Диссертация (1145773), страница 17
Текст из файла (страница 17)
В последнем случае авторы отмечали частичное восстановлениекристаллов ночью и трактовали полученные данные как новый биохимический механизмзапасания углерода в форме оксалата кальция при участии реакций темнового дыхания и егоутилизации днем для фотосинтетической ассисимиляции в условиях CO2 голодании,вызванного закрыванием устьиц при засухе (Tooulakou et al., 2016). Нами впервые показан75эффект деградация нерастворимого оксалата в листьях амаранта в условиях стресса,вызванного тяжелыми металлами, более сильный у менее устойчивого A.cruentus, приодновременном повышении уровня растворимого оксалата. С учетом ранее отмеченныхнарушений вводном обмене Cd и Zn стрессированных растений, предположительносвязанных с закрыванием устьиц, можно допустить, что обсуждаемый эффект Cd и Znстресса в отношении пула нерастворимого оесалата имеет природу, подобную описанной вработе (Tooulakou et al., 2016).
Существенно, что анализ оксалата выполняли на листьях,зафиксированных в дневное время, что не позволяет судить о возможной суточной динамикепулов оксалата в листе. Следует также отметить, что у более устойчивого A.caudatusдеградация нерастворимого оксалата не сопровождалась снижением общей концентрациикальция в листе, тогда как у A.cruentus уровень Ca понижался (Рисунок 11).
Полученныеданные дают основание полагать, что увеличение пулов растворимого оксалата являетсяадаптивной реакцией растений на стресс, индуцированный тяжелыми металлами, и, повидимому, может рассматриваться как часть метаболического отклика в листьях амаранта надействие Cd и Zn.3.2. Роль условий минерального питания в ответных реакциях растенийамаранта на действие тяжелых металлов.3.2.1. Влияние формы источника азота на накопление биомассы и аккумуляциюZn и Cd в органах растений А.caudatusВ литературе имеется ряд данных, согласно которым степень негативного действиятяжелых металлов на растения, а также уровни аккумуляции металлов в органах растениймогут зависеть от ряда сопутствующих факторов, в том числе, формы источника азота иуровня рН среды.
При этом в одних работах наблюдали усиление аккумуляции Cd врастениях на фоне использования аммонийных источников азота (Lou et al., 2005; Zaccheo etal., 2006), тогда как в других работах, напротив, отмечался стимулирующий эффект нитрата вотношении аккумуляции Cd в корнях и надземных органах растений (Luo et al., 2012; Hu etal., 2013). Чтобы исследовать этот вопрос применительно к растениям A.caudatus, нами былипроведены экспериметы с замещением нитратных источников азота в питательном растворена аммонийные.
При этом концентрации калия и кальция в «аммонийном» раствореподдерживали на уровне «нитратного» путем внесения K и Ca в виде сульфатных солей.Величину рН опытных растворов поддерживали на уровне 5,6±0,1.76Основным интегральным показателем устойчивости растений амаранта к действию Znи Cd в этих экспериментах, как и в предыдущих, служили показатели прироста сухойбиомассы. Как следует из данных, представленных на Рисунке 19 и 20, растенияконтрольного варианта, получавшие аммонийный источник азота, в целом по темпамформирования сухой биомассы отставали от растений, получавших нитратный азот. Вбольшей степени это проявилось в отношении темпов прироста биомассы листьях, которые у«аммонийных» растений на уровне зрелого и ювенильного листа оказались соответственно в1,3 и в 1,4 раза ниже, чем на фоне нитрата.
В то же время, сравнительная оценка эффектатяжелых металлов на формирование биомассы растений в условиях их снабжения разнымиформами азота, убедительно показала, что в условиях аммонийного питания внесение Cd, атакже Zn в среду оказывало стимулирующее действие на прирост биомассы корней инадземных органов A.caudatus. В отличие от этого на фоне нитратного азота кадмий, как и впредыдущих экспериментах, оказал слабое тормозящее действие на формирование биомассырастений, более выраженое в отношении зрелых листьев (Рисунки 19, 20). Эти данныепозволяют констатировать, что растения амаранта в целом проявляют относительнуюустойчивость к присутствию в среде кадмия и цинка в высоких концентрацияхсоответствеенно 90 и 300 мкМ, что в большей степени проявлялось на фоне использованияими аммонийного источника азота.Рис. 19.
Влияние формы источника азота в среде на прирост сухой биомассы растений A.caudatus в условиях воздействия Cd.77Рис. 20. Влияние формы источника азота в среде на прирост сухой биомассы растений A.caudatus в условиях воздействия Zn.Результаты определения содержания Cd и Zn в корнях и надземных частях опытныхрастений позволили установить, что общий характер распределения концентраций кадмия ицинка по органам растений не зависел от формы источника азота в среде и отвечал порядкукорень >> стебель > молодой (ювенильный) лист > зрелый лист (Рисунок 21, А и Б). Однакопоказатели аккумуляции обоих металлов в органах растений амаранта оказались существенновыше при использовании нитрата в качестве источника азота. Ингибирующий эффектамонийной формы азота на поступление и аккумуляцию металлов сильнее проявился вотношении кадмия, чем цинка.
Так, концентрация кадмия в корнях на фоне аммонийногоазота составила 1577 мкг/г, что ниже, чем на фоне нитрата в 1,62 раза, тогда какконцентрация цинка в корнях «аммонийных» растений составила 3044 мкг/г, что было в 1,16раза ниже, чем в нитратном варианте (Рисунок 21). Особенно сильно, до 4,5 - 11 раз, вусловиях аммонийного питания снижалось содержание кадмия в зрелых и ювенильныхлистьях амаранта, где оно составило всего 13,6 и 20,0 мкг/г против соответственно 60,7 и 215мкг/г на фоне нитрата (Рисунок 22).
