Протекторный эффект хлорида натрия при адаптации растений хрустальной травы к избытку меди

Изучены особенности формирования и функционирования адаптивных систем у растений хрустальной травы (Mesembryanthemum crystallinum L.) в условиях совместного действия двух стрессорных факторов — CuSO₄ и NaCl. Установлено, что при наличии в среде хлорида натрия значительно снижается токсическое действ...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Волков, К.С., Холодова, В.П., Швартау, В.В., Кузнецов, Вл.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Iнститут фізіології рослин і генетики НАН України 2010
Назва видання:	Физиология и биохимия культурных растений
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/66315
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Протекторный эффект хлорида натрия при адаптации растений хрустальной травы к избытку меди / К.С. Волков, В.П. Холодова, В.В. Швартау, Вл.В. Кузнецов // Физиология и биохимия культурных растений. — 2010. — Т. 42, № 5. — С. 414-423. — Бібліогр.: 24 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-66315
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-663152025-02-10T01:01:08Z Протекторный эффект хлорида натрия при адаптации растений хрустальной травы к избытку меди Протекторний ефект хлориду натрiю при адаптацiї рослин кришталевої трави до надлишку мiдi Protective effect of sodium chloride during adaptation of plants of Mesembryanthemum crystallinum L. to copper excess Волков, К.С. Холодова, В.П. Швартау, В.В. Кузнецов, Вл.В. Изучены особенности формирования и функционирования адаптивных систем у растений хрустальной травы (Mesembryanthemum crystallinum L.) в условиях совместного действия двух стрессорных факторов — CuSO₄ и NaCl. Установлено, что при наличии в среде хлорида натрия значительно снижается токсическое действие меди. При этом протекторный эффект NaCl не связан с ограничением поглощения растениями меди. Доказано, что в основе обнаруженного нами защитного эффекта NaCl лежит стабилизация водного статуса — одной из первичных физиологических мишеней токсического действия тяжелых металлов, о чем свидетельствует резкое падение осмотического потенциала клеточного сока и интенсивное накопление пролина — универсального низкомолекулярного шаперона — у растений, подвергнутых совместному действию хлорида натрия и сульфата меди. Вивчено особливості формування і функціонування адаптивних систем у рослин кришталевої трави (Mesembryanthemum crystallinum L.) за умов сумісної дії двох стресорних чинників — CuSO₄ i NaCl. Установлено, що за наявності у середовищі хлориду натрію значно знижується токсична дія міді. При цьому протекторний ефект NaCl не пов’язаний з обмеженням поглинання рослинами міді. Доведено, що основою виявленого нами захисного ефекту NaCl є стабілізація водного статусу — однієї з первинних фізіологічних мішеней токсичної дії важких металів, що засвідчує різкий спад осмотичного потенціалу клітинного соку та інтенсивне накопичення проліну — універсального низькомолекулярного шаперону — у рослинах, підданих сумісній дії хлориду натрію і сульфату міді. The features of forming and functioning of the adaptive systems in plants of Mesembryanthemum crystallinum L. at the conditions of the combined action of two stressors CuSO₄ and NaCl were studied. It was shown that presence of sodium chloride in the medium at the concentration up to 400 mM has reduced the toxic effect of copper at concentrations of 25 and 50 μM which are 100 and 200 times higher than copper content in standard cultural solutions.The protective effect of NaCl was not related to restriction on copper absorption by plant. It was established that protective effect of NaCl has mainly been the result of stabilizing of the water relations, one of the primary physiological targets of heavy metals toxic action, which has been testified by a sharp drop in the osmotic potential of cell sap and intensive accumulation of proline, the universal low-molecular chaperon, in plants exposed to the combined action of sodium chloride and copper sulfate. 2010 Article Протекторный эффект хлорида натрия при адаптации растений хрустальной травы к избытку меди / К.С. Волков, В.П. Холодова, В.В. Швартау, Вл.В. Кузнецов // Физиология и биохимия культурных растений. — 2010. — Т. 42, № 5. — С. 414-423. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. 0522-9310 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/66315 581.1 ru Физиология и биохимия культурных растений application/pdf Iнститут фізіології рослин і генетики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Изучены особенности формирования и функционирования адаптивных систем у растений хрустальной травы (Mesembryanthemum crystallinum L.) в условиях совместного действия двух стрессорных факторов — CuSO₄ и NaCl. Установлено, что при наличии в среде хлорида натрия значительно снижается токсическое действие меди. При этом протекторный эффект NaCl не связан с ограничением поглощения растениями меди. Доказано, что в основе обнаруженного нами защитного эффекта NaCl лежит стабилизация водного статуса — одной из первичных физиологических мишеней токсического действия тяжелых металлов, о чем свидетельствует резкое падение осмотического потенциала клеточного сока и интенсивное накопление пролина — универсального низкомолекулярного шаперона — у растений, подвергнутых совместному действию хлорида натрия и сульфата меди.
format	Article
author	Волков, К.С. Холодова, В.П. Швартау, В.В. Кузнецов, Вл.В.
spellingShingle	Волков, К.С. Холодова, В.П. Швартау, В.В. Кузнецов, Вл.В. Протекторный эффект хлорида натрия при адаптации растений хрустальной травы к избытку меди Физиология и биохимия культурных растений
author_facet	Волков, К.С. Холодова, В.П. Швартау, В.В. Кузнецов, Вл.В.
author_sort	Волков, К.С.
