Серия «Биология. Экология»
2008. Т. 1, № 2. С. 102-106 Онлайн-доступ к журналу: http://isu.ru/izvestia
И З В Е С Т И Я
Иркутского
государственного
университета
УДК 518.192:518.143.6
Особенности изменения микроэлементного состава растений арабидопсиса (Arabidopsis thaliana (L.) heynh.) и теллунгиеллы (Thellungiella salsuginea (Pallas) O.E. Schltz) при моделировании условий засоления
12 1 2 Г. А. Белоголова , В. Н. Шмаков , Г. В. Матяшенко , Ю. М. Константинов
1 Институт геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН, Иркутск 2Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, Иркутск E-mail: gabel@igc.irk.ru, yukon@sifibr.irk.ru
Аннотация. Исследованы особенности накопления микроэлементов в суспензионных культурах двух контрастных по солеустойчивости видов растений Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. и Thellungiella salsuginea (Pallas) O. E. Schltz при моделировании условий засоления. Интенсивное соленакопление в растительных клетках сопровождается дисбалансом эссенциальных элементов.
Ключевые слова: арабидопсис, теллунгиелла, микроэлементы, моделирование засоления.
В настоящее время активно проводятся исследования биологических механизмов солеустойчивости в различных видах растений в связи с естественным засолением почв и за счет мелиоративных мероприятий [3-8]. Тем не менее, механизм токсического воздействия в связи с закономерностями межэлементных взаимодействий при соленакоплении остается малоизученным.
Основная цель работы состояла в изучении закономерностей поглощения и накопления микроэлементов в клеточных культурах двух видов растений, отличающихся по своей соле-устойчивости, в модельных условиях засоления, создаваемых путем добавления различных концентраций NaCl.
Материалы и методы
Основными объектами исследований явились клеточные культуры двух видов растений: теллунгиеллы и арабидопсиса. Теллунгиелла солонцовая (Thellungiella salsuginea (Pallas) O. E. Schltz), недавно объединенная с Thellungiella halohpila (C. A. Mey.) O. E. Schltz), является однолетним или двулетним растением 10-30 см высотой, произрастающим на солончаках, в солонцовых степях и солонцеватых лугах. Близкородственный ей вид арабидопсис или резушка Таля (Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.) - однолетнее или двулетнее растение 10-40 см высотой. Произрастает в степях и степных лугах. Теллунгиелла из этих двух ви-
дов считается более устойчивым к различным видам абиотического стресса, в том числе к засолению [4; 7].
Ранее такого рода предварительное изучение было проведено нами на примере единичного эксперимента [2]. Приведенные исследования основаны на нескольких новых повторных экспериментах, полученных при моделировании различных условий засоления питательной среды, используемой для выращивания суспензионных культур растений.
Выращивание суспензионных культур двух видов растений проводили на модифицированной среде Мурашиге и Скуга [5] с добавлением тиамина - 1,0 мг/л, пиридоксина - 0,5 мг/л, никотиновой кислоты - 0,5 мг/л, 2,4 дихлорфе-ноксиуксусной кислоты - 0,3 мг/л, сахарозы -30 г/л, хлорида натрия - 0; 1,78 (30 тМ) или 5,85 (100 тМ) г/л.
Анализ массовой доли Мп, Бе, Са, М§, 2п, Си, РЬ в пробах осуществляли атомноабсорбционным методом. Измерения проведены на атомно-абсорбционных спектрометрах модели 403 и 503 фирмы Регкт-Б1тег (США). Ошибка определения не превышала 5-20 %.
Определение щелочных элементов К, Ка выполняли методом фотометрии на пламенном фотометре. Предел обнаружения для К, Ка -0,01 мг/кг, относительное стандартное отклонение 8Г = 1-10 %.
Определение фосфора и кремния выполнено методом спектрофотометрии. Предел обна-
ружения - 0,002 мг/кг, Sr=1-10 % (для фосфора), 0,005 мг/кг, Sr =5-20 % (для кремния).
Результаты и обсуждение
Результаты распределения химических элементов в суспензионных культурах араби-допсиса и теллунгиеллы, выращенных на основной среде культивирования (1), с добавлением 30 mM NaCl (2) и 100 mM NaCl (3) приведены в таблице. В растениях, выращенных на питательных средах с добавлением NaCl, происходят значительные изменения химического состава не только по Na, но и по другим элементам. Общая тенденция и динамика накопления химических элементов при
добавлении NaCl в целом сохранялась во всех экспериментах (табл.). Наиболее ярко эти закономерности видны на графиках, представленных на рисунке.
Важно отметить, что биомасса галофита теллунгиеллы нарастала в большем объеме (1,030,77 г, воздушно-сухой вес) даже при высокой концентрации NaCl (100 mM) в отличие от ара-бидопсиса, у которого вес уменьшался до 0,05-
0,02 г при той же концентрации NaCl. Суспензионная культура арабидопсиса в больших количествах накапливает тяжелые металлы, Si и меньше - биофильные элементы K, Ca, Mg.
