Изменение фотосинтетических характеристик и физиологических показателей у растений пшеницы при действии кадмия на фоне NaCl

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2009, № 3

УДК 633.111:581.522.4:581.1

ИЗМЕНЕНИЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ У РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ ПРИ ДЕЙСТВИИ КАДМИЯ НА ФОНЕ NaCl

А.А. ИВАНОВ, А.А. КОСОБРЮХОВ

Исследовали O2- и СО2-газообмен, содержание пигментов и воды в листьях 2недельных проростков пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Московская 35, отделенных от корней и выдержанных в 0,1; 1,0 и 5,0 мМ водных растворах Cd(NO3)2 в течение 96 ч. Оценивали возможность снижения отрицательного действия кадмия при внесении NaCl в низкой концентрации. Показано, что под влиянием кадмия снижались скорость выделения кислорода и поглощения СО2, а также относительное содержание воды в листьях (RWC) и хлорофилла. Внесение NaCl в раствор в концентрации 50 мM частично нивелировало отрицательный эффект Cd(NO3)2 при его низких концентрациях. Высокая (5,0 мИ) концентрация Cd(NO3)2 резко подавляла фотосинтетическую активность.

Ключевые слова: пшеница, кадмий, NaCl, поглощение СО2, выделение кислорода, хлорофилл, относительное содержание воды.

Key words: wheat, cadmium, NaCl, CO2 uptake, O2 exchange, chlorophyll, relative water

content.

Увеличение антропогенной нагрузки на окружающую среду и, как результат, повышение содержания токсических веществ в почве усиливает их отрицательное воздействие на растения. Особая роль при этом принадлежит тяжелым металлам — Pb, Hg, Cd, которые не участвуют в метаболизме клетки и токсичны уже при низких концентрациях (в отличие от Cu, Zn, Fe, Co, Ni, необходимых для жизнедеятельности растений в малых количествах) (1, 2). Реакция растений на действие кадмия носит в основном неспецифический характер: снижается фотосинтетическая активность, скорость транспирации и относительное содержание воды в листьях, изменяется скорость и направленность других метаболических процессов в клетках (3-5). Кроме того, под влиянием кадмия может развиваться стрессовая реакция с усиленным образованием активных форм кислорода (6, 7). При этом разные виды растений неодинаковы по степени чувствительности к действию тяжелых металлов (8). Снижение негативного эффекта тяжелых металлов может быть следствием активации системы защиты от окислительной деструкции (9, 10), связывания с помощью фитохелатинов (11), а также внутриклеточной компартментализации (перемещение ионов Cd2+ в вакуоль) (12, 13).

В основном тяжелые металлы задерживаются в корнях, и только небольшая доля поступает в надземные органы и листья (14). Поэтому трудно определить причину их отрицательного эффекта на растения (непосредственное воздействие на метаболические процессы в клетке или опосредованное — через корневую систему), а также концентрации, при которых резко снижается функциональная активность.

Целью нашей работы была оценка функциональных изменений фотосинтетического аппарата при выдерживании проростков пшеницы, лишенных корневой системы, в растворах кадмия разной концентрации, а также определение возможности и условий снижения его отрицательного действия на растения. Для этого изучали О2- и СО2-газообмен, содержание пигментов и водный обмен листьев при действии на растения кадмия на фоне повышенного содержания NaCl в растворе.

Методика. Объектом исследования служили растения пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Московская 35, выращиваемые на песчаной почве

104

в сосудах объемом 0,5 л в климатической камере ШКВ-1 (Россия). Освещенность, измеряемая с помощью прибора LI-250 QSX-01 quantum meter («Li-Cor», США), составляла 450 мкмоль • м-2 • с-1 на уровне верхних листьев, температура — 20/17 °С (день/ночь) при 12-часовом фотопериоде, влажность почвы — 65±5 %. В эксперименте использовали 2-недельные проростки в фазу появления двух настоящих листьев. Проростки отделяли от корней и помещали в 0,1; 1,0 и 5,0 мМ водные растворы Cd(NO3)2, не содержащие NaCl и содержащие эту соль в концентрации 50,0 мМ. В контроле проростки выдерживали в дистиллированной воде в течение 96 ч.

Интенсивность выделения листьями O2 на свету и его поглощение в темноте измеряли с помощью аппарата, состоящего из полярографа LP-7E (Чехословакия), самописца и термостатированной ячейки с платиновым электродом. В исследованиях использовали 50,0 мМ К-фосфатный буфер (рН 7,5). Образцы подготавливали в соответствии с описанием (15).

