Влияние цитокининов на устойчивость тополя бальзамического (populus balsamifera L. ) к токсическому действию ионов свинца (вегетационный эксперимент)

ВЛИЯНИЕ ЦИТОКИНИНОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ТОПОЛЯ БАЛЬЗАМИЧЕСКОГО

Т.Н. АРХИПОВА, научн. сотр. лаборатории физиологии растений Института биологии Уфимского научного центра РАН, канд. биол. наук,

А. А. КУЛАГИН, научн. сотр. лаборатории лесоведения Института биологии Уфимского научного центра РАН, канд. биол. наук

Одним из факторов проявления техногенного загрязнения окружающей среды является увеличение концентрации тяжелых металлов в воздухе и почве. Источниками загрязнения являются удобрения, выхлопные газы автомобилей, выбросы промышленных предприятий и т.д. Особую проблему представляет рекультивация земель после

завершения добычи руд, содержащих тяжелые металлы. Важным способом уменьшения уровня содержания тяжелых токсичных металлов в почве является их поглощение и накопление древесными растениями. Благодаря способности растений связывать тяжелые металлы с помощью различных органических веществ: фитохелатинов, металло-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2005

43

тионеинов, органических кислот, полиаминов и т.д. [12, 13, 17] - они способны накапливать значительные количества тяжелых металлов в своих тканях. Таким образом, лесополосы санитарно-защитного значения вдоль дорог уменьшают опасность загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, содержащимися в выхлопных газах, а посадки лесных насаждений на заброшенных рудниках позволяют уменьшить уровень загрязнения прилегающих ландшафтов тяжелыми металлами. Вместе с тем, несмотря на способность растений связывать ионы тяжелых металлов, растения также страдают от их токсичного действия. Ионы тяжелых металлов способны ингибировать рост растений [3, 9], снижать активность фотосинтеза, вызывать хлороз и некроз тканей листа [16]. Снижение жизнеспособности растений уменьшает их способность удалять токсичные ионы из окружающей среды. Поэтому поиск путей повышения устойчивости растений к действию тяжелых металлов представляет несомненный интерес. В литературе встречаются сообщения о том, что гормоны растений цитокинины повышают устойчивость растений к действию тяжелых металлов [2, 10]. Однако эти исследования немногочисленны и фрагментарны. Цель данной работы состояла в изучении возможности повышения устойчивости тополя бальзамического к действию тяжелых металлов путем их обработки препаратом синтетического цитокинина 6-бензиламинопурина.

Черенки тополя бальзамического (рври1т ЪаЫат1/вга Ь.) длиной 25 см отбирали в период глубокого физиологического покоя (в феврале месяце) с растений, произрастающих в условиях, близких к оптимальным (50-летние культуры, отсутствие источников загрязнения). Количество живых почек на черенках - не менее 5 [4]. Древесные черенки помещали в вегетационные сосуды с дистиллированной водой (по 2 черенка в один сосуд, объем вегетационного сосуда -0,5 л). Растения находились на светопло-щадке при освещенности 14000 люкс (продолжительность светового периода 14 часов) и температуре 23 оС. Через 2 дня происходи-

ло распускание почек, а на 6-го день после начала эксперимента в дистиллированную воду добавляли хлорид свинца до конечной концентрации 2 г/л. Данная концентрация солей свинца была подобрана в предварительных экспериментах как вызывающая резкое снижение скорости роста листьев [6]. Через 7 суток после добавления токсичных ионов в питательную среду листья растений погружали на 5 мин в раствор синтетического цитокинина 6-бензиламинопурина (10мг/л) (далее 6-БАП), содержащего 0,05 % детергента твина-60. Листья контрольных растений на такой же срок помещали в раствор детергента такой же концентрации. Затем через 12-й и 21-й день после начала воздействия ионов свинца измеряли площадь листьев (£ = (ё1 х й?2)/2 ), степень их поражения хлорозом (оценивали визуально в % от общей площади листа), поглощение воды растениями (по ее убыли из сосудов) и длину корней на черенках тополя. Общая продолжительность эксперимента составила 34 дня.

