CC BY
185
УДК 631.6 + 581.5
ПОВЫШЕНИЕ РЕДОКС-АКТИВНОСТИ РАСТЕНИЙ КАК ТЕСТ-РЕАКЦИЯ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ
© О.З. Еремченко, О.А. Четина, И.Е. Шестаков, Я.А. Паршакова
Ключевые слова: загрязнение почв; фитотестирование; окислительный стресс; редокс-активность.
При фитотестировании загрязненных почв интегральной оценкой служат показатели роста и массы растений. В неблагоприятных условиях растения испытывают окислительный стресс, при этом повышается активность внутриклеточной антиоксидантной защиты. Исследована неспецифическая физиолого-биохимическая реакция растений на загрязнение тяжелыми металлами, засоление и подщелачивание корневой среды. В неблагоприятных почвенно-химических условиях усиливалась редокс-активность экстрактов листьев редиса и кресс-салата, а также растений из зоны воздействия солеотвалов.
Почвы являются депонирующей средой для разнообразных загрязнителей, приобретают токсичность и непригодность для обитания живых организмов. Оценка экологического состояния почвы проводится на основе биотестирования, живые организмы реагируют на комплекс почвенных свойств. Для биотестирования почв используются разные организмы; высшие растения формируют трофические и энергетические отношения в экосистемах, поэтому их реакция должна быть основой при оценке токсичности почв.
Интегральной тест-реакцией на загрязнение почв служит угнетение роста и развития растений. В качестве неспецифической физиолого-биохимической реакции на неблагоприятные условия среды у высших растений может служить развитие окислительного стресса при сверхпродукции активных форм кислорода (АФК). АФК имеют высокую реакционную способность и могут повреждать внутриклеточные компоненты. Под действием разных стрессоров (ионизирующее излучение, засуха, соли, свободные радикалы, тяжелые металлы и др.) происходит образование органических радикалов, которые воздействуют на акцептор электронов - свободный кислород, генерируя перекисные радикалы, такие как супероксид-радикал (анион-радикал) О2^-, гидроперекисный радикал НО2% гидроксил-радикал НО% перекись водорода Н2О2, синглет-ный кислород 1О2. Окислительная цепь реакций продолжается, в клетках происходит окисление липидов, углеводов, белков, повреждение ДНК и РНК, дезорганизация цитоскелета, нарушаются мембранные комплексы, транспорт веществ и другие внутриклеточные процессы. В настоящее время АФК рассматриваются не только как деструкторные молекулы, но и как важнейшие сигнальные молекулы в клеточной регуляции [1-3].
Клетка имеет многоуровневую систему антиокси-дантной защиты, в которую входят низкомолекулярные антиоксиданты, такие как аскорбиновая кислота и глу-татион. Аскорбиновая кислота реагирует с АФК, окисляясь при этом до моно- и дегидроаскорбиновой кислоты. Глутатион поддерживает в клетке пул восстановленной формы аскорбата, участвует в неферментативной детоксикации супероксидного анион-радикала,
в передаче редокс-сигналов. Высокие параметры окислительно-восстановительных процессов в растениях являются показателем мобилизации защитных свойств организма [4-6].
Цель работы - установить изменение редокс-активности растений при выращивании на загрязненных почвах. Уровень редокс-активности растений предполагалось определить на основе способности экстракта растений к восстановлению свободного йода по методу Петта в модификации Прокашева [7]. Общую редокс-активность связывают с содержанием глутатиона и аскорбиновой кислоты в растительных клетках.
Объектами исследований были растения, произрастающие в условиях загрязнения тяжелыми металлами, засоления хлоридом натрия и подщелачивания корневой среды. В модельных опытах определяли массу и высоту надземной части растений в 20-30-кратной повторности. Общую редокс-активность устанавливали в экстрактах из смешенных растительных проб в 3-кратной повторности. Полевые опыты проведены в условиях солеотвалов. Достоверность различий между вариантами обосновали статистически.
Опыт 1. Агродерново-подзолистую почву загрязнили сульфатом кадмия из расчета Сіі 3 мг/кг почвы (1 ПДК), Сіі 150 мг/кг почвы (50 ПДК), Сіі 300 мг/кг почвы (100 ПДК). На загрязненных пробах в течение 21 дня выращивали редис посевной (Яаркапыя зайут Ь.).
