Диссертация (Роль органических кислот в механизмах устойчивости растений амаранта к действию тяжелых металлов), страница 5

Гистидин формирует комплексы, в томчисле, с ионами цинка и кадмия (Salt et al., 1999; Callahan et al., 2006), но эти данные вбольшей степени относятся к гипераккумуляторам ТМ. Комплексы никотинамина с Zn19обнаружены в ксилемном соке, что указывает на его участие в восходящем дальнемтранспорте Zn по ксилеме. Установлено также связывание никотинамина с кадмием (Титов идр., 2014).Внутри растительных клеток Сd может связываться с S-содержающими лигандами,такими как глутатион, металотионины и фитохелатины (ФХ) (DalCorso et al., 2008).Благодаря уникальным окислительно-восстановительным свойствам и наличию в его составеSH- группы цистеина глутатион играет значительную роль в защите растительных клеток оттоксического действия ТМ.

Формируемые комплексы глутатиона с ионами ТМ могуттранспортироваться из цитоплазмы в вакуоль (Lux et al., 2011).Много внимания в литературе уделяется фитохелатинам (ФХ) - низкомолекулярнымпептидам общей структуры (γ-Glu-Cys)n-Gly (n = 2–11), которые были обнаружены сначала удрожжей, а затем в растениях (Clemens, 2006). Фитохелатины не являются геннымипродуктами, а синтезируются из глутатиона при участии фермента фитохелатинсинтазы (Grillet all., 1989).

У многих видов растений показана активация синтеза фитохелатинов вприсутствии ТМ (Salt et al., 1995; Schat et al., 2002; Clemens, 2006; Ernst et al., 2008; Seregin,Kozhevnikova, 2008; Persson et al., 2006). Кадмий рассматривается как самый мощныйактиватор фитохелатинсинтазы, его эффективность выше, чем Zn (Clemens, 2006).

Кадмийчасто бывает изолирован в вакуоле как ФХ-Cd (II) комплекс (Cobbett, 2000; Clemens, 2006;Ernst et al., 2008). Результаты исследования зависимости между количеством фитохелатинови уровнем металлоустойчивости растений неоднозначны. Часто растения с большим уровнемФХ в клетках отличаются большей устойчивостью к ТМ (Clemens, 2006), но такаязависимость выявлялась не всегда (Hassan, Aarts, 2011). С другой стороны, в условияхэксперимента при концентрации Cd, близкой к реальным природным ситуациям (0, 1 мкM),более 50 % всего Cd в корнях кукурузы оказалось связано в виде LMW и HMW комплексов(Rauser, 2003), а при увеличении его концентрации в среде до 3 мкM доля Cd, связанногокомплексами ФХ, повысилась до 90%. У растений-исключателей ТМ основное участие ФХ вметаллоустойчивости заключается в преимущественном связывании ионов ТМ в клеткахкорня, что предотвращает их перемещение в надземные органы.

В листьях вклад ФХ вдетоксикацию ТМ, по-видимому, меньше. Метаболическая судьба комплексов Cd-ФХисследована недостаточно. Есть данные, что низкомолекулярные комплексы (LMW) типакомплекса металл-ФХ образуются в цитозоле только временно, а затем переносятся ввакуоль, где при взаимодействии с сульфид-ионом формируются высокомолекулярные20комплексы (HMW), обеспечивающие максимальную детоксикацию металла (Sanita di Toppi,Gabbrielli, 1999; Clemens, 2006). На тонопласте обнаружен специальный транспортер НМТ1,который участвует в транспорте комплексов Cd-фитохелатин и апо-фитохелатинов в вакуоль(Clemens, 2006).

С ростом концентрации ТМ в их детоксикации участвуют в основном HMWкомплексы (Cobbett, Goldsbrough, 2002).Предполагается, что в вакуолях происходитосвобождение ионов металлов из комплекса с ФХ, при этом тиолы подвергаются гидролизуили могут возвращаться в цитоплазму (Sanita di Toppi, Gabbrielli, 1999).В зависимости от видовой принадлежности растений, важную роль в ихметаллоустойчивости могут играть и другие механизмы. На эту роль претендуют такженизкомолекулярные цитозольные белки - металлотилонеины (МТ), функция которых, как и вслучае ФХ, определяется наличием сульфгидрильной группы цистеина (Титов и др., 2014). Вотличие от ФХ, МТ являются генными продуктами и образуются в ответ на действие ТМ(Алексеева-Попова, 1996; Cobbeett, Goldsbrough, 2002; Clemens, 2006). Усиление экспрессиигенов МТ наблюдали в присутствии Pb, Zn, Cd, Cu (Ma et al., 2003).

У некоторых видоврастений МТ играют важную роль в детоксикации Cd (Ernst et al., 2008).Рядом авторов обсуждается также возможность участия в связывании ионов тяжелыхметаллов, в том числе, Zn2+ и Cd2+, органических кислот, таких как щавелевая (Choi, et al.,2001), яблочная, лимонная кислота (Mnasri et al., 2015).

