Хроническое действие высоких концентраций цинка на Активность антиоксидантных ферментов в сеянцах сосны обыкновенной

ЛЕСНАЯ СЕЛЕКЦИЯ, ГЕНЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИЯ

Библиографический список

1. Иванов, Ю.В. Устойчивость всходов Pinus sylvestris и Picea abies к солевому стрессу / Ю.В. Иванов, А.В. Карташов. Ю.В. Савочкин // Вестник МГУЛ

- Лесной вестник. - 2010. - № 3(72). - С. 119-123.

2. Кузнецов, В.В. Физиология растений: учебник, изд. 2-е, перераб. и доп. / В.В. Кузнецов, Г. А. Дмитриева. - М.: Высшая школа, 2006. - 742 с.

3. Лир, Х. Физиология древесных растений / Х. Лир, Г. Польстер, Г.-И. Фидлер; [пер. с нем. Н. В. Лобанова]. - М.: Лесная пром-сть, 1974. - 423 с.

4. Полеская, О.Г. Растительная клетка и активные формы кислорода: учеб. пособие / О.Г. Полесская; под. ред. И.П. Ермакова. - М.: КДУ, 2007. - 140 с.

5. Правдин, Л.Ф. Сосна обыкновенная. Изменчивость, внутривидовая систематика и селекция / Л.Ф. Правдин. - М.: Наука, 1964. - 192 с.

6. Чиркова, Т.В. Физиологические основы устойчивости растений: учеб. пособие / Т.В. Чиркова.

- СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2002. - 244 с.

7. Beon, Mu-Sup. Early seedlings growth of pine (Pinus densiflora) and oaks (Quercus serrata, Q. mongolica, Q. variabilis) in response to light intensity and soil moisture [Text] / Mu-Sup Beon, N. Bartsch // Plant ecology. - 2003. - №167. - P. 97-105.

8. Calle, Z. Seasonal variation in daily insolation induces synchronous bud break and flowering in the tropics [Text] / Z. Calle, B. O. Schlumpberger, L. Piedrahita,

A. Leftin, S. A. Hammer, A. Tye, R. Borchert // Trees.

- 2010. - №24. - P. 865-877.

9. De la Rosa, T. M. Effects of far-red light on the growth, mycorrhizas and mineral nutrition of Scots pine seedlings [Text] / T. M. de la Rosa, P. J. Aphalo, T. Lehto // Plant and soil. - 1998. - №201. - P. 17-25.

10. Li, W. Effects of day length, light quality and ethylene on phytochrome b expression during stem elongation in Stellaria longipes [Text] / W. Li, Z. Song, R. J. N. Emery, C. C. Chinnappa // Plant growth regul. - 2010.

- DOI: 10.1007/s10725-010-9529-y.

11. Noland, T. L. The dependence of root growth potential on light level, photosynthetic rate, and root starch content in jack pine seedlings [Text] / T. L. Noland,

G. H. Mohammed, M. Scott // New forest. - 1996.

- №13. - P. 105-119.

12. Parker, W. C. Photosynthetic acclimation of shade-grown red pine (Pinus resinosa Ait.) seedlings to a high light environment [Text] / W. C. Parker, G. Mohammed // New forest. - 2000. - №19. - P. 1-11.

13. Rivera, G. Increasing day-length induces spring flushing of tropical dry forest trees in the absence of rain / G. Rivera,

S. Elliott, L. S. Caldas, G. Nicolossi, V T. R. Coradin, R. Borchert // Trees. - 2002. - №16. - P. 445-456.

14. Tolley, L. C. Effects of CO2 enrichment and water stress on gas exchange of Liquidambar styraciflua and Pinus taeda seedlings grown under different irradiance levels [Text] / L. C. Tolley, B. R. Strain // Oecologia. - 1985. - №65. - P. 166-172.

ХРОНИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ВЫСОКИХ КОНЦЕНТРАЦИЙ

цинка на активность антиоксидантных ферментов

В СЕЯНЦАХ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ

Ю.В. ИВАНОВ, с. н. с. Учреждения Российской академии наук Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, канд. биол. наук,

Ю.В. САВОЧКИН, асп,. младший н. с. Учреждения Российской Академии наук Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН,

Вл.В. КУЗНЕЦОВ, член-корреспондент РАН, директор Учреждения Российской академии наук Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, д-р биол. наук

ivanovinfo@mail.ru; savochkinmail@mail.ru; vlkuzn@ippras.ru

Интенсивная хозяйственная деятельность человека, связанная с добычей и переработкой полезных ископаемых, производством различных групп химических соединений, сжиганием природного топлива и выбросами автотранспорта, сопровождается усилением воздействия различных негативных факторов на природные экосистемы. В последние десятилетия среди них возрастает доля участия тяжелых металлов. Они составляют особую

