CC BY
61
УДК / UDK 634.75:632.95.024.4-034.4:547.1
ПРОТЕКТОРНЫЙ ЭФФЕКТ ГИДРОКСИКОРИЧНЫХ КИСЛОТ В УСЛОВИЯХ ИНТОКСИКАЦИИ РАСТЕНИЙ FRAGARIA ANANASSA DUCH
СВИНЦОМ
PROTECTIVE EFFECT OF HYDROXYCINNAMIC ACIDS IN THE LEAD INTOXICATION CONDITIONS OF FRAGARIA ANANASSA DUCH PLANTS
Прудников П.С., кандидат биологических наук Prudnikov P.S., Candidate of Biological Sciences ФГБНУ ВНИИ селекции плодовых культур, Орел, Россия FSBSI All-Russian Research Institute of Fruit Crop Breeding, Orel, Russia
E-mail: prudnicov@inbox.ru Прудникова Е.Г., кандидат сельскохозяйственных наук Prudnikova E.G., Candidate of Agricultural Sciences ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет»,
Орел, Россия Orel State Agrarian University, Orel, Russia E-mail: elena-prudnikova00@rambler.ru
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
пероксидаза, каталаза, перекисное окисление липидов, свинец, гидроксикоричные кислоты, фотосинтез, урожай, земляника садовая.
KEY WORDS
peroxidase, catalase, lipid peroxidation, lead, hydroxycinnamic acids, photosynthesis, yield, garden strawberry.
Поступление тяжелых металлов в окружающую среду связано с активной деятельностью человека, при этом огромный вклад в техногенном загрязнении принадлежит промышленности, транспорту, добыче полезных ископаемых, бесконтрольно используемых химических агентов в сельском хозяйстве. Аккумуляция тяжелых металлов в окружающей среде приводит к нарушению экологического равновесия, делает невозможным получение экологически безопасных продуктов питания, а, следовательно, представляет непосредственную опасность для здоровья и жизнедеятельности населения в силу их высокой токсичности. Основным путём доставки токсических веществ к человеку являются цепочка питания через потребление растительной продукции (40...50%), вода (20...40%) и воздушные массы (20...40%) [1]. В связи с этим стоит задача в снижении накопления элементов техногенного загрязнения в растениях, при их выращивании на фоне повышенного содержания тяжелых металлов, в качестве первоначального звена в цепи питания. Этого можно добиться путем применения агрохимических средств, улучшающих почву и жизнедеятельность растений [2]. Перспективным направлением является использование природных регуляторов роста: брассинолиды, гидроксикоричные кислоты, гиббереллины и т.д., способствующих улучшению продукционного процесса в условиях действия факторов стресса [3]. Как известно, одной из важнейших черт индуцированного изменения метаболизма растений, вызванного техногенным загрязнением, в
качестве стрессового фактора, является снижение активности ферментов, нарушение процессов фотосинтеза и дыхания [4,5].
Кроме того, при действии стрессоров в результате разбалансировки процессов дыхания и фотосинтеза в митохондриях, хлоропластах,
пероксисомах, глиоксисомах, образуются активные формы кислорода (АФК):
*
супероксидрадикал (О ¡), синглетный кислород (О2), гидроксил-радикал (ОН), перекись водорода (Н2О2) [6, 7]. При этом отмечается резкое увеличение образования АФК, которые нарушают структурно-функциональное состояние клеток. Это происходит за счет взаимодействия АФК с липидами, белками и нуклеиновыми кислотами клетки [8].
Об интенсивности протекания ПОЛ большинство авторов судят по накоплению в тканях конечного продукта липопероксидации - малонового диальдегида (МДА) [9, 10]. Ограничение процессов липопероксидации осуществляется за счет работы антиоксидантной системы защиты: пероксидазы, каталазы, супероксиддисмутазы и т.д. [11, 12].
