CC BY
57
УДК 502.55:577.3
ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА ОДУВАНЧИКА ЛЕКАРСТВЕННОГО В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ АВТОМОБИЛЬНЫМ ТРАНСПОРТОМ
CHARACTERISTIC FEATURES OF TARAXACUM OFFICINALE METABOLISM UNDER THE CONDITIONS OF ATMOSPHERE POLLUTION CAUSED
BY MOTOR TRANSPORT
Г. В. Воробьев1, А. Ю. Алябьев2, Т. П. Якушенкова1, К. К. Ибрагимова1
G. V. Vorobyev1, A. Y. Alyabyev2, T. P. Yakushenkova1, K. K. Ibragimova1
ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», г. Казань 2Казанский институт биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН, г. Казань
Аннотация. Морфологические формы одуванчика лекарственного проявляют различия в уровне энергетического обмена и интенсивности фотосинтеза. Форма с повышенными значениями этих показателей (T. off. f. dahlstedtii) была более устойчива к загрязнению атмосферы автомобильным транспортом.
Abstract. The morphological forms of Taraxacum officinale show the gap in power exchange and photosynthesis intensity. The form with the high parameters (T. off. f. dahlstedtii) was more resistant to the atmosphere pollution caused by motor transport.
Ключевые слова: одуванчик лекарственный, фотосинтез, дыхание, тепловыделение, загрязнение атмосферы.
Keywords: Taraxacum officinale, photosynthesis, breath, heat emission, atmosphere pollution.
Актуальность исследуемой проблемы. Сопротивляемость растений антропогенным стрессорам определяется их возможностями модифицировать метаболические процессы, что позволяет в полной мере реализовать свой эволюционно-адаптационный потенциал. Одуванчик лекарственный широко используется в качестве тест-объекта экологических исследований. Адаптивные возможности популяций одуванчика оцениваются по жизнеспособности семенного потомства [5], по уровню сопряженности морфометри-ческих признаков [1], по степени пероксидации мембранных липидов [6].
В настоящем исследовании сделана попытка выявить метаболические различия, определяющие адаптационный потенциал одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale s.l.) двух морфологических форм (T. off. f. dahlstedtii и T. off. f. рectinatiforme) городских ценопопуляций.
Материал и методика исследований. В качестве объекта исследований был выбран одуванчик лекарственный Taraxacum officinale Wigg. s.l. - семейство Asteraceae Dumort. (Compositae Giseke), род Taraxacum officinale Wigg. Одуванчик - факультативный апомикт. В пределах вида различают большое количество апомиктических разновидностей - микро-
видов, биотипов меньшего размера, имеющих морфологические отличия, утративших способность к перекрестному опылению и существующих в одних биотопах. В практической систематике с определенной долей условности такие группы приравниваются к «нормальным» амфимиктическим видам. Жизненная форма, структура однолетних и многолетних органов у всех микровидов комплекса Taraxacum officinale Wigg. s.l. одинаковы. Одуванчик -многолетний травянистый стержнекорневой факультативно корнеотпрысковый поликар-пик с симподиальной системой вегетативных побегов [2]. Биотипы различаются формой и степенью рассеченности листовой пластинки, долей и их зубцов. Нами определены две морфологические формы: одуванчик Дальштедта (T. off. f dahlstedtii Lindb. fil.) и одуванчик гребенчатовидный (T. off. f рectinatiforme Lindb. fil.), которые хорошо различимы на генеративной стадии онтогенеза. Известно, что данные морфологические формы на популяционном уровне проявляют различия в устойчивости к химическому загрязнению среды [1].
Для исследований использовали растения молодого генеративного (qi) онтогенетического состояния, которые отбирали с пробных площадок размером 10^40 м, поделенных на три участка. Ценопопуляция № 1 рассматривалась в качестве условно-контрольной: она расположена на опушке смешанного леса, находящегося в 7 км от города и в 0,1 км от проселочной дороги (район пос. Усады). Ценопопуляции № 2 и 3 - газоны, расположенные вблизи регулируемых перекрестков на ул. Татарстан и Горьковское шоссе соответственно.