группу загрязнителей, так как не подвержены биодеструкции и аккумулируются в почвах в токсических для растений концентрациях [1]. В результате снижается биологическая устойчивость фитоценозов, что ведет к их деградации и неизбежному снижению продуктивности. В связи с этим изучение особенностей миграции тяжелых металлов в биосфере и их влияния на растительные сообщества является актуальной задачей.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2012

105

ЛЕСНАЯ СЕЛЕКЦИЯ, ГЕНЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИЯ

По масштабам эмиссии в окружающую среду цинк является одним из основных поллютантов. Он является эссенциальным элементом, и его токсичность (в высоких концентрациях) обусловлена высоким сродством с функциональными группами всех известных классов ферментов [10]. Сведения о действии цинка на древесно-кустарниковую растительность крайне малочисленны и представлены в основном экспериментами с лиственными видами [8, 11].

В связи с недостаточностью сведений о токсичности цинка для сеянцев сосны был испытан ряд концентраций: от 1,26 (контроль) до 1500 мкМ (1,26; 100; 250; 500; 800; 1100; 1500) ZnSO4. В экспериментах использованы семена сосны 2009 г, полученные в Брянской лесосеменной станции ФГУ Рослесозащита. После предпосевной поверхностной стерилизации семена проращивали в камере фитотрона при 12-ч световом периоде в растворах с соответствующими концентрациями ZnSO4. После развертывания семядолей сеянцы выращивали на модифицированной среде Кнопа с микроэлементами по Хогленду с аналогичным содержанием ZnSO4. Смену растворов проводили раз в 7 дней. В возрасте 6 недель (сформированы корневая система и первичная хвоя) сеянцы фиксировали жидким азотом и хранили при -70°С до определения активностей СОД, каталазы, гваяколовых пероксидаз, аскорбатпероксидазы, пролиндигидрогеназы и содержания пролина методами, описанными в наших предыдущих работах [6, 7]. Данные показатели достоверно характеризуют степень стрессового состояния различных видов растений [2, 3, 6, 7].

Токсичность цинка проявлялась в значительном ингибировании развития корневой системы при всех исследованных концентрациях. Сопоставимой редукции размеров стволиков и ассимиляционного аппарата не происходило [1]. В связи с полным ингибированием роста корня концентрациями 1100 и 1500 мкМ они были исключены из экспериментов.

Известно, что действие любого стрессора вызывает дисбаланс между образованием активных форм кислорода (АФК) и скоростью их ликвидации в сторону сверхпродукции АФК, вследствие чего развивается окислительный стресс [5]. Деактивация АФК в растениях

осуществляется антиоксидантной системой защиты, представленной широким спектром ферментов: супероксиддисмутаза (СОД), каталаза, пероксидазы, аскорбатпероксидаза и др., а также низкомолекулярными веществами [3].

Сеянцы, выращенные в условиях хронического действия цинка, характеризовались пониженной активностью СОД в корнях (г = -0,93) и хвое (г = -0,86) (рис 1, 2). Конститутивный уровень активности СОД сопоставим в обоих органах, и изменение активности носило сходный характер. Снижение активности СОД сопровождалось ожидаемым падением активности каталазы в корнях сеянцев (г = -0,94), однако в хвое наблюдалось увеличение активности (г = 0,89) (таблица). Повышенные концентрации цинка приводили к снижению активности гваяколовых перок-сидаз (свободная, ион-связанная и ковалентносвязанная) в корнях сеянцев (г = -0,95). В хвое при максимальных концентрациях (500 и 800 мкМ ZnSO4) отмечено увеличение активности гваяколовых пероксидаз (г = 0,69). При тех же концентрациях в хвое сеянцев происходило резкое (в 6,6 раз) увеличение активности аскорбатпероксидазы (г = 0,96) (таблица).

Сеянцы, выращенные при концентрациях 100 и 250 мкМ ZnSO4, характеризовались стабильным содержанием пролина в хвое. Действие более высоких концентраций (500 и 800 мкМ) цинка приводило к аккумуляции пролина в хвое в 2 и 2,7 раза соответственно (г = 0,97) (рис. 3). На фоне увеличения содержания пролина в хвое сеянцев при максимальных концентрациях цинка происходило снижение активности пролиндегидрогеназы, осуществляющей его катаболизм. Эта зависимость описывалась обратной линейной связью с коэффициентом корреляции г = -0,97 (рис. 4).

