Диссертация (Роль органических кислот в механизмах устойчивости растений амаранта к действию тяжелых металлов), страница 3

Он являетсянаиболее существенным загрязнителем и в биологических системах более доступен, чемсвинец, мышьяк или ртуть. Кадмий относительно мало распространен в Земной коре, где егофоновая концентрация (кларк в Земной коре) оценивается как 1,3-1,5·10-5% (Добровольский,112009), что в 100 раз меньше кларка свинца (1,6·10-3%) и в 300 раз меньше кларка цинка(5,1·10-3%). В большинстве случаев присутствие Cd в почве сопровождается избытком Zn.Содержание кадмия в незагрязненной почве находится обычно в диапазоне от 0,07 до 1,1мкг/г почвы. Для ограничения его поступления в съедобные части растений рекомендуютсяконцентрации Cd в сельскохозяйственных почвах менее 3 мкг/г (Lux et al., 2011). Важнымиисточниками загрязнения почвы кадмием является его поступление из атмосферы – свулканической пылью, с дымом лесных пожаров, в результате испарения с поверхностейморей и океанов.

В доступной для растений форме в почве находится только часть общегокадмия.Токсичность Cd для растений определяется его концентрацией в почвенном растворе,которая в норме находится в наномолярном диапазоне. При концентрации в диапазоне 0,3-1,0мкМ почвы считаются умеренно загрязненными, при более 5 мкМ - сильно загрязненными(Van Belleghem et al., 2007). В водорастворимой форме кадмий может находиться в видесвободных гидратированных ионов или в комплексе с органическими и неорганическимилигандами. Многие факторы, такие как pH и содержание органических веществ, сильновлияют на долю доступного кадмия (Clemens, 2006). В последнее время проблемазагрязнения почв Cd особенно актуальна в связи с возрастанием его поступления cфосфорными удобрениями, пестицидами, из техногенных источников, при этом в почвахоколо металлургических предприятий отмечаются концентрации Cd до 270 мкг/кг почвы(Ильин, 2012; Титов и др., 2014).Цинк относится к числу необходимых микроэлементов растений, однако при высокихконцентрациях приобретает типичные свойства тяжелого металла.

Метаболические функцииZn как микроэлемента основаны на его способности формировать тетраэдральные комплексыс N-, O-, и особенно S-лигандами. Всего известно до 300 Zn-содержащих энзимов, в которыхон выполняет каталитическую, кокаталитическую (коактивную) или структурную функцию(Sidhu, 2016), включая такие ферменты как алкогольдегидрогеназа, карбоангидраза, Cu-Znсупероксиддисмутаза,щелочнаяфосфатаза,фосфолипазы,карбоксипептидаза,РНК-полимераза и ряд других (Битюцкий, 2011).

Важнейшая функция Zn - участие в ДНК и РНКметаболизме, в синтезе триптофана -предшественника ИУК, в делении клеток, в синтезебелка (Sidhu, 2016).В Земной коре кларк цинка оценивается величиной 5,1·10-3%, В целом в почвахконцентрация Zn варьирует в диапазоне от 10 до 300 мг/кг, в гумусовом горизонте почв на12европейской территории России она составляет 50 мг/кг, в почвах США- 48 мг/кг(Добровольский, 2009; Sidhu, 2016). В засушливых регионах, на карбонатных почвах свысоким рН растения сталкиваются с дефицитом биодоступного цинка (Broadley, White,2007). С другой стороны, в техногенно загрязненных почвах на территории России валовоесодержание Zn достигает 350 мг/кг (Новосибирская область), 571 мг/кг (юго-восток Москвы),и даже 1919 мг/кг в почвах вблизи цинкоплавильного завода рядом с г. Кемерово (Ильин,2012),, тогда как ПДК цинка для почв установлена в России на уровне 100 мг/кг.Цинк присутствует в почвах в 3-х формах: водорастворимой, обменно-связанной наколлоидах и в виде нерастворимых комплексов и минералов (Broadley et al., 2007).Концентрации водорастворимого цинка в почвенном растворе составляют малую часть от егообщей массы в почве и типично варьируют в диапазоне от 4·10-4 до 4,0 мкМ (Broadley et al.,2007).

Содержание обменно-связанного цинка составляет от 0,1 до 2 мг/кг почвы, тогда какна долю нерастворимого цинка, практически недоступного для растений, приходится более90% общего цинка в почве. Содержание ионов Zn2+ в почвенном растворе составляет, какправило, более 50% его водорастворимых форм и возрастает при низких значениях рН почв.В то время как в антропогенно загрязненных почвах концентрации Zn могут достигать весьмавысоких значений, его поступление в растение лимитировано доступной концентрацией впочвенном растворе, что делает загрязнение цинком менее фитоопасным.1.2.

Поглощение, транспорт и детоксикация тяжелых металлов в растениях1.2.1. Роль клеточной стенки в поглощении и связывании тяжелых металловкорнями растенийПоглощение тяжелых металлов корнями растений включает 2 основных этапа поступление (и частичное связывание) металлов в клеточной стенке и перенос черезклеточную мембрану. Клеточная стенка является важным физическим барьером на пути ТМ впротопласт клетки. При этом основным свойством клеточных стенок, определяющим ихвклад в снижение токсичности ТМ для растений, является катионообменная способность.

