Диссертация (1145773), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Вместе с тем, в экспериментах,выполненнх на растениях A.caudatus, было установлено, что реализация стратегииэксклюдера во многом зависит от влияния сопутствующих факторов, таких как уровень рНсреды и форма источника азотного питания. Согласно данным проведенного исследования,нитратная форма азота существено повышала иненсивность аккумуляции особенно Cd вкорнях, одновременно способствуя и более активному переносу металлов в надземную частьрастений, тогда как замещение нитрата аммонием приводило к ингибированию обоихпроцессов.Иным оказался характер зависимости аккумуляции металлов в растених отвеличины рН.
Впервые было установлено повышение эффективности связывания кадмия вкорняхамаранта вусловиях нейтральногорН среды(6,8), что сопровождалосьодновременным ограничением переноса Cd в побег, и, напротив, снижение вдвое связыванияCd корнями растений при «кислых» значениях рН (4,5), при стимуляции переноса металла внадземную часть растения. В последнем случае уровень Cd в зрелых листьях A.caudatusдостигал 325 мкг/г, а в ювенильных - 650 мкг/г, что существенно превышает показателимаксимальной аккумуляции Cd (100-260 мкг/г) в листьях A.mangostanus,A.tricolor иA.caudatus без внешних симптомов Cd токсичности, отмеченные в литературе и позволившиеавторам позиционировать амарант как гипераккумулятор кадмия (Fan, Zhou, 2009; Watanabeet al., 2009, Bosiacki et al., 2013).
Аналогичный характер влияния рН был отмечен и вотношении Zn, уровень аккумуляции которого при 300мкМ Zn на фоне рН 4,5 в ювенильныхи зрелых листьях A.caudatus достиг 867 и 1064 мкг/г.143Анализ установленного факта разнонаправленного действия низких значений рН наэффективность связывания кадмия в корнях и его транспорт в побег позволяет предположить,что в основе лежит, прежде всего, конкуренция ионов H+ и Cd2+ за отрицательно заряженныесайты клеточной стенки, что, в свою очередь, определяет повышение концентрации ионовCd2+ в водной фазе апопласта и их диффузии по свободному пространству корня, и можетспособствовать возрастанию трансмембранного переноса Cd2+ в клетки корня при участиипостулируемых ZIP транспортеров или неселективных катионных каналов (Lux et al., 2011).Дополнительные исследования, выполненные с использованием методов гистохимическогоанализа в сочетании с методами световой и электронной микроскопии (для Cd) и методаэнергодисперсионного микроанализа (для Zn) подтвердили принципиальную роль апопластаклеток корней, а также клеточных стенок сосудов ксилемы в связывании и иммобилизацииCd и Zn у растений A.caudatus.
Таким образом, высокая степень иммобилизации как Cd, так иZn в корнях A.caudatus определяется барьерной ролью апопласта, ограничивающего переносметаллов в сосуды ксилемы. Обобщение полученных результатов дает основание заключить,что условия культивирования растений во многом определяют превалирование стратегииэксклюдера и/или гипераккумуляторау растений амаранта. Реализация последнейиндуцируется при «кислых» значениях рН среды на фоне снижения эффективностисвязывания ионов ТМ в корнях.Отличительной особенностью ТМ стресса является токсичность ионов ТМ какстрессового агента, что преполагает значимость их детоксикации в растениях как важногомеханизма обеспечения устойчивости растений к стрессу.
Ранее для A.caudatus и A.cruentusбыло показана способность к высокой аккумуляции оксалата в листьях (Осмоловская и др.,2007; Попова, 2009), что послужило основанием к исследованию возможной роли этойкислоты в детоксикации ТМ. Проведенный нами анализ содержания и форм присутствияоксалата в листьях амаранта показал существенное (до 1,7-3,1 раз) усиление аккумуляцииводорастворимой формы оксалата в результате 7 суточного воздействия Cd и Zn, чтосопровождалось снижением пула нерастворимого оксалата, более значительным в листьях A.cruentus.
Электронно-микроскопическое исследование кристаллов оксалата, выделенных излистьев амаранта, впервые позволило обнаружить в листьях растений A.caudatus,подвергнутых Cd или Zn воздействию, наряду с кристаллами оксалата кальция присутствиекристаллов оксалата кадмия и оксалата цинка. Исследование фазового состава кристалловоксалата в органах растений A.caudatus с использованием метода рентгенодифракционного144анализа, позволило идентифицировать в листьях этого вида амаранта кристаллы безводногооксалата кадмия - CdC2O4. Существенным явилось обнаружение этих кристаллов не только взрелых листьях A.caudatus уже на 3-и сутки экспонирования растений на среде с 90 мкМ Cd,но и в ювенильных листьях после 7 сут Cd воздействия.
Поскольку сведения о возможностиформирования кристаллов оксалата кадмия в растениях амаранта в литературе отсутствуют,полученные данные являются принципиально новыми. В этой связи есть основаниезаключить, что кадмий, переносимый из корней в листья A.caudatus,способенхелатироваться в них оксалатом с образованием кристаллов CdC2O4, что, видимо, можетбыть принципиальным механизмом детоксикации этого металла на уровне листа.Доказательства участия оксалата и других органических кислот в механизмахустойчивости растений амаранта к действию ТМ были получены также с использованиемметода метаболомного анализа, давшего возможность на основании аннотированя более 70метаболитов впервые оценить характер биохимических перестроек в листьях и корнях 2-хвидов амаранта в ответ на 7 суточное воздействие Cd и Zn стресса. Анализ метаболитныхпрофилей позволил выявить различия в характере биохимических перестроек, происходящихв корнях и надземых органах растений амаранта в ответ на действие ТМ стресса, и показатьих сопряженность с природой механизмов, функционирующих на уровне корней и листьевдля обеспечения металлоустойчивости растений.