В ряде экспериментов по изучению токсического действия цинка на различные виды растений установлено, что повышение концентрации цинка в среде приводит к увеличению общей активности СОД [4, 12, 13]. В то же время при превышении концентрации 1000 мкМ цинка у растений Sedum alfredii отмечалось резкое снижение активности СОД в корнях [4].

Полученные нами данные свидетельствуют об ингибировании активности СОД

106

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2012

ЛЕСНАЯ СЕЛЕКЦИЯ, ГЕНЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИЯ

Таблица

Активность ключевых антиоксидантных ферментов в органах сеянцев сосны

Фермент ZnSO4, мкМ

1,26 100 250 500 800

Корни

Каталаза, ммоль Н202/(мг белка мин) 12,3±2,01 10,5±1,59 8,8±1,27 7,9±0,92 н/о

Активность гваяколовых ПО, ммоль гваякола/(мг белка мин) 2,43±0,532 1,98±0,185 1,83±0,604 1,46±0,255 н/о

Хвоя

Каталаза, ммоль Н202/(мг белка мин) 21,1±3,77 14,8±1,15 18,8±0,94 26,1±3,67 33,6±2,77

Активность гваяколовых ПО, ммоль гваякола/(мг белка мин) 0,20±0,048 0,18±0,016 0,17±0,028 0,23±0,034 0,22±0,047

Активность аскорбатпероксидазы, ммоль аскорбиновой кислоты/(мг белка мин) 0,22±0,019 0,26±0,026 0,27±0,023 0,78±0,017 1,42±0,071

250

ч

ю 200 -I

3 ь

8 "§ . н hfi о ft О

О S

S g

S 2

<с

ч

(D

ч

о

150

100

50 -

0

1,26

100

250 500 800

Концентрация ZnSO4, мкМ

Рис. 1. Активность супероксиддисмутазы в корнях сеянцев Pinus sylvestris L. при действии ZnSO4

9 i

8 -

I У 7

I* 6

а

е а 5

w сг J

Я н0 й о 4 Я

Я л Он ц 1) о t[ s о 2

о §

3 -2 -1 0

1,26 100 250 500

800

Концентрация ZnSO4, мкМ

Рис. 3. Содержание пролина в хвое сеянцев Pinus sylvestris L. при действии ZnSO4

250 и

1,26 100

I I I

250 500 800

Концентрация ZnSO4, мкМ

Рис. 2. Активность супероксиддисмутазы в хвое сеянцев Pinus sylvestris L. при действии ZnSO4

Концентрация ZnSO4, мкМ

Рис. 4. Активность пролиндегидрогеназы в хвое сеянцев Pinus sylvestris L. при действии ZnSO4

избыточными концентрациями цинка. Проявление данного эффекта происходит в хвое сеянцев при более низких концентрациях, чем в корнях (рис. 1, 2), и, по-видимому, связано с ингибированием Cu/Zn изоформ, вносящих наибольший вклад в общую активность СОД.

Снижение активности СОД в корнях сеянцев сосны сопровождалось падением интенсивности реакций дисмутации супероксид анион-радикала до перекиси водорода. Об этом свидетельствует снижение активностей ферментов, осуществляющих разрушение перекиси водорода: каталазы и гваяколовых

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2012

107

ЛЕСНАЯ СЕЛЕКЦИЯ, ГЕНЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИЯ

пероксидаз (таблица). Подобная динамика активности антиоксидантных ферментов характерна и для сахарного тростника [12].

Полученные нами данные свидетельствуют о существовании различий в органоспецифическом ответе сеянцев сосны на действие цинка. Это проявляется в динамике активностей ферментов, разрушающих перекись водорода. В отличие от корней, при максимальных концентрациях цинка в среде, в хвое сеянцев происходило увеличение активности каталазы, гваяколовых пероксидаз и аскорбатпероксида-зы (таблица). Сходная динамика активности аскорбатпероксидазы отмечалось в экспериментах с гидриллой мутовчатой [13] и латуком (Lactuca sativa L.) [9].

Рост активности ферментов, разрушающих перекись водорода, на фоне падения активности СОД в хвое, свидетельствует об увеличении содержания H2O2, образующейся иным путем, чем в реакции дисмутации.

О развитии при высоких концентрациях цинка сильного окислительного стресса в хвое сеянцев свидетельствует аккумуляция проли-на (рис. 3), который способен инактивировать АФК [3]. Необходимость в накоплении пролина в данных условиях подтверждается снижением активности пролиндегиродгеназы (рис. 4). Происходящее на фоне снижения активности СОД увеличение содержания пролина (г = -0,78) в хвое свидетельствует о реципрокном характере взаимодействий между ними.

