ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2015, том 62, № 6, с. 814-826
= ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ =
УДК 581.1
ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РАЗВИТИЯ ДЕФИЦИТА ЖЕЛЕЗА У РАСТЕНИЙ МИМУЛЮСА КРАПЧАТОГО В УСЛОВИЯХ СОВМЕСТНОГО
ДЕЙСТВИЯ СОЛЕЙ НИКЕЛЯ И ЦИНКА © 2015 г. Е. Б. Башмакова, П. П. Пашковский, Н. Л. Радюкина, Вл. В. Кузнецов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва Поступила в редакцию 21.04.2015 г.
Исследованы возможные причины развития дефицита железа у растений Mimulus guttatus Fischer ex DC., подвергнутых раздельному или совместному воздействию NiSO4 (20 и 80 мкМ) и ZnSO4 (50, 100 и 200 мкМ). Растения в возрасте 6 нед. выращивали в течение последующих 28 суток в условиях фитотрона в водной культуре на модифицированной среде Роризона в присутствии или в отсутствие в культуральной среде солей NiSO4 и/или ZnSO4. Установили, что растения M. guttatus обладают высокой устойчивостью к совместному действию сульфатов никеля и цинка. Обнаружен антагонизм между ионами Ni2+ и Zn2+ при поглощении корнями: ионы Zn2+ препятствовали поступлению ионов Ni2+ в корни, даже если в среде концентрация ионов Zn2+ была меньше концентрации ионов Ni2+ в 1.6 раза, тогда как ионы Ni2+ ингибировали поглощение ионов Zn2+ корнями, если в среде концентрация ионов Ni2+ в 1.6 раза превосходила концентрацию ионов Zn2+. Никель не влиял на поступление цинка в надземные органы, тогда как цинк способствовал усилению транслокации никеля из корней в листья. Продемонстрирована строгая обратная корреляция между содержанием железа и суммарным содержанием цинка и никеля в листьях, а также обратная корреляция между транслокацией железа и транслокацией никеля. Анализ содержания железа и активности Fe(Ш)-хе-латредуктазы в корнях показал, что развитие дефицита железа в растениях в присутствии NiSO4 и ZnSO4 не является результатом ингибирования ионами Ni2+ и Zn2+ поступления ионов Fe2+ в корни. Обнаружено, что растения отвечали на воздействия 50—200 мкМ ZnSO4 многократным увеличением содержания свободного никотианамина (НА) в корневой системе, тогда как при добавлении в культуральную среду, помимо ZnSO4, 20 или 80 мкМ NiSO4 в корнях происходило по меньшей мере 3-кратное снижение уровня свободного НА относительно уровня свободного НА в корнях при воздействии ZnSO4. Наконец, установлена прямая корреляция между содержанием свободного НА и аккумуляцией никеля в листьях растений. Полученные данные свидетельствуют о том, что в основе развития дефицита железа в растениях M. guttatus, подвергнутых совместному воздействию сульфатов никеля и цинка, лежит конкуренция между ионами Ni2+ и Fe2+/Fe3+ за хелатор, которым, по-видимому, является НА.
Ключевые слова: Mimulus guttatus — тяжелые металлы — устойчивость — антагонизм никеля и цинка — дефицит железа — Ге(Ш)-хелатредуктаза — никотианамин — гистохимические методы
DOI: 10.7868/S0015330315060020
ВВЕДЕНИЕ
Проблема устойчивости растений к антропогенному загрязнению окружающей среды является одной из приоритетных в современной экспериментальной биологии. Среди большого числа стресс-факторов техногенного происхождения в
Сокращения: ДГ — диметилглиоксим; НА — никотианамин; ТМ — тяжелые металлы; Ктр — коэффициент транслокации; БК02 — Ре(Ш)-хелатредуктаза.
Адрес для корреспонденции: Башмакова Елена Борисовна. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Факс: +7 (499) 977-80-18; электронная почта: elenab_77@mail.ru
настоящее время все большую актуальность приобретает проблема токсического действия тяжелых металлов (ТМ) на растения. Особое место среди ТМ занимают никель и цинк, поскольку в результате хозяйственной деятельности человека происходит интенсивное загрязнение ими окружающей среды, а их избыточное содержание в почве может быть также следствием естественных почвообразовательных процессов [1; 2, с. 8].
Цинк и никель — эссенциальные элементы, которые в небольших количествах необходимы для нормальной жизнедеятельности растений. Известно, что цинк работает как кофактор мно-
гих ферментов, участвующих в метаболизме азота, фотосинтезе, биосинтезе гормонов, нуклеиновых кислот и белков, а никель является необходимым компонентом уреазы [3, 4].
Однако в высоких концентрациях никель и цинк, как и другие ТМ, оказывают токсическое воздействие на клеточный метаболизм, и тем самым они могут снизить жизнеспособность растения или привести его к гибели. В основе негативного действия ТМ на широкий спектр физиологических функций лежат различные механизмы. Одним из них является способность ТМ образовывать прочные связи с разными функциональными группами белков, прежде всего с 8Н-груп-пами, в результате чего происходит изменение нативной конформации и потеря активности многих ферментов [3]. Другими проявлениями токсического действия ТМ являются, например, нарушение клеточного ионного гомеостаза, развитие окислительного стресса и изменение барьерных свойств мембран [1, 5].
