Диссертация (Роль органических кислот в механизмах устойчивости растений амаранта к действию тяжелых металлов), страница 6

Есть данные, что у некоторых растений синтенсивным оксалатным обменом кадмий может аккумулироваться в клетках совместно скальцием в виде кристаллов оксалата кальция в вакуолях (Choi et al, 2001; Mazen, Maghraby,1998; Shinmachi et al, 2003). Схематически пути детоксикации тяжелых металлов в клеткахрастений представлены на Рисунке 3.Рис.3.

Возможные пути детоксикации TM в растительной клетке (по: Серегин, Кожевникова,2008)1.3. Особенности транспорта и распределения тяжелых металлов в органахрастений1.3.1. Распределение тяжелых металлов в системе корень-побегВ литературе достаточно исследованы различия в распределении Cd между органами итканями в разных видах растений (Серегин, Кожевникова, 2008). По сравнению с другими23токсичными металлами, Cd имеет более высокую способность накапливаться не только вкорнях, но и в надземных частях растений. Тем не менее, обычно кадмия больше в корнях,чем в стеблях и листьях, и еще меньше в плодах и семенах.

Согласно (Lux et al., 2011)концентрация Cd в корнях может быть в 10 раз выше, чем в стеблях.По характеру распределению Cd и Zn между органами растений их причисляют кисключателям(эксклюдерам)игипераккумуляторам.Урастений-исключателейCdсодержится в основном в корнях, у гипераккумуляторов Cd в больших концентрацияхсодержится и в надземной части. У растений-исключателей барьерная функция экзодермы иэндодермы универсальна. Кадмий накапливается в ризодерме и в паренхиме, окружающейметаксилемные сосуды.

Однако, в зонах деления и растяжения корня отсутствуютфизиологические барьеры для транспорта Cd, и он идет в основном по апопласту (Серегин,Кожевникова, 2008). В стеблях горца Cd связывается с клеточными стенками сосудов иклеточными стенками и цитоплазмой окружающих сосуды клеток ксилемной паренхимы(Shinmachi et al, 2003). Вопрос состоит в том, сколько металла, поглощенного корнем,достигает ксилемы при восходящем транспорте.

Активность путей изоляции ионов Сd вклетках корня, как полагают, играет ключевую роль в определении скорости еготранспортировки к надземным частям растения и в обеспечении металлоустойчивостирастений. Вторым фактором полагают степень доступности и подвижности изолированногометалла. В-третьих, важна эффективность радиального симпластического транспорта металлав корне через эндодерму, и, наконец, загружающая активность ксилемы, то есть активностьоттока из паренхимных клеток ксилемы в сосуд (Clemens, 2006).Растения амаранта не являются признанными гипераккумуляторами тяжелых металлови, в частности, кадмия или цинка, но согласно (Серегин, Кожевникова, 2008), они могутнакапливать большие количества кадмия и в надземных органах. В то же время, в работе (Koset al., 2003) приводятся данные о накоплении Cd в надземных органах амаранта в количестве6,8 мг/кг, что является невысоким для Cd уровнем. Способность к накоплению значительныхколичеств Cd в надземных органах без токсических симптомов была установлена дляAmaranthus caudatus при выращивании на почве с содержанием Cd 10 мг/кг (Bosiacki et al.,2013), однако при более высоких уровнях Cd в почве (50-250 мг/кг) растения этого видапроявляли повышенную Cd чувствительность (Chetan, Ami, 2015).

С другой стороны,скрининг 23 сортов Amaranthus mangostanus при их выращивании в почве и водной культурес концентрациями Cd 5-25 мг/кг выявил высокую устойчивость к Cd только у 6 из24испытанных сортов (Fan, Zhou, 2009). При этом в работах, выполненных на A.mangostanus L.(Fan, Zhou, 2009), A.caudatus L.(Bosiacki et al., 2013) и A.tricolor L. (Watanabe et al., 2009),аккумуляция кадмия в листьях достигала 100-260 мкг/г без внешних симптомов Cdтоксичности, что позволило авторам позиционировать амарант как гипераккумулятор кадмия,тогда как в других работах напротив, отмечалась высокая чувствительность амаранта, вчастности, A.caudatus к действию Cd (Chetan, Ami, 2015), а также низкая способность этихрастений к переносу Cd в побег (Ko et al., 2014).1.3.2. Влияние факторов минерального питания на поступление и распределениекадмия в растенияхСуществует ряд данных, что поступление и аккумуляция кадмия в органах растений, атакже характер негативного действия Cd зависят от ряда факторов минерального питания,среди которых особый интерес представляют сведения о роли рН и формы источника азота всреде.