Таблица
Содержание химических элементов в суспензионных культурах (сухой вес, мг/кг)
Вариант опыта Mn Zn Fe Ca Mg Cu Pb Na K P Si
Арабидопсис (эксперимент 1)
1 159,6 86,5 307,7 4173,1 663,5 4,8 4,4 132,7 3316,3 3711,5 178,9
2 44,4 36,7 92,2 877,8 361,1 3,1 1,8 651,1 12018,3 3644,4 170
3 85,0 107 400 2100 300 31 11 5450 5675 2900 500
Арабидопсис (эксперимент 2)
1 100 51,7 683 2166,7 533,3 13,3 26,7 616,7 7495,8 6216,7 316,7
2 51,5 57,5 218,2 1575,8 469,7 5,4 8,2 909,1 4837,9 7409,1 327,3
3 60 62 400 1200 280 16 24 1500 1590 3400 360
Арабидопсис (эксперимент 3)
1 103,2 83,9 235,5 2903,2 887,1 5,8 7,4 706,4 15311,3 9677,4 148,4
2 103,3 84 258 3333,3 1300 15 22 1533,3 6541,7 12416,7 700
3 71,4 85,7 278,6 1285,7 335,7 10,7 26,4 2292,8 4825 7857,1 321,4
Теллунгиелла (эксперимент 1)
1 64,1 39,7 70,5 1641,0 544,9 2,8 1,5 384 7316,0 2487,2 125,6
2 63,1 49,5 74,8 1330,1 626,2 2,1 0,9 910,7 18414,1 3592,2 145,6
3 41,6 37,7 58,4 571,4 448,0 2,5 2,5 1310,4 5053,9 3155,8 154,5
Теллунгиелла (эксперимент 2)
1 145,6 73,5 110,3 2279,4 1066 3,7 1,9 483,8 12362,5 5058,8 191,2
2 90,5 51,3 67,6 1027,0 777 2,4 2,2 779,7 8968,2 3567,6 160,8
3 85,1 66 123,4 595,7 883 3,6 4,2 2640,4 9598,9 6148,9 217,0
Питательные среды для суспензионных культур мг/л
1 6,3 2,5 8,1 153,8 36,9 0,15 0,043 7,9 1390 60,7 1,6
2 5,4 2,0 7,4 304,5 35,4 0,15 0,048 373 1383 61,2 1,1
3 5,4 2,0 7,2 144,6 33,8 0,26 0,041 1165 1395 57,1 2,3
Примечание: 1 - основная питательная среда культивирования (контроль); 2 -30 mM NaCl; 3 - 100 mM NaCl
Рис. Зависимость накопления Mn, Zn, Fe, Pb, K, Na, Ca, Mg, (мг/кг) в клетках растений от концентрации NaCl.
1 - суспензионные культуры, растущие на основной питательной среде (контроль); 2 - 30 mM NaCl; 3 - 100 mM NaCl
Следует подчеркнуть, что общей тенденцией поведения химических элементов в клетках суспензионных культур изученных видов растений является накопление, наряду с Ка, тяжелых металлов (Бе, РЬ, 2п) и кремния. Это особенно характерно для растений, выращенных на питательных средах с максимальной концентрацией КаС1. При этом содержание эле-
ментов питания К, Са, Mg резко падает до минимальных значений, что указывает на вынос эссенциальных элементов при солевом стрессе. Подобная закономерность наблюдается для многих растений, произрастающих в техногенных условиях, где происходит интенсивное накопление ксенобиотиков, представленных, главным образом, тяжелыми металлами [1].
По-видимому, это обусловлено нарушением осмотических процессов в растительной клетке. Основными антагонистами в данном случае являются К и Ка.
Заключение
Накопление химических элементов в суспензионных клеточных культурах арабидопси-са и теллунгиеллы существенным образом зависит не только от концентрации КаС1 в питательной среде, но и от генетических особенностей вида. Солевой стресс в растениях приводит к нарушению баланса эссенциальных элементов, сопровождающемуся интенсивным накоплением тяжелых металлов и выносом элементов питания К, Са, Mg. Таким образом, полученные нами данные могут быть использованы как в экологических исследованиях фитоценозов на засоленных почвах, так и при экологической экспертизе в зонах техногенного загрязнения.
Работа выполнена при финансовой поддержке Интеграционного междисциплинарного проекта СО РАН № 47.
Литература
1. Белоголова Г. А. Биогеохимическая характеристика природных и техногенных экосистем Южного Прибайкалья / Г. А. Белоголова, Г. В. Матя-шенко, Р. Х. Зарипов // Экология. - 2000. - № 4. -
С. 263-269.
2. Константинов Ю. М. Содержание эссенци-альных элементов у теллунгиеллы (Thellungiella sal-suginea (Pallas) O. E. Schltz) и арабидопсиса (Arabi-dopsis thaliana (L.) Heynh. при моделировании условий засоления / Ю. М. Константинов [и др.] // Географ. вест. - 2008. - № 1(7). - С. 188-197.
