Автореферат (1145771), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Данные , полученные с экспериментах с созданиемразных уровней рН среды (4,5±0,2 или 6,8±0,2), свидетельствуют о несомненной10зависимости поступления и распределения Cd по органам амаранта от величинырН (Рис. 5). Было установлено, что концентрации Cd в кончике и в средней частикорня A.caudatus при нейтральном рН вдвое превышали показатели,зафиксированные при рН 4,5, тогда как у основания корня концентрациивыравнивались. В надземных органах наблюдалась прямо противоположнаязависимость, а именно, концентрации Cd в стеблях и листьях амаранта при рН 4,5возрастали в 3 - 4 раза по сравнению с рН 6,8 (рис.
5, а, б). При этом концентрацияCd в молодых листьях на фоне рН 4,5 достигла 650 мкг/г, однако это не привело крезкому торможению роста растений. Аккумуляция Zn при рН 6,8 возрасталатолько в кончике корня амаранта (Рис.5, в), тогда как в средней и базальнойчастях корня она оказалась выше при рН 4,5 (Рис. 5, в). Низкий уровень рН средысущественно стимулировал перенос Zn (как и Cd) в побег, в связи с чемконцентрации Zn в зрелых и молодых листьях A. caudatus при рН 4,5 оказались в 2и в 4 раза выше, чем при рН 6,8 (Рис.5, г).абвгРис. 5.
Влияние pHпитательного растворана содержание Cd (а, б)и Zn (в, г) в корнях (а, в)и надземных органах (б,г) растений A. caudatus(* p<0,05, **p<0,01).Расчет распределения Cd и Zn по органам амаранта в % от его общегосодержания в растении, позволил установить, что при нейтральном рН средыкорни амаранта аккумулировали 71% Cd и 65% Zn, поступивших в растения, исоответственно только 29% и 35% металлов перемещались в надземную часть(Рис.6), что отвечает стратегии эксклюдера. Однако при рН 4,5 показательсвязывания металлов в корнях снизился до 23% (Cd) и 45% (Zn), а их перенос впобег достиг соответственно 73% и 55% от суммарного поступления. При этом Cdв большей степени задерживался на уровне стебля, чем Zn, и более интенсивнопередвигался в молодые листья, где его аккумуляция составила 15% от суммы врастении (Рис.6).
Т. о., при нейтральном pH среды создаются более благоприятные11условия для реализации стратегии эксклюдера путем связывания металлов вкорнях и ограничения их переноса в метаболически активные фотосинтезирующиеорганы амаранта. В то же время, результаты исследования позволяют заключить,что в условиях повышеннй кислотности среды барьерная функция корнейA.caudatus более эффективно поддерживается в отношении Zn, чем Cd.. Оцениваявозможный механизм отмеченного эффекта рН, можно предположить, что в егооснове лежит конкуренция ионов H+ и Cd2+ (Zn2+) за отрицательно заряженныесайты клеточной стенки, которая усиливается при рН 4,5 и может способствоватьвозрастанию трансмембранного переноса ионов металлов в клетки корня приучастии постулируемых транспортеров или катионных каналов (Lux et al., 2011).авбгРис.6.
Распределение кадмия (а, б) и цинка (в, г) по органам растений A.caudatus при разных значениях pH среды (% от общего содержания металла врастении)Анализ локализации кадмия и цинка в органах растений Amaranthus caudatus.Локализацию кадмия в корнях растений A.caudatus после 7 сут экспозиции напитательном растворе с рН5,6 в присутствии 90 мкМ Cd определялигистохимически путем окраски срезов корня дитизоном с последующимвыявлением распределения Cd с использованием светового микроскопа. Какпоказали результаты анализа, в апикальной части корня наиболее интенсивноокрашивались клетки корневого чехлика с поверхностным слоем слизи (Рис. 7, а).Выше по главному корню в зоне дифференциации окрашенные комплексы кадмия12с дитизоном выявлялись в клетках ризодермы, паренхимных клетках коры иклетках, окружающих сосуды (Рис. 7, б).
Окраска была сосредоточена в апопластепо периметру клеток и не обнаруживалась в протопластах клеток. В центральнойчасти корня интенсивность окраски повышалась в клетках, прилегающих кпротоксилеме и метаксилеме, (Рис. 7, г), однако видимого присутствия Cd внутрисосудов установлено не было.
В зоне проведения окрашивание было отмечено впросвете сосудов ксилемы, а также флоэмы (Рис. 7, в). Полученные данные, такимобразом, подтверждают принципиальную роль апопласта клеток корней всвязывании и детоксикации кадмия у растений A.caudatus, определяющую егобарьерную функцию в ограничении переноса Cd в сосуды ксилемы.–Рис.7.Локализациякадмиявкорняхрастений амаранта: (a)апикальнаячастькорня, (б, в, г) –главный корень. КЧ корневой чехлик, слслизь, Ф-флоэма, Ксксилема,Мкметаксилема,Пкпротоксилема.Учитывая ранее установленный факт влияния Cd и Zn на пулы оксалата влистьях амаранта, было исследовано формирование кристаллов оксалата кадмияи цинка в листьях растений амаранта, экспонированных в присутствии этихметаллов. Кристаллы оксалатов были выделены из зрелых листьев A.caudatus испектры излучения входящих в их состав элементов исследовали с использованиемметода энергодисперсионного анализа на растровом сканирующем электронноммикроскопе.
