Диссертация (Роль органических кислот в механизмах устойчивости растений амаранта к действию тяжелых металлов), страница 8

Отмеченное некоторымиавторами возрастание концентраций K+ в органах растений в присутствии Cd (Goncalces etal., 2009) не получили адекватной интерпретации.Негативный эффект кадмия на приток кальция в растения ряд исследователейсвязывают с тем, что кадмий заметно снижает транспирацию (Sanita di Toppi, Gabrielli, 1999;Briat, Lebrun, 1999), поэтому возможны нарушения в транспорте веществ, переносимых сводным потоком, в том числе, кальция.

В опытах на фасоли показано, что у этого растения вприсутствии кадмия содержание кальция в 2 раза возрастает в корнях, тогда как в верхнихлистьях его содержание снижается, что подтверждает гипотезу о нарушении транспорта32веществ (Осмоловская и др., 2006). Предполагается, что Cd может взаимодействовать спутями поглощения Ca как блокатор Ca-каналов (de La Rosa et al., 2005), что следует изпредставлений о механизмах поступления ионов кадмия (и цинка) в клетки корня сиспользованием неселективных катионных каналов (DalCorso et al., 2008; Verbruggen et al.,2009; Lux et al., 2011).Сведений о влиянии металлов на обмен магния у растений немного. Сообщается остимуляции кадмием поглощения и переноса Mg и Ca в побег у Zn/Cd гипераккумулятораThlaspi caerulescens, (Kupper, Kochian, 2010), однако у Artemisia aucheri стимулирующеедействие Cd в отношении аккумуляции Mg, K и P в побеге наблюдали только прииспользовании низких концентраций Cd (Vahedi., 2013). Некоторые авторы отмечают, чтоэффект Cd может различаться для разных видов растений.

Так, по данным (Jang et al., 1996)при использовании Cd в концентрациях 8-54 мкМ большую устойчивость к металлу показалирайграсс и капуста, меньшую - клевер и кукуруза, при этом приток Ca и Mg и их транспорт впобег снижались, но степень снижения зависела от вида растения и концентрации Cd.Высказывается мнение, что противоречивость результатов по воздействию Cd на поглощениеи аккумуляцию минеральных элементов растениями может быть связана как с видовымиособенностями растений, так и с различиями в условиях проведения экспериментов(концентрация Cd, продолжительность опыта и др.) (Huang et al., 2007).1.5.

Роль органических кислот в процессах поступления и детоксикации тяжелыхметаллов в растениях1.5.1. Органические ди- и трикарбоновые кислоты и их роль в метаболизмерастенийОрганические кислоты являются продуктами неполного окисления фотоассимилятов,а их метаболизм имеет фундаментальное значение как на уровне клетки, так и целогорастения (Lopez-Bucio et al., 2000). Углеродные скелеты органических кислот являютсяпредшественниками в биосинтезе аминокислот.

Отмечается, что «интермедиатная» природаорганических кислот определяет гибкость их участия в процессах поддержания ионного,энергетического и редокс баланса клеток, в обеспечении протонного и ионного градиентовна клеточных мембранах, вподкислении экстраклеточного пространства (Igamberdiev,Eprintsev, 2016). На уровне целого организма функциональную роль органических кислотсвязывают также с их участием в адаптации растений к условиям окружающей среды,33включая дефицит питательных элементов и устойчивость к тяжелым металлам (Lopez-Bucioet al., 2000; Anjum et al., 2015; Igamberdiev, Eprintsev, 2016).1.5.1.1. Цикл ДТК и формирование пулов кислот цикла ДТК в растенияхОрганические кислоты образуются в основном в метаболических циклах - цикле ДТК,осуществляемом в митохондриях, и в меньшей степени - в глиоксилатном цикле (Lopez-Bucioet al., 2000), а также в процессах С4 и САМ фотосинтеза (Igamberdiev, Eprintsev, 2016).

Из-закаталитической природы цикла Кребса органические кислоты не накапливаются вмитохондриях, но могут формировать дополнительные пулы производных интермедиатов,которые сосредоточены преимущественно в вакуолях и важны как для стабилизации работыциклов в условиях дефицита основного субстрата, так и в обеспечении «незамкнутости»цикла для модификации его функционирования в ответ на изменения в окружающей среде(Igamberdiev, Eprintsev, 2016).

Состав органических кислот, аккумулируемых в разныхорганах растений, зависит от вида и возраста растения. Аккумуляция определенныхорганических кислот, в частности, малата и цитрата, в тканях растений или их экскрециякорнями подчиняется их участию в специфических физиологических функциях (Lopez-Bucioet al., 2000).В качестве важного условия для обеспечения функциональной роли цикла ДТК врегуляции редокс и энергетического уровня клетки, а также в формировании пулов кислот иснабжении субстратами синтеза аминокислот обсуждается работа и координационная рольмалатного и цитратного «ответвлений» цикла, интенсивность которых зависит оттрансформирования ДТК цикла из замкнутой в открытую структуру с формированиемсоответствующихпуловстабилизирующихегопроизводныхработуинтермедиатов,(Igamberdiev,Eprintsev,подпитывающих2016).циклВозможностьитакоготрансформирования под влиянием повышения редокс потенциала клеток, особенно на светуи в фотодыхательных условиях, была доказана с использованием разных методовнесколькими исследователями (Chen, Gadal, 1990; Igamberdiev, Gardestrom, 2003).

При этомодна ветвь «незамкнутого» цикла продуцирует цитрат, который может трансформироваться визоцитрат, 2-оксоглутарат или их деревиаты, включая глутамат, тогда как другаяпродуцирует малат (или фумарат и даже сукцинат), которые могут экспортироваться измитохондрий и накапливаться в вакуолях (Рисунок 4).34Рис.4. Работа ДТК цикла органических кислот в замкнутом и открытом режиме(поIgamberdiev, Eprintsev, 2016)Как известно, вакуоли выполняют важную буферную роль в запасании малата, цитратаи других кислот, что обеспечивает стабильность их цитозольных пулов (Meyer et al., 2010a;2011).

