научная статья по теме СВЯЗЬ ОТЛОЖЕНИЙ ОКСАЛАТА КАЛЬЦИЯ В ЛИСТЬЯХ ДЖУТА (CORCHORUS OLITORIUS) С НАКОПЛЕНИЕМ ТОКСИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ Биология

Текст научной статьи на тему «СВЯЗЬ ОТЛОЖЕНИЙ ОКСАЛАТА КАЛЬЦИЯ В ЛИСТЬЯХ ДЖУТА (CORCHORUS OLITORIUS) С НАКОПЛЕНИЕМ ТОКСИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 2, с. 314-319

КРАТКОЕ ^^^^^^^^^^^^^^ СООБЩЕНИЕ

УДК 581.1

СВЯЗЬ ОТЛОЖЕНИЙ ОКСАЛАТА КАЛЬЦИЯ

В ЛИСТЬЯХ ДЖУТА (Согекогш оШопш) С НАКОПЛЕНИЕМ ТОКСИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ

© 2004 г. А. М. А. Мазен

Кафедра ботаники, Факультет естественных наук, Сауз-Велли Университет, Сохаг, Египет

Поступила в редакцию 15.10.2002 г.

Описано образование кристаллов оксалата кальция и исследована возможная связь между их накоплением в листьях и способностью растений поглощать и накапливать в значительном количестве токсичные металлы. Выращенные в полевых условиях проростки СогеНогж оШопш (ТШаееае) переносили на 20 сут в водную культуру при содержании Сф РЬ, Си или А1 от 0 до 10 мкг/мл. Исследования с помощью светового и электронного микроскопа обнаружили в клетках листьев и каллусов многочисленные призматические кристаллы оксалата кальция; эти кристаллы находились в вакуолях, по одному кристаллу в клетке. Клетки, содержащие кристаллы, отличались формой и размерами от клеток, не содержащих кристаллов. Первые отличает высокая активность: в них больше органелл, мембран и везикул, плотнее цитоплазма, увеличено ядро и видоизменены пластиды, которые лишены крахмала и содержат мало гран. В присутствии Сф РЬ, Си или А1 растения СогсНогш накапливали эти металлы до уровня, который превышал в несколько раз содержание Сф РЬ, Си или А1 в контрольных растениях. При концентрации токсичных металлов в растворе 5 мкг/мл содержание Сф РЬ, Си или А1 в листьях превышало контрольные величины соответственно в 10, 20, 25 и 40 раз. Рентгеновский микроанализ листьев растений, которые росли при концентрации токсичных металлов в растворе 5 мкг/мл, обнаружил в кристаллах оксалата кальция только А1. По мнению автора, кристаллы оксалата кальция могут участвовать в выведении и обезвреживании по меньшей мере некоторых из токсичных металлов.

СогсНогш оШопш - алюминий - кадмий - медь - свинец - тяжелые металлы - кристаллы - окса-лат кальция - накопление

Отложения кристаллов оксалата кальция в клетках характерны для многих видов высших растений и обнаруживаются в большинстве тканей и органов [1-7]. Широкое распространение таких отложений у растений и их значительный вклад в биомассу растений (до 85% у некоторых видов растений) заставляют предполагать, что подобная кальцификация играет определенную физиологическую роль [8]. Среди предполагаемых функций кальцификации называют выведение оксалата как отходов обмена веществ, защиту от растительноядных животных и поддержание ионного и осмотического равновесия [3]. Еще одной важной функцией подобной кальцификации может быть изоляция токсичных веществ (например, тяжелых металлов) с целью их обезвреживания [7]. Включение тяжелых металлов в кристаллы оксалата кальция в растениях отмечалось ранее в нескольких случаях: кадмий и свинец

Адрес для корреспонденции: A.M.A. Mazen. Botany Department, Faculty of Sciences, South Valley University, Sohag, Egypt. Fax: (2-093) 601-950; e-mail: a.mazen@usa.com

были найдены в кристаллах у Eichornia, стронций в рафидах у Lemna minor, в мелких кристаллах у Beta vulgaris, друзах у Arthrostema ciliatum и призмах у Glycine canescens [10], а кадмий - в кристаллах у томатов [11]. Чтобы подтвердить роль кальцификации в обезвреживании тяжелых металлов, необходимы дальнейшие исследования.

Некоторые виды растений, особенно те, что произрастают на участках с повышенным содержанием металлов, могут поглощать тяжелые металлы и без видимых последствий накапливать их в значительных количествах [12-16]. Эти растения выработали физиологические механизмы, позволяющие им нормально расти в присутствии токсичных агентов [9, 15, 16]. Большой интерес представляют пути детоксикации тяжелых металлов в растениях [9, 15-17]. Некоторые из этих путей уже обсуждались в связи с устойчивостью к тяжелым металлам [15, 16, 18-24]. Отложение кристаллов оксалата кальция может быть одним из механизмов устойчивости, по меньшей мере, у некоторых видов растений.

Джут длинноплодный (Corchorus olitorius), широко распространенное овощное растение, на-

Рис. 1. Микрофотографии кристаллов оксалата кальция в клетках листьев и каллусов С. оШопт, полученные с помощью светового (а, б и д), сканирующего электронного (в, г, е и ж) и трансмиссионного электронного (з) микроскопа. а - частота встречаемости и распределение кристаллов (яркие пятна) вокруг жилок в просветленном листе; б - кристаллы в поляризованном свете (яркие пятна) в каллусных клетках; в - кристаллы, выдавленные из раздавленных кусочков каллуса, сканирующая микроскопия; г, д - призматические кристаллы из листьев в сканирующем и световом микроскопе; е - призматический кристалл на срезе листа, сканирующая микроскопия; ж - распределение кристаллов в обкладке сосудистых пучков, сканирующая микроскопия; з - тонкая структура содержащей кристалл клетки, выявляемая трансмиссионной электронной микроскопией на срезе листа; белый прямоугольник в середине клетки - это "камера", из которой выпал кристалл при подготовке ткани к микроскопии. К - крахмал; П - пластида; Я - ядро; Кр -кристалл; КК - камера кристалла; ОП - обкладка пучка.

