Содержание различных форм фосфора у галофитов с различными механизмами регуляции солевого обмена

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2007 Биология Вып. 5

УДК 581.1:632.1

СОДЕРЖАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ ФОСФОРА У ГАЛОФИТОВ С РАЗЛИЧНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ РЕГУЛЯЦИИ СОЛЕВОГО ОБМЕНА

М. Г. Кусакина, Н. В. Орлова, Т. В. Ошева

Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15

Установлено, что галофиты, имеющие разные механизмы адаптации к засолению почвы, характеризуются более существенными различиями в содержании кислоторастворимых органических фосфатов по сравнению с фосфолипидами и фосфопротеинами.

Необходимым условием сохранения и рационального использования растительных ресурсов является всестороннее изучение флоры и растительности определенных регионов, поэтому исследования, посвященные изучению особенностей развития растений на засоленных почвах, являются актуальными.

Эколого-физиологическими исследованиями можно выявить солеустойчивые формы с широким диапазоном галотолерантности. Мировой генофонд галофитов насчитывает 2500 видов (Aronson, 1989). В пределах Центральной Азии имеется 700 видов галофитов и в Российской Федерации - 512 видов (Шамсутдинов, Савченко, Шамсутдинов, 2000).

Галофиты неоднородны по своим экологическим, физиолого-биохимическим свойствам и хозяйственно-полезным характеристикам. Они отличаются по степени солеустойчивости, по-разному реагируют на механический состав и степень увлажнения почвы. Как кормовые растения они различаются по продуктивности, питательной ценности. Растительные ресурсы галофитов природной флоры используются для освоения в культуре для получения лекарственного и масличного сырья, а также в качестве растений-биомелиораторов (Шамсутдинов, Савченко, Шамсутдинов, 2000).

По данным Института мировых ресурсов (США), более 200 млн. га земель в мире орошается, из них 25-40% подвержены засолению. В связи с этим необходима разработка новых стратегий по использованию засоленных почв на локальном и глобальном уровнях. Как отмечает J. Aronson (1989), именно га-лофиты являются тем ресурсом, с помощью которого можно решить данную проблему.

Способность галофитов к формированию относительно высокорослых, разветвленных надземных органов обеспечивает испарение большого количества воды, снижение уровня грунтовых вод, уменьшение концентрации солей в верхних горизонтах почвы. Это способствует восстановлению

засоленных земель, созданию на их месте высокопродуктивных фитоценозов (Шамсутдинов, Бу-равцев, 2004).

В устойчивости растений к засолению большое значение принадлежит фосфорным соединениям, которые играют важную роль в энергетике клетки и регуляции метаболических процессов.

Цель нашей работы - изучение особенностей фракционного состава фосфорных соединений у галофитов с разными механизмами приспособления к действию засоляющих ионов.

Объекты и методы исследования

В качестве объектов исследования были выбраны растения естественных экосистем, произрастающие на засоленных почвах в Троицком учлес-хозе Челябинской области и отличающиеся по механизмам регуляции солевого обмена: соленакапливающий галофит Suaeda prostrata Pall - све-да распростертая, соленепроницаемый галофит Artemisia rubestris L. - полынь скальная и солевыделяющий галофит Limonium caspium (Willd.) Gams - кермек каспийский.

Растения были взяты в фазу вегетации и фазу цветения. Органы растений фиксировали в сушильном шкафу при t = 105°С в течение 30 мин, а затем досушивали до воздушно-сухого состояния в термостате при t = 60°С.

Фракционирование фосфорных соединений проводили по методу Ogur, Rosen (Ермаков и др., 1987). Кислоторастворимую фракцию фосфорных соединений извлекали 10% трихлоруксусной кислотой, ли-поидный фосфор - путем его экстрагирования из навески смесью спирта и эфира (3:1) и смесью спирта и хлороформа (1:1), нуклеиновый фосфор извлекали 1н. раствором хлорной кислоты, а фосфопро-теины - 2н. раствором едкого натра. Количество фосфора различных фракций определяли по интенсивности окрашивания с помощью ФЭКа. Повтор-

© М.Г. Кусакина, Н.В. Орлова, Т.В. Ошева, 2007

35

3б

М. Г. Кусакина, Н. В. Орлова, Т. В. Ошева

ность опытов трехкратная. Статистическую обработку данных проводили по Б.А. Доспехову (1985).

Результаты и обсуждение

Фосфор является вторым важным для питания растений элементом после азота. Фосфаты играют ключевую роль: они служат структурными элементами фитина, фосфолипидов, нуклеиновых кислот. Для фосфора характерна способность к образованию самых разнообразных типов связей с малым и большим энергетическим потенциалом и внутренняя нестабильность связей, облегчающая обмен. Свободные ионы фосфора участвуют в общей регулирующей деятельности ионов.

