WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 32 | 33 || 35 | 36 |   ...   | 43 |

Произрастание древесных растений в условиях повышенного содержания тяжелых металлов обуславливает процессы их сорбции, перераспределения, а также аккумуляции в различных тканях и органах. Ранее проведенное исследование показало, что в листьях B. pendula в значительном количестве аккумулируются Zn (86-180 мг/кг сухого вещества), Cd (0,14-0,15 мг/кг), Mn (240-340 мг/кг) и Ni (5,0-7,2 мг/кг) [3]. При этом аккумуляция токсичных тяжелых металлов сопряжена с развитием широкого спектра индуцированных изменений, затрагивающих разные уровни организации растения.

Универсальной стресс-реакцией растений является интенсивная генерация в клетках активных форм кислорода (АФК), в том числе относительно стабильной и способной диффундировать от места образования перекиси водорода [18]. Проведенное исследование показало, что в листьях B.

pendula, произрастающей в условиях техногенного загрязнения, содержание H2O2 было в 1,4-1,6 раз больше, чем в контроле (рис. 1).

Рис. 1. Содержание перекиси водорода в листьях B. pendula Количество МДА, являющегося продуктом перекисного окисления (ПОЛ) фосфолипидов мембран, в листьях B. pendula также было больше контрольного значения в 2 раза (рис. 2). Полученные результаты свидетельствуют о том, что в листьях B. pendula развивается окислительный стресс, который, как известно, является мощным фактором повреждения 318 А. Р. Гарифзянов, В. В. Иванищев, Е. Н. Музафаров растительного организма, выражающегося в нарушении интенсивности и направленности многих метаболических путей.

Рис. 2. Содержание малонового диальдегида в листьях B. pendula При этом одним из наиболее чувствительных к индуцированному окислительному стрессу аппаратов растений является фотосинтетический.

Проведенное исследование (табл. 1) показало, что в условиях промышленного загрязнения содержание хлорофилла а, b и каротиноидов в листьях B. pendula было ниже, чем в контроле в 2-2,4 раза, 23% и 25-30% соответственно. В настоящее время хорошо известно, что по своим функциональным свойствам молекулы пигментов различаются, поэтому критичным для поддержания нормального уровня фотосинтеза и сопряженных энергетических процессов является соотношение разных фотосинтетических пигментов [8].

Проведенное исследование показало, что соотношение количества двух форм хлорофилла ( Хлa/Хлb ) в листьях B. pendula, а также количества общего хлорофилла (Хл(a + b)) и содержания каротиноидов в контроле было в пределах 2,5 и 5,54 соответственно. Такое соотношение фотосинтетических пигментов является типичным для здоровых, хорошо функционирующих зеленых растений [10]. Однако в условиях техногенного загрязнения соотношение пигментов (табл. 1) в листьях B. pendula оказывалось ниже контрольного значения: Хлa/Хлb в 1,5 раза, Хл(а + b)/Кар на 16-20%. Разбалансировка между количеством фотосинтетических пигментов в листьях свидетельствует о неблагоприятных изменениях активности фотосинтетического аппарата B. pendula.

Оценка устойчивости Betula pendula Roth. на загрязненных территориях Таблица Показатели поврежденности B. pendula в условиях индуцированного поллютантами окислительного стресса Содержание Показатели водного обмена Точка пигментов, пробоотмг/г свежей массы бора Хл a Хл b Кар Относитель- Осмотичес- Интенсивное кий ность транссодержание потенциал, пирации, воды, % МПа ± мг/г*час ± Контроль 1,89± 0,77± 0,48± 77,2 -1,21±0,10 234±±0,23 ±0,07 ±0,I 0,96± 0,59± 0,35± 64,8 -1,83±0,14 432±±0,13 ±0,09 ±0,II 0,80± 0,57± 0,32± 65,7 -1,68±0,19 404±±0,18 ±0,06 ±0,Поллютанты в значительной мере влияют и на другие сопряженные энергетические процессы, в том числе водный обмен. Проведенное нами исследование показало, что под влиянием промышленного загрязнения происходило изменение основных показателей водного обмена B. pendula (см.