капливает в листьях много тяжелых металлов при выращивании на почвах, удобренных осадками сточных вод [9, 25]. Мы наблюдали в тканях джута многочисленные кристаллические отложения, идентифицированные как оксалат кальция. Рис. 1 позволяет судить об их распространенности. Целью данной работы было исследовать образование кристаллов оксалата кальция у растений джута и выяснить, включаются ли тяжелые металлы в эти кристаллы.

МЕТОДИКА

Выращивание растений и обработка тяжелыми металлами. Проростки Corchorus olitorius L., выращенные на местной ферме, осторожно высвобождали от почвы, стараясь не повредить корни, и перевозили в лабораторию; все это время корни оставались в воде. Корни тщательно отмывали, и растения переносили в условия водной культуры на среду Хогленда (1 : 2), к среде добавляли 0-10 мкг/мл Cd (в виде хлорида кадмия), Pb (в виде ацетата свинца), Al (в виде сульфата алюминия) и Cu (в виде сульфата меди). Растения выращивали в камере при 25 ± 2°С, длине дня 16 ч (флуоресцентные лампы и лампы накаливания, освещенность около 40 мкмол/(м2 с) и постоянном продувании растворов с помощью насоса для аквариумов. Растворы заменяли через день. Растения выращивали таким образом в течение 20 сут, за это время появлялись новые листья, которые и отбирали для микроскопических наблюдений и химического анализа. Каллусную ткань получали из листьев с помощью ранее описанного метода [26].

Подготовка к изучению кристаллов в световом микроскопе. Для исследования кристаллов в световом микроскопе кусочки листьев просветляли. Для этого листья дважды погружали в 70% ацетон на 12 час при 60°С, чтобы удалить хлорофилл. Каллусы раздавливали на маленькие кусочки (менее 10 мг сырого веса) на предметных стеклах в 0.1 М фосфатном буфере, pH 7.2. Просветленные кусочки листьев или раздавленные срезы каллусов (толщиной менее 1 мм) исследовали под микроскопом Nikon ("Fryer", США), используя для обнаружения кристаллов поляризационные фильтры.

Анализ тяжелых металлов. Листья, сформированные за время пребывания растений на растворах тяжелых металлов, тщательно промывали дистиллированной деионизованной водой и высушивали в термостате при 80°С в течение 72 ч. Сухой материал размалывали затем в мельнице из нержавеющей стали, и образцы для анализа отбирали, как это описано в [27]. Размолотую пробу массой 1 г подвергали сухому озоле-нию при 500°С в течение 12 ч, растворяли в 4 мл концентрированной HNO3, и раствор выпаривали

досуха. Остаток растворяли в 10 мл 3 М HCl, кипятили с обратным холодильником в течение 2 ч, фильтровали и разводили 0.1 М HCl до 25 мл. Определение содержания тяжелых металлов проводили с помощью атомноабсорбционного спектрометра Perkin Elmer 2380 ("Perkin Elmer", США).

Сканирующая и трансмиссионная электронная микроскопия и рентгеновский энергодисперсионный микроанализ. Кусочки листьев, сформированных в течение опыта, фиксировали 3%-ным глутаральдегидом и 2.5%-ным параформальдеги-дом в 50 мМ PIPES (1,4-пиперазин-бис-(2-этан-сульфонатном) буфере, pH 7.2, в течение 12 ч при 4°С. Одну часть фиксированного материала готовили для сканирующей электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа путем дегидратации в серии концентраций этанола, замораживания-скалывания при переносе из 100%-ного этанола в жидкий азот, высушивания до критической температуры и монтирования на алюминиевых подложках. После напыления углеродом для рентгеновского анализа и золотом для морфологических измерений на многочисленных сколах листьев находили ясно видные кристаллы и подвергали их анализу с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-5300 ("Jeol", Япония) и рентгеновского энергодисперсионного микроанализатора 658 ("Oxford Instruments", Великобритания). Ток ускорения равнялся 20 кэв, анализ продолжался 100 с при постоянном положении и конфигурации детектора для всех образцов. Исследование было ограничено сканируемым участком, который включал только кристаллический материал. Увеличение микроскопа не изменялось. Другую часть фиксированного материала готовили для трансмиссионной электронной микроскопии; для этого пробы постфиксировали в 1%-ном OsO4 в 25 мМ какодилатном буфере в течение 2 ч при комнатной температуре, обезвоживали в серии концентраций этанола и заливали в эпоксидную смолу Spurr. Для исследования ультраструктуры срезы готовили при помощи стеклянного ножа, докрашивали уранилацетатом и цитратом свинца и исследовали с помощью трансмиссионного электронного микроскопа EM10 ("Zeiss", Германия).

Статистический анализ. Полученные данные подвергали обработке с помощью компьютерной программы Epistat ("IBM", США), написанной T.L. Gustafson. Для оценки значимости различий использовали однофакторный дисперсионный анализ.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В листьях C. olitorius образуются многочисленные кристаллы, главным образом, в обкладках сосудистых пучков и в палисадной и губчатой паренхиме (рис. 1а, 1е). Кроме того, кристаллы бы-

и

X

X а

и о О

500 400 300 200 100 0

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