Азот является важным макроэлементом для биосинтеза аминокислот, белков иэнзимов, востребованность в котором у растений выше, чем в других элементахминерального питания, достигая 80% от суммы поглощаемых элементов (Daniel-Vedele et al.,2010- по Luo et al., 2012; Hu et al., 2013). Отмечается, что поглощение нитрата (NO3-) иаммония (NH4+), как основных форм азота в окружающей среде, сопровождаетсяпоступлением в корни либо выходом из них протонов H+, что ведет соответственно кповышению либо снижению ризосферного рН (Marschner, 1995) и, таким образом, можетповлиять на доступность ТМ в почвах (Luo et al., 2012; Hu et al., 2013).

Так, в опытах,выполненных в почвенной культуре, было показано, что внесение аммонийной формыазотных удобрений в загрязненную кадмием почву способствовало большему поглощению иаккумуляции кадмия растениями кукурузы и подсолнечника, чем внесение нитрата (Lou etal., 2005; Zaccheo et al., 2006). В этой связи авторы предположили, что отмеченный эффектможет быть обусловлен снижением рН ризосферы в присутствии аммония, что способствуетмобилизации кадмия из почвы и повышениюего биодоступности и более активномупоступлению в растения (Zaccheo et al., 2006). Однако подобный эффект усиленияаккумуляции кадмия на фоне аммонийного, а не нитратного источника азота, наблюдалитакже в условиях гидропонной культуры для растений шпината (Sady, Kowalska, 2004), приэтом содержание Cd возрастало в ответ на снижение pH раствора с 7,0 до 5,0.

Было такжеотмечено, что в листьях шпината, выращенного в присутствии Cd на фоне NH4-N и при рН6,0, содержалось больше растворимых сахаров и фенолов, чем на фоне NO3-N и при рН 7,0,25тогда как содержание в них оксалата было выше при использовании нитрата. Эффектбольшей аккумуляции кадмия проростками кукурузы в гидропонной культуре при внесенииNH4NO3 в сравнении с NO3 отмечен в работе (Mihailovic, 2010). В последнем случае подвлиянием Cd наблюдали также существенное ингибирование аккумуляции Ca и Mg в корняхкукурузы, более выраженное в присутствии NH4, тогда как накопление калия тормозилосьтолько на фоне NO3.

Усиление аккумуляции Cd в присутствии аммония в водной культуребыло показано и в опытах, выполненных на растениях - гипераккумуляторах Cd Carpobrotus rossii и Solanum nigrum (Cheng et al., 2016), однако авторы не нашли связи этогофакта с изменениями в биодоступности кадмия под влиянием аммония и высказалипредположение о стимуляции аммонием ZIP транспортеров, участвующих в поглощениикадмия на плазмалемме, или HMA4 помпы на этапе загрузки Cd в ксилему ввидунаблюдаемой большей концентрации кадмия в ксилемном соке растений, получавшихаммоний взамен нитрата. Высказывается мнение, что аммоний в условиях ТМ стресса можетбыть предпочтительным источником азота по сравнению с нитратом из-за меньшихэнергетических затрат на его ассимиляцию в сравнении с нитратом, что сохраняет энергиюдля активации защитных реакций на стресс (Mihailovic, 2010).

