CC BY
48
А. В. Куровский
ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КАЛЬЦИЕФИЛЬНОСТИ
ТРАВЯНИСТЫХ РАСТЕНИЙ
Показаны высокие потребности в кальции и способность к его накоплению в больших количествах в ионной форме у видов, ранее не упоминавшихся в литературе в качестве растений-кальциефилов. Прежде всего это относится к виду Urtica dioica L. Обнаружены порядковые различия в содержании ионизированного кальция у дикорастущих растений, обитающих в одинаковых почвенных условиях. Показаны существенные различия в распределении ионов кальция по органам у растений разных групп. Установлено наличие разных (по крайней мере, двух) типов поглощения ионов кальция дикорастущими травянистыми растениями.
Ключевые слова: кальциевое питание растений; кинетика поглощения; кальциефильность.
Поглощение минеральных веществ из почвы занимает одно из центральных мест в системе взаимоотношений «растительный организм - среда обитания». Известно, что нормальный рост и развитие конкретного растения обеспечивается не только достаточным количеством микро- и макроэлементов минерального питания, но и их надлежащим соотношением [1]. На специфичности таких соотношений построена концепция «биомоля» как одной из возможных индивидуальных характеристик надвидовых таксонов [2]. Однако в изучении видовых особенностей минерального питания существует явный дисбаланс: потребности культурных растений изучены достаточно хорошо, дикорастущих -очень незначительно. Между тем, как указывает
В. Лархер, «...именно такого рода сведения (т.е. касающиеся дикорастущих видов - прим. автора) помогли бы лучше понять причины, определяющие характерный видовой состав того или иного сообщества».
Кальций, безусловно, относится к числу наиболее «противоречивых» элементов минерального питания растений. В ионизированной форме он проявляет высокую биологическую активность, обладая способностью в ничтожных концентрациях (порядка 10-610-7 М) оказывать воздействие на многие процессы, протекающие на мембранном, субклеточном, клеточном уровнях. Существующие на сегодняшний момент данные позволяют говорить об ионах кальция как об «универсальном триггере клеточных реакций» [3]. С другой стороны, как макроэлемент кальций характеризуется инертностью, малоподвижностью, низкой способностью к реутилизации [4].
В экологии растений принято традиционным деление растений по отношению к кальцию на кальциефи-лов и кальциефобов [5]. Иногда в эту классификацию добавляют среднюю группу нейтральных по отношению к кальцию растений [6]. К явным кальциефобам обычно относят виды, встречающиеся только на кислых, бедных известью почвах (например, торфяные мхи), кальциефилы, напротив, произрастают на богатых известью почвах с нейтральной или слабощелочной реакцией. Однако кроме специфики местообитаний у растений разных по отношению к кальцию групп, по мнению В. Лархера, существует еще один критерий дифференцирования этих групп - способность или неспособность к накоплению в тканях высоких количеств ионизированного кальция. Следует отметить, что наряду с отсутствием более или менее полной систематической картины, позволяющей отнести конкретные таксоны дикорастущих растений к тем или иным экологи-
ческим (по отношению к кальцию) группам, остается практически не изученным вопрос о специфике функций, выполняемых кальцием в процессах жизнедеятельности растений - представителей этих групп (прежде всего, это относится к растениям-кальциефилам). В этой связи представляется интересным и перспективным сочетание полевых исследований по изучению особенностей накопления и распределения кальция у растений разных экологических групп и лабораторных экспериментов, направленных на выяснение физиологических аспектов, связанных с этими особенностями.
Целью настоящей работы было изучение экологофизиологических особенностей кальциевого питания у разных видов дикорастущих травянистых растений.
Материалы и методы исследований
В полевых и лабораторных экспериментах исследования проводились на травянистых растениях, произрастающих на территории Сибирского ботанического сада г. Томска. Всего на содержание ионов кальция было исследовано 8 видов растений: Urtica dioica L. (крапива двудомная), Lamium album L. (яснотка), Aegopodium podagraria L. (сныть обыкновенная), Crepis sibirica L. (скерда сибирская), Leonurus cardiaca L. (пустырник сердечный), Sonchus arvensis L. (осот полевой), Conium maculatum L. (болиголов пятнистый), Matricaria recutita L. (ромашка ободранная).
Содержание ионов кальция измеряли в экстрактах растительной биомассы комплексонометрическим методом и с помощью кальций-селективных мембранных электродов [7]. Содержание калия - с помощью калийных мембранных электродов.
