Влияние техногенного засоления на фракционный состав фосфорных соединений растений

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2005 Биология Вып. 6

УДК 581.1:632.1

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОГО ЗАСОЛЕНИЯ НА ФРАКЦИОННЫЙ СОСТАВ ФОСФОРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ РАСТЕНИЙ

М. Г. Кусакина, О. 3. Еремченко, Н. В. Орлова, Д. В. Коновалов

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

Представлены результаты исследований фракционного состава фосфорных соединений у растений, произрастающих в условиях антропогенного засоления. Установлены более существенные отличия в содержании фосфора кислоторастворимой фракции, по сравнению с нуклеиновой и фосфопротеиновой, у растений с различными механизмами адаптации к засолению.

Техногенное загрязнение окружающей среды является одной из важных экологических проблем. Существенным источником загрязняющих веществ является добывающая промышленность. При разработке месторождений техногенной трансформации, в том числе засолению, подвергаются значительные территории.

Вещества, загрязняющие окружающую среду, не только оказывают на растения отрицательное воздействие, но и снижают пределы их толерантности, т.е. уменьшают устойчивость к естественным факторам среды, таким как влажность, температура и др.

На Верхнекамском месторождении солей производится добыча минерального сырья. Галитовые отходы производства солей, состоящие в основном из хлорида натрия, загрязняют все компоненты ландшафта. Экологические условия территории около солеотвалов г. Соликамска формируются в результате действия комплекса природных и техногенных факторов. При этом происходят изменения почвенного покрова и растительного мира. Почвенные параметры, связанные с засолением, осолонцеванием и ощелачиванием, определяют жизнеспособность растений, являются факторами отбора (Еремченко и др., 2003а).

В районе, находящемся под техногенным прессингом, к условиям засоления приспособились преимущественно синантропные представители местной флоры. Некоторые из них обладают эффективными механизмами устойчивости, так как встречаются также в солонцовых и солончаковых экосистемах лесостепного Зауралья - СИепоросИит glaucum, РтитеИа с1Ыат и др. (Еремченко и др., 20036).

В урбанизированных экосистемах растения активно участвуют в процессах самоочищения раз-

личных компонентов окружающей среды (Голоф-теева и др., 2004).

В адаптации растений к техногенному засолению важную роль играют фосфорные соединения, которые выполняют структурные и метаболические функции, а также поддерживают энергетику клеток. Уровень содержания фосфатов является одним из показателей физиологического состояния растений. Метаболизм фосфора в значительной степени определяет возможность выживания растений в неблагоприятных условиях среды.

Целью нашей работы явилось изучение влияния техногенного засоления на содержание различных фракций фосфорных соединений у растений, отличающихся механизмами приспособления к засолению.

Методы исследований

Объектами исследований являлись растения, принадлежащие к различным экологическим группам: соленакапливающий галофит марь сизая (Che-nopodium glaucum), соленепроницаемый галофит бескильница расставленная (Puccinella distans), гли-когалофит горец птичий (Polygonum aviculare) и гликофиты мать-и-мачеха (Tussilago farfara) и клоповник широколистный (Lepidium latifolium). Они произрастают в таежно-лесной зоне Прикамья у солеотвалов Верхнекамского месторождения солей.

Марь сизая и бескильница расставленная встречаются на техногенных поверхностных образованиях с высоким уровнем засоления (0.7-1.0%), клоповник широколистный - при среднем уровне засоления (0.4-0.7%), горец птичий и мать-и-мачеха -при слабом (0.2-0.4%) и среднем уровнях засоления. Пробы для анализов брали в 2003 г.

Фракционирование фосфорных соединений осуществляли последовательной экстракцией ки-

© М. Г. Кусакина, О. 3. Еремченко, Н. В. Орлова, Д. В. Коновалов, 2005

155

слоторастворимого, липоидного, нуклеинового и протеинового фосфора (Ермаков и др., 1987). Среди кислоторастворимых фосфатов выделяли органические и неорганические формы (Ogur, Rosen, 1956). Опытные данные обрабатывали статистически (Доспехов, 1985).

Результаты и обсуждение

Засоление почвы приводит к существенным изменениям биохимических процессов у растений. Основные нарушения в метаболизме растений в присутствии высоких концентраций солей происходят в местах сопряжения азотного, фосфорного и нуклеинового обменов.

