Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Действие слабого постоянного магнитного поля на антиоксидантную систему проростков редиса

ВАК РФ 03.01.05, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Действие слабого постоянного магнитного поля на антиоксидантную систему проростков редиса"

На правах рукописи

Ж*.

СЕРДЮКОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Действие слабого постоянного магнитного поля на антиоксидантную систему проростков

редиса

03.01.05 - Физиология и биохимия растений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

5 ДЕК т

Москва - 2013

005542045

Работа выполнена в группе магнитобиологии растений Федерального государственного бюджетного учереждения науки Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, г. Москва.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Новицкий Юрий Иванович

доктор биологических наук

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Носов Александр Владимирович, доктор биологических наук, Федеральное государственное бюджетное учереждение науки Институт физиологии растений им. К. А. Тимирязева Российской академии наук, лаборатория физиологии культивируемых клеток, ведущий научный сотрудник Белова Наталья Александровна, доктор биологических наук, Федеральное государственное бюджетное учереждение науки Институт теоретической и экспериментальной биофизики, лаборатория биофизики внутриклеточной регуляции, ведущий научный сотрудник

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учереждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Биологический факультет

Защита состоится 26 декабря 2013 г. в 11 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 002.210.01 при Федеральном государственном бюджетном учереждении науки Институте физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, расположенном по адресу: 127276, Москва, ул. Ботаническая, 35. Факс: (499)977-80-18, e-mail: m-azarkovich@ippras.ru, ifr@ippras.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Федерального государственного бюджетного учереждения науки Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук.

Автореферат разослан « 2<Г»_ноября-2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

канд. биол. наук.

Азаркович Марина Ивановна

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Известно, что за последние несколько веков напряженность геомагнитного поля (ГМП) постепенно снижается /Храмов и др. 1982/. Подобные падения, повышения, а также полные инверсии напряженности происходят уже не в первый раз за историю планеты. Однако до сих пор неизвестно, как влияют эти изменения на биосферу и непосредственно на живые организмы и, в частности, на растения; является ли измененное магнитное поле стрессовым фактором или нет.

В последнее десятилетие дополнительным стимулом к изучению действия электромагнитных полей на живые организмы является активное антропогенное вмешетельство в электромагнитный фон в широком диапазоне — от 50 Гц в промышленных и бытовых сетях и электроприборах до гигагерцовых излучений, на которых основаны современные стандарты средств связи и коммуникации. Проблема предельно допустимого уровня (ПДУ) магнитных полей стоит как никогда остро, хотя определенные нормативы были и есть, как в нашей стране, так и зарубежом /Adams, Williams 1976/, вопрос об их соответствии современным реалиям остается открытым. Для человека установлен ПДУ (СанПиН 2.2/1.1191-03) не более 10 минут нахождения в постоянном магнитном поле (ПМП) с индукцией 30 мТл или 480 минут в ПМП 10 мТл. в течение рабочего дня. Превышение этого уровня влияет на физиологическое состояние и индивидуальные особенности организма /Холодов, Лебедева, 1992; Григорьев и др., 2005/.

Растения в популяции, как и другие организмы, различаются индивидуальной чувствительностью к измененшо напряженности магнитного поля. Редис является культурой, чувствительность которой к слабым магнитным полям, даже столь малым, как геомагнитное, можно наблюдать визуально. Проявляется эта чувствительность в виде наличия двух независимых основных магнитоориентационных типов, ориентирующих корневые бороздки вдоль магнитного меридиана — северо-южный магиитоориеитационный тип (СЮ МОТ) и поперек магнитного меридиана — западно-восточный магнто-ориентационный тип (ЗВ МОТ) /Новицкий, Травкин, 1971/. Помимо разной реакции на МП, эти МОТ различаются по биохимическому составу и реакции на различные факторы окружающей среды /Новицкий и др., 1990/. Современные исследования показывают, что изменения магнитного поля влияют на биохимические и морфофизиологические процессы растений /Gallad, Pazur, 2005/, меняют их биохимический состав, при этом меняется не качественный состав веществ, а только их количественные соотношения /Новицкая и др., 2008: Новицкая и др., 2010а/. ПМП модифицирует действие таких факторов, как интенсивность освещения, длина дня, температурный режим, сезон. Модифицирующий характер действия слабого ПМП может выступать как опре-

деляющий ход онтогенеза фактор /'Новицкий, 2009; Новицкий, 2010/. Кроме того, чувствительность растений к слабому полю зависит от состояния магнитосферы Земли /Крылов, 2012/. Все это свидетельствует о том, что слабое магнитное поле является для растений экологически значимым фактором.

Механизмы действия магнитного поля до настоящего времени окончательно не установлены. По одной нз гипотез, магнитное поле затрагивает работу мембран растительной клетки, меняя соотношение входящих в их состав липидов через процессы их перекисного окисления. Однако, действие слабого ПМП на работу антиоксидантной системы растений практически не изучено.

Цель данной диссертационной работы состоит в выяснении поведения основных компонентов аитиоксидантной системы проростков редиса под действием слабого постоянного горизонтального магнитного поля и последствий его длительного воздействия, в течение всего онтогенеза, на адаптивные возможности популяции этого растения.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1. Изучить действие слабого горизонтального постоянного магнитного поля на количественный состав некоторых компонентов неферментативной антиоксидантной системы, в частности, пролина, окисленного и восстановленного глутатиона.

2. Изучить действие слабого горизонтального постоянного магнитного поля па активность ферментов первичной антиоксидантной системы: су-пероксиддисмутазу (СОД), каталазу, пероксидазу.

3. Оценить общий уровень интенсивности перекисного окисления липидов (ПОЛ) по интенсивности образования одного из его конечных продуктов — малонового диальдегида. (МДА).

4. Исследовать действие ПМП на онтогенез растений редиса и формирование семян.

Научная новизна. В работе впервые показано, что слабое горизонтальное постоянное магнитное поле оказывает модифицирующее действие на работу основных компонентов антиоксидантной системы. Обнаружено, что величина эффекта имеет сложную нелинейную зависимость и характер этой зависимости определяется возрастом проростков и наличием или отсутствием у них функционирующего фотосинтетического аппарата. Впервые показано действие ПМП различной индукции и совместного действия ПМП и различной освещенности на интенсивность образования МДА. Установлено, что влияние ПМП на ПОЛ носит светозависимый характер. Показано, что выращивание растений в условиях увеличенной индукции ПМП в течение всего жизненного цикла приводит к торможению появления очередных листьев, отставанию в прохождении стадий онтогенеза (стрелкование, бутонизация, цветение, плодоношение), а также изменяет структуру урожая семян.

Полученные результаты вносят существенный вклад в магнитобиологнческие исследования.

Практическая значимость. Выявленные особенности необходимо учитывать при выращивании растений в регионах, местностях и установках, ПМП в которых отличается от геомагнитного. Полученные данные могут быть использованы в курсах лекций по физиологии растений и экологии.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлены на V Международном конгрессе "Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине" (Санкт-Петербург, 2009), Всероссийском симпозиуме "Растения и стесс"(Москва, 2010), VII Съезде Общества физиологов растений России (Н.Новгород, 2011), VI Международном конгрессе "Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине" (Санкт-Петербург, 2012), IV Съезде биофизиков России (Н.Новгород, 2012), Всероссийской конференции "Инновационные направления современной физиологии растений" (Москва, 2013), X Международной конференции "Cosmos & Biosphere"(Коктебель, Украина, 2013), XIII Делегатском съезде Русского ботанического общества (Тольятти, 2013).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных работах, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, 1 статья в сборнике и 8 статей в сборниках материалов конференций.

Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором или при его участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 125 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследований, результатов, обсуждения, заключения и выводов. Работа содержит 5 таблиц и 39 рисунков. Список литературы включает 169 источников, из них 132 на иностранных языках

Объекты и методы исследований

Объектом исследовния служили проростки и растеши редиса (Ra-phanus sativus L. var. radícula D.C.) сорта "Розово-красный с белым кончиком" . Для изучения антиоксидантной системы использовали 1 5 дневные проростки, выращенные в камере фитотрона ИФР им. К.А. Тимирязева РАН. Проростки выращивали в чашках Петри на увлажненной фильтровальной бумаге, под которой находился сложенный вчетверо слой марли. Проращивание осуществляли на дистиллированной воде как в темноте, так и на свету.

"Темновые" проростки находились в чашках, обернутых черной светонепроницаемой тканью. Длина светового периода для "световых" проростков, соста-ляла 14 часов, а освещенность -1 тыс. лк. Для изучения зависимости накопления малонового диалъдегида от интенсивности света использовали 5-дневные проростки, проращиваемые в аналогичных условиях. Освещенность в данном случае составляла 1-6 тыс. лк с шагом в 1 тыс.

Опытные растения в ходе эксперимента помещали в две пары колец Гельмгольца диаметром 140 мм , генерирующих слабое горизонтальное постоянное однородное магнитное поле с индукцией 185, 310, 325, 390, 5001, 620, и G50 мкТл. Контрольные растения находились в геомагнитном поле, индукция которого в месте проведения опыта составляла 35 мкТл, а его вектор был направлен под углом в 73° к горизонту. Векторы горизонтальной составляющей ГМП и искусственного ПМП совпадали.

Для изучения действия слабого ПМП на онтогенез растений, их выращивали в почве в винипластовых ящиках в оранжерее ИФР РАН при естественно возрастающей длине дня, освещенности и температуре (+14 °-ь25 °С) в апреле-мае 2009 г. Опытные растения выращивали в кольцах Гельмгольца диаметром 400 мм, генерирующих постоянное горизонтальное магнитное поле с индукцией 500 мкТл. Контрольные растения располагались на таком расстоянии от колец Гельмгольца, чтобы инклинатор или буссоль не давали отклонений от первоначального значения при включении установки. Индукция ГМП в месте расположения контроля составляла примерно 35 мкТл и её вектор был направлен под углом 73° к горизонту. Вектор горизонтальной составляющей ГМП совпадал с вектором горизонтального ПМП.

Определение содержания свободного пролила в проростках редиса проводили по методике /Bates et al. 1973/.

Определение содержания малонового диалъдегида в прорстках редиса проводили по методу, предложенному в работе Лукаткина и Головановой/1988/.

Определение содержания окисленного и восстановленного глу-татиона проводили оптимизированным методом Хиссени и Хильфа /Шалы-го и др., 2007/.

Определение активности супероксиддисмутазы проводили по методу, основанному на оценке степени ингибирования образования на свету формазана — восстановленной формы нитро-синего тетразолия (HCT), являющимся индикаторной ловушкой, которая усиливает генерацию супероксидных радикалов в реакции фотоокисления рибофлавина /Beaucliamp, Fridovich, 1971/.

Определение активности каталазы. Активность каталазы определя-

1 При данной величине инукцци изучали зависимость эффекта ПМП на содержание МДА от итен-спвпости освещения и содержание окисленного и восстановленного глутатиопа в проростках редиса

ли но изменению содержания перекиси водорода /Kumar, Knowels, 1993/.

Определение активности пероксидазы осуществляли по метод}', описанному в работе Шевяковой и др. /2003/.

Статистическая обработка результатов. Для статистической обработки результатов применяли методы, изложенные в работах /Урбах, 1975; Glantz 2002/. Уровни вероятности альтернативной гипотезы (Р) рассчитывали при помощи критерия множественных сравнений Стьюдента. Данный метод применялся для анализа содержания пролина, МДА и активности ферментов. Для анализа содержания окисленного и восстановленногоглутатиона применяли метод сравнения двух эмпирических распределений по Стюденту. На графиках приведены средние арифметические значения из трех биологических выборок в трех повторностях (п=9). В барах на всех графиках отображен 95% доверительный интервал. Для оценки уровня вероятности альтернативной гипотезы (Р) при анализе образования семян под действием ПМП применяли критерий х2- Во всех случаях различия считались достоверными при (Р) < 0,05.

Статистическая обработка данных и создание графиков производилось при помощи программного обеспечения R Statistical Software и Gnumeric Spreadsheet

Результаты

Важную роль в адаптации механизмов к условиям внешней среды играют протекторные соединения, в частности пролин, а также аитиоксидантная система, регулирующая содержание активных форм кислорода (АФК) в клетках. Протекторные соединения защищают биополимеры цитоплазмы (белки, нуклеиновые кислоты и липиды) от неблагоприятного действия стресс-факторов, а аитиоксидантиая система не позволяет АФК накапливаться в клетках выше токсического уровня. В связи с этим представлялось важным исследовать содержание пролина и компонентов аитиоксидантной системы, в частности, восстановленного и окисленного глутатирна, а также определить активность ферментов антиоксидаитной системы (СОД, каталазы, пероксидазы) в проростках редиса в условиях действия постоянного магнитного поля. Кроме того, представлялось целесообразным в условиях действия ПМП определить в проростках содержание малонового диальдегида - одного из конечных продуктов перекисного окисления липидов, происходящего под действием избытка АФК.

Действие ПМП на содержание пролина

На первые сутки, как в темноте, так и на свету в проростках наблюдалось снижение содержания пролина (Рис. 1) по мере увеличения индукции ПМП. На 2-е сутки эффект отсутствовал или наблюдалось незначительное увеличение его содержания. На 3-5 сутки при малых величинах индукции ПМП

(185 325 мкТл) содержание пролина было ниже контрольных значений. С увеличением индукции ПМП содержание пролина в темноте и на свету возрастало и становилось выше контрольных значений.

Действие ПМП на содержание окисленного и восстановленного глутатиона

Содержание окисленного и восстановленного глутатиона в проростках измеряли при индукции ПМП 500 мкТл в течение 5 суток с момента начала проращивания семян.

Содержание восстановленного глутатиона. на 1-3 сутки в темновых проростках под действием ПМП было ~ на 15-25% ниже, чем в контроле (Рис. 2). На 4-е сутки содержание восстановленного глутатиона становилось выше, чем в контроле на 25%). На 5-е сутки ПМП в темноте не оказывало какого-либо заметного действия. У световых проростков на 1 3 сутки, в отличие от темновых, увеличение содержания восстановленного глутатиона под действием поля возрастало. При этом эффект ПМП был самым большим на 1-е сутки. Прирост составлял 64% по сравнению с контролем. Стимулирующее действие ПМП на свету в последующие двое суток ослабевало и на 4-е сутки оно полностью исчезало. На 5-е сутки ПМП снова увеличивало содержание восстановленного глутатиона (на 25% по сравнению с контролем).

