CC BY
0
УДК 581.18:58.02
DOI: 10.24412/1728-323X-2024-1-12-16
АНАЛИЗ АКТИВНОСТИ МЕДЬСОДЕРЖАЩИХ ФЕРМЕНТОВ В ЛИСТЬЯХ ИНТРОДУЦИРОВАННЫХ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОЙ СРЕДЫ
А. М. Кузьмина, аспирант, Удмуртский государственный университет, AMSharifullina@yandex.ru, г. Ижевск, Российская Федерация,
И. Л. Бухарина, д. б. н, профессор, Удмуртский государственный университет, г. Ижевск, Российская Федерация
Аннотация. В работе представлены исследования по выявлению видовых особенностей у интродуцированных видов, произрастающих в городских насаждениях, испытывающих разную степень антропогенной нагрузки, активность медьсодержащих ферментов аскорбинатоксидазы и по-лифенолоксидазы зависит не только от степени антропогенной нагрузки, но и от локальных условий места произрастания. Исследования проведены в городе Набережные Челны, который входит в Камский промышленный кластер Республики Татарстан. В период исследований комплексный индекс загрязнения атмосферы указывал на высокое загрязнение. В каждой из функциональных зон заложены пробные площади, которые отличаются по параметрам локальных условий. Объектами исследования являлись интродуцированные виды — Acer negundo L., Populus balsamifera L. Активность аскорбинатоксидазы была схожей у интродуцированных видов. В городских насаждениях активность полифенолоксидазы в листьях всех изучаемых видов древесных растений к концу вегетации имела достоверно более высокие значения по сравнению с контрольными насаждениями. Активность полифенолоксидазы имела специфические черты у интродуцированных видов.
Abstract. The paper presents the studies to identify species characteristics in the introduced species growing in urban plantings experiencing varying degrees of anthropogenic load; the activity of copper-containing enzymes of ascorbate oxidase and of polyphenol oxidase depends not only on the degree of the anthropogenic load, but also on the local conditions of the place of growth. The research was carried out in the city of Naberezhnye Chelny, which is part of the Kama Innovation Industrial Cluster of the Republic of Tatarstan. During the study period, the comprehensive air pollution index indicated high pollution. In each of the functional zones there are trial plots that differ in the parameters of local micro conditions. The objects of the study were the introduced species of Acer negundo L. and Populus balsamifera L. The activity of ascorbate oxidase was similar in the introduced species. In urban plantings, by the end of the growing season, the activity of polyphenol oxidase in the leaves of all studied species of woody plants had significantly higher values compared to control plantings. The activity of polyphenol oxidase had a number of specific features in the introduced species.
Ключевые слова: аскорбинатоксидаза, полифенолоксидаза, древесные растения, локальные условия произрастания.
Key words: ascorbate oxidase, polyphenol oxidase, woody plants, local conditions of growth.
Введение
Активный процесс урбанизации, рост промышленного производства и другой деятельности человека способствуют формированию своеобразных элементов экосистемы, которые сочетают в себе признаки естественной и искусственной сред обитания. Антропогенная среда характеризуется разнообразной деятельностью человека, которая приводит к накоплению загрязнителей, вызывающих стрессы живых компонентов экосистемы, в том числе растений [1—5].
В процессе роста и развития растения задействуют разнообразные механизмы защиты от негативных факторов антропогенной среды, которые имеют видовую специфику. Актуальным остаются вопросы, связанные с изучением особенностей механизмов адаптации древесных растений на молекулярном уровне. При этом важно учитывать локальные условия места произрастания древесных растений, к которым относятся особенности рельефа, температурный режим атмосферного воздуха, температура поверхности поч-
вы, параметры относительной влажности воздуха [6—8].
Учеными изучаются механизмы адаптации растений и формирование устойчивости древесных растений к разнообразным стрессам антропогенной среды [9, 10].
Изучение эколого-физиологических особенностей защитных древесных насаждений и древесных пород, связанных с синтезом веществ с антиоксидантной активностью, в условиях промышленного региона — г. Набережные Челны проведено впервые.
В связи с этим целью работы являлось изучение активности медьсодержащих ферментов в листьях интродуцированных древесных растений с учетом локальных условий антропогенной среды (на примере г. Набережные Челны).