Определение фракционного состава фосфорных соединений показало, что среди растений, произрастающих около солеотвала, более высоким уровнем кислоторастворимого органического фосфора отличался соленакапливающий галофит марь сизая. Представители этой группы галофитов, растущие на почвах с высоким содержанием солей, обладают специфическими физиолого-биохимическими 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 вакуолярного сока и обеспечивается поступление воды в растение, затрудненное при засолении почвы. Осмотическое давление в цитоплазме при этом поддерживается за счет низкомолекулярных органических соединений (бетаины, пролин, сахароза и др.), которые могут выполнять также и протекторную функцию (Балнокин и др., 2004; Куркова и др., 2002).

Достаточно высокий уровень фосфора этой фракции отмечен также у гликофита мать-и-мачеха и гликогалофита горец птичьий, произрастающих в условиях слабого и сильного засоления. Большее количество фосфора данной фракции свидетельствует о протекании у растений защитных реакций, связанных с повышенной затратой энергии (Danser et al., 1990). Как отмечает Н.Е. Уманов (2004), накопление органических соединений - это одна из адаптивных реакций растений на новые условия существования и уровень содержания данных соединений является показателем ее успешности. Меньшее количество кислоторастворимых фосфатов было отмечено у соленепроницаемого галофита бес-кильницы расставленной (рис. 1).

В состав кислоторастворимой фракции кроме органического входит неорганический фосфор. Главный биохимический путь включения фосфата в органические соединения идет через АТФ. Неорганический фосфат включается в реакции углеводного обмена и биосинтеза фосфолипидов (Li et al., 1989).

Как показали результаты наших опытов, большим содержанием неорганических фосфатов отли-

чались горец птичий и марь сизая, меньшим - бес-кильница расставленная и клоповник широколистный. Мать-и-мачеха занимала по величине данного показателя среднее положение среди изученных видов (рис. 2).

« 12000 сс о

* 9000

с-

X 6000 и

£ 3000

Рис. 1. Содержание кислоторастворимого органического

фосфора в листьях растений

1600

о

g 1200

o' й

- и 800

t , n

§ 400

>-

о

В горец птичий

марь сизая

мать-и-мачеха

O клоповник широколистный

Нбескильница расставленная

Рис. 2. Содержание неорганического фосфора в листьях растений

Представляло интерес определение величины отношения органического фосфора к неорганическому. Данная величина является показателем интенсивности включения минерального фосфора во фракцию кислоторастворимых органических соединений. Как показали расчеты, более высокое отношение было отмечено у клоповника широколистного, чаще встречающегося при среднем уровне засоления почв.

Как отмечает Н.И. Шевякова и др. (1998), у растений, адаптированных к солевому стрессу, мембранная система митохондрий и система генерации энергии отличаются высокой резистентостью.

Меньшей величиной данного показателя отличался гликогалофит горец птичий, что, вероятно, обусловлено его видовой специфичностью. Остальные виды по величине отношения органического фосфора к неорганическому существенно не отличались.

В форме стабильного диэфира фосфат входит составной частью в нуклеиновые кислоты и фосфолипиды. В составе этих соединений фосфор выпол-

Ш горец ГТТУНИЙ

марь сизая

мать-и-мачеха

0 клоповник широколистный В бескильница расставленная

Влияние техногенного засоления на фракционный состав

157

няет структурную функцию.

Фосфолипиды являются необходимой составной частью клеток. Они играют важную роль в регулировании проницаемости клеточных мембран для определенных веществ, вступая в комплексы с белками мембран, изменяя их конформацию и таким образом изменяя их активность (Балнокин, Строго-нов, 1985).

Как показали наши исследования, большее содержание фосфолипидов в условиях техногенного засоления характерно для гликогалофита горца птичьего и соленакапливающего галофита мари сизой. Изменение содержания фосфолипидов под влиянием засоления, по-видимому, находится в довольно тесной связи с изменением физикохимических свойств протоплазмы. Вероятно, при воздействии засоления изменяется синтез жиров и жироподобных веществ, которые участвуют в регулировании проницаемости мембран.

з 4000 £ 3000 1 2000

&

£ 1000 1 0

нуклеиновый фосфор протеиновый фосфор

В горец птичий

марь сизая

мать-и-иачеха

Шклоповник широколистный

Ебескильница расставленная

Рис. 3. Содержание нуклеинового и протеинового фосфора

Фосфор входит в состав не только низко-, но и высокомолекулярных соединений, таких как нуклеиновые кислоты и белки. В состав нуклеиновой фракции входит фосфор нуклеиновых кислот - ДНК и РНК. С участием нуклеиновых кислот происходит образование белков, являющихся основой всех жизненных процессов. Нуклеиновые кислоты играют значительную роль в процессах роста, дифференциации и деления клеток, в энергетических процессах и явлениях морфогенеза. При засолении снижается главным образом количество РНК, синтез ДНК угнетается меньше.

