ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2008, том 418, № 2, с. 279-281
^ ОБЩАЯ ^^^^^^^^^^^^^^
БИОЛОГИЯ
УДК 581.1
О ПОДВИЖНЫХ ФОРМАХ КРЕМНИЯ В РАСТЕНИЯХ
© 2008 г. В. В. Матыченков, Е. А. Бочарникова, А. А. Кособрюхов, К. Я. Биль
Представлено академиком В.А. Шуваловым 28.06.2007 г. Поступило 04.07.2007 г.
В последние десятилетия наблюдается увеличение интереса к кремнию и его роли в жизни растений [1-3]. Многочисленные результаты исследований свидетельствуют о важной роли этого элемента в формировании механизма защиты растений от внешних биогенных и абиогенных неблагоприятных факторов [4, 5]. Вместе с тем в растениях анализируют только общее содержание Si.
Можно выделить три основные группы соединений водорастворимого кремния - монокремниевая кислота, поликремниевые кислоты и кремний-органические соединения. Данные группы соединений характеризуются различными свойствами и могут играть различную роль в жизнедеятельности растений.
Целью нашей работы явилась оценка содержания основных подвижных форм кремния в растениях.
Исследования проводили с С3-растениями - ячменя Hordeum vulgare L.), цветной капусты (Brassica oleracea L.) и Distichlis spicata - растением с С4-путем фиксации углекислоты. Ячмень и D. spicata являются кремнийаккумулирующими растениями, так как среднее содержание общего кремния в них выше 1% от сухой массы и было определено как 1.21 и 1.34% Si соответственно. Цветная капуста не является кремнийаккумулирующим растением, и содержание Si в ней варьирует от 0.2 до 0.4%.
Ячмень и цветную капусту выращивали на искусственном органоминеральном грунте, содержащем 27-29 мг Si/кг монокремниевой кислоты, определяемой в водной вытяжке, и кислоторас-творимый кремний (0.1 N HCl) 340-360 мг Si/кг грунта. D. spicata выращивали в пластиковых сосудах на песке при высоком уровне дефицита
Институт фундаментальных проблем биологии Российской Академии наук, Пущино Московской обл. Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения
Российской Академии наук, Пущино Московской обл. Research Center for Food and Development, Hermosillo, Sonora, Mexico
кремния - доступного: 6-8 мг/кг и потенциального: 50-65 мг Б1/кг. Влажность почвы поддерживали в диапазоне 60-90% от полной влагоемкости, поливая растения водой с содержанием доступного кремния не более 0.10-0.15 мг/л. Температурный режим день/ночь составлял 22-24°С/17-19°С. В различных частях растений определяли содержание моно- и поликремниевой кислот, применяя два подхода.
Свежие образцы тканей растений (0.1-0.2 г) растирали в ступке с дистиллированной водой и затем центрифугировали гомогенат 15 мин при 6000 g для осаждения коллоидов и твердых частиц. В части полученного супернатанта определяли содержание монокремниевой кислоты по методике [6]. Для определения поликремниевых кислот в оставшейся части супернатанта их деполимеризовали до монокремниевой кислоты [7], содержание которой затем анализировали по вышеуказанной методике. Количество поликремниевой кислоты рассчитывали, исходя из содержания монокремниевой кислоты до и после деполимеризации.
Для определения содержания моно- и поликремниевых кислот в апопласте и симпласте листьев и стеблей растений свежесрезанные образцы нарезали на сегменты длиной 2.0-2.5 см, помещали в колбу с дистиллированной водой в массовом соотношении 1 : 100 и взбалтывали. Содержание кислот в апопласте измеряли в серии аликвот (15 мл), последовательно отобранных через 0, 1, 5, 15, 30, 60, 180, 360 и 1440 мин. Полученные после фильтрования оставшегося раствора образцы растительных тканей растирали в ступке до гомогенного состояния и вновь смешивали с фильтратом. Затем суспензию дополнительно встряхивали 60 мин и вновь измеряли содержание моно- и поликремниевых кислот. Содержание подвижных форм в симпласте вычисляли как разницу между количеством кремния в растворе после окончательного растирания растительных образцов и количеством в апопласте.
Содержание монокремниевой кислоты в тканях растений различалось в зависимости от вида растения и колебалось от 6 до 38% от общего содержания что составляло от 50 до 380 мг/кг сырой массы или 52-700 мг Б1/л внутриклеточного
280 МАТЫЧЕНКОВ и др.
Таблица 1. Содержание монокремниевой и поликремниевой кислот в различных органах ячменя, цветной капусты и Б. эрка1а
Часть растения Монокремниевая кислота Поликремниевая кислота Другие формы Si, % Общее содержание Б1**, г/кг
Si*, мг/кг Si, % Si*, мг/кг Si, %
H. vulgare
Лист 100-150 7-10 800-1000 60-70 20-33 13-15
Стебель 300-380 28-38 320-400 30-40 22-42 5.4-6.2
Корень 340-380 6-9 650-750 15-25 66-79 15-19
D. spicata
Лист 290-330 12-16 800-920 10-15 69-78 13-14
Стебель 140-170 18-25 630-710 15-20 55-67 6.2-6.4
Brassica oleracea
Лист 50-70 25-30 90-110 40-55 15-35 3.2-3.6
Стебель 110-130 25-30 180-220 40-50 20-35 4.1-4.7
* - от сырой массы, ** - от сухой массы.