Объекты и методы исследования
Период исследований: 2015—2022 гг. Объектами выступали древесные растения, имеющие высокую долю в данных насаждениях. Объекта-
ми исследования являлись — клен ясенелист-ный (Acer negundo L.) и тополь бальзамический (Populus balsamifera L.).
Выбранные объекты произрастали в насаждениях разных экологических категорий: зона условного контроля (ЗУК), санитарно-защитные зоны, магистральные насаждения. ЗУК была взята территория одного из самых крупных парков Набережных Челнов — это парк «Гренада».
На исследуемых территориях закладывались пробные площади (ПП) размером не менее 0,25 га, в пределах которых произрастали выбранные древесные растения. Для выделения локальный микроусловий произрастания в каждой категории насаждений закладывались две пробные площади (ПП1 и ПП2), которые отличались друг от друга по ряду параметров: степень увлажнения, температурный режим поверхности почвы, относительной влажностью воздуха, особенностями рельефа. Параметры микроусловий отмечались в сухую и теплую погоду с целью фиксации максимальных отличий. Оценка гидротермического режима атмосферного воздуха проводилась на высоте двух метров, с этой же высоты был осуществлен сбор листьев для последующего лабораторного анализа. Все наблюдения и сбор растительного материала проводили в дневные часы с 11 до 13 ч. Температуру поверхности почвы замеряли в десяти точках в непосредственной близости к растению в трехкратной повторности в течении дня (утром с 7 до 8 ч.) в обед (с 12 до 14 ч.) и вечером (с 17 до 18 ч.), затем вычисляли среднюю арифметическую полученных трех значений [11].
Сбор растительного материала осуществлялся в летние месяцы с учетных особей собирали по 30 листьев средней формации на г одичном вегетативном побеге. Побеги располагались в нижней части кроны южной экспозиции. Определение активности медьсодержащих ферментов в листьях проводили в динамике в июне, июле и августе, спектрофотометрически.
Активность аскорбинатоксидазы определяли по методу, предложенному Д. К. Асамовым, С. Т. Рахимовой, который основан на свойстве аскорбиновой кислоты поглощать свет с максимумом при длине волны 265 нм. Об активности фермента судили по уменьшению величины оптической плотности, учитывая, что степень окисления аскорбиновой кислоты пропорциональна количеству фермента. Активность полифенол-оксидазы определяли спектрофотометрическим методом, основанном на измерении оптической плотности продуктов реакции, которые образуются при окислении пирокатехина за определенный промежуток времени [12].
Математическую обработку осуществляли с использованием статистического пакета «Statis-tica 10». С целью анализа полученных данных использовали методы кластерного и д исперсионно-го многофакторного анализа (при последующей оценке различий методом множественного сравнения LSD-test). В процессе сравнения и анализа полученных результатов использовали достоверные различия между признаками (при P < 0,05).
Результаты и обсуждения
В насаждениях ЗУК преобладают дерново-подзолистные почвы. Для определения степени загрязнения почв использовался суммарный показатель загрязнения (СПЗ) почвы. Для почв ЗУК данный показатель составил восемь. Данный уровень указывает на допустимый уровень загрязнения. Древесные растений в данных насаждениях испытывают негативное влияние природных факторов среды.
Завод кузнечный в городе Набережные Челны имеет не полностью сформированную санитар-но-защитную зону, которая большей частью расположена на юго-востоке города. СПЗ почвы составляет 24. На данной территории фиксируются стабильно высокие значения ИЗА (10,3).
Казанский проспект является самой оживленной магистралью города Набережные Челны с высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха (ИЗА = 12,3). СПЗ почвы составляет 30—32. Среди приоритетных загрязнителей СЗЗ и МП можно выделить следующие: формальдегид, фенол, оксиды азота и серы, бенз(а)пирен.
С целью определения особенностей динамики активности исследуемых ферментов с учетом уровня загрязнения окружающей среды и локальных условий места произрастания были определены пробные площади (ПП1 и ПП2), которые отличались по микрорельефу и, как следствие, абиотическим параметрам условий произрастания растений. Пробные площади на возвышенных, хорошо продуваемых участках, имеющих выровненную поверхность, были обозначены ПП1. Пробные площади в пределах каждого типа насаждений на участках, имеющих понижение рельефа, были обозначены ПП2. Более высокие значения по относительной влажности воздуха и более низкие температуры почвы и атмосферного воздуха наблюдались на ПП2.
В ходе исследования была выявлена различная активность медьсодержащих ферментов на серьезный уровень загрязнения среды обитания и локальные условия места произрастания в пределах типа насаждений.