В темновых проростках ПМП не оказывало влияния на содержание окисленного глутатиона на 1-е и 4-е сутки (Рис. 3). На 2-е, 3-й и 5-е сутки происходило увеличение содержания окисленного глутатиона в проростках на 236%, 33% и 18%, соответственно. У световых проростков наблюдали увеличение содержания 'окисленного глутатиона на 1-2 сутки (на 50% и 85% выше контрольных значений, соответственно). На 3-й сутки увеличение содержания глутатиона было менее значительным, оно составило 15% по сравнению с контролем. На 4-е и 5-е сутки ПМП практически не оказывало действия. Таким образом, слабое ПМП по-разному влияло на содержание окисленного и восстановленного глутатиона в темновых и световых проростках в зависимости от их возраста и , соответственно, продолжительности действия ПМП.

Действие ПМП на накопление малонового диальдегида

Низкие величины индукции ПМП (185-390 мкТл) вызывали увеличение содержания МДА в проростках. Это наблюдалось в темновых и световых проростков всех возрастов, однако в 1-е сутки эффект ПМП не был статистически достоверным (Рис. 4). При высоких -индукциях ПМП (620-650 мкТл) происходило снижение содержания МДА в проростках до более низких значений, чем в контроле. Снижение наблюдалось на 1-е, 2-е, 3-й и 5-е сутки и было особенно ярко выражено на 2-е и 3-й сутки.

Поскольку генерация АФК в растениях и последующее за нею ПОЛ неразрывно связна с работой фотосинтетического аппарата и условиями освещения, представлялос особенный интерес изучение совместного действия раз-

1-0 сутки

2-е сутки

3-й сутки

g 30

3 20

20

310 32S Индукция ПМП

390 620 мкТл

650

4-е сутки

35 185 310 325 390 620 Индукция ПМП, мкТл

50 г

35

5-е сутки

185 310 325 Индукция ПМП

390 мкТл

о 30

20

35 185 310 325 390 620 650 Индукция ПМП, мкТл

35 185 310 325 390 620 650 Индукция ПМП, мкТл

Рис. 1. Содержание пролина в темновых (заштрихованные столбцы) и световых (светлые столбцы) проростках при действии ПМП с индукцией 185- 650 мкТл в течение 5 суток с момента начала проращивания семян. Контроль (ГМП) — 35 мкТл.

1100 1 1000-з 900-« 800-I 700 ■

3 боо-

& 500-^ 400-§ 300-? 200-100-0-

1-е сутки

л

III

Темнота

2-е сутки

1600-, 1400-1200-1000-800-600-400-200 О

Темнота

Свет

4-е сутки

2000-.

1500

1000

500

ш I рН

V"; : г

Шя

Свет

3-й сутки

3000 2500 2000 1500 1000 500 О

Свет

5-е сутки

5000-,

3000-

2000-

I_

Свет

Рис. 2. Содержание восстановленного глутатиона в темновых и световых проростках при действии ПМГ1 с индукцией 500 мкТл в течение 5 суток с момента начала проращивания семян. Контроль (ГМП) — 35 мкТл.

1-е сутки

700-,

600-

ГО 500-

к

>3 о 400-

& 300-

л с; 200-

2

X 100-

0-

□ гмп

Е1 пмп

Темнота

Свет

2-е сутки

1800 1600-1400 -1200 1000 800 600 400 200 О

3000-1

2500-

2000-

>«:

о

1500-

1-

.л 1000-

о

I 500-

0-

3-й сутки

Темнота

Свет

4-е сутки

2000

« 1500

1000

■ь*

Свет

5-е сутки

3000

з 2500

г 2000

1500

1000

500

Рис. 3. Содержание окисленного глутатиона в темновых (заштрихованные столбцы) и световых (светлые столбцы) проростках при действии ПМП с индукцией 500 мкТл в течение 5 суток с момента начала проращивания семян. Контроль (ГМП) — 35 мкТл.

й § и

Д '

3 О

о) » §

° ТЗ

О *

3 2 § ЕЙ

я „

нмопь/ г воздушно-сухой массы

ЕО Я

>9 о

■а £

я

•п 5\

2е

"•с

% I

личной освещенности и ПМГТ на содержание одного из конечных продуктов ПОЛ — малонового диальдегида. Данные о совместном действии ПМП с индукцией 500 мкТл и освещения в диапазоне 1-6 клк на накопление МДА показывают, что повышение освещенности в 6 раз не вызывало однозначной направленности изменения ПОЛ между контролем и опытом. Максимальное накопление МДА на свету наблюдали при освещенности 2000 лк в контроле и 3000 лк в ПМП. В противоположность световому варианту, где ПМП неоднозначно действовало на содержание МДА, в темноте содержание МДА под действием поля увеличивалось. В целом, независимо от интенсивности света в пределах 2000-60U0 лк среднее содержание МДА в контроле и ПМП оказалось выше, чем в темноте, а их отношение (С/Т) было несколько выше в контроле, чем в ПМП.

Действие ПМП на активность супероксиддисмутазы

При малых величинах индукции ПМП (185-325 мкТл) активность СОД повышалась в световых и темновых проростках на 3-й и 4-е сутки (Рис. 5). В остальных вариантах эксперимента эффекты ПМП не проявлялись или были малозаметны. При более высоких (390-650 мкТл) величинах индукции ПМП наблюдалось снижение активности фермента на 3-й и 4-е сутки у темновых и световых проростков, а также у темновых проростков на 2-е сутки. На 5-е сутки при малых значениях индукции ПМП (185-325 мкТл) в темновых проростках снижалась активность СОД, а при больших (390-650 мкТл) -повышалась.

Действие ПМП на активность каталазы

Изменения в активности каталазы (Рис. 6) в ответ на действие ПМП отличались волнообразным характером. Так, в темновых проростках на 1-е сутки минимальная активность наблюдалась при 310-325 мкТл. На вторые сутки минимум сместился к 185-325 мкТл. На 3-й сутки, минимум приходился на контроль и ближайшую к контролю точку — 185 мкТл. На 4-е сутки начала формироваться новая "волна"с минимумом при 650 мкТл, который на 5-е сутки сместился к 185-390 мкТл. Аналогичные эффекты ПМП наблюдались и в световых проростках. Пик активности каталазы через сутки действия ПМП приходился на 650 мкТл, на 2-е сутки пик сместился к 620 мкТл, а на 3-й — к 185 мкТл. При этом при 620 мкТл сформировался второй пик, переместившийся на 4-е сутки к 310 мкТл.

Действие ПМП на активность пероксидазы

Под действием ПМП с малыми величинами индукции (185-325 мкТл) у темновых проростков со 2-х по 5-е сутки в целом наблюдаюсь повышение активности пероксидазы (Рис. 7). При высоких значениях индукции ПМП активность фермента не превышала контрольные значипия. Аналогичная тенденция наблюдалась и у световых проростков. Исключение составил результат, полученный на 4-е сутки.

