In plants, the oxygen generated by photosynthesis can be excited to form reactive oxygen species (ROS) under excessive sunlight. Excess ROS including singlet oxygen ($^1O_2$) inhibit the growth, development and photosynthesis of plants. To isolate ROS-resistant crop plants, we used paraquat (PQ), a generator of $O_2{^-}$ as a source of screening and mutagen, and obtained two PQ-resistant lines in Pisum sativum, namely R3-1 and R3-2. Both lines showed greater resistance to PQ than their wild type (WT) siblings with respect to germination, root growth, and shoot growth. Biochemical analysis showed differences in these lines, in which ROS-scavenging enzymes undergo changes with a distinguishable increase in Mn-SOD. We further observed that the cytosolic catalases (CATs) in leaves in both lines were shifted in a native-PAGE analysis compared with that of the WT, indicating that the release of bound $^1O_2$ was enhanced. Phenotypic analysis revealed distinguishable differences in leaf development, and in flowering time and position. In addition, R3-1 and R3-2 showed shorter individual inter-node lengths, dwarf plant height, and stronger branching compared with the WT. These results suggested that PQ-induced ROS-resistant Pisum have the potential pleiotropic effects on flowering time and stem branching, and that ROS including $^1O_2$ plays not only important roles in plant growth and development as a signal transducer, but also appears as a strong inhibitor for crop yield.
Superoxide dismutase which is metalloenzyme that decomposes superoxide radicals into hydrogen peroxide and molecular oxygen. Vitreoscilla has FeSOD. Expression of FeSOD to paraquat was largely constitutive. This suggests that the basal level of FeSOD is sufficient to provide protection against superoxide generated during normal aerobic metabolism. Induction of SOD by iron supports that insertion of the active site metal into the corresponding apoprotein. The effect of paraquat on induction by iron seemed that iron brought the synergism effect in SOD activity with paraquat. It suggests that the relief of growth inhibition is due to protection against the lethality of O$_2$afforded by the elevated SOD. There may be control of FeSOD activity posttranslationally. Posttranslation control of enzyme function is particularly feasible for a metalloenzyme, for which conversion of apo- to holoenzyme may be the rate-limiting or regulatory step.
Biological effect of aqueous extracts of 12 plants which showed superoxide dismutase (SOD)-like activity in vitro was evaluated using Drosophila melanogaster. Survival percentage of the flies was a criterion of effect when the flies were exported to paraquat, which generated superoxide anion radical in vivo. When flies were co-administered with paraquat and aqueous extracts of garlic, lettuce, kiwi, and nameko, they showed no defensive effect against of oxygen toxicity. If flies were exposed to 60 mM paraquat after adaptation to feed containing plant extracts with SOD-like activity for 10 days, however, survival percentage of flies fed with phytochemicals was $35{\sim}63%$ while that percentage of flies fed without phytochemical was only 11%. This result indicated that adaptation of flies to plant extracts with SOD-like activity could prevent the flies from oxidative injury. On the other hand, lettuce, kiwi, nameko, onion, persimmon, fern brake and cauliflower showed a reparative effect on an oxidative stress. Dropwort, shiitake, agaric mushroom and broccoli did not show such an effect.
This study examined effects of the active ingredients from ginseng on paraquat(PQ) toxitity. Mice were given PQ(25mg/kg, ip) and then they were given total saponins (TS; 5mg/kg, orally), protopanaxadiol (PD; 5mg/kg, orally) and protopanaxatriol(PT; 5mg/kg, orally) per day for periods of 1,3 & 7 days. We measured the activities of superoxide dismutase (SOD), electrophoretic isozyme band, catalase (CAT) were compared in the liver of mouse that dose with PQ and/or TS, PD and PT. The activities of SOD, CAT were generally higher in PQ+PD group than others groups. Especially the activity of SOD was the highest in PQ+PD group than others groups. SOD isozyme separated into three bands by electrophoresis. One band was located to near the anode side and two bands were cathode side. As the results of treated with KCN, we were confiremed that the Cu, Zn-SOD was located to near the anode side but the Mn-SOD were cathode side. Our results suggested that an antioxidant effect of ginseng saponins elevated a protection ability to an oxidative damage by direct action of SOD, CAT and reinforced the synthetic ability of endogenous antioxidant material in living organism. Particularly, PD was a effective antioxidant compared with others.