3. Gong Q. Salinity stress adaptation competence in the extremophile Thellungiella halophila in comparison with its relative Arabidopsis thaliana / Q. Gong [et al.] // The Plant J. - 2005. - Vol. 44. - P. 826-839.
4. Liu A. R. Osmotica accumulation and its role in osmotic adjustment in Thellungiella halophila under salt stress / A. R. Liu, K. F. Zhao // Zhi Wu Sheng Li Yu Fen Zi Sheng Wu Xue Xue Bao. - 2005. -Vol. 31. - P. 389-395.
5. Murashige T. Revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures / T. Murashige, F. A Scoog // Plant Physiol. - 1962. -Vol. 15. - P. 473-497.
6. Saleki R. Mutants of Arabidopsis thaliana capable of germination under saline conditions / R. Saleki, P. G. Young, D. D. Lefebvre // Plant Physiology. - 1993. - Vol. 101. - P. 839-845.
7. Taji T. Comparative genomics in salt tolerance between Arabidopsis and Arabidopsis-related halophyte Salt Cress using arabidopsis microarray / T. Taji [et al.] // Plant Physiology. - 2004. - Vol. 135. -P. 1697-1709.
8. Tyagi A. K. Sodium chloride resistant cell line from haploid Datura innoxia Mill. A resistance trait carried from cell to plantlet and vice versa in vitro / A. K. Tyagi, A. Rashid, S. C. Maheshwari // Protoplasma. - 1981. - Vol. 105. - P. 327-332.
The changes of microelement composition in Arabidopsis thaliana (l.) heynh. and Thellungiella salsuginea (pallas) o.e. schltz plants under modeling of high salt content in soil
G. A. Belogolova1, V. N. Shmakov2, G. V. Matyashenko1, Yu. M. Konstantinov2
1 Vinogradov Institute of Geochemistry SB RAS, Irkutsk,
2 Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS, Irkutsk
Abstract. The changes in accumulation of microelements by suspension cell cultures in Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. and Thellungiella salsuginea (Pallas) O. E. Schltz plant species under modeling of high salt content were studied. The intensive salt-accumulation in plant cells was attended by disbalance of essential elements.
Key words: Arabidopsis thaliana, Thellungiella salsuginea, microelements, modelling of mineralization.
Белоголова Галина Александровна
Институт геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН
664033, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1-а, а/я 4019
кандидат геолого-минералогических наук
ведущий научный сотрудник
тел. (395 2) 42-70-50, факс (395 2) 46-40-50
Е-таіІ: gabel@igc.irk.ru
Belogolova Galina Aleksandrovna Vinogradov Institute of Geochemistry SB RAS 664033, Irkutsk, 1 a, Favorskogo St.
Ph. D. in Geology, leading research scientist phone: (395 2) 42-70-50, fax: (395 2) 46-40-50 Е-mail: gabel@igc.irk.ru
Шмаков Владимир Николаевич
Сибирский институт физиологии и биохимии
растений СО РАН
664033 г. Иркутск-33, ул. Лермонтова 132, а/я 317 кандидат биологических наук старший научный сотрудник лаборатории генетической инженерии растений тел. (395 2) 42-49-03, факс (395 2) 51-07-54 Е-таіІ: shmakovv@sifibr.irk.ru
Матяшенко Григорий Васильевич
Институт геохимии им. А . П. Виноградова СО РАН
664033, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1-а, а/я 4019
кандидат биологических наук
старший научный сотрудник
тел. (395 2) 46-06-00, факс (395 2) 46-40-50
Константинов Юрий Михайлович Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН
664033 г. Иркутск-33, ул. Лермонтова 132, а/я 317 доктор биологических наук
заведующий лабораторией генетической инженерии растений
тел. (395 2) 42-49-03, факс (395 2) 51-07-54 Е-таИ: yukon@sifibr.irk.ru
Shmakov Vladimir Nikolaevitch
Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS
664033, Irkutsk, 132, Lermontova St.
Ph. D. in Biology, senior research scientist Laboratory of Plant Genetic Engineering phone: (3952) 42-49-03, fax: (3952) 51-07-54 Е-mail: yukon@sifibr.irk.ru
Matyashenko Grogory Vasilievitch Vinogradov Institute of Geochemistry SB RAS 664033, Irkutsk, 1 a, Favorskogo St.
Ph. D. in Biology, senior research scientist phone: (395 2) 46-06-00, fax: (395 2) 46-40-50
Konstantinov Yuri Mikhailovitch
Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS
664033, Irkutsk, 132, Lermontova St.
D. Sc. in Biology, Head of Laboratory of Plant Genetic Engineering
phone: (3952) 42-49-03, fax: (3952) 51-07-54 Е-mail: yukon@sifibr.irk.ru