Диссертация (Роль органических кислот в механизмах устойчивости растений амаранта к действию тяжелых металлов), страница 12

Таким образом, экзогенное внесениеорганических кислот, в отличие от их секреции корнями, может привести к усилению, а не кснижению поглощения тяжелых металлов растениями.491.5.3.3. Участие органических кислот в транспорте и хелатировании ионовметаллов в органах растенийНаряду с прямым или косвенным участием органических кислот в поступленииметаллов в растения, имеются неопровержимые свидетельства их вовлечения в переносметаллов из корней в побег (Lopez-Bucio et al., 2000), а также в детоксикацию металлов науровне клеток листа (Титов и др., 2014; Anjum et al., 2015). Связывание ионов тяжелыхметаллов в цитозоле растительных клеток с участием органических лигандов, в том числе,органических кислот, и их секвестирование и иммобилизация в вакуоли рассматривается какодин из важнейших механизмов обеспечения металлоустойчивости растений (Lux et al., 2011;Титов и др., 2014).

Особая роль в ксилемном транспорте металлов показана для цитрата.Отмечается его участие в хелатировании ионов Fe2+ при их транспорте по ксилеме и рольFRD3-медиируемого эффлакса цитрата в сосуды корня для переноса железа в побег (Durrettet al., 2007). Приводятся данные о совместном ксилемном транспорте Cd и цитрата у Zn/Cdгипераккумулятора Sedum alfredii, что способствует повышению переноса и аккумуляции Cdв побеге (Lu et al., 2013).Эффективность переноса металлов по ксилеме в виде комплексов с органическимикислотами объясняют меньшей адсорбцией незаряженных или отрицательно заряженныххелатированных форм металлов отрицательно заряженными клеточными стенками ксилемы иснижением латерального выведения металлов из сосуда, что отмечали, в частности, для Zn иCd (Senden et al., 1992).

Роль органических кислот во внутриклеточной детоксикацииметаллов в наибольшей степени исследована у растений-гипераккумуляторов (Rauser, 1999;Kupper et al., 2004; Sun et al., 2006; Yang et al., 2006), в первую очередь, у Zn/Cdгипераккумуляторов Thlaspi caerulescens и Arabidosis halleri (Cosio et al., 2004). Так в листьяхT. caerulescens Zn секвестирован преимущественно в вакуолях эпидермальных клеток, гдекоординируется в основном с малатом (Tolra et al., 1996), а у A. halleri аккумуляция Znпроисходит в основном в клетках мезофилла (Zhao et al., 2000), где он также координирован смалатом (Sarret et al., 2002). Отсутствие зависимости уровня малата в листьяхгипераккумуляторов от повышения концентрации металла в среде позволило говорить оконститутивно высоком уровне этой кислоты у T.

caerulescens (Tolra et al., 1996; Wojcik et al.,2006;), а также у A. halleri (Zhao et al., 2000).Молярные соотношения малат: Zn у T. caerulescens по данным разных авторовварьируют от 4.8–72 (Tolrà et al., 1996) до 9.7–23.6 (Wójcik et al., 2006), что достаточно для50поддержания Zn-малатного шаттла в соответствии с моделью Zn устойчивости, согласнокоторой Zn хелатируется малатом с образованием относительно слабого комплекса вцитоплазме и в такой форме транспортируется в вакуоль, где происходит диссоциациякомплекса и связывание Zn2+ с более сильными хелаторами, такими как цитрат или оксалат, амалат реэкспортируется в цитозоль.(Chaffei et al., 2006).

При этом величина молярногосоотношения цитрат: Zn в листьях T. caerulescens достигала 2,1-5,9 (Wójcik et al., 2006), а влистьях A. halleri - 0.37–49.0 (Zhao et al., 2000).Была также показанавозможностьстимуляции цинком продукции цитрата у T. caerulescens, с которым в ксилемном соке былоассоциировано до 21% Zn, а в побеге - 38% общего Zn (Salt et al., 1999). Роль карбоксилатныхгрупп малата, цитрата и других кислот в связывании Zn, особенно в зрелых листьях, былапоказана и в других работах (Kupper et al., 2004; Sarret et al., 2002).гипераккумулятораMelastomamalabathricumсообщается,чтоВ отношении AlAl,по-видимому,транcпортируется в побег в форме цитрата, а запасается в вакуолях клеток листа в формеоксалата (Chaffei et al., 2006).Меньше информации доступно о специфике Cd гипераккумуляции, однако, имеютсядоказательств, что у Zn/Cd гипераккумулятора Sedum alfredii цитрат вовлечен в Znгипераккумуляцию и Zn устойчивость этих растений (Yang et al., 2006), тогда как Cd науровне побега в большей степени (на 85%) ассоциирован с малатом и только на 15% - сцитратом (Lu et al., 2013).