Расчет выбросов автотранспорта в районе регулируемого перекрестка произведен согласно методике определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы городов (утверждена приказом Госкомэкологии России от 16 февраля 1999 года № 66). Согласно этим расчетам ценопопуляцию № 2 можно отнести к загрязненной, а № 3 - к сильно загрязненной (табл. 1).
Таблица 1
Удельные значения выбросов автомобилей в зоне регулируемого перекрестка (в г/мин, среднее ± SD, n=4)
Популяция, г/мин ул. Татарстан ул. Горьковское шоссе
CO 6248 ±93 16120±192
NOx (в расчете на NO2) 203±5.2 399±2.9
CH 542±9.2 1353±18.2
SO2 32±0.74 68±0.49
Формальдегид 4.8±0.13 8.8±0.08
Свинец 6.8±0.09 18.36±0.22
Бенз(а)пирен 0.0044±8.E-5 0.0105±0.0001
Собранные семена хранили в бумажных пакетах при комнатной температуре в сухом месте. Определяли энергию прорастания на 7-е сутки проращивания выполненных семян, отличающихся по цвету семенной оболочки. Для характеристики одного участка популяции проращивали в двух повторностях по 50 семян в чашке Петри на отстоянной водопроводной воде.
Интенсивность фотосинтеза (ассимиляции CO2) регистрировали портативной системой измерения газообмена GFS-3000 (Heinz Walz GmbH, Германия). Средние значения интенсивности ассимиляции CO2 получены от 10 молодых генеративных растений (qi) в расчете на массу сырых листьев. Фиксировали световые кривые фотосинтеза в лабораторных условиях.
Тепловыделение регистрировали дифференциальным темновым микрокалориметром LKB-2277 (Bio Activity Monitor, Швеция). Для определения тепловыделения усредненную от трех растений навеску корней (30-40 мг) помещали в калориметрическую ампулу объемом 3 см3 с 1 см3 отстоявшейся водопроводной водой. Время термостатирова-ния образца до начала измерений - 30 минут. Рабочий диапазон чувствительности усилителя - 100 мкВ. Измерения проводились при температуре 30 оС. Одна биологическая по-вторность - три ампулы. Средние значения были рассчитаны от трех биологических по-вторностей.
Дыхательный газообмен регистрировали манометрическим методом в аппарате Варбурга. Навеску отсеченных корней по 150 мг от трех растений в трех повторностях помещали в сосудики Варбурга и после 10-минутного термостатирования измеряли потребление кислорода при температуре 30 оС. Средние значения были рассчитаны от трех биологических повторностей.
Результаты исследований и их обсуждение. Исследуемые морфологические формы одуванчика лекарственного проявляют различия в стратегии выживания. У Т. dahlstedtii проявляется защитная компонента в онтогенетической стратегии выживания, а у Т. pectinatiforme - комбинированная стрессово-защитная компонента [1]. Тип стратегии был определен из уровня сопряженности морфометрических признаков. На уровне физиологических процессов исследуемые морфологические формы проявляют различия в интенсивности дыхания и тепловыделения корней в зависимости от загрязненности. Эти показатели были существенно ниже у форм, произраставших в условиях ул. Горьковское шоссе (сильное загрязнение), а при сравнении двух форм более низкие показатели были у T. off. f. pectinatiforme.
Известно, что резкое снижение тепловыделения при экстремальном засолении в 500 мМ NaCl является защитной реакцией клетки и сопряжено с защитным торможением метаболизма [3]. При существующей конкуренции за метаболическую энергию между процессами повреждения и репарации торможение метаболизма способствует сдвигу соотношения в направлении использования энергии на репарацию [8]. Рассчитать количество этой энергии можно, сделав некоторые преобразования. Образующуюся при дыхании энергию (Едых.) оценивали по изменению энтальпии на нмоль потребленного для окисления субстрата О2 [10], используя коэффициент, равный 455 мкВт/нмоль. Полученное преобразование дает возможность определить количество сохраненной при дыхании энергии (AH) [4], которую рассчитывали как разность между общим количеством энергии, образовавшейся при окислении дыхательного субстрата (Едых), и потерями энергии в форме тепла (рис. 1).
