CC BY
40
Вісник Дніпропетровського університету. Біологія. Медицина. - 2011. - Вип. 2, т. 2. - С. 123-127. Visnyk of Dnipropetrovsk University. Biology. Medicine. - 2011. - Vol. 2, N 2. - P. 123-127.
УДК 581.2
Т. І. Юсипіва, Ю. П. Коваль
Дніпропетровський національний університет ім. Олеся Гончара
ВПЛИВ ТЕХНОГЕНЕЗУ НА ВМІСТ ЗАГАЛЬНОГО БІЛКА ТА СПІВВІДНОШЕННЯ БІЛКОВИХ ФРАКЦІЙ У НАСІННІ ДЕРЕВНИХ РОСЛИН
Досліджено вплив токсичних газів і важких металів на біохімічні показники репродуктивних органів Acer negundo L., A pseudoplatanus L., Fraxinus lanceolata Borkh. в умовах степового Придніпров’я. Під дією техногенного навантаження суттєво знижується вміст білка в насінні (найбільше A pseudoplatanus). В умовах хронічної дії на деревні рослини SO2, NO2 і важких металів змінюється співвідношення альбумінів і глобулінів у насінні. У F. lanceolata та A negundo зростає частка глобулінів і зменшується альбумінів, у A pseudoplatanus, навпаки, підвищується частка альбумінів. Запропоновано використовувати вміст загального білка та співвідношення білкових фракцій у насінні для фітоіндикації забруднення середовища та стану рослин в зонах техногенезу.
Т. И. Юсыпива, Ю. П. Коваль
Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕНЕЗА НА СОДЕРЖАНИЕ ОБЩЕГО БЕЛКА И СООТНОШЕНИЕ БЕЛКОВЫХ ФРАКЦИЙ В СЕМЕНАХ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ
Исследовано влияние токсических газов и тяжелых металлов на биохимические показатели репродуктивных органов Acer negundo L., A pseudoplatanus L., Fraxinus lanceolata Borkh. в условиях степного Приднепровья. Под действием техногенной нагрузки существенно снижается содержание белка в семенах (значительнее всего у A pseudoplatanus). В условиях хронического действия на древесные растения SO2, NO2 и тяжелых металлов изменяется соотношение альбуминов и глобулинов в семенах. У F. lanceolata и A. negundo возрастает доля глобулинов и уменьшается альбуминов, у A. pseudoplatanus, наоборот, доля альбуминов повышается. Предложено использовать показатели содержания общего белка и соотношение белковых фракций в семенах для фитоиндикации загрязнения среды и состояния растений в зонах техногенеза.
T. I. Yusypiva, J. P. Koval
Oles НопсНаг Dnipropetrovs’k National University
TECHNOGENIC INFLUENCE ON TOTAL PROTEIN AND PROTEIN FRACTIONS RATIO IN WOODY PLANTS’ SEEDS
The influence of toxic gases and heavy metals on biochemical parameters of Acer negundo L., A pseudoplatanus L. and Fraxinus lanceolata Borkh. reproductive organs in conditions of steppe Prydniprov’ya was examined. The protein content in seeds, especially in the sensitive A pseudoplatanus, decreases dramatically under the technogenic influence. The ratio of albumin to globulin in the seeds changes under chronic exposure of SO2, NO2 and heavy metals on the woody plants. In the seeds of F. lanceolata and A negundo the globulins’ content increases but the albumins one decreases, while in the
© Т. І. Юсипіва, Ю. П. Коваль, 2011
seeds of A pseudoplatanus the albumins content increases. We propose further usage of the total protein content and protein fractions ratio in the seeds for phytoindication of the environmental pollution and the plants state in technogenic zones.
Вступ
Екологічні проблеми степового Придніпров’я вирішальним чином зумовлені зростанням техногенного навантаження на природу, внаслідок чого відбувається пошкодження лісових екосистем на територіях, що прилягають до промислових комплексів [3; 7; 15]. Це проявляється у порушеннях процесів росту та розвитку деревних порід [5], змінах морфометричних, анатомічних і біохімічних показників їх вегетативних органів [2; 14; 16] та негативно впливає на репродуктивний розвиток рослин [2; 7; 16; 17]. Один із найважливіших етапів насіннєвого поновлення деревних порід -формування плодів і насіння. Основні запасні речовини рослин - білки, жири та вуглеводи. Білки, крім запасної, виконують більш специфічну, унікальну функцію, утворюючи після свого розпаду пул вільних амінокислот, які використовуються паростком для побудови нових структурних і ферментних білків [8; 11].
