ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2008, том 55, № 5, с. 731-737
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ^^^^^^^^^^^^ СТАТЬИ
УДК 581.1:581.52:577.115.3:582.632.1.085
ВЛИЯНИЕ КАДМИЯ НА СОСТАВ ЖИРНЫХ КИСЛОТ ЛИПИДОВ В ПОБЕГАХ КАРЕЛЬСКОЙ БЕРЕЗЫ IN VITRO
© 2008 г. Т. Ю. Кузнецова*, Л. В. Ветчинникова*, А. Ф. Титов**, М. К. Ильинова*
* Институт леса Карельского научного центра Российской академии наук, Петрозаводск ** Институт биологии Карельского научного центра Российской академии наук, Петрозаводск
Поступила в редакцию 25.10.2007 г.
Изучено влияние кадмия (10-6, 10-5, 10-4, 10-3 М) на рост и развитие апикальной меристемы стебля, а также состав ЖК отдельных фракций липидов (нейтральных липидов, глико- и фосфолипидов), содержащихся в побегах карельской березы Betula pendula var. carelica (Mercklin) Hämet-Ahti, полученных in vitro. Выявлено небольшое стимулирующее действие кадмия в низких концентрациях (10-6 М) на морфогенез побегов. Однако в присутствии Cd, начиная с концентрации 10-4 М, отмечали прекращение роста и развития побегов, а концентрация 10-3 М оказалась критической: меристема погибала в первые 5 дней. Внесение в среду Cd заметно повлияло на соотношение ЖК в побегах. Наиболее выраженные изменения происходили во фракции гликолипидов, и степень негативного влияния существенным образом зависела от концентрации металла в среде. В варианте с Cd в концентрации 10-4 М зафиксировали снижение содержания ди- и триеновых ЖК (в 3-4 раза) на фоне резкого увеличения содержания моноеновых ЖК (в 5 раз). Предположили, что выявленные различия в составе ЖК липидов у березы можно рассматривать как один из показателей негативного влияния кадмия на структуру и функцию хлоропластов и, соответственно, на фотосинтез.
Ключевые слова: Betula pendula var. carelica - растущий побег - апикальная меристема стебля - in vitro - кадмий - нейтральные липиды - гликолипиды - фосфолипиды - жирные кислоты.
ВВЕДЕНИЕ
Резко усилившееся в последние десятилетия негативное влияние техногенных факторов на окружающую среду привело к тому, что многие растительные сообщества, популяции и отдельные растения постоянно или периодически испытывают различные неблагоприятные воздействия, среди которых одно из главных - действие тяжелых металлов.
Среди тяжелых металлов одним из наиболее токсичных является кадмий, поскольку он обладает высоким кумулятивным эффектом, не подвергается биодеградации и практически не выводится из организма [1, 2]. С другой стороны, в наших предыдущих исследованиях [3] нескольких видов древесных растений (березы, липы, рябины, тополя), наиболее часто используемых для озеленения северных городов, было показано, что для березы характерно повышенное накопление кадмия, концентрация которого в листьях часто превышает пороговую величину.
Сокращения: ИДС - индекс двойной связи; U/S - коэффициент ненасыщенности ЖК. Адрес для корреспонденции: Кузнецова Татьяна Юрьевна. 185910 Петрозаводск, ул. Пушкинская, 11. Институт леса Карельского научного центра РАН. Факс: 007 (814-2) 7681-60; электронная почта: vetchin@krc.karelia.ru
Как известно, наиболее общими проявлениями действия тяжелых металлов, в том числе и кадмия, на растения являются ингибирование фотосинтеза, нарушение транспорта ассимилятов и минерального питания, изменение водного и гормонального обмена, торможение роста и развития [4-6]. Гораздо хуже изучено влияние тяжелых металлов на состав ЖК липидов растений, хотя именно липиды, будучи каркасообразующим элементом клеточных мембран, во многом определяют особенности реакции растений на действие неблагоприятных факторов внешней среды. В литературе имеются указания о влиянии тяжелых металлов на синтез, элонгацию и десатурацию липидов у животных организмов [7, 8], однако в отношении растений, особенно древесных, подобного рода данные практически отсутствуют.
В связи с вышеизложенным, целью нашей работы явилось изучение влияния ионов кадмия на состав ЖК нейтральных липидов, глико- и фосфолипидов, содержащихся в побегах березы на ранних этапах развития in vitro.
МЕТОДИКА
Объектом исследования служили побеги карельской березы (Betula pendula var. carelica (Mercklin) Hämet-Ahti), полученные из апикальной ме-
ристемы в условиях in vitro и являющиеся частью коллекции клонов, созданной нами в предыдущие годы. Первичные экспланты выращивали из гибридных семян, полученных в результате выполненного в 2001 г. контролируемого опыления растений карельской березы.
Исходная меристематическая ткань перед началом эксперимента представляла собой сегменты побегов, состоявшие из стебля (длиной около 5 мм) и 1-2 листьев. В качестве питательной среды применяли агаризованную МС-среду, модифицированную для карельской березы, содержавшую 2.5% сахарозу и витамины (мг/л): тиамин -0.1; пиридоксин - 0.1; никотиновую кислоту - 0.5; мезоинозит - 100. Культивирование осуществляли в стеклянных сосудах объемом 125 мл (диаметр - 55 мм) при температуре 25 ± 2°С, 16-часовом фотопериоде и искусственном освещении (4.5 клк).