title	Протекторный эффект хлорида натрия при адаптации растений хрустальной травы к избытку меди
title_short	Протекторный эффект хлорида натрия при адаптации растений хрустальной травы к избытку меди
title_full	Протекторный эффект хлорида натрия при адаптации растений хрустальной травы к избытку меди
title_fullStr	Протекторный эффект хлорида натрия при адаптации растений хрустальной травы к избытку меди
title_full_unstemmed	Протекторный эффект хлорида натрия при адаптации растений хрустальной травы к избытку меди
title_sort	протекторный эффект хлорида натрия при адаптации растений хрустальной травы к избытку меди
publisher	Iнститут фізіології рослин і генетики НАН України
publishDate	2010
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/66315
citation_txt	Протекторный эффект хлорида натрия при адаптации растений хрустальной травы к избытку меди / К.С. Волков, В.П. Холодова, В.В. Швартау, Вл.В. Кузнецов // Физиология и биохимия культурных растений. — 2010. — Т. 42, № 5. — С. 414-423. — Бібліогр.: 24 назв. — рос.
series	Физиология и биохимия культурных растений
work_keys_str_mv	AT volkovks protektornyiéffekthloridanatriâpriadaptaciirasteniihrustalʹnoitravykizbytkumedi AT holodovavp protektornyiéffekthloridanatriâpriadaptaciirasteniihrustalʹnoitravykizbytkumedi AT švartauvv protektornyiéffekthloridanatriâpriadaptaciirasteniihrustalʹnoitravykizbytkumedi AT kuznecovvlv protektornyiéffekthloridanatriâpriadaptaciirasteniihrustalʹnoitravykizbytkumedi AT volkovks protektorniiefekthloridunatriûpriadaptaciíroslinkrištalevoítravidonadliškumidi AT holodovavp protektorniiefekthloridunatriûpriadaptaciíroslinkrištalevoítravidonadliškumidi AT švartauvv protektorniiefekthloridunatriûpriadaptaciíroslinkrištalevoítravidonadliškumidi AT kuznecovvlv protektorniiefekthloridunatriûpriadaptaciíroslinkrištalevoítravidonadliškumidi AT volkovks protectiveeffectofsodiumchlorideduringadaptationofplantsofmesembryanthemumcrystallinumltocopperexcess AT holodovavp protectiveeffectofsodiumchlorideduringadaptationofplantsofmesembryanthemumcrystallinumltocopperexcess AT švartauvv protectiveeffectofsodiumchlorideduringadaptationofplantsofmesembryanthemumcrystallinumltocopperexcess AT kuznecovvlv protectiveeffectofsodiumchlorideduringadaptationofplantsofmesembryanthemumcrystallinumltocopperexcess
first_indexed	2025-12-02T09:18:40Z
last_indexed	2025-12-02T09:18:40Z
_version_	1850387590959595520
fulltext	ФИЗИОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ КУЛЬТ. РАСТЕНИЙ. 2010. Т. 42. № 5 УДК 581.1 ПРОТЕКТОРНЫЙ ЭФФЕКТ ХЛОРИДА НАТРИЯ ПРИ АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ ХРУСТАЛЬНОЙ ТРАВЫ К ИЗБЫТКУ МЕДИ К.С. ВОЛКОВ1, В.П. ХОЛОДОВА1, В.В. ШВАРТАУ2, ВЛ.В. КУЗНЕЦОВ1 1Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук 127276 Москва, ул. Ботаническая, 35 2Институт физиологии растений и генетики Национальной академии наук Украины 03022 Киев, ул. Васильковская, 31/17 Изучены особенности формирования и функционирования адаптивных систем у растений хрустальной травы (Mesembryanthemum crystallinum L.) в условиях сов- местного действия двух стрессорных факторов — CuSO4 и NaCl. Установлено, что при наличии в среде хлорида натрия значительно снижается токсическое действие меди. При этом протекторный эффект NaCl не связан с ограничением поглощения растениями меди. Доказано, что в основе обнаруженного нами за- щитного эффекта NaCl лежит стабилизация водного статуса — одной из первич- ных физиологических мишеней токсического действия тяжелых металлов, о чем свидетельствует резкое падение осмотического потенциала клеточного сока и интенсивное накопление пролина — универсального низкомолекулярного шапе- рона — у растений, подвергнутых совместному действию хлорида натрия и суль- фата меди. Ключевые слова: Mesembryanthemum crystallinum L., медь, засоление, тяжелые ме- таллы, кросс-адаптация, пролин, стресс, САМ-фотосинтез. В настоящее время все больший научный и практический интерес вы- зывают проблемы адаптации растений к комплексному действию по- вреждающих абиотических факторов природного и антропогенного про- исхождения, например таких, как избыточное засоление, которому подвержено 20 % поверхности земного шара, и высокие концентрации тяжелых металлов (ТМ). Особое место среди ТМ занимает медь, по- скольку ее содержание в почве (от 20 до 2000 мг/кг почвы) может быть результатом не только хозяйственной деятельности человека, но и есте- ственных почвообразовательных процессов, так как она в высоких кон- центрациях входит в состав некоторых почвообразующих пород. В следовых количествах медь является необходимым микроэлемен- том, вовлеченным во множество физиолого-биохимических процессов в живых организмах, в более высоких — становится токсичной для расте- ний, приводит к нарушению метаболизма, интегральных физиологичес- ких функций, например таких, как фотосинтез и дыхание, следствием чего является уменьшение количества и снижение качества урожая [17, 24]. Токсичность меди во многом определяется ее способностью связы- ваться с SH-группами белков, что приводит к изменению нативной кон- формации макромолекул, инактивации ферментов. Она легко меняет свой окислительно-восстановительный статус, генерируя при этом ак- тивные формы кислорода и вызывая состояние окислительного стресса [3, 18, 22]. © К.