Экстракцию ионов кальция и калия осуществляли кипячением на водяной бане в течение 15 мин, при этом величины рН полученных экстрактов составляли не менее 5,5. Для дальнейшей экстракции и остывания до комнатной температуры пробы помещали на шейкер.
В основе всей лабораторной части работы лежал эксперимент, который мы обозначаем как «концентрационный опыт». Растения выращивались в фитокамере при постоянных освещенности, температуре, светопе-риоде в течение месяца. В течение эксперимента производили анализ концентрационных кривых скорости поглощения ионов кальция растениями. В качестве питательных сред использовали растворы, близкие по составу к раствору Кнопа [8]. Растворы соответствовали методическому принципу - «все неизменно, кроме одного»: изменяемым параметром была концентрация
ионов кальция. Результаты экспериментов обрабатывали с помощью методов описательных статистик, непараметрических критериев, регрессионного анализа [9].
Результаты и обсуждение
Данные о накоплении ионов кальция в органах травянистых растений, произрастающих в условиях одно-
го биотопа в одинаковых почвенных условиях, представлены в табл. 1. Для исследований был выбран участок площадью около 500 м2 с однородными условиями рельефа и освещенности, на котором совместно произрастали интересующие нас виды растений. Содержание ионов кальция в почвенных пробах, взятых из разных мест экспериментального участка, было примерно одинаковым - 5-7 мэкв/кг сухого веса.
Т а б л и ц а 1
Содержание Са2+ в разных органах у дикорастущих травянистых растений, произрастающих в одном биотопе
Растения Среднее содержание в растении Орган
Корень Стебель Черешок Листовая пластинка
Крапива 89,5±19 4,5±3,9 12,6±7 63,2±32 166±49
Скерда 72±10 2±1 55±18 70±33 94±21,7
Пустырник 8,6±2,3 2,5±2,2 2±1,8 50±14,5 2±1,8
Осот 6,8±5 2,5±2,5 6±2,2 7,5±2,5 6,5±6
Яснотка 6,6±2,5 0,63±0,9 6,15±6 13±10,4 1±1,4
Ромашка 5,3±1,5 2±1,7 3±2,2 26,5±8,5 3,5±1
Болиголов 0,5±1,2 сл. сл. сл. 1±0,5
Сныть 0,1±0,1 1±0,5 сл. сл. сл.
Примечания. Сл. - следы; величины содержания Са2+ ниже предела чувствительности электрода ЭМ-Са-01. Содержание Са2+ приводится в мэкв/кг сырого веса. Среднее арифметическое, стандартная ошибка среднего.
По величине среднего содержания в биомассе Са2+ все исследованные растения можно расположить в ряд, характеризуемый более или менее однородной тенденцией к увеличению. Тем не менее можно выделить виды с явно низким (0,1-0,5 мэкв/кг сырого веса у сныти и болиголова) и явно высоким (до 110 мэкв/кг у скерды и крапивы) содержанием Са2+. Значения среднего содержания Са2+ у остальных видов лежат в пределах 510 мэкв/кг (см. табл. 2). Это хорошо согласуется с литературными данными и данными наших собственных исследований о наличии разных групп растений по отношению к кальцию. Существенной особенностью в данном случае можно считать тот факт, что все исследованные нами виды произрастали в одинаковых поч-
венных условиях. Наибольшее варьирование по содержанию Са2+ отмечалось в тканях листовых пластинок, наименьшее - в корнях. Величины накопления ионов кальция крапивой и скердой (в пересчете на сухой вес) были соизмеримы с величинами содержания общего кальция у многих культурных растений.
При изучении накопления Са2+ в сырой биомассе растений одного биотопа для более четкого разделения на эколого-физиологические группы нами был выбран такой показатель, как отношение концентраций ионов калия и кальция в экстрактах тканей разных органов. На рис. 1 показано изменение отношения Са2+ / К+ в направлении корень - стебель - листовая пластинка для трех видов растений.