К настоящему времени в литературе накоплен довольно обширный фактический материал, посвященный изучению механизмов устойчивости растений к повреждающему действию тех или иных ТМ, тогда как исследованию совместного действия ТМ уделено чрезвычайно мало внимания. Вместе с тем в природных экосистемах растения часто подвергаются комбинированному воздействию разных ТМ, которые, обладая определенными физико-химическими свойствами, могут оказывать синергическое или антагонистическое влияние на физиологические процессы, в частности на гомеостаз железа в растении. Антагонистическое влияние ТМ на содержание железа в ассимилирующих органах может привести к нарушению процессов дыхания и фотосинтеза и как следствие — к снижению продуктивности растений.
Взаимное влияние никеля и цинка на их поглощение корнями и транслокацию в побег, а также их совместное действие на гомеостаз железа в растении практически не изучены. Так, антагонистический тип взаимного влияния никеля и цинка на их поглощение корневой системой был ранее установлен у разных видов растений — Моееава тоМапыш, N. саегыкзсвт, 81гер1ап1кы8ро-ligaloides, Dichapetalыm gelonioides [3], а при совместном действии никеля и цинка в растениях-гипераккумуляторах никеля N. montanыm при возрастающей аккумуляции никеля был обнаружен недостаток железа и снижение аккумуляции цинка в надземных органах [6]. Таким образом, исследование взаимного влияния никеля и цинка на их поглощение и транслокацию из корней в побег, определение их совместного влияния на поглощение и транслокацию из корней в побег железа, установление причины развития дефици-
та железа в растении в условиях совместного действия солей никеля и цинка весьма актуальны и имеют важное фундаментальное значение.
Для изучения взаимного влияния никеля и цинка на их поглощение корнями и транслокацию в побег, а также проблемы железодефицита в растении при совместном воздействии солей никеля и цинка большой интерес представляет высоко устойчивый к действию никеля и цинка ис-ключатель ТМ из семейства Фримовые (Phry-maceae) Mimulus guttatus Fischer ex DC. [7, 8]. M. guttatus неприхотлив при выращивании в лабораторных условиях и поэтому часто используется в качестве модельного объекта для проведения эколого-генетических исследований [9].
В процессе эволюции у растений были сформированы две стратегии поглощения окисленного железа (Fe3+). Большинство растений, за исключением злаков, благодаря способности снижать pH почвенного раствора ризосферы и восстанавливать Fe3+ до Fe2+ при помощи ферментов Н+-АТФазы и Fe(Ш)-хелатредуктазы (FRO2) поглощает восстановленное железо посредством IRT1 транспортеров (восстанавливающая стратегия I). Более эффективной является система поглощения железа у злаков. Корни злаков секретируют мугеновые кислоты, которые хелатируют ионы Fe3+. Образовавшиеся растворимые комплексы Fe3+ с мугеновыми кислотами поглощаются корнями злаковых растений при помощи YS1 и YSL транспортеров (стратегия хе-латирования II) [10—12].
Очевидно, что растения M. guttatus обладают "восстанавливающей стратегией" поглощения железа, и поэтому индикаторами железодефицита у этих растений помимо характерного изменения морфологии их корней будут являться увеличение Н+-АТФазной и FRO2 активностей, транспорта ионов Fe2+ посредством IRT1 транспортеров, а также содержания никотианамина (НА) в корневой системе [13—16]. Как известно, хелатор ряда ТМ непротеиногенная аминокислота НА, принимая участие в мобилизации, поглощении, транспорте и детоксикации ионов ТМ в растениях, играет важную роль в гомеостазе железа, никеля и цинка [17-19].
Так, на основании имеющихся литературных данных нами было высказано предположение, что при совместном воздействии солей никеля и цинка на растения имеет место конкуренция между ионами Ni2+ и Fe2+/Fe3+ в корнях за ком-плексообразование с неселективным хелатором ионов этих металлов, возможно, НА, который, как известно, участвует в транспорте этих ТМ в корнях [20], а также в дальнем транспорте из корней в побег никеля [17, 21] и железа [10], и, таким образом, эта конкуренция может явиться причиной снижения содержания железа в ассимилиру-
ющих органах. Цель данной работы заключалась в экспериментальной проверке высказанного предположения.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Объект и условия выращивания. Семена дикорастущих растений Mimulusguttatus Fischer ex DC. были любезно предоставлены сотрудниками Южно-Сибирского ботанического сада Алтайского государственного университета.
Растения M. guttatus выращивали в камере фитотрона при температуре воздуха 23/18°C (день/ночь), с 12-часовым световым периодом при интенсивности света 140 ± 20 цЕ/(м2 с), в течение 4 нед. в кювете с перлитом, затем на питательной среде Роризона модифицированного состава: 10 мМ KNO3, 7.4 мМ KH2PO4, 4.1 мМ MgSO4 • 7H2O, 4.2 мМ Ca(NO3)2 • 4H2O, 1.77 мкМ MnSO4 • 5H2O, 8.87 мкМ H3BO3, 1.0 мкМ ZnSO4 • 7H2O, 0.32 мкМ CuSO4 • 5H2O, 0.026 мкМ (NH4)6Mo7O24 • 4H2O, 28.7 мкМ FeSO4 • 7H2O без Na-ЭДТА (pH 6.8-6.5).
На момент постановки экспериментов юве-нильные растения в возрасте 6 нед. имели 3 яруса листьев. Растен
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.