табл. 1). В частности, в листьях величины содержания воды и осмотического потенциала клеточного сока были меньшими, чем в контроле, в среднем на 15% и 40% соответственно.

Снижение осмотического потенциала клеточного сока свидетельствует о поддержание высокой водопоглотительной способности клеток. Однако высокая водопоглотительная способность не позволяет удерживать в тканях воду, что подтверждается снижением относительного содержания воды. Причина этого, как показало исследование, кроется в увеличении интенсивности транспирации. В частности, было установлено увеличение интенсивности транспирации в техногенно загрязненной среде в 1,8 раз по сравнению с контролем (см. табл. 1). Увеличение интенсивности транспирации, происходящее на фоне снижения относительного содержания воды и осмотического потенциала клеточного сока, может быть связано с повреждением механизмов устьичной и внеустьичной регулировки транспирации, что в свою очередь обусловлено накоплением в клетках B. pendula избыточных количеств перекиси водорода и интенсификацией ПОЛ. В частности, прослеживается тесная взаимосвязь между относительным содержанием воды в тканях B. pendula и интенсивностью ПОЛ (по накоплению МДА), которая подтверждается отрицательным коэффициентом корреляции (r), равным -0,94.

2.2. Антиоксидантная система B. pendula в стрессовых условиях. Известно, что в стрессовых условиях судьба растений зависит, с одной стороны от силы стрессового воздействия, с другой от устойчивости 320 А. Р. Гарифзянов, В. В. Иванищев, Е. Н. Музафаров растений к данному виду стрессора. Важнейшим механизмом устойчивости в условиях промышленного загрязнения является активизация биохимической многоуровневой и многокомпонентной системы антиоксидантной защиты (АОС). Важнейшим компонентом АОС являются низкомолекулярные протекторные метаболиты, в ряде случаев способные более эффективно осуществлять защиту организма от образующихся АФК [12].

Проведенное исследование показало, что воздействие поллютантов приводит к изменению количества накопленных в листьях низкомолекулярных соединений, проявляющих антиоксидантные свойства (табл. 2). В частности показано, что в листьях B. pendula, произрастающей в условиях промышленного загрязнения, содержание аскорбиновой кислоты и суммы водорастворимых фенольных соединений было ниже контрольного значения на 26-37%, а флавоноидов в 1,5-2,6 раз. Одновременно с этим количество восстановленного глутатиона в листьях B. pendula I точки пробоотбора оказалось большим, чем в контроле в 1,5 раза.

Таблица Компоненты антиоксидантной системы B. pendula в условиях промышленного загрязнения Содержание Активность, Точка мкмоль/мин*г пробоотбора аскорби- глута- суммы флавонои- гваяко- каталазы новой тиона, феноль- дов, мг/г ловой кислоты, мг/г ных сухой пероксимг/г свежей соедине- массы дазы свежей массы ний, мг/г массы сухой массы Контроль 1,43±0,10 0,87±0,06 33,1±0,6 32,4±0,2 0,009± 85±±0,I 1,05±0,08 1,27±0,06 18,9±0,6 12,6±0,5 0,044± 107±±0,II 0,90±0,07 0,82±0,07 24,6±0,9 21,5±0,3 0,054± 116±±0,Кроме того, в листьях B. pendula, произрастающей на территории I точки пробоотбора, содержалось в 2 раза больше пролина, чем в контроле (рис. 3).

Однако, поскольку аккумуляция метаболита не способствовала снижению негативных проявлений окислительного стресса (накопление в листьях H2O2 и МДА, нарушения в работе фотосинтетического аппарата и водного обмена (табл. 1)), то можно предположить, что для B. pendula пролин не вносит существенного вклада в формирование общего антиоксидантного потенциала.

