БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ, 2014, том 31, № 2, с. 137-146
УДК 581.1
СОСТАВ МЕМБРАН ДИКОРАСТУЩИХ ГАЛОФИТОВ С РАЗЛИЧНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ РЕГУЛЯЦИИ СОЛЕВОГО ОБМЕНА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ СРЕДЫ
© 2014 г. О. А. Розенцвет, В. Н. Нестеров*, Е. С. Богданова
Институт экологии Волжского бассейна РАН, 445003, Тольятти, ул. Комзина, 10; *электронная почта: nesvik1@mail.ru Поступила в редакцию 03.06.2013 г.
Изучен состав мембранных компонентов фотосинтезирующих органов галофитов, произрастающих в биотопах с различным уровнем засоления, увлажнения и кислотности почвы и отличающихся по типу регуляции солевого обмена. Показано, что для эвгалофитов характерна галосуккулентность листьев, а для глико- и криногалофитов — галоксерофитность. В клеточных мембранах эвгалофитов Suaeda salsa и Salicornia perennans содержание белков было выше, чем у криногалофита Limonium gmelinii и гликогалофита Artemisia santonica. Установлено, что компоненты мембран истинных галофитов (S. salsa, S. perennans и L. gmelinii) чувствительны к уровню засоления почвы, а факультативного галофита (A. santonica) — к влажности и кислотности почвы.
Ключевые слова: галофиты, регуляция солевого обмена, адаптация, экологическая пластичность, мембранные липиды, мембранные и водорастворимые белки.
Б01: 10.7868/80233475514010095
Мировая флора содержит множество видов галофитов, которые успешно произрастают в условиях засоленности и/или при орошении соленой водой [1]. Устойчивость галофитов к засолению обеспечивается разнообразными механизмами на уровне как отдельных клеток, так и целого растения. Эти механизмы включают регуляцию метаболизма, экспрессии генов, ионного транспорта и водного потенциала, который складывается из осмотического потенциала и тургорного давления [2-4].
Следует подчеркнуть, что галофиты неоднородны по своим экологическим, физиолого-био-химическим свойствам [1]. По типу накопления солей различают соленакапливающие (эвгалофи-ты), солевыделяющие (криногалофиты) и соле-исключающие (гликогалофиты) растения [5]. Растения этих групп различаются организацией дальнего транспорта ионов. У соленакапливаю-щих видов ионы и С1- транспортируются в больших количествах в надземные органы, где накапливаются преимущественно в вакуолях [6]. Солеисключающие растения ограничивают поступление солей в надземные органы. С физиологической точки зрения различают облигатные, или истинные галофиты, для существования которых необходима повышенная минерализация, и факультативные, или солевыносливые виды, способные существовать как в присутствии, так и
в отсутствие высоких концентраций солей в почве [7].
Большое значение в солеустойчивости растений принадлежит биологическим мембранам [8], которые выполняют функцию не только полупроницаемого барьера между внутренним пространством клетки и внешней средой, но и матрицы, где локализуется значительная часть ферментативных реакций. Тем самым мембраны вовлечены во внутриклеточные системы регуляции различных физиологических процессов, обеспечивающих нормальный рост и продуктивность растений [3].
В настоящее время сформировано представление о том, что у галофитов и гликофитов липидные компоненты мембран отличаются по содержанию липидов отдельных классов [9, 10], составу жирных кислот (ЖК), особенно по содержанию ЖК с числом атомов углерода более 20 [11], содержанию и составу свободных стеринов (СТ) [12]. В зависимости от вида и содержания солей в почве у га-лофитов может значительно меняться состав мембранных липидов (МЛ), таких как гликоли-пиды (ГЛ), фосфолипиды (ФЛ) и их ЖК, а также соотношение ГЛ и ФЛ [13, 14]. Установлено, что белки водных каналов (аквапоринов) растений важны для поддержания осмотического баланса и транспорта воды в клетках солеустойчивых расте-
ний [15], а также транспортных белков, таких как Na+/H+- [16, 17], С1-/Н+-антипортеры [18] и Н+-АТР-азы [19, 20].
Следует отметить, что принадлежность растений к той или иной группе относительна и может зависеть от ряда внешних и внутренних факторов, в первую очередь, от концентрации соли в среде, водного и температурного режимов. Особый интерес представляют растения, произрастающие в регионах с экстремальными условиями обитания, например, в бассейне озера Эльтон (Приэльтонье). Особенностью данного региона является высокая степень засушливости с резким дефицитом осадков, засоление почвенного слоя.
Цель работы состояла в изучении состава мембран фотосинтетических органов галофитов с разным типом регуляции солевого обмена в зависимости от абиотических факторов среды (показатели влажности, уровня засоления, кислотности почв) в условиях Приэльтонья.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве объектов исследования были выбраны Suaeda salsa (L.) Pall. и Salicornia perennans Willd. из семейства Chenopodiaceae, Limonium gme-linii (Willd.) O. Kuntze из семейства Plumbaginaceae, Artemisia santonica L. из семейства Asteraceae.
Растительный материал собирали в третьей декаде июня 2012 г. в первой половине дня в дельте рек Чернавка (49°12' с.ш., 44°40' в.д.), Ланцуг (49° 12' с.ш., 46°38' в.д.), Хара (49°12' с.ш., 46°39' в.д.), Солянка (49°10' с.ш., 46°35' в.д.) и Большая Сма-рогда (49°07' с.ш., 46°50' в.д.) на экспериментальных площадках (20 х 20 м), на которых произрастали все исследуемые виды.