С другой стороны, стимуляциясинтеза оксалата и цитрата нитратом в листьях шпината в условиях Cd стресса (Sady,Kowalska 2004) может, по мнению авторов, способствовать инактивации Cd черезвакуолярную компартментацию или эксудацию металла.Однако, в целом ряде других исследований отмечается противоположный эффектзаметного усиления аккумуляции Cd в корнях и надземных органах растений в присутствиинитратной, а не аммонийной формы азота в питательном растворе, в том числе, прикоррекции уровня рН. Такие свидетельства были получены, в частности, в опытах,выполненных на растениях томата (Luo et al., 2012), риса (Jallooh et al., 2009), Matricariachamomilla (Kovacik et al., 2011), а также в отношении Cd гипераккумуляторов Sedumplumbizincicola (Hu et al., 2013) и Thlaspi caerulescens (Xie et al., 2009). В последнем случаебольшая аккумуляция Cd на фоне NO3- - N имела место несмотря на более низкую величинурН в растворе с NH4+ - N, что противоречит представлению о значимости уровня рН вреализации эффекта формы азота на поступление ТМ в растения и позволяет говорить онепосредственном воздействии нитрата или аммония на поступление металлов (Luo et al.,2012).

При этом (Luo et al., 2012) пришли к заключению, что NO3- или NO, продукциякоторого индуцируется нитратом, может выполнять функцию сигнальной молекулы,26вовлеченной в усиление экспрессии LeIRT1 гена, кодирующего транспортер Fe2+ унезлаковых растений со стратегией I, который считается ответственным за приток Cd2+ вклетки корней (Vert et al., 2002; Verbruggen et al., 2009; Lux et al., 2011). Наряду с этим,отмечается, что характер влияния формы азота на поступление ТМ в растение может бытьсвязан с их воздействием на мембранный потенциал клеток корней, а именно, сгиперполяризацией потенциала (после начальной деполяризации) в ходе поступлениянитрата (Miller et al., 2001 - по Hu, 2013), что может усиливать мембранный транспорткатионов, включая катионы металлов (Hu et al., 2013), и, напротив, с деполяризациеймембранного потенциала при поглощении NH4+, что ведет к снижению притока катионов вкорни (Crawford, Glass, 1998).

С использованием107Cd и позитрон-эмиссионного методабыло показано, что скорости транспорта кадмия в корнях и побегах Sedum plumbizincicola припитании NO3- были в 1,5 и в 3,7 раза выше, чем при питании NH4+ (Hu et al., 2013).Одновременно более интенсивным был перенос Cd из стеблей в листья получавших нитратрастений.

С учетом известных фактов стимуляции нитратом продукции анионоворганических кислот (малат, цитрат, оксалат) и аккумуляции минеральных катионов (K+,Ca2+, Mg2+) в листьях растений (Arnozis, Findenegg, 1986; Turan, Sevimli, 2005) авторыприходят к заключению, что участие анионов нитрата и органических кислот вбалансировании транспорта Cd по ксилеме может быть ответственным за большуюподвижность ионов Cd2+ и их перенос в листья NO3- питаемых растений, отмечая, однако,что для подтверждения этой гипотезы требуются дальнейшие физиологические имолекулярные исследования (Hu et al., 2013).1.4.

Влияние тяжелых металлов на рост и физиологические процессы растений1.4.1. Влияние кадмия и цинка на рост и развитие растенийВ литературе имеется много данных, полученных в исследованиях по влияниютяжелых металлов на различные физиологические процессы растений. Отмечается, чтонегативное действие тяжелых металлов проявляется, прежде всего, в торможении ростарастений, уменьшении линейных размеров корней и побегов, снижении накоплениябиомассы (Титов и др., 2014). Показано, что степень и характер ингибирующего действия ТМна рост и другие физиологические процессы растений зависят от токсичности металла, егоконцентрации в среде и продолжительности действия, а также от вида (генотипа, сорта) ивозраста растений (Иванов и др., 2003; Metwally et al., 2005). В наибольшей степени среди27ТМ в этом отношении исследовано действие кадмия, менее изучено действие цинка.Большинство авторов (Sanita di Toppi, Gabrielli, 1999; Ghnaya, et al., 2004; Clemens, 2006)указывают на резкое снижение биомассы растений при действии солей кадмия вконцентрациях от 1 мкМ.