Оценка устойчивости Betula pendula Roth. на загрязненных территориях Рис. 3. Содержание пролина в листьях B. pendula Вл.В. Кузнецов и Н.И. Шевякова [6] высказали точку зрения, что защитные эффекты пролина при стрессе могут быть связаны не столько с его прямым антиоксидантным действием, сколько со способностью уменьшать осмотические и токсические эффекты стрессоров. Данное утверждение получило свое подтверждение. В частности, был обнаружен высокий отрицательный коэффициент корреляции между величиной осмотического потенциала и концентрацией пролина в листьях B. pendula, равный -0,73.

Несмотря на значительную роль низкомолекулярной АОС при стрессе специфическими молекулами, эволюционно сформированными для тушения АФК, прежде всего, супероксидного анион-радикала и, особенно, перекиси водорода, являются антиоксидантные ферменты. Во многих публикациях показана корреляция между устойчивостью растений к стрессам различной природы и эффективностью работы антиоксидантных ферментов [13]. Проведенное исследование показало, что в условиях техногенного загрязнения в листьях B. pendula происходила активация гваяколовой пероксидазы и каталазы (табл. 2). В частности, активность гваяколовой пероксидазы была выше в 5-6 раз, а каталазы на 25% по сравнению с контролем. При этом повышение активности ферментов и интенсивность окислительного стресса в клетках B. pendula соотносятся неоднозначно.

Несмотря на кратное увеличение активности пероксидазы и каталазы в клетках B. pendula интенсивно идут процессы ПОЛ (рис. 1, 2). Это приводит к нарушениям в работе фотосинтетического аппарата и процессов водного обмена (табл. 1). В соответствии с этим можно предположить, что даже увеличение активности антиоксидантных ферментов не позволяет B. pendula 322 А. Р. Гарифзянов, В. В. Иванищев, Е. Н. Музафаров справиться с возрастающим количеством образующейся перекиси водорода (см. рис. 1). Возможно, это связано с недостатком восстанавливающих субстратов, в частности, флавоноидов (для гваяколовой пероксидазы), содержание которых в клетках было ниже в условиях промышленного загрязнения, чем в контроле (см. табл. 2). Содержание флавоноидов в данном случае оказывается критическим звеном для использования в реакции восстановления перекиси водорода пероксидазой.

Резюмируя вышеизложенное, можно заключить, что, аккумуляция Zn, Cd, Mn и Ni листьями B. pendula сопряжена с развитием в клетках окислительного стресса, сопровождающегося генерацией избыточных количеств перекиси водорода и индицированных ее процессов ПОЛ, снижением количества и изменением соотношения основных групп фотосинтетических пигментов, нарушениями водного обмена. Данные процессы происходят на фоне снижения количества низкомолекулярных метаболитов и увеличения активности гваяколовой пероксидазы и каталазы.

Заключение Принято считать, что устойчивость это, в значительной степени, потенциальное свойство растения, и оно может быть реализовано в полной мере в экстремальных ситуациях [1]. Разумно отдельные виды устойчивости рассматривать как частные проявления общих принципов надежности живой системы. Однако при выделении физиолого-биохимических критериев устойчивости возникает ряд проблем. В частности, следует учитывать, что виды, произрастающие в условиях действия стрессовых факторов, помимо защитно-приспособительных признаков проявляют и признаки повреждения. В рамках данного исследования проведена комплексная оценка ответных физиолого-биохимических реакций B. pendula, используемой для создания санитарно-защитных насаждений предприятий металлургической промышленности. При этом изучен комплекс признаков, включающий показатели поврежденности вида в условиях загрязнения, а также защитно-приспособительные реакции на уровне энзиматических и неэнзиматических компонентов АОС.

Список литературы 1. Веселова Т.В., Веселовский В.А., Чернавский Д.С. Стресс у растений (Биофизический подход). М.: МГУ, 1993. 144 с.

