Фиторемедиационный потенциал и физиологические механизмы адаптации растений рода Amaranthus L. к избыточному содержанию никеля

Черемисина, Александра Игоревна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Фиторемедиационный потенциал и физиологические механизмы адаптации растений рода Amaranthus L. к избыточному содержанию никеля
ВАК РФ 03.01.05, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Фиторемедиационный потенциал и физиологические механизмы адаптации растений рода Amaranthus L. к избыточному содержанию никеля"

На правах рукописи

005057339

/г/ /

Черемисина Александра Игоревна

ФИТОРЁМЕДИАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ РОДА АМАКАтНШ Ь. К

ИЗБЫТОЧНОМУ СОДЕРЖАНИЮ НИКЕЛЯ

03.01.05 - Физиология и биохимия растений

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

1 3 ДЕК 2012

Москва-2012

005057339

Работа выполнена в лаборатории физиологических и молекулярных механизмов адаптации Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академик наук, г. Москва.

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор

Шевикова Нина Ивановна

Официальные оппоненты:

Серегин .Илья Владимирович, доктор биологических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, лаборатория физиологии корня, ведущий научный сотрудник

Пилыцикова Наталия Владимировна, кандидат биологических наук, доцент, Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, кафедра физиологии растений, доцент

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский педагогический государственный университет, биолого-химический факультет

Защита состоится «25» декабря 2012 г. в 11:00 ч. на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 002.210.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук по адресу: 127276, г. Москва, ул. Ботаническая, 35. Факс: (495)977-80-18, e-mail: ifr@ippras • ГЦ

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

Автореферат разослан «23» ноября 2012 года.

Учёный секретарь диссертационного совета, !

кандидат биологических наук ¡у1/^" Азаркович Марина Ивановна

п у

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Усиление антропогенной деятельности в связи с началом Научно-технической революции в середине XX века менее чем за 100 лет привело к появлению качественно новых видов загрязнителей окружающей среды, среди которых особое место занимают тяжелые металлы, в частности никель.

В связи с загрязнением наземных экосистем тяжелыми металлами значительные территории сельскохозяйственных земель были выведены из оборота, а на части территорий, оставшихся в пользовании, регистрируется снижение продуктивности и ухудшение качества производимой сельскохозяйственной продукции. Это определяет необходимость изучения особенностей воздействия тяжелых металлов, в том числе и никеля, на различные виды сельскохозяйственных растений для оценки их адаптационного потенциала и изучения механизмов устойчивости с целью разработки технологий очистки загрязненных территорий.

Как известно, основными источниками загрязнения почв никелем являются горнодобывающие и металлургические предприятия, транспорт, полигоны промышленных и бытовых отходов. Усиленная добыча никеля и угрожающие масштабы загрязнения им наземных экосистем в последние годы делает его одним из значимых поллютантов. Это обстоятельство инициировало интерес ученых к исследованию ответа растений на действие токсичных концентраций никеля.

Перспективными для целей фиторемедиации видами растений могут быть представители рода АтагапЛих Ь., которые широко используются в озеленении городов и ландшафтном дизайне. Растения этого рода (А. сгиепШз, А. рап1си1аЫ5, А. саис1а1ш) имеют широкий ареал произрастания и часто приурочены к сорным местообитаниям. Вместе с тем практически не исследованы механизмы устойчивости растений амаранта к действию высоких концентраций тяжелых металлов и не проведена оценка их фиторемедиационного потенциала. Это делает целесообразным проведение скрининга различных видов амаранта, в том числе и полученных гибридных форм, на устойчивость к ионам никеля.

Цель и задачи исследования. Целью работы являлась оценка уровня устойчивости и изучение механизмов адаптации растений различных видов Amaranthus L. к токсическому воздействию ионов никеля и поиск физиологических путей повышения их фиторемедиационного потенциала с целью применения в технологии фиторемедиации. Задачи исследования:

1. Провести скрининг растений рода Amaranthus L. на устойчивость к токсическому воздействию ионов никеля для обоснования их применения в технологии фиторемедиации. .

2. Исследовать роль никеля в индукции окислительного стресса у растений амаранта и изучить особенности функционирования антиоксидантаых ферментов.

3. Исследовать физиологические причины развития у растений амаранта хлороза на фоне действия токсических концентраций никеля.

4. Исследовать возможное участие полиамииов в защитном ответе растений амаранта на действие высоких концентраций никеля, а также их роль в повышении фиторемедиационного потенциала растений.

Научная повизна. Выявлены растения гибридной формы A. pctniculatus f. cruerttus, обладающие высоким фиторемедиационным потенциалом, что делает их перспективными для очистки загрязненных никелем территорий. Впервые установлено, что на молодых листьях растений A. paniculatus f. cruerttus в ответ па действие высоких концентраций никеля развивается хлороз, в основе которого лежит резкое падение в тканях общего содержания железа (Fe2+ и Fe3+). На фоне действия никеля установлено появление у растений Ni/Fe антагонизма, что явилось следствием ингибирования в условиях окислительного стресса активности Fe3 ^-хелатредуктазы и процесса восстановления Fe3+ до Fe2+. Впервые показано, что нутресцин вовлекается в межорганный транспорт никеля, что способствует повышению фиторемедиационного потенциала растений.

Практическая значимость. Полученные в диссертационной работе данные об

изменении содержания полиаминов и о причинах развития Ni/Fe антагонизма в условиях действия высоких концентраций никеля имеют большое значение для понимания механизмов адаптации растений к действию тяжелых металлов. Полученные результаты позволяют рекомендовать использование амаранта А. paniculatus f. cruentus в целях фиторемедиации для очистки почв городских газонов от загрязнения никелем, а экзогенную обработку путресцином - для повышения фиторемедиационного потенциала растений. Результаты исследований могут быть использованы в практике растениеводства, а сделанные на их основе теоретические обобщения — для разработки курсов лекций для студентов биологических специальностей университетов.

Апробация работы. Результаты данной работы были представлены на 7-ой Международной конференции по фитотехнологиям (Парма, Италия, 2010); Всероссийском симпозиуме «Растение и стресс (Plant under Environmental Stress)» (Москва, 2010); семинаре молодых ученых в Институте физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН (Москва, 2011); Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломопосов-2011» (Москва, 2011); Международной конференции «Биология - наука XXI века» (Москва, 2011); 5-ой Европейской конференции по биоремедиации (Ханья, Греция, 2011); VII Съезде Общества физиологов растений России «Физиология растений - фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» (Нижний Новгород, 2011); Всероссийском симпозиуме «Экология мегаполисов: фундаментальные основы и инновационные технологии» (Москва, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, из которых 2 статьи в рецензируемых журналах.

Струетура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объекта и методов исследований, изложения полученных результатов и их обсуждения, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Материалы диссертации изложены на 114 страницах машинописного текста и

содержат 4 таблицы и 34 рисунка. Список цитируемой литературы включает 246 наименований, в т.ч. 216 иностранных.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве объекта исследований использовали растения амаранта трех гибридных форм: Amaranthus paniculatus f. cruentus («Вишневый джем»), Amaranthus paniculatus («Бронзовый век») и Amaranthus caudatus f. viridis («Изумруд»). Растения рода Amaranthus L. имеют широкий ареал произрастания, что может свидетельствовать об их высоком адаптационном потенциале. Благодаря высокой урожайности (35-60 ц/га зерна и 1000-2000 ц/га биомассы) и интенсивному росту (до 6-7 см в сутки во втором месяце вегетационного периода) растения амаранта являются удобным объектом для изучения физиологических механизмов устойчивости к токсичным концентрациям никеля.

Растения культивировали в камере фитотрона в водной культуре при 12-часовом световом периоде при интенсивности освещения 150 ± 30 мкмоль фотонов/м^с"1, температуре воздуха 23 — 25°С днем и 15 — 17°С ночью и относительной влажности воздуха 55 и 70% днем и ночью соответственно.

Условия проведения опытов. Растения амаранта в возрасте 6-ти недель подвергали воздействию хлорида никеля (Ni С У в концентрациях: 0 (контроль), 50, 100 и 150 мкМ и выращивали в течение 7 суток в контрольных условиях (содержание Ре3+-ЭДТА в питательной среде составляло 2 мкМ) или при добавлении повышенной концентрации Ре^-ЭДТА (100 мкМ), после чего растения фиксировали жидким азотом и хранили при -70°С.

В отдельных опытах для исследования функционирования защитных механизмов, а также для оценки фиторемедиационного потенциала использовали растения амаранта, произраставшие в течение 7 суток в присутствии N1CI2 (0, 25, 50, 100 и 150 мкМ) в питательной среде.

Для изучения защитного действия полиаминов б-недельные растения Amaranthus paniculatus f. cruentus, произраставшие в присутствии 100 мкМ №С12,

ежедневно (в течение 5-ти суток) опрыскивали водными растворами путресцина и спермидина в смеси с ингибиторами их катаболизма (аминогуанидип, гуазатин).

