научная статья по теме ИЗМЕНЕНИЕ РОСТОВЫХ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ У ПРОРОСТКОВ СОИ В ОТВЕТ НА ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ МЕДИ Биология

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕНЕНИЕ РОСТОВЫХ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ У ПРОРОСТКОВ СОИ В ОТВЕТ НА ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ МЕДИ»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2015, том 62, № 4, с. 488-498

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 581.1

ИЗМЕНЕНИЕ РОСТОВЫХ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ У ПРОРОСТКОВ СОИ В ОТВЕТ НА ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ МЕДИ

© 2015 г. А. Л. Куликова, Н. А. Кузнецова, Н. А. Бурмистрова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва Поступила в редакцию 02.04.2014 г.

При экспозиции проростков сои (Glycine max L., сорт Алина) в течение 5 суток на среде, содержавшей 1.5—50 мкМ CuSO4, происходило ингибирование роста и накопления биомассы побега и корневой системы, коррелирующее с концентрацией ионов меди в среде. При этом содержание хлорофилла в листьях не изменялось, а общее содержание растворимых углеводов в расчете на 1 г сырой массы листа и корня увеличивалось. Ингибирование роста корня становилось заметным при более низкой концентрации ионов меди в среде, чем та, что вызывала усиление поступления в клетки индикатора жизнеспособности клеток (красителя Эванс синий). Избыток ионов меди в среде не препятствовал инициации боковых корней и их выходу на поверхность главного корня, но значительно подавлял их дальнейший рост. Показано, что в корне проростков сои Cu-стресс вызывал изменения в содержании филаментного актина (Ф-актина). Так, после 20-часовой экспозиции растений на среде с 10 мкМ CuSO4 количество Ф-актина увеличивалось, а при росте на среде с 50 мкМ CuSO4 содержание Ф-актина в клетках кончика корня значительно снижалось по сравнению с контрольным вариантом. При этом содержание Ф-актина в апексе становилось равным его содержанию в ба-зальной части корня, закончившей рост. Эти данные позволили предположить, что быстрое замедление роста проростков сои при стрессе, вызванном избытком меди в среде, может быть связано с нарушением организации и функционирования актинового цитоскелета, которое влечет за собой ингибирование роста клеток и органов и изменение архитектуры корневой системы вследствие повреждения механизма транспорта и распределения ауксина.

Ключевые слова: Glycine max — рост — ветвление корня — сахара — актиновый цитоскелет — Cu-стресс

DOI: 10.7868/S0015330315040119

ВВЕДЕНИЕ

Медь является микроэлементом, жизненно необходимым для нормального роста и развития растений, но даже незначительное превышение допустимых концентраций Си в почве оказывает на растения существенное токсическое воздействие. Общепринято, что токсичность меди как металла с переходной валентностью во многом определяется ее способностью генерировать активные формы кислорода, вызывающие нарушение проницаемости клеточных мембран и приводящие к окислительному стрессу. Медь, подобно всем тяжелым металлам (ТМ), способна замещать ионы других металлов в функциональных группах белков и нуклеиновых кислот и взаимодействовать с 8И-группами белков, что приводит к нарушению

Сокращения: АЦ — актиновый цитоскелет; Ф-актин — полимерный, филаментный актин; ТМ — тяжелые металлы. Адрес для корреспонденции: Куликова Алевтина Львовна. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, электронная почта: akulikova05@mail.ru

конформации макромолекул и инактивации ферментов [1, 2].

Наиболее характерным и быстро проявляющимся токсическим действием солей меди на растение является торможение роста и накопления биомассы растения, в первую очередь его корневой системы [3—5]. Относительно невысокий избыток меди, так же как и ряд других стрес-сорных воздействий в умеренных дозах (например, присутствие кадмия, алюминия, параквата), вызывают сходные морфологические изменения корневой системы — укорочение и некоторое утолщение главного и боковых корней и увеличение числа боковых корней в расчете на единицу длины главного корня [3].

В настоящее время механизм токсического действия меди на ростовые процессы изучен недостаточно. Ингибирование роста может быть следствием нарушения интегральных физиологических функций, таких, например, как фотосинтез и дыхание, и снижения содержания растворимых углеводов, которые являются источником энергии и

строительных материалов для роста клеток. Кроме того, аккумуляция растворимых углеводов важна для повышения гидростатического давления, необходимого для поступления воды и увеличения объема в процессе роста клеток, однако работ, касающихся влияния меди и других ТМ на углеводный обмен и содержание сахаров, в литературе встречается крайне мало. С другой стороны, принимая во внимание важную роль актинового ци-тоскелета (АЦ) в регуляции роста клеток и органов, можно предположить, что одна из основных причин быстрого токсического действия ионов меди на рост растения связана с нарушением организации и функционирования именно АЦ. Акти-новый цитоскелет — высокоорганизованная, динамичная сеть актиновых микрофиламентов и ассоциированных с ними белков — участвует в выполнении большинства клеточных функций [6, 7]. Актин присутствует в клетке в полимерной форме (Ф-актин) в виде плотных пучков филамен-тов, связанных между собой и с клеточной мембраной в единую сеть, или в виде тонкой примем-бранной сети одиночных филаментов, а также как пул мономерного (неполимеризованного) актина. Перестройки клеточного метаболизма сопровождаются быстрыми изменениями в организации АЦ и постоянным распадом и синтезом актиновых микрофиламентов [7].