Достоверное снижение высоты растений редиса прослежено по вариантам Сіі 50 и 100 ПДК (рис. 1). Торможение роста надземной части растений связывают как с непосредственным влиянием кадмия на клеточное деление, так и с нарушением общего метаболизма растений. При накоплении кадмия в клетке происходит уменьшение фотосинтезирующей поверхности, замедление скорости фотосинтеза, нарушение минерального питания, а также изменение гормонального баланса, в частности увеличение количества абсцизо-вой кислоты [8-9].
Токсическое воздействие на массу растений оказали все дозы соли кадмия; на фоне Сіі 100 ПДК средняя масса растения была почти на 50 % ниже контрольной величины. При снижении высоты и массы редиса, выра-
200
150
100
50
0
Рис. 1. Относительное изменение (% к контролю) высоты, массы и редокс-активности редиса при выращивании на почве, загрязненной сульфатом кадмия: 1 - Cd 1 ПДК; 2 - Cd 50 ПДК; 3 - Cd 100 ПДК
200
150
100
50
0
Рис. 2. Относительное изменение (% к контролю) высоты, массы и редокс-активности кресс-салата при выращивании на почве, загрязненной сульфатом кадмия: 1 - Cd 1 ПДК; 2 - Cd 50 ПДК; 3 - Cd 100 ПДК
щенного на загрязненной почве, отмечено существенное усиление редокс-активности; в вариантах Cd 50 ПДК и Cd 100 ПДК на титрование экстракта растений израсходовано соответственно в 1,5 и 2 раза больше KIO3. Усиление восстановительной способности экстракта растений свидетельствует о повышенном пуле низкомолекулярных антиоксидантов для элиминирования избыточных радикалов.
Известно, что разные виды растений отличаются реакцией на загрязнение почв; существуют барьерные механизмы защиты, когда растения прекращают поглощение элемента, несмотря на увеличение его в корневой среде [4]. По этой причине представляет интерес проявление тест-реакции растений другого вида при тех же условиях выращивания на загрязненной почве.
Опыт 2. На загрязненных пробах агродерново-карбонатной почвы в течение 14 дней выращивали кресс-салат (Lepidium sativum L.). Установлено, что с ростом уровня загрязнения почвы уменьшалась высота и особенно масса растений (рис. 2).
При меньшем загрязнении (Cd 1 ПДК) редокс-активность кресс-салата была не выше контроля. Повышенное загрязнение привело к достоверному росту редокс-активности растительного экстракта, хотя и в меньшей степени по сравнению с редисом. Возможно,
3
Высота Масса Редокс-активность
кресс-салат имеет иную линию защиты от сверхпродукции АФК, например, связанную с активностью ан-тиоксидантных ферментов.
В научных работах отмечена пониженная проникающая способность свинца в растительный организм, который может накапливаться в тканях корня [4; 8]. Следующий опыт был проведен с целью проследить изменение редокс-активности растений редиса при загрязнении той же почвы свинцом.
Опыт 3. На пробах агродерново-подзолистой почвы, загрязненных сульфатом свинца из расчета РЬ 100 мг/кг почвы (1 ПДК), Рь 500 мг/ кг почвы (5 ПДК) и 1000 мг/ кг почвы (10 ПДК), в течение 21 дня выращивали редис посевной. В опытах не установлено достоверного снижения высоты растений, влияние загрязнения отразилось лишь на массе растений (рис. 3), вероятно, защитную роль играют ткани корневой системы, препятствующие поступлению токсичного элемента в листья. При невысоких концентрациях тяжелых металлов в клетке изменение физиолого-биохимических реакций носит неповреждающий характер; согласованность метаболических процессов сохраняется, а иногда даже наблюдается интенсификация некоторых из них [9].
Одновременно при устойчивости показателей состояния тест-культуры информативной оказалась ре-докс-активность, которая заметно повышена в условиях загрязнения солью свинца. По-видимому, при определенном уровне концентрации свинца для борьбы с избытком окисленных радикалов служат низкомолекулярные антиоксиданты (аскорбиновая кислота, глутатион).