Дисперсионный многофакторный анализ результатов исследований выявил существенность
влияния видовых особенностей (уровень значимости Р < 10-5), комплекса условий места произрастания (Р < 10-5), сроков вегетации (Р < 10-5), а также взаимодействия этих факторов (Р < 10-5) на активность аскобинатоксидазы и полифенол-оксидазы в листьях древесных растений (табл. 1).
У интродуцированных видов растений, произрастающих в насаждениях ЗУК и СЗЗ промышленных предприятий на ПП2 в июне, отмечена достоверно более низкая активность аскорбина-токсидазы в листьях в сравнении с показателями ПП1: у тополя бальзамического — на 0,07; у клена ясенелистного — на 0,08 и 0,31 ед. акт. К концу периода вегетации у тополя бальзамического на ПП2 в насаждениях ЗУК наблюдалась более высокая по сравнению с ПП1 активность аскор-бинатоксидазы в листьях: в июле — на 0,08, в августе — на 0,15 ед. акт. У клена ясенелистного превышение активности фермента на ПП2 на 0,26 ед. акт. отмечено лишь в июле. В магистральных насаждениях тополь бальзамический во все даты наблюдений на ПП2 имел достоверно бо-
лее высокие показатели активности аскорбина-токсидазы по сравнению с ПП1: в июне — на 0,07; в июле — на 0,13; в августе — на 0,33 ед. акт.
Интродуцированные виды — клен ясенелист-ный и тополь бальзамический имели ч ерты сходства в активности данного фермента на комплекс условий произрастания.
Показатели активности полифенолоксидазы в листьях у интродуцированных видов выявили ви-доспецифические реакции растений. У тополя бальзамического в августе в ЗУК зафиксировано достоверно более низкая активность фермента (ниже на 0,09 ед. акт.) у растений на ПП2, а у особей в насаждениях СЗЗ, наоборот, активность фермента на ПП2 была выше, причем в июле — на 0,10 ед. акт., в августе — на 0,17 ед. акт. по сравнению с ПП1. В примагистральных посадках четкой закономерности выявить не удалось.
У клена ясенелистного, произрастающего в насаждениях ЗУК и СЗЗ, в течение всего периода активной вегетации активность полифено-локсидазы в листьях растений на ПП2 была вы-
Таблица 1
Динамика активности ферментов в листьях древесных растений г. Набережные Челны, ед. акт.
Тип насаждений (фактор В) Вид растения (фактор А)
Месяц (фактор С) ПП4 (фактор D) АО5 ПФО6
Л. Р. ЪакашГсга Л. пс^ш^о Р. ЪаЬашГсга
Июнь 1 3,33 2,26 0,87 1,84
2 3,25 2,19 0,92 1,85
ЗУК1 Июль 1 2 4,00 4,26 3,34 3,42 3,50 3,52 4,14 4,13
Август 1 2 4,47 4,46 3,91 4,06 4,00 4,22 5,22 5,13
Июнь 1 3,75 2,43 0,84 1,99
2 3,44 2,44 0,92 1,99
СЗЗ2 Июль 1 2 3,94 4,17 3,78 3,64 3,73 3,83 4,62 4,72
Август 1 2 4,25 4,46 3,94 3,94 5,29 5,58 5,57 5,74
Июнь 1 3,94 2,35 0,81 2,84
2 3,89 2,42 1,13 2,86
МП3 Июль 1 2 3.68 3.69 3,65 3,78 4,12 4,12 5,71 5,56
Август 1 2 3,70 3,70 3,80 4,13 5,86 5,78 7,41 7,46
НСР05АВСБ 0,02 0,04
Примечания. ЗУК1 — зоны условного контроля; СЗЗ2 — санитарно-защитные зоны промышленных предприятий; МП3 — магистральные посадки; ПП4 — пробная площадь; АО5 — активность аскорбинатоксидазы; ПФО6 — активность полифенолоксидазы.
ше, чем у растений на ПП1: в июне — на 0,05 и 0,08 ед. акт., в июле — на 0,10 (насаждения СЗЗ), в августе — на 0,22 и 0,29 ед. акт. В примагист-ральных посадках результаты были иными: в июне листья растений на ПП2 имели активность фермента более высокую на 0,32 ед. акт., чем листья растений на ПП1, а к концу периода активной вегетации, наоборот, показатели активности у растений ПП2 были ниже, чем на ПП1.