С. ВОЛКОВ, В.П. ХОЛОДОВА, В.В. ШВАРТАУ, Вл.В. КУЗНЕЦОВ, 2010 414 Адаптация растений к тяжелым металлам связана с функциониро- ванием как специализированных (хелатирование, секвестрация, ком- партментация ТМ), так и общих механизмов устойчивости (низкомоле- кулярные органические стресспротекторные соединения, защитные макромолекулы, антиоксидантные системы). Однако вопрос о том, со- провождается ли адаптация растений к избыточному засолению повы- шением толерантности к тяжелым металлам, в частности к меди, в на- стоящее время остается открытым, а механизмы устойчивости растений к совместному действию двух указанных факторов практически не ис- следованы. Вместе с тем выяснение механизмов адаптации растений к комбинированному действию хлоридного засоления и ТМ крайне важно как с теоретической точки зрения для понимания общих механизмов ус- тойчивости к различным экспериментальным воздействиям, так и с практической, поскольку широкомасштабное техногенное загрязнение окружающей среды NaCl и ТМ все острее ставит вопрос о поиске рас- тений, способных активно накапливать тяжелые металлы в надземных органах [16]. В качестве такого растения мы использовали хрустальную траву (Mesembryanthemum crystallinum L.), которая является факультативным га- лофитом и характеризуется высокой устойчивостью к хлоридному засо- лению. Раньше мы установили, что она обладает выраженной резистент- ностью не только к NaCl, но и к солям меди [3], хотя для меди, по нашим данным, допустимый уровень загрязненности оказался в 100— 150 раз ниже, чем об этом было заявлено ранее [20]. Основываясь на представлениях о механизмах кросс-адаптации, т.е. о способности рас- тений повышать устойчивость к данному фактору в результате адаптации к фактору иной природы, мы предположили, что предварительная адап- тация растений к NaCl сопровождается индукцией формирования общих механизмов устойчивости, функционирование которых снижает токси- ческое действие меди. Цель данной работы заключалась в проверке этой гипотезы. Методика Растения хрустальной травы (Mesembryanthemum crystallinum L., семейство Aizoaceae) выращивали в водной культуре в камере фитотро- на при дневной и ночной температурах соответственно 23—25 и 18—20 °С. Продолжительность фотопериода составляла 12 ч при интенсивности ос- вещения 350 мкмоль/(м2·с) натриевыми лампами ДНаЗ Reflux (фирма «Reflux», Россия). Семена высевали в кюветы с перлитом. В возрасте 4— 5 недель по 3 растения высаживали в стеклянные сосуды емкостью 2 л на модифицированную питательную среду Джонсона [23], содержащую железо в нитратной форме. Хлорид натрия вносили в питательную среду в два приема: в 1-е сутки концентрацию соли доводили до 200 мМ, во 2-е — до 400 мМ. Схема внесения сульфата меди (25 и 50 мкМ) зависела от цели экспери- мента: при использовании в опыте только CuSO4 всю необходимую до- зу этой соли вносили в 1-е сутки эксперимента; в вариантах с совмест- ным действием двух факторов (NaCl и CuSO4) сульфат меди вносили либо вместе со второй порцией NaCl, либо (дополнительная серия опы- тов) на 3-и сутки эксперимента вслед за внесением второй порции NaCl. Кроме того, во второй серии опытов проводили предобработку растений 415 ПРОТЕКТОРНЫЙ ЭФФЕКТ ХЛОРИДА НАТРИЯ Физиология и биохимия культ. растений. 2010. Т. 42. № 5 сульфатом меди. В этом случае первый раз хлорид натрия (200 мМ) вно- сили на 3-и сутки после внесения CuSO4, второй (до 400 мМ) — на 4-е сутки эксперимента. Фиксировали растительный материал во всех вари- антах на 7-е сутки после последнего внесения хлорида натрия или суль- фата меди (в зависимости от варианта опыта). Массу растения (листьев и стеблей) и содержание в них воды изме- ряли стандартным гравиметрическим методом, фиксируя растительный материал в течение 30 мин при 90 °С и досушивая его до постоянной массы при 60 °С. Интенсивность транспирации листьев измеряли общепринятым гравитационным методом и выражали ее в мг/(дм2·ч). Содержание свободного пролина определяли с помощью кислого нингидринового реактива [6] после экстрагирования растительных об- разцов (300—700 мг сырого вещества) в 5—15 мл дистиллированной во- ды кипячением (10 мин). Интенсивность окраски проб измеряли при 520 нм на спектрофотометре Genesis 20 (фирмa «Spectronic System», США). Для калибровки использовали пролин фирмы «Sigma» (США). Для определения осмотического потенциала клеточный сок отжи- мали механически с помощью ручного пресса и собирали в эппендор- фовские пробирки. Измерения проводили на осмометре Osmomat 030 фирмы «Gonotac» (Германия), осмотический потенциал выражали в ме- гапаскалях (МПа). Для измерения рН, буферной емкости и содержания протонов в клеточном соке использовали рН-метр Orion Research (США). Экстракт получали кипячением навески листьев (1 г) в течение 10 мин в 10 мл дистиллированной воды (при невозможности немедленного титрования экстракт хранили в замороженном виде до проведения анализа). Для оп- ределения буферной емкости экстракт титровали до рН 7,00±0,05 малы- ми порциями (10—50 мкл) 10—200 мМ растворов NaOH. В случае срав- нительно большой буферной емкости проб титрование начинали с высоких концентраций NaOH, потом переходили к более низким. При вычислении содержания протонов ([H+], мкэкв/г) учитывали объем и концентрацию NaOH, а также массу сырой ткани растения. Каждый опыт повторяли не менее 3—4 раз. Анализы выполнены в трех биологических повторностях. На рисунках обозначены стандартные отклонения от среднего. Результаты и обсуждение Для изучения характера взаимодействия двух факторов использовали ра- нее подобранные нами на растениях хрустальной травы концентрации CuSO4 — 25 и 50 мкМ [3], которые вызывали значительное ингибирова- ние роста, но не приводили к гибели растения. При этом концентрация NaCl составляла 400 мМ — общепринятая в работах с водной культурой Mesembryanthemum crystallinum, поскольку соответствует условиям произ- растания этих растений в естественных местообитаниях [5, 21, 23]. Прежде всего, важно было сравнить влияние CuSO4, NaCl или сов- местного действия обоих факторов на общее состояние растений и на- копление ими массы. Полученные в основной серии опытов данные показали, что при совместном действии двух изучаемых факторов у растений не обнаружи- вались такие характерные признаки токсического действия меди, как 416 К.С. ВОЛКОВ, В.П. ХОЛОДОВА, В.В. ШВАРТАУ, Вл.В. КУЗНЕЦОВ Физиология и биохимия культ. растений. 2010. Т. 42. № 5 резкое замедление, а при 50 мкМ CuSO4 — полное ингибирование аккумуляции массы, появление некротических пятен, потеря тур- гора. В целом растения, подверг- нутые совместному действию NaCl и CuSO4, по развитию были впол- не сопоставимы с растениями, вы- ращиваемыми при наличии одного лишь NaCl (400 мМ) в питатель- ной среде, а по уровню накопле- ния массы даже превосходили их. Как следует из данных, пред- ставленных на рис. 1, после 7 сут воздействия стрессоров, в конце эксперимента масса надземных органов контрольных растений составля- ла в среднем 22,1 г, масса растений, выращиваемых при наличии 400 мМ NaCl — 17,3 г, выращиваемых на среде, содержащей 25 и 50 мкМ CuSO4 на фоне 400 мМ NaCl — соответственно 27,1 и 20,7 г. Это значит, что масса растений, выращиваемых при наличии NaCl и 25 мкМ CuSO4, бы- ла достоверно больше массы не только растений, подвергнутых дейст- вию NaCl, но и контрольных. В то же время при действии одного лишь сульфата меди — 25 и 50 мкМ масса сырого вещества растения состав- ляла соответственно 7,1 и 3,5 г. Представлялось весьма вероятным предположение, что снятие ток- сического действия CuSO4 засолением сопряжено с ингибированием пог- лощения ионов меди растениями хрустальной травы, о чем свидетельст- вовали имеющиеся литературные данные об ограничении поглощения ионов ТМ (в частности, кадмия) в условиях засоления почвы [10, 11]. Однако ранее [1] нам не удалось обнаружить достоверных различий в уровне накопления меди листьями растений, росших в течение 7 сут на среде с CuSO4 при наличии или в отсутствие 400 мМ NaCl, причем во всех вариантах опыта внесение CuSO4 в среду приводило к 7—8-кратно- му повышению концентрации меди в листьях опытных растений по сравнению с контрольными. Характерно, что при этом медь накапливалась главным образом в течение первых 3—7 сут эксперимента [3], тогда как последующие 7 сут экспозиции практически не влияли на ее дальнейшую аккумуляцию. Подобный временной характер аккумуляции ионов меди вместе с инги- бированием роста корня и снижением обводненности надземных орга- нов косвенно указывал на нарушение нормального функционирования корневой системы. При длительном воздействии на растения хрустальной травы высо- ких концентраций меди на 7-е сутки эксперимента обнаруживалось поч- ти трехкратное ингибирование скорости транспирации первичных лис- тьев (рис. 2). Внесение в питательную среду 400 мМ NaCl также вызывало достоверное снижение интенсивности транспирации по срав- нению с контрольными растениями, хотя степень этого ингибирования была ниже по сравнению с ингибирующим эффектом CuSO4. Более ин- тенсивное по сравнению с NaCl ингибирование транспирации отмечено у растений хрустальной травы также и при совместном действии обоих изучаемых факторов. 417 ПРОТЕКТОРНЫЙ ЭФФЕКТ ХЛОРИДА НАТРИЯ Физиология и биохимия культ. растений. 