В связи с многолетним жизненным циклом земляника садовая, в отличие от однолетних культур, в большей степени подвержена накоплению элементов техногенного загрязнения. Вместе с тем, в литературе нет сведений о применении регуляторов роста на Fragaria ananassa в качестве агентов, способствующих снижению аккумуляции тяжелых металлов в органах и тканях растений земляники.
Цель исследований состояла в изучении возможности протекторного действия гидроксикоричных кислот в условиях интоксикации Fragaria ananassa свинцом на аккумуляцию растениями катионов металла, антиоксидантный статус и продуктивность земляники садовой сорта Рубиновый кулон.
Растения земляники выращивали в сосудах, наполненных 7кг почвы. Варианты опыта включали: Контроль - растения, выращиваемые на почве без внесения свинца; Циркон - растения, обработанные цирконом и растущие на почве без свинца; 2ПДК Pb2+ - внесение в почву 2х предельно допустимых концентраций элемента; 2ПДК Pb2++ циркон - растения, обработанные цирконом и произрастающие на почве с 2ПДК свинца. Повторность опыта 10 кратная. Свинец в почву (серая лесная среднесуглинистая, pH 6,7) вносили в виде раствора уксуснокислого свинца (CH3COO)2Pb в концентрации соответствующей 2ПДК катионов металла. Обработку двухлетних растений цирконом проводили в фазу бутанизации, путем опрыскивания раствором препарата, содержащего 4 мкг/л гидроксикоричных кислот.
Активность пероксидазы определяли методом Бояркина с помощью бензидина [13], активность каталазы - по количеству выделяющегося кислорода при разложении Н2О2 ферментом за единицу времени [13], количество ионов свинца - высокоэффективной жидкостной хроматографией по МУК 4.1.053-96. Об интенсивности перекисного окисления липидов судили по количеству малонового диальдегида. Для этого использовали качественную реакцию с тиобарбитуровой кислотой [14]. Фотохимическую активность изолированных хлоропластов (ФХА хлоропластов) определяли потенциометрическим методом по скорости фотовосстановления ферроцианида калия [15]; содержание хлорофилла и каротиноидов - на спектрофотометре (СФ-16, Россия) после экстракции 80%-ным ацетоном и рассчитывали по формулам Арнона и Веттштейна [16]. Достоверность результатов оценивали по стандартным методикам с использованием программ EXEL.
В результате проведенных исследований показано, что при выращивании растений земляники в почве, содержащей 2ПДК свинца, отмечено значительное накопление РЬ2+ в листьях и ягодах растений по сравнению с контролем (в 3,1 и 2,5 раза соответственно) (рис. 1). Обработка растений препаратом Циркон, содержащим гидроксикоричные кислоты, в условиях интоксикации свинцом, снизил содержания РЬ2+, как в листьях, так и ягодах растений. Количество токсиканта в листьях и ягодах земляники в варианте 2ПДК РЬ2++Циркон в 1,5 и 1,3 раза соответственно превышало контроль. В исследованиях, проведенных на яровой пшенице, показано, снижение накопление цинка под воздействием обработок Цирконом [17]. При этом важно отметить, что содержание РЬ2+ в органах растений в варианте с Цирконом без присутствия в почве 2ПДК свинца не отличалось от контроля. Повышенное накопление катионов свинца в условиях 2ПДК РЬ2+ способствовало ингибированию антиоксидантной системы защиты. Так уровень активности пероксидазы в листьях земляники в варианте с 2ПДК свинца снизился на 80%, каталазы на 50% по сравнению с контролем (рис. 2).
Рисунок 1 - Содержание катионов свинца в листьях (а) и ягодах (б) земляники садовой в условиях интоксикации катионами свинца
Рисунок 2 - Активность пероксидазы (а) и каталазы (б) в листьях земляники садовой в условиях интоксикации катионами свинца
Обработка растений гидроксикоричными кислотами на фоне интоксикации свинцом способствовало снятию токсичного действия тяжелого металла на активность антиоксидантных ферментов. Активность пероксидазы в варианте
о.