Впервые Эрнст в 1976 г. обнаружилвысокие концентрации малата и цитрата в тканях растений, устойчивых к Zn и Cu (цит поТитов и др., 2014). Позже эффект возрастания содержания малата, цитрата и оксалата былпоказан в корнях и листьях растений в ответ на повышенное содержание в среде Ni и Pb(Yang et al., 1997; Pietrini et al., 2015). Имеются данные о возрастании содержания малата вкорнях растений ярутки в присутствии Zn (Zhang et al., 2001) и оксалата в корняхарабидопсиса в присутствии Cd (Sarret et al., 2002). Полагают, что малат является основнымхелатором цинка у устойчивых к нему растений (Титов и др., 2014). Однако, в отличие отаминокислот, низкомолекулярных пептидов и белков, комплексы ТМ с органическимикислотами локализуются преимущественно в вакуолях (Clemens, 2001; Dresler et al., 2014),где могут формироваться, в том числе, труднорастворимые комплексы Cd с органическимикислотами (Seregin, Kozhevnikova, 2008).

Толерантность многих видов растений к кадмиюсвязывают с аккумуляцией Сd в вакуоли (Chardonnes et al., 1998; Cosio et al., 2005; Korenkovet al., 2007; Seregin and Kozhevnikova, 2008). По некоторым сведениям цитрат имеет большуюспособность к связыванию ионов ТМ, чем малат и оксалат (Титов и др., 2014). Согласно21(Nigom, Srivastava, 2003) кадмий формирует с органическими кислотами преимущественнокатионные, но также нейтральные и анионные формы комплексов.1.2.3.3. Молекулярные механизмы вакуолярной детоксикации ионов тяжелыхметалловВажныммеханизмом,обеспечивающимустойчивость,особеннорастений-исключателей, к ТМ, является изоляция токсичных ионов ТМ в вакуолях клеток корней, чтопрепятствует перемещению ТМ в побег (Lin, Aarts, 2012). При этом речь идет о транспорте изцитоплазмы в вакуоль через тонопласт как ионов металлов, так и их комплексов сглутатионом или фитохелатинами (Lux et al., 2011).

В настоящее время доказано, что втранспорте ионов металлов в вакуоль принимают участие несколько белков-транспортеров,из которых HMA3, CAX2, CAX4, MTP1, MTP3 переносят ионы металлов, а ABCC1, ABCC2переносят комплексы ТМ с глутатионом или ФХ (Титов и др., 2014). Белок HMA3 изсемейства P1B-ATPase транспортирует, в частности, ионы цинка и кадмия (Morel et al., 2009).Повышение экспрессии генов HMA3 обнаружено у растений-исключателей в присутствииэтих металлов (Титов и др., 2014). Однако, в одних случаях, как у A.thaliana, это приводило кувеличению концентрации Cd и Zn в растениях и одновременному повышениюметаллоустойчивости (Van Belleghem et al., 2007), а в других - нет (Казнина и др., 2014б).Белки CAX2 и CAX4 (cation/proton exchanger) переносят ионы металлов черезтонопласт за счет энергии протонного градиента в симпорте с H+ (Clemens, 2006).

Их участиев транспорте Cd показано на растениях табака (Korenkov et al., 2007, 2009). Cd хелатытранспортируются в вакуоль с помощью ABC-транспортеров, например, AtMRP3 (Tommasiniet al., 1998; Cobbett, 2000; DalCorso et al., 2008; Verbruggen et al., 2009). Участие MTP1 иMTP3(metaltoleranceprotein)белков(cationCDF-семействаdiffusionfacilitator),функционирующих как Zn2+/H+ антипортер, было неоднократно показано для разныхрастений и также в отношении других металлов, включая кадмий (Титов и др., 2014).Наряду с обеспечением переноса ионов металлов в вакуоль, на тонопласте работаютмеханизмы,участвующиеосуществляетсявпосредствоммобилизацииNRAMPметалловтранспортеровизвакуоли(Naturalвцитозоль,чтоResistance-AssociatedMacrophage Protein), в частности, AtNRAMP3 и AtNRAMP4, и важно для мобилизациизапасенных в вакуоли микроэлементов, таких как Fe, Mn и Zn (Thomine et al., 2003;Verbruggen et al., 2009).

Однако, есть сведения, что в растениях арабидопсиса AtNramp3может участвовать и в мобилизации Cd из вакуоли (Thomine et al., 2003).22Для изоляции ионов ТМ в клетках листа вовлечены подобные или те же самыемолекулярные механизмы, которые обсуждались для клеток корня. Одна особенность предпочтительная изоляция избытка Cd в трихомах, наблюдаемая, например, у B. juncea и влистьях табака (Salt et al., 1995; Choi et al., 2001). В ряде работ отмечается, что кадмий можетоткладываться в вакуоли в виде труднорастворимых комплексов с органическими кислотами(Seregin, Kozhevnikova, 2008), комплексов с фитохелатинами, а также в виде иных, частонеидентифицированных комплексов с высоким молекулярным весом (Briat, Lebrun, 1999;Choi, et al., 2001; Clemens, 2006; Ernst et al., 2008).