Научная статья на тему 'Изменение активности антиоксидантных ферментов у интродуцированных хвойных растений в условиях городской среды'

Изменение активности антиоксидантных ферментов у интродуцированных хвойных растений в условиях городской среды Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
765
172
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
хвойные растения / интродуценты / ферментативная активность / пероксидаза / каталаза / coniferous plants / introduced species / enzymatic activity / peroxidase / catalase

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Воскресенская Ольга Леонидовна, Сарбаева Елена Витальевна, Старикова Екатерина Александровна

В статье представлены результаты исследований антиоксидантной системы хвойных интродуцентов (Picea pungens Engelm., Thuja occidentalis L., Juniperus sabina L.), произрастающих в условиях городской среды. Выявлено, что среди изученных видов большей лабильностью показателей ферментативной активности обладает можжевельник казацкий, что позволяет считать его более чувствительным видом к загрязнению атмосферного воздуха г. Йошкар-Олы.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Воскресенская Ольга Леонидовна, Сарбаева Елена Витальевна, Старикова Екатерина Александровна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

CHANGES IN THE ACTIVITY OF ANTIOXIDANT ENZYMES IN INTRODUCED CONIFERS IN THE URBAN ENVIRONMENT

Some softwood exotic species Picea pungens Engelm., Thuja occidentalis L., Juniperus sabina L. growing in the city of Yoshkar-Ola were studied on the topic of the activity of enzymes that perform an antioxidant function. The studies were conducted in different functional zones of the city. Samples of needles of the second year of life were selected from middle-aged generative plants on the South side of the crown. Determination of catalase activity (CF. 1.11.1.6) was performed by the titre metric method. Peroxidase activity (CF. 1.11.1.7) was determined by the method of A. N. Boyarkina (1951). Experimental data was processed statistically using the software «STATISTICA 6.0». It is revealed that in different levels of pollution research the activity of antioxidant enzymes varied significantly, while in the contaminated zone of the city peroxidase activity in the needles was maximum in all studied species and reached 8,75 ± 0,179 AD6mg1s1. Catalase activity in the needles of the plants of the industrial area were considerably reduced compared with plants of recreational and residential zones: J. sabina by 2,7 times, P pungens and T. Occidentalis by 1,5-1,7 times, falling to 1-1,4 ml02-g-1min-1. Bions of J. sabina showed maximum peroxidase activation and inactivation of catalase among the studied species, which allows to conclude about the higher sensitivity of this introduced species to atmospheric pollutants.

Текст научной работы на тему «Изменение активности антиоксидантных ферментов у интродуцированных хвойных растений в условиях городской среды»

11. Патент №138959 Российская Федерация, МПК А23 N 17/00. Смеситель / Е.С. Зыкин, А.В. Дозоров, С.В. Дежаткина, А.З. Мухитов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина». - №2013159047/13; заявл. 30.12.2013; опубл. 27.03.2014, Бюл. № 9. - 2 с.: ил.

12. Дежаткина, С.В. Показатели белкового обмена в сыворотке крови свиноматок при добавлении в их рацион соевой окары и природных цеолитов / С.В. Дежаткина, А.В. Дозоров, Н.А. Любин и др. //Свиноводство. - 2013. - № 7. - С. 26-28.

УДК 581:502

DOI 10.18286/1816-4501-2015-2-56-59

ИЗМЕНЕНИЕ АКТИВНОСТИ АНТИОКСИДАНТНЫХ ФЕРМЕНТОВ У ИНТРОДУЦИРОВАННЫХ ХВОЙНЫХ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ

Воскресенская Ольга леонидовна, доктор биологических наук, профессор, директор Института медицины и естественных наук

Сарбаева Елена Витальевна, кандидат биологических наук, доцент кафедры «Экология» Старикова Екатерина Александровна, биолог кафедры «Экология»

ФГБОУ ВПО «Марийский государственный университет»

424002, Россия, г. Йошкар-Ола, ул. Осипенко, 60; 8(8362)68-79-46; e-mail: voskres2006@rambler.ru

ключевые слова: хвойные растения, интродуценты, ферментативная активность, пероксидаза, каталаза.

В статье представлены результаты исследований антиоксидантной системы хвойных интродуцентов (Picea pungens Engelm., Thuja occidentalis L., Juniperus sabina L.), произрастающих в условиях городской среды. Выявлено, что среди изученных видов большей лабильностью показателей ферментативной активности обладает можжевельник казацкий, что позволяет считать его более чувствительным видом к загрязнению атмосферного воздуха г. Йошкар-Олы.

Введение

Растения в городской среде подвержены воздействию комплекса неблагоприятных факторов, среди которых запыленность и загазованность воздуха, шум, вибрация, электромагнитные излучения и специфический микроклимат. Способность приспосабливаться к данным условиям и сохранять при этом свой жизненный потенциал является одним из основных определяющих условий существования растений и зависит от возможности адаптироваться к разнообразным стрессовым факторам. В селитебной и промышленной зонах города наблюдает-

ся повышенное содержание поллютантов (преимущественно вследствие выбросов автотранспорта) [1, 2].