Определение биомассы органов растений. Оценку темпов накопления биомассы проводили гравиметрическим методом на аналитических весах («Mettler Toledo» AB54-S, Германия) с точностью до 0,1 мг после промывки корневой системы растений дистиллированной водой и подсушивания на фильтровальной бумаге.

Содержание металлов (Fe, Ni) в тканях растений определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре Лабист-400 («Лабист», Россия). Навеску воздушно-сухого растительного материала (30-50 мг) минерализовали в растворах концентрированных HN03 и HCIO4 (2:1) в течение 24 ч при комнатной температуре, а затем иикубиропали в термостате TDB-A-400 («BioSan», Латвия) последовательно при 150°С - в течение 1,5 ч и 180°С - в течение 2 ч.

Содержание малонового диальдегида (МДА) определяли спектрофотометрически по образованию окрашенного комплекса МДА с тиобарбитуровой кислотой при нагревании (Healh, Packer, 1968).

Определение содержания фотосинтетнческих пигментов проводили по методу, предложенному Lichtenthaler (Lichtenthaler, 1987).

Определение активность супероксидднсмутачы (СОД) проводили по методу Beauchamp (Beauchamp, Fridovich, 1971), основанному на ингибировапии СОД фотохимического восстановления нитросинего тетразолия до формазапа и выражали в условных единицах активности СОД/мг белка.

Активность гваяколовых пероксидаз (ГПО) определяли спектрофотометрически по скорости окисления гваякола (Шевякова и др., 2002).

Активность аскорбатпероксндазы (АПО) определяли

спектрофотометрически по скорости разрушения АПО аскорбиновой кислоты, согласно методу Nakano и Asada (1981).

Активность каталазы измеряли спектрофотометрически по скорости разрушения перекиси водорода каталазой грубого экстракта (Maehly, Chance, 1954).

Содержание белка в ферментативных препаратах определяли спектрофотометрически с использованием красителя Кум ас с и R-250 (Esen, 1978).

Определение активности Ке3+-хелатрсдукта1Ы проводили по методу (Yi and Guerinot, 1998), основанному на образовании высокоспецифичного комплекса Fe2+ с хелатором феррозином.

Определение активности полпаминоксидазы (ПАО) проводили по Cona et al. (2003). Активность ПАО рассчитывали по количеству образовавшейся перекиси водорода при окислительной деградации спермидииа.

Содержание свободных полиаминов определяли в виде их дансил-производных методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (Goren, 1982; Zacchini et al., 2005).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Сравнительный анализ накопления биомассы и содержания ионов никеля у растений амаранта при действии хлорида никеля

Основными критериями выбора растений для фиторемедиации являются: накопление биомассы, вынос достаточного количества тяжелых металлов растениями и их способность полностью проходить все стадии онтогенеза. В связи с этим одной из задач настоящего исследования был анализ накопления надземной биомассы и биомассы корней растениями амаранта в присутствии различных концентраций NiCl2 в питательной среде.

Увеличение концентрации ионов никеля в питательном растворе приводило к снижению прироста надземной биомассы и биомассы корней у всех исследуемых растений амаранта (рис. 1).

контроль 50 100 150 контроль 50 100 150

NiCl2, мкМ

Рисунок 1 — Накопление сырой биомассы надземной части (а) и биомассы корней (б) растениями амаранта: 1 — А. paniculatus (Бронзовый век), 2 —А. caudatusf. viridis (Изумруд), 3 —А. particulatus f. cruentus (Вишневый джем)

Анализ содержания ионов никеля в растениях показал, что наибольшее накопление никеля наблюдалось у амаранта А. ратсиШиз / сгиепЫз при всех испытанных концентрациях №С12 в питательной среде (рис. 2), исключением было содержание ионов никеля в побегах при 100 мкМ №С12.

и 1 П2 вз

300

250

Л о

о 2 200

О 150

U 100

s 50

NiCl* мкМ

Рисунок 2 — Накопление ионов никеля надземной частью (а) и корнями (б) растений амаранта: 1 —A. paniculatus, 2 —А. caudatus f. viridis, 3 — A. paniculatus f. cruentus

Максимальное содержание ионов никеля в надземной массе амаранта А. paniculatus f. cruentus было обнаружено при 150 мкМ NiCl2 в питательной среде, что было практически в 2 раза больше содержания ионов этого металла в побегах других исследуемых растений амаранта (А. paniculatus, А. caudatus f. viridis) и составляло

237,8 мкг/г сухой массы, в корнях - 383,6 мкг/г сухой массы при 100 мкМ №СЬ (рис. 2).

Таким образом, несмотря на относительно низкое накопление биомассы по сравнению с другими гибридными формами, А. ратсиШш / сгиеЫш обладал наибольшей №-аккумулирующей способностью, что делает его более привлекательным для целей фжоремедиации. В связи с полученными результатами все дальнейшие исследования были проведены на гибриде -А. ратсиШш/ сгиеШш.

Исследование антиоксидантного статуса растений А. рапісиІаШй/ сгиепШі при различных концентрациях никеля в среде

Анализ развития окислительного стресса показал, что токсическое действие повышенных концентраций ионов никеля практически не приводило к увеличению содержания МДА в листьях и корнях растений амаранта (рис. 3), что свидетельствовало о незначительном развитии окислительного стресса.

is о а.

л _ о S

•С о л та

О в

S 2 S

0,04 і 0,03 0,02 0,01 0

О листья Ш корни ■f

100

контроль 25 50 NiCl2. мкМ

Рисунок 3 - Содержание малонового диальдегида в листьях и корнях растений A. paniculatus f. cruentus при различных концентрациях никеля

Для изучения реакции растений A. paniculatus f. cruentus на стресс, вызванный

никелем, были исследованы активности ключевых ферментов детоксикации активных

форм кислорода (супероксиддисмутаза, гваяколовая пероксидаза,

аскорбатнероксидаза, каталаза).

Из полученных данных видно (рис. 4), что активность общей СОД в листьях

при 50 мкМ NiCl2 увеличивалась в 2,5 раза по сравнению с контролем (К), при 150

мкМ - в 3 раза. Более существенное повышение активности этого фермента было

найдено в корнях. Так, уже при 50 мкМ NiCl2 активность СОД возрастала раз, а при 150 мкМ - в 10,5 раз (рис. 4а).

почти в 7

гh

□ листья И корни

100 150

350 300

>я 5 о s я S

к ^

«о § 200

g Ь 150

й ё

о о

100 50 0

□ листья т И корни

rfl

S 6 О

X 4

S 2 2

rih

□ листья ® корни

гЪ

К 25 50 100 150 к 25 50 100 150

№С12, мкМ

Рисунок 4 - Изменение активности супероксидцисмутазы (а), гваяколовой нероксидазы (б), аскорбатпероксидазы (в) и каталазы (г) в растениях А. рап1си1аШ$/. сгиеШш

Активности гваяколовой пероксидазы и аскорбатпероксидазы увеличивались в листьях, тогда как в кортах происходило их ингибирование (рис. 46,в). Отметим, что повышение активности аскорбатпероксидазы и гваяколовой пероксидазы в листьях положительно коррелировало с увеличением содержания МДА (рис. 3). Воздействие ионов никеля приводило к ингибированию активности каталазы во всех органах растений (рис. 4г).

Таким образом, обнаружено органоснецифическое функционирование антиоксидантных ферментов в растениях А. ратси1аШ / сгиеп1ш, зависящее от концентрации никеля в питательной среде.

Характеристика фигоремедиацнонного потенциала растений А. ратсиШиь/. сгиеМиь Под фиторемедиационным потенциалом обычно понимают способность растений выдерживать значительные концентрации тяжелых металлов (ТМ) и накапливать достаточное количество ионов ТМ в надземной массе. В связи с этим был произведен анализ содержания ионов никеля в различных органах растений А. рапісиїаіш / с те Шиз.

NiCl2, мкМ

Рисунок 5 - Аккумуляция ионов никеля листьями (а), стеблями (б), корнями (в) и целым растением (г) A. paniculatus f. cruentus на 7 сутки воздействия различных концентраций NiCl2 в питательной среде

Максимальное содержание ионов никеля было обнаружено в листьях растений, произраставших при 150 мкМ №С12 в питательной среде, и составляло 78 мкг/г сухой массы, в стеблях - 150 мкг/г сухой массы при 100 мкМ NiCl2 и 222 мкг/г сухой массы при 150 мкМ NiCl2. Кроме того, из полученных данных следует, что максимальное количество ионов никеля аккумулировалось в корнях растений A. paniculatus f.

сгиеШш, произраставших при 100 мкМ №С12, и составляло 400 мкг/г сухой массы, в то время как при 150 мкМ №С12 - 330 мкг/г сухой массы.

Для оценки устойчивости растений А. ратсиШш / сгиепЫй использовали индекс устойчивости (рис. 6а), рассчитанный по изменению отношения сухой массы растений, произраставших на различных концентрациях хлорида никеля, к сухой массе контрольных растений.