2010. Т. 42. № 5 Рис. 1. Маса сырого вещества (г) расте- ний M. crystallinum, 7-е сутки эксперимен- та. Здесь и на рис. 2—6: 1 — контроль; 2 — 400 мМ NaCl; 3 — 25 мкМ CuSO4; 4 — 50 мкМ CuSO4; 5 —400 мМ NaCl + 25 мкМ CuSO4; 6 — 400 мМ NaCl + 50 мкМ CuSO4 Можно допустить, что наблюдаемый нами харак- тер изменения транспира- ции косвенно указывает на начало перехода растений с С3-типа фотосинтеза на во- досберегающий САМ-путь фиксации СО2. В пользу этого предположения сви- детельствуют многочислен- ные экспериментальные данные о том, что растения хрустальной травы отвечают на действие ря- да стрессоров переключением фотосинтеза на САМ-путь [5, 7, 15]. Ранее [20] было показано, что даже непродолжительное воздействие меди на растения хрустальной травы приводит к усилению экспрессии гена ключевого фермента САМ-типа фотосинтеза фосфоенолпируваткар- боксилазы (ФЕПК). Однако приведенный факт еще не дает оснований связывать это с функционированием САМ-типа фотосинтеза в условиях действия ионов меди. Прямым доказательством перехода растений с С3- на САМ-тип фотосинтеза, позволяющим оценить интенсивность проте- кания последнего, является уровень титруемой кислотности клеточного сока. Согласно Чу и соавт. [7], основной вклад в концентрацию прото- нов вносит малат, на долю которого приходится 70—80 %, поэтому уро- вень внутриклеточного содержания протонов можно рассматривать как прямой индикатор накопления этой органической кислоты. Полученные нами результаты подтвердили, что к концу экспери- мента титруемая кислотность для растений контрольного варианта со- ставляла 23 мкэкв/г сырого вещества, что свидетельствует об инициации функционирования САМ-типа фотосинтеза (рис. 3). Через 7 сут после вне- сения в питательную среду 400 мМ NaCl концентрация протонов дости- гала 52 мкэкв/г, что соответствует САМ средней интенсивности. Действие CuSO4 значительно повышало интенсивность фотосинтеза САМ-типа; концентрация протонов в данном варианте достигала в среднем 83 мкэкв/г сырого вещества. Близкой была интенсивность САМ-типа фотосинтеза у растений, подвергнутых одновременному воздействию CuSO4 и NaCl, поскольку титруемая кислотность в этом случае составляла в среднем 72 мкэкв/г сырого вещества. Обнаруженные различия в интенсивности протекания САМ в растениях хрустальной травы при воздействии одного CuSO4 или совместном воздействии CuSO4 и NaCl, были недостоверны. На основании получен- ных результатов можно сде- лать вывод, что протекторный эффект NaCl на устойчивость растений хрустальной травы к меди нельзя объяснить ус- корением перехода растений на САМ или усилением ин- тенсивности его протекания в результате предобработки растений хлоридом натрия, поскольку прямыми измере- ниями уровня титруемой кис- 418 К.С. ВОЛКОВ, В.П. ХОЛОДОВА, В.В. ШВАРТАУ, Вл.В. КУЗНЕЦОВ Физиология и биохимия культ. растений. 2010. Т. 42. № 5 Рис. 2. Интенсивность транспирации мг/(дм2·ч) рас- тений M. crystallinum, 7-е сутки эксперимента Рис. 3. Титруемая кислотность (мкэкв/г сырого вещества) клеточного сока листьев у растений M. crystallinum, 7-е сутки эксперимента лотности не обнаружена карди- нальная интенсификация САМ- метаболизма у растений, под- вергнутых действию CuSO4 после предобработки их NaCl, по сравнению с растениями, выращиваемыми при наличии одного лишь NaCl. Тем не менее нельзя отрицать опреде- ленный вклад САМ-типа фото- синтеза как водосберегающего механизма в формирование ус- тойчивости растений хрустальной травы к меди в условиях засоления. По-видимому, наиболее вероятным механизмом обнаруженного нами защитного действия хлорида натрия на устойчивость растений к меди является индукция предобработкой растений NaCl ряда общих защит- ных механизмов, повышающих устойчивость растений хрустальной тра- вы не только к избыточному засолению, но и к повреждающему дейст- вию ТМ. В частности известно, что интенсивная аккумуляция растением со- лей вызывает снижение осмотического потенциала клеточного сока и повышение водопоглотительной способности клеток корня, вследствие чего возрастает общая обводненность тканей. Поэтому в дальнейшем было целесообразно исследовать основные параметры изменения водно- го статуса хрустальной травы в условиях совместного действия NaCl и CuSO4. Полученные экспериментальные данные подтвердили (рис. 4), что обводненность листьев растений к 7-м суткам опыта в обоих вариантах совместного действия двух факторов составляла в среднем 93,9 %, т.е. была достоверно выше обводненности листьев растений, подвергнутых воздействию CuSO4 даже самой низкой из использованных концентра- ций, и практически не отличалась от обводненности листьев растений, выращиваемых при наличии одного лишь NaCl. Более точно состояние водного статуса растений оценивают таким показателем, как относительное содержание воды (ОСВ) (рис. 5). Если для растений контрольного варианта характерны его значения ~65 %, то обработка растений опытного варианта CuSO4 вызывала снижение ОСВ почти до 35—40 %; несколько большими были значения ОСВ у расте- ний, подвергнутых совместному действию NaCl и CuSO4 — до 50 %. Помимо общей обводненности тканей и ОСВ для характеристики водного статуса важное значение имеет осмотический потенциал клеточ- ного сока, который сильно снижается при воздействии на растения хло- рида натрия. Так, осмотический потенциал клеточного сока листьев контрольных растений составлял в среднем —0,79 МПа (рис. 6), а после внесения в среду 400 мМ NaCl он снижался практически до —2 МПа. Осмотические потенциалы растений, подвергнутых воздействию CuSO4, были промежуточными между значениями осмотических потенциалов растений, выращиваемых в контрольных условиях и при засолении. Од- нако совместное действие двух факторов приводило к резкому сниже- нию анализируемого показателя — в 3,8 раза у растений, обработанных NaCl и 25 мкМ CuSO4, и практически в 6 раз — при действии на расте- ния NaCl и 50 мкМ CuSO4 по сравнению с контролем. 