Актиновый цитоскелет является незаменимым компонентом механизма клеточного роста [6]. Ак-тиновые филаменты служат не только "рельсами и компонентом двигателя" при перемещении везикул, содержащих материалы, необходимые для построения мембраны и клеточной стенки, но и участвуют в образовании, определении направления и цели перемещения и механизме встраивания везикул и их содержимого в мембрану и клеточную стенку [8]. АЦ участвует в гормональной регуляции ростовых процессов, поскольку полярный транспорт и распределение в корне ауксина зависят от правильного расположения на плазматической мембране клеток переносчиков ауксина, транспорт и встраивание в мембрану которых осуществляется при участии АЦ [9].

Архитектура корневой системы также зависит от везикулярного транспорта ауксина и его переносчиков, так как эндогенный ауксин является главным участником сигнальных систем, контролирующих каждый этап развития бокового корня: от самого раннего — детерминации клеток-основателей примордия латерального корня, до выхода нового корня на поверхность родительского [10]. Возможно, одной из основных причин влияния ТМ на рост растения является нарушение организации АЦ, ведущее к остановке роста клеток растяжением и изменение распределения ауксина. Ранее была установлена тесная связь между инги-бированием роста растений под действием алюминия, дезорганизацией АЦ и нарушением по-

лярного транспорта ауксина [11, 12]. В последнее время показано, что ионы меди влияют на полярный транспорт мембранных переносчиков ауксина семейства PIN [13].

Целью настоящего исследования явилась проверка предположения о том, что при умеренных концентрациях меди в среде, когда нарушения в работе основных систем жизнеобеспечения растения (например, углеводного обмена) еще не так велики, быстрое ингибирование ростовых процессов является следствием дезорганизации АЦ. Была проведена оценка токсического действия ионов меди на рост, содержание хлорофилла и сахаров в листьях и корнях проростков сои и влияние стресса, вызванного избытком ионов меди, на жизнеспособность и ветвление главного корня и на содержание в нем полимерного актина. Изменение содержания Ф-актина во фракциях, полученных при низко- и высокоскоростном центрифугировании гомогенатов корней сои, может свидетельствовать об изменении количества ак-тиновых филаментов в составе цитоскелета, а также об изменении степени их агрегации, т.е. служить характеристикой состояния АЦ.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Семена сои (Glycine max L., сорт Алина) обрабатывали слабым раствором перманганата калия в течение 4 ч на качалке, промывали дистиллированной водой и проращивали в вертикальных рулонах влажной фильтровальной бумаги в темноте при температуре 22°С в течение 3 суток. Близкие по размерам проростки пересаживали в вегетационные сосуды на 1/2 среды Хогланда—Снайдерса без ЭДТА, содержавшую 5 мМ Fe(NO3)2 и 0.15 мкМ CuSO4. В среды опытных вариантов вносили CuSO4 до конечных концентраций 1.5, 3, 5, 7 и 50 мкМ. Продолжительность воздействия меди в большей части опытов составляла 5 суток, при определении содержания Ф-актина — 20 ч; продолжительность роста в присутствии 50 мкМ CuSO4 составляла 5 и 20 суток.

Растения выращивали в камере фитотрона при температуре 23°С, относительной влажности воздуха 55%, освещенности 200—210 мкЕ/(м2 с) (натриевые лампы Reflux 250, Россия) и световом периоде 12 ч. К концу эксперимента у проростков развивались два простых листа первого (надсемя-дольного) яруса, различающиеся по величине у растений различных вариантов, и зачатки листьев второго яруса. При оценке влияния избытка меди на ростовые параметры в начале и в конце опыта каждое растение целиком или его отдельные органы взвешивали и измеряли длину побега и главного корня.

Для выявления примордиев проводили осветление корней по методу Ivanchenko с соавт. [14],

увеличив продолжительность двух первых стадий обработки до 3 ч. Число боковых корней и при-мордиев подсчитывали под бинокуляром при пятикратном увеличении. Плотность боковых корней определяли как отношение числа боковых корней к длине зоны ветвления. Снимки примор-диев боковых корней получали под микроскопом Axio Imager D1 ("Carl Zeiss", Германия) со встроенной камерой Canon PowerShot A650 IS ("Canon", США).

При определении эндогенного содержания меди корни предварительно отмывали на качалке по схеме: 5 мин — водопроводная вода, 5 мин — 10 мМ ЭДТА, рН 7.0, 5 мин — дистиллированная вода. Предварительно было установлено, что такая отмывка десорбирует медь из апопласта [4]. Растительный материал высушивали до постоянного веса при 60°С, затем тщательно измельчали в ступке; навеску (50 мг) заливали смесью концентрированных кислот HNO3 : HClO4 (2 : 1) и оставляли на сутки при комнатной температуре. Про

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»