С

Р

мкмоль/(мин г воздушно-сухой массы)

0 ГО -С. СП СО о го

1 —Т-I-Г~--1-1-1

мкмоль/(мин г воздушно-сухой массы)

мкмоль/(мин г воздушно-сухой массы)

Влияние постоянного магнитного поля на прохождение стадий онтогенеза и структуру урожая семян.

_ф— Стрелкование ГМП —О— Бутонизация в ГМП — ^— Цветение в ГМП

.....о- Стрелкование ПМП .....О- Бутоницация в ПМП V-" Цветение в ПМП

Рис. 8. Динамика прохождения стадий онтогенеза у растений редиса в ПМП и ГМП (в пересчете па 100 растений)

Наиболее объективным показателем физиологического состояния растения и его приспособленности к неблагоприятным факторам окружающей среды являются данные о про- | хождении стадий онтогенеза, массы ^ его вегетативных и генеративных ор- | ганов, а также данные о структуре < урожая. !

В связи с этим исследовали вли- ^ яние слабого ПМП на развитие растений редиса в течение всего онтогенеза от прорастания семян, образования очередных листьев, стрелкования, бутонизации цветения до формирования полноценных семян V СЮ Рис- 9- Влияние ПМП на количество семян в

и ЗВ МОТ редиса. К моменту появле- различных МОТ в пересчете

_ "на 100 растений

ния 9-го очередного листа растения

начинали переходить к стрелкованию и различия между опытом и контролем

сю-гмп сю-пмп зв-гмп зв-пмп

□ Незрелые ® Зрелые

становились более выраженными (Рис. 8). Отставание в развитии происходило на стадии стрелкования (максимум 23-28 апреля, запоздывание на 35-40% от контроля), бутонизации ( запоздывание на 40-70% от контроля 8-16 мая) и цветения (запоздывание па 40-55% 16-22 мая). У СЮ МОТ ПМП уменьшало массу п количество зрелых семян, что приводило к более чем двукратному уменьшению их общего числа и массы (Рис. 9). У ЗВ МОТ ПМП увеличивало общее число зрелых семян на 20%. Количество незрелых семян у СЮ МОТ под действием ПМП увеличилось на 30% при неизменившейся их массе. У ЗВ МОТ ПМП слабо влияло на количество и массу незрелых семян п лишь незначительно снизило общее количество и массу незрелых семян. Общее количество семян под действием ПМП осталось неизменным как у СЮ МОТ, так и у ЗВ МОТ, однако у СЮ МОТ средняя масса одного семни уменьшилась (за счет снижения таковой у незрелых семян). Таким образом, слабое постоянное магнитное поле действовало по-разному, иногда противоположным образом на количество и массу зрелых и незрелых семян, образующихся в стручках СЮ и ЗВ МОТ редиса.

Обсуждение

Анализируя полученные данные, можно выделить ряд закономерностей. В первую очередь наблюдается обратная корреляция между изменением концентрации пролина и МДА. При снижении содержания пролина при малых величинах индукции ПМП происходило увеличение концентрации МДА, в то время как при больших величинах индукции высокое содержание пролина наблюдалось одновременно со снижением уровня МДА до уровня контроля и ниже.

Таблица X. Действие слабого постоянного магнитного поля с индукцией 500 мкТл на отношение содержания окисленного глутатиона к восстановленному

Сутки Свет Темнота

ГМП ПМП ГМП ПМП

1 0,46±0,07 0,54±0,09 0,59±0,10 0,43±0,07

2 0,39±0,15 0,65±0,19 0,40±0,14 0,59±0,51

3 0,53±0,11 0,79±0,12 0,54±0,11 0,51±0,14

4 0,64±0,15 0,68±0,19 0,82±0,27 0,54±0,09

5 0,36±0,09 0,41±0,10 0,37±0,09 0,31±0,09

Несмотря на отсутствие определенной тенденции в изменении содержания окисленного и восстановленного глутатиона под действием магнитного

поля, в темноте, во всех случаях, отношение содержания окисленного глу-татиона к восстановленному было выше, чем на свету (Табл. 1). Это свидетельствует о том, что в темповых проростках в ПМП происходит увеличение тон части глутатионового пула, которая не выполняет непосредственных ан-тиоксидантных функций и. в целом, приводит к снижению эффективности работы этого звена антиоксидантпой системы.

Для того, чтобы оценить характер действия ПМП на световые проростки в сравнении с тсмновыми, удобно воспользоваться показателем С/Т — отношением изучаемого параметра в световых проростках к таковому в темновых. Анализируя таким способом активность антиоксидаитных ферментов (Рис. 10) в проростках, выращенных при разной индукции ПМП, мы выявили ряд тенденций.

Минимальные значения отношения С/Т для активности супероксиддис-мутазы на первые сутки приходились на 310 и 620 мкТл. На 2-е и 3-й сутки они смещались к меньшим значениям индукции — 35 и 325 мкТл. На 4-е сутки один из минимумов выходил за пределы используемого а эксперименте диапазона индукций, а оставшийся смещался к меньшей величине — 310 мкТл.

Аналогичным образом ПМП действовало и на отношение С/Т активности каталазы. На 1-е сутки помимо минимума в контроле, наблюдался минимум при 620 мкТл. На 2-е сутки этот минимум смещался к 390 мкТл, на 3-й сутки — к 325 мкТл, а на 4-е он обнаруживался при величине индукции равной индукции геомагнитного поля.

Таким же образом изменялось отношение С/Т активности пероксидазы. Минимум этой величины на 1-е сутки наблюдался при 620 мкТл, на 2-е сутки — при 390 мкТл, на 3-й сутки — при 310 и на 4-е сутки — при 185 мкТл.

Такой скачок в соотношении во всех случаях обуславливается в первую очередь снижением активности на. свету как по сравнению с таковой в темноте, так и по сравнению с соседними "световыми" значениями. Т.е. в световых проростках под действием ПМП с определенной величиной индукции происходит срабатывание некоего триггерра, которое вызывает резкое снижение активности ферментов по сравнению с таковой, обусловленной прочими внешними факторами. Причем характер срабатывания этого триггера носит дозовую зависимость — при более высоких значениях индукции срабатывание происходило раньше, а более низким индукциям требовался более долгий промежуток времени для проявления этого эффекта.

Примечательно, что данный эффект действия ПМП проявлялся уже на 1-е сутки. Учитывая, что к этому моменту только начинается наклевывание семян, можно предположить, что качественные различия между световым и темновым вариантами еще отсутствуют. Под качественными различиями мы понимаем наличие веществ или структур, отличающих их друг от друга.

Суиероксиддисмутаза Каталаза Пероксидаза

Рис. 10. Отношение С/Т для активности ферментов при действии ПМП с индукцией 185-050 мкТл.

В1 ВО B2

В

Исходя из этого, можно пред пол о- р жить, что подобная реакция связана с механизмами и процессами рецепции света, например, через фитохро-мы и криптохромы. Для последних теоретически обоснована /Solovyov et al.; 2007/ и показана /Ahmad et al., 2007/ чувствительность к действию IIMII.