На рис. 1 представлены зависимости энергии, образующейся в результате окисления дыхательного субстрата (Едых.) и AH, от уровня загрязненности атмосферы автотранспортом. Для T. off. f. dahlstedtii характерен более высокий уровень как Едых., так и AH во всех исследованных ценопопуляциях. Достоверно различимы (Р<0.001) величины AH у одуванчика гребенчатовидного условно-контрольной ценопопуляции и ценопопу-ляции № 3. Не достоверны различия AH между T. off. f. dahlstedtii и T. off. f рectinatiforme ценопопуляций № 2 и 3. Можно отметить рост Едых. одуванчика гребенчатовидного (Р<0.053) в условиях ценопопуляции № 2. Представление об изменениях затрачиваемой на жизнедеятельность энергии дает отношение АН/Едых. (рис. 2).
Т. off. f. dahlstedtii
1500 -
1200 -
св О CJ £0
О О, 3 о
j-. н
оа
и,
900 -
600 -
300 -
о—Е Т. off. f. pectinatiforme
дых
■ АН Т. off. f. dahlstedtii • ЛI i Т. off. f. pectinatiforme
-1-1-1-1-1-1
пос. Усады ул. Татарстан ул. Горьковское шоссе
Рис. 1. Изменение Едых. и АН Т. off. f. dahlstedtii и Т. off. f. pectinatiforme в зависимости от загрязненности
75 -, 706560 -5550 -4540 -3530 -25 -20-
— ■ — Т. off. f. dahlstedtii
— *— Т. off, f. pectinatiforme
пос. Усады
ул. Татарстан ул. Горьковское шоссе
Рис. 2. Изменение затрачиваемой энергии на жизнедеятельность (в %) T. off. f. dahlstedtii и T. off. f. рectinatiforme в зависимости от загрязненности
В условно-контрольной ценопопуляции обе морфологические формы на процессы метаболизма тратят менее 50 % Едых., в ценопопуляции № 2 - более 55 % (Р<0.05). В условиях сильного загрязнения (ценопопуляция № 3) ДШЕдых. недостоверно уменьшается у T. off. f. dahlstedtii и достоверно уменьшается (Р<0.01) у T. off. f pectinatiforme.
Субстрат для дыхания корней в виде сахаров поставляют фотосинтезирующие органы, которые в большей степени подвержены негативному влиянию загрязнений автомобильного транспорта. Предполагалось, что с увеличением интенсивности загрязнения будет наблюдаться пропорциональное уменьшение фотосинтетической активности. И действительно, негативная нагрузка на растения ценопопуляции № 3 в среднем увеличилась в 2,5 раза, а интенсивность ассимиляции углекислого газа (А) у обеих морфологических форм снизилась практически в два раза (рис. 3).
0,12 л
0,10-
0,08 ■
* 0,06-ta ' ^
<
0,04 -
0,02-
0,00-
— ■ — Т. off. f. dahlstedtii - №3
— □ — T. off. f, pectinatiforme - №3
—A— T. off. f. dahlstedtii - №2
—Д— T. off. f. pectinatiforme - №2
—I—
2000
500
1000
1500
Овещенность цто1/ т * s
Рис. 3. Зависимость интенсивности ассимиляции CO2 (А) (в расчете на сырую массу листьев, г)
от освещенности
Следует отметить тот факт, что интенсивность фотосинтеза (А) у растений T. off. f. pectinatiforme ниже, чем у T. off. f. Dahlstedtii, как в ценопопуляции № 2, так и в ценопопуляции № 3.
Известно, что стресс, индуцируя избыточную активацию метаболизма, может повышать общие адаптивные механизмы неспецифической устойчивости [11], [9], [7]. Можно предположить, что большее количество энергии, получаемое и расходуемое T. off. f. dahlstedtii на жизнедеятельность, позволяет этим растениям эффективнее адаптироваться к сильному загрязнению. При верности этого предположения семенное потомство данной морфологической формы одуванчика будет качественно отличаться от потомства T. off. f. pectinatiforme qi.
При подготовке семян к проращиванию было замечено различие в интенсивности окраски семенной оболочки. Это различие нашло отражение в энергии прорастания семян, разделенных по принципу окраски семенной оболочки (табл. 2).