Добавление хлорида свинца в питательный раствор приводило к резкому снижению скорости роста листьев. К 18-му дню после начала эксперимента (12-й день действия ионов свинца) их суммарная площадь и средняя площадь листьев была ниже, чем в контроле на 67 % и 69 % соответственно (табл.). В течение следующей недели прирост листьев растений, обработанных солями свинца, практически прекратился. Если в контроле их суммарная площадь увеличилась на 50 %, то в варианте с обработкой -лишь на 4 %. Обработка растений цитоки-нинами существенно увеличила прирост площади листьев, общая площадь которых с 27-х по 34-е сутки эксперимента увеличилась на 9 %. Необходимо заметить, что сама по себе обработка растений цитокининами несколько снизила скорость прироста площади листьев к концу эксперимента по сравнению с контрольными растениями (которые не обрабатывали ни БАП, ни солями свинца).

Присутствие ионов тяжелых металлов в питательной среде вызывало хлороз

листьев растений, а обработка цитокинина-ми снижала степень их поражения (табл.). Токсическое действие ионов свинца проявлялось также и в снижении способности растений поглощать воду (рис. 1). Ингибирую-щее действие ионов свинца на поглощение воды не проявлялось у растений, обработанных цитокининами.

Нами также установлено, что ионы свинца полностью подавляли процесс обра-

зования корней на черенках как обработанных, так и необработанных цитокининами растений. Применение БАП также привело к снижению суммарной длины корней (табл.).

Анализ полученных нами результатов показывает, что ионы свинца резко ингиби-ровали рост листьев тополя бальзамического, обработка растений цитокинином уменьшала степень отрицательного воздействия токсичных ионов на рост растений.

Таблица

Влияние обработки черенков тополя бальзамического (populus balsamifera L.) синтетическим цитокинином 6-БАП и хлоридом свинца на рост листьев, степень их

поражения хлорозом и корнеобразование

Суммарная площадь всех листьев, мм2 Средняя Степень Образование корней (сумма длины всех корней у всех черенков), мм

Вариант опыта 12-е сутки с момента внесения Pb 21-е сутки с момента внесения Pb площадь 2 листьев, мм поражения хлорозом, %

Без обработки

(контроль) 19062 28656,5 1192 1592 0 928 2333

Обработка РЪ2+ 12816,5 13298,5 826 746,5 до 20 0 0

Обработка 6-БАП 19083,5 22807,5 1060 1267 0 619 1608

Обработка РЪ2+ и 6-БАП 14392 15626 899,5 917 не более 1 0 0

£

о о о

13 и

ür

о

и

а к с

о Я

tí £

о с й и

m

8 -i

7,5 -

7 -

6,5 -

5,5

4,5 -

контроль Pb БАП Pb+БАП

10 15 20 25

Сутки с начала эксперимента

30

Рис. 1. Изменение способности черенков тополя бальзамического (рори1ш' ЬаЬатг/вга Ь.) поглощать воду (г/сутки/сосуд) под действием синтетического цитокинина 6-БАП и хлорида свинца

6

5

4

5

Рис. 2. Развитие растений тополя бальзамического

Подавление роста растений в присутствии ионов тяжелых металлов - хорошо известный эффект [2, 3, 9]. Недавние исследования показали их способность ингибиро-вать аквапорины (белки, обеспечивающие растяжение клеточной стенки) [15]. Было показано, что цитокинины уменьшают рос-тингибрующее действие тяжелых металлов [18].