Скорость наблюдаемого фотосинтеза (Pn) в зависимости от внешней концентрации CO2 (Ca) измеряли при интенсивности света 1200 мкмоль фотонов • м-2 • с-1 в ассимиляционной камере с помощью портативной измерительной системы LCpro («ADC BioScientific Ltd», Великобритания). Работу проводили на проростках, выдержанных в растворе Cd(NO3)2 (1,0 мМ) в течение 24 ч.

Для оценки лимитирующих звеньев реакции карбоксилирования (активности рибулозобисфосфаткарбоксилазы/оксигеназы — РБФК/О, скорости электронного транспорта и скорости утилизации триозофосфатов) использовали анализ Pn/Q кривых (Q — концентрация СО2 в межклетниках) с помощью модели, предложенной G.D. Farquhar с соавт. (16) и модифицированной S. Caemmerer и P.C. Harley с соавт. (17-19).

Относительное содержание воды в листьях (RWC) определяли по соотношению сырой (FW) и сухой (DW) массы согласно уравнению: RWC = 100 • (FW - DW)/(TW - DW), где TW — сырая масса при полном водном насыщении. Для этого отрезки листьев (20 мм) помещали в дистиллированную воду при 20 °С на слабом свету на 24 ч. DW измеряли после высушивания листьев в термостате при 75 °С в течение 48 ч (20).

Содержание пигментов в листьях оценивали после их гомогенизации в фарфоровой ступке при добавлении CaCO3 и экстракции пигментов 80 % ацетоном. Спектры поглощения хлорофиллов регистрировали на спектрофотометре Genesys 10 UV («Spectronics», США); в работе использовали коэффициент экстинкции для 80 % ацетона (21).

Биологическая повторность опытов 3-5-кратная, аналитическая — 3-кратная. Обработку кривых фотосинтеза осуществляли с помощью специальной программы Photosyn Assistant (приведены средние величины и стандартное отклонение 3-5 независимых измерений).

Результаты. Скорость фотосинтеза в контроле (дистиллированная вода) практически не изменялась на протяжении всего эксперимента (96 ч) (рис., A). Выдерживание проростков пшеницы в растворах с кадмием приводило к снижению скорости выделения О2 при насыщающей интенсивности освещения. Однако при концентрации ионов Cd2+ 0,1 мМ заметное изменение активности фотосинтетического аппарата наблюдали лишь через 96 ч (см. рис., A, а). Повышение концентрации ионов Cd2+ в растворе до 1,0 мМ вызывало резкое снижение интенсивности выделения О2 при практически полном подавлении через 48 ч (см. рис., А, б), а при концентрации Cd2+ 5,0 мМ полное подавление фотосинтеза происходило через 6 ч во всех вариантах (см. рис., А, в).

Внесение NaCl в раствор с проростками пшеницы способствовало поддержанию высокой функциональной активности фотосинтетического

105

аппарата. При низкой концентрации ионов Cd2+ (0,1 мМ) добавление NaCl приводило к некоторому увеличению фотосинтетической активности через 24 ч (до значения, даже превышающего контроль) (см. рис., A, а). Скорость фотосинтеза оставалась более высокой в течение 48 ч по сравнению с вариантом без NaCl. При концентрации ионов Cd2+ в растворе 1,0 мM на фоне общего снижения интенсивности выделения О2 во всех вариантах присутствие NaCl также способствовало поддержанию фотосинтетической активности на более высоком уровне в течение 48 ч (см. рис., А, б). Высокая концентрация ионов Cd2+ (5,0 мM) обусловливала резкое снижение интенсивности фотосинтеза независимо от наличия в растворе NaCl (см. рис., А, в).

А

Выделение О2 в процессе фотосинтеза (А), относительное содержание воды (Б) и суммарное содержание хлорофилла a и b (В) в листьях при выдерживании проростков пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Московская 35 в растворах Cd(NO3)2 разной концентрации с добавлением NaCl

(50 мЫ): а, б и в — концентрация соли кадмия соответственно 0,1; 1,0 и 5,0 мМ; 1, 2 и 3 — соответственно дистиллированная вода (контроль), Cd(NO3)2 и Cd(NO3)2 + NaCl.