Положительная корреляция между содержанием в листьях цитратаи водорастворимого Cd выявлена у Cdгипераккумулятора Solanum nigrum L., что даетоснование полагать ответственность цитрата за высокую аккумуляцию Cd в листьях этогорастения и устойчивость к нему растений (Sun et al., 2006). Роль малата и цитратаобсуждается также в связи с гипераккумуляцией Ni у нескольких видов растений (Титов идр., 2014).Исследованиянарастениях,неотносящихсякгипераккумуляторам,такжесвидетельствуют о важной роли органических кислот в формировании их устойчивости кметаллам (Rauser, 1999; Ma et al., 2001). Повышение содержания малата, цитрата и оксалатабыло показано в побегах райграсса, корнях кукурузы и листьях ячменя в условияхвозрастания уровня Ni в корнеобитаемой среде (Yang et al., 1997), а содержания малата иоксалата - в листьях растений из рода Paraserianthus при действии Pb (Титов и др., 2014).Сообщается о роли акккумуляции малата и цитрата в Zn устойчивости клонов Deschampsiacaespitosa в условиях повышенного содержания Zn в среде (Chaffei et al., 2006).

В51суспензионной культуре клеток листьев табака цитрат, малат и оксалат в концентрациях 6, 17и 0.5 mM при pH 5.0 связывали 60, 15 и 3% всего Cd, содержащегося в вакуоли, а увеличениеpH приводило к возрастанию доли Cd, связанного с цитратом, и уменьшению егокомплексирования с малатом и оксалатом (Rauser, 1999). Такие металлы как Zn, Co, Ni и Cdпроявляют высокую афинность к цитрату не только у A.hallerii (Zhao et al., 2000), но и унегипераккумуляторов (Anjum et al., 2015).Наряду с малатом и цитратом, определенная роль во внутриклеточной детоксикациитяжелых металлов отводится оксалату. Присутствие Al:оксалат (1:3)комплексов былоустановлено в корнях и листьях гречихи (Ma, 2000), однако при высоких концентрациях Al влистьях гречихи были идентифицированы Al-цитратные комплексы (Shen et al., 2004).Исследование, выполненное на злаке Spartina alternifloria, позволило предположить, чтооксалат может участвовать в вакуолярном секвестировании Cd в корнях, а также в переносеCd в надземную часть этого растения (Chai et al., 2012).

С другой стороны, у разных растенийпоказано включение рядатяжелых металлов в формеоксалата в кристаллы оксалатакальция, в частности, Cd и Pb у Eichhornia crassipes (Mazen, Maghraby, 1997). В проросткахтабака в присутствии высоких концентраций кадмия наблюдали формирование Cd и Caсодержащих кристаллов оксалата в трихомах листа (в вакуолях), что авторы связали свыведением в них Cd (Choi et al., 2001). Однако в листьях растений Corchorus olitorius L иMalva parviflora при внесении Cd, Pb, Cu Zn в среду с использованием сканирующегомикроскопа не было обнаружено включения этих металлов в кристаллы оксалата кальция(Mazen et al., 2004; Faheed et al., 2013), тогда как внесение Al в среду сопровождалось еговключением в кристаллы CaC2O4 у Corchorus olitorius L.

(Mazen et al., 2004).Таким образом, приведенные данные позволяют заключить, что органические кислотыне только играют важную роль в метаболизме растений, но и могут активно участвовать вмеханизмах устойчивости растений к действию тяжелых металлов как через секрецию кислоткорнями растений, так и через внутриклеточное хелатирование ионов металлов при участиианионов органических кислот и их иммобилизацию в вакуолях клеток листа.

В то же время вотношении амаранта возможность вовлечения органических кислот в процессы поступленияи детоксикации таких металлов, как Zn и Cd, практически не изучена.521.6. Влияние тяжелых металлов на метаболом растенийВ последнее время наряду с изучением воздействия тяжелых металлов на основныефизиологические процессы в растениях и активность их ферментных систем отмечается ростинтереса к изучению широкого круга ответных реакций растений на стрессовые воздействияна уровне метаболома. Согласно определению метаболом растений - это количественная икачественнаясовокупностьвсехнизкомолекулярныхсоединений(метаболитов),присутствующих в клетках растений, которые участвуют в процессах обмена веществ икоторые требуются для поддержания роста и нормального функционирования организма(Dunn et al., 2005).

Метаболиты являются конечными продуктами процессов, регулируемых вклетках, и их уровни могут рассматриваться как конечный ответ биологических систем нагенетические или окружающие изменения (Kralova et al., 2012). Метаболомика являетсяотносительно новым подходом к пониманию работы метаболических сетей и последующегоформирования биохимического состава растений.Наиболее широко используемый метод для анализа растительных метаболитов - этогазовая хроматография, совмещенная с масс-спектрометрией (GC-MS) (Kim et al., 2011). Дляидентификации и квантификации выбранного количества предварительно определенныхметаболитов используют термин «метаболическое профилирование» (Kralova et al., 2012). Врастительном царстве образуется до 200 тыс. метаболитов, метаболом содержит такиеорганические соединения как аминокислоты, жирные кислоты, органические кислоты,углеводы, липиды и ряд других соединений, их концентрации варьируют от пикомолей домилимолей.В литературе накоплен материал, свидетельствующий об ответах растений надействие стрессовых факторов абиотической природы на метаболомном уровне, включаяответы на действие температурного, солевого, водного и УФ стрессов, озона, окислительногостресса, дефицита минеральных элементов, а также ряда тяжелых металлов (Kralova et al.,2012; Jorge et al., 2015; Wang et al., 2015).