CC BY
37
УДК 581.1 : 581.5
Масленников П.В. ©
Канд. биол. наук, доцент кафедры молекулярной физиологии и биофизики, Химико-
биологический институт Балтийского федерального университета им. И. Канта
РЕАКЦИЯ АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ ЧИНЫ ПРИМОРСКОЙ (LATHYRUS MARITIMUS BIGEL.) НА ДЕЙСТВИЕ ИОНОВ КАДМИЯ
Аннотация
Увеличение концентрации Cd в почве стимулирует накопление в листьях чины приморской антоцианов, каротиноидов, и способствует снижению содержания фотосинтетических пигментов, водорастворимых антиоксидантов, аскорбиновой кислоты и рутина. Фоновое содержание антоцианов в растениях чины приморской подвержено сезонной динамике и зависит от условий произрастания растений.
Ключевые слова: тяжелые металлы, кадмий, антоцианы, антиоксиданты, устойчивость растений.
Keywords: heavy metals, cadmium, anthocyans, antioxidants, fastness of plants.
Попадая в почву ионы тяжелых металлов, накапливаются в ней, мигрируют и их подвижная форма наиболее доступна для растений. Их токсическому действию подвержены многие физиологические и биохимические процессы растений, такие как минеральное питание, водный режим, фотосинтез, дыхание, рост, развитие и другие [1]. Однако, многие вопросы распределения, токсического действия и механизмов ответа клеток на соли тяжелых металлов (ТМ) до сих пор остаются мало изученными. Особый интерес представляет изучение механизмов формирования устойчивости к ТМ дикорастущих форм. Растения экосистем Куршской косы испытывают одновременное воздействие целого комплекса неблагоприятных факторов, и могут считаться эталоном экологической устойчивости [2]. В связи с этим целью данной работы явилось изучение неспецифических механизмов адаптации чины приморской к высоким концентрациям солей кадмия (CdCl2).
В качестве объекта исследования использовались растения чины приморской (Lathyrus maritimus Bigel.). Сбор растений проводился с наветренной и подветренной сторон авандюны в течение вегетации 2009-2013 г.г. в период с апреля по ноябрь. Для исследований были выбраны несколько пробных исследовательских участков (ИУ) на территории ФГУ НП «Куршская коса». В лабораторных исследованиях растения чины приморской выращивались в климатической камере Binder 720 KBWF (Binder, Германия) в условиях постоянного освещения (7 Дж/м2с) при комнатной температуре (18-220С). В течение 40 дневного вегетационного периода исследуемые растения находились на песчаной почве, в которую вносили одноразово при закладке опыта от 2 до 200 мг/кг CdCl2 . В листьях исследуемых растений спектрофотометрически определялось содержание каротиноидов, хлорофилл а и b, антоциановых пигментов [3]. Количественное определение аскорбиновой кислоты проводилось титрационным методом [3], рутина - по методике Кушмановой [3]. Суммарное содержание водорастворимых антиоксидантов (АОА) определялось амперометрическим методом на приборе «Цвет Яуза 01-ААА» по методике Яшина Я.И. [4]. Содержание исследуемых веществ приведено на грамм сухого веса. Полученные данные обработаны статистически, различия в обсуждаемых данных между контролем и вариантами опыта достоверны при уровне значимости р < 0,05.
Известно, что одним из биохимических показателей реакции растений на изменение факторов внешней среды, степени их адаптации к новым экологическим условиям является содержание хлорофиллов и каротиноидов - главных фоторецепторов фотосинтезирующей клетки. В литературе нет единого мнения о механизме действия поллютантов на пигментный
© Масленников П.В., 2013 г.
комплекс растений [5]. Очевидно, степень их воздействия зависит от вида растения, условий произрастания, состава и концентрации токсикантов, а также длительности их воздействия. Установлено, что реакция пигментного аппарата чины приморской зависела от концентрации CdCl2. Так, при содержании в почве CdCl2 до 50 мг/кг (100 ОДК) отмечена стимуляция накопления зеленых пигментов (табл. 1.). Уровень хлорофилла а и Ь в листьях чины приморской был выше контрольного в 2,7 и 4,1 раза.