Длякадмия, как и многих других тяжелых металлов, первый этап его поглощения корневойсистемой неселективен и осуществляется посредством физико-химической адсорбции, атакже за счет необратимого неметаболического связывания ионов активными участкамиклеточной стенки и апопласта (Титов и др., 2014). Связывание токсичных ионов металловструктурными элементами клеточной стенки рассматривается как важный механизм,13предотвращающий избыточное поступление ТМ в протопласт растений (Le Gall et al., 2015).По разным данным, доля кадмия, удерживаемого в клеточной стенке корней, снижается приросте концентрации металла в среде (Vazquez et al., 2006; Титов и др., 2014).

Отмечаютсявидовые различия в накоплении ТМ в клеточных стенках, обусловленные разнойспособностью к адсорбции этих металлов (Мейчик и др., 2011). Также отмечается, чтообменная способность клеточных стенок для кадмия выше, чем для цинка.Основную роль в связывании и накоплении ТМ в клеточной стенке играютполисахариды (Krzeslowska, 2011), особенно пектины, целлюлоза и гемицеллюлоза (Sanita diToppi, Gabgrielli, 1999; Le Gall et al., 2015). Главным структурным компонентом пектиновыхвеществ является полигалактуроновая кислота, карбоксильные группы которой во многомобеспечивают способность клеточной стенки к адсорбции (Мейчик и др., 2011).

Важную рольв связывания ТМ играют также -OH и -SH группы фенолов, аминокислот и белков (Le Gall etal.,2015).Отмечается,чтоиммобилизациявклеточныхстенкахкорнейможетосуществляться как за счет необратимого связывания с ограниченным числом участков наповерхности клеточной стенки, так и с образованием комплексов с экстраклеточнымиуглеводами (каллоза), гистидильными группами белков, а также с карбоксильными группами,размещенными на поверхности пектинов. Эта обменно-связанная фракция ионов металловлегко вымывается из корневой системы растений при замене питательного раствора(Шевякова, и др., 2002; Осмоловская и др., 2006).Помимо связывания катионов ТМ различными лигандами, клеточная стенка можетограничивать их проникновение в протопласт за счет изменения физико-химических свойств,в частности, суберинизации оболочек клеток эндодермы и лигнификации клеток коры (Lux etal., 2011).

Отмечается, что под воздействием таких металлов, как кадмий, в клеточныхстенках наблюдаются адаптивные стрессовые ответы, проявляющиеся в ремоделировании иусилении клеточных стенок и направленные на повышение их катионообменнойспособности, лигнификации, а также активацию антиоксидантных ферментов (пероксидазы)и биосинтез аскорбата (Loix et al., 2017). Одно из преимуществ связывания металлов вклеточной стенке - их сильная метаболическая инактивация (Le Gall et al., 2015).По некоторым данным в связывании ТМ участвуют клеточные стенки не толькоклеток корней, но и листьев.

Так, в листьях салата доля Cd, локализованного в клеточнойстенке, составила 64% от общего содержания металла в клетке (Ramos et al., 2002), а доля Znв клеточной стенке листьев ячменя достигла 77% (Brune et al., 1994). С другой стороны, по14данным (Zornoza et al., 2002) у люпина Lupinus albus до 88% всего поглощенного Cd былообнаружено в корнях, причем количество Cd, связанного с клеточной стенкой корней,оказалось в 37 раз выше, чем в клеточных стенках листьев. Имеется ряд доказательстввыраженной зависимости между уровнем накопления ТМ в клеточной стенке иустойчивостью растений к ТМ, в том числе, в отношении Cd (Li et al., 2007).

Однако, придействии высоких концентраций ТМ адсорбционная способность клеточной стенки можетдостичь насыщения, и ее барьерная функция снижается (Титов и др., 2014).1.2.2. Механизмы транспорта Cd и Zn на мембранах клеток корней и переносметаллов в побегПоступление ТМ внутрь клетки, включая поступление цинка и кадмия, происходит сиспользованием 2-х типов транспортных систем - ионных каналов (пассивный транспорт) ибелков-переносчиков (активный транспорт), в последнем случае - с затратой энергии наперемещения ионов металлов через мембрану против электрохимического градиента (Lux etal., 2011). Соотношение пассивного и активного механизмов поступления ТМ зависит отметалла и его концентрации в среде: при низких концентрациях доминирует активныймеханизм, при высоких отмечается преимущество пассивной диффузии в свободноепространство корня (Титов и др., 2014). Согласно современным представлениям, пассивныйтранспорт ТМ осуществляется при участии неселективных катионных каналов трех видов:кальциевых каналов, активируемых деполяризациейCalcium Channels),(DACC - Depolarization-Activatedкальциевых каналов, активируемых гиперполяризацией(HACC -Hyperpolarization Activated Calcium Channels) и катионных каналов, не чувствительных кизменению электрического потенциала (VICC - Voltage-Insensitive Cation Channels) (DalCorsoet al., 2008; Verbruggen et al., 2009; Lux et al., 2011).Активный транспорт ТМ на клеточных мембранах происходит при участиитрансмембранных белков-переносчиков, идентификации и изучению которых в последниегоды посвящено много работ (Hall, Williams, 2003; Verbruggen et al., 2009; Hassan, Aarts, 2011,Clemens et al., 2013).