Аналіз змін вмісту білка, порушення співвідношення різних його фракцій дає цінну інформацію про ступінь стійкості рослин в умовах екологічних стресів [1]. Виходячи з викладеного, мета даного дослідження - оцінити вплив інгредієнтів промислових викидів SO2, NO2 і важких металів (залізо, ртуть, хром, манган, цинк) на концентрацію загального білка та співвідношення альбумінів і глобулінів у насінні деревних рослин в умовах степового Придніпров’я.
Матеріал і методи досліджень
Об’єкти дослідження - види деревних рослин, які широко використовуються для озеленення зон техногенного навантаження: інтродуценти Acer negundo L. і Fraxinus lanceolata Borkh. та аборигенний вид Acer pseudoplatanus L. Матеріал зібрано у жовтні 2010 р. на двох пробних ділянках: моніторинговій точці, розміщеній у лісовому культурфітоценозі, що прилягає до ЗАТ «Дніпропрес» м. Дніпропетровськ (середні концентрації забруднювальних речовин, за даними ЦЗЛ, становили: SO2 - 0,29 мг/м3, NO2 - 0,24 мг/м3, Zn - 36,2 мг/кг ґрунту, Hg - 0,03 мг/кг, Mn - 287,35 мг/кг, Cr -18 мг/кг, Fe - 910 мг/кг) та контрольній (умовно чистій) зоні - ботанічному саду ДНУ, де, за даними міської санепідемстанції, концентрації токсичних газів і важких металів не перевищують ГДК. Проби насіння відбирали з модельних дерев 25-річного віку із гілок середнього ярусу південно-східного боку крони п’ятого порядку галуження. Вміст загального білка визначали за методикою М. Н. Третьякова [9], співвідношення альбумінів і глобулінів - за [13]. Дані опрацьовано статистично [6].
Результати та їх обговорення
Під дією фітотоксикантів концентрація загального білка в насінні суттєво знижується в усіх вивчених деревних порід (табл.). У A. negundo концентрація протеїнів у насінні дерев, які піддаються хронічному впливу токсичних газів SO2, NO2 і важких металів заліза, ртуті, хрому, мангану, цинку, зменшується порівняно з контрольним значенням на 9,0 % (рис. 1). Значніше цей показник падає у насінні дослідних рослин F. lanceolata, у якого вміст загального білка складає 85,3 % від контролю. Найсуттєвіше ця характеристика знижується в умовах техногенезу у A. рseudo-platanus - на 27,3 % порівняно з рослинами ботанічного саду ДНУ.
За літературними даними, вміст білка в насінні - досить інформативна характеристика стану рослин, які зростають на територіях, прилеглих до промислових
комплексів [2; 4; 10; 12]. І. О. Філонік та Л. Ф. Заморуєва [10] дослідили вплив техногенезу на характеристики білкового обміну Acer platanoides L. та Aesculus hippocas-tanum L. в умовах Дніпропетровська. Автори виявили редукцію вмісту легкорозчинних білків на 7-31 % у насінні A. hippocastanum з найбільше забрудненої ділянки шинного заводу та підвищення вмісту білків у насінні каштана, що зростає на території заводу пресів і в районі річпорту, та у A. platanoides з усіх дослідних техногенних зон [10].
Таблиця
Вплив техногенезу на вміст загального білка в насінні деревних рослин, % абс. сух. маси
Вид Контроль, % абс. сух. маси Моніторингова точка, % абс. сух. маси t
Acer negundo 20,76 ± 0,01 18,90 ± 0,01 18,60
A. pseudoplatanus 27,30 ± 0,02 19,73 ± 0,05 14,07
Fraxinus lanceolata 18,30 ± 0,01 15,60 ± 0,04 74,18
Примітка: t005 = 1,96.
