CC BY
41
УДК 574.24 : 581.19
Масленников П.В.1, Велиева Э.Т.2, Галямова Ю.Р.3 ©
:Канд. биол. наук, доцент кафедры молекулярной физиологии и биофизики;2,3студент кафедры молекулярной физиологии и биофизики, Химико-биологический институт Балтийского
федерального университета им. И. Канта
РОЛЬ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ АНТИОКСИДАНТОВ В АДАПТАЦИИ ОЗИМОЙ РЖИ (SECALE CEREALEL.) К ТОКСИЧЕСКОМУ ДЕЙСТВИЮ CdCb
Аннотация
Увеличение концентрации CdCl2 стимулирует накопление антоцианов и рутина, одновременно ингибируя процессы накопления хлорофилла а и b, ростовые процессы, как в ростках, так и в корнях озимой ржи. Высокая концентрация CdCl2 ингибировала накопление АК. Уровень антоцианов можно рассматривать, как тест, диагностирующий воздействие загрязнения ТМ на состояние растений на самых ранних этапах.
Ключевые слова: тяжелые металлы, кадмий, антоцианы, антиоксиданты, устойчивость растений.
Keywords: heavy metals, cadmium, anthocyans, antioxidants, fastness of plants.
Среди большого числа абиотических факторов, вызывающих стресс у растений, в последнее время все большее значение приобретает токсическое действие тяжелых металлов. Возрастающая антропогенная нагрузка на природные экосистемы сопровождается не только нарушением естественного равновесия биоценозов, но и накоплением в растениях различных поллютантов в том числе и ТМ [1-3]. Фитотоксичность тяжелых металлов и устойчивость к ним растений зависят от многих условий. Токсическому действию высоких концентраций тяжелых металлов подвержены многие физиологические и биохимические процессы, такие как минеральное питание, водный режим, фотосинтез, дыхание, рост, развитие и другие [4]. Одним из основных механизмов токсического действия ТМ на растения является их способность замещать ионы других металлов и взаимодействовать с функциональными группами макромолекул. Негативное воздействие ТМ на живой организм также опосредовано повреждающим действием активных форм кислорода (АФК), которые генерируются в этих условиях. Действие ТМ носит плейотропный характер и приводит к нарушению многих физиологических процессов в клетке. Известно, что тяжелые металлы негативно влияют также на функционирование хлоропластов [5]. Токсическое действие на фотосинтетические процессы ТМ оказывают не только за счет нарушения водного статуса и газообмена, но и путем инактивации ключевых ферментов метаболических путей и белков тилакоидных мембран, снижения содержания пигментов [6,7]. В ответ на действие стрессора в клетке формируются защитные механизмы, которые могут быть неспецифическими (общими) или специализированными. Например, в ответ на действие ТМ, повышается синтез антиоксидантных ферментов и протекторных низкомолекулярных органических соединений [8]. К специфическим механизмам адаптации к высоким концентрациям ТМ относятся синтез фитохелатинов и металлотионеинов, инактивирующих избыток ТМ [9].Однако, многие вопросы распределения, токсического действия и механизмов ответа клеток на соли ТМ до сих пор остаются мало изученными.В связи с этим целью данной работы явилось изучение неспецифических механизмов адаптации растений к высоким концентрациям солей кадмия (CdCb). Для реализации данной цели определялось содержание антоцианов, каротиноидов, рутина, аскорбиновой кислоты и фотосинтетических пигментов в листьях растений озимой ржи, произрастающих в присутствии различных концентраций CdCl2.
В качестве тест-объекта использовались 10-дневные проростки озимой ржи (SecalecerealeL.) сорта Пуховчанка, выращенные в чашках Петри в климатической камере Binder 720 KBWF (Binder, Германия) в условиях постоянного освещения (7 Дж/м2.с) при
©Масленников П.В., Велиева Э.Т., Галямова Ю.Р., 2013 г.
комнатной температуре (18-22°С) в присутствии различных концентраций CdCl2(100-2000 мкмоль/л). Контрольные растения выращивались на дистиллированной воде. Каротиноиды, хлорофилла и Ь, антоциановые пигменты исследовали спектрофотометрически [10]. Количественное определение аскорбиновой кислоты проводилось титрационным методом [10]. Количественный уровень рутина определялся по методике Кушмановой[10].
Исследования показали, что высокие концентрации CdCl2 в среде ингибировалидлину ростков и корней озимой ржи в 2,5 раза и в 3,4 раза (1000 мкмоль/л) соответственно по сравнению с контрольными растениями. При концентрации 100 мкмоль/л наблюдалась стимуляция роста корней, данные по длине ростков не имели статистической достоверности. При концентрации 2000 мкмоль/л растения не прорастали (рис.1).