1 - 50

25 50 100 150 25 50 100 150

№С12, мкМ

Рисунок 6 - Индекс устойчивости (а) и фактор биоконцентрации никеля растениями А. ратсиШий/ сгиепШз

С целью оценки способности растений амаранта аккумулировать N1 в тканях был рассчитан фактор биоконцентрации никеля (рис. бб), являющийся отношением содержания ионов никеля в тканях растений (мг/кг) к содержанию ионов никеля в питательном растворе (мг/кг).

С увеличением концентрации №С12 в среде индекс устойчивости и фактор биоконцентрации никеля снижались, что отрицательно коррелировало с накоплением никеля в растениях А. ратсиШш/ сгиепШя (рис. 5).

Влияние ионов никеля на содержание ионов железа в растениях А. ратси1аШз/ сгиеШиз Признаки хлороза верхних листьев исследуемых растений А. ратсиЫш / сгиепШв обнаруживались уже при действии 50 мкМ №С12 (рис. 7), что могло свидетельствовать о развивающемся дефиците железа.

2 мкМ Ре3 ЭДТА 100 мкМ Ре -ЭДТА

Рисунок 7 — Признаки хлороза верхних листьев растений А. ратси1аШз/ сгиепШэ, выращиваемых в течение 7 суток при 50 мкМ №С12 и различных концентрациях железа (2 (контроль) и 100 мкМ)

Нарушение гомеостаза железа при воздействии высоких концентраций ионов никеля является одной из причин подавления роста и развития растений. В связи с этим был произведен расчет относительного коэффициента транслокации никеля и железа, по изменению отношения содержания каждого из исследуемых металлов (N1, Ре) в надземной массе к его содержанию в корневой системе (рис. 8).

2,5 -|

- т N1

-4 -г* Ч"» 1С

в g ц. 1,5

ч 5 s

и Э s

s М- э 1

I -1

| S | 0,5

-t nh -in

Fe ПлГ l-i- т

100

150

NiCl2, мкМ

Рисунок 8 - Относительный коэффициент транслокации ионов никеля и железа из корней в надземные органы растений A. paniculatus f. cruentus

Полученные результаты свидетельствуют о проявлении явного антагонизма между двумя металлами в области низкой (50 мкМ) концентрации ионов никеля. В то же самое время при действии на растения более высоких концентраций NiCl2 (100 и 150 мкМ) такого антагонизма между никелем и железом на уровне поступления их в надземную часть растений A. paniculatus f. cruentus не наблюдалось. Одной из причин

наблюдаемого Ni/Fe антагонизма в области низких концентраций NiCl2 может быть способность ионов никеля занимать белки-переносчики железа и, тем самым, препятствовать поступлению Fe2+ в надземные части растений.

Как известно, железо поступает в надземные части растений в активной форме (Fe2+), процесс восстановления которой катализируется Ре3+-хелатредуктазой (Шевякова и др., 2010). Для выяснения вопроса о влиянии никеля на восстановление Fe3+ до Fe2+ в корнях, и опосредованном воздействии на процесс поступления железа в листья, было исследовано изменение активности фермента Ре3+-хелатредуктазы а интактных корнях растений, произраставших в течение 7 суток в присутствии различных концентраций NiCl2 (рис. 9).

контроль 25 50 №С12, мкМ

Рисунок 9 - Ингибирование никелем активности Ре^+-хелатредуктазы в интактных корнях растений А. ратсиШш/ сгиепШя

Показано, что добавление хлорида никеля во всех исследуемых концентрациях (25 - 100 мкМ), резко снижало активность фермента, особенно при 50 мкМ, что могло быть причиной недостатка железа в листьях растений А. ратси1а1ш/. сгиепШэ.

Совместное влияние ионов никеля и железа в различных концентрациях на содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений А. ратсиШиь / сгиеМиз

Известно, что тяжелые металлы, в том числе и никель, ингибируют фотосинтез и нарушают структуру хлоропластов. Индикатором этих процессов может служить содержание фотосинтетических пигментов (хлорофиллов и каротиноидов). В связи с

этим было исследовано совместное действие никеля и железа на содержание фотосинтетических пигментов.

О со

О. -5

о 2

ё £ = 2

о. 2

□ контроль (2 мкМ Ре) ■ 100 мкМ Ре

■ь _

0,7 0,6 -

I. 8 0.Н

О стЗ

о 2 0,4 ч «

0,2 0,1 О

□ контроль (2 мкМ Ре) ИЮОмкМ Ре

Г>П-

100

0,7 п

I 0-6 ■

в) ^ 0,5 -

3 с

* з 0,4 "

« М о '

||1 0.3

О О

и I 0,2

а о,1 -

□ контроль (2 мкМ Ре) И 100 мкМРе

иЬ

1*1

100

К 25 50 N¡012, мкМ

Рисунок 10 - Влияние ионов никеля на содержание хлорофилла а (а), хлорофилла Ь (б) и каротиноидов (в) в листьях растений А. ратси1а1ж/ сгиеМия

Из полученных экспериментальных данных (рис. 10) следует, что листья

растений А. ратсиЫш / сгиеМш, выращенных на питательной среде с различным

уровнем железа, резко различались по содержанию фотосинтетических пигментов.

Растения амаранта, произраставшие при 100 мкМ Ре3+-ЭДТА и в отсутствии №С12 в

среде характеризовались большим содержанием хлорофилла о (в 2 раза) (рис. 10а) и

каротиноидов - в 1,6 раз (рис. 10в), чем контрольные растения (2 мкМ Ре3+-ЭДТА). В

то же время содержание хлорофилла Ь в этих растениях было ниже (в 1,8 раз), по

сравнению с растениями, произраставшими при 2 мкМ железа в питательной среде

(рис. 106). Кроме того, у растений амаранта, выращенных при 50 мкМ №С12 и 100

мкМ Ре3+-ЭДТА, содержание хлорофилла а было в 3 раза, а каротиноидов - в 1,8 раз

больше. Содержание хлорофилла Ь в этих же условиях было в 1,2 раза меньше, чем в

растениях амаранта при контрольной дозе железа (2 мкМ). На основании полученных

данных, можно выдвинуть предположение о том, что повышение дозы железа в питательном растворе способствует увеличению содержания хлорофилла а и, в меньшей степени, каротиноидов в листьях амаранта, что способствует сохранению зеленой окраски листьев растений А. ратсиШш/ сгиепХт.

Анализ влияния избытка ионов железа на накопление биомассы и ионов ннкеля растениями А. рамсиШиа/ сгиепШх

Полученные нами данные также свидетельствуют о том, что повышение содержания железа в питательной среде способствовало не только увеличению содержания фотосинтетических пигментов (рис. 10), сохранению зеленой окраски (рис. 7), но и накоплению биомассы листьев и корней (рис. 11).

контроль 50 100 150 контроль 50 100 150

NiClz, мкМ

Рисунок 11 - Совместное влияние различных концентраций ионов железа и никеля в питательной среде на биомассу листьев (а) и корней (б) растений A. paniculatus f. cruentus

Повышение содержания ионов железа в питательной среде сопровождалось увеличением его содержания в листьях растений A. paniculatus f. cruentus (рис. 12а), но практически не влияло на аккумуляцию ионов никеля в них. Более того, при 150 мкМ NiCl2 в питательной среде у растений амаранта, произраставших при повышенной дозе железа (100 мкМ), содержание ионов никеля в листьях было в 2 раза ниже, чем в листьях контрольных растений (2 мкМ Fe) (рис. 126).

600

500

2 о о 400 •

« о 300

о и 200 •

3 100

□ контроль (2 мкМ Ре) ВЮОмкМ Ре

100

8 80 в

=к 60 §

9 40

а 20

□ контроль (2 мкМ ¥е) И 100 мкМ Ре

100

150

100

150

Ы1С12, мкМ

Рисунок 12 - Совместное влияние различных концентраций ионов железа и никеля в питательной среде на содержание ионов общего железа (а) и никеля (б) в листьях растений А. ратси1аШ$/ сгиеЫш

Совместное влияние ионов никеля и железа на уровень окислительного

стресса в листьях растений А. ратсиШив/ сгиепШэ Поскольку одним из проявлений токсического действия никеля является окислительный стресс, было исследовано совместное действие никеля и железа на развитие этого процесса.

□ контроль (2 мкМ Ре) В 100 мкМ Ре

контроль 25 50

№С12, мкМ

Рисунок 13 - Совместное влияние различных концентраций ионов железа и никеля в питательной среде на содержание малонового диальдегида в листьях растений А. ратси1аШя/ сгиепгш

Полученные нами данные по содержанию МДА (рис. 13) показали, что присутствие в питательной среде никеля на фоне высокой концентрации железа (100 мкМ) индуцировало развитие окислительного стресса в большей степени, чем у

контрольных растений (2 мкМ) (рис. 13). Предположительно, усиленное поступление в листья каталитически активной формы Ре2+, могло индуцировать окислительную реакцию Фентона с образованием гидроксил-радикала.

Таким образом, оптимальная концентрация железа, необходимая растениям для нормального роста и развития, находится в весьма узких пределах. По этой причине для повышения фиторемедиационного потенциала растений для никеля и улучшения их жизнеспособности, с одной стороны, требуется поддержание в клетках гомеостаза железа, а с другой - накопление совместимых метаболитов, способных снижать токсичность никеля.