У многих растений именно малат является наиболее аккумулируемой органическойкислотой и может участвовать в переносе редокс эквивалентов между клеточнымикомпартментами (Maurino, Engqvist, 2015), а также выполнять функцию осмолита и аниона,компенсирующего положительный заряд K+ в цитоплазме (Meyer et al., 2010б). «Малатный»клапан в фотосинтезирующих клетках регулируется НАДФН, формируемым в световой фазефотосинтеза (Kromer, Scheibe, 1996), и ингибирование сукцинат дегидрогеназы и фумаразыповышает уровни малата (Eprintsev, 2016).

Работу «цитратного» клапана у С3 растенийсвязываютсфотодыхательнымметаболизмом.Этотклапандаетанаболическийвосстановитель в форме НАДФН, который формируется за счет активности цитозольнойизоцитрат дегидрогеназы и конверсии 2-оксоглутарата в глутамат, становящийся в некоторыхусловиях главным продуктом ДТК цикла (Tcherkez et al., 2009). Полагают, что цитратэкспортируется из митохондрий предпочтительнее, чем изоцитрат или 2-оксоглутарат,которые, в свою очередь, формируются из цитрата в цитозоле при участии цитозольнойаконитазы и НАДФ-изоцитрат дегидрогеназы, активности которых в цитозоли часто выше,чем в митохондриях (Eprintsev et al., 2015a). По мнению ряда исследователей, цитрат имеетобщую функцию регуляции на транскрипционном уровне, которая может достигаться черезингибирование аконитазы со стороны активных форм кислорода и азота в стрессовых35условиях (Gupta et al., 2012) или подавление окисления изоцитрата при возрастании редокспотенциала (Igamberdiev, Gardestrom, 2003).Важную роль в скоординированной регуляции активности двух ответвлений ДТКцикла играют изоэнзимы цикла ДТК, локализованные в митохондриях, цитозоли и другихорганеллах, в том числе, неглиоксисомальная изоцитрат лиаза (Cheung et al., 2014),работающая в цитозоли при рН 6,0-6,5 и активируемая Mn (Eprintsev et al., 2015b).

Полагают,что она может связывать цикл ДТК с глиоксилат/глицин метаболизмом и поэтому либоснабжать глиоксилатом биосинтез глицина и оксалата, или утилизировать фотодыхательныйглиоксилат в синтазной реакции (Igamberdiev, Lea, 2002). Растения с С4 фотосинтетическимметаболизмом, осуществляющие фиксацию СО2 при участии ФЭП-карбоксилазы собразованием ЩУК и ее восстановлением до малата (кукуруза) либо трансаминированием васпартат (просо, амарант), также могут аккумулировать органические кислоты цитратнойветви, особенно цитрат или изоцитрат.

При этом высказывается мнение, что общуюметаболическую структуру С4 и САМ фотосинтеза можно рассматривать как следствиетрансформации малатного и цитратного ответвлений в открытую структуру ДТК цикла дляаккомодации фиксации углерода через ФЭП карбоксилазу ((Igamberdiev, Eprintsev, 2016).1.5.1.2. Влияние формы азотного питания на аккумуляцию ди- и трикарбоновыхкислот в растенияхОсобое внимание ряда исследователей уделялось вопросу влияния формы источникаазота в среде на аккумуляцию органических кислот и их участия в поддержании ионногобаланса в клетках при экстенсивном метаболизме нитрата.Показано, что при питаниинитратом растения накапливают в листьях больше органических кислот, чем при питанииаммонием (Kirkby, Mengel,1967; Arnozis et al., 1988; Осмоловская, Иванова, 1989;Осмоловская и др., 2007) и их содержание в листьях возрастает в ответ на повышениеконцентрации нитрата в среде (Scheible, 1997).

При этом у одних растений замена нитрата нааммоний снижала аккумуляцию в листьях преимущественно кислот цикла ДТК (Kirkby,Mengel,1967), тогда как у гречихи и шпината отмечалось падение, прежде всего, уровняоксалата (Kpodar et al., 1978; Merkel, 1975). Анализируя причины стимулирующего действиянитрата на аккумуляцию органических кислот, некоторые авторы сформулировалипредставление, что редукция нитрата в клетках листа генерирует анионы OH- (NO3- +8H++ 8e→NH3 +2H2O +OH-), нейтрализация которых и поддержание рН гомеостаза цитозолядостигается за счет синтеза органических кислот (в основном, малата и цитрата) с36последующим переносом анионов кислот и сопутствовавших нитрату катионов в вакуоль(Raven, Smith, 1976; Kirkby, 1981; Imsande et al., 1994; Touraine et al., 1988).

Имеютсядоказательства, что перенос заряда с ОН- на органический анион может осуществляться приучастии ФЭП-карбоксилазы (Raven, Smith, 1976; Kirkby, 1981), активируемой щелочнымизначениями рН (Davies, 1979), в том числе, у растений, накапливающих оксалат (Franceschi,1980). Отмечено, что у риса при внесении нитрата цитрат и аскорбат начинают накапливатьсяпозже оксалата, и они не улучшают синтез оксалата на NH4+ (Hu et al., 2006). С другойстороны, имеются доказательства оттока части органических кислот совместно с K+ излистьев в корни по флоэме, что стимулирует дальнейшее поглощение нитрата и нашлоотражение в представлении о рециркуляции K+ и карбоксилатов в растениях (Touraine et al.,1988; 1992).