Рис. 1. Влияние различных концентраций CdCh на длину ростков и корней 10-дневных проростков
озимой ржи
Отмечается, что увеличение концентрации CdCl 2 в среде стимулировало накопление антоциановых пигментов и рутина в растениях озимой ржи в 1,8-1,9 раза по сравнению с контролем. Увеличение содержания флавоноидов наблюдалось с концентрации CdCl2 250мкмоль/л для антоцианов (рис.2) и 500 мкмоль/л для рутина (рис.3)
Рис.2.Влияние различных концентраций CdCl2 на содержание антоцианов в листьях 10-дневных
проростков озимой ржи
Контроль
Концентрация <
Рис. 3. Влияние различных концентраций CdCl2 на содержание рутина в листьях 10-дневных
проростков озимой ржи
Обнаружено, что уровень зеленых пигментов имел противоположную тенденцию: содержание хлорофилла аиЬ уменьшилось в 1,6 раза и 1,23 раза соответственно по сравнению с контролем (1000 мкмоль/л).Минимальная ингибирующая концентрация для хлорофилла а иЬ составила -250 мкмоль/л и 500 мкмоль/л соответственно. Содержание каротиноидов при концентрации CdCl2 100-250 мкмоль/л снизилось в 1,5 раза, затем при увеличении концентрации соли кадмия (500-1000 мкмоль/л)их уровень восстановился до содержания пигментов в контрольных растениях.
Увеличение концентрации CdCl2 до 250мкмоль/л стимулировало накопление АК в растениях озимой ржи в 1,35 раза по сравнению с контролем. Дальнейшее увеличение концентрации CdCl2 (500-1000 мкмоль/л) ингибировало синтез АК: содержание снизилось в 1,3 раза по сравнению с контрольными растениями.
Таким образом, увеличение концентрации CdCl2стимулирует накопление антоциановых пигментов (250-1000 мкмоль/л) и рутина (500-1000 мкмоль/л), одновременно ингибируя процессы накопления хлорофилла а и b, ростовые процессы, как в ростках, так и в корнях озимой ржи. Снижение содержания хлорофилла bнаблюдалось при большей концентрации хлорида кадмия (500 мкмоль/л), чем это отмечалось для хлорофилла а (250 мкмоль/л). Содержание каротиноидов и АК имело прямо противоположную тенденцию: концентрация CdCl2 (250 мкмоль/л)- стимулировала накопление в растениях АК одновременно вызвав резкое падение содержания каротиноидов.
Следовательно, минимальной концентрацией, которая вызвала сдвиги в биохимических показателях растений и ростовых процессах в ответ на химический стресс - является концентрация CdCl2 (250 мкмоль/л). Наиболее чувствительным к этой концентрации ТМ оказалось содержание в растениях антоцианов и АК, уровень которых начал увеличиваться, но тенденция накопления у антоцианов сохранилась и при более высоких концентрациях. Уменьшение содержания хлорофилла а и каротиноидов, ингибирование роста корней- также можно причислить к ответной реакции растений на химических стресс.Эндогенный уровень антоциановых пигментов можно использовать как показатель физиологического состояния клеток растительных организмов, тканей и растительных экосистем в целом [11,12] . Содержание антоцианов может служить тестом, характеризующим степень воздействия на окружающую среду загрязнений ТМ, что может быть полезно для их оперативной биоиндикации при экологическом мониторинге растительных сообществ на самых ранних этапах.
Литература
1. Зарипова Н.Р., Стефанович К.Ю. Сравнение влияния ионов кадмия, меди и никеля на растения ячменя на ранних этапах развития// Вестник Тверского государственного университета. Серия «Биология и экология». 2008.Вып. 1.С. 116-122.
2. Масленников П.В. Экологические аспекты накопления антоциановых пигментов в растениях: автореф. дис. канд. биол. наук, Калининград, 2003.
3. 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.
4. Шевякова Н.И., Нетронина И.А., Аронова Е.Е., Кузнецов В.В. Распределение Cd и Fe в растениях Mesembryanthemumcrystallinum L. при адаптации к Cd-стрессу// Физиология растений. 2003. Т. 50. С.756-763.
5. Cobbett C.S. Phytochelatins and their roles in heavy metal detoxification// Plant Physiol. 2000. V. 123. P. 825-832.
6. 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. 171185.
7. Серегин И.В., Иванов В.Б. Физиологические аспекты токсического действия кадмия и свинца на высшие растения // Физиология растений. 2001. Т. 48. № 4. С. 606-630.
8. Масленников П.В., Чупахина Г.Н., Красноперов А.Г. Использование метода газоразрядной визуализации при оценке антиоксидантного статуса растений в условиях токсического действия кадмия // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2013. № 7. С. 14-21.
9. Чупахина Г.Н., Масленников П.В., Скрыпник Л.Н. Природные антиоксиданты (экологический аспект) : монография. Калининград: Изд-во БФУ им. И. Канта, 2011.
10. Чупахина Г.Н.,Масленников П.В. Методы анализа витаминов: практикум. Калининград: Изд-во КГУ, 2004.36 с.
11. Чупахина Г.Н., Масленников П.В. Адаптация растений к нефтяному стрессу //Экология.2004.№5. С. 330-335.
12. 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.
