CC BY
245
ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ
УДК 581.1
БИОАККУМУЛЯЦИЯ, ГОМЕОСТАЗ И ТОКСИЧНОСТЬ МЕДИ
В РАСТЕНИЯХ
В.В. Иванищев
Представлены сведения о поступлении ионов меди в растения. Отмечена роль ряда специфических переносчиков для проникновения ионов металла через мембранные структуры. Показано, что роль многих переносчиков, важных для гомеостаза меди, остается не вполне ясной. Ведущая роль в поддержании необходимых концентраций ионов меди принадлежит восстановленному глутатиону и металлошаперонам. Для предотвращения индукции окислительного стресса ионами этого металла степень окисления меди поддерживается на уровне +1. При этом неясно, почему избыток меди вызывает снижение фотосинтеза при наличии механизмов хелатирования ионов для проникновения в вакуоль. Отмечены признаки проявления дефицита меди в растении, а также ее токсического действия при повышенном поступлении в растение. Накопленные результаты не позволяют говорить о роли низкомолекулярных антиоксидан-тов в защитных реакциях растений от избытка меди.
Ключевые слова: ионы меди, переносчики, гомеостаз, токсичность, дефицит.
Введение
Среди тяжелых металлов медь занимает одно из важных мест, поскольку, с одной стороны, является участником многих физиологических и биохимических процессов, а, с другой, - токсическим элементом, вызывающим ряд негативных реакций при превышении определенного порога содержания в клетках разных объектов [1]. При этом в живых системах ионы меди проявляют активность в обеих степенях окисления +1 и +2 [2].
В качестве микроэлемента медь - необходимый участник электрон-транспортной цепи дыхания, процесса фотосинтеза, реакций окисления, метаболизма белков и углеводов, а также фиксации азота атмосферы, благодаря клубеньковым бактериям [2]. Однако, такое значительное участие ионов металла в процессах и реакциях обеспечивается достаточно низкими его концентрациями in vivo. Превышение определенного порога приводит к токсическим эффектам, включающим нарушения структуры и функций клеточных мембран, снижение эффективности физиологических процессов (дыхание, фотосинтез) и биохимических реакций вследствие ингибирования ферментов, в результате чего часто наблюдают торможение роста и развития растений [1].
Высокий уровень загрязнения окружающей среды ионами меди происходит как по причине природных катаклизмов, так и по причине антропогенного действия в ходе добычи, переработки руд, выплавки
металла, созданию сплавов. Существенное загрязнение среды также связано с использованием и утилизацией отходов в виде отслуживших свой срок бытовой техники и сопутствующих компонентов. В результате возможно вторичное загрязнение поверхностных и грунтовых вод.
Поэтому цель работы состояла в анализе накопленных данных в отношении этого металла, учитывая роль меди в жизненных процессах и ее токсическое действие.
Поступление меди в растение
В ходе онтогенеза растения способны накапливать тяжелые металлы в зависимости от стадии роста и развития. При этом потребность в таком элементе и чувствительность к ионам меди также меняются. Важной составляющей защитных реакций растений является первичное накопление ее ионов в корнях, что приводит в свою очередь к ряду негативных явлений, среди которых необходимо отметить изменение морфологии, остановку в развитии и даже гибель корневой системы. Особенно наглядно подобные явления наблюдают при проращивании семян в условиях повышенных концентраций солей меди. Среди исследований такого рода можно отметить работы, проведенные с использованием следующих растений: Amaranthus spinosus, Oryza sativa, Triticum aestivum, Trigonella foenum-graecum, ивы (Salix spp.), Phyllostachys pubescens, Eclipta alba и Boehmeria nivea L. [1]. Результаты работ показывают, что корневая система является серьезным барьером для проникновения ионов меди в побег, принимая на себя своеобразный первый удар, в результате чего накопление ионов металла не просто ингибирует процессы в корне, но и нарушает его морфологию, рост и развитие вплоть до полного отмирания [3].
Также следует заметить, что виды и сорта растений могут значительно различаться не только по способности поглощения и транспорта, но и накопления меди в своем организме, что, например, показано в сравнительном исследовании на растениях салата и шпината (цит. по [1]). Во-первых, было установлено, что салат обладал большей способностью поглощать и транспортировать в побег ионы меди, чем шпинат. А, во-вторых, общее содержание меди в корнях составляло 6080% от общего содержания металла в растении.
Другим важным фактором в поглощении, накоплении и токсическом проявлении ионов меди может оказаться влияние присутствия других ионов, в т.ч. металлов в среде [1].
