Влияние тяжелых металлов и их смесей на содержание белков и фотосинтетических пигментов в побегах кресс-салата (lepidium sativum)

УДК 57.042:57.044: 574.24

ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ИХ СМЕСЕЙ НА СОДЕРЖАНИЕ БЕЛКОВ И ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ПИГМЕНТОВ В ПОБЕГАХ КРЕСС-САЛАТА (LEPIDIUM SATIVUM)1

© 2006 А.В. Удиванкин2

В экспериментах на однолетнем растении кресс-салате (Lepidium sativum), выращенном на гидропонике, изучалось влияние ионов Cd, Al, Pb и их смесей на содержание цитозольных и мембраносвязанных белков в побегах растения. Предположены возможные механизмы реакций объекта, вызывающих изменения в содержании исследованных показателей.

Введение

Среди неорганических загрязнителей одними из наиболее токсичных являются тяжелые металлы. Это объясняется их сродством с физиологически важными органическими соединениями, с возможностью их инактивировать, а также способностью к медленному накоплению в организме, вызывая как ярко выраженные специфические, так и хронические неспецифические реакции.

К таким реакциям относятся образование комплексов «белок - металл», «пигмент - металл», нарушение процессов образования и транспорта белков и пигментов и другие реакции, показателями которых могут являться изменения в содержании различных групп белков и пигментов в растении. Исследования роли металлов в жизнедеятельности растений имеют продолжительную историю. Несмотря на постоянное внимание ученых, уделяемое разным аспектам этой проблемы, до сих пор остаются нераскрытыми многие аспекты действия тяжелых металлов. В данной работе мы ставили целью определить влияние тяжелых металлов на содержание мембраносвязанных и цитозольных белков, фотосинте-тических пигментов, а также дать оценку совместному действию смеси металлов на выбранные показатели.

1 Представлена доктором биологических наук профессором В.Г. Подковкиным.

2 Удиванкин Алексей Валерьевич (udivankin@gmail.com), кафедра биологии Самарского муниципального университета Наяновой, 443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 196.

Методика исследования

Объектом исследования служил кресс-салат (клоповник посевной - lepidium sativum L.). Выбор кресс-салата в качестве объекта объясняется быстрым ростом его побегов, высокой всхожестью семян и достаточно высокой чувствительностью к разного рода токсикантам.

Растения выращивались в люменостате с поддержанием постоянной температуры и длительности светового дня. Растения разных групп (численностью 4080 растений каждая) выращивались на гидропонике с добавлением солей металлов или их смесей в концентрациях, эквивалентных 50 ПДК (установленных для вод природных водоемов). Длительность эксперимента составила 15 дней. По окончании эксперимента растения были отобраны для дальнейшего анализа.

Концентрацию белка определяли по методу Брэдфорда [1]. Экстракцию мембраносвязаных белков производили с использованием детергента Тритон Х-100 с разделением центрифугированием при 10000g.

Экстракцию фотосинтетических пигментов проводили общепринятым методом с использованием охлажденного 80% ацетона, определение концентрации проводили фотометрическим методом на калориметре КФК-3 [6].

Результаты исследования

В результате проведенных нами исследований было установлено, что тяжелые металлы, алюминий и их смеси оказывают влияние на содержание цитозольных белков в побегах растения (см. таблицу).

Таблица

Содержание в побегах растений исследуемых групп, мг/г

Металл Цитозольные белки Мембраносвязанные белки Каротиноиды

Cd 2,16±0,13 0,47±0,05 0,28±0,03

Pb 2,07±0,11 0,39±0,06 0,23±0,03

Al 0,73±0,08 0,38±0,04 0,12±0,03

Cd+Al 0,86±0,06 0,46±0,06 0,17±0,03

Pb+Al 1,02±0,09 0,42±0,11 0,18±0,03

K 1,77±0,10 0,33±0,06 0,16±0,02

Как видно из приведенных данных, у растений, выращиваемых в среде, содержащей алюминий, содержание водорастворимых белков ниже на 57% по сравнению с контрольной группой. У растений, выращенных в среде, содержащей смеси ионов Al+Cd и А1+РЬ, также наблюдается снижение содержания водорастворимых белков на 51 и 45 % соответственно. Содержание цитозольных белков в растениях, произраставших в среде, содержащей ионы Cd и РЬ, было выше относительно контроля на 22 и 17 % соответственно.

Увеличение содержания водорастворимых белков у растений, подвергшихся воздействию Cd и РЬ, вероятнее всего, связано с тем, что металлотионеины

(белки, синтез которых индуцируется при попадании металлов в клетку [3,6,7]) связывают ионы кадмия, тем самым уменьшая его токсичность. Алюминий, по всей видимости, не индуцирует синтез металлотионеинов, что подтверждается литературными источниками [8], однако все же обладает токсическим эффектом, снижая содержание цитозольных белков на 62%. Пониженное содержание белков при действии смеси тяжелых металлов с алюминием можно объяснить сочетанным действием факторов - мишенями в данных случаях являются различные процессы ввиду разной биологической роли данных металлов.