Наблюдаемое изменение скорости поглощения СО2 могло быть связано с изменением устьичного и мезофильного сопротивления, а также скорости световых и темновых реакций фотосинтеза. Действительно, при концентрации кадмия в растворе 1,0 мМ эффективность карбоксилирова-ния снижалась, что свидетельствует об уменьшении проводимости мезофилла (табл.). Наряду с увеличением сопротивления мезофилла уменьшалась активность РБФК/О, которая составляла около 65 % от контроля. Скорость утилизации триозофосфатов, характеризующая доступность не-

106

органического фосфата для цикла Кальвина, снижалась незначительно (от 1,27 в контроле до 1,10 в опыте), при этом световые реакции фотосинтеза изменения затронули в большей степени. Так, скорость электронного транспорта при световом насыщении в опыте была более чем в 2 раза ниже, чем в контроле (47,8 % от контроля).

Параметры аппроксимации кривых зависимости скорости наблюдаемого фотосинтеза (Pn) от концентрации СО2 в межклетниках (Q) у проростков

пшеницы Triticum aestivum L. сорта Московская 35, лированной воде (контроль) и растворе Cd(NO3)2 выдержанных в дистил-

Показатель | Контроль | Cd2+

Скорость темнового выделения СО2, мкмоль СО2 • м-2 • с-1 Эффективность карбоксилирования, мкмоль СО2 • м-2 • с-1 • Па-1 Максимальная скорость карбоксилирования, мкмоль СО2 • м-2 • с-1 Скорость электронного транспорта при световом насыщении, мкмоль*м-2 • с-1 Скорость утилизации триозофосфатов, мкмоль • м-2 • с-1 Максимальная скорость поглощения СО?, мкмоль СО? • м-2 • с-1 0,41±0,03 0,17±0,01 6,15±0,80 15,90±2,04 1,27±0,02 5,96±0,21 0,46±0,01 0,13±0,01 4,00±0,03 7,60±0,06 1,10±0,01 3,84±0,12

П р и м е ч а н и е. Концентрация раствора Cd(NO3)2 1,0 мМ.

Снижение активности фотосинтетического аппарата при высоких концентрациях кадмия в растворе могло быть связано с изменениями водного обмена, однако относительное содержание воды в листьях в контроле незначительно изменялось в течение опыта (см. рис., Б). При низких концентрациях ионов Cd2+ (0,1 и 1,0 мМ) также не наблюдалось заметных изменений этого показателя в первые 2 сут и только к концу эксперимента (через 96 ч) значение RWC тканей резко снижалось (см. рис., Б, а, б). Повышение концентрации ионов Cd2+ до 5,0 мМ приводило к резкому падению RWC через 24 ч после начала выдерживания в растворах соли и гибели растений через 48 ч (см. рис., Б, в).

Добавление в раствор NaCl частично нивелировало отрицательное действие высокой концентрации кадмия. В течение первых 48 ч эксперимента величина RWC в присутствии NaCl была несколько выше (см. рис. Б, а, б). При концентрации ионов Cd2+ 5,0 мM и в отсутствие NaQ растения быстро погибали (см. рис. Б, в). Однако протекторное действие NaQ при высоких концентрациях кадмия (1,0 и 5,0 iM) продолжалось только в течение первых 48 ч, затем происходила неконтролируемая потеря воды и гибель растений (см. рис., Б, б, в).

Суммарное содержание хлорофиллов a и b в листьях в расчете на сухую массу уменьшалось на протяжении эксперимента во всех вариантах (в том числе в контроле). Присутствие в растворе ионов Cd2+ ускоряло этот процесс пропорционально их концентрации. Внесение в раствор NaCl незначительно влияло на характер изменений (см. рис., В). К концу эксперимента (через 96 ч) даже при концентрации ионов Cd2+ 0,1 мМ наблюдалось полное разрушение хлорофилла. Количественное соотношение хлорофиллов a/b оставалось неизменным на протяжении всего эксперимента во всех вариантах, и только через 96 ч наблюдалась более интенсивная деградация хлорофилла b.

Поскольку исследования выполнялись на проростках, лишенных корневой системы, которая, как известно, задерживает большую часть тяжелых металлов, были выявлены концентрации соли Cd, при которых происходило резкое изменение водного обмена и работы фотосинтетического аппарата растений. Жизнеспособность проростков в контроле (дистиллированная вода) сохранялась в течение всего периода эксперимента. Наблюдалось постепенное уменьшение содержания хлорофилла в листьях, но не происходило значительных изменений скорости фотосинтеза. Внесение в раствор соли кадмия (0,1-1,0 мМ) вызывало снижение скорости фотосинтеза, содержания хлорофилла и RWC, которое, однако, не было резким. Повышение концентрации ионов Cd2+ в растворе до 5,0 мМ при-

107

водило к быстрому уменьшению RWC и скорости фотосинтеза до нулевых значений. При этом гибель растений наступала в течение нескольких часов (скорее всего из-за сильного повреждения плазмалеммы клеток и быстрого уменьшения оводненности тканей) (22). Эти процессы осуществлялись настолько быстро, что даже не происходило разрушение хлорофилла, наблюдаемое при меньших концентрациях Cd2+ в растворе.