Таблица 1
Влияние различных концентраций CdCl2 в почве на накопление биологически-активных веществ и фотосинтетических пигментов в листьях чины приморской
Содержание CdCl2 в почве, мг/кг
К 20 50 100 200
АК, мг% 171,2±9,2 178,5±12,3 130,4±8,1 72,2±7,3 62,7±4,7
Рутин, мг% 6,3±0,4 4,7±0,4 3,6±0,3 2,7±0,3 1,6±0,2
Антоцианы, х10-3% 38,4±2,1 62,6±2,5 76,7±3,2 89,6±4,6 190,4±5,9
Хлорофилл а, мг/г 0,54±0,04 0,86±0,05 0,88±0,04 0,46±0,03 0,40±0,03
Хлорофилл Ь, мг/г 0,23±0,02 0,51±0,02 0,47±0,02 0,24±0,01 0,2±0,01
Каротиноиды, мг/г 0,20±0,02 0,29±0,02 0,35±0,02 0,36±0,03 0,38±0,02
АОА, мг/г 1,45±0,07 1,21±0,05 1,15±0,04 1,00±0,05 0,45±0,04
* К - контроль
В дальнейшем более высокие концентрации CdCl2 (100-200 мг/кг, 200-400 ОДК) снижали содержание зеленых пигментов в исследуемых растениях. Уменьшение концентрации суммы пластидных пигментов в 1,4 раза (CdCl2, 200 мг/кг) по сравнению с контролем и наличие сильной обратной корреляционной зависимости между их содержанием и уровнем Cd в почве (г= -0,87), очевидно, приводит к снижению фотосинтетической активности пигментной системы растений вследствие сильного разрушающего действия поллютанта.
Изучение пула других пластидных пигментов - каротиноидов выявило повышение их уровня в растениях чины приморской с увеличением концентрации CdCl2 в почве. Минимальная концентрация CdCl2 в почве стимулирующая накопление каротиноидов в исследуемых растениях составила 20 мг/кг (40 ОДК). При максимальной концентрации хлорида кадмия уровень каротиноидов превышал контрольный в 1,9 раза. В растительных тканях при концентрации 100-200 мг/кг CdCl2 в почве наблюдалось снижение величины отношения суммы зеленых пигментов к сумме желтых (49,6-59,7%), что является симптомом неудовлетворительного состояния растений [5]. Выявлена также высокая положительная корреляционная связь между содержанием Cd в почве и накоплением в растительных тканях каротиноидов (г= 0,83).
Оценка реакции исследуемых растений на воздействие высоких концентраций CdCl2 на уровне антиоксидантной системы показала, что содержание водорастворимых
антиоксидантов (АОА) снижалось с увеличением содержания солей кадмия в почве. Так, при максимальной концентрации CdCl2 (200 мг/кг) в почве АОА в листьях чины приморской снизилась в 3,2 раза по сравнению с контролем. Минимальная концентрация CdCl2 в почве ингибирующая АОА составила - 2 мг/кг (4 ОДК). Также в листьях чины приморской при увеличении концентрации CdCl2 в почве наблюдалось снижение уровня аскорбиновой кислоты и рутина: рутина - в 4,1 раза, АК - 2,7 раза (200 мг/кг, 400 ОДК) по сравнению с контролем. Минимальная концентрация CdCl2 в почве ингибирующая накопление рутина -20 мг/кг (40 ОДК), АК- 50 мг/кг (100 ОДК). Более низкие концентрации не оказывали существенного влияния на содержание этих антиоксидантов в исследуемых растениях. Отмечена отрицательная корреляция с высокой степенью сопряженности между содержанием Cd в почве и накоплением рутина (r= -0,92) и аскорбиновой кислоты (r= -0,91) в листьях чины приморской.
В отличие от водорастворимых антиоксидантов антоцианы реагируют на загрязнение почвы кадмием иначе. С увеличением концентрации CdCl2 в почве их уровень в растениях чины приморской увеличивается. При концентрации CdCl2 - 200 мг/кг содержание антоцианов в листьях чины приморской превышало контрольный уровень в 5 раз. Минимальная концентрация CdCl2 в почве стимулирующая активацию биосинтеза флавоноидов в исследуемых растениях соответствовала 2 мг/кг (4 ОДК).