У растений, выращенных в среде с Cd и РЬ, уровень мембраносвязанных белков выше относительно контрольных растений на 37 и 26 % соответственно, в то время как алюминий не оказал достоверного воздействия на данный показатель. У растений, выращенных в среде, содержащей смеси A1+Cd и А1+РЬ, также наблюдается повышение содержания цитозольных белков на 36 и 30 % соответственно. Такие результаты также объясняются в различной природе действия данных металлов, при этом в данном случае первичную роль играют именно Cd и РЬ.

Достоверных отличий в содержании хлорофиллов группы а и Ь в растениях опытных групп от контроля выявлено не было.

В таблице также представлены результаты анализа содержания каротинои-дов в растениях исследуемых групп.

Было выявлено влияние ионов кадмия и свинца на содержание каротинои-дов: растения группы Cd и РЬ отличаются от контроля повышенным содержанием каротиноидов на 70 и 43 % соответственно. Повышение содержания кароти-ноидов возможно объяснить ответной реакцией растения с целью детоксикации ионов металлов: известно, что некоторые каротиноиды выполняют различного рода защитные функции [2].

Выводы

Содержание цитозольных и мембраносвязанных белков в побеге выбранного объекта подвержено действию тяжелых металлов и алюминия в невысоких кон-цинтрациях и длительной экспозиции. При этом действие алюминия носит иной характер, нежели чем кадмия и свинца.

Смеси кадмия и свинца с алюминием обладают действием как одного, так и другого агента; сколько-нибудь значимого синергического или антагонистического эффекта совместного действия данных факторов не выявлено.

Помимо основной цели данной работы нам представлялось интересным соотнести чувствительность содержания белков и фотосинтетических пигментов как показателей токсического действия металлов. Выявлена большая подверженность действию тяжелых металлов исследованных белковых показателей, нежели чем пигментов (хлорофиллы а и Ь); содержание каротиноидов также в высокой степени подвержено действию тяжелых металлов.

Литература

[1] Bredford, M. M., Rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantity of protein utilizing the principle of protein dye binding / M.M. Bredford // Ann. Biochem. - 1976. №72. - С. 248-254.

[2] Бриттон, Г.Биохимия природных пигментов. / Г. Бриттон; Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 422 с., ил.

[3] Гавриленко, Е.Е. Накопление и взаимодействие ионов меди, цинка, марганца, кадмия, никеля и свинца при их поглощении водными макрофитами / Е.Е. Гавриленко, Е.Ю. Золотухина // Гидробиологический журнал. 1989. -Т 25. - №5. - С. 54-62.

[4] Демидчик, В.В. Поступление меди в растения и распределение в клетках, тканях и органах / В.В. Демидчик, А.И.Соколик, В.М. Юрин // Успехи современной биологии. 2001. - Т. 121. - С. 190-197.

[5] Северина, С.Е. Практикум по биохимии: учеб. Пособие / С.Е. Северина,

Г.А. Соловьевой. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - С. 82.

[6] Лебедева, А.Ф. Устойчивость цианобактерий и микроводорослей к действию тяжелых металлов: роль металлсвязывающих белков / А.Ф. Лебедева

[и др.] // Вестн. МГУ, 1998. Биология. - №2. - Сер. 16. - С. 42-49.

[7] Феник, С.И. Механизмы формирования устойчивости растений к тяжелым металлам / С.И. Феник, Т.Б. Трофимяк, Я.Б. Блюм // Усп. совр. биол. -1995. - Т. 115. - Вып. 3. - С. 261-275.

[8] Cobbett, C.S. Phytochelatins and their roles in heavy metal detoxification /

C.S. Cobbett // Plant physiol., 2000. - V. 123. - P. 825-832.

Поступила в редакцию 25/IX/2006; Paper received 25/IX/2006.

в окончательном варианте - 4/X/2006. Paper accepted 4/X/2006.

EFFECT OF SOME HEAVY METAL SALTS AND THEIR MIXES ON CONCENTRATION OF PROTEINS AND PHOTOSYNTHETIC PIGMENTS IN LEPIDIUMSATIVUML. SPROUTS3

© 2006 A.V. Udivankin4

Effect of Cd, Al and Pb salts and their mixes on concentrations of proteins and photosynthetic pigments in Lepidium Sativum sprouts grown on hydroponics is studied.

3 Communicated by Dr. Sci. (Biology) Prof. V.G. Podkovkin.

4 Udivankin Aleksej Valerjevich (udivankin@gmail.com), Dept. of Biology, Najanova University, 443001, Samara, Russia.