419 ПРОТЕКТОРНЫЙ ЭФФЕКТ ХЛОРИДА НАТРИЯ Физиология и биохимия культ. растений. 2010. Т. 42. № 5 Рис. 4. Общее содержание воды (% сырого ве- щества) в листьях растений M. crystallinum, 7-е сутки эксперимента Как видно из при- веденных данных, од- ним из ярко выражен- ных ответов растений хрустальной травы на негативное действие ме- ди является резкое из- менение водного стату- са, что подтверждают потеря тургора, сниже- ние общего содержания воды и осмотического потенциала, ингибиро- вание транспирации. Та- кие изменения, как было показано выше, мы отмечали и при совмест- ном воздействии NaCl и CuSO4, однако в этом случае они носили несколько иной характер. Так, при совместном действии NaCl и CuSO4 снижение обводненности листьев было менее выражено, чем при дейст- вии только CuSO4, в то время как осмотический потенциал резко сни- жался не только по сравнению с растениями, подвергнутыми действию лишь CuSO4, но и по сравнению с растениями, испытывавшими соле- вой стресс (400 мМ NaCl). Наблюдаемое нами снижение осмотического потенциала можно рассматривать как адаптивный механизм, способст- вующий лучшему поглощению воды клетками корня и, как следствие, предотвращению резкого падения уровня обводненности тканей при действии на растения CuSO4. Одним из возможных механизмов повышения устойчивости расте- ний к действию меди в результате их предадаптации к NaCl может быть аккумуляция совместимых осмотически активных веществ, например та- ких, как пролин — универсальный низкомолекулярный шаперон, обла- дающий полифункциональным стресспротекторным эффектом [2, 14]. Как было показано нами ранее [1], пролин быстро аккумулировал- ся в растениях хрустальной травы в ответ на внесение в питательную среду NaCl (до 8 мкмоль/г). Однако совместное воздействие CuSO4 и за- соления вызывало более интенсивную — до 15—16 мкмоль/г аккумуля- цию пролина в листьях растений. Одним из защитных эффектов пролина является его способность к детоксикации активных форм кислорода (АФК) и тем самым снижению интенсивности окислительного стресса [2]. Ранее [3] мы доказали, что под действием меди инициируется формирование окислительного стресса у растений хрустальной травы. Накопление АФК приводит к снижению содержания хлорофилла, изменению соотношения хлорофиллов а/b, по- явлению на листьях некротических пятен, интенсификации пероксид- ного окисления липидов, а также к повышению активности пероксида- зы. Интересно, что растения, пред- обработанные NaCl, не выявляли внешних признаков активации окис- лительного стресса, что могло быть следствием проявления антиокси- дантной функции пролина. 420 К.С. ВОЛКОВ, В.П. ХОЛОДОВА, В.В. ШВАРТАУ, Вл.В. КУЗНЕЦОВ Физиология и биохимия культ. растений. 2010. Т. 42. № 5 Рис. 5. Относительное содержание воды (%) в листьях растений M. crystallinum, 7-е сутки эксперимента Рис. 6. Осмотический потенциал (МПа) клеточного сока листьев растений M. crys- tallinum, 7-е сутки эксперимента МПа Представленные данные однозначно подтверждают, что кратковре- менная, всего в течение 1 сут, предадаптация растений хрустальной тра- вы к NaCl (400 мМ) снижает последующее токсическое воздействие CuSO4 (25 и 50 мкМ). Можно ожидать, что увеличение продолжительно- сти предобработки растений NaCl повысит степень его протекторного эффекта в условиях повреждающего воздействия ионов меди вследствие более полного формирования различных механизмов солеустойчивости, существенных для выживания растений в условиях повреждающего воз- действия факторов иной природы. Однако более длительная (3 сут) пре- добработка растений NaCl (400 мМ) не вызывала достоверного сниже- ния уровня накопления меди в листьях и не изменяла интенсивность транспирации, но резко снижала уровень аккумуляции пролина по срав- нению с растениями, подвергнутыми более короткому (1 сут) предвари- тельному воздействию соли. Вместе с тем при более длительной преда- даптации растений к NaCl увеличивалась обводненность листьев при последующем совместном действии 400 мМ NaCl и 25 (но не 50) мкМ CuSO4. Отсюда можно сделать вывод, что предобработка растений NaCl в течение 1 сут достаточна для индукции защитных механизмов, обеспе- чивающих снижение токсического воздействия меди в условиях совмест- ного действия