Таким образом, впервые установлена высокая токсичность цинка для сеянцев сосны обыкновенной в условиях водной культуры. Показано ингибирование активности СОД высокими концентрациями цинка, развитие окислительного стресса и увеличение активности ферментов, разрушающих H2O2 в хвое сеянцев. Установлено наличие реципрокного характера отношений между активностью СОД и системами аккумуляции пролина в условиях хронического действия цинка.

Библиографический список

1. Иванов, Ю.В. Анализ ростовых процессов Pinus sylvestris L. на ранних стадиях онтогенеза в условиях хронического действия цинка / Ю.В. Иванов, Ю.В. Савочкин, С.И. Марченко и др. // Извес-

тия высших учебных заведений. Лесной журнал.

- 2011. - № 2. - С. 12-18.

2. Иванов, Ю.В. Устойчивость всходов Pinus sylvestris и Picea abies к солевому стрессу / Ю.В. Иванов, А.В. Карташов. Ю.В. Савочкин // Вестник МГУЛ

- Лесной вестник. - 2010. - №3. - С. 119-122.

3. Карташов, А.В. Роль систем антиоксидантной защиты при адаптации дикорастущих видов растений к солевому стрессу // А.В. Карташов,

Н.Л. Радюкина, Ю.В. Иванов и др. // Физиология растений. - 2008. - Т. 55. - № 4. - С. 516-522.

4. Ли, Т.К. Антиоксидантная система в корнях двух контрастных экотипов Sedum alfredii при повышенных концентрациях цинка // Т.К. Ли, Л.Л. Лу, Е. Жу и др. // Физиология растений. - 2008. - Т. 55.

- № 6. - С. 886-894.

5. Полесская, О.Г. Растительная клетка и активные формы кислорода: учеб. пособие / О.Г. Полесская; под. ред. И.П. Ермакова. - М.: КДУ, 2007. - 140 с.

6. Радюкина, Н.Л. Изучение индуцибельных и конститутивных механизмов устойчивости к солевому стрессу у гравилата городского // Н.Л. Радюкина, Ю.В. Иванов, А.В. Карташов и др. // Физиология растений. - 2007. - Т. 54. - №5. - С. 692-698.

7. Радюкина, Н.Л. Сравнительный анализ функционирования защитных систем у представителей га-лофитной и гликофитной флоры в условиях засоления / Н.Л. Радюкина, А.В. Карташов, Ю.В. Иванов и др. // Физиология растений. - 2007. - Т. 54. - №6.

- С. 902-912.

8. Durand, T.C. Zinc and cadmium effects on growth and ion distribution in Populus tremulaxPopulus alba [Text] // T.C. Durand, J.F. Hausman, S. Carpin, P. Alberic, P. Baillif, P. Label and D. Morabito // Biologia Plantarum. - 2010. - Vol. 54(1). - P. 191-194.

9. Farshian, S. Effect of arbuscular mycorrhizal (G. etunicatum) fungus on antioxidant enzymes activity under zinc toxicity in lettuce plants // S. Farshian, J. Khara, P. Malekzadeh // Pakistan Journal of Biological Sciences. - 2007. - Vol. 10(11). - P. 1865-1869.

10. Hell, R. Cell biology of metals and nutrients [Text] // R. Hell, R.-R. Mendel // Springer. - 2010. - 285 p.

11. Hermle, S. Leaf responsiveness of Populus tremula and Salix viminalis to soil contaminated with heavy metals and acidic rainwater [Text] // S. Hermle, P. Vollenweider, M.S. Gunthardt-Goerg, C. Mcquattie and R. Matyssek // Tree Physiology. - 2007. - Vol. 27. - P. 1517-1531.

12. Jain, R. Impact of excess zinc on growth parameters, cell division, nutrient accumulation, photosynthetic pigments and oxidative stress of sugarcane (Saccharum spp.) [Text] // R. Jain, S. Srivastava, S. Solomon, A.K. Shrivastava, A. Chandra // Acta Physiol. Plant. - 2010.

- Vol. 32. - P. 979-986.

13. Srivastava, S. Evaluation of zinc accumulation potential of Hydrilla verticillata // S. Srivastava, S. Misha, S. Dwivedi, R.D. Tripathi, P.K. Tandon and D.K. Gupta // Biologia Plantarum. - 2009. - Vol. 53 (4) - P. 789-792.

108

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2012