Рис. 1. Соотношения Са2+ / К+ в разных органах у трех видов растений
Мы исходили из известных данных о том, что у рас-тений-кальциефилов кальция в золе содержится значительно больше, чем калия, а у растений-кальцефобов наблюдается противоположная картина [1]. Особенностью наших исследований можно считать то, что анализировалось соотношение не общих количеств указанных элементов, а их водорастворимых форм. Видно, что в тканях корней исследованных растений различия по этому показателю минимальны (если не отсутствуют вообще), в тканях листовых пластинок - максимальны. Как и ожидалось, катионный баланс в экстрактах листьев крапивы смещен в сторону преобладания ионов кальция, отношение Са2+ / К+ - >1. У пустырника и осота полевого, напротив, калия в листьях накапливается гораздо больше чем кальция. Интересно, что соотношения калий/кальций в листьях осота и пустырника отличаются на порядок, в то время как достоверные различия в листовом содержании ионов кальция у этих видов отсутствуют. В ряде случаев, возможно, именно анализ соотношения кальций/калий может служить показателем истинных потребностей конкретного вида растений в ионизированной форме кальция.
На этапе лабораторных экспериментов по изучению поглощения ионов кальция растениями разных (по отношению к кальцию) экологических групп мы использовали не только дикорастущие виды, но и такой модельный объект как томат ^усорепчсит Esculentum).
Одним из общепринятых в настоящий момент способов изучения механизмов поглощения растениями того или иного вещества является анализ кинетических кривых зависимости скорости поглощения вещества от его концентрации в питательном растворе. Такой анализ основан на возможности применения математического аппарата ферментативной кинетики к изучению процессов мембранного транспорта у растений [10]. Так как в данном случае временно образующийся комплекс «переносчик-ион» считается аналогичным комплексу «фермент-субстрат», то скорость перемещения иона через мембрану связана с максимальной скоростью (Утах) и константой Михаэлиса (Кт) следующим соотношением:
К = .
кm + С
Низкая величина Кт означает высокое сродство между ионом и переносчиком и наоборот.
Вышесказанное справедливо для описания моделей облегченной диффузии или активного транспорта, однако не следует забывать о наличии еще одного механизма поглощения ионов растительной клеткой - простой диффузии через водные поры в мембране. Этот процесс характеризуется кинетикой без насыщения и описывается уравнением диффузии Фика.
На рис. 2 представлены кинетические кривые концентрационной зависимости скорости поглощения ионов кальция корнями крапивы, пустырника и томата.
* 6 # _
1 \ Пустырник 5
4 #
Г \ * 3
—~ _ 2 / * Томат
у * 1
0
0 5 10 15 20 25 50 55 0 5 10 15 20 25 30 -35
0 5 10 15 20 25 30 35
Рис. 2. Зависимость скорости поглощения кальция травянистыми растениями от его концентрации в питательном растворе.
По оси У - поглощение кальция растениями мэкв/г сырого веса; по оси У - концентрация кальция в питательном растворе, мэкв/л
Из рис. 2 видно, что для всех трех видов растений эта зависимость имеет смешанный характер и в чистом виде не может быть описана одним лишь уравнением Михаэлиса-Ментен или одним уравнением диффузии. Форма кривых у томата и пустырника наиболее вероятно указывает на наличие обоих вышеуказанных механизмов поглощения ионов кальция - облегченной и
простой диффузии. У крапивы компонент простой диффузии визуально выделить практически не удалось.
В целом форма концентрационных кривых скорости поглощения ионов кальция у всех трех исследованных видов растений позволила предположить наличие специфических транспортных систем, функционирующих в определенном диапазоне концентраций экзогенного
кальция. В этом диапазоне для всех растений наблюдался выраженный 8-образный характер сначала увеличения, а потом уменьшения скорости поглощения кальция корнями. Это позволило предположить что, во-первых, кальций-транспортирующие системы этого типа ингибируются избытком субстрата (т.е. ионов кальция), и во-вторых - как активация, так и ингибирование при этом носят кооперативный характер. Исходя из этого, в качестве рабочей модели для формального описания кинетики поглощения ионов кальция для всех трех исследованных видов было выбрано уравнение вида [11]:
V =---------^ах х £-----------+ ББ
(к + к2 X Г (1 + Г / к" )) ,
где V - скорость поглощения кальция корнями растения, мкэкв-г-1 -ч-1; Vmaх - максимальная скорость поглощения, £ - концентрация ионов кальция в питательном растворе, мэкв/л; п - число, взаимодействующих друг с другом мест связывания иона и переносчика; к1 - коэффициент, соответствующий Кт в уравнении Михаэлиса-Ментен; к2 - кинетический коэффициент, отражающий степень взаимодействия между субъединицами; к - константа ингибирования; ББ - диффузионный член.