Результаты проведенных нами опытов по фракционированию фосфорных соединений показали, что представители различных по регуляции солевого обмена групп галофитов в большей степени отличаются содержанием кислоторастворимого органического фосфора. В эту фракцию входят АТФ, АДФ, фосфопировиноградная кислота, фосфорные эфиры сахаров и другие соединения, принимающие участие в энергетическом обмене

растений, синтезе углеводов и других биохимических процессах.

Процессы фосфорилирования занимают особое место в жизнедеятельности растений в условиях засоления. Благодаря реакциям фосфорилирова-ния, ведущим к возникновению богатых энергией связей, оказывается возможным использование для работы клеток энергии, освобождающейся при дыхании или поглощаемой при фотосинтезе (Кузнецов, Рощупкин, 1994).

Как показали наши исследования, более высоким уровнем кислоторастворимых фосфатов в надземных органах характеризовался соленепроницаемый галофит полынь скальная. Наличие таких фосфатов способствует улучшению энергообеспеченности данного вида, что имеет важное адаптивное значение в условиях засоления. Так же, как гликофиты, представители этой группы галофитов стремятся снизить накопление засоляющих ионов. Корни у них выполняют барьерную функцию, обеспечивая относительно постоянное содержание ионов натрия в листьях при возрастании уровня внешнего засоления (таблица).

Содержание различных форм фосфорных соединений в надземных органах растений

Фаза развития растений Сведа распростертая Полынь скальная Кермек каспийский

Кислоторастворимый органический фосфор

Вегетация 64G3.3 + 131.5 7441.7 + 246.G 6765.G + 92.4

Цветение 368G.G + 13G.G 6G73.3 + 182.1 5857.3 + 124.б

Липоидный фосфор

Вегетация 723.3 + 11.7 873.3 + 1G.2 672.G + 3G.4

Цветение 585.G + 23.7 313.G + 17.б 215.1+ 5.G

Нуклеиновый фосфор

Вегетация 1б42.1 + 29.2 1283.G + 39.4 1179.2 + 25.2

Цветение 1471.2 + 39.1 5G4.2 + 11.G 433.3 + 14.9

Фосфопротеиновый фосфор

Вегетация 18б3.1 + б1.7 21б3.2 + 4G.2 1858.3 + 98.б

Цветение 135б.3 + 31.3 12G4.2 + б1.5 1154.2 + 25.1

Из исследуемых видов меньшее содержание фосфора этой фракции в надземных органах имеет соленакапливающий галофит сведа распростертая. Представители этой группы, растущие на почвах с высоким содержанием солей, обладают специфическими особенностями, позволяющими им выживать в условиях засоления. К таким особенностям относится прежде всего способность аккумулировать высокие концентрации ионов в вакуолях клеток надземных органов, благодаря чему поддерживается высокое осмотическое давление вакуо-лярного сока и обеспечивается поступление воды в растение, затрудненное при засолении почв (Flow-еге, Тгоке, Yeo, 1977).

Транспорт и концентрирование ионов в вакуолях осуществляется, по-видимому, по апопласту при участии пиноцитозных инвагинаций и мультивези-кулярных тел, минуя цитоплазму (Куркова, Бално-кин, 1994). Аккумуляция избытка засоляющих ионов

в центральной вакуоли, а также в мелких цитоплазматических вакуолях, как отмечают Е.Б. Куркова, Л.Г. Калинкина, О.К. Бабурина (1992), предотвращает неблагоприятное действие высоких концентраций солей на ферментные системы цитоплазмы и орга-нелл галофитов.

Изучение динамики кислоторастворимых органических фосфатов показало, что большее содержание фосфора этой фракции у всех исследуемых видов наблюдалось в фазу вегетации, чем в фазу цветения. Обеспечение растений энергетически богатыми фосфорными соединениями на ранних этапах развития является необходимым условием их дальнейшего нормального развития и высокой продуктивности. Уменьшение фосфорных соединений у растений в фазу цветения может быть следствием их усиленного потребления.

Фосфор как неотъемлемый компонент входит в состав таких соединений, как фосфолипиды. Как

Содержание различных форм фосфора у галофитов с различными механизмами... 37

показали наши опыты, у исследуемых галофитов содержание фосфолипидов в фазу вегетации было выше, чем в фазу цветения. Большим уровнем фосфолипидов характеризовалась полынь скальная. Меньшее содержание липоидного фосфора обнаружено у солевыделяющего галофита кермека каспийского.

Как отмечают Ю.В. Балнокин и Б.П. Строгонов (1985), снижение фосфолипидов при высоких концентрациях солей влияет на проницаемость клеточных мембран.

Фосфаты являются составной частью не только низко-, но и высокомолекулярных соединений, таких как нуклеиновые кислоты и белки.

