CC BY
29
УДК 58
Экологический аспект онтогенетической адаптации растений
по изменению активности магний-зависимой АТФ-азы
О.Л. Воскресенская, Е.А. Алябышева
Марийский государственный университет, Йошкар-Ола
В природных и антропогенно нарушенных экосистемах в онтогенезе у растений разных биоморф (Calendula officinalis L., Valeriana officinalis L., Plantgo major L., Polemonium caeru-leum L.) определяли активность АТФ-азы и содержание макроэргического фосфора. В течение суток кривая изменения активности АТФ-азы в семенах растений имела вид одновершинной кривой с максимумом через 24 часа после набухания. Наибольшая активность была отмечена у C. officinalis. У проростков отмечалось снижение активности фермента. В процессе дальнейшего роста растений активность АТФ-азы возрастала, при этом максимальные значения активности фермента были отмечены в листьях у im-особей V. officinalis, C. officinalis и P. caereleum, j- и gi-особей P. major. В прегенеративном и генеративном периодах онтогенеза исследуемых растений уровень активности фермента в подземных органах был на 20-30% ниже, чем в листьях. Выявлены индивидуальные адаптационные механизмы поддержания внутреннего гомеостаза растений.
В условиях загрязнения атмосферного воздуха наблюдалось изменение энергетического баланса растений: активность АТФ-азы возрастала в 2,2-3,4 раза, содержание макроэргического фосфора - почти на 30% по сравнению с контролем.
Таким образом, в работе раскрыты механизмы онтогенетической устойчивости растений к комплексу антропогенных факторов.
In ontogenesis of plants of different biomorphs (Calendula officinalis L., Valeriana officinalis L., Plantgo major L., Polemonium caeruleum L.) АТР-asa and the maintenance of macroenergy phosphorus were defined in natural and anthropogenic broken ecosystems.
Within a day the curve of change in activity of АТР-asa in seeds of plants looked like one-topmost curve with a maximum in 24 hours after swelling. The greatest activity has been marked at C. officinalis. In sprouts, a decrease in activity of enzyme was marked. During the further growth of plants the activity of АТР-asaslco grew, thus the maximal values of enzyme activity have been marked in leaves at im-individuals of V. officinalis, C. officinalis and P. caereleum, j-and gl-individuals of P. major. In pregenerative and generative periods of researched plants' ontogenesis the level of enzyme activity in underground bodies was 20-30 % lower than in leaves. Individually adaptable mechanisms in maintenance of internal homeostasis of plants were revealed.
In condition of atmospheric air pollution the change in plants power balance was observed: activity of АТР-asa grew by 2,2-3,4 times, the maintenance of macroenergy phosphorus almost by 30% in comparison with the controlling ones.
Thus, mechanisms of plants ontogenesis stability towards a complex of anthropogenous factors are presented in the paper.
В последнее время в связи увеличением антропогенного загрязнения окружающей среды, важное значение приобретает изучение комплексного воздействия природных и антропогенных факторов на растительные организмы. В условиях городской среды защитные адаптационные механизмы растений обеспечивают не просто выживание организма, а направлены на реализацию онтогенетической программы при длительном воздействии загрязняющего фактора. Рассматривая онтогенетические состояния как узловые моменты развития растений, отличающиеся особенностями морфогенеза, определенными соотношениями новообразования и отмирания, в настоящее время выявляется также специфика физиолого-биохимических процессов у особей разных биоморф.
В связи с этим на кафедре экологии Марийского госуниверситета проводятся многолетние исследования по выявлению динамики морфофизиологических признаков онтогенетических состояний растений и изучению механизмов адаптации растений при различных условиях произрастания. При этом учитываются различные экологические факторы среды: биотические (Жукова, Воскресенская, Грошева, 1996; Грошева и др. 1998 и др.), абиотические и антропогенные - загрязнение атмосферы, почвы, воды и др. (Алябышева, Воскресенская, 1998; Воскресенская и др., 2004; Воскресенская, 2006; Воскресенская, Сар-баева, 2006 и др.).