Выводы
Активность фермента полифенолоксидазы в листьях изучаемых видов древесных растений к концу вегетации имела достоверно более высокие значения в городских насаждениях, в отличие от контрольных. По активности аскорбинатоксидазы выявлено сходство у интродуцированных видов, а по активности полифенолоксидазы отмечены специфические реакции.
Библиографический список
1. Уразгильдин Р. В., Кулагин А. Ю. Повреждения, адаптации, стратегии древесных видов в условиях техногенеза: структурно-функциональные уровни реализации адаптивного потенциала // Успехи современной биологии. — 2022. — Т. 142, № 1. — С. 52—69. — DOI: 10.31857/S0042132422010082.
2. Kamath S. D., Arunkumar D., Avinash N. G. et al. Determination of total phenolic content and total antioxidant activity in locally consumed food stuffs in Moodbidri, Karnataka, India // Adv. Appl. Sci. Res. — 2015. — V. 6. — № 6. — P. 99—102.
3. Kloseiko J. Cupric ferricyanide reaction in solution for determination of reducing properties of plant antioxidants // Food analytical methods. — 2016. — V. 9. — P. 164—177.
4. Артеменко С. В. Наргужина Ж. К., Агафонова Д. А. Изменчивость морфо-физиологических признаков древесных растений г. Тюмени в условиях разной степени загрязнения атмосферы // Вестник Тюменского государственного университета. Экология и природопользование. — 2018. — Т. 4, № 3. — С. 108—124.
5. Nunes M. H., Both S., Bongalov B., et al. Changes in leaf functional traits of rainforest canopy trees associated with an El Niño event in Borneo // Environ. Res. Lett. — 2019. — № 14. — Р. 2—14.
6. Samancioglu A., Sat I. G., Yildirim E. et al. Total phenolic and vitamin C content and antiradical activity evaluation of traditionally consumed wild edible vegetables from Turkey // Indian J. of Traditional Knowledge. — 2016. — V. 15. — № 2. — P. 208—213.
7. Лубянова А. Р., Безрукова М. В., Шакирова Ф. М. Взаимодействие сигнальных путей при формировании защитных реакций растений в ответ на стрессовые факторы окружающей среды // Физиология растений. — 2021. — Т. 68, № 6. — С. 563—578. — DOI: 10.31857/S0015330321060129.
8. Методы полевых экологических исследований: учеб. пособие / О. Н. Артаев (и др.); под ред. А. Б. Ручина (и др.). — Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2014. — 412 с.
9. Самусик Е. А., Марчик Т. П., Головатый С. Е. Интенсивность окислительных процессов и активность антиок-сидантной системы в листьях древесных растений, произрастающих в условиях техногенного загрязнения // Социально-экологические технологии. — 2022. — Т. 12, № 4. — С. 418—438. — DOI: 10.31862/2500-2961-2022-12-4418-438.
10. Shah A., Singh T., Vijayvergia R. In vitro antioxidant properties and total phenolic and flavonoid contents of Rumex vesic-aius L. // Internat. J. of Pharmacy and Pharmaceutical Sci. — 2015. — V. 7. — № 7. — P. 81—84.
11. Сауткина М. Ю. Анализ биохимического разнообразия вегетативной сферы дуба черешчатого лесостепной зоны // Самарский научный вестник. — 2022. — Т. 11, № 1. — С. 114—118. — DOI: 10.55355/snv2022111114.
12. Ермаков А. И., Арасимович В. В., Ярош Н. П. и др. Определение активности полифенолоксидазы и аскорбинатоксидазы / В кн.: Методы биохимического исследования растений. — Л., 1987. — С. 48—51.
ANALYSIS OF THE ACTIVITY OF COPPER-CONTAINING ENZYMES IN THE LEAVES OF NATIVE AND INTRODUCED WOODY PLANTS IN THE ANTHROPOGENIC ENVIRONMENT
A. M. Kuzmina, Postgraduate Student, Udmurt State University, AMSharifullina@yandex.ru, Russian Federation, Izhevsk, I. L. Bukharina, Ph. D. (Biology), Dr. Habil., Professor, Udmurt State University, Russian Federation, Izhevsk
References
1. Urazgil'din R. V., Kulagin A.YU. Povrezhdeniya, adaptatsii, strategii drevesnykh vidov v usloviyakh tekhnogeneza: strukturno-funktsional'nyye urovni realizatsii adaptivnogo potentsiala [Damage, adaptations, strategies of tree species in the conditions of technogenesis: structural and functional levels of realization of adaptive potential]. Uspekhi sovremennoy biologii. 2022. Vol. 142. No. 1. P. 52-69. DOI: 10.31857/S0042132422010082 [in Russian].