2ПДК РЬ2 +Циркон на 17%, каталазы на 18% была ниже контроля. Стабилизирующее действие препарата Циркон на активность ферментов антиоксидантной системы, по-видимому, связано с уменьшением накопления растениями катионов свинца. Обработка земляники цирконом без присутствия свинца в почве способствовала некоторому увеличению активности ферментов антиоксидантной системы защиты, в частности пероксидазы на 24%, из-за интенсификации гидроксикоричными кислотами физиологических процессов. Таким образом, в действии гидроксикоричных кислот и катионов свинца на активность пероксидазы и каталазы проявляется антагонизм. При определении интенсивности ПОЛ мембран показано увеличение накопления в клетках малонового диальдегида на фоне 2ПДК свинца в почве. Интенсивность окисления мембранных липидов при интоксикации земляники свинцом в 3,7 раза превышало контроль(рис. 3).
Рисунок 3 - Содержание малонового диальдегида в листьях земляники садовой в условиях интоксикации катионами свинца
В исследованиях, проведенных на гаметофите мха Fumaria Hygrometrica, также показано увеличение ПОЛ мембран под действием тяжелых металлов на растительный организм [18]. В работах F. Zhang с соавт. показано снижение активности аскорбатпероксидазы у пшеницы под действием высоких доз кадмия [19]. Усиление интенсивности перекисного окисления липидов, по-видимому, связано с ингибированием тяжелыми металлами антиоксидантной системы защиты на фоне повышенного образования активных форм кислорода. Согласно исследованиям других авторов, увеличение ПОЛ мембран в условиях действия стресса происходит, как правило, за счет излишнего образования активных форм кислорода, которые инициируют свободно-радикальные процессы [20, 21]. Обработка растений цирконом в варианте 2ПДК РЬ2++Циркон интенсифицировала работу ферментов антиоксидантной системы и тем самым снижала степень окисления мембранных липидов. Так интенсивность ПОЛ при обработке цирконом и интоксикации свинцом в 2 раза превышало контроль. Незначительное в 1,2 раза увеличение накопления малонового диальдегида в варианте Циркон, возможно связано с более интенсивными физиологическими процессами. В нормальных условиях роста и развития растений концентрация активных форм кислорода (АФК) и инициированный ими процесс ПОЛ находятся на постоянном уровне, который не токсичен для клеток и всего организма. По некоторым данным, клетка не может обходиться без АФК, так как
они участвуют в окислительных процессах - образование энергии; в сигнальных системах - выполняя регуляторную функцию [22, 23]. Существует также зависимость - чем интенсивней протекают физиологические процессы, тем выше возможность образования активных форм кислорода и инициированный ими ПОЛ мембран [24]. В наших опытах обработка земляники гидроксикоричными кислотами не вызвала изменений в пигментном комплексе листа, зато значительно интенсифицировала световые реакции фотосинтеза. Так в варианте Циркон фотохимическая активность изолированных хлоропластов на 32% превышала контроль (табл. 1). Растения, произрастающие в почве с 2ПДК свинца, характеризовались значительным на 68% снижением количества хлорофилла и увеличением уровня каротиноидов в 2,2 раза против контроля. Повышение количества каротиноидов по-видимому носит защитный характер. Как известно, в фотосинтетических мембранах желтые пигменты выполняют две функции: светособирающую и светозащитную (антиоксидантную). Последняя связана с участием каротиноидов, как легко окисляющихся веществ, в акцептировании активных форм кислорода и, как следствие, в предохранении хлорофилла от фотоокисления [25]. На фоне значительного изменения пигментного комплекса свинец на 57% ингибировал ФХА хлоропластов. Вместе с тем обработка земляники цирконом в условиях свинцового загрязнения снизила негативное воздействие Pb2+ как на пигментный комплекс листа, так и на световые реакции фотосинтеза. В варианте 2ПДК Pb2++циркон количество зеленого пигмента на 18,5% было ниже контроля, а уровень каротиноидов в 1,5 раза выше. При этом реакция Хилла ниже контрольных растений на 25%.