Современный техногенез сопровождается засолением почв вследствие разливов нефтяных пластовых вод, производства минеральных удобрений, применения антигололедных солей. При солевом стрессе в растениях отмечали усиленное функционирование анти-оксидантной защиты [2; 10-12]. В следующем модельном опыте была проверена тест-реакция растений редиса на засоление агродерново-подзолистой почвы.
Опыт 4. Засоление агродерново-карбонатной почвы хлоридом натрия провели из расчета 0,1 % №0, 0,2 % ЫаИ, 0,3 % ЫаИ. Почва считается засоленной при содержании водорастворимых солей более 0,3 %. В течение 21 дня выращивали редис посевной.
На ростовые показатели редиса оказало достоверное влияние лишь засоление почвы 0,3 % КаИ, на фоне которого снизилась высота растений относительно контроля и вариантов с меньшим засолением (рис. 4). У редиса отсутствуют эволюционно сложившиеся ме-
Высота Масса Редокс-активность
Рис. 3. Относительное изменение (% к контролю) высоты, массы и редокс-активности редиса при выращивании на почве, загрязненной сульфатом свинца: 1 - РЬ 1 ПДК; 2 - РЬ 5 ПДК; 3 - РЬ 10 ПДК
200
150
100
50
0
Рис. 4. Относительное изменение (% к контролю) высоты, массы и редокс-активности листьев редиса при выращивании на почве, засоленной хлоридом натрия: 1 - G,l % NaCl; 2 -G,2 % NaCl; 3 - G,3 % NaCl
ханизмы солеустойчивости, по-видимому, его адаптация обеспечивается механизмом засухоустойчивости, важным критерием которого служит способность к осморегуляции, стабильность водного и осмотического потенциалов. Для сокращения потерь воды идет торможение роста растений. Достоверное снижение массы растений также отмечено на фоне засоления 0,З % NaCl.
По мере роста концентрации соли в почве проявилась тенденция к усилению общей редуцирующей активности в листьях редиса посевного. Достоверные различия с контролем показали варианты 0,2 и 0,З % NaCl. Тенденция к усилению редуцирующей способности клеточного вещества листьев редиса, по-видимому, отражает активизацию восстановительных процессов для устранения окисленных радикалов, активных форм кислорода.
Для большинства культурных растений щелочная реакция почв оказывает угнетающее влияние. Проблема адаптации растений к щелочности почв в научной литературе слабо освещена. Следующий опыт был проведен с целью оценки влияния отдельного и совместного действия засоления и щелочности на редокс-активность кресс-салата. Поскольку почвы обладают определенной буферностью в отношении изменения их кислотно-основных свойств, то в качестве корневого субстрата использовали вермикулит.
Опыт 5. Для ощелачивания корневой среды (рН = = 9, 10) применили раствор гидроксида натрия, для засоления - 0,S % раствор хлорида натрия; щелочь и соль были добавлены однократно в среду Кнопа при поливе семян. В последующем растения выращивали на среде Кнопа.
Кресс-салат в условиях опыта показал определенную устойчивость к исследуемым факторам (рис. S); показатели высоты и массы тест-культуры достоверно не снижались на вариантах с рН 10 и 0,S % NaCl, и даже при совместном действии этих факторов. В адаптации, по-видимому, имели значение механизмы анти-оксидантной защиты, т. к. редокс-активность растений заметно повышена на фоне засоления и ощелачивания. Редокс-активность при совместном действии факторов не отличалась от вариантов отдельного засоления и ощелачивания. В настоящее время обсуждается существование комплексной устойчивости, которая обусловлена реакцией различных метаболических систем. В ответ на действие определенного стрессора устойчивость клеток повышается не только к нему, но и к другим повреждающим факторам. Литературные данные
200
150
100
50
0
Рис. 5. Относительное изменение (% к контролю) высоты, массы и редокс-активности кресс-салата при засолении и ощелачивании корневой среды: 1 - рН 10; 2 - G,5 % NaCl; 3 -рН 10 + 0,S % NaCl
10
в
б
4
2
0
Рис. 6. Повышение редокс-активности (мл 0,001 N KNO3 на 10 г сырой массы) растений с усилением техногенного засоления: 1 - зона неустойчивого засоления; 2 - зона устойчивого засоления
свидетельствуют о функционировании одних и тех же систем устойчивости к двум или нескольким факторам различной природы [1З-15].