двух указанных факторов. Анализ работ последних лет, посвященных этой теме [8, 9, 12], по- казал, что описанная выше стратегия адаптации, по-видимому, харак- терна прежде всего для галофитов, в то время как гликофиты в усло- виях совместного воздействия NaCl и ТМ подвергаются еще более интенсивному стрессорному влиянию [13, 19]. В связи с исследованием характера взаимодействия ответов расте- ний на последовательное и одновременное влияние NaCl и CuSO4 важ- но ответить на вопрос, реализуется ли обнаруженное нами защитное действие хлорида натрия после предварительной адаптации растений к CuSO4. Полученные данные свидетельствуют, что внесение в питатель- ную среду NaCl, спустя 3 сут после начала воздействия на растения суль- фата меди, резко ингибировало аккумуляцию пролина, достоверно сни- жало обводненность листьев и не влияло на интенсивность транспирации по сравнению с растениями, у которых воздействию CuSO4 предшествовала 1—3-суточная адаптация к NaCl. Отсюда следу- ет, что предварительное воздействие на растения хрустальной травы сульфата меди не только не усиливало защитный эффект NaCl при после- дующем совместном действии двух факторов, а напротив, снижало адап- тационный потенциал растений, что выражалось, например, в резком снижении аккумуляции пролина и обводненности тканей. Таким образом, установлено, что предварительная адаптация расте- ний к хлориду натрия значительно снижает последующее токсическое воздействие солей меди, что проявляется прежде всего в поддержании водного статуса растений в условиях совместного действия двух факто- ров и в интенсивной аккумуляции пролина, обладающего полифункцио- нальным стресспротекторным действием. Наоборот, предварительное воздействие на растения сульфата меди препятствует реализации защит- ного эффекта NaCl в условиях совместного действия засоления и тяже- лых металлов. Представленные данные могут быть использованы при разработке технологии рекультивации земель, загрязненных нескольки- ми токсическими веществами различной природы. Не последнее место 421 ПРОТЕКТОРНЫЙ ЭФФЕКТ ХЛОРИДА НАТРИЯ Физиология и биохимия культ. растений. 2010. Т. 42. № 5 среди таких территорий занимают площади с высокой степенью засоле- ния и загрязнения ТМ. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке совмест- ного научного проекта РФФИ/НАНУ 56-04-10(У)/международного гран- та 10-04-90456-Укр_а «Ионом растений и его регуляция». 1. Волков К.С., Холодова В.П., Кузнецов Вл.В. Адаптация растений к меди снижает токси- ческий эффект меди // Докл. РАН. — 2006. — 411. — С. 270—274. 2. Кузнецов Вл.В., Шевякова Н.И. Пролин при стрессе: биологическая роль, метаболизм, регуляция // Физиология растений. — 1999. — 46, № 2. — С. 305—320. 3. Холодова В.П., Волков К.С., Кузнецов Вл.В. Адаптация к высоким концентрациям солей меди и цинка растений хрустальной травки и возможность их использования в целях фиторемедиации // Там же. — 2005. — 52, № 6. — С. 848—858. 4. Шевякова Н.И., Нетронина И.А., Аронова Е.Е., Кузнецов Вл.В. Распределение Cd и Fe в растениях Mesembryanthemum crystallinum при адаптации к Cd-стрессу // Там же. — 2003. — 50. — С. 756—763. 5. Adams P., Nelson D.E., Yamada S. et al. Tansley Review No 97. Growth and development of Mesembryanthemum crystallinum (Aizoaceae) // New Phytol. — 1998. — 138. — P. 171—190. 6. Bates L.S., Waldren R.P., Teare I.D. Rapid determination of free proline for water-stress stu- dies // Plant Soil. — 1973. — 39, N 1. — P. 205—207. 7. Chu C., Dai Z., Ku M.S.B., Edwards G.E. Induction of Crassulacean acid metabolism in the facultative halophyte Mesembryanthemum crystallinum by abscisic acid // Plant Physiol. — 1990. — 93. — P. 1253—126 8. Demirezen D.Y., Redd B. Effects of salinity on growth and nickel accumulation capacity of Lemna gibba (Lemnaceae) // J. Hazard Mater. — 2006. — 147. — P. 74—77. 9. Fitzgerald F.J., Caffrey J.M., Nesaratnam S.T., McLoughlin P. Copper and lead concentrations in salt marsh plants on the Suir Estuaty, Ireland // Environ Pollut. — 2003. — 123. — P. 67—74. 10. Ghnaya T., Nouairi I., Slama I. et al. Cadmium effects on growth and mineral nutrition of two halophytes: Sesuvium portulacastrum and Mesembryanthemum crystallinum // J. Plant Physiol. — 2005. — 162. — P. 1133—1140. 11. Ghnaya T., Slama I., Messedi D. et al. Cd-induced growth reduction in the halophyte Sesuvium portulacastrum is significantly improved by NaCl // J. Plant Res. — 2007. — 120. — P. 309— 316. 12. Helal M., Baibagyshew E., Saber S. Uptake of Cd and Ni by spinach, Spinacea oleracea (L.) from polluted soil under field conditions as affected by salt water irrigation // Agronom. — 1998. — 18. — P. 443—448. 13. Huang Y.Z., Zhang G.P., Wu E.B. et al. Interaction of salinity and cadmium stresses on anti- oxidant enzymes, sodium, and cadmium accumulation in four barley genotypes // J. Plant Nutr. — 2006. — 29. — P. 2215—2225. 