При поступлении меди в растение (в отсутствие токсических концентраций) она должна связываться с определенными соединениями, образуя комплексы, способные обеспечивать свободное перемещение ионов металла по организму. Ионы меди в таких соединениях должны быть стабилизированы в окисленной форме, в которой они не способны
генерировать активные формы кислорода (АФК). Поэтому считается, что основой лабильного пула меди, скорее всего, являются комплексы одновалентной меди, связанные с сульфгидрильными группами определенных белков (металлотионеинов, металлошаперонов) и/или глутатиона (GSH), причем последнему отведена главная роль в этом процессе в связи с тем, что его концентрация in vivo на несколько порядков превышает концентрации белков, способных связывать ионы меди [4].
Переносчики, обеспечивающие гомеостаз меди у растений
Из-за важности меди как микроэлемента для обеспечения различных реакций и процессов, регуляция содержания ионов металла является тонким инструментом влияния на жизнедеятельность растений. Внутриклеточный уровень меди и его поддержание на минимально требуемом уровне достигается с помощью специальных белков -металлошаперонов [4]. При этом гомеостаз меди весьма сложен в связи с высокой потребностью ионов металла для различных реакций и процессов не только в цитоплазме, но и в компартментах - хлоропластах и митохондриях [5].
Такая ситуация объясняет существование в разных частях клетки различных специфических переносчиков, которые у растений делят на два типа. Первый тип представлен семейством АТФ-аз тяжелых металлов (heavy metal ATP-ase - НМА). Их относят к так называемому Р-типу. У растения Arabidopsis они состоят из восьми разновидностей. HMA1, HMA2, HMA3 и HMA4 переносят двухвалентные катионы ионов меди, кадмия и цинка, в то время как HMA5, HMA6, HMA7 и HMA8 способствуют переносу одновалентных ионов меди [1].
Полагают, что форма HMA5, в основном экспрессируется в корнях. Поэтому она может отвечать за связывание и детоксикацию ионов металла в корнях растений. Однако неясно, обеспечивает ли HMA5 выброс меди из клетки или ее накопление с дальнейшим отторжением омертвевшей клетки. Показано, что HMA5 может взаимодействовать с двумя шаперонами, связывающими ионы меди, ATX1 (Anti-oxidant) и CCH (Copper Chaperone) [6]. В клетках Saccharomyces cerevisiae комплексы меди с глутатионом являются основным источником меди для шаперона Atxl; вероятно, in vivo данный шаперон существует в виде димера, включающего две молекулы белка Atxl, два иона Cu(I) и две молекулы GSH [4].
Считается, что форма HMA1 участвует в гомеостазе ионов металла в хлоропласте [7], поскольку она локализована в оболочке этой органеллы.
HMA8/PAA2 и HMA6/PAA1 функционируют внутри хлоропласта и доставляют ионы меди к тилакоидному белку - пластоцианину. PAA1 также обеспечивал перенос меди через оболочку хлоропласта в его строму, в то время как PAA2 связан с транспортировкой ионов металла через
тилакоидную мембрану, в результате чего происходитих перенос из стромы в просвет тилакоида [6].
Разновидность белков, обозначаемая как НМА7/ЯАШ,по-видимому, участвует в биогенезе рецепторов этилена (ETRs) и доставляет ионы двухвалентной меди к белку ETR1 (Ethylene Response) для его работы в эндоплазматическом ретикулуме [8]. Основываясь на аналогии с Ccc2p из S. cerevisiae, полагают, что RAN1 локализован в аппарате Гольджи, благодаря работе которого обеспечивается перенос к белку ETR1ионов меди, которые являются для него кофактором.
Второй тип переносчиков представлен белками, обозначаемыми как COPT. Они принадлежат к медь-переносящему семейству CTR, представители которого обнаружены также у дрожжей и млекопитающих [9]. В растении Arabidopsis thaliana экспрессируется шесть переносчиков семейства Ctr (COPT1-COPT6) с особыми свойствами и локализацией в клетке. Разновидности белков COPT в своей структуре образуют три трансмембранных домена. Некоторые такие белки способны к мультимеризации, что способствует возможности образования поры в мембране для прохождения ионов меди[10].
Белок, обозначаемый COPT1, считают ответственным за поглощение ионов меди корнями. Форма COPT2 также расположена на плазматической мембране в тканях корня с не вполне ясной функцией. Разновидности белка COPT3 и COPT6 имеют еще менее четко определенные функции. Форма COPT4, соответствующая белку Ctr2 у млекопитающих, также не играет заметной роли в поглощении ионов меди корнями. При этом считают, что форма COPT5 может участвовать в мобилизации запасов вакуолярной меди [5]. Таким образом, эта группа белков очень слабо охарактеризована функционально.