Изучение роли полиамииов в адаптации растений А. ратсиШиз/. сгиепШй к повышенному содержанию ионов никеля

Одним из компонентов антиоксидантной системы растений являются полиамины (ПА), участие которых в формировании защитного ответа, было показано ири различных типах неблагоприятных воздействий (Киг^зоу, ЗЬеууакоуа, 2007). В последнее время рассматривается вопрос об их вовлеченности в адаптацию растений к воздействию тяжелых металлов. С целью анализа защитной роли полиаминов в условиях стресса, индуцированного ионами никеля, определялось содержание путресцина, спермидина, спермина и продукта их деградации - 1,3-диаминопропана в листьях и корнях опытных растений на 7 сутки эксперимента.

В листьях контрольных растений содержание основных Г1А было в 2 раза ниже, чем в листьях растеиий, подверженных стрессу (рис. 14а), тогда как в корнях, наоборот, оно повышалось в 4 раза (рис. 146). Подобная закономерность изменения содержания полиаминов в органах растений при стрессорном воздействии (100 мкМ №С12) свидетельствует об их транспорте из корневой системы в надземные органы.

>я о Б.

400 350 300 250 200 150 100 50 0

□ дап ■ спм Оспд И пут

200 180 160 3 140

1 120

а, 100

^ 80 Л

1 60

40 20 0

о дап

■ спм

□ спд

щ И пут

контроль

100 мкМ №С12

контроль 100 мкМ N¡012 Рисунок 14- Содержание свободных полиаминов в листьях (а) и корнях (б) растений А. рап1си1Ш1и/. сгиеШш при действии №С12

С)'дя по относительно высокому содержанию в листьях и корнях растений амаранта продукта окислительной деградации ПА — 1,3-диаминопропана, внутриклеточное содержание полиаминов контролировалось их деградацией, катализируемой полиаминоксидазой (ПАО).

В последнее время предполагают, что ПАО играет важную роль в активации ряда защитных реакций в растениях при действии абиотических и биотических стрессоров (Сопа е1 а!., 2006). Это связано с образованием 11202 в реакции, катализируемой ПАО. Пероксид водорода является сигнальной молекулой и индуцирует экспрессию многих генов, включенных в адаптационный процесс у растений (Креславский и др., 2012). В связи с вышесказанным нами была определена активность ПАО в листьях и корнях амаранта Л. ратси1аЫз/. сгиепйч (рис. 15).

2,5

о л 2

в* 1,5

о 1

.І п 0,5

% 0 ■

□ листья н корни

контроль 50

100

150

№С12, мкМ

Рисунок 15 - Активность полиаминоксидазы в листьях и корнях растений А. ратсиШия/ сгиепШ в присутствии различных концентраций №С12

Отметим, что в листьях контрольных растений активность ПАО была в 2 раза выше, чем в корнях. Полученные данные но исследованию активности ПАО в листьях и корнях растений в присутствии ионов никеля свидетельствуют об ингибировании данного фермента (рис. 15). Это позволяет предположить, что регуляция внутриклеточного уровня ПА имеет большое значение не только в нормальных условиях, но и в условиях действия повышенных концентраций ионов никеля. На основании этого мы полагаем, что даже низкая активность ПАО при действии никеля на растения, может быть важным компонентом защитной системы растений.

Возможная роль полиаминов в улучшении фиторемеднациоиных свойств

растений А. рашси1аШэ/ сгиепШв Результаты опытов с ПА позволяют высказать предположение о том, что на интенсивное стрессориое воздействие (100 мкМ №С12), растения отвечают индукцией синтеза низкомолекулярных органических соединений, обладающих хелатирующим или протекторным действием. Одним из вариантов повышения внутриклеточного содержания ПА является обработка растений экзогенными ПА совместно с ингибиторами их катаболизма - полиаминоксидазой и диаминоксидазой.

Таблица 1 — Влияние экзогенных полиамшюв ira содержание в листьях ионов никеля и железа у растений A. paniculatus f. cruencus, произраставших в присутствии

100 мкМ№С12

Вариант обработки полиаминами Ni, мкг/г сухой массы Fe, мкг/г сухой массы

100мкМ№С12 191,5±13,4 100,0±6,7

1 мМ путресцин + 1 мМ аминогуанидин 377,0±30,1 63,7±3,8

1 мМ спермидин + 1 мМ гуазатин 217,1±13,7 169,8±12,6

Как следует из данных табл. 1, экзогенная обработка путресцином совместно с аминогуанвдином листьев растений А. ратси1а1и$ / сгиепШ, произраставших в течение 5-ти дней в присутствии 100 мкМ №СЬ, повышала содержание ионов никеля в листьях и незначительно уменьшала содержание ионов железа. Опрыскивание листьев спермидином совместно с гуазатином практически не влияла на аккумуляцию ионов никеля, но способствовала увеличению содержания ионов железа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании полученных данных было установлено, что все исследуемые растения рода АтагапЖш Ъ. характеризовались различной способностью накапливать никель в надземной биомассе. Наибольшей №-аккумулирующей способностью характеризовался гибрид А. ратси!аШ / сгиепЫв, накапливающий до 237,8 мкг >11/г сухой массы в надземных органах. Столь высокое содержание ионов никеля в надземных органах, а также способность заканчивать онтогенетический цикл в условиях загрязнения среды никелем может служить основанием для отнесения гибрида А. ратси1а1и$ / сгиеШт к видам, перспективным для использования в качестве фиторемедианта на №-загрязненных территориях.

Результаты исследований антиоксидантного статуса растений А. ратси1миз /. сгиепПи при воздействии различных концентраций ионов никеля выявили органоспецифичный характер функционирования антиоксидантных ферментов,

характеризующийся дозовой зависимостью от NiCI2.

Визуальные признаки хлороза верхних листьев, обнаруживаемые у гибрида А. paniculatus f. cruentus даже при действии 50 мкМ №С12, были связаны с нарушением поступления в них железа вследствие проявления Ni/Fe антагонизма и ингибирования ионами никеля активности Ре1+-хелатредуктазы. Результатом этого являлось снижение содержания фотосинтетических пигментов (хлорофилл а, хлорофилл Ь, каротиноиды), а также дифференциальное изменение активностей пероксидазы и каталазы, связанное с развитием дефицита железа.

Повышенная доза железа (100 мкМ) способствовала увеличению накопления сырой биомассы листьев и корней растений A. paniculatus f. cruentus, а также увеличению содержания фотосинтетических пигментов (хлорофилла а и каротиноидов) и, как следствие, сохранению зеленой окраски верхних листьев.

Повышение дозы железа в питательной среде в 50 раз по сравнению с контролем (2 мкМ), приводило к 15-кратному увеличению содержания железа в листьях, но практически не влияло на накопление ионов никеля. Более того, при 150 мкМ NiClj в питательной среде у растений амаранта, произраставших в присутствии 100 мкМ Fe3+-3flTA, содержание ионов никеля снижалось вдвое по сравнению с контрольными растениями (2 мкМ Fe -ЭДТА).

Действие 100 мкМ NiCl2 не вызывало значимых изменений содержания полиаминов в растениях A. paniculatus f. cruentus, однако сопровождалось усилением их транспорта из корневой системы в надземные органы.

Проведенные исследования показали, что при изучении фиторемедиационного потенциала растений, аккумулирующих никель в надземных органах, необходимо исследовать их способность сохранять гомеостаз железа и поддерживать функционирование антиоксидантных систем, а также аккумулировать полиамины или иные низкомолекулярные органические соединения, обладающие хелатирующими или стресс-протекторными свойствами.

выводы

1. Токсическое действие ионов никеля на растения амаранта вызывало развитие окислительного стресса и сопровождалось дифференциальным изменением активностей антиоксидацтных ферментов (супероксиддисмутаза, каталаза, аскорбатпероксидаза, гваяколовые пероксидазы) в подземной и надземной частях растений.

2. Действие никеля на растения амаранта приводило к развитию хлороза вследствие снижения содержания физиологически активного железа (Fe2+) в надземных частях растений из-за ингибирования активности Ре3+-хелатредуктазы и нарушения процесса восстановления железа (Fe3+ до Fe2+).

3. Воздействие 100 мкМ NiCI2 на растения амаранта сопровождалось ингибированием активности полиаминоксидазы, более выраженным в корневой системе, и транспортом полиаминов (путресцин, спермидин) в надземные органы, без значимых изменений их содержания в целом по растению.

4. Экзогенная обработка амаранта спермидином совместно с гуазатином способствовала увеличешпо содержания железа в листьях, в то время как применение путресцина совместно с аминогуанидином приводило к повышепию выноса Ni листьями растений, зто позволяет рекомендовать применение полиаминов для повышения фиторемедиационного потенциала амаранта.