14. Kholodova V.P., Neto D.S., Kruglova A.G. et al. Possible novel role of proline in stress adap- tation // Nitrogen in a Sustainable Ecosystem: From the Cell to the Plant / Ed. by M.A. Martins-Loucao, S.H. Lips. Backhuys Publishers, Leiden, The Netherlands, 2000. — P. 255— 259. 15. Kholodova V.P., Neto D.S., Meshcheryakov A.B. et al. Can stress-induced CAM provide for performing the developmental program in Mesembryanthemum crystallinum plants? // Russian J. Plant Physiol. — 2002. — 49. — P. 367—384. 16. Lombi E., Zhao F.J., Dunham S.J., McGrath S.P. Phytoremediation of heavy metal-contami- nated soils: Natural hyperaccumulation versus chemically enhanced phytoextraction // J. Environ. Qual. — 2001. — 30. — P. 1919—1926. 17. Maksymiec W. Effect of copper on cellular processes in higher plants // Photosynthetica. — 1997. — 34. — P. 132—342. 18. Schuetzenduebel A., Polle A. Plant responses to abiotic stresses: Heavy metal-induced oxidative stress and protection by mycorrhization // J. Exp. Bot. — 2002. — 53. — P. 1351—1365. 19. Smolders E., McLaughlin M.J. Chloride increases cadmium uptake in Swiss chard in a resin- buffered nutrient solution // Soil Sci Soc. Amer. Proc. — 1996. — 60. — P. 1443—1447. 20. Thomas J.C., Malik F.K., Endreszl C. et al. Distinct responses to copper stress in the halophyte Mesembryanthemum crystallinum // Physiol. Plant. — 1998. — 102. — P. 360—368. 21. Thomas J.C., McElwain E.F., Bohnert H.J. Convergent induction of osmotic stress-responses: ABA and cytokinin and the effects of NaCl // Plant Physiol. — 1992. — 100. — P. 416—423. 22. Ueda J., Shimazu Y., Ozawa T. Oxidative damage induced by Cu(II)-oligopeptide complexes and hydrogen peroxide // Biochem. Mol. Biol. Int. — 1994. — 34. — P. 801—808. 422 К.С. ВОЛКОВ, В.П. ХОЛОДОВА, В.В. ШВАРТАУ, Вл.В. КУЗНЕЦОВ Физиология и биохимия культ. растений. 2010. Т. 42. № 5 23. Winter K. Zum Problem der Ausbildung des Crassulaceensaurestoffwechsels bei Mesembry- anthemum crystallinum unter NaCl-Einfluss // Planta. — 1973. — 109. — S. 135—145. 24. Yruela I. Copper in plants // Braz. J. Plant Physiol. — 2005. — 17. — P. 145—156. Получено 26.06.2009 ПРОТЕКТОРНИЙ ЕФЕКТ ХЛОРИДУ НАТРIЮ ПРИ АДАПТАЦIЇ РОСЛИН КРИШТАЛЕВОЇ ТРАВИ ДО НАДЛИШКУ МIДI К.С. Волков1, В.П. Холодова1, В.В. Швартау2, Вл.В. Кузнецов1 1Iнститут фізіології рослин ім. К.А. Тимірязєва Російської академії наук, Москва 2Iнститут фізіології рослин і генетики Національної академії наук України, Київ Вивчено особливості формування і функціонування адаптивних систем у рослин кришта- левої трави (Mesembryanthemum crystallinum L.) за умов сумісної дії двох стресорних чин- ників — CuSO4 i NaCl. Установлено, що за наявності у середовищі хлориду натрію значно знижується токсична дія міді. При цьому протекторний ефект NaCl не пов’язаний з обме- женням поглинання рослинами міді. Доведено, що основою виявленого нами захисного ефекту NaCl є стабілізація водного статусу — однієї з первинних фізіологічних мішеней токсичної дії важких металів, що засвідчує різкий спад осмотичного потенціалу клітинно- го соку та інтенсивне накопичення проліну — універсального низькомолекулярного шапе- рону — у рослинах, підданих сумісній дії хлориду натрію і сульфату міді. PROTECTIVE EFFECT OF SODIUM CHLORIDE DURING ADAPTATION OF PLANTS OF MESEMBRYANTHEMUM CRYSTALLINUM L. TO COPPER EXCESS Volkov К.S.,1 Holodova V.P.,1 Schwartau V.V.2, Kuznetsov Vl.V.1 1K.A. Timiriazev Institute of Plant Physiology, Russian Academy of Sciences 35 Botanicheskaya St., 127276, Moscow, Russia 2Institute of Plant Physiology and Genetics, National Academy of Sciences of Ukraine, 31/17 Vasylkivska St., Kyiv, 03022, Ukraine The features of forming and functioning of the adaptive systems in plants of Mesembryanthemum crystallinum L. at the conditions of the combined action of two stressors CuSO4 and NaCl were studied. It was shown that presence of sodium chloride in the medium at the concentration up to 400 mM has reduced the toxic effect of copper at concentrations of 25 and 50 M which are 100 and 200 times higher than copper content in standard cultural solutions.The protective effect of NaCl was not related to restriction on copper absorption by plant. It was established that protec- tive effect of NaCl has mainly been the result of stabilizing of the water relations, one of the pri- mary physiological targets of heavy metals toxic action, which has been testified by a sharp drop in the osmotic potential of cell sap and intensive accumulation of proline, the universal low-molecu- lar chaperon, in plants exposed to the combined action of sodium chloride and copper sulfate. Key words: Mesembryanthemum crystallinum L, copper, salinity, heavy metals, cross-adaptation, proline, stress, САМ-photosynthesis. 423 ПРОТЕКТОРНЫЙ ЭФФЕКТ ХЛОРИДА НАТРИЯ Физиология и биохимия культ. растений. 2010. Т. 42. № 5

Протекторный эффект хлорида натрия при адаптации растений хрустальной травы к избытку меди

Репозитарії

Схожі ресурси