Помимо данного эффекта, ПМП в широком диапазоне индукций вызывает и другие разнообразные, отличные от контроля реакции как в концентрации низкомолекулярных антиоксидантов, так и в активности антиоксидантных ферментов. На Рис. ц Зависимость вероятности S-T-nepe-данный момент существует нес.коль- ходов (Р) от величины индукции магнитного ко гипотез о механизме действия поля (в)- ви ~ величина индукции магнитно-ПМП на живые организмы, способ- го поля Равная СГГВ-константе ных объяснить высокую изменчивость реакции компонентов антиоксидантной системы на магнитное поле.

В модели, предложенной Аристарховым /2003/, магнитное поле влияет на вероятность рекомбинации радикальных пар и, соответственно, может менять эффективность работы ферментов, в катализе которых присутствуют стадии с участием свободных радикалов. Величина эффекта определяется константой сверхтонкого взаимодействия (СТВ-константой), индивидуальной для каждого радикала и являющейся величиной индукции ПМП, при которой вероятность рекомбинации радикалной пары максимальна. Для данного механизма теоретически предсказывается экстремальная зависимость эффектов в полях, сравнимых по величине индукции с локальным полем СТВ (рис.11). Соответственно, величина биологического эффекта также может иметь подобную экстремальную зависимость.

Активность а.нтиоксидантного фермента или концентрация низкомолекулярного аниоксиданта является суммарным ответом, опосредованным через системы внутриклеточной регуляции и сигнализации. Поэтому "ответственными" за происходящие изменения могут быть сразу несколько реакций с участием разных свободных радикалов и, соответственно, с разными СТВ-константами, определяющими эффективную величину индукции. При этом стоит учитывать и свободнорадикальные реакции, катализируемые самими антиоксидантными ферментами.

Рис. 12. Условная схвма действия ПМП различной индукции на биологический эффект (по Аристархову). К1. Л'г, К3 — СТВ-константы для радикалов Кь Яг, йз, соответственно. Пунктирной линией обозначен суммарный биоэффект. Ось абсцисс — индукция ПМП; ось ординат — величина эффекта.

Таким образом, сложное и нелинейное поведение компонентов антиокси-дантной системы является результатом суперпозиции сразу нескольких эффектов магнитного поля на свободнорадикалные реакции со своими СТВ-кон-стантами (Рис. 12).

Однако, СТВ-константы, на данный момент, известны лишь для небольшого количества простых неорганических свободных радикалов. И поэтому установить конкретныые свободнорадикальные реакции, являющиеся причиной этих изменений, не представляется возможным.

Другой причиной лабильности компонентов антиоксидантной системы может являться совместное действие используемого нами ПМП с фоновым электромагнитным излучением окружающей среды как естественного, так и антропогенного происхождения. Механизм такого совместного действия описывается резонансными моделями, например, моделью ион-параметрического резонанса /Ьес1пеу, 1991/, Значения биологически эффективных частот для переменной составляющей поля определяется следующим выражением:

/п = ВОС, где:

П 271771

/п — резонансная частота переменной компоненты; (Герц); д — заряд иона (Кулон); т — масса иона (килограмм): Вос —магнитная индукция постоянной компоненты (Тесла); п —■ целое число, равное 1, 2, 3... .

Из выражения видно, что для каждого иона и для каждой конкретной величины индукции ПМП может существовать своя биологически эффективная частота. Кроме того, спектр фонового электромагнитного излучения довольно широк, а биологический эффект может быть обусловлен изменением поведения сразу нескольких биологически важных ионов (Са.2+, К+, Н+, а также кофакторов антиоксидантных ферментов).

В

Рис. 13. Условная схема действия ПМП различной индукции на биологический эффект (но Ледневу). ¡2 — резонансы для первого иона, Л> Л — резонансы для второго иона. Пунктирной линией обозначен суммарный биоэффект. Ось абсцисс — индукция ПМП, ось ординат — величина эффекта.

Учитывая это, можно предположить, что лабильность реакции антиок-сидантной системы является результатом суперпозиции нескольких резонансных эффектов дествия МП на различные ионы (Рис. 13).

Заключение

Определенную трудность в изучении эффекта МП составляет то, что оно не проявляет выраженного летального действия, что не позволяет определить некие "зоны комфорта", а также однозначно отметить позитивное или негативное действие поля. Несмотря на нелетальный характер действия поля, слабое ПМП, модифицируя ответ антиоксидантной системы на другие стрессовые факторы, может играть решающую роль в процессе выживания растений на ранних этапах развития. Действие ПМП в течение всего жизненного цикла растений приводит к значительному изменению структуры

урожая, которая выражается в том, что часть популяции получает преимущества в репродуктивной функции по сравнению с остальными растениями. Например, увеличение количества семян отмечено у ЗВ МОТ в 2009 г в отличие от СЮ МОТ, у которого количество зрелых семян уменьшалось.

В отличии от многих других факторов (радиация, действие тяжелых металлов, высоких температур и др.), МП не обладает однозначной прямой зависимостью "доза-эффект". Разнонаправленный характер такого действия как проистекает нз ряда теоретических выкладок по возможным механизмам действия МП, так и подтверждается экспериментально.

Наблюдаемые нами эффекты вероятнее всего вызваны не только самим МП непосредственно, но и являются физиологической реакцией, опосредованной через системы сигнализации и регуляции растения. В рамках такого подхода представляет интерес экологический аспект - оценка адаптивных спо-псобностей растения и возможность их модификации под действием МП.

Таким образом, действие МП зависит не только от характеристик самого поля (индукция, направление, градиент), но и от физиологического статуса растений: реакция световых и темновых проростков различалась, так же как и у проростков разного возраста, что, по-видимому, связано с наличием или отсутствием, появлением или исчезновением тех или иных структур, являющихся мишенью действия магнитного поля.

Выводы

1. Слабое горизонтальное ПМП в диапазоне 185 650 мкТл изменяло активность антиоксидантных ферментов и количественное соотношенеие компонентов неферментативной антиоксидантной системы проростков редиса по сравнению с ГМП.

2. Реакция антиоксидантной системы на действие слабого постоянного магнитного поля зависит от возраста проростков редиса, что связано с появлением или исчезновением в процессе развития проростка структур, являющихся мишенью магнитного поля. Эта реакция отличается у темновых (этиолированных) и световых проростков, что связано с их различиями в организации и регуляции метаболизма.

3. Показано, что, несмотря на противоречивый характер действия на динамику содержания МДА на свету в диапазоне 1-6 клк и в темноте, отношение содержания МДА на свету к его содержанию в темноте (С/Т) в ПМП ниже, чем в контроле. В пределах применявшегося в исследованиях диапазона иитенсивностей света не было обнаружено явной зависимости накопления МДА от освещенности.

4. Несмотря на отсутствие определенной тенденции в действии ПМП на содержание окисленного и восстановленного глутатиона, поле увеличивает отношение окисленного глутатиона к восстановленному в темноте

н уменьшает на свету, что свидетельствует об уменьшении рабочего пула глутатиона в темноте и его увеличении на свету.