В то же время, из полученных данных следовало, что каккадмий, так и цинк, особенно на фоне нитратного азота, предпочтительнее аккумулировалисьв ювенильных (а не в зрелых) листьях амаранта, что, видимо, может быть обусловлено сакцепторной функцией молодых листьев в системе донорно-акцепторных отношений впобеге растений.78АБРис. 21.
Влияние формы источника азота в питательной среде на распределение иаккумуляцию кадмия (А) и цинка (Б) в корнях и надземной части растений A. caudatus(* p<0,05, **p<0,01).АБРис. 22. Влияние формы источника азота в питательной среде на содержание кадмия (А) ицинка (Б) в зрелых и ювенильных листьях растений A. caudatus (* p<0,05, **p<0,01).79Таким образом, из результатов проведенного исследования следует, что растенияA.caudatus проявляют большую устойчивость к действию Cd и одновременно аккумулируютменьше Cd в корнях и надземных органах в условиях использования аммонийной формыазота. В литературе отмечается, что Cd стресс вызывает ингибирование активностиферментов ассимиляции нитрата - нитратредуктазы и нитритредуктазы (Chaffei et al., 2004;Wahid et al., 2007; Wang et al., 2008), а также ферментов GS/GOGAT цикла, определяющихсвязывание NH4 углеродными скелетами (Chaffei et al., 2004), что может быть одной изпричин торможения роста растений на фоне нитрата при Cd воздействии.
С другой стороны,имеются данные, что Cd индуцирует альтернативный путь ассимиляции аммония черезповышение активности NADH- глутаматдегидрогеназы (Gouia et al., 2003; Gill et al., 2011),что объясняют активацией специфических изоэнзимов либо синтезом фермента de novo(Sharma, Dietz, 2006; Gill et al., 2011).
В таком случае, аммонийная форма азота при Cdстрессе может иметь определеное предпочтение перед нитратной ввиду обеспечения болееблагоприятных условий для усвоения минерального азота и синтеза широкого набора Nметаболитов (пролин, глутатион, фитохелатины), играющих важную роль в устойчивостирастений к Cd.Другой стороной рассматриваемого взаимодействия является анализ влияния формыазота на поступление и аккумуляцию Cd и Zn в органах растений. Данные литературы в этомотношении противоречивы и свидетельствуют как о возрастании аккумуляция Cd в растенияхна фоне аммонийного питания (Sady, Kowalska, 2004; Cheng et al., 2016), так и, напротив, остимуляции притока Cd в условиях нитратного питания (Xie et al., 2009; Luo et al., 2012; Hu etal., 2013). Наши данные убедительно свидетельствуют, что у амаранта нитрат усиливал, ааммоний ограничивал приток Cd и Zn и их перенос в надземную часть растений.
В этой связиможнопредположитьучастиенесколькихмеханизмов,однакоболеевероятнымпредставляется механизм, связанный с влиянием формы азота на мембранный потенциалклеток корня. Так, нитратная форма азота способствует гиперполяризации мембранногопотенциала (Hu et al., 2013), что может индуцировать концентрирование катионов, включаякатионы тяжелых металлов, у поверхности и их связывание в апопласте клеток корней, атакже трансмембранный перенос в клетки корня. В свою очередь, аммоний, напротив,способствует деполяризации мембран (Crawford, Glass, 1998), что может ограничивать притоккатионов Cd2+ и Zn2+ в корни.
В то же время, катионная форма источника азота можетсодействовать конкурентному торможению поступления ионов металлов в растения. С80другой стороны, нельзя исключить ответственности анионов нитрата и, возможно, анионоворганических кислот, синтез которых стимуляции нитратом (Arnozis, Findenegg, 1986; Turan,Sevimli, 2005) за большую подвижность ионов Cd2+ и их перенос в листья растений ввидубалансирования нитратом транспорта Cd2+ по ксилеме.
Такой механизм обсуждается в работе(Hu et al., 2013), однако авторы полагают, что для подтверждения этой гипотезы требуютсядальнейшие физиологические и молекулярные исследования.3.2.2. Влияние рН среды на накопление биомассы и аккумуляцию Zn и Cd ворганах растений А.caudatus3.2.2.1. Влияние рН среды на накопление биомассы и аккумуляцию Cd в органахрастений А.caudatus при разных концентрациях Cd в средеИзвестно, что для роста большинства видов растений более благоприятными являютсяпочвы с нейтральным уровнем рН. Специальные исследования, посвященные роли факторакислотности среды в формировании урожайности и устойчивости амаранта к действиютяжелых металлов, в литературе отсутствуют, однако по свидетельству (Ohshiro et al., 2016),больший урожай в нескольких линиях A.tricolor достигался при культивировании на почве срН 8,4, чем на почве с рН 5,4.
В наших экспериментах роль кислотности среды в ответныхреакциях растенийA. caudatus на воздействие цинка и кадмия исследовали в условияхводной культуры при выращивании растений на питательной среде Чеснокова, рН которойзадавали и ежедневно корректировали на уровне 4,5±0,2 либо 6,8±0,2. В этих опытах кадмийи цинк вносили в растворы в двух концентрациях, а именно: Cd - 30 или 90 мкмоль/л, Zn100 или 300 мкмоль/л, что дало возможность оценить характер ответных реакций растенийамаранта на изменение уровня рН среды в зависимости от концентрации в ней тяжелыхметаллов.Как показали данные по весу сухой биомассы растений, приведенные на Рисунке 23,развитие растений амаранта в контрольных вариантах при отсутствии металлов в среде былоболее успешным на фоне нейтральной величины рН раствора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