Большее количество фосфора данной фракции в условиях техногенного засоления отмечено у гликофита горец птичий. Марь сизая и мать-и-мачеха, имеющие разные механизмы приспособления к засолению, несущественно различались по величине данного показателя (рис. 3).

Еще одной уникальной функцией фосфора является его участие в фосфорилировании клеточных белков с помощью протеинкиназ. Этот механизм контролирует многие процессы метаболизма. Процессы фосфорилирования и дефосфорилирования

Уко

белковых молекул являются важным способом регуляции их активности. Фосфорилирование белков регулирует активность многих молекул, синтез РНК и белка. Это быстрый способ регуляции метаболической активности на уровне клеток и тканей (Алехина и др., 2005).

Как показали результаты наших опытов, большее количество фосфопротеинов отмечено у соленакапливающего галофита - мари сизой, меньшее -у клоповника широколистного. Различий в содержании фосфопротеинов у горца птичьего и мать-и-мачехи не установлено.

На основании проведенных экспериментов можно заключить, что растения, произрастающие на субстратах разного уровня засоления, в большей степени отличались по содержанию кислоторастворимых органических фосфорных соединений. Менее существенные отличия были обнаружены в количестве фосфора, входящего в состав таких высокомолекулярных соединений, как нуклеиновые кислоты и белки. Выявленные различия можно объяснить как видовой специфичностью, так и наличием механизмов приспособления растений разных экологических групп к почвенному засолению.

Библиографический список

Алехина Н.Д. и др. Физиология растений. М.: Академия, 2005. 640 с.

Балнокин Ю.В. и др. Структурно-функциональное состояние тилакоидов у галофита 8иае(1а а1Ш-ята в норме и при изменении водно-солевого режима под действием экстремально высоких концентраций 1ЧаС1 // 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., 1985. С. 199-213.

Голофтеева А.С., Лыков И.Н., Шестаков Г.А. Экологическое значение растений в урбанизированной экосистеме // Биология XXI века. Пущино, 2004. С. 195.

Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М.: Агро-промиздат, 1985. 351 с.

Еремченко О.З. и др. Техногенный галогенез в ландшафтах таежно-лесной зоны Предуралья // География и регион. Биогеография и биоразнообразие Прикамья: Материалы конф. Пермь, 2003а. С. 76-80.

Еремченко О.З., Орлова Н.В., Лымарь О.А. Интенсивность накопления солей у растений в природных и техногенных ландшафтах // Физиология растений и экология на рубеже веков: Материалы конф. Ярославль, 20036. С. 90-92.

Ермаков А.И. и др. Методы биохимического исследования растений. Л.: Агропромиздат, 1987.315 с. Куркова Е.Б., Калинкина Л.Г., Бабурина О.К. Ответные реакции БеШЫа го.чтагтиз на солевой

стресс // Известия АН. Сер. биол. 2002. № 3. С. 277-285.

Уманов Н.Е. О механизмах, влияющих на процесс адаптации ценопопуляций в условиях техногенного стресса // Биология XXI века. Пущино, 2004. С. 231.

Шевякова Н.И., Парамонова Н.В., Кузнецов В. В. Аккумуляция пролина в солеустойчивых клетках табака в связи с изменениями структуры митохондрий // Физиол. растений. 1998. Т. 45, № 6. С. 850-858.

Darner J., Veith R., Feil R. Independent changes of inorganic pyrophosphate and the ATP / ADP or UTP / UDP ration in plant cell dispersion cultured // Plant science. 1990. V. 66, № 1. P. 59.

Li Xao Ni, Ashihara H. Effect of inorganic phosphate on the utilization cultured Cathazantus rafens cells // Ann. Bot. 1989. V. 64, № 2. P. 33.

Ogur M„ Rosen C. The nucleic acid of plant tissues. I. Extraction and extimation of desoxypentose nucleic acid and pentose nucleic acid // Archives of Biochemistry. 1950. №25. P. 17-19.

Поступила в редакцию 27.09.2005

Influence of a technogenic salification on fractional structure of phosphoric bonds of plants

M.G. Kusakina, O.Z. Eremchenko, N.V. Orlova, D.V. Konovalov

Results of researches of fractional structure of phosphoric bonds at the plants growing in conditions of an anthropogenic salification are presented. More essential differences in the contents of phosphorus of solvable fraction in an acid in comparison with nucleic and phosphoprotein at plants with various mechanisms of acclimatization to a salification are established.