5. Среди исследованных растений рода Amaranthus L. наибольшей N¡-аккумулирующей способностью характеризовался гибрид A. paniculatus f. cruentas (Вишневый джем), сохранявший жизнеспособность и высокую фиторемедиационную способность на фоне действия 100 мкМ NiCIj, что позволяет рекомендовать его для очистки загрязненных никелем почв.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Cheremisina A, Shevyakova N., Kuznetsov V. (2010) Investigation of Phytoremediation Potential of Plant Species (Brassica napus L. and Amaranthus cruentus

L.) for Ni-contaminated Soils. 7,h International Conference on Phytotechnologies (Parma, Italy), p. 154.

2. Shevyakova N., Cheremisina A., Kuznetsov VI. (2010) Nickel Phytoremediation Potential for Amaranthus cruentus L. Plants. Ni/Fe Antagonist« and Mechanisms of Ni Detoxication. Растение и стресс (Plant under Environmental Stress). Тезисы докладов: Всероссийский симпозиум, Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН (Москва), с. 17-18.

3. Черемисина А.И. (2011) Скрининг растений рода Amaranthus: антагонизм никеля и железа и хелатирующая роль полиаминов. «Ломоносов-201 In. Тезисы докладов: XVIII Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных (Москва), с. 226.

4. Черемисина А.И. (2011) Фиторемедиационный потенциал гибридов рода Amaranthus: антагонизм никеля и железа. «Биология - наука XXI века». Сборник тезисов: 15-я Пущипская международная школа-конференция молодых ученых (Пущино), с. 417.

5. Cheremisina А., Shevyakova N., Kuznetsov VI. (2011) Plants of Genus Amaranthus are Promising Species for Phytoremediation of Ni-contaminated Soils in Russia. «5Ü' European В ioremediation Conference» (Chania, Grcece), p. 10.

6. Шевякова Н.И., Черемисина А.И., Кузнецов Вл.В. (201 \) Возможные причины возникновения Ni/Fe антагонизма у растений амаранта. VII Съезд Общества физиологов растений России «Физиология растений - фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» и Международная научная школа Инновации в биологии для развития биоиндустрии сельскохозяйственной продукции (Нижний Новгород), с. 754-755.

7. Черемисина А.И., Шевякова Н.И., Кузнецов Вл.В. (2011) Роль полиаминов и пролина в адаптации растений рода Amaranthus х никелю. Сборник тезисов: Всероссийский симпозиум «Экология мегаполисов: фундаментальные основы и инновационные технологии» (Москва), с. 151.

8. Шевякова Н.И.. Черемиснна А.И., Кузнецов Вл.В. (2011) Фиторемедиационный потенциал гибридов рода АтагапЛт: антагонизм никеля и железа и хелатирующая роль полиаминов. Физиология растений, 58, 547-557.

9. Черемиснна ЛИ., Шевякова Н.И., Кузнецов Вл.В. (2012) Динамика аккумуляции никеля и возможные причины дефицита железа в листьях гибридной формы амаранта. Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Агрономия и животноводство, 3, 21-30.

Подписано в печать:

21.11.2012

Заказ № 7894 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Черемисина, Александра Игоревна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами.

2. Применение фиторемедиации для очистки почв от тяжелых металлов.

3. Содержание и распределение никеля в почвах.

4. Роль растений-гипераккумуляторов никеля в природе.

5. Роль никеля в жизнедеятельности растений.

6. Поступление, транспорт и распределение ионов никеля в растении.

7. Токсическое действие избыточного содержания ионов никеля на растения.

8. Влияние избыточного содержания ионов никеля на поступление ионов других тяжелых металлов и эссенциальных элементов в растения.

8.1. Антагонизм ионов.

8.2. Ni/Fe антагонизм.

9. Окислительный стресс и роль антиоксидантных ферментов при действии ионов тяжелых металлов.

10. Участие низкомолекулярных метаболитов (полиаминов и пролина) в адаптации растений к действию ионов тяжелых металлов.

10.1. Полиамины. Химические свойства, структура, локализация, синтез.

10.2. Метаболизм полиаминов в растении.

10.3. Роль пролина в защите растений при стрессе.

ГЛАВА И. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1. Объекты и условия выращивания растений в водной культуре.

2. Физиологические методы исследований.

2.1. Определение биомассы органов растений.

2.2. Определение содержания ионов общего железа и никеля.

3. Методы биохимических анализов.

3.1. Определение содержания малонового диальдегида.

3.2. Определение активности супероксиддисмутазы.

3.3. Определение активности каталазы.

3.4. Определение активности гваякол-зависимой пероксидазы.

3.5. Определение активности аскорбатпероксидазы.

3.6. Определение содержания белка в ферментных препаратах.

3.7. Определение содержания фотосинтетических пигментов.

3.8. Определение активности Fe^-хелатредуктазы.

3.9. Определение содержания свободного пролина.

3.10. Определение содержания свободных полиаминов.

3.11. Определение активности полиаминоксидазы и диаминоксидазы.

4. Статистическая обработка данных.

ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ.

1. Сравнительный анализ накопления биомассы и содержания ионов никеля у растений амаранта при действии хлорида никеля.

2. Влияние различных доз никеля на прорастание семян растений A. paniculatus f. cruentus.

3. Влияние различных доз никеля на площадь листовой пластинки растений.

А. paniculatus f. cruentus.

4. Исследование антиоксидантного статуса растений А. paniculatus f. cruentus при различных концентрациях никеля в питательной среде.

4.1. Анализ развития окислительного стресса у растений А. paniculatus f. cruentus при действии различных концентрациях NiCl2.

4.2. Функционирование антиоксидантных ферментов при окислительном стрессе, вызванном действием никеля.

5. Характеристика фиторемедиационного потенциала растений.

А. paniculatus f. cruentus.

6. Влияние ионов никеля на содержание ионов железа в растениях.

А. paniculatus f. cruentus.

6.1. Совместное влияние ионов никеля и железа в различных концентрациях на содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений А. paniculatus f. cruentus.

6.2. Анализ влияния избытка ионов железа на накопление биомассы и ионов никеля растениями А. paniculatus f. cruentus.

6.3. Совместное влияние никеля и железа в различных концентрациях на уровень окислительного стресса в листьях растений А. paniculatus f. cruentus.

7. Изучение роли полиаминов в адаптации растений А. paniculatus f. cruentus к повышенному содержанию ионов никеля.

7.1. Особенности накопления и метаболизма полиаминов в растениях А. paniculatus f. cruentus при действии 100 мкМ NiCl2.

7.2. Изучение роли полиаминов и продуктов их распада, а также изменения активностей ферментов деградации ПА при адаптации растений.

А. paniculatus f. cruentus к высоким концентрациям никеля.

7.2.1. Возможная роль полиаминоксидаз при адаптации растений.

А. paniculatus f. cruentus к различным концентрациям ионов никеля.

7.2.2. Возможная роль полиаминов в улучшении фиторемедиационных свойств растений амаранта при действии никеля.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Фиторемедиационный потенциал и физиологические механизмы адаптации растений рода Amaranthus L. к избыточному содержанию никеля"

Усиление антропогенной деятельности в связи с началом Научно-технической революции в середине XX века менее чем за 100 лет привело к качественному изменению облика окружающей среды. Интенсивная вырубка тропических и бореальных лесов, стремительное развитие сельскохозяйственного производства на слабоосвоенных территориях сопровождалось глобальными изменениями гидрологического и температурного режимов огромных площадей. Результатом этого явилось усиление негативных воздействий природных факторов (засуха, суховеи, пыльные бури, вторичное засоление и др.) на все компоненты биосферы.

Развитие технологического сектора производства, связанное с появлением различных машин и механизмов, требовало адекватного развития добывающих производств. В результате стремительно возрастала добыча горючих полезных ископаемых (уголь, торф, нефть, природный газ, горючие сланцы) и руд черных, цветных и благородных металлов. Все это привело к появлению качественно новых видов загрязнителей окружающей среды, которые к настоящему времени представляют серьезную опасность, как для фитоценозов, так и для человека.

В ряду наиболее опасных загрязнителей окружающей среды, оказывающих негативное воздействие на развитие различных видов растений, особое место занимают тяжелые металлы. К ним принято относить химические элементы с плотностью более 5 г/см3 и атомной массой свыше 50 Да (Си, Ъп, Сс1, РЬ, N1, Со, Мо, Щ и др.). Несмотря на то, что в низких концентрациях многие из указанных металлов, например Си, Zn, Со, Мо, являются эссенциальными элементами, без которых невозможно нормальное развитие растений, в высоких концентрациях они являются чрезвычайно токсичными, подавляют рост и развитие и могут вызывать гибель растений.

Изучение последствий и специфики токсического действия ионов тяжелых металлов на растения вызывает особый научный интерес и имеет важное практическое значение. В связи с загрязнением наземных экосистем тяжелыми металлами значительные территории сельскохозяйственных земель были выведены из оборота, а на части территорий, оставшихся в пользовании, регистрируется снижение продуктивности и ухудшение качества производимой сельскохозяйственной продукции. Это определяет необходимость изучения особенностей воздействия тяжелых металлов на различные виды сельскохозяйственных растений для оценки их адаптационного потенциала и изучения механизмов устойчивости с целью разработки технологий очистки загрязненных территорий.