Количественная оценка содержания рядапринципиально значимых метаболитов в органах A.caudatus позволила выявить ключевыесоединения, внесшие максимальный вклад в метаболический откик у этого болееустойчивого вида амаранта на стрессовое действие Cd и Zn, что хорошо коррелирует ссообщениями о возможных различиях в ответных реакциях разных органов растений настресс (Kralova et al., 2012; Xie et al., 2014). Согласно результатам исследования, основнаяроль в метаболическом отклике корней A.caudatus принадлежит сахарам, тогда как в листьяхприоритет принадлежит органическим кислотам.
При этом полученные данные убедительнопродемонстрировали зависимость характера метаболического отклика на Cd и Zn в листьяхамаранта от возраста листа, что выразилось в превалировании прироста малата и оксалата вотклике зрелых листьев в сравнении с преобладанием прироста сахаров в ювенильном листеи максимально проявилось в ответе на воздействие Cd. Данный факт можно трактовать какпоказатель интенсификации цикла Кребса в зрелых листьях, способствующей генерированиювосстановительных агентов и АТФ, а также углеродных скелетов для синтеза аминокислот ибелка, на что указывали авторы некоторых работ (Keunen et al., 2010; Xie et al., 2014).145Отмеченное увеличение пула сахаров в метаболоме ювенильного листа, скорее всего,обусловлено усилением их переноса из зрелых донорных в акцепторные ювенильные листьядля обеспечения их развития и функционирования в условиях стресса. Повышение уровнясахаров в корнях A.caudatus также указывает на усиление их притока из листьев и вовлеченияв механизмы адаптации к стрессу.
Истощение пулов сахаров у A.cruentus в ходе 7 сутвоздействия ТМ может рассматриваться как следствие нарушения их притока и/либобыстрого расходования у менее устойчивого вида амаранта.Обобщая полученные результаты исследования, можно заключить, что выявленныеразличия в направленности биохимических перестроек в корнях и листьях растений амарантав ответ на стессовое действие Cd и Zn, очевидно во многом обусловлены спецификойпроцессов, участвующих в детоксикации ТМ в этих органах растений. Усиление притокасахаров в корни может способствовать поддержанию структуры и катионообменных свойствапопласта, что является принципиально важным для обеспечения эффективного связывания идетоксикации ионов ТМ на уровне клеток корней и реализации ими стратегии эксклюдера.Установленная ориентированность биохимических перестроек, происходящих в листьях, наинтенсификацию обмена органических кислот и преиущественную аккумуляцию в нихмалата и оксалата, сопряжена с их очевидным участием в хелатировании и дектоксикацииионов Cd2+ и Zn2+ на уровне листа и подтверждает принципиальную роль органическихкисолот в механихмах устойчивости растений амаранта к стрессовому воздействию кадмия ицинка.146ВЫВОДЫ1.
Анализ особенностей роста и развития растений амаранта на среде с высокимиконцентрациями Cd (90 мкМ) и Zn (300мкМ) показал, что растения Amaranthus caudatusболее устойчивы к действию кадмия и цинка, чем Amaranthus cruentus.2. При выращивании растений A.caudatus на среде с рН 6,8 кадмий и цинк накапливаютсяпреимущественно в апопласте клеток корней. Впервые показано, что рН 4,5 препятствуетэффективному связыванию Cd и Zn в корнях, в результате чего наблюдается повышеннаяаккумуляция этих металлов в побегах.3. С использованием методов электронной микроскопии и рентгенодифракционного анализавпервые продемонстрировано формирование кристаллов оксалата кадмия в листьях растенийA.caudatus, выращенных на среде с высокими концентрациями Cd.предположение, что связывание кадмия в виде кристаллов оксалата являетсяВыдвинутоодним измеханизмов детоксикации этого металла в листьях амаранта.4.
Показано, что Cd и Zn инициируют изменения профилей низкомолекулярных метаболитовв корнях и листьях растений амаранта. Установлено, что ключевыми соединениями вметаболическом отклике корней на действие высоких концентраций Cd и Zn являются сахара,а в листьях – органические кислоты.5.Впервые продемонстрирована зависимость метаболического отклика на Cd и Zn отвозраста листа.
В ответ на действие Cd и Zn в молодых листьях A. caudatus увеличивалосьсодержание сахаров, а в зрелых листьях - оксалата и кислот цикла Кребса.6. Установлена принципиальная роль возрастания пулов малата и оксалата в зрелых листьяхA.caudatus в ответ на действие Cd и Zn стресса, что, по-видимому, связано с ихфункциональным участием в хелатировании металлов как механизме обеспеченияустойчивости растений амаранта при продолжительном воздействии тяжелых металлов.147СПИСОК СОКРАЩЕНИЙДНК – дезоксирибонуклеиновая кислотаИУК – индолил-3-уксусная кислота (ауксин)Кm – константа михаэлисаМТ - металлотилонеинРНК – рибонууклеиновая кислотаСША – соединенные штаты америкиТМ – тяжелые металлыФХ – фитохелатиныABC – ATP-binding cassette transpoterCAX – cation/proton exchangerCDF – cation diffusion facilitatorCTR – copper transporterGSH – glutathioneHMA – heavy metal ATPaseHMW – high molecular weightLMW – low molecular weightMTP – metal tolerance proteinMRP – multidrug resistance associated proteinOPT – oligopeptide transporterPDR – plaiotropic drug resistanceNRAMP - natural resistance-associated macrophage proteinYS – yellow stripeYSL – yellow stripe - likeZAT – zinc transporter of ArabidopsisZIP – zinс - iron-regulated transporter148СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1.Алексеева-Попова Н.В.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