Известно, что эволюционные механизмы адаптации растений проявляются на морфологическом
108
Естественные науки
и анатомическом уровнях. До тех пор пока повреждающее действие фактора незначительно, растение не испытывает состояния стресса. В условиях стресса срабатывают физиологические защитные механизмы, регуляция которых осуществляется на организменном уровне. Использование физиологических подходов при изучении онтогенеза обусловлено тем, что именно эффективность энергетических и метаболических процессов определяет конкурентноспособность вида, темп его развития и, в конечном счете, структуру популяции.
Биологические, внутрипопуляционные и антропогенные факторы оказывают влияние на энергетический баланс растений. Процесс преобразования и запасания энергии при фотосинтезе и дыхании представляет мощный фактор регулирования основных звеньев метаболизма и адаптационных возможностей растений. В свою очередь, энергетические запросы растения регулируют скорость синтеза АТФ и общий энергетический баланс адениннуклеотидов. АТФ-азный ферментный комплекс растений является наиболее чувствительной системой, реагирующей даже на малейшие изменения внешней и внутренней среды (Гродзинский, 1973; Таирбеков, 1973; Мокро-носов, 1992). Однако исследований, касающихся особенностей энергетического обмена в ходе онтогенеза растений, в настоящее время еще явно недостаточно.
Целью работы явилось выявление видоспеци-фичности и особенностей адаптациогенеза растений в природных и антропогенных экосистемах.
В ходе работы исследования физиолого-адапта-ционного процесса у растений в онтогенезе, экологическая толерантность по отношению к экологическим и антропогенным факторам, выделение морфо-физиологических признаков маркеров уровня загрязнения среды базировались на концепции дискретного описания онтогенеза (Работнов, 1950; Уранов, 1975; Ценопо-пуляции растений, 1988; Смирнова, 1987; Жукова, 1995).
В качестве объектов исследования были взяты травянистые растения, произрастающее в различных экологических условиях: стержнекорневой однолетник - календула лекарственная (Calendula officinalis L.), короткокорневищные кистекорневые многолетники: валериана лекарственная (Valeriana officinalis L.), подорожник большой (Plantgo major L.), синюха голубая (Polemonium caeruleum L.).
В работе использовались растения, находящиеся в трех онтогенетических периодах: латентном - семена (se); прегенеративном - проростки (p), ювенильные (j), имматурные (im), виргинильные (v) особи; генеративном - молодые (gi) и средневозрастные (g2) генеративные особи, произрастающие в районах г. Йошкар-Олы, характеризующихся различной степенью антропогенного загрязнения: условно чистое местообитание - АБС МарГУ; загрязненные местообитания - ОАО «Марбиофарм» (превышение ПДК по хлористому водороду и ацетону), ОАО «Стройкерамика» (превышение ПДК по диоксиду азота и пыли).
Определение Mg2+-зависимой АТФ-азы проводили фотометрическим методом, путем определения количества неорганического фосфора, образующегося при гидролизе АТФ при длине волны 670 нм. Активность АТФ-азы выражали в мкг фосфора неорганического на грамм сырой массы в час (мкг Рнг-1 ч-1). Определение макроэргического фосфора проводили фотометрическим методом с железо-молибденовым реактивом при длине волны 660 нм. Содержание мак-роэргического фосфора выражали в мг на 100 грамм сырой навески (мг/100 г) (Гавриленко, Ладыгина, Хан-добина, 1975). Данные обработаны статистически, в работе принят уровень значимости (P < 0,05).
Одной из важнейших задач эколого-физиоло-гических исследований является разработка представлений о взаимодействии растений со средой обитания в процессе онтогенеза. Для реализации всех этапов онтогенеза растений важным становится наличие полноценных, богатых энергозапасающими веществами семян. Несмотря на то, что в латентный период онтогенеза растений интенсивность метаболических процессов низкая, в то же время нельзя недооценивать того факта, что в семенах и плодах аккумулировано довольно большое количество фосфопротеинов. Во время прорастания семян их дыхание возрастает, а следовательно, усиливается и генерирование энергии. Известно, что накопление АТФ в семенах происходит в течение первых часов набухания, образующейся в процессе дефосфолиривания фосфопро-теинов. Дефосфорилирование осуществляется АТФ-азами, изменение активности ферментного комплекса может служить одним из показателей скорости синтеза и уровня адениннуклеотидов (Oberdorf, 1974).