За даними Ю. Є. Колупаєва [4], одним з основних феноменів стресової реакції рослин є гальмування загального синтезу білків і новоутворення стресових білків. При цьому не виключено, що ряд адаптивних реакцій можуть відбуватися і без участі стресових білків. В. П. Бессонова та Т. І. Юсипіва [2] показали, що вміст білків в умовах забруднення середовища токсичними газами SO2 та NO2 практично не змінюється в насінні A. platanoides (у зонах сильного та середнього забруднення) та A. negundo (у моні-торинговій точці із середніми концентраціями токсичних газів в атмосферному повітрі). Концентрація протеїнів у насінні інших об’єктів збільшується: у зоні з високим рівнем забруднення природного середовища SO2 та NO2 кількість білка зростає порівняно з контролем у G. triacanthos на 13,3 %, у R. pseudoacacia - на 14,3 %, у F. lanceolata - на 14,5 %, у T. cordata - на 16,0 % й у F. excelsior - на 21,9 %. По мірі зниження рівня забруднення відмінності між контрольними та дослідними варіантами зменшувалися.
Ю §
S £
Й о
а и h ч
ет 'IS
.S3 on 03
100
80
60
40
20
0
ЩАогг negundo QА. pseudoplatanus QFraxinus lanceolata
Рис. 1. Вплив техногенезу на вміст білка в насінні деревних рослин
Крім зниження концентрації запасних білків у насінні зафіксовано зміни співвідношення білкових фракцій. В умовах чистої зони кількість альбумінів вища (рис. 2), ніж глобулінів у А. negundo (56,0 і 44,0 % відповідно) та менша у А. рseudo-ріаґапш (47,0 та 53,0 % відповідно). У насінні F. іажеоіаґа ці білкові фракції співвідносяться як 50,0 : 50,0 %.
Як показали наші дослідження, у рослин А. negundo і F. іапсеоіаґа, які зростають у лісовому культурфітоценозі, що піддається хронічному впливу токсичних газів Б02, И02 і важких металів (заліза, ртуті, хрому, мангану, цинку), співвідношення білкових фракцій змінюється внаслідок зростання частки глобулінів у насінні. У першого виду
125
вміст альбумінів знижується на 5,0 % відносно контрольних величин (рис. 2, 3). Для другого виду ці зміни ще суттєвіші: вміст альбумінів падає, а глобулінів зростає на 9,0 % порівняно зі співвідношенням цих білкових фракцій у насінні рослин ботанічного саду ДНУ. Для А. рseudoplatanus отримано протилежні результати: у насінні під дією промислових емісій частка альбумінів зростає, а глобулінів, відповідно, зменшується на 5,0 % порівняно з контрольними значеннями.
100
Співвідношення альбумінів / 50
глобулінів, %
0
а б .
□ Альбуміни В Глобуліни
Рис. 2. Вплив техногенезу на співвідношення альбумінів і глобулінів у насінні контрольних рослин Acer negundo (а), A. pseudoplatanus (б) і Fraxmm lanceolata (в)
100'
Сп ів ві дноше ння альбумінів / 50і
глобулінів, %
0
в
□Альбуміни ^Глобуліни
Рис. 3. Вплив техногенезу на співвідношення альбумінів і глобулінів у насінні дослідних рослин Acer negundo (а), A. pseudoplatanus (б) і Fraxinus lanceolata (в)
Отримані дані показали високу чутливість біохімічних показників насіння деревних рослин до впливу техногенних умов зростання.
Висновок
Негативний вплив промислового забруднення середовища викидами ЗАТ «Дніпропрес» викликає значні зміни вмісту запасних протеїнів та співвідношення їх фракцій у насінні деревних порід. Хронічна дія на рослини інгредієнтів промислових викидів спричинює зниження концентрації загального білка, причому найсуттєвіше у
А. рseudoplatanus, а найменше - у А. negundo. В умовах техногенезу в насінні Е lanceolata та А. negundo змінюється співвідношення білкових фракцій у бік зростання частки глобулінів і зменшення частки альбумінів, у А. рseudoplatanus, навпаки, це співвідношення змінюється у бік підвищення частки альбумінів. Виявлені чутливі для моніторингу стану деревних порід в умовах аерогенного забруднення середовища токсичними газами 502, N02 і важкими металами (залізо, ртуть, хром, манган, цинк) біохімічні тест-параметри: вміст загального білка (тест-об’єкт - А. рseudoplatanus) та співвідношення білкових фракцій (тест-об’єкт - Е. lanceolata).