В питательную среду одноразово вносили уксуснокислую соль кадмия (Cd2+) в концентрациях: 10-6, 10-5, 10-4 или 10-3 М. Контролем служили побеги, полученные на питательной среде без внесения кадмия. Об устойчивости тканей к действию кадмия судили по их способности к морфо-и органогенезу (рост стебля, образование и развитие листьев, формирование новых побегов и т.д.). Длительность наблюдений составляла 30 суток.
Концентрацию кадмия в побегах определяли методом атомно-абсорбционной спектрофото-метрии (спектрофотометр АА-6800, "Shimadzu", Япония).
Липиды из тканей экстрагировали смесью хлороформа и метанола в соотношении 2 : 1. Разделение липидов на фракции проводили методом колоночной хроматографии с использованием силика-геля Bio-Sil A100-200 меш. В качестве колонки служили пипетки Пастера длиной 145 мм. Фракции липидов элюировали раздельно: нейтральные липиды - хлороформом, гликолипиды - ацетоном, фосфолипиды - смесью хлороформа с метанолом (1 : 1), а затем метанолом.
ЖК анализировали в виде их метиловых эфи-ров, которые получали переэтерификацией липидов метанолом в присутствии ацетилхлорида и разделяли на газожидкостном хроматографе Хроматэк-Кристалл-5000 М.1 (Россия) при температуре капиллярной колонки Zebron ZB-FFAP -225°С (изотерма), испарителя - 240°С, детектора - 250°С. Скорость потока газа-носителя (азота) -50 мл/мин. Идентификацию ЖК осуществляли с помощью стандартного набора метиловых эфи-ров ЖК ("Supelco", 37 компонентов), а также сопоставлением эквивалентной длины цепи экспериментально полученных компонентов с известными данными [9]. Все ЖК распределяли по группам в зависимости от числа двойных связей: моноеновые - в углеродной цепочке имеется одна
двойная связь; диеновые - две двойные связи; триеновые - три двойные связи; полиеновые -шесть двойных связей и насыщенные - в углеродной цепочке двойные связи отсутствуют. Индекс двойной связи (ИДС) рассчитывали по методу Lyons и др. [10]. Коэффициент ненасыщенности (U/S) ЖК определяли по формуле:
U/S = Хненасыщенных ЖК/Хнасыщенных ЖК.
Статистическую обработку данных осуществляли с помощью общепринятых методов вариационной статистики [11]. Все данные, приведенные в таблицах и на графиках, являются средними значениями из трех и более независимых опытов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Проведенные исследования показали, что у карельской березы в условиях in vitro с увеличением концентрации кадмия в питательной среде происходит его накопление в растущих побегах. Это определенным образом сказывалось на процессах их морфо- и органогенеза. В частности, отмечено небольшое стимулирующее влияние кадмия в низких концентрациях (10-6 М) на рост апикальной меристемы стебля и развитие листовой пластинки. Увеличение концентрации кадмия до 10-5 М сопровождалось угнетением роста побегов, но без нарушения процессов закладки и формирования новых органов. При внесении в среду кадмия в концентрации 10-4 М наблюдали постепенное прекращение и роста, и развития побегов. Очевидно, ингибирование роста тяжелыми металлами явилось следствием их негативного влияния как на деление, так и на растяжение клеток [5]. Присутствие в питательной среде кадмия в концентрации 10-3 М оказалось критическим и сопровождалось гибелью меристемы уже в первые 5 дней. По-видимому, в этом случае нарушался процесс избирательного поглощения ионов, в результате чего кадмий беспрепятственно поступал в растения, а механизмы детоксикации с ним уже не справлялись [2].
Из полученных данных следует, что внесение кадмия в питательную среду in vitro существенно влияло не только на рост апикальной меристемы стебля и развитие побегов, но и на состав ЖК липидов тканей. В присутствии кадмия соотношение ЖК отличалось от такового в контрольном варианте, но степень различий зависела от фракции липидов (нейтральные, глико- и фосфолипиды) и от концентрации металла. Наиболее ярко выраженные изменения в липидах были отмечены в варианте с кадмием в концентрации 10-4 М. Так, если в контроле во всех изученных фракциях содержание ненасыщенных ЖК преобладало над суммой насыщенных более, чем в 2 раза (рис. 1), то внесение кадмия вызывало заметное увеличе-
ние доли насыщенных ЖК. В целом, это привело к снижению величины U/S липидов (табл. 1). Более того, при применении кадмия в концентрации 10-4 М происходило практически полное выравнивание количества ненасыщенных и насыщенных ЖК, что особенно четко проявилось во фракции нейтральных липидов (рис. 1), где данный показатель оказался близким к единице (табл. 1).
Изучение состава ЖК нейтральных липидов, глико- и фосфолипидов показало, что в побегах карельской березы in vitro, в отсутствие кадмия в питательной среде, находилось около 15 ЖК с числом углеродных атомов от 14 до 24 как насыщенных (табл. 2), так и ненасыщенных (табл. 3), однако относительное содержание каждой из них разнилось. Доминирующей среди насыщенных ЖК была пальмитиновая С16:0 (20-25%) (табл. 2), а среди ненасыщенных - линолевая С18:2 (2340%) и/или линоленовая С18:3 (18-39%) кислоты (табл. 3).
Анализ изменений, происходивших под влиянием кадмия в составе ЖК отдельных фракций лип
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.