В литературе имеются противоречивые данные о влиянии засоляющих ионов на содержание нуклеиновых кислот. Так, Г.В. Удовенко и Л.А. Чудинова (1986) отмечают, что у гликофитов в условиях засоления содержание одного из важнейших фос-форорганических соединений - ДНК изменяется в меньшей степени, чем РНК, однако функциональная активность ДНК снижается. В опытах И.Н. Са-гдуллаева (1985) установлено увеличение количества нуклеиновых кислот при засолении субстрата.

Наши исследования показали, что большее содержание фосфора этой фракции у соленакапливающего галофита сведы. У кермека и полыни при переходе к цветению количество нуклеинового фосфора значительно снизилось.

Не установлено различий в содержании фос-фопротеинов у сведы и кермека. Более высокий уровень фосфора этой фракции отмечен у соленепроницаемого галофита полыни скальной.

При формировании общих систем устойчивости клеток к засолению и высокой температуре важным является процесс фосфорилирования белков, выполняющий регуляторную роль в ответ на стрессовые воздействия (Krishan, Риеррке, 1987; Ras, Fluhr, 1993).

Полученные нами данные свидетельствуют о том, что накопление различных форм фосфатов является одной из защитно-приспособительных реакций растений, которые, наряду с другими фи-зиолого-биохимическими особенностями, обеспечивают устойчивость представителей различных экологических групп к засолению среды.

Список литературы

Балнокин Ю.В. и др. Структурно-функциональное состояние тилакоидов у галофита Suaeda аШ&-&чта в норме и при нарушении водно-солевого

режима под действием экстремально высоких концентраций NaCl // Физиол. растений. 2004. Т. 51, № 6. С. 905-912.

Балнокин Ю.В., Строгонов Б.П. Солевой обмен и проблема солеустойчивости растений // Новые направления в физиологии растений. М.: Наука, 1985. С. 199-213.

Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М.: Аг-ропромиздат, 1985. 351 с.

Ермаков А.И. и др. Методы биохимического исследования растений. Л.: Агрохимиздат, 1987. 315 с.

Кузнецов В.В., Рощупкин Б.В. Стрессорный ответ клеток Nicotianci sylvestris L. на засоление и высокую температуру // Физиол. растений. 1994. Т. 41, № 4. С. 566-572.

Куркова Е.Б., Балнокин Ю.В. Пиноцитоз и его возможная роль в транспорте ионов в клетках соленакапливающих органов галофитов // Физи-ол. растений. 1994. Т. 41, № 4. С. 578-582.

Куркова Е.Б., Калинкина Л.Г., Бабурина О. К. Ответные реакции Seidlitzia rosmarinus на солевой стресс // Изв. АН. Сер. биол. 2002. № 3. С. 277-285.

Сагдуллаев И.Н. Влияние засоления на содержание фосфорных соединений в листьях хлопчатника // Влияние внешних факторов на физиологобиохимические показатели хлопчатника. Ташкент, 1985. С. 49-51.

Удовенко Г.В., Чудинова Л.А. Влияние засоления среды на изменение активности РНК-азы и ДНК-азы у растений разного уровня соле-устойчивости // Физиол. растений. 1986. Т. 33, № 5. С. 1166-1172.

Шамсутдинов Н.З., Буравцев Н.В. Биотическая мелиорация засоленных земель с использованием экологически специализированных видов растений. // Сохраним планету Земля: Доклады меж-дунар. эколог. форума. СПб., 2004. С. 309-312.

Шамсутдинов З.Ш., Савченко И.В., Шамсутдинов Н.З. Галофиты России, их экологическая оценка и использование. М.: Эдель-М, 2000. 399 с.

Aronson J. Haloph. A date base of salt tolerant plants of the World // Office of arid studies the university of Arisona Tucson, 1989. 77 p.

Flowers T.J., Troke P.F., Yeo A.R. The mechanism of salt tolerance in halophytes // Ann. Rev. plant physiol. 1977. Vol. 28. P. 89-121.

Krishan H.B., Pueppke S.G. Heat shock triggers rapid protein phosphorilation in soybean seedling // Bio-chim. and biophys. research. commun. 1987. Vol. 148, № 2. P. 762.

Ras V., Fluhr R. Ethylene signal in transduced via protein phosphorylation events in plants // Plant cell. 1993. Vol. 5, № 5. P. 523.

Поступила в редакцию 21.03.2006

The content of different forms of phosphorus in halophytes wich different mexanisms of regulation of salting metabolism

M.G. Kusakina, N.V. Orlova, T.V. Osheva

It was established, that halophytes which different mechanisms of adaptation to salinity, are characterized by more significant deviations in content acid-soluble organic phosphorus which phospholipides and phosphoprote-ins.