Бібліографічні посилання
1. Бессонова В. П. Методи фітоіндикації в оцінці екологічного стану довкілля. - Запоріжжя : ЗДУ, 2001. - 196 с.
2. Бессонова В. П. Семенное возобновление древесных растений и промышленные поллютанты
(SO2 и NO2) / В. П. Бессонова, Т. И. Юсыпива. - Запорожье : ЗДУ, 2001. - 193 с.
3. Зміни лісових екосистем під впливом аеротехногенного забруднення / П. С. Пастернак,
B. П. Ворон, Т. Ф. Стельмахова та ін. // Пром. ботаника. Сост. и перспективы развития. Тез. докл. Междунар. конф. - Кривой Рог, Донецк, 1993. - С. 129.
4. Колупаєв Ю. Є. Стресові реакції рослин (молекулярно-клітинний рівень). - Харків, 2001. - 173 с.
5. Мартынюк А. А. Влияние промышленных выбросов на рост и производительность сосновых древостоев / А. А. Мартынюк, Н. И. Данилов // Лесное хоз-во. - 1989. - № 4. - С. 17-19.
6. Приседський Ю. Г. Статистична обробка результатів біологічних експериментів. - Донецьк : ДДУ, 1999. - 210 с.
7. Смит У. Х. Лес и атмосфера. - М. : Прогресс, 1985. - 429 с.
8. Соболев А. М. Отложение веществ в запас / А. М. Соболев, Л. П. Жданова // Физиология семян. -М. : Наука, 1982. - С. 48-101.
9. Третьяков М. Н. Практикум по физиологии растений / М. Н. Третьяков, Т. В. Карнаухова, Л. А. Паничкин и др. - М. : Агропромиздат, 1990. - 270 с.
10. Філонік І О. Фізіолого-біохімічні характеристики білкового та ліпідного обмінів насіння клена та каштана з різних ділянок техногенного забруднення м. Дніпропетровська / І. О. Філонік, Л. Ф. За-моруєва // Вісник Дніпропетр. ун-ту. Біологія. Екологія. - 2005. - Вип. 13, т. 1. - С. 271-276.
11. Хавкин Э. Е. Обмен веществ прорастающих семян // Физиология семян. - М. : Наука, 1982. -
C. 275-310.
12. Шупранова Л. В. Исследование влияния ксенобиотиков разной природы на катаболизм запасных белков прорастающих семян кукурузы / Л. В. Шупранова, В. В. Задорожняя // Рослини і промислове середовище. Тези доп. Міжнар. наук.-практ. конф. - Д : Вид-во ДНУ, 2002. - С. 35-36.
13. Энциклопедия клинических лабораторных тестов / Под ред. Н. Типа. - М. : Лабинформ, 2000. -189 с.
14. Boguslavskaya L. V. Protein system of meristematic cells of roots under the combined effect of cadmium ions and soil herbicide // Kluczowej Aspecty Naukowej Dzialnosci-2010. Mater. V Mi^dz. Nauk.-Prakt. Konf. - Przemsl : Nauka i studia, 2010. - Vol. 14. - P. 47-49.
15. Jager H.-S. Biochemical and physiological effects of SO2 on plants / H.-S. Jager, H. Klein // Angew. Bot. - 1980. - Vol. 54, N 5-6. - S. 337-348.
16. Jusypiva T. Woody undergrowth: Stem anatomy and Industrial SO2 and NO2 pollution // NATO Advanced Research Workshop (ARW): Environmental and Food Security And Safety In Southeast Europe And Ukraine. - Dnipropetrovs’k, Ukraine, 2011. - P. 57-58.
17. Nosko P. The effect of aluminum on seed germination and early seedlings establishment, growth, and respiration on white spruse (Picea glauca) / P. Nosko, P. Brassard, J. R. Kramer, K. A. Kershaw // Can. J. Bot. - 1988. - Vol. 66, N 11. - P. 2305-2310.
18. Raynal D. J. Response of tree seedlings to acid precipitation. II. Effect of substrate acidity on seed germination / D. J. Raynal, J. R. Roman, W. M. Eichenlaub // Environ. and Exp. Bot. - 1982. - Vol. 22, N 3. - P. 377-383.
Надійшла до редколегії 14.07.2011