5. При длительном воздействии, в течение всего онтогенеза, ПМП тормозило образование очередных листьев и прохождение стадий онтогенеза у растений редиса (стрелкование, бутонизация, цветение, плодоношение) и изменяло структуру урожая семян — количество зрелых семян у СЮ МОТ уменьшалось вдвое, тогда как у ЗВ МОТ их количество увеличилось на 20%.

6. Биологический эффект магнитного поля на антиоксидантную систему является результатом сложного наложения многих разнонаправленных процессов. Они включают в себя как непосредственное физическое действие ПМП, идущее, вероятно, по нескольким механизмам, так и физиологический ответ растения, опосредованный через системы внутриклеточной сигнализации и регуляции, включая компенсационные реакции, направленные на восстановление гомеостаза.

7. Слабое ПМП является для растений экологически значимым фактором, модифицирущим ответ антиоксидаптпой системы на другие стрессовые факторы, что может играть решающую роль в выживании растений на ранних этапах развития, и приводить к изменению стркутуры урожая при длительных экспозициях.

Список публикаций

1. Новицкий Ю. И., Новицкая Г. В., Сердюков Ю. А. и др. Действие слабого постоянного магнитного поля на перекисное окисление липидов проростков редиса // Организация и регуляция физиолого-биохимических процессов / Под ред. А. Т. Епринцева. Воронеж: Центрально-черноземное книжное изд-во, 2010. Т. 12. С. 19-2-7.

2. Сердюков Ю. А., Новицкий Ю. И. Действие слабого постоянного магнитного поля на активность антиоксидантных ферментов у проростков редиса. // Физиология растений. 2013. Т. 60. С. 66-74.

3. Новицкий 10. И., Новицкая Г. В., Молоканов Д. Р., Сердюков Ю. А. Развитие вегетативных и генеративных органов у магнитоориентационных типов редиса в слабом постоянном магнитном поле // Экология. 2014. (В печати).

4. Новицкий Ю. И., Новицкая Г. В., Сердюков 10. А. и др. Действие слабого постоянного магнитного поля на перекисное окисление липидов проростков редиса // Биофизика. 2014. (В печати).

5. Сердюков Ю. А., Новицкий Ю. И. Динамика содержания пролина в прорастающих семенах редиса под действием слабого постоянного магнитного поля. // Тезисы докладов Международного Конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине». Санкт-Петербург, Россия: 2009. С. §0.

6. Сердюков Ю. А., Новицкий Ю. И. Некоторые закономерности действия слабого постоянного магнитного поля на антиоксидантную систему проростков редиса. // Тезисы докладов Всероссийского симпозиума «Растение и стресс». Москва, Россия: 2010. С. 317-318.

7. Новицкий Ю. И., Сердюков Ю. А. Зависимость содержания пролина и МДА в проростках редиса от напряженности слабого постоянного магнитного поля. // VII Съезд Общества физиологов растений России (тезисы докладов). Нижний Новгород, Россия: 2011. С. 626-627.

8. Сердюков Ю. А., Новицкий Ю. И. Действие слабого постоянного магнитного поля на антиоксидантные ферменты 5-дпевных проростков редиса. /,/ Тезисы докладов Международного Конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине». Санкт-Петербург, Россия: 2012. С. 60.

9. Сердюков Ю. А., Новицкий Ю. И. Зависимость активности антиокси-дантных ферментов проростков редиса от величины индукции слабого постоянного магнитного поля. // IV Съезд биофизиков России (тезисы докладов). Нижний Новгород, Россия: 2012. С. 207.

10. Сердюков Ю. А., Новицкий Ю. И. Действие слабого постоянного магнитного поля на активность антиоксидантных ферментов проростков редиса // Всероссийская конференция "Инновационные направления современной физиологии растений" (тезисы докладов). Москва: 2013. С. 237.

11. Сердюков Ю. А., Новицкий Ю. И. Действие слабого постоянного магнитного поля па антиоксидантную систему проростков редиса. // X Международная конференция "Космос и биосфера"(тезисы докладов). Коктебель, Украина: 2013. С. 118-119.

12. Новицкий Ю. И., Новицкая Г. В., Сердюков Ю. А. и др. Действие слабого постоянного магнитного поля на развитие вегетативных и генеративных органов магнитоориентационных типов редиса // XIII Делегатский съезд Русского ботанического общества. Т. 3. Тольятти: 2013. С. 234-235.

Подписано в печать:

20.11.2013

Заказ № 9176 Тираж - 120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Сердюков, Юрий Александрович, Москва

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К. А. Тимирязева Российской академии наук

На правах рукописи

04201451625

СЕРДЮКОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ДЕЙСТВИЕ СЛАБОГО ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА АНТИОКСИДАНТНУЮ СИСТЕМУ ПРОРОСТКОВ РЕДИСА

03.01.05 - физиология и биохимия растений

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук Ю. И. Новицкий

МОСКВА - 2013

¡2

• о

Содержание . -

1

1 1 > 1 »

ВВЕДЕНИЕ б

■ : • * к)

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 10

1.1. Геомагнитное поле и его эволюция .................'....... 10

1.2. Современные гипотезы действия магнитных полей на биологические объекты 11

1.3. Действие,ПМП на,растения............................ 15

; .' .!

1.3.1. Ориентационные эффекты в ПМП....................... 15

, , |

1.3.2. Действие ПМП на рост и развитие растений ................. 18

' ; ■ ¡. I

1.3.3. Действие ПМП на физиологические процессы................. 20

! I

1.3.4. Действие ПМП на биохимические параметры и минеральный состав растений 24

1.4. Активные формы кислорода и антиоксидантная система ........... 29

1.4.1. Активные формы кислорода........................... 30

1.4.2. Антиоксидантная система............................ 32

1.4.3. Действие постоянного магнитного поля на антиоксидантную систему ... 38

1.4.4. Заключение к главе................................ 39

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИСЛЕДОВАНИЯ 41

2.1. Выращивание растений............................... 41

2.2. Отбор семян редиса для опытов.......................... 43

') 1

2.3. Источники магнитного поля и способы его измерения............. 44

> I

2.4. Определение содержания свободного пролина в проростках редиса............45

2.5. Определение содержания малонового диальдегида в прорстках редиса. ... 46

2.6. Определение содержания окисленного и восстановленного глутатиона. ... 47

2.7. Определение активности супероксиддисмутазы..................................47

2.8. Определение активности каталазы..................................................48

2.9. Определение активности пероксидазы..............................................49

2.10. Методы статистической обработки результатов....................................49

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ 51

3.1. Действие ПМП на содержание пролина...................... 51

3.2. Действие ПМП на содержание окисленного и восстановленного глутатиона . 57

3.3. Действие ПМП на накопление малонового диальдегида........................60

3.3.1. Зависимость действия ПМП от величины индукции..........................60

3.3.2. ' Зависимость действия ПМП от освещенности..................................'65

3.4. Действие ПМП на активность супероксиддисмутазы............................67

»

3.5. Действие ПМП на активность каталазы..........................................72

3.6. Действие ПМП на активность пероксидазы......................................78

3.6.1. Действие ПМП на активность растворимой фракции пероксидазы..........78

3.6.2. Действие ПМП на активность ионсвязанной и ковалентно связанной фракций пероксидазы....................................................................84