На растения в урбанизированной среде действуют токсичные соединения, содержащиеся в атмосфере, при этом в тканях развивается окислительный стресс, связанный с повышенной продукцией активных форм кислорода (АФК). Для предотвращения негативного влияния АФК у растений функционирует антиоксидантная система защиты, в которую входят как антиоксидантные ферменты, так и низкомолекулярные органические соединения. К основным ферментам,

участвующим в нейтрализации АФК, образующихся при стрессе, являются каталаза и пероксидаза.

Каталаза - фермент, широко распространенный в растительных тканях. Ее каталитическое действие обеспечивает в разложении перекиси водорода с выделением молекулярного кислорода. Аналогичные функции в живых тканях помимо каталазы выполняют и пероксидазы, однако они функционируют только при относительно низком уровне пероксида, в то время как каталаза способна эффективно работать при его высокой концентрации.

Пероксидаза - один из ключевых ферментов, контролирующих рост, дифференциацию и развитие растений. Данный фермент участвует в формировании клеточных стенок, дыхании растений, защите тканей от различного рода поражений. Пероксидаза определяет не только рост и развитие растений, но и их антиоксидантную противострессовую реакцию на внешние воздействия. Известно, что именно данный фермент в растении одним из первых активизируется в ответ на стресс, при этом каталаза зачастую подвержена ингибированию при загрязнении среды кислыми газами и тяжелыми металлами. Эти факторы и определяют возможность использования указанных ферментов для изучения устойчивости растений к окислительному стрессу [3].

Объекты и методы исследований

Объектами исследований служили хвойные интродуценты, широко распространенные в озеленении г. Йошкар-Олы - ель колючая (Picea pungens Engelm.), туя западная (Thuja occidentals L.) и можжевельник казацкий (Juniperus sabina L.). Целью работы являлось изучение активности антиоксидантных ферментов (пероксидазы и каталазы) в хвое ряда интродуцентов, используемых в озеленении г. Йошкар-Олы.

В качестве районов исследования были выбраны следующие зоны города Йошкар-Олы, отличающиеся по степени загрязнения атмосферы: парковая зона (ЦПКиО им. ХХХ-летия ВЛКСМ), селитебная зона (ул. Маши-

ностроителей) и промышленная зона (ул. Строителей).

Образцы хвои второго года жизни отбирали со средневозрастных генеративных растений с южной стороны кроны. Определение активности каталазы (КФ. 1.11.1.6) проводили титрометрическим методом. Активность пероксидазы (КФ. 1.11.1.7) определяли методом А.Н. Бояркина (1951) [4]. Экспериментальные данные были обработаны статистически с помощью программы «STA-TISTICA 6.0».

Результаты исследований

Вследствие того, что у растений из компонентов антиоксидантной системы защиты каталаза и пероксидаза являются одними из наиболее чувствительных ферментов при воздействии на растения неблагоприятных факторов среды [3], нами была изучена их активность в хвое некоторых хвойных ин-тродуцентов, произрастающих в различных районах г. Йошкар-Олы.

К важнейшим функциям пероксида-зы относят защиту организма от вредного действия перекисей, которые образуются в условиях загрязнения окружающей среды кислыми газами. Их образование и накопление обуславливает субстратную активацию пероксидазы, которая при каталитическом действии может использовать органические перекиси в качестве источника активного кислорода [5].

Пероксидаза довольно чувствительна к комплексу загрязняющих атмосферу веществ, и возрастание ее активности может свидетельствовать о проявлении защитных реакций тканей в неблагоприятных условиях. Активность пероксидазы является удобным индикатором для выявления газодымового стресса [6].

В ходе экспериментальных исследований было установлено, что наименьшая активность пероксидазы характерна хвое интродуцентов, произрастающих в парковой зоне (рис. 1). Минимальная активность фермента выявлена в хвое особей вида J. sabina - 1,24 ± 0,06 ДДб70г-1с-1, в хвое P. pungens она была в 4,7 раза больше, а в хвое

□ J sabina Q T. occidentalis ■ P. pungens

1 2 3

Рис. 1 - Изменение активности пероксидазы в хвое некоторых хвойных интродуцентов

1 - ЦПКиО им. ХХХ-летия ВЛКСМ; 2 - ул. Машиностроителей; 3 - ул. Строителей

Рис. 2 - Изменение активности каталазы в хвое некоторых хвойных интродуцентов

1 - ЦПКиО им. ХХХ-летия ВЛКСМ; 2 - ул. Машиностроителей; 3 - ул. Строителей

T. occidentalis достигала 6,8 Д670г-1с-1. В хвое всех исследованных видов, произрастающих в селитебной зоне города активность пероксидазы увеличилась по сравнению с предыдущим районом исследования на 27 - 64 %. В загрязненной зоне города активность данного фермента в хвое была максимальной у всех изученных видов и достигала 8,75 ± 0,179 ДД670г-1с-1. При этом у P. pungens и T. occidentalis во всех районах исследования пероксидазная активность была

максимальной.