Серьезную опасность для окружающей среды представляет никель. Это обстоятельство инициировало интерес ученых к исследованию ответа растений на действие токсичных концентраций никеля. Как известно, основными источниками загрязнения почв никелем являются горнодобывающие и металлургические предприятия, транспорт, полигоны промышленных и бытовых отходов. Фоновое содержание никеля в различных типах почв колеблется от 2 до 750 мг/кг почвы, достигая максимальных значений в серпентиновых почвах, где травянистая растительность практически не произрастает (Зигель, Зигель, 1993).

Никель входит в состав фермента уреазы, что делает его в низких концентрациях (0,01-5 мкг/г сухой массы) крайне важным для роста и развития растений (Серегин, Кожевникова, 2006; Nagajyoti et al., 2010). В то же самое время, как и другие тяжелые металлы, никель в высоких концентрациях оказывает на растения негативные воздействия, в частности, приводя к развитию эндемических заболеваний. Усиленная добыча никеля и угрожающие масштабы загрязнения им наземных экосистем в последние годы (Yusuf et. al, 2011) делает его одним из значимых поллютантов.

В настоящее время основным способом очистки загрязненных никелем почв является их рекультивация, что требует больших материальных затрат и физических усилий. Альтернативным способом рекультивации загрязненных тяжелыми металлами почв является технология фиторемедиации (Прасад, 2003), под которой понимают использование растений для очистки загрязненных территорий. Эффективность фиторемедиации зависит от подбора устойчивых к тяжелым металлам видов растений, способных аккумулировать их в надземной биомассе. Данная технология привлекает большое внимание экологов низкой себестоимостью по сравнению с другими способами очистки, а также простотой применения.

Перспективными для целей фиторемедиации видами растений могут быть представители рода АтагаМкт Ь., которые широко используются в озеленении городов и ландшафтном дизайне. Растения этого рода (А. сгиеМш, А. ратсиШш, А. саийаЫз) имеют широкий ареал произрастания и часто приурочены к сорным местообитаниям. Вместе с тем практически не исследованы механизмы устойчивости растений амаранта к действию высоких концентраций тяжелых металлов и не проведена оценка их фиторемедиационного потенциала. Это делает целесообразным проведение скрининга различных видов амаранта, в том числе и полученных гибридных форм, на устойчивость к ионам никеля.

Цель исследования: Оценка уровня устойчивости и изучение механизмов адаптации растений различных видов АтагаМкш Ь. к токсическому воздействию ионов никеля и поиск физиологических путей повышения их фиторемедиационного потенциала с целью применения в технологии фиторемедиации.

Задачи:

1. Провести скрининг растений рода АтагаШкш Ь. на устойчивость к токсическому воздействию ионов никеля для обоснования их применения в технологии фиторемедиации.

2. Исследовать роль никеля в индукции окислительного стресса у растений амаранта и изучить особенности функционирования антиоксидантных ферментов.

4. Исследовать возможное участие полиаминов в защитном ответе растений амаранта на действие высоких концентраций никеля, а также их роль в повышении фиторемедиационного потенциала растений.

Научная новизна. Выявлены растения гибридной формы A. paniculatus f. cruentus, обладающие высоким фиторемедиационным потенциалом, что делает их перспективными для очистки загрязненных никелем территорий. Впервые установлено, что на молодых листьях растений А. paniculatus f. cruentus в ответ на действие высоких концентраций никеля развивается хлороз, в основе которого лежит резкое падение в тканях общего содержания железа (Fe2+ и Fe3+). На фоне действия никеля установлено появление у растений Ni/Fe антагонизма, что явилось следствием ингибирования в условиях окислительного стресса активности Fe3+-хелатредуктазы и процесса восстановления Fe3+ до Fe2+. Впервые показано, что путресцин вовлекается в межорганный транспорт никеля, что способствует повышению фиторемедиационного потенциала растений.

Теоретическая и практическая значимость. Полученные в диссертационной работе данные об изменении содержания полиаминов и о причинах развития Ni/Fe антагонизма в условиях действия высоких концентраций никеля имеют большое значение для понимания механизмов адаптации растений к действию тяжелых металлов. Полученные результаты позволяют рекомендовать использование амаранта А. paniculatus f. cruentus в целях фиторемедиации для очистки почв городских газонов от загрязнения никелем, а экзогенную обработку путресцином - для повышения фиторемедиационного потенциала растений. Результаты исследований могут быть использованы в практике растениеводства, а сделанные на их основе теоретические обобщения - для разработки курсов лекций для студентов биологических специальностей университетов.

Москва, 2011); Международной конференции «Биология - наука XXI века» (Москва, 2011); 5-ой Европейской конференции по биоремедиации (Ханья, Греция, 2011); VII Съезде Общества физиологов растений России «Физиология растений -фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» (Нижний Новгород, 2011); Всероссийском симпозиуме «Экология мегаполисов: фундаментальные основы и инновационные технологии» (Москва, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано и направлено в печать 9 печатных работ, из которых 2 статьи в рецензируемых журналах: «Физиология растений» и «Вестник РУДН».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объекта и методов исследований, изложения полученных результатов и их обсуждения, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Материалы диссертации изложены на 114 страницах машинописного текста и содержат 4 таблицы и 34 рисунка. Список цитируемой литературы включает 246 наименований, в т.ч. 216 иностранных.

Заключение Диссертация по теме "Физиология и биохимия растений", Черемисина, Александра Игоревна

выводы

1. Токсическое действие ионов никеля на растения амаранта вызывало развитие окислительного стресса и сопровождалось дифференциальным изменением активностей антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутаза, каталаза, аскорбатпероксидаза, гваяколовые пероксидазы) в подземной и надземной частях растений.

2. Действие никеля на растения амаранта приводило к развитию хлороза вследствие снижения содержания физиологически активного железа (Ре2+) в надземных частях растений из-за ингибирования активности Ре3+-хелатредуктазы и нарушения процесса восстановления Ре3+ до Ре2+.

3. Воздействие 100 мкМ №С12 на растения амаранта сопровождалось ингибированием активности полиаминоксидазы, более выраженным в корневой системе, и транспортом высокомолекулярных полиаминов (спермидин, спермин) в надземные органы, без значимых изменений их содержания в целом по растению.

4. Экзогенная обработка амаранта спермидином способствовала увеличению содержания железа в листьях, в то время как применение его предшественника -путресцина, повышению выноса N1 листьями растений, что позволяет рекомендовать применение полиаминов для улучшения фиторемедиационных свойств амаранта.

5. Среди исследованных растений рода АтагапЖш наибольшей аккумулирующей способностью характеризовался гибрид А. ратсиШт / сгиепШя (Вишневый джем), сохранявший жизнеспособность и высокий фиторемедиационный потенциал на фоне действия 100 мкМ №С12, что позволяет рекомендовать его для очистки загрязненных никелем почв.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании полученных данных было установлено, что все исследованные растения рода Amaranthus L. при культивировании в течение 7 суток в условиях водной культуры характеризовались различной способностью накапливать ионы никеля в надземной биомассе и корнях. Наибольшей Ni-аккумулирующей способностью характеризовался гибрид А. paniculatus f. cruentus, накапливающий до 237,8 мкг/г сухой массы в надземных органах (рис. 6а). Столь высокое содержание ионов никеля в надземных органах вполне может служить основанием для отнесения его к видам, перспективным для использования в качестве фиторемедианта на Ni-загрязненных территориях.

Кроме того, растения А. paniculatus f. cruentus были способны выживать и заканчивать онтогенетический цикл в условиях загрязнения среды никелем, несмотря на относительно низкое накопление биомассы по сравнению с другими гибридными формами А. paniculatus и А. caudatus f. viridis (рис. 5). Растения А. paniculatus f. cruentus оказались достаточно устойчивыми к действию 100 мкМ NiCb в питательной среде, тогда как при 150 мкМ на листьях наблюдались признаки повреждения в виде некрозов.

Максимальное содержание ионов никеля было обнаружено в листьях растений, произраставших при 150 мкМ NiCl2 в питательной среде; оно составляло 78 мкг/г сухой массы (рис. 15а), в стеблях - 150 мкг/г сухой массы при 100 мкМ NiCl2, и 222 мкг/г сухой массы при 150 мкМ NiCl2 (рис. 156).

Анализ распределения ионов никеля между органами растений показал, что максимальное его количество аккумулировалось преимущественно в корнях амаранта А. paniculatus f. cruentus (до 400 мкг/г сухой массы) (рис. 15в).

Изучение динамики поглощения никеля растениями А. paniculatus f. cruentus показало (рис. 19), что при всех использованных концентрациях NiCl2 самое сильное поглощение металла происходило в первые часы; через сутки вынос никеля из раствора снижался и в течение последующих дней поддерживался на постоянном уровне. Возможно, такая динамика поглощения никеля растениями А. ратсиШш / сгиепгш являлась одним из механизмов снижения токсического действия ионов никеля на процессы жизнедеятельности, тем самым защищая растительный организм от стресса, вызванного этим металлом.