Модификация в антиоксидантном статусе и фотосинтетической деятельности, вызванная разной степенью аккумуляции ионов Pb2+ за счет обработки цирконом, в условиях свинцового загрязнения, в конечном итоге сказалась и на урожайности растений. Так интоксикация свинцом способствовала значительному в 3,7 раза снижению урожая ягод.
Таблица 1. Показатели фотосинтетической деятельности и урожайность земляники садовой в условиях интоксикации катионами свинца
Вариант Содержание пигментов, мг/г сырой массы ФХА хлоропластов мМ ферроцианида / (мг Хл ч) Урожайность, г/куст
хлорофилл кароти-ноиды
Контроль 0,32±0,011 0,10±0,005 10,74±0,52 340,11±20,40
2ПДК Pb2+ 0,19±0,010 0,22±0,008 6,85±0,51 91,61±5,04
Циркон 0,30±0,014 0,08±0,005 14,19±0,78 429,44±27,65
2ПДК Pb2++циркон 0,27±0,017 0,15±0,009 8,56±0,63 261,07±14,05
Обработка цирконом снизила отрицательное действие свинца на урожай. В варианте 2ПДК Pb2++циркон масса ягод с одного куста в 1,3 раза была ниже контроля. При этом обработка земляники гидроксикоричными на почве без загрязнения свинцом увеличила урожай в 1,26 раза.
Таким образом, гидроксикоричные кислоты способствуют снижению аккумуляции ионов Pb2+ в условиях свинцового загрязнения. На фоне этого происходит уменьшение негативного действия свинца на антиоксидантную систему защиты, фотосинтетическую деятельность и урожай. В связи с этим делается вывод о протекторных свойствах гидроксикоричных кислот на физиолого-биохимические процессы растений земляники садовой в условиях интоксикации свинцом.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Милащенко Н. З. Агроэкологический мониторинг / Н. З. Милащенко // Мониторинг природной среды: экология, экономика, практика: тезисы докладов международного симпозиума (28-29 июня 1995 г. Москва). - М.: Изд-во РАН, 1995. - С. 3-4.
2. Кузнецов М.Н. Проблемы загрязнения биосферы тяжёлыми металлами: монография / М.Н. Кузнецов. - Орёл: ВНИИСПК, 2011. - 477 с.
3. Прудникова Е.Г. Влияние экзогенных фитогормонов на продуктивность озимой и яровой пшеницы / Е.Г. Прудникова // Научно-методический электронный журнал Концепт. - 2014. - Т. 20. - С. 4536-4540.
4. Прудников П.С. Некоторые особенности физиолого-биохимических показателей Malus domestica L. при многолетнем техногенном загрязнении / П.С. Прудников // Актуальные проблемы естественнонаучного образования, защиты окружающей среды и здоровья человека (Настоящее и будущее подготовки учащихся и студентов университетов в области естественных наук) - Орел: ФГБОУ ВО «Орловский государственный университет имени И. С. Тургенева», 2016. - С. 325-329.
5. Лысенко Н.Н. Влияние удобрений и фунгицидов на фитосанитарное, физиологическое состояние и продуктивность зерновых культур / Н.Н. Лысенко, Т.Ф. Макеева, Е.Г. Прудникова, Н.Л. Хилкова // Вестник Орловского государственного аграрного университета. - 2012. - Т. 37. № 4. - С. 14-20.
6. Oliveira E. S. Implications of dealing with airborne substances and reactive oxygen species: what mammalian lungs, animals, and plants have to say? / E. S. Oliveira, J.T. Hancock, M. Hermes-Lima M. et al. // Integr. Compar. -Biology. - 2007. - Vol. 47. - P. 578-591.
7. Кошкин Е.И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур / Е.И. Кошкин - М.: Дрофа. - 2010 - 638 с.
8. Осипов А.Н., Азизова О.А., Владимиров Ю.А. Активные формы кислорода и их роль в организме // Успехи биологической химии. 1990. Т.31. №1. С. 25 -32.