Показана также важная роль белков - металл-шаперонов в связывании ионов металлов и их транспорте внутри клетки к определенным белкам. Такой белок (ССН - Cuchaperone) впервые был идентифицирован у растения Arabidopsis [11], причем на аминоконцевом участке полипептидной цепи этого белка - ССН содержится ATX1-подобный домен. При этом карбоксильный конец полипептидной цепи белка характеризуется своеобразным аминокислотным составом. Также показано, что такой домен может образовывать амилоидоподобные фибриллы для переноса ионов меди через плазмодесмы между клетками с помощью белка - ССН. При этом до сих пор остается неясным механизм загрузки ионов меди в ксилему, в связи с чем высказывается мысль о возможной роли в этом процессе таких лигандов как оксалат, малат и цитрат, а также фитохелатинов или никотианимида для переноса ионов меди внутри самой ксилемы и/или вакуолях [5].
Дефицит меди в растениях
Значительная роль меди в обеспечении многих физиологических и биохимических процессов и реакций делает необходимым поддержание определенных количеств ионов металла внутри растения. Однако питательные вещества должны иметь доступные в почве формы для их поглощения корневой системой. При этом доступность химических элементов определяется многими факторами, среди которых следует отметить физико-химические свойства почвы, наличие в ней органических компонентов, присутствие других ионов, необходимое количество воды, температуры.
Отсутствие или нехватка ионов меди в среде приводит к задержке ростовых процессов. Избыточное содержание фосфора, калия, других металлов, а также щелочные условия приводят к дефициту меди. Например, о взаимодействии ионов меди и железа сообщалось в работе [12]. При этом дефицит проявляется во вновь формирующихся листьях, что обнаруживается в виде так называемого хлороза целых листьев в слабой форме, межжилковых пространств или некротических пятен по краям листьев. Степень проявления и форма хлороза зависят от видовой принадлежности растений [1].
Значительная нехватка меди приводит к гибели апикальной меристемы, что уменьшает высоту растений. Однако у двудольных это может приводить к большему ветвлению, а у однодольных - к избыточному кущению. Кроме того, дефицит меди проявляется в укорочении расстояний между листьями на стебле, увядании листьев, полегании, слабой окраске цветков, мужском бесплодии, снижении устойчивости к болезням. Нехватка меди приводила к изменениям структуры клеток листьев и корней, снижению фотосинтеза и содержания основного его пигмента - хлорофилла [13]. Защитные силы организма против развивающегося окислительного стресса также снижаются вследствие уменьшения синтеза медь-зависимой формы супероксиддисмутазы (СОД), даже несмотря на частичную компенсацию со стороны железо-зависимой СОД, которая экспрессируется в условиях низкого содержания меди [14].
Токсические проявления меди
Геологические особенности почвы, промышленное загрязнение, загрязнение бытовыми отходами, активное использование медьсодержащих агрохимикатов и прочее приводят к повышению концентрации меди в почвах [15]. Разные методы извлечения металла дают не одинаковые величины ее содержания, которые оказываются потенциально токсичными. Так, при использовании хлорной кислоты величина извлекаемого (потенциально токсичного) количества меди превышает 100 мг/кг почвы, в то время как при использовании для
экстракции диэтилен-триамин-пентауксусной кислоты ^ТРА)токсичные количества ионов металла оказываются существенно более низкими и составляют величины более 20мг/кг [1].
Поглощение меди растениями также значительно зависит от рН почвы, причем фитодоступность металла возрастает с уменьшением рН. По мере увеличения pH падает как общая растворимость, так и активность ионов меди [16]. Присутствие органических веществ (гумуса), а также ионов таких химических элементов как цинк, азот, фосфор влияют на доступность ионов меди для поглощения корневой системой. В условиях затопления почвы и/или при ограниченном росте корней доступность этого металла также падает. В то же время повышенные концентрации меди не только вызывают дисбаланс в использовании основных питательных веществ, но и препятствуют поглощению и использованию других необходимых металлов.
Физиологическое проявление токсичности меди сказывается, в первую очередь, на развитии корня в связи с накоплением ее ионов и слабым перемещением в побег. По этой причине содержание меди в надземной части растений вовсе не отражает истинного состояния организма. Так, токсическое действие меди у растений Chloris gayana приводило к повреждению корней. При этом наблюдали широкий спектр проявлений: от разрушения кутикулы корня и уменьшения пролиферации корневых волосков до серьезной деформации структуры корня [1].