3.7. Действие ПМП на прохождение стадий онтогенеза..............................86

ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ 92

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101

ВЫВОДЫ 104

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 106

" < Ч 4

Список сокращений

АФК — активные формы кислорода

I

ГЛ — гликолипиды

1 1 I

ГМП — геомагнитное поле

г

ДТТ — дитиотреитол МП — магнитное поле

ЗВ МОТ — западно-восточный магнитоориентационный тип МГДГ — моногалактозилдиацилглицерины МДА - малоновый диальде1 ид

НЛ — нейтральные лигшды

/

НСТ — нитросиний тетразолий ОФА — о-фталиевый альдегид ПДУ — предельно допустимый уровень ПЛ — полярные липиды ПМП — постоянное магнитное поле ПОЛ — перекисное окисление липидов СОД — супероксиддисмутаза Ст — стерины

СТВ — сверхтонкое взаимодействие

СС — свободные стерины

СХДГ — сульфохиновозилдиацилглицерины

СЮ МОТ — северо-южный магнитоориентационный тип

ТАГ — триацилглицерины

ТХУ — трихлоруксусная кислота

ФГ — фосфатидилглицерины

ФЛ — фосфолипиды

ФМСФ — фенилметилсульфонилфторид

ЭМИ — электрмагнитное излучение

ЭС — эфиры стеринов

СБН — восстановленный глутатион

СББС — окисленный глутатион

\

, ..jg

i J

i

ВВЕДЕНИЕ

/

Актуальность проблемы. Известно, что за последние несколько веков напряженность геомагнитного поля (ГМП) постепенно снижается /Храмов и др 1982/. Подобные падения, повышения, а также полные инверсии напряженности магнитного поля происходят уже не в первый раз

i v t i

за историю планеты. Однако до сих пор неизвестно, как влияют эти изме-

/ >

нения на биосферу и непосредственно на живые организмы и, в частности, « 1 i , 1 на растения; является ли измененное магнитное поле стрессовым фактором

V > 1 ; M I11!1-

или нет.

/ 11 . В последнее десятилетие дополнительным стимулом к изучению действия электромагнитных полей на живые организмы является активное антропогенное вмешетельство в электромагнитный фон в широком диапазоне - от 50 Гц в промышленных и бытовых сетях и электроприборах до гигагерцовых излучений, на которых основаны современные стандарты средств связи и коммуникации. Проблема предельно допустимого уровня (ПДУ) магнитных полей стоит как никогда остро, хотя определенные нормативы были и есть, как в нашей стране, так и зарубежом /Adams, Williams 1976/, вопрос об их соответствии современным реалиям остается открытым Для человека установлен ПДУ (СанПиН 2.2.4.1191-03) — не более 10 минут нахождения в постоянном магнитном поле (ПМП) с индукцией 30 мТл или 480 минут в ПМП 10 мТл в течение рабочего дня. Превышение этого уровня влияет на физиологическое состояние и индивидуальные особенности организма /Холодов, Лебедева, 1992; Григорьев и др., 2005/

Растения в популяции, как и другие организмы, различаются индивидуальной чувствительностью к изменению напряженности магнитного поля Редис является культурой, чувствительность которой к слабым магнитным полям, даже столь малым, как геомагнитное, можно наблюдать визуально Проявляется эта чувствительность в виде наличия двух независимых ос-

1 I

• ' , ■ '¡

новных магнитоориентационных типов, ориентирующих корневые бороздки вдоль магнитною меридиана — северо-южный магнитоориентационный тип (СЮ МОТ) и поперек магнитного меридиана — западно-восточный магнтоориентационный тип (ЗВ МОТ) /Новицкий, Травкин, 1971/ Помимо разной реакции на МП, эти МОТ различаются по биохимическому

i

i)

составу и реакции на различные факторы окружающей среды /Новицкий

1

и др , 1990/ Современные исследования показывают, что изменения магнитного поля влияют на биохимические и морфофизиологические процессы растений /Gallad, Pazur, 2005/, меняют их биохимический состав, при этом меняется не качественный состав веществ, атолько их количественные соотношения /Новицкая и др , 2008, Новицкая и др , 2010а/ ПМП модифицирует действие таких факторов, как интенсивность освещения, длина дня, температурный режим, сезон. Модифицирующий характер действия слабого ПМП может выступать как определяющий ход онтогенеза фактор

I I

/Новицкий, 2009; Новицкий, 2010/. Кроме того, чувствительность растений к слабому полю зависит от состояния магнитосферы Земли /Крылов, 2012/ Все это свидетельствует о том, что слабое магнитное поле является для растений экологически значимым фактором

Механизмы действия магнитного поля до настоящего времени окончательно не установлены По одной из гипотез, магнитное поле затрагивает работу мембран растительной клетки, меняя соотношение входящих в их состав липидов через процессы их перекисного окисления Однако, действие слабого ПМП на работу антиоксидантной системы растений практически не изучено

Цель диссертационной работы, состоит в выяснении поведения основных компонентов антиоксидантной системы проростков редиса под действием слабого постоянного горизонтального магнитного поля и последствий его воздействия в течение всего онтогенеза на адаптивные возможности популяции

и

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1 Изучить действие слабого горизонтального постоянного магнитного поля на количественный состав некоторых компонентов неферментативной антиоксидантной системы: •• < .,Ч) <

a) пролин 1

b) окисленный и восстановленный глутатион

2 Изучить действие слабого горизонтального постоянного магнитного поля на активность ферментов первичной антиоксидантной системы:

■ а) супероксиддисмутазу (СОД)

b) каталазу

I 1 ч ' >

c) пероксидазу

3 Оценить ощий уровень интенсивности перекисного окисления липи-дов (ПОЛ) по интенсивности образования его конечного продукта — малонового диальдегида (МДА).

4. Исследовать действие ПМП на онтогенез растений редиса и формирование семян.

Научная новизна. В работе впервые показано, что слабое горизонтальное постоянное магнитное поле оказывает модифицирующее действие на работу основных компонентов антиоксидантной системы. Обнаружено, что величина эффекта имеет сложную нелинейную зависимость и характер этой зависимости определяется возрастом проростков и наличием или отсутствием у них функционирующего фотосинтетического аппарата Впервые показано действие ПМП различной индукции и совместного действия ПМП и различной освещенности на интенсивность образования МДА. Установлено, что влияние ПМП на ПОЛ носит светозависимый характер. Показано, что выращивание растений в условиях увеличенной индукции ПМП в течение всего жизненного цикла приводит к торможению

появления очередных листьев, отставанию в прохождении стадий онтогене-

i

за (стрелкование, бутонизация, цветение, плодоношение), а также изменяет структуру урожая семян. Полученные результаты вносят существенный вклад в магнитобиологические исследования.