Район исследования расположен в северной части Прикаспийской низменности (Волгоградская обл.), характеризуется близостью залегания грунтовых вод, засоленностью почвогрунтов, что обуславливает формирование солончаковости и солонцеватости почв и определенного типа растительности. Температурный режим отличается амплитудой экстремальных температур более 70°С с абсолютным минимумом в январе (—31.1°С) и абсолютным максимум в августе (41.1°С) [21].
Для биохимических анализов использовали среднюю часть листьев среднего яруса из 15—20 растений (в случае S. perennans — среднюю часть надземного побега), произрастающих в пределах одного биотопа. Одновременно отбирали образцы почвы на глубине 15—20 см для определения кислотности, влажности и минерального остатка почвенной вытяжки [22]. Оводненность тканей рассчитывали после определения сырого и сухого веса как отношение содержания воды к сухому весу [23].
Для анализа липидов из объединенной биомассы листьев или побегов составляли три независимых биологических пробы (2—4 г сырой массы), деферментировали кипящим изопропано-лом и до анализа хранили в темном холодном месте. Липиды экстрагировали трижды смесью хлороформ : метанол (1 : 2 по объему) с одновременным механическим разрушением тканей [24]. Липиды разделяли методом тонкослойной хроматографии согласно [25]. Количество ФЛ определяли методом Васьковского, ГЛ и неполярных липидов (НЛ) — денситометрически (Денскан-04, Ленхром, Россия). Хроматограммы анализировали в режиме параболической аппроксимации по калибровочным кривым, используя моногалак-тозилдиацилглицерин и гептодекановый спирт (Sigma, Германия) в качестве стандартов.
Интенсивность перекисного окисления липидов (ПОЛ) в тканях растений определяли по содержанию малонового диальдегида (МДА) после реакции с тиобарбитуровой кислотой, используя спектрофотометр (ПромЭкоЛаб ПЭ-3000 УФ, Россия) [26].
Одновременно с отбором проб на липиды отбирали биологические пробы (0.2—0.5 г сырой массы) для анализа белков в трех независимых по-вторностях и замораживали. Растительный материал экстрагировали на холоде с 5 мл дистиллированной воды. Листья гомогенизировали в фарфоровой ступке вручную, что относится к мягкому способу воздействия [27]. Гомогенат центрифугировали в течение 15 мин при 8000 g. Супернатант отделяли от осадка, объем доводили до 10 мл и использовали для количественного определения водорастворимых белков (ВБ). К осадку приливали 10 мл 0.05% Тритона Х-100 (Panreac, Испания), перемешивали и выдерживали 1 сут при температуре 4°С для экстракции мембраносвязанных белков (МБ). Исходя из того, что при использовании Тритона Х-100 в концентрации 0.3, 0.2 или 0.1% выход белка был таким же, как и при 0.05%, в дальнейшем использовали Тритон в концентрации 0.05%.
По истечении 1 сут гомогенат центрифугировали как описано выше и отделяли супернатант, в котором определяли содержание МБ. Количества ВБ и МБ определяли по методу Лоури [28] на спектрофотометре (ПромЭкоЛаб ПЭ-3000 УФ, Россия) при X = 750 нм, используя калибровочные графики со стандартным раствором бычьего сывороточного альбумина (Calbiochem, Германия) на дистиллированной воде и на растворе 0.05% Тритона Х-100 соответственно.
Метиловые эфиры ЖК получали кипячением в 5% растворе HCl в метаноле и анализировали их на хроматографе (Хроматэк Кристалл 5000.1, Россия) в изотермическом режиме с использованием капиллярной колонки длиной 105 м и диа-
Таблица 1. Физико-химические характеристики почвы в местах отбора растений
Место произрастания, река Влажность почвы, % Содержание солей, мг/мл Температура, °С Кислотность
Чернавка 47.0 ± 1.0 0.7 ± 0.1 35.0 ± 0.5 9.3 ± 0.0
Ланцуг 34.0 ± 1.0 1.1 ± 0.1 31.0 ± 0.0 9.0 ± 0.1
Хара 19.2 ± 4.0 0.2 ± 0.0 35.0 ± 0.5 9.2 ± 0.5
Солянка 38.8 ± 1.0 0.6 ± 0.1 35.0 ± 0.0 9.7 ± 0.0
Б. Смарогда 15.4 ± 2.0 0.8 ± 0.0 30.0 ± 0.0 9.4 ± 0.4
метром 0.25 мм (RESTEK, США). Температура колонки — 180°С, испарителя и детектора — 260°С, скорость тока газа-носителя (гелий) — 2 мл/мин.
Результаты представлены в виде средних величин и их стандартных ошибок. Коэффициент вариации средних величин (Kv) рассчитывали с помощью программы Statgraphics Centurion XV. Для определения влияния абиотических факторов на содержание мембранных компонентов и их взаимосвязи использовали метод канонического анализа соответствий (CCA или canonical correspondence analysis). Расчеты проводили с помощью программы Canoco 4.5. for Windows. Различия считали значимыми приp < 0.05 [29].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Согласно экологической классификации растения S. perennans и S. salsa — это эвгалофиты, A. santonica — гликогалофиты, L. gmelinii — крино-галофиты [5]. Условия их произрастания отличались по уровню засоленности, влажности и кислотности почвы, а также по температурному режиму (табл. 1). Соде
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.