidant-antioxidant … 82-101  
(
Ignatenko et al., 2016), potatoes, but some plants reduce the activity of SOD at low  
temperatures, or increase the activity of SOD in the post-stress period (Kolupaev & Karpets,  
019). The closest connection with SOD is catalase, the level of activity and gene expression  
2
of which is also enhanced by hypothermia. The work of a number of scientists experimentally  
proved the enhancement of catalase activity in oats and wheat, potatoes, echinacea,  
chrysanthemums (Kolupaev & Karpets, 2019; Janda et al., 2007). The most common low  
molecular weight AO is ascorbic acid (AA) (Bobrova et al., 2020). The action of low  
temperatures ambiguously affects the content of AA in plant tissues. For example, a number  
of scientists experimentally prove an increase in the content of AA in the tissues of rye  
(
Galiba et al., 2013), barley (Huang & Guo, 2005), chickpeas (Kumar et al., 2011). However,  
the works of Luo Y., Tang H., and Zhang Y., show a lower content of AA in cold-resistant  
varieties of strawberries, compared with unstable, which indicates the species and even  
variety-specific role of AA. A number of scientists describe the role of AA not only during an  
injury but also in post-stress regeneration (Radyuk et al., 2009). The same scientists  
experimentally confirmed the ambiguous role of reduced glutathione in hypothermia.  
Because GSH has the highest correlation with AA among lowmolecular weight antioxidants,  
there is a need for further experimental studies.  
2
. Research methodology  
Quantitative determination of PAS status was performed on tissue samples of edible  
parts of the following plants: Solánum lycopérsicum L., Сucumis sativus L., Capsicum annuum L.,  
Solanum melongena L., Solanum tuberosum L., Allium sativum L., Allium cepa L., Daucus carota L., Beta  
vulgaris L., Cucurbita pepo var. Giraumontia L. Exposure of the control group was