В ходе работы было обнаружено, что через 4 часа после замачивания семян (se) исследуемых растений начинает функционировать АТФ-азный комплекс. Причем, семена календулы лекарственной и подорожника большого характеризовались небольшой АТФ-азной активностью (0,07-0,08 мкг Рнг-1ч-1), в семенах же валерианы лекарственной и синюхи голубой активность фермента была в 4-5 раза выше. В дальнейшем активность фермента энергетического обмена возрастала и достигала максимального значения через 24 часа после набухания семян, при этом в семенах синюхи голубой АТФ-азная активность увеличивалась в 1,8, подорожника большого - в 2, календулы лекарственной - в 4 раза по сравнению с 4-часовым замачиванием семян (рис. 1).
Переход особей в прегенеративный период онтогенеза сопровождался снижением активности фермента. Так, у проростков исследуемых растений наблюдалась невысокая АТФ-азная активность (0,240,39 мкг Рн г-1 ч-1) (рис. 2). В процессе дальнейшего роста растений ферментативная активность возрастала, при этом максимальные значения активности фермента были отмечены в листьях у im-особей V. officinalis, C. officinalis и P. caereleum.
IEEP1
чл\
у
24
IP. caereleum D V. officinalis DP. major DC. officinalis
Рис. 1. Изменение активности Mg -зависимой АТФ-азы в процессе набухания семян
1,4
1,2
1
"-ч 0,8
н 0,6
0,4
0,2
0
Л
е >-
1
Р
J
im
онт огенет и ческое
gl
DP. caereleum OV. officinalis DC. officinalis Рис. 2. Изменение активности АТФ-азы в листьях растений
Ранее (Мокроносов, 1981) было показано, что синтез АТФ и белков имел максимальное значение в молодых листьях. Возможно, это связано с активным митохондриальным дыханием.
Как показали результаты нашей работы (рис. 2), при переходе растений в виргинильное онтогенетическое состояние в листьях активность АТФ-азы снижалась. Особенно четко эта закономерность наблюдалась у календулы лекарственной и валерианы лекарственной. В целом, в течение генеративного периода онтогенеза активность фермента в листьях растений была ниже, чем в генеративный период.
На всем протяжении онтогенеза исследуемых растений уровень активности фермента в подземных органах был на 20-30% ниже, чем в листьях (рис. 3). Возможно, это связано с суммарном действием Mg2+-зависимой АТФ-азы митохондрий и светиндуцируе-мой Mg2+-зависимой АТФ-азы хлоропластов (Гаври-ленко и др., 1975).
Изменение активности АТФ-азы в онтогенезе исследуемых растений носит специфический характер, что, по-видимому, связано с индивидуальными механизмами поддержания внутреннего гомеостаза растений. Нами было обнаружено, что по уменьшению абсолютных значений активности АТФ-азы растения
располагались в следующей порядке: Polemonium caeruleum^Valeriana officinalis^-Calendula officinalis.
Изучение повреждающего действия загрязняющих веществ на растения и особенностей метаболизма устойчивых особей является одной из важных проблем экологии. Известно, что особенно чутко на атмосферные загрязнения реагирует энергетическая система растений.
Как показали результаты нашей работы (рис. 4), у особей подорожника большого, произрастающих в условно чистом местообитании (АБС), динамика АТФ-азной активности в онтогенезе имела вид двухвершинной кривой с максимумом в j- и g1-онтогенетических состояниях. Это, по-видимому, связано с увеличением содержания фосфорорганических соединений и интенсивностью энергетического обмена (Жолкевича, 1968).