или внеклеточного раствора (табл. 1). Содержание в форме поликремниевой кислоты в растительных тканях составляло от 10 до 70% от общего количества кремния в растениях, что было значительно выше содержания монокремниевой кислоты. Из полученных данных можно определить, что доля кремния, входящего в фитолиты, клеточные стенки, эпидермальные ткани и, по-видимому, представленного в виде биогенного кремнезема и прочно связанного с органическим веществом, составляет от 15 до 79% (табл. 1). Выход растворимых форм из апопласта Б. зрюа!а происходил в течение первых часов и зависел от формы кремния и органа растений. Содержание монокремниевой кислоты в апопласте стебля и листьев составляло 19 и 34 мг Б1/кг сырой массы соответственно, поликремниевой кислоты изменялось в пределах от 58 мг Б1/кг сырой массы в апопласте стеблей до 368 мг Б1/кг сырой массы в симпласте листьев (табл. 2).
Предложенные методики позволили получить принципиально новую информацию о растворимых формах в растениях. Содержание растворимых соединений кремния в исследованных растениях составляет от десятков до нескольких сотен
Таблица 2. Содержание моно- и поликремниевой кислот в апопласте и симпласте надземных органов Б. эр1са1а
Часть Монокремниевая кислота Поликремниевая кислота
растения апопласт симпласт апопласт симпласт
Si, мг/кг сырой массы
Лист Стебель 34 ± 5 19 ± 5 165 ± 15 117 ± 15 326 ± 15 58 ± 15 368 ± 20 320 ± 20
миллиграмм / килограмм для монокремниевой кислоты и от нескольких сотен до тысячи миллиграмм / килограмм для поликремниевой кислоты.Полученные результаты указывают на необходимость пересмотреть устоявшиеся взгляды на роль только как структурного элемента клеточных стенок. Ранее предполагали, что кремний пассивно поглощается растениями, затем откладывается в виде различных фитолитов и, аккумулируясь в эпидермальных клетках, обеспечивает механическую прочность растений [8]. Считалось, что около 90-95% кремния находится в инертной неподвижной форме, и соответственно предполагали, что концентрация растворимых форм в растительных клетках невысока и он не может принимать активного участия в биохимических процессах
Показанное нами высокое содержание кремниевых кислот в различных органах, а также в симпласте и апопласте указывает на возможность активного поглощения кремния растением. Об этом свидетельствует и наличие специфических белков, обеспечивающих активный транспорт кремния по растению [3]. Полученные данные позволяют также предположить, что транспорт
в растениях осуществляется в форме поликремниевой кислоты (табл. 1).
Монокремниевая кислота вступает в реакции с металлами и может реагировать с органическими соединениями, проявляя свойства слабой кислоты, а также слабого буфера [1, 3, 6]. Присутствие этой формы в растительных тканях позволяет предположить, что она влияет на многие химические и биохимические процессы. Гели кремниевой кислоты могут быть катализатором и матрицей, на которой может происходить целый ряд реакций, необходимых для низкотемпературного
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 418 < 2 2008
О ПОДВИЖНЫХ ФОРМАХ КРЕМНИЯ В РАСТЕНИЯХ
281
органического синтеза: процесс циклизации, перестановки функциональных групп, восстановления, окисления, конденсации, гидратации, дегидратации, формулирования, защиты функциональных групп и др. [9]. Учитывая высокую концентрацию поликремниевой кислоты в растительных клетках (табл. 1, 2), можно предположить, что эта форма кремния также играет важную роль во внутриклеточном синтезе органических соединений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Матыченков ВВ., Кособрюхов A.A., Шабно-ва НИ., Бочарникова E.A. // Агрохимия. 2005. № 10. С. 42-47.
2. Henriet C, Draye X,, Oppitz I. et al. // Plant Soil. 2006. V. 287. P. 359-374.
3. Ma J.F., Tamai K., Yamaji N. et al. // Nature. 2006. V. 440. P. 688-691.
4. Belanger RR. In: III Silicon Agricultural Conf. Umber-landia: Univ. Federal de Uberlandia, 2005. P. 34-40.
5. Matichenkov V.V., Bocharnikova E.A. In: Silicon in Agriculture. Amsterdam: Elsevier, 2001. P. 209-219.
6. IlerR.K. The Chemistry of Silica. N.Y.: Wiley, 1979.
7. MambmeHKoe B.B., Ammocobü ü.M., EonapHUKO-ea E.A. // ArpoxHMHfl. 1997. № 1. C. 76-84.
8. Epstein E. // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1999. V. 50. P. 641-664.
9. Banerjee A.K., Laya Mimo M.S., Vera Vegas W.J. // Rus. Chem. Rev. 2001. V. 70. P. 971-990.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 418 < 2 2008
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.