Одна из причин угнетения роста растений в присутствии ионов тяжелых металлов заключается в том, что они нарушают ход биохимических процессов в клетке, приводя к накоплению активных радикалов и оксидативному стрессу [11]. В результате взаимодействия активных радикалов с различными компонентами клеток происходит разрушение жизненно важных веществ. Одно из наиболее ярких его проявлений - распад пигментов фотосинтетического аппарата клетки и развитие хлороза, что мы и наблюдали в своих экспериментах [14]. Оксида-тивный стресс наблюдается не только при действии ионов тяжелых металлов. Он сопровождает многие другие неблагоприятные

воздействия (например, действие повышенной температуры [8], что также приводит к нарушениям в пигментом аппарате и фотосинтезе. Известно, что цитокинины повышают содержание в клетках веществ-антиоксидантов, способных защищать клетку от разрушительного действия активных радикалов. Так, было показано накопление под влиянием цитокининов каротиноидов, которые являются одними из антиоксидан-тов [1]. Инокуляция растений салата микроорганизмами, способными продуцировать цитокинины, увеличивала содержание в растениях каротиноидов и снижала отрицательное воздействие ионов кадмия на пигментный аппарат клеток. Полученные данные подтверждают способность цитокининов защищать фотосинтезирующий аппарат от стрессовых воздействий, выражающуюся в снижении степени проявления хлороза у растений под воздействием ионов тяжелых металлов.

Ингибирующее действие самих цито-кининов на рост листьев также требует обсуждения. Считается, что цитокинины бла-

гоприятно действуют на рост листьев. Однако также известно, что эти гормоны подавляют образование и рост корней [7], что наблюдалось и в наших экспериментах. Следует отметить, что цитокинины не добавляли в питательную среду, а обрабатывали ими листья растений. Можно, предположить, что цитокинины по флоэме транспортировались в корни. Однако более вероятно, что они оказывали опосредованное влияние на рост корней. Так, было показано, что цитокинины способны снижать транспорт в корни гормонов ауксинов, необходимых для корнеобра-зования. Эксперименты с трансгенными растениями показали, что накопление цитоки-нинов в побегах, но не в корнях, снижает скорость роста корней [5]. Таким образом, нами получен еще один аргумент в пользу того, что влияние цитокининов на рост корней может реализоваться через воздействие на процессы, которые происходят в побегах. Вместе с тем, в растении все взаимосвязано. И ростингибирующее действие цитокининов на корни в свою очередь отрицательно сказалось на росте листьев.

Тем не менее, цитокинины защищали растения тополя от токсичного воздействия ионов свинца. В их присутствие снижалось отрицательное воздействие сублетальных концентраций, которые мы применяли в наших экспериментах (рис. 2). Таким образом, представляется перспективным использование цитокининов для повышения устойчивости растений к тяжелым металлам. Они способны поддерживать рост растений в условиях загрязнения окружающей среды ионами тяжелых металлов и тем самым обеспечивать более активное освобождение окружающей среды от этих ионов. Как упоминалось выше, обнаружены микроорганизмы, способные продуцировать цитокинины и показано их защитное действие от токсичных металлов. Введение микроорганизмов в корнеобитаемый слой почвы древесных растений может оказаться перспективным подходом для повышения устойчивости растений к тяжелым металлам. Эксперименты с цитокининпродуци-рующими микроорганизмами показали, что

они не подавляют корнеобразование и накопление биомассы корней растений (вероятно потому, что данные микроорганизмы продуцируют не только цитокинины, но и ауксины). Поэтому они оказывают более выраженное положительное действие на рост растений в целом.

Альтернативный подход может также заключаться в получении /р^-трансгенных растений, способных синтезировать повышенное количество цитокининов. В России уже получены трансгенные тополя, продуцирующие большее количество ауксинов по сравнению с их природными аналогами. Эксперименты с /р^-трансгенными растениями показали, что экспрессия гена, контролирующего накопление цитокининов в растениях, повышает их устойчивость к действию ионов тяжелых металлов [5].

Таким образом, перспективным представляется возможность применения биотехнологических методов для повышения устойчивости растений к токсическому действию ионов тяжелых металлов посредством использования цитокининов.

Работа поддержана грантами РФФИ №02-04-97909 и №02-04-97908.

Библиографический список

1. Архипова Т.Н., Мелентьев А.И., Веселов С.Ю., Кудоярова Г.Р. Влияние цитокининпродуцирую-щих микроорганизмов на устойчивость растений салата к токсическому действию ионов кадмия // Агрохимия. - 2004. - №3. - С. 1-5.