Нами было показано, что в условиях повышенного уровня загрязнения атмосферного воздуха (ОАО «Мар-биофарм», ОАО «Стройкерамика) ферментативная активность подорожника большого возрастала в 2,2-3,4 раза по сравнению с контрольным местообитанием (рис. 4). Известно (Мокроносов, 1992), что на активность каталитического центра CF1-АТФ-азы оказывают влияние анионы слабых кислот, стимулирующие его активность.
4
v
110
Естественные науки
1,2-
1- /
0,8- /
0,6- /
0,4- /
0,2-0^ /
Г
Её
j
в
g1
онтогенетическое состояние
DP. caereleum О V. officinalis DC. officinalis
Рис. 3. Изменение активности АТФ-азы в подземных органах растений
12 10 8
6 4 2 0
И
Л
im
g1 g2
онтогенетическое состояние
О 1
12
□ 3
Рис. 4. Влияние загрязнения атмосферного воздуха на активность Mg +-зависимой АТФ-азы у подорожника большого:
1 - условно чистое местообитание (АБС);
2 - загрязненное местообитание (ОАО «Марбифарм»);
3 - загрязненное местообитание (ОАО «Стройкерамика»)
v
v
g1 g2
онтогенетическое состояние
□ 1
□ 3
Рис. 5. Содержание макроэргического фосфора в онтогенезе подорожника большого:
1 - условно чистое местообитание (АБС);
2 - загрязненное местообитания (ОАО «Марбифарм»);
3 - загрязненное местообитание (ОАО «Стройкерамика»)
v
2
Центральная роль в процессах энергообмена принадлежит адениловой системе; АТФ и АДФ, содержащие макроэргические связи, выполняют основную функцию переноса химической энергии в клетке. Известно, что содержание макроэргического фосфора изменяется в процессе роста и развития растений. В связи с этим представляло интерес изучение динамики изменения содержания АТФ и АДФ в онтогенезе растений подорожника большого, произрастающих в экологически разных района города.
Как показали результаты нашей работы (рис. 5), у особей подорожника большого, произрастающих в условно чистом местообитании (АБС), динамика содержания макроэргического фосфора в листьях исследуемого растения в онтогенезе имела вид двухвершинной кривой с максимумом в j- и g1-онтогенетических состояниях. В процессе дальнейшего роста (g2) содержание АТФ и АДФ в листьях снижалось, что, по-видимому, связано с возникновением новых репродуктивных органов, плодов и семян.
Анализируя динамику изменения содержания мак-роэргического фосфора в онтогенезе P. major, произрастающего вблизи промышленных предприятий, нами было обнаружено, что содержание АТФ и АДФ в онтогенезе особей варьировало. Максимальное содержание макроэргического фосфора отмечено у j- особей; в дальнейшем наблюдалось снижение названного параметра как в прегенеративный, так и генеративный периоды онтогенеза. При этом было обнаружено, что в условиях загрязнения атмосферного воздуха концентрация АТФ и АДФ возрастала в 1,1-1,3 раза по сравнению с контролем.
Таким образом, среди исследованных процессов фундаментальное значение имеют механизмы, обеспечивающее энергетические и пластические потребности роста, развития и функционирования растений как саморегулируемой, сбалансированной и способной к адаптации системы. В результате проведенной работы можно заключить, что в процессе онтогенеза травянистых растений в оптимальных экологических условиях происходит максимальная сбалансированность энергетических процессов и формирование адаптационного потенциала вида. Данные сравнительного анализа эколого-физиологических параметров растений разных биморф свидетельствуют о видоспецифичной динамике активности АТФ-азы в онтогенезе, связанной с индивидуальными адаптационными механизмами поддержания внутреннего гомеостаза растений.
Изменение доли вклада в общий дыхательный метаболизм различных ферментативных систем имеет большое адаптационное значение в процессе роста и развития растений при неблагоприятных условиях произрастания. В условиях загрязнения атмосферного воздуха наблюдается диспропорция энергетического баланса растений, о чем свидетельствует нестабильный уровень активности АТФ-азы и содержания мак-роэргического фосфора в растительных тканях особей, находящихся на разных этапах онтогенеза. Более
чувствительными даже к незначительным изменениям условий произрастания являются j- и im-особи, у которых интенсивность энергетических процессов выше, чем у v- и g-растений.