2. Сравнительный анализ активности компонентов антиоксидантной системы древесных растений в условиях техногенного стресса / А.Р. Гарифзянов [и др.] // Изв. ТулГУ. Естественные науки. 2009. Вып.1. С.45–48.

3. Оценка возможности использования древесных растений для биоиндикации и биомониторинга выбросов предприятий металлургической промышленности / С.В. Горелова [и др.] // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. 2010.

№ 1(12). С.155–163.

Оценка устойчивости Betula pendula Roth. на загрязненных территориях 4. Грязнов В.П. Руководство к лабораторным и экспериментальным работам по физиологии растений. Белгород: БелГУ, 2006. 120 с.

5. Запрометов М.Н. Фенольные соединения и методы их исследования // Биохимические методы в физиологии растений. М., 1971. С.185–197.

6. Кузнецов Вл.В., Шевякова Н.И. Пролин при стрессе: биологическая роль, метаболизм, регуляция // Физиология растений. 1999. Т.46. №4. С.321–336.

7. Кулагин А.А., Шагиева Ю.А. Древесные растения и биологическая консервация промышленных загрязнителей. М.: Наука, 2005. 190 с.

8. Попова И.А., Маслова Т.Г., Попова О.Ф. Особенности пигментного аппарата растений различных ботанико-географических зон. Эколого-физиологические исследования фотосинтеза и дыхания растений. Л.: Наука, 1989. С.115–129.

9. Прасад М.Н. Практическое использование растений для восстановления экосистем, загрязненных металлами // Физиология растений. 2003. Т.50, №5.

С.764–780.

10. Сариева Г.Е., Кенжебаева С.С., Лихтенталер Х.К. Адаптационный потенциал фотосинтеза у сортов пшеницы с признаком свернутый лист при действии высокой температуры // Физиология растений. 2010. Т.57, №1. С.32–41.

11. Bates L.S., Waldren R.P., Teare I.D. Rapid Determination of Free Proline for Water Stress Studies // Plant Soil. 1973. V.39. P.205–207.

12. Blokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K.V. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivative stress: a review // Annals of Botany. 2003. V.91. P.179–194.

13. Comparative Lipid Peroxidation, Antioxidant Defense Systems and Proline Content in Roots of Two Rice Cultivars Differing in Salt Tolerance / W.B. Lee [et al.] // Environ. Exp. Bot. 2005. V.53. P.247–257.

14. Heath R.L., Packer L. Photoperoxidation in isolated chloroplasts. I. Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation // Arch. Biochem. Biophys. 1968. V.125(1).

P.189–198.

15. Kumar G.N., Knowles N.R. Changes in Lipid Peroxidation and Lipolytic and Free-Radical Scavenging Enzyme during Aging and Sprouting of Potato (Solanum tuberosum L.) Seed-Tubers // Plant Physiol. 1993. V.102. P.115–124.

16. Lichtentaller H.K., Welburn A.R. Determinations of total carotenoids and chlorophylls a and b of leaf extracts in different solvents // Biochem. Soc. Trans. 1983.

V.11, №6. P.591–592.

17. Markert B. Plants as biomonitors: indicators for heavy metals in the terrestrial environment. Weinheim, 1993. P.12–16.

18. Scandalios J.G. The rise of ROS // Trends Biochem. Sci. 2002. V.27. P.483–486.

Гарифзянов Андрей Рузильевич (Garifzyanov86@yandex.ru), к.б.н., зам.

декана, факультет естественных наук, физической культуры и туризма, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого.

Иванищев Виктор Васильевич (avdey_vv@mail.ru), д.б.н., профессор, зав. кафедрой, кафедра ботаники и технологии растениеводства, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого.

324 А. Р. Гарифзянов, В. В. Иванищев, Е. Н. Музафаров Музафаров Евгений Николаевич (enmuzafarov@mail.ru), д.б.н., профессор, Институт фундаментальных проблем биологии РАН, Пущино.

Pages:     | 1 |   ...   | 32 | 33 || 35 | 36 |   ...   | 43 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.