При внесении NaCl в концентрации 50 мМ в раствор с Cd2+ характер воздействия тяжелого металла на проростки ячменя изменялся. При низкой концентрации ионов Cd2+ в растворе значение RWC несколько повышалось в течение всего периода эксперимента, что, по данным литературы, может свидетельствовать о росте устойчивости к действию неблагоприятных факторов среды (23). При концентрациях кадмия в исходном растворе выше 1,0 мM положительного эффекта NaCl не наблюдали, и гибель растений наступала достаточно быстро.

Использование NaCl в концентрации свыше 50 мМ, на наш взгляд, нецелесообразно, поскольку вызывает процессы, характерные для солевого стресса, а при низких концентрациях NaCl подобные изменения метаболизма не происходят, однако проникающие в клетки ионы Na+ накапливаются в вакуолях и у некоторых видов растений могут участвовать в поддержании водного баланса (24). Поскольку механизм снижения оводнен-ности клеток под действием тяжелых металлов отличается от такового при солевом или осмотических стрессах и, скорее всего, связан с изменением проницаемости мембран, положительное действие NaCl может быть обусловлено синтезом соединений, поддерживающих или восстанавливающих стабильность мембранных белков (25). Например, показано увеличение содержания стрессовых белков или коротких полипептидов при воздействии различных внешних факторов. Сигналом инициации синтеза таких соединений-протекторов может служить Na+.

Синтезом веществ-протекторов можно объяснить также эффект положительного действия NaCl на фотосинтетический аппарат растений, подвергшихся негативному воздействию ионов Cd2+. При низких концентрациях кадмия в течение 1-х сут эксперимента скорость фотосинтеза и содержание хлорофилла всегда были выше в присутствии NaCl, чем без него. В дальнейшем начинали преобладать необратимые деструктивные процессы, ведущие к гибели растения. Увеличение активности фотосинтетического аппарата под действием натрия сопровождалось некоторым спадом в первые 24 ч, что может быть обусловлено настройкой защитной системы и инициацией синтеза веществ-протекторов.

Таким образом, при инкубации проростков в присутствии ионов кадмия дополнительное введение NaCl в инкубационный раствор оказывает протекторный эффект, о чем свидетельствует ряд показателей (содержание воды в клетках, скорость выделение кислорода в процессе фотосинтеза, содержание хлорофилла в листьях). Не исключено, что эффект может быть прежде всего обусловлен поддержанием высокого относительного содержания воды в листьях в присутствии NaCl, что способствует интенсивной работе фотосинтетической системы.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. S a l t D.E., S m i t h R.D., R a s k i n I. Phytoremediation. Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol., 1998, 49: 643-668.

2. S h a r m a P., D u b e y R.S. Lead toxicity in plants. Braz. J. Plant Physiol., 2005, 17: 756-763.

3. D a s P., S a m a n t a r a y S., R o u t G.R. Studies on cadmium toxicity in plants: a review. Environ. Poll., 1998, 96: 29-36.

4. B a r y l a A., C a r r i e r P., F r a n c k F. Leaf chlorosis in oilseed rape plants (Brassica napus) grown on cadmium polluted soil: causes and consequences for photosynthesis and growth. Planta, 2001, 212: 696-709.

108

5. P i e t r i n i F., I a n n e l l i M.A., P a s q u a l i n i S. Interaction of cadmium with glutathione and photosynthesis in developing leaves and chloroplasts of Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steudel. Plant Physiol., 2003, 133: 829-837.

6. D i e t z K-J., K r a m e r U., B a i e r M. Free radicals and reactive oxygen species as mediators of heavy metal toxicity. In: Heavy metal stress in plants: from molecules to ecosystems /M.N.V. Prasad, J. Hagemeyer (eds.). Berlin, 1999: 73-97.

7. I a n n e l l i M.A., P i e t r i n i F., F i o r e L. Antioxidant response to cadmium in Phragmites australis plants. Plant Physiol. Biochem., 2002, 40: 977-982.

8. M c G r a t h S., L o m b i E., Z h a o F-J. What’s new about cadmium hyperaccumulation? New Phytol., 2001, 149: 2-3.

9. N a v a r i - I z z o F., Q u a r t a c c i M.F. Phytoremediation of metals. Tolerance mechanisms against oxidative stress. Minerva Biotechnol., 2001, 13: 73-85.