Теоретическая и практическая значимость. Выявленные особенности необходимо учитывать при выращивании растений в регионах, местностях и установках ПМП в которых отличается от геомагнитного. Полученные данные могут быть использованы в курсах лекций по физиологии растений и экологии.

j ] \п. 41 'Ч (I

Аппробация работы. Материалы диссертационной работы представлены на V Международном конгрессе "Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине" (Санкт-Петербург, 2009), Всероссийском симпозиуме "Растения и стесс"(Москва, 2010), VII Съезде Общества физиологов растений России (Н.Новгород, 2011), VI Международном конгрессе "Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине"(Санкт-

j

Петербург, 2012), IV Съезде биофизиков России (Н.Новгород, 2012), Всероссийской конференции "Инновационные направления современной физиологи растений" (Москва, 2013), X Международной конференции "Cosmos & Biosphere"(Коктебель, Украина, 2013), XIII Делегатском съезде Русского ботанического общества (Тольятти, 2013).

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 125 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследований, результатов, обсуждения, заключения и выводов. Работа содержит 5 таблиц и 39 рисунков. Список литературы включает 169 источников, из них 132 на иностранных языках

fl i' J ^ •

10

ГЛАВА 1 * . .

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Геомагнитное поле и его эволюция

Геомагнитное поле (ГМП) является всепроникающим и всеохватывающим физическим фактором. Поскольку считается, что оно возникло до

« \ I

зарождения жизни на Земле, то вся органическая эволюция прошла в его

1 v

присутствии /Киршвинк, 1989/.

I 1 I I ( ! | )

Величина напряженности ГМП непостоянна, как в локальных так и в reo логических масштабах. На протяжении всей истории планеты происходили спады, подъемы и инверсии общего уровня /Храмов и др, 1982/. В настоящее время наблюдается очередной период снижения напряженности магнитного поля Магнитные полюса также не являются фиксированными точками — они постоянно движутся и настоящее время наблюдается ускорение этого движения/Zvereva, 2012/.

Палеонтологические, палеоклиматические и палеомагнитные исследо-

I !

вания указывают на определенную корелляцию между инверсиями полярности ГМП и климатическими изменениями, атакже некоторыми массо-вими вымираниями видов. Однако четкой взаимосвязи и механизмов этих явлений пока не выяснено /Бочкарев, 1985/

В локальных временных масштабах магнитное поле Земли также не остается постоянным ГМП представляет из себя суперпозицию полей, из которых можно выделить ряд составляющих. Постоянная составляющая — основное магнитное поле, которое освобождено от всех типов вариаций с периодом до года, по-видимому обусловлено стабильными электрическими токами в ядре Земли /Бенькова, Шевкин, 1984/ .

Перменная составляющая (вариации ГМП) имеет в основном внешнее происхождение (первичное поле ионосферных или магнитосферных то-

ков, индуцированных в Земле) /Бердичевский, Жданов, 1981; Киршвинк,

' 5 г -

1989/. Из нее в свою очередь можно выделить вариационную и невариационную составляющие. К вариационным относят солнечно-суточную, лунно-суточную и годовую вариации. Непериодические вариации связаны с магнитными бурями и их интенсивность колеблется от десятков до !с'отен на-нототесл. Особый вид изменений ГМП связывают с геомагнитными пульсациями : регулярными (период от 0,2 до 600 с) и нерегулярными (периоды 1-40 с'и 40-150 с) /Яновский 1978; Сопвакв е! а1. 1994/.

1.2.. Современные гипотезы действия магнитных полей на биог логические объекты ,1 п

I > .. , ,

Механизмы действия слабых магнитных полей на биоту к настоящему

>1 П !

времени окончательно не установлены. И если принцип действия сильных магнитных полей (МП) интуитивно понятен — они вызывают упорядочивание диамагнитных частиц: молекул и даже органелл, то со слабыми МП ситуация обстоит несколько иначе. Энергии таких полей на порядки ниже тепловой энергии атомов и молекул и поэтому до недавнего времени в биофизике господствовало убеждение, что поля такой силы не способны оказывать влияние на химические, атем более физиологические процессы. Не в пользу работ, доказывающих обратное, была и плохая воспроизводимость экспериментов. Поэтому основными особенностями работ, направленных на выяснение первичных мишений действия слабого МП, являются подведение серьезной физической базы и попытки обойти, так называемую, "проблему кТ" — несоответствие энергий внешнего магнитного поля и кинетической энергии молекул, на которые оно действует.

Гипотеза "биологического компаса", основанного на специализированных ферромагнитных включениях на основе железа и его окислов, была подтверждена для некоторых животных и бактерий.

;о

Эти структуры тщательно изучены, выяснены вопросы их функцио-

I

нирования, строения, образования и их физиологическая и экологическая

!

роль. О наличии у растений подобных магнитных включений существуют единичные сообщения /Са]с1аг(Ы8ка-Ло81ГоУ8ка, 2001/, но их подтверждение или перепроверка пока не были осуществлены.

Другим объектом, обладающим парамагнитными свойствами, в клетке

являются свободные радикалы Магнитное поле может влиять на веро-

{ » 1

ятность синглет-триплетного перехода неспаренных электронов в радикалах, аследовательно и вероятность рекомбинации радикальной пары, тем

' ' I

самым изменяя выход продуктов реакции /Аристархов, 2003/ Эффектив-

■ . с: • '. ' ¡1

ная величина напряженности МП индивидуальна для каждой радикальной пары и определяется величиной СТВ-константы (константы сверхтонкого взаимодействия, сверхтонкие взаимодействия — взаимодействия спиновых магнитных моментов ядер с магнитным полем электронов) Среди неор-1анических радикалов СТВ-константы лежат в диапазоне 1-ГО3 Э1. Автор предполагает наличие в биологических системах радикальных пар, СТВ-константы которых лежат в диапазоне 0,001-1 Э

Действие сильного МП на системы со свободными радикалами гп угЬго было показано как для сугубо неорганических систем /Ко е! а1., 2001: Kalagodlna е! а1., 2009/, так и для ферментов, у которых промежуточные стадии реакции проходят с использованием свободно-радикальных процессов /Нагки^СпББот, 1995/.

1 Здесь и далее величины магнитного поля указаны в тех единицах измерения которые используют авторы оригинальных работ

Напомним о взаимосвязи единиц измерения в системах СИ и СГС

Величина В (магнитная индукция) в системе единиц СИ измеряется в теслах, в системе СГС в гауссах 1 Гс = 100 мкТл,

Величина Н (напряженность магнитного поля) измеряется в амперах на метр (А/м) в системе СИ и в эрстедах в СГС

1 Э = 1000/(4тг) А/м и 79,58 А/м

Эрстеды и гауссы являются тождественными величинами, их разделение является чисто терминологическим

t I ! 1

На основе многолетних исследований ориентации перелетных птиц, про> I

веденных Wiltschko /Wiltschko, 1974; Ritz et al., 2004/, было показано, что в основе механизма восприятия птицами магнитного поля лежат радикальные процессы с участием фоторецептора — криптохрома. Отталкиваясь от

1

1 I ' ^ 1 I

этих работ, были проведены исследования /Ahmad et al., 2007/ по выявлению биологических эффектов совместного действия ПМП (0-500 мкТл) и света с длинной волны 465 нм (к которой чувствителен криптохром) на криптохром-1 и криптохром-2 Arabidopsts thahana. Было показано, что при совместном действии синего света и МП происходило торможение роста ги-покотиля. Мутанты арабидопсиса с выключенными генами синте