Методами нелинейного регрессионного анализа были получены оценки параметров данной модели для каждого растения (табл. 2) и рассчитаны соответствующие им теоретические зависимости, представленные на рис. 2 в виде сплошных линий. Коэффициент детерминации между этими теоретическими зависимостями и экспериментальными данными во всех случаях равнялся 0,97-0,98, что указывает на высокую степень адекватности выбранных моделей.
Из таблицы видно, что у всех трех растений поглощение Са2+ осуществляется транспортными системами, имеющими как минимум два взаимодействующих между собой кальций-связывающих участка (субъединицы).
Т а б л и ц а 2 Константы кинетических уравнений поглощения ионов кальция корнями некоторых травянистых растений
Растение Vmax km k D n
Крапива 16,74 ±1,57 29±3,1 4,17±0,3 0,01±0,0007 2
Томат 0,82±0,09 15,53±1,4 0,5±0,02 0,17±0,009 2
Пустырник 7,0±0,73 464,88±57,5 2,3±0,3 0,44±0,052 4
Явление кооперативности в процессах трансмембранного транспорта кальция к настоящему времени описано как на животных, так и на растительных объектах. Это в равной степени может относиться как к функционированию кальциевых каналов разных типов [12], так и к функционированию кальциевых насосов [13]. В нашем случае, вероятнее всего, речь идет о разных количественных соотношениях (у разных растений) двух механизмов пассивного транспорта кальция - облегченной и простой диффузии. Последняя практически отсутствует в процессе поглощения ионов кальция корнями крапивы (Б = = 0,01), но достаточно выражена у пустырника и томата. Как видно из табл. 2, параметр Утаъ у крапивы примерно в 2,5 раза больше, чем у пустырника, и почти в 20 раз больше, чем у томата. О большей эффективности каль-ций-транспорти-рующих систем крапивы, на наш взгляд, также свидетельствует сравнение отношений величин суточного поглощения ионов кальция к величинам испаренной растениями воды. Для крапивы этот показатель варьировал в пределах 20-30 мкэкв Са2 /мл воды, для пустырника и томата - 5-7 мкэкв Са2/мл воды.
ЛИТЕРАТУРА
1. ЛархерЕ. Экология растений. М.: Мир, 1978. 384 с.
2. Новак В.А., Осмоловская Н.Г. Фитомониторинг в физиологии растений: организация, устройство и возможности // Физиология растений.
1997. Т. 44, № 1. С. 138-145.
3. Иванова А.Б., Полыгалова О.О., Гордон Л.Х. Ионы кальция в регуляции некоторых метаболических процессов растительной клетки // Цито-
логия. 1997. Т. 39, № 4-5. С. 352-360.
4. Morgan L. Calsium and plant disorders in hydroponics // Hidroponics and reenhouses. 1998. Vol. 38. P. 61-71.
5. КрасноборовИ.М. Высокогорная флора Западного Саяна. Новосибирск: Наука, 1976. 365с.
6. Каримова Ф.Г., Бунтукова Е.К., Клочкова Е.Е. Поглощение Ca2+ клетками растений // Цитология. 1991. Т. 33, № 11. С. 181-184.
7. Захарова Э.А., Килина З.Г. Электрохимические методы анализа. Томск: ТГУ, 1981. 133 с.
8. Гродзинский А.М., Гродзинский Д.М. Краткий справочник по физиологии растений. Киев: Наукова думка, 1973. 590 с.
9. Рокицкий П.Ф. Биологическая статистика. Минск: Вышейшая школа, 1973. 320 с.
10. Кларксон Д. Транспорт ионов и структура растительной клетки. М.: Мир, 1978. 368 с.
11. Варфоломеев С.Д., Гуревич К.Г. Биокинетика. М.: Фаир-пресс, 1999. 720 с.
12. Xiong H., Feng X., Gao L., Xu L., Pasek D.A., Seok J.H. andMeissinger G. Identification of a two EF-hand calcium binding domain in lobster skele-
tal muscle ryanodine receptor/calcium release channel // Biochemistry. 1998. № 37. P. 4804-4814.
13. Прокопьева В.Д., Болдырев А.А. Ca-насос саркоплазматического ретикулума и регуляция сократительного цикла // Кальций - регулятор метаболизма: Сб. ст. Томск, 1987. С. 59-73.
Статья представлена научной редакцией «Биология» 15 сентября 2009 г.