Таким образом, результаты работы вносят определенный вклад в расшифровку механизмов онтогенетической устойчивости растений к комплексу антропогенных факторов, а также позволют прогнозировать последствия такого воздействия.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 07-04-96619 «Эколого-физиологические адаптации растений в условиях городской среды» и НИР по тематическому плану Федерального агентства по образованию «Исследования структурно-функциональных особенностей биосистем в изменяющейся среде».
ЛИТЕРАТУРА
1. Алябышева ЕА, Воскресенская О.Л. Эколого-физиологические особенности популяций гигрофитов // Экология и генетика популяций. - Йошкар-Ола, 1998. - С. 173-174.
2. Воскресенская О.Л. Некоторые эколого-физиологические механизмы адаптаций в онтогенезе однолетних растений / Поливариантность развития организмов, популяций и сообществ. - Йошкар-Ола, 2006. - С. 77-86.
3. Воскресенская О.Л., СарбаеваЕ.В. Эколого-физиологические адаптации туи западной (Ткща occidentalis L.) в городских условиях: моногр. - Йошкар-Ола, 2006. - 130 с.
4. Воскресенская О.Л., Алябышева Е.А., Копылова Т.И., Сарбаева Е.В., Баранова А.Н. Экология города Йошкар-Олы. - Йошкар-Ола, 2004. - 200 с.
5. Гавриленко В.Ф., ЛадыгинаМ.Е., Хандобина Л.М. Большой практикум по физиологии растений. - М.: Высш. шк., 1975. - 502 с.
6. Гродзинский А.М., Гродзинский Д.М. Краткий справочник по физиологии растений. - Киев: Наукова Думка, 1973. - 246 с.
7. ГрошеваН.П., АлябышеваЕ.А., Воскресенская О.Л. Физиологические особенности онтогенеза Calendula officinalis L в попу-ляционных локусах разной плотности // Третьи Вавиловские чтения, Йошкар-Ола, 1998. - С. 179.
8. Жолкевич В.Н. Энергетика дыхания высших растений в условиях водного дефицита. - М.: Наука, 1968 - 230 с.
9. ЖуковаЛ.А., Воскресенская О.Л., ГрошеваН.П. Морфологические и физиологические особенности онтогенеза календулы лекарственной в посевах разной плотности // Экология. - 1996. Т. 2 -С. 104-110.
10. Жукова Л.А. Популяционная жизнь луговых растений. -Йошкар-Ола: РИИК «Ланар», 1995. - 224 с.
11. Мокроносов А.Т. Онтогенетический аспект фотосинтеза. -М.: Наука, 1981. - 196 с.
12. Мокроносов А.Т., Гавриленко В.Ф. Фотосинтез. Физиолого-экологические и биохимические аспекты. - М.: Изд-во МГУ, 1992. -320 с.
13. Онтогенетический атлас лекарственных растений / Мар. гос. ун-т. - 1997. - С. 69-138.
14. Работнов Т.А. Жизненный цикл многолетних травянистых растений в луговых ценозах // Тр. БИН АН СССР. Сер. 3. Геоботаника. - М.; Л, 1950. - Вып. 6. - С. 77-204.
15. Смирнова О.В. Структура травяного покрова широколиственных лесов. - М.: Наука, 1987. - 205 с.
16. Таирбеков М.П. Структурное и функциональные аспекты устойчивости растительной клетки // Успехи современной биологии. - 1973. - Т. 75. - С. 411-412.
17. Уранов А.А. Возрастный спектр фитоценопопуляций как функция времени и энергетических волновых процессов // Биол. науки, 1975. - № 2. - С. 7-33.
18. Ценопопуляции растений. - М.: Наука, 1988. - 184 с.
19. Oberdorf R.L., Marcus A. Ecology seeds // Plant physiol. -1974. - Vol. 53. - № 4. - P. 779-781.