9. Курганова Л.Н. Прооксидантно-антиоксидантный статус хлоропластов гороха при действии стрессирующих абиотических факторов среды: 1. Продукция активных форм кислорода и липопероксидации / Л.Н. Курганова, И.В. Балалаева, А.П. Веселов, Ю.В. Синицына, ЕА. Васильева, М.И. Цыганова // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2010. - № 2 (2). - С. 544-549.
10. Лукаткин А.С. О развитии повреждений у растений кукурузы при внезапном и постепенном охлаждении / А.С. Лукаткин // Сельскохозяйственная биология. - 2003. - №5. - С. 63 - 68.
11. Кения М.В. Роль низкомолекулярных антиоксидантов при окислительном стрессе / М.В. Кения, А.И. Лукаш, Е.Г. Гуськов // Успехи современной биологии. - 1993. - Т.113. - №4. - С. 456 - 471.
12. Прудников П.С. Особенности действия гипертермии на гормональную систему и антиоксидантный статус Prunus armeniaca L. / П.С. Прудников, А.А. Гуляева // Селекция и сорторазведение садовых культур: сб.н.тр. Т.2. Конкурентоспособные сорта и технологии для высокоэффективного садоводства: материалы международной научно-практической конференции, посвященной 170-летию ВНИИСПК. Орел: ВНИИСПК. - 2015. - С.151-154.
13. Ермаков А.И. Методы биохимического исследования растений / А.И. Ермаков и др. // 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Агропромиздат. - 1987. - 430с.
14. Стальная И.Д. Метод определения малонового диальдегида с помощью тиобарбитуровой кислоты / И.Д. Стальная, Т.Г. Гаришвили // В кн.: В.Н. Ореховича (ред.) Современные методы в биохимии. М.: Медицина. - 1977. -С. 66 - 68.
15. Зеленский М.И. Потенциометрический метод исследования фотохимической активности хлоропластов / М.И. Зеленский, И.И. Клементьева // Методы комплексного изучения фотосинтеза / Под ред. Быкова О.Д. - Л.: ВИР, 1969. - С. 127 - 141.
16. Гавриленко В.А. Большой практикум по физиологии растений. Фотосинтез. Дыхание / В.А. Гавриленко, М.Е. Ладыгина, Л.М. Хандобина / Под ред. Рубина Б.А. - М.: Высшая школа, 1975. - 392с.
17. Чурсина Е.В. Применение регулятора роста циркон для снижения токсичного действия цинка на продуктивность и химический состав яровой пшеницы / Е.В. Чурсина, И.П. Малахова, Н.К. Сидоранкова // Материалы международной конференции в Сыктывкаре «Современная физиология растений: от молекул до экосистем». - 2007. - Ч.2. - С. 424-425.
18. Кияк Н.Я. Влияние свинца на интенсивность процессов ПОЛ на разных этапах развития гаметофита мха Fumaria Hygrometrica Hedw / Н.Я. Кияк // Материалы международной конференции в Сыктывкаре «Современная физиология растений: от молекул до экосистем». - 2007. - Ч.2. - С. 187 - 189.
19. Zhang Y. The toxic effects of cadmium on cell division and chromosomal morphology of Hordeum vulgare / Y. Zhang, X. Yang // Mutat. Res. - 1994. - V. 312. - P. 121-126.
20. Лихачева А. В. Роль перекисного окисления липидов в регуляции систем поддержания клеточного гомеостаза у растений при стрессовых воздействиях: Диссертация ... кандидата биологических наук / А.В. Лихачева - Нижний Новгород. - 2002. - 152 с.
21. Прудников П.С. Влияние гипертермии на гормональную систему и антиоксидантный статус Prunus Cerasus L. / П.С. Прудников, А.А. Гуляева // Современное садоводство. - 2015. - № 3 (15). - С. 37-44.
22. Vranova E. Signal transduction during oxidative stress / E. Vranova, D. Inze, F.V. Breusegem // Exp. Bot. - 2002. - V.53. № 372. - P.1227-1236.