Результаты исследований антиоксидантного статуса растений А. ратсиШш / сгиеШш при воздействии различных концентрациях ионов никеля, выявили органоспецифичный характер функционирования антиоксидантных ферментов, характеризующийся дозовой зависимостью от №С12 (рис. 10-13). Более того, на активность некоторых ферментов (гваяколовая пероксидаза, каталаза) могло влиять и поступление железа в растения, которое нарушалось в присутствии ионов никеля в высоких концентрациях.

Визуальные признаки хлороза верхних листьев обнаруживались у гибрида А. ратсиШш/ сгиеШш даже при действии 50 мкМ №С12 (рис. 20). В данном случае снижение доступности железа могло явиться следствием проявления антагонизма железа и никеля. Однако причины антагонизма двух исследуемых элементов в настоящее время практически не выяснены. Важно отметить, что антагонистические отношения между поступлением железа и никеля в надземные органы наиболее четко проявлялись при низкой концентрации №С12 в питательной среде (50 мкМ) (рис. 21). Более того, недостаток в растениях железа мог, приводить к снижению активностей железосодержащих антиоксидантных ферментов, в частности, пероксидазы и каталазы, что в свою очередь являлось дополнительной причиной развития окислительного стресса (рис. 11, 13).

Полученные данные по активности Ре3+-хелатредуктазы в корнях (рис. 22) могут указывать на то, что причиной проявления антагонизма в растениях между никелем и железом может быть, в первую очередь, ингибирование никелем восстановления Ре3+ до Ре2+, а также целостности мембран и функционирования специфических белков-переносчиков Ре2+.

При повышенной дозе железа (100 мкМ) в питательной среде в результате нарушения проницаемости мембран ионы железа могли пассивно поступать в листья, т.е. как в случае действия никеля, так и железа растения реагировали развитием в клетках окислительного стресса (рис. 27). При этом токсичность никеля проявилась в ингибировании восстановления поступившего в корни Fe3+ и нарушения его транспорта в листья, вследствие чего растения страдали от дефицита железа (рис. 20).

Повышенная доза железа (100 мкМ) способствовала увеличению накопления сырой биомассы листьев и корней растений A. paniculatus f. cruentus (рис. 24), а также увеличению содержания фотосинтетических пигментов (хлорофилла а и каротиноидов) ( рис. 23а,в) и, как следствие, сохранению зеленой окраски верхних листьев (рис. 20).

Повышение дозы железа в питательной среде в 50 раз по сравнению с контролем (2 мкМ), приводило к 15-кратному увеличению содержания железа в листьях (рис. 25), но практически не влияло на накопление ионов никеля (рис. 26). Более того, при 150 мкМ NiCl2 в питательной среде, у растений амаранта, произраставших в присутствии 100 мкМ Бе3+-ЭДТА, содержание ионов никеля снижалось вдвое по сравнению с контрольными растениями (2 мкМ Бе3+-ЭДТА).

Таким образом, оптимальная концентрация железа, необходимая растениям для нормального роста и развития, находится в весьма узких пределах (Briat et al., 2007). По этой причине для повышения фиторемедиационного потенциала растений для никеля и улучшения их жизнеспособности, с одной стороны, требуется поддержание в клетках гомеостаза железа, а с другой - накопление совместимых метаболитов, способных снижать токсичность никеля.

Полиамины являются мультифункциональными протекторными метаболитами, известными своими хелатирующими свойствами. Как показали наши исследования, листья растения амаранта, произраставшие как в контрольных условиях (без NiCl2), так и в присутствии 100 мкМ NiCl2, отличались высоким содержанием высокомолекулярных полиаминов - спермидина и спермина, корни -путресцина и спермидина (рис. 29). Действие никеля (100 мкМ) вызывало повышение содержания полиаминов в листьях и снижение в корнях (рис. 29). При этом наблюдалось ингибирование активностей ключевых ферментов деградации полиаминов - полиаминоксидазы и диаминоксидазы (рис. 30, 34). Таким образом, повышение эндогенного уровня полиаминов в листьях является одним из механизмов адаптации растений амаранта к токсическому действию ионов никеля.

Этот факт находит подтверждение в экспериментах по использованию экзогенной обработки полиаминами совместно с ингибиторами ферментов их деградации листьев растений А. ратсиШт / сгиеШиБ. Полученные в этих экспериментах данные свидетельствуют о повышении выноса никеля из питательной среды растениями А. ратсиШш /. сгиеМт, обработанными путресцином совместно с аминогуанидином. Тогда как экзогенная обработка спермидином совместно с гуазатином способствовала увеличению содержания железа.

По-видимому, повышение внутриклеточного содержания полиаминов и ингибирование активностей ферментов деградации способствовало образованию комплексных соединений полиаминов с тяжелыми металлами. При этом спермидин в большей степени способствовал увеличению содержания ионов железа, тогда как путресцин - ионам никеля.

Таким образом, проведенные исследования показали, что при изучении фиторемедиационного потенциала растений, аккумулирующих ионы никеля в надземных органах, необходимо исследовать их способность сохранять гомеостаз железа и поддерживать функционирование антиоксидантных систем, а также аккумулировать полиамины или иные низкомолекулярные органические соединения, обладающие хелатирующими или стресс-протекторными свойствами.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Черемисина, Александра Игоревна, Москва

1. Алексеева-Попова Н.В. (1991) Устойчивость к тяжелым металлам дикорастущих видов. Академия наук СССР Ботанический институт им. B.JI. Комарова., Ленинград, 216 с.

2. Архипов И.А. (2008) Никель в почвах Алтая. Мир науки, культуры и образования, 2(9), 16-19.

3. Битюцкий Н.П. (2011) Микроэлементы высших растений. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 368 с.

4. Виноградов А.П. (1957) Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. М.: Наука, 237 с.

5. Голубкина Н.А. (1995) Флуориметрический метод определения селена. Журн. аналит. химии, 50, 492-497.

6. Зигель X., Зигель A.M. (1993) Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. М.: Мир, 366 с.

7. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. (1989) Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 439 с.

8. Креславский В.Д., Лось Д.А, Аллахвердиев С. И., Кузнецов Вл.В. (2012) Сигнальная роль активных форм кислорода при стрессе у растений. Физиология растений, 59, 163-178.

9. Кузнецов Вл.В., Радюкина Н.Л., Шевякова Н.И. (2006) Полиамины и стресс: биологическая роль, метаболизм и регуляция. Физиология растений, 53, 658683.

10. Кузнецов Вл.В., Ракитин В.Ю., Садомов Н.Г., Дам Д.В., Стеценко Л.А., Шевякова Н.И. (2002) Участвуют ли полиамины в дистанционной передаче стрессорного сигнала у растений? Физиология растений, 49, 136-147.

11. Кузнецов Вл.В., Шевякова Н.И. (1999) Пролин при стрессе: биологическая роль, метаболизм и регуляция. Физиология растений, 46, 305-320.

12. Куркаев В.Т., Шеуджен А.Х. (2000) Агрохимия. Майкоп: ГУРИПП «Адыгея», 552 с.

13. Маджугина Ю.Г., Кузнецов Вл.В., Шевякова Н.И. (2008) Растения полигонов захоронения бытовых отходов мегаполисов как перспективные виды для фиторемедиации. Физиология растений, 55, 453-463.

14. Прасад М.Н. (2003) Практическое использование растений для восстановления экосистем, загрязненных металлами. Физиология растений, 50, 764-780.

15. Радюкина Н.Л., Мапелли С., Иванов Ю.В., Карташов A.B., Брамбилла И., Кузнецов Вл.В. (2009) Гомеостаз полиаминов и антиоксидантные системы корней и листьев Plantago major при солевом стрессе. Физиология растений, 56, 359-368.

16. Рэуце К., Кырстя С. (1986) Борьба с загрязнением почвы. М.: Агропромиздат, 221 с.

17. Серегин И.В. (2001) Фитохелатины и их роль в детоксификации кадмия у высших растений. Успехи биол. химии, 41, 283-300.

18. Серегин И.В., Иванов В.Б. (2001) Физиологические аспекты токсического действия кадмия и свинца на высшие растения. Физиология растений, 48, 606630.

19. Серегин И.В., Кожевникова А.Д. (2006) Физиологическая роль никеля и его токсическое действие на высшие растения. Физиология растений, 53, 285-308.

20. Серегин И.В., Кожевникова А.Д. (2008) Роль тканей корня и побега в транспорте и накоплении кадмия, свинца, никеля и стронция. Физиология растений, 55, 3-26.

21. Серегин И.В., Кожевникова А.Д. (2009) Усиление накопления и ростингибирующего действия никеля и свинца на проростки амаранта в присутствии кальция. Физиология растений, 56, 92-96.

22. Серегин И.В., Кожевникова А.Д., Давыдова М.А., Быстрова Е.И., Schat Н., Иванов В.Б (2007) Роль тканей корня и побега растений исключателей и гипераккумуляторов в транспорте и накоплении никеля. Доклады Академии наук, 415, 422-424.