Полевые исследования проведены на территории солеотвалов г. Соликамск Пермского края. Из-за складирования галитовых отходов в корнеобитаемых слоях почвогрунтов засоление поверхностных слоев варьировало от слабозасоленного уровня и до сильной степени засоления хлоридами натрия. Средним и высоким засолением (до 2,2 %) характеризовались почвогрунты, находящиеся на расстоянии около 1-S м у солеотвалов (зона устойчивого засоления). Почвогрунты, расположенные в радиусе нескольких десятков метров, были не засолены или имели слабую и среднюю засоленность (зона неустойчивого засоления). Повсеместно отмечалось подщелачивание почвогрунтов до рН = 8,8. Была изучена редокс-активность экстракта из листьев растений, произрастающих в зонах устойчивого и неустойчивого засоления: бодяк полевой (Cirsium arvense L.), нивяник обыкновенный (Leucanthemum vulgare Lam.), чина луговая (Lathyrus pratensis L.), мать-и-мачеха обыкновенная (Tussilago farfara L.) и ястребин-ка (Hieracium sр.).
У всех исследованных растений в зоне устойчивого техногенного засоления редокс-активность была выше по сравнению с растениями из зоны неустойчивого засоления (рис. б).
При засолении и подщелачивании почвенной среды в экстрактах листьев ястребинки, нивяника и бодяка восстановительная способность усилена в 2 и более раз. Таким образом, не только в модельных, но и в по-
Бодяк Нивянник Ястрябинка Мать-мачеха Чина луговая полевой
Высота Масса Редокс-активность
левых условиях редокс-активность была связана с адаптацией к неблагоприятным свойствам корневой среды обитания растений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для тестирования загрязненных почв следует выбирать однолетние растения с небольшими размерами семян и быстрым развитием, чтобы получить раннюю реакцию на состояние почв. При фитотестировании почв интегральную оценку состояния корневой среды дают показатели роста и массы растений. Неспецифической физиолого-биохимической реакцией на загрязнение тяжелыми металлами, засоление и подщелачива-ние почв может служить редокс-активность экстрактов листьев растений. При выращивании на загрязненной почве редокс-активность усиливалась даже при отсутствии снижения показателей роста и массы растений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лукаткин А.С. Вклад окислительного стресса в развитие холодового повреждения в листьях теплолюбивых растений // Физиология растений. 2002. Т. 49. № 5. С. 878-885.
2. Полесская О.Г., Каширина Е.И., Алехина Н.Д. Влияние солевого стресса на антиоксидантную систему растений в зависимости от условий азотного питания // Физиология растений. 2006. Т. 53. № 2. С. 207-214.
3. Прадедова Е.В., Ишеева О.Д., Саляев Р.К Классификация системы антиоксидантной защиты как основа рациональной организации экспериментального исследования окислительного стресса у растений // Физиология растений. 2011. Т. 58. № 2. С. 177-185.
4. Ильин Б.В. Тяжелые металлы в системе почва-растение. Новосибирск: Наука, 1991.
5. Кения М.В., Лукаш А.И., Гуськов Е.Н. Роль низкомолекулярных антиоксидантов при окислительном стрессе // Успехи современной биологии. 1993. Т. 113. № 4. С. 456-470.
6. Половникова М.Г., Воскресенская О.Л. Изменение активности компонентов системы антиоксидантной защиты и полифенолок-сидазы у газонных растений на разных этапах онтогенеза в условиях городской среды // Физиология растений. 2008. Т. 55. № 5. С. 777-785.
7. Практикум по физиологии растений / под ред. И.И. Гунара. М.: Колос, 1972. С. 103-107.
8. Иванов В.Б., Быстрова Е.И., Серегин И.В. Сравнение влияния тяжелых металлов на рост корня в связи с проблемой специфичности и избирательности их действия // Физиология растений. 2003. Т. 50. № 3. С. 445-454.
9. Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М. Физиологические основы устойчивости растений к тяжелым металлам. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2011. 77 с.
10. Ахмад П., Джалил К.А., Шарма С. Влияние солевого стресса на систему антиоксидантной защиты, перекисное окисление липидов, ферментное окисление липидов, ферменты метаболизма пролина и метаболическую активность у двух генотипов шелковицы // Физиология растений. 2010. Т. 57. № 4. С. 547-555.
11. Радюкина Н.Л., Иванов Ю.В., Карташов А.В., Шевякова Н.И., Ракитин В.Ю., Хрянин В.Н., Кузнецов Вл.В. Изучение индуци-бельных и конститутивных механизмов устойчивости к солевому стрессу у гравилата городского // Физиология растений. 2007. Т. 54. № 5. С. 692-698.
12. Ясар Ф., Элиальтиглу С., Ильдис К. Действие засоления на анти-окислительные защитные системы, перекисное окисление липидов и содержание хлорофилла в листьях фасоли // Физиология растений. 2008. Т. 55. № 6. С. 869-873.
13. Маевская С.Н., Николаева М.К. Реакция антиокислительной и осмопротекторной систем проростков пшеницы на засуху и регидратацию // Физиология растений. 2013. Т. 60. № 3. С. 351-359.
14. Шевякова Н.И., Рощупкин Б.В., Парамонова Н.В., Кузнецов Вл.В. Стрессорный ответ клеток Nicotiana sylvestris L. на засоление и высокую температуру. Аккумуляция пролина, полиаминов, бетаинов и сахаров // Физиология растений. 1994. Т. 41. № 4. С. 558-565.
15. Hale H.B. Cross-adaptation // Environ. 1969. Res. 2. P. 423-434.
БЛАГОДАРНОСТИ: Исследования выполнены в рамках научно-исследовательской работы по госзада-нию Минобрнауки РФ «Проведение научно-исследовательских работ (фундаментальных научных исследований, прикладных научных исследований и экспериментальных разработок».
Поступила в редакцию 7 июля 2014 г.
Eremchenko O.Z., Chetina O.A., Shestakov I.E., Parshako-va Y.A. INCREASE OF PLANTS REDOX-POTENTIAL AS TEST-REACTION TO POLLUTION OF SOILS
Parameters of plants growth and weights serve as an integrated assessment at phytotesting of polluted soils. Plants feel oxidizing stress in adverse conditions, thus activity endocellular antioxidant protection raises. We investigated nonspecific physiological-biochemical reaction of plants to pollution by heavy metals, salinization and alkalization the root environment. In adverse soil-chemical conditions amplified redox-potential of leaves extract of a garden radish, cress and plants from a zone of influence salt waste piles.
Key words: pollution of soils; phytotesting; oxidizing stress; redox-potential.
Еремченко Ольга Зиновьевна, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь, Российская Федерация, доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой физиологии растений и микроорганизмов, e-mail: [email protected]
Eremchenko Olga Zinovyevna, Perm State National Research University, Perm, Russian Federation, Doctor of Biology, Professor, Head of Physiology of Plants and Micro-organisms Department, e-mail: [email protected]
Четина Оксана Александровна, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь, Российская Федерация, кандидат биологических наук, доцент кафедры физиологии растений и микроорганизмов, e-mail: [email protected]
Chetina Oksana Aleksandrovna, Perm State National Research University, Perm, Russian Federation, Candidate of Biology, Associate Professor of Physiology of Plants and Micro-organisms Department, e-mail: [email protected]
Шестаков Игорь Евгеньевич, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь, Российская Федерация, кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры физиологии растений и микроорганизмов, e-mail: [email protected]
Shestakov Igor Evgenyevitch, Perm State National Research University, Perm, Russian Federation, Candidate of Biology, Senior Lecturer of Physiology of Plants and Micro-organisms Department, e-mail: [email protected]
Паршакова Яна Анатольевна, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь, Российская Федерация, магистрант по направлению подготовки «Биология», e-mail: [email protected] Parshakova Yana Anatolyevna, Perm State National Research University, Perm, Russian Federation, Candidate for MASTER’S Degree of Direction of Preparation “Biology”, -mail: [email protected]