2. Бессонова В.П., Лыженко И.И., Михайлов О.Ф., Кулаева О.Н. Влияние кинетина на рост проростков гороха и содержание пигментов при избытке цинка в питательном растворе // Физиология растений. - 1985. - Т. 32. - № 1. - С. 153-159.

3. Веселов Д. С., Фахрисламов Р.Г. Влияние кадмия на поглощение ионов, транспирацию и содержание цитокининов в проростках пшеницы // Агрохимия. - 1999. - № 10. - С. 420-426.

4. Комиссаров Д.А. Биологические основы размножения древесных растений черенками. - М.: Лесн. пром-сть, 1964. - 273 с.

5. Кудоярова Г.Р., Иванов И.И., Веселов С.Ю., Веселов Д.С., Симонян М.В., Анохина Н.Л. Содержание цитокининов и рост 1р1-трансгенных растений табака // Тезисы V Съезда ОФР и Межд.конф. «Физиология растений - основа фи-тобиотехнологии», Пенза, 15-21 сентября 2003 г. - Пенза, 2003. - С. 462.

6. Кулагин А.А. Эколого-физиологические особенности тополя бальзамического (Populus balsamif-era L.) в условиях загрязнения окружающей среды металлами: Автореф. дис. ... канд. биол. наук.

- Тольятти, 2002. - 20 с.

7. Площинская М.Е., Иванов В.Б., Салмин С.А., Быстрова Е.И. Анализ возможных механизмов регуляции ветвления корня // Журнал общей биологии. 2002. - Т. 63. - С. 68-74.

8. Чернядьев И.И. Фотосинтез и цитокинины // Прикл. биохим. и микробиология. - 1993. - Т. 29.

- № 5. - С. 644-675.

9. Aidid, S., H. Okamoto, 1993. Responses of elongation rate, turgor pressure and cell wall extensibility of stem cells of Impatiens balsamina to lead, cadmium and zinc, BioMetals, 6. - Р.245-249.

10. Gadallah, M., A. El-Enany, 1999. Role of kinetin in alleviation of copper and zinc toxicity in Lupinus ter-mis plants. Plant Growth Regul., 29. - Р. 151-160.

11. Gallego S.M., Benavides M.P., Tomaro M.L. Effect of heavy metal ion excess on sunflower leaves: evidence for involvement of oxidative stress // Plant Sci. 1996. V. 121. - P. 151-159.

12. Gekeler, W., E. Grill, E.-L. Winnacker, M. Zenk, 1989. Survey of the plant kingdom for the ability to

bind heavy metals through phytochelatins, Z. Naturforsch., 44. - Р. 361-369.

13. Krotz, R., B. Evangelou, G. Wagner, 1989. Relationships between cadmium, zinc, Cd-binding peptide, and organic acid in tobacco suspension cells, Plant Physiol., 91. - Р. 780-787.

14. Krupa Z. Cadmium-induced changes in the composition and structure of the light-harvesting chlorophyll a/b protein complex II in radish cotyledons // Physiol. Planta. 1988. V. 73.- P. 518-524.

15. McQueen-Mason S., Durachko D.M., Cosgrove D.J., Two endogenous proteins that induce cell-wall extension in plants, Plant Cell. 4 (1992). - Р. 14251433.

16. Prasad, M., K. Strzalka, 1999. Impact of heavy metals on photosynthesis. In: Heavy Metal Stress in Plants - From Molecules to Ecosystems, Eds. M. Prasad, J. Hagemeyer. - Р. 117-138.

17. Rauser, W., 1993. Metal-binding peptides in plants. In: Sulfur nutrition and assimilation in higher plants, Eds. L. De Kok et al. - Р. 239-251.

18. Veselov D., Kudoyarova G., Symonyan M., Veselov S. Effect of cadmium on ion uptake, transpiration and cytokinin content in wheat seedlings. Bulg. J. Plant Physiol. 2003. - Р. 353-359.