Таблица 2
Энергия прорастания семян (в %, среднее ±SD, п=6) морфологических форм одуванчика лекарственного ql исследуемых популяций
Популяции T. off. £ рectinatiforme T. off. £ dahlstedtii
без пигмента норма без пигмента норма
№ 1 - пос. Усады 51±7 62±6 62±6 77±5
№ 2 - ул. Татарстан 33±6 36±11,5 50±9,8 50±11
№ 3 - ул. Горьковское шоссе 3,3±1,3 20±5,8 15±8,5 58±11,3
Коэффициент корреляции -0,968 -0,888 -0,924 -0,46
С ростом загрязненности энергия прорастания снижается у семян без пигмента. Для нормально окрашенных семян T. off. f. dahlstedtii зависимость не столь очевидна.
Резюме. Проведенные исследования показывают, что более высокий уровень метаболизма T. off. f. dahlstedtii позволяет им лучше адаптироваться к загрязнению атмосферы автомобильным транспортом, что в конечном итоге приводит к более высокому качеству семенного потомства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жуйкова, Т. В. Адаптация растительных систем к химическому стрессу: популяционный аспект / Т. В. Жуйкова, В. С. Безель // Вестник Удмуртского университета.- 2009. - Вып. 1. - С. 31-42.
2. Ермакова, И. М. Одуванчик лекарственный. Номенклатура и систематическое положение / И. М. Ермакова // Биологическая флора Московской области / под ред. В. Н. Павлова, Т. М. Работнова, В. Н. Тихомирова. - М. : Изд-во МГУ, 1990. - Т. 8. - С. 210-269.
3. Мелехов, Е. И. О возможном принципе регуляции повреждения и защитной реакции клетки / Е. И. Мелехов // Журнал общей биологии. - 1983. - Т. 44. - № 3. - С. 386-397.
4. Петров, В. Е. Энергетика ассимилирующей клетки и фотосинтез / В. Е. Петров. - Казань : Из-во Казанского университета, 1975. - 150 с.
5. Позолотина, В. Н. Пути адаптации ценопопуляций одуванчика лекарственного к длительному химическому и радиационному воздействию / В. Н. Позолотина, Е. В. Антонова, В. С. Безель, Т. В. Жуйкова, О. А. Северюхина // Экология. - 2006. - № 6. - С. 440-445.
6. Савинов, А. Б. Интенсивность перекисного окисления липидов у Taraxacum officinale Wigg. и Vicia cracca L. в биотопах с разными уровнями загрязнения почв тяжелыми металлами / А. Б. Савинов, Л. Н. Курганова, Ю. И. Шекунов // Экология. - 2007. - № 3. - С. 191-197.
7. Шакирова, Ф. М. Неспецифическая устойчивость растений к стрессовым факторам и ее регуляция / Ф. М. Шакирова. - Уфа : Гилем, 2001. - 160 с.
8. Criddle, R. S. Effects of NaCl on metabolic heat evolution rates by barley roots / R. S. Criddle, L. D. Hansen, R. W. Breidenbach, M. R. Ward, R. C. Huffaker // Plant Physiol. - 1989. - Vol. 90. - P. 53-58.
9. Franco, E. Modulation of D1 protein turnover under cadmium and heat stress monitored by [35S] methionine incorporation / E. Franco, S. Alessandrelli, Jet al. Masojidek // Plant Sci. - 1999. - Vol. 144. - P. 53-61.
10. Hansen, L. D. The relation between plant growth and respiration: A thermodynamic model / L. D. Hansen, M. S. Hopkin, D. R. Rank, T. S. Anekonda, R. Breidenbach W., R. S. Criddle // Planta. - 1994. - Vol. 194. -№ 1. - P. 77-85.
11. Ishikama, M. Comparation of viability tests for assessing cross-adaptation to freezing, heat salt stress induced by abscisic in bromegrass (Bromus inermis leyss) suspension culture cells / M. Ishikama, A. J. Robertson, L. Gusta // Plant Sci. - 1995. - Vol. 107. - P. 83-93.