Kim, Dong-Jo;Seong, Kum-Soo;Kim, Dong-Won;Kim, Seong-Ruyong;Chang, Che-Chul
Journal of Ginseng Research
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v.28
no.1
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pp.5-10
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2004
This study was carried out to investigate the effect of the active ingredients from ginseng on paraquat(PQ) toxicity. Oxidative stress was induced by intraperitreatneal injection of PQ at a single dose of 25 mg/kg. Saponin treated groups were given protopanaxadiol saponins(PPD) or protopanaxatriol saponins(PPT)(5 mg/kg, orally) per day for 1, 3, & 7 days. We also investigated the relationship between lipid peroxidation and ginseng saponins by measuring the levels of superoxide dismutase(SOD), catalase(CAT), glutathione peroxidase (GPx), reduced glutathione(GSH), malondialdehyde (MDA), and hydrogen peroxide(H$_2$O$_2$) in liver tissue. The activities of SOD, CAT, and GPx were generally high in the PPD group; the SOD activity on each day was the highest in the PPD group. The H$_2$O$_2$ content was the lowest in the PPD group. The GSH levels were significantly increased in the PPD. The levels of MDA(the end product of lipid peroxidation) were significantly lower in the red ginseng component groups than in the PQ group; the levels were especially low in the PPD groups. These results led us to conclude that the antioxidant effects of extracts from red ginseng prevent oxidative damage by direct antioxidant effects involving SOD, CAT, & GPx, and increasing the ability of the body to synthesize endogenous antioxidants.
The protective effects of Red Ginseng on liver damage induced by linac X-ray and paraquat were investigated. To one group of ICR male mice were given in Red Ginseng(200mg/kg/day for 7days, orally) before 5Gy(1.01Gy/min) dose of linac X-ray irradiation. To another group were given in Red Ginseng (200mg/kg/day for 7days, orally) before paraquat(30mg/kg/day, orally) was Radiation irradiation group were given with saline(0.1ml) and 5Gy. Contrast group were given with saline(0.1ml). The levels of H2O2, catalase and MDA in liver tissue were measured. In Red Ginseng to paraquat(RG+PQ) group and Red Ginseng(RG+Rad) group than irradiation group(Rad), the catalase level were significantly increased, and the catalase levels were appeared at radiation protection. The Red Ginseng was significantly decreased to MDA and H2O2 level to paraquat(RG+PQ) group and Red Ginseng(RG+Rad) group than irradiation group(Rad). Therefore, Red Ginseng was very excellent protector on radiation and paraquat of liver in mice.
Kim, Hoon;Min, Jin-Hong;Han, Kyu-Hong;Kang, Joon-Ho
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.15
no.4
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pp.2189-2198
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2014
Paraquat (PQ) is a very effective and widely used herbicide that was commercially introduced in 1962. In this study, instead of using antioxidants like in the past, to inhibit the formation of PQ-induced ROS, we attempted to reduce the oxygen concentration by using non-lethal hypoxia therapy. Therefore, we studied the toxicity of PQ in vivo, analyzed the major effects of ROS on the targeted lung tissue and compared the results with the gross histological changes after the cell protective effect of non-lethal hypoxia therapy. In vivo studies demonstrated that low-concentration oxygen therapy (i.e., 10-12% oxygen) in rats administered with PQ was associated with a higher survival rate than in rats that received only PQ. In vivo non-lethal hypoxia treatment showed better survival and less lung tissue damage. Using a hypoxic/anaerobic incubator with integrated multifaceted molecular analysis, including MDA assay, glutathione assay, and SOD assay, we established an optimal, significantly reduced in vivo non-lethal hypoxia treatment by exploiting the PQ-induced cytotoxicity responses.
The anti-oxidative effects of Korean red ginseng extracts (total saponine, water extracts, alcohol extracts, lipophilic extracts), which were administered with the concentration of 200 mg/kg BW, were investigated after the injection of paraquat (1,1-dimethyl-4,4-bipyrimidinium dichloride: PQ) with dosage of 100 mg/kg BW on the peritoneal cavity to 6 weeks of 23~26 gm ICR male mice. The accumulation of hydrogen peroxide ($H_2O$$_2$) on the liver of mouse was lowered only in alcohol extract-treated group (p<0.05). The activity of glutathione peroxidase increased in the mouse treated with lipophilic ginseng extracts. And GSSG level was lowered in all groups, and this might be due to the paraquat ions that might prevent the reaction of GSSG into GSH. But we cannot find any relation between glutathione oxide-reductase activity on Korean ginseng extracts. Finally, the lipid peroxidation (MDA) level was lowest (p<0.01) in the group of mouse treated with water extracts of ginseng.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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