2. Kamath S. D., Arunkumar D., Avinash N. G. et al. Determination of total phenolic content and total antioxidant activity in locally consumed food stuffs in Moodbidri, Karnataka, India. Adv. Appl. Sci. Res. 2015. Vol. 6. No. 6. P. 99—102.
№ 1, V0V4
15
3. Kloseiko J. Cupric ferricyanide reaction in solution for determination of reducing properties of plant antioxidants. Food analytical methods. 2016. Vol. 9. P. 164—177.
4. Artemenko S. V. Narguzhina Zh. K., Agafonova D. A. Izmenchivost' morfofiziologicheskikh priznakov drevesnykh rasteniy g. Tyumeni v usloviyakh raznoy stepeni zagryazneniya atmosfery [Variability of morphophysiological characteristics of woody plants in Tyumen under the conditions of varying degrees of atmospheric pollution]. Vestnik Tyumenskogo gosudarstvennogo universiteta. Ekologiya iprirodopol'zovaniye. 2018. Vol. 4. No. 3. P. 108—124 [in Russian].
5. Nunes M. H., Both S., Bongalov B., et al. Changes in leaf functional traits of rainforest canopy trees associated with an El Niño event in Borneo. Environ. Res. Lett. 2019. No. 14. P. 2—14.
6. Samancioglu A., Sat I. G., Yildirim E. et al. Total phenolic and vitamin C content and antiradical activity evaluation of traditionally consumed wild edible vegetables from Turkey. Indian J. of Traditional Knowledge. 2016. Vol. 15. No. 2. P. 208—213.
7. Lubyanova A. R., Bezrukova M. V., Shakirova F. M. Vzaimodeystviye signal'nykh putey pri formirovanii zashchitnykh reaktsiy rasteniy v otvet na stressovyye faktory okruzhayushchey sredy [Interaction of signaling pathways in the formation of plant defense reactions in response to environmental stress factors]. Fiziologiya rasteniy. 2021. Vol. 68. No. 6. P. 563—578. DOI: 10.31857/S0015330321060129 [in Russian].
8. Metody polevykh ekologicheskikh issledovaniy: ucheb. posobiye [Methods of field ecological research] / O. N. Artayev, et al.; Ed. A. B. Ruchin, et al. Saransk, Izd-vo Mordov. Unta. 2014. 412 p. [in Russian].
9. Samusik Ye. A., Marchik T. P., Golovatyy S. Ye. Intensivnost' okislitel'nykh protsessov i aktivnost' antioksidantnoy sistemy v list'yakh drevesnykh rasteniy, proizrastayushchikh v usloviyakh tekhnogennogo zagryazneniya [The intensity of oxidative processes and the activity of the antioxidant system in the leaves of woody plants growing under conditions of technogenic pollution]. Sotsial'no-ekologicheskiye tekhnologii. 2022. Vol. 12. No. 4. P. 418—438. DOI: 10.31862/2500-2961-2022-12-4418-438 [in Russian].
10. Shah A., Singh T., Vijayvergia R. In vitro antioxidant properties and total phenolic and flavonoid contents of Rumex vesic-aius L. Internat. J. of Pharmacy and Pharmaceutical Sci. 2015. Vol. 7. No. 7. P. 81—84.
11. Sautkina M. Yu. Analiz biokhimicheskogo raznoobraziya vegetativnoy sfery duba chereshchatogo lesostepnoy zony [Analysis of the biochemical diversity of the vegetative sphere of pedunculate oak in the forest-steppe zone]. Samarskiy nauchnyy vestnik. 2022. Vol. 11. No. 1. P. 114—118. DOI: 10.55355/snv2022111114 [in Russian].
12. Yermakov A. I, Arasimovich V. V., Yarosh N. P., et al. Opredeleniye aktivnosti polifenoloksidazy i askorbinatoksidazy [Determination of polyphenol oxidase and ascorbate oxidase activity]. In: Metody biokhimicheskogo issledovaniya rasteniy. Leningrad, 1987. P. 48—51 [in Russian].