Двухфакторный дисперсионный анализ показал, что взаимодействие факторов (первый фактор - вид, второй фактор - район исследования) высоко значимо (F=7,36; p<10-4).

Известно, что каталаза проявляет умеренную пе-роксидазную активность, то есть катализирует реакции окисления различных доноров электронов перекисью водорода [3], однако ее активность существенно возрастает в зависимости от качества окружающей среды.

В ходе наших исследований в хвое изученных видов, произрастающих в ЦПКиО им. ХХХ-летия ВЛКСМ, уровень активности каталазы был наибольшим: у J. sabina - 3,94 ± 0,192 млО2т-1^мин-1, у P. pungens -1,72 ± 0,098г-1-мин-1, у T. occidentalis - 1,98 ± 0,174 млО2т-имин-1). Активность данного фермента у растений, произрастающих в селитебной зоне города, снижалась в

I, 2-1,5 раз (рис. 2).

В хвое растений промышленной зоны города активность каталазы существенно снижалась у особей

J. sabina - в 2,7 раза. У особей P. pungens и T. occidentalis инактивация данного фермента снижалась в 1,5-1,7 раза. Проведенный двухфакторный дисперсионный анализ показал, что взаимодействие факторов (первый фактор - вид, второй фактор - район исследования) высоко значимо (F=32,77; p<10-4).

Статистическая обработка данных с помощью корреляционного анализа позволила выявить наличие зависимости между

□ J. sabina И T. occidentalis ■ P. pungens

такими параметрами, как активность пе-роксидазы и активность каталазы в хвое исследуемых видов, произрастающих в различных районах исследования (rs=0,88-0,95;

p<10-4).

Известно, что с повышением активности пероксидазы ее оксидазные свойства значительно усиливаются, при этом вследствие действия кислотогенных загрязнителей может преобладать функционирование пероксидазы в качестве терминальной оксидазы. Именно в кислой среде происходит ингибирование активности каталазы, а адаптивная перестройка окислительного аппарата в сторону активации пероксидазы препятствует нарушению дыхательного процесса, что позволяет растениям поддерживать уровень окислительно-восстановительных процессов на относительно стабильном уровне.

Выводы

Таким образом, при увеличении антропогенного загрязнения среды происходило существенное увеличение активности пероксидазы; именно в промышленной зоне города наблюдалось значительное подавление каталазной активности. Это может свидетельствовать о функционировании компенсаторного механизма активации пе-роксидазы, способствующего разрушению перекиси водорода в условиях повышенного антропогенного загрязнения. Максимальная активация пероксидазы и инактивация каталазы в условиях г. Йошкар-Олы наблюдалась в хвое J. sabina, что позволяет заключить о более высокой чувствительности данного интродуцированного вида атмосферным загрязнителям.

Библиографический список

1. Экологическая оценка городской среды: учебное пособие / Е.А. Алябышева, Е.В. Сарбаева, О.Л. Воскресенская, В.С. Воскресенский. - Йошкар-Ола, 2013. - 96 с.

2. Старикова, Е.А. Изменение проницаемости клеточных мембран ели колючей (Picea pungens Engelm.) в условиях г. Йошкар-Олы / Е.А. Старикова, Е.В. Сарбаева // Принципы и способы сохранения биоразнообразия. Материалы докладов V Международной научной конференции (в 2 частях).

- Йошкар-Ола: Map. гос. ун-т, 2013. - Часть

2. - С. 55-58.

3. Воскресенская, О.Л. Большой практикум по биоэкологии: учебное пособие. Часть 1 / О.Л. Воскресенская, Е.А. Алябышева, М.Г. Половникова. - Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т; 2006. - 107 с.

4. Воскресенская, О.Л. Эколого-физиологические адаптации туи западной (Thuja occidentals L.) в городских условиях: монография / О.Л. Воскресенская, Е.В. Сарбаева.

- Йошкар-Ола: МарГУ, 2006. - 130 с.

5. Неверова, О.А. Использование активности пероксидазы для оценки физиологического состояния древесных растений и качества атмосферного воздуха г. Кемерова / О.А. Неверова // Сибирский ботанический журнал. - 2001. - № 2. - С. 122-128.

6. Симонова, З.А. Активность пероксидазы Betula pendula как индикатор качества городской среды (на примере г. Саратова) /

3. А. Симонова, Д.А. Чемаркин // Фундаментальные исследования. Биологические науки. - 2013. - № 8. - С. 1097-1101.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.