Присутствие токсических концентраций металла отражается на росте и развитии многих растений. Внешние проявления токсичности меди могут выражаться в низкорослости, наличии синеватого отлива с последующим пожелтением и приобретением коричневой окраски. В результате значительно снижаются биологическая и хозяйственная продуктивность растений. Кроме того, выращивание сельскохозяйственных культур при высоких концентрациях меди в почве является потенциальной угрозой здоровью человека, использующего такие растения в пищу [1].
Замедление роста растений во многом определяется нарушением процессов, связанных с фотосинтезом [17], несмотря на возможность связывания избытка ионов меди путем образования хелатов и перемещения в вакуоль [18].
Однако, такого способа нейтрализации может быть недостаточно, вследствие чего избыток ионов может индуцировать развитие окислительного стресса через увеличение образования АФК. Это показано, например, для растений риса (Oryza sativa L.) и кукурузы (Zea mays L.) [1]. Разные АФК вызывают неодинаковое действие. Например, присутствие супероксид-радикала (O2-) или других веществ подобного рода может восстанавливать двухвалентную медь до одновалентной. Последняя (вновь окисляясь) при взаимодействии с супероксидом водорода образует
гидроксильный радикал благодаря реакции Габера-Вейсса. Гидроксильные радикалы обладают высокой повреждающей способностью, поскольку реагируют с биологическими молекулами, включая ненасыщенные жирные кислоты, являющиеся компонентами мембран. В результате вместе с образованием липидных радикалов образуется цитотоксическое вещество - малоновый диальдегид (MDA), который является общепризнанным индикатором образования свободных радикалов и последующего повреждения ткани [19].
Кроме накопления АФК в клетке, наблюдают нарушение баланса между скоростью их образования и увеличением активности антиоксидантной системы, призванной нейтрализовать АФК. В первую очередь, меняется активность таких ключевых высокомолекулярных антиоксидантов, как супероксиддисмутазы (СОД), пероксидазы (POD) и каталаза (CAT). Так, было показано увеличение активности СОД, аскорбатпероксидазы, глутатионредуктазы и POD в корнях проростков риса, но изменений в активности CAT не наблюдали [20]. Увеличение СОД при избытке двухвалентной меди наблюдали у растений чеснока [21] и в листьях проростков кукурузы [22]. Возможно, меняется содержание и низкомолекулярных антиоксидантов, также участвующих в нейтрализации АФК. Однако специальных исследований в этой области в присутствии в среде избытка ионов меди нами не обнаружено.
Заключение
Наличие природных геологических аномалий и, особенно, все возрастающая антропогенная нагрузка приводят к загрязнению возделываемых земель и водных ресурсов ионами тяжелых металлов, в т.ч. ионами меди. Представленные результаты о влиянии меди на растения ставят дальнейшую задачу по поиску путей повышения резистентности растений к токсическим концентрациям металла. Также актуальными становятся поиски растений - гипераккумуляторов металла, что представляет собой сложную задачу ввиду негативного влияния металла на рост и развитие корневой системы растений, чьё недостаточное формирование пагубно сказывается на дальнейшем существовании организма.
Специальный интерес представляет изучение взаимодействия ионов меди с другими тяжелыми металлами и питательными элементами, что могло бы отчасти снизить токсический эффект её ионов. Изучение накопления низкомолекулярных антиоксидантов в условиях повышенных концентраций ионов металла также важно для понимания механизмов противостояния растений негативному действию меди. Все это важно для оценки токсичности металла в экосистемах и для человека, как одного из звеньев пищевой цепи.
Список литературы
1. Copper environmental toxicology, recent advances, and future outlook: a review / Rehman M., Liu L., Wang Q. [et al.] //Environ. Sci. Poll. Res. 2019. V. 26. P. 18003-18016.
2. Хелдт Г.-В. Биохимия растений. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2011. 471 с.
3. Effects of copper sulfate on growth and physiological responses of Limoniastrum monopetalum / Cambrolle J., Mancilla-Leyton J.M., Munoz-Valles S. [et al.] // Environ Sci Pollut Res Int. 2013. V. 20. P.8839-8847.
4. Злобин И.Е. Лабильный пул ионов меди как необходимый компонент системы ее клеточного гомеостатирования // Вестник Томского госуниверситета. Биология. 2015. № 3 (31). С. 67-83.
5. Festa R.A., Thiele D.J. Copper: an essential metal in biology // Curr Biol. 2011. V. 21. P. R877-R883.
6. Grotz N., Guerinot M.L. Molecular aspects of Cu, Fe and Zn homeostasis in plants // Biochimica et Biophysica Acta. 2006. V. 1763. P. 595608.