Результаты спектрального анализа, представленные на рис. 8, выявилиприсутствие в составе кристаллов оксалата помимо Ca, O и C также Cd и Zn. Какследует из полученных данных, доля Cd в выявленных кристаллах оксалатасоставила 0,102%,а доля Са - 38,95% (Рис.8,а), что отвечает весовомусоотношению Cd:Ca в кристаллах 1:390 и согласуется с результатамиколичественного анализа элементного состава зрелых листьев и позволяетполагать, что основная масса кадмия в зрелых листьях A.caudatus можетнаходиться в форме оксалата.
В отличие от этого доля Zn в кристаллах оксалатаоказалась существенно ниже и составила 0,027% при 43.5% Ca (рис8, б). С учетом13более высоких концентраций Zn в сравнении с Cd в листьях амаранта (Рис 2),можно предположить, что степень участия Zn в кристаллах оксалата, в отличие отCd, невелика и оксалат не является принципиальной кислотой, участвующей вдетоксикации цинка в листьях амаранта.абРис.8. Энергодисперсионныеспектрыкристалловоксалата кальция(а, б), оксалатакадмия (а) иоксалата цинка (б)в зрелых листьяхA.caudatus после7 сутокэкспонирования нарастворе с 90мкМCd (а) и с 300мкМZn (б).Сиспользованием метода рентгенодифракционного анализа был исследован фазовыйсостав кристаллов оксалата в органах растений амаранта (Рис.9)..Рис.
9. Анализ фазового состава кристаллов оксалата в молодых листьяхA.caudatus при 7 сут воздействии 90мкМ Cd на дифрактометре Bruker D2 Phaser .Результаты исследования показали, что основной фазой оксалата в листьяхамаранта является уэвеллит (CaC2O4 ·H2O) , на пороге обнаружения уэдделлит(CaC2O4•2H2O), а кадмий представлен в форме безводного оксалата кадмия14CdC2O4, кристаллы которого в зрелых листьях обнаруживались уже на 3-и суткивоздействия Cd, а после 7 сут воздействия кристаллы оксалата кадмия былиобнаружены не только в зрелых, но и в молодых листьях A.caudatus (Рис.9).Полученные данные впервые продемонстрировалиприсутствие кристалловоксалата кадмия в листьях амаранта и позволяют заключить, что Cd, переносимыйв листья A.caudatus, способен хелатироваться в них с образованием указанныхкристаллов, что может быть принципиальным механизмом детоксикации Cd науровне листа.Исследование метаболического отклика на действие высоких концентрацийкадмия и цинка в органах растений амаранта.
Одним из актуальных приемовизучения устойчивости растений к действию стрессоров является исследованиеответных реакций на уровне метаболома. Нами с использованием метода газовойхромато-масс-спектрометрии был проведен анализ метаболитных профилей вэкстрактах из листьев и корней A. cruentus и .A. caudatus в норме и при воздействиивысоких концентраций Zn (300мкМ) и Cd (90мкМ). В исследуемых пробах былоаннотировано от 64 до 76 метаболитов. Статистическая обработка массива данныхс использованием метода главных компонент показаладостоверностьраспределения точек, отвечающих вариантам контроля, 90мкМ и 300мкМ Zn, по 3м классам для каждого органа, что свидетельствовало о значимости происходящихв них биохимических перестроек.
Для всех построенных моделей отмеченвысокий процент объясненной дисперсии, составивший в разных органах от 38%до 65% для компоненты 1 (PC1) и от 17% до 39% для компоненты 2 (PC2).Визуализация концентраций низкомолекулярных метаболитов, выделенныхиз листьев и корней амаранта, выполненная путем построения теплокарт, накоторых относительное обилие аннотированных метаболитов в пробах отображенопри помощи цвета, позволила выявить возрастание пулов одних и снижение пуловдругих метаболитов в органах растений относительно соответствующих контролей(Рис.10).
Установлено, что в листьях растений при воздействии Cd и Znповышалось содержание сахаров - глюкозы, фруктозы, сахарозы, маннозы игалактозы, особенно при воздействии Zn, а также органических кислот, в первуюочередь, оксалата, малата и цитрата при воздействии Cd, тогда как содержаниебольшинства аминокислот, напротив, снижалось. Только у A.caudatusв листьяхбыл выявлен металл-индуцированный рост содержания ряда жирных иароматических кислот, в частности, феруловой, азеалиновой и адипиновой.которые, по некоторым данным, могут выполнять антиоксидантную илисигнальную функцию в растениях ( Boz, 2015;Wittek et al., 2014).
В корнях, вотличие от листьев, прирост отмечался в основном среди сахаров, но неорганических кислот, что, видимо, могло быть вызвано оттоком сахаров из листьевкак важного энергетического и строительного ресурса при адаптации к стрессу. Вкорнях A.caudatus в ответ на внесение Cd и Zn в среду отмечалось увеличениесодержания фосфорной и эритроновой кислот, аланина и мио-инозитола, тогда какв корнях A. cruentus пулы этих метаболитов снижались.15В отношении 14 наиболее значимых из аннотированных метаболитовдополнительно был проведен анализ их содержания в зрелых и ювенильныхлистьях и в корнях растений A.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