23. Серегин И.В., Кожевникова А.Д., Казюмина Е.М., Иванов В.Б. (2003) Токсическое действие и распределение никеля в корнях кукурузы. Физиология растений, 50, 793-800.

24. Стеценко JI.A., Шевякова Н.И., Ракитин В.Ю., Кузнецов Вл.В. (2011) Пролин защищает растения Atropa belladonna от токсического действия солей никеля. Физиология растений, 58, 275-282.

25. Шевякова Н.И., Ильина E.H., Кузнецов Вл.В. (2008) Полиамины повышают фиторемедиационный потенциал растений при очистке почв, загрязненных тяжелыми металлами. Доклады академии наук, 5, 714-717.

26. Шевякова Н.И., Нетронина И.А., Аронова Е.Е., Кузнецов Вл.В. (2003) Распределение Cd и Fe в растениях Mesembryanthemum crystallinum при адаптации к Cd-стрессу. Физиология растений, 50, 756-763.

27. Шевякова Н.И., Стеценко JI.A., Мещеряков А.Б., Кузнецов Вл.В. (2002) Изменение активности пероксидазной системы в процессе стресс-индуцируемого формирования САМ. Физиология растений, 49, 670-677.

28. Шевякова Н.И., Черемисина А.И., Кузнецов Вл.В. (2011) Фиторемедиационный потенциал гибридов рода Amaranthus: антагонизм никеля и железа и хелатирующая роль полиаминов. Физиология растений, 58, 547-557.

29. Шеуджен А.Х. (2003) Биогеохимия. Майкоп: ГУРИПП «Адыгея», 1028 с.

30. Ahmad M.S.A., Hussain М., Saddiq R., Alvi A.K. (2007) Mungbean: a nickel indicator, accumulator or excluder? Bull. Environ. Contam. Toxicol., 78, 319-324.

31. Alcazar R., Altabella Т., Marco F., Bortolotti C., Reymond M., Koncz C., Carrasco P., Tiburcio A.F. (2010) Polyamines: molecules with regulatory functions in plant abiotic stress tolerance. Planta, 231, 1237-1249.

32. Alcazar R., Marco F., Cuevas J.C., Patron M., Ferrando A., Carrasco P., Tiburcio A.F., Altabella T. (2006) Involvement of polyamines in plant response to abiotic stress. Biotechnol. Lett., 28, 1867-1876.

33. Ali В., Hayat S., Fariduddin Q., Ahmad A. (2009) Nickel: essentiality, toxicity and tolerance in plants. In: Nickel in relation to plants. Ali В., Hayat S., Ahmad A. (ed.), Narosa Publishing House, New Delhi, India, 73-80.

34. Alscher R.G., Donahue J.L., Cramer C.L. (1997) Reactive oxygen species and antioxidants: Relationships in green cells. Physiologia Plantarum, 100, 224-233.

35. Angelini R., Tisi A., Rea G., Chen M.M., Botta M., Federico R., Cona A. (2008) Involvement of polyamine oxidase in wound healing. Plant Physiology, 146, 162177.

36. Anker-Fuchs D., Thauer R.K. (1988) Nickel in biology: nickel as an essential trace element. The Bioorganic Chemistry of Nickel. J.R. Lancaster (ed.), Weinheim: Verlag Chemie, 93-110.

37. Apel K., Hirt H. (2004) Reactive oxygen species: metabolism, oxidative stress, and signal transduction. Annu. Rev. Plant Biol., 55, 373-399.

38. Ashraf M.Y., Sadiq R., Hussain M., Ashraf M., Ahmad M.S.A. (2011) Toxic effect of nickel (Ni) on growth and metabolism in germinating seeds of sunflower (Helianthus annuusL.). Biol. Trace Elem. Res., 143, 1695-1703.

39. Asthir B., Spoor W., Duffus C.M. (2004) Involvement of polyamines, diamine oxidase and polyamine oxidase in resistance of barley to Blumeria graminis f. sp. hordei. Euphtica, 136, 307-312.

40. Azevedo J.A., Azevedo R.A. (2006) Heavy metals and oxidative stress: where do we go from here? Communications in Biometry and Crop Science, 1, 135-138.

41. Aziz A., Larher F. (1995) Changes in polyamines titers associated with the proline response and osmotic adjustment of rape leaf discs submitted to osmotic stress. Plant ScL, 112, 175-186.

42. Aziz A., Martin-Tanguy J., Larher F. (1997) Plasticity of polyamine metabolism associated with high osmotic stress in rape leaf discs and with ethylene treatment. Plant Growth Regul., 21, 153-163.

43. Baccouch S., Chaoui A., El Ferjani E. (1998) Nickel-induced oxidative damage and antioxidant responses in Zea mays shoots. Plant Physiol. Biochem., 36, 689-694.

44. Baccouch S., Chaoui A., El Ferjani E. (2001) Nickel toxicity induces oxidative damage in Zea mays roots. Plant Nutr., 24,' 1085-1097.

45. Bagni N., Tassoni A. (2001) Biosynthesis, oxidation and conjugation of aliphatic polyamines in higher plants. Amino Acids, 20, 301-317.

46. Bai C., Reilly C.C., Wood B.W. (2006) Nickel deficiency disrupts metabolism of ureids, amino acids and organic acids of young pecan foliage. Plant Physiol, 140, 433-443.

47. Barbusinski K. (2009) Fenton reaction controversy concerning the chemistry. Ecological chemistry and engineerings, 16, 347-358.

48. Barcelo J., Poschenrieder C.H. (2004) Structural and ultrastructural changes in heavy metal exposed plant. In: Heavy metal stress in plants: from biomolecules to ecosystem. Prasad M.N.V. (ed.), Springer, Berlin, Germany, 223-248.

49. Bates L.S., Waldren R.P., Teare I.D. (1973) Rapid determination of free proline for water-stress studies. Plant Soil, 39, 205-207.

50. Beauchamp C., Fridovich I. (1971) Superoxide dismutase improved assays and an assay applicable to acrylamide gels. Analytical Biochemistry, 44, 276-287.

51. Benavides M.P., Gallego S.M., Tomaro M.L. (2005). Cadmium toxicity in plants. Braz. J. Plant Physiol., 17, 21-34.

52. Benzarti S., Mohri S., Ono Y. (2008) Plant response to heavy metal toxicity: Comparative study between the hyperaccumulator Thlaspi caerulescens (ecotype Ganges) and nonaccumulator plants: lettuce, radish, and alfalfa. Environ. Toxicology, 23, 607-616.

53. Bhatia N.P., Walsh K.B., Baker A.J.M. (2005) Detection and quantification of ligands involved in nickel detoxification in a herbaceous Ni hyperaccumulator Stackhousia tryonii Bailey. Journal of Experimental Botany, 56, 1343-1349.

54. Bingru H. (2006) Plant-environment interactions. 3rd ed. CRC Press. Taylor & francis Group, 388 p.

55. Blaylock M.J., Huang J.W. (2000) Phytoextraction of metals. In: Phytoremidation of toxic metals-using plants to clean up the environment. Raskin I., Ensley B.D. (ed.). Wiley, New York, 53-70.

56. Boominathan R., Doran P.M. (2002) Ni-induced oxidative stress in roots of the Ni hyperaccumulator Alyssum bertolonii. New Phytol., 156, 205-215.

57. Bors W., Langebartels C., Michel C., Sandermann H. (1989) Polyamines as radical scavengers and protectants against ozone damage. Phytochemistry, 28, 15891595.

58. Bouchereau A., Aziz A., Larher F., Martin-Tanguy J. (1999) Polyamines and environmental challenges: recent development. Plant Sci., 140, 103-125.

59. Boyd R.S., Martens S.N. (1998) Nickel hyperaccumulation by Thlaspi montanum var. montanum (Brassicaceae): a constitutive trait. Am. J. Bot., 85, 259-265.

60. Briat J.F. (2008) Iron dynamics in plants. Advances in Botanical Research, 46, 137180.

61. Briat J.F., Curie C., Gaymard F. (2007) Iron utilization and metabolism in plants. Curr. Opin. Plant Biol., 10, 276-282.

62. Brooks R.R., Shaw S., Marfil A.A. (1981) The chemical form and physiological function of nickel in some Iberian Alyssum species. Physiol. Plant., 51, 167-170.

63. Capell T., Bassie L., Christou P. (2004) Modulation of the polyamine biosynthetic pathway in transgenic rice confers tolerance to drought stress. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 101, 9909-9914.

64. Cardoso P.F., Gratao P.L., Gomes-Junior A.L., Medici L.O., Azevedo R.A.2005) Response of Crotalaria juncea to nickel exposure. Braz. J. Plant Physiol., 17, 267-272.

65. Cervelli M., Cona A., Angelini R., Polticelli F., Federico R., Mariottini P. (2001) A barley polyamine oxidase isoform with distinct structural features and subcellular localization. Eur. J. Biochem., 268, 3816-3830.

66. Cervelli M., Tavladoraki P., Di Agostino S., Angelini R., Federico R., Mariottini

67. P. (2000) Isolation and characterization of three polyamine oxidase genes from Zea mays. Plant Physiol. Biochem., 38, 667-677