7. HMA1, a new Cu-ATPase of the chloroplast envelope, is essential for growth under adverse light conditions / Seigneurin-Berny D., Gravot A., Auroy P. [et al.] // J Biol Chem. 2006. V. 281. P. 2882-2892.
8. Localization ofthe ethylene receptor ETR1 to the endoplamic reticulum of Arabidopsis / Chen Y.F., Randlett M.D., Findell J.L. [et al.] // J Biol Chem. 2002. V. 277. P. 19861-19866.
9. Petris M.J. The SLC31 (Ctr) copper transporter family // Eur J Physiol. 2004. V. 447. P. 752-755.
10. Puig S., Thiele D.J. Molecular mechanisms of copper uptake and distribution // Curr Opin Chem Biol. 2002. V. 6. P. 171-180.
11. Identification of a functional homolog of the yeast copper homeostasis gene ATX1 from Arabidopsis / Himelblau E., Mira H., Lin S.-J. [et al.] //Plant Physiol. 1998. V. 117. P. 1227-1234.
12. Waters B.M., Armbrust L.C. Optimal copper supply is required for normal plant iron deficiency responses // Plant Signal Behav. 2013. V. 8. P. e26611.
13. Yruela I. Copper in plants: acquisition, transport and interactions // Funct Plant Biol. 2009. V. 36. P. 409-430.
14. Cohu C.M., Pilon M. Regulation of superoxide dismutase expression by copper availability // Physiol Plant. 2007. V. 129. P. 747-755
15. Copper distribution in European topsoils: an assessment based on LUCAS soil survey / Ballabio C., Panagos P., Lugato E. [et al.] // Science of The Total Environment. 2018. V. 636. P. 282-298.
16. Speciation and solubility of Cu, Ni and Pb in contaminated soils /Tye A.M., Young S., Crout N.M.J. [et al.] //Eur J Soil Sci. 2004. V. 55. P. 579-590.
17. Yruela I. Copper in plants // Braz J Plant Physiol. 2005. V. 17. P. 145-156.
18. Lidon F.C., Henriques F.S. Subcellular localisation of copper and partial isolation of copper proteins in roots from rice plants exposed to excess copper // Aust J Plant Physiol. 1994. V. 21. P. 427-436.
19. Ecotoxicological and interactive effects of copper and chromium on physiochemical, ultrastructural, and molecular profiling in Brassica napus L. /Li L., Zhang K., Gill R.A. [et al.] // Bio Med Research International. 2018. V. 2018. Article ID 9248123, 17 pages.
20. Chen L.-M., Lin C.C., Kao C.H. Copper toxicity in rice seedlings: changes in antioxidative enzyme activities, H2O2 level and cell wall peroxidase activity in roots // Bot Bull Acad Sin. 2000. V.41. P. 99-103.
21. Effect of Cu2+ concentration on growth, antioxidant enzyme activity and malondialdehyde content in garlic (Allium sativum L.) /Meng Q., Zou M., Zou J. [et al.] //Acta Biol Cracov Bot. 2007. V. 49. P. 95-101.
22. Copper-caused oxidative stress triggers the activation of antioxidant enzymes via ZmMPK3 in maize leaves/ Liu J., Wang J., Lee S. [et al.] // PLOS ONE. 2018. V. 13. P. e0203612.
Иванищев Виктор Васильевич, д-р биол. наук, профессор, зав. кафедрой, avdey_VV@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого
COPPER BIOACCUMULATION, HOMEOSTASIS AND TOXICITY IN PLANTS
V.V. Ivanishchev
The review provides information on the intake of copper ions in plants. The role of a number of specific carriers for the penetration of metal ions through membrane structures is noted. It has been shown that the role of many carriers important for copper homeostasis remains not entirely clear. The leading role in supplying the necessary concentrations of copper ions belongs to reduced glutathione and metal chaperones. To prevent the induction of oxida-tive stress by the ions of this metal, the oxidation state of copper is maintained at +1. It is not clear why excess copper causes a decrease in photosynthesis in the presence of ion chelation mechanisms for penetration into a vacuole. Signs of manifestation of copper deficiency in the plant, as well as its toxic effect with increased entry into the plant, are noted. The accumulated results do not allow us to talk about the role of low molecular weight antioxidants in the protective reactions ofplants from copper excess.
Key words: copper ions, carriers, homeostasis, toxicity, deficiency.
Ivanishchev Viktor Vasilyevich, Doctor of Biology, Professor, Head of the Department, avdey_VV@mail. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University