Механизм токсического действия кадмия заключается в нарушении деятельности многих ферментов, изменении водного баланса, накоплении балластных токсических веществ, разрушении фотосинтетических структур, появлении автокаталитических цепных реакций свободнорадикального окисления [6]. Согласно принципу множественности адаптаций, она реализуется тем эффективнее, чем больше имеется первичных приспособительных реакций, однако, как показали наши исследования, их одновременное включение ограничивается в условиях загрязнения ТМ энергетическими возможностями растений. Снижение накопления фотосинтетических пигментов и их деструкция, несомненно, приводят к изменению активности фотосинтетического аппарата, скорости накопления ассимилятов, снижению содержания водорастворимых антиоксидантов, АК, рутина, что в конечном итоге отражается на росте и продуктивности растений, а затем и их ранней гибели. Кроме этого, следует отметить, что необходимым условием устойчивости растений к токсическому действию кадмия является изолирование избыточного его количества от зон активного метаболизма. Это может осуществляться как путем детоксикации Cd непосредственно в цитозоле, так и его компартментацией в вакуоли [7; 8]. Активное накопление антоцианов в вакуолях клеток может повысить эффективность антиоксидантной системы в процессах нейтрализации продуктов окислительного стресса и способствовать повышению устойчивости растений к действию поллютанта. Активация накопления антоциановых пигментов в условиях токсического действия кадмия, а также высокая положительная корреляционная зависимость между содержанием Cd в почве и накоплением антоцианов в вакуолях (r= 0,97) исследуемых растений позволяет отнести их биосинтез к неспецифическим механизмам адаптации растений к высоким концентрациям металла, а их содержание использовать в качестве теста характеризующего реакцию растений на уровень загрязнения территорий ионами кадмия.
Анализ фонового содержания антоциановых пигментов в растениях чины приморской в природных экосистемах Куршской косы показал, что максимальный уровень антоцианов наблюдался в начале периода вегетации (апрель-май, фенологическая фаза - весеннее возобновление вегетации). В дальнейшем уровень антоцианов в растительных тканях чины снижался (июнь-сентябрь). Так, например, содержание антоцианов в листьях чины в начале вегетации (апрель) был в 4,4 раза выше по сравнению с аналогичным показателем в июле. Незначительное повышение содержания антоцианов наблюдалось в листьях чины в конце периода вегетации. Уровень антоцианов также менялся в зависимости от расположения ИУ на территории Национального Парка. В начале вегетации (апрель-май) более высокое
содержание данных пигментов наблюдалось в листьях исследуемых растений, собранных на авандюне высотой 5-6 м над уровнем моря (ИУ2). Кроме этого, растения чины на всех ИУ характеризовались более высоким содержанием антоцианов по сравнению с контролем на всем протяжении вегетационного периода. Фоновое содержание антоцианов было ниже в 1,9 раза аналогичного показателя в растениях чины приморской при минимально-стимулирующей концентрации CdCl2 в почве (2 мг/кг, 4 ОДК).
Таким образом, высокие концентрации кадмия в почве стимулируют в листьях чины приморской накопление антоцианов, каротиноидов, и способствуют снижению содержания фотосинтетических пигментов, водорастворимых антиоксидантов, АК и рутина. Фоновое содержание антоцианов в растениях чины приморской подвержено сезонной динамике и зависит от условий микроклимата произрастания растений (высота авандюны, наветренная, подветренная сторона, дюна со стороны залива). Определение фонового содержания антоцианов в листьях чины приморской в условиях естественной вегетации позволяет заложить прочную основу для осуществления постоянного экологического мониторинга физиологического состояния растений и растительных сообществ Куршской косы в условиях загрязнения ионами кадмия.
Литература
1. Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнима Н.М., Лайдинен Г.Ф. Устойчивость растений к тяжелым металлам // Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. 172 с.
2. Дедков В.П., Масленников П.В., Гребенев Н.Н. Содержание антоцианов как показатель нефтяного загрязнения растений и растительных сообществ дюн Куршской косы // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2006.№ 1. С. 102-108.
3. Масленников П.В. Экологические аспекты накопления антоциановых пигментов в растениях: автореф. дис.... канд. биол. наук, Калининград, 2003.
4. Яшин А.Я., Яшин Я.И. Новый прибор для определения антиоксидантной активности пищевых продуктов, биологически активных добавок, растительных лекарственных экстрактов и напитков // Приборы и автоматизация. 2004. № 11. С. 45-48.
5. Чупахина Г.Н., Масленников П.В., Скрыпник Л.Н., Бессережнова М.И. Реакция пигментной и антиоксидантной систем растений на загрязнение окружающей среды г. Калининграда выбросами автотранспорта // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2012. № 2. С. 171-185.
6. Чупахина Г.Н., Масленников П.В., Мальцева Е.Ю., Фролов Е.М., Бессережнова М.И. Антиоксидантный статус растений в условиях загрязнения кадмием городской среды // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2011. № 7. С. 16-23.
7. Холодова В.П., Волков К.С., Кузнецов В.В. Адаптация к высоким концентрациям солей меди и цинка растений хрустальной травки и возможность их использования в целях фиторемедиации // Физиология растений. 2005. Т.52. №6 С. 848-858.
8. Чупахина Г.Н., Масленников П.В., Скрыпник Л.Н. Природные антиоксиданты (экологический аспект) : монография. Калининград: Изд-во БФУ им. И. Канта, 2011.