10. S c h u t z e n d u b e l A., S c h w a n z P., T e i c h m a n n T. Cadmium-induced changes in antioxidative systems, hydrogen peroxide content, and differentiation in scots pine roots. Plant Physiol., 2001, 127: 887-898.

11. C o b b e t t C.S. Phytochelatins and their roles in heavy metal detoxification. Plant Physiol., 2000, 123: 825-832.

12. B r u n e A., D i e t z KJ. A comparative analysis of element composition of barley roots and leaves under cadmium-, molybdenum-, nickel- and zinc-stress. J. Plant Nutr., 1995, 18: 853-868.

13. G o n z a l e z A., K o r e n’ k o v V., W a g n e r G.J. A comparison of Zn, Mn, Cd, and Ca transport mechanisms in oat root. Physiol. Plant., 1999, 106: 203-209.

14. S e r e g i n I.V., I v a n o v V.B. Physiological aspects of cadmium and lead toxic effects on higher plants. Russian J. Plant Physiol., 2001, 48: 523-544.

15. B i l’ K.Ya., F o m i n a I.R., T s e n o v a E.N. Effects of nitrogen nutrition on photosynthetic enzyme activities, type of photosynthates and photosystem 2 activity in maize leaves. Photosynthetica, 1985, 19: 216-220.

16. F a r q u h a r G.D., v o n C a e m m e r e r S., B e r r y J. A biochemical model of photosynthetic CO2 assimilation in leaves of C3 species. Planta, 1980, 149: 78-90.

17. V o n C a e m m e r e r S., F a r q u h a r G.D. Some relationships between the biochemistry of photosynthesis and the gas exchange rates of leaves. Planta, 1983, 153: 376-387.

18. H a r l e y P.C., S h a r k e y T.D. An improved model of C3 photosynthesis at high CO2: reversed O2 sensitivity explained by lack of glycerate re-entry into the chloroplast. Photosynth. Res., 1991, 27: 169-178.

19. H a r l e y P.C., T h o m a s R.B., R e y n o l d s J.F. Modelling photosynthesis of cotton grown in elevated CO2. Plant Cell Environ., 1992, 15: 271-282.

20. P a r d o s s i A., V e r n i e r i P., T o g n o n i F. Involvement of abscisic acid in regulating water status in Phaseolus vulgaris L. during chilling. Plant Physiol., 1992, 100: 1243-1250.

21. L i c h t e n t h a l e r H.K. Chlorophylls and carotenoids: pigments of photosynthetic biomenbranes. Meth. Enzymol., 1987, 148: 350-382.

22. S e r e g i n I.V., K o z h e v n i k o v a A.D. Roles of root and shoot tissues in transport and accumulation of cadmium, lead, nickel, and strontium. Russian J. Plant Physiol., 2008, 55: 3-26.

23. C h i n n u s a m y V., J a g e n d o r f A., Z h u J.-K. Understanding and improving salt tolerance in plants. Crop Sci., 2005, 45: 437-448.

24. H o r i e T., J u l i a n I. Schroeder sodium transporters in plants. Diverse genes and physiological functions. Plant Physiol., 2004, 136: 2457-2462.

25. M i e r n y k J.A. Protein folding in the plant cell. Plant Physiol., 1999, 121: 695-703.

Институт фундаментальных проблем Поступила в редакцию

биологии РАН, 23 апреля 2008 года

142290 Московская обл., г. Пущино, e-mail: kosobr@rambler.ru

CHANGES IN PHOTOSYNTHETIC AND PHYSIOLOGICAL PARAMETERS INDUCED IN WHEAT PLANTS AFTER ACTION OF CADMIUM AGAINST

A BACKGROUND OF NaCl

A.A. Ivanov, A.A. Kosobryukhov S u m m a r y

The authors investigated the O2 and СО2 gas exchange, pigments and water content in leaves of 2-week wheat seedlings (Triticum aestivum L.), separated from roots and exhibited during 96 h in 0.1, 1.0 and 5.0 mM water solutions of Cd(NO3)2 during 96 h. The opportunity of decrease in negative effect cadmium by low concentrations of NaCl in solution were estimated. It was shown that the presence of cadmium in solution resulted in decrease of oxygen evolution rate, СО2 uptake, chlorophyll content and relative water content (RWC) in leaves. Addition of NaCl to solution at final concentration 50 mM partly removed negative effect of Cd(NO3)2 at its low concentrations. The high (5.0 mM) concentration of Cd(NO3)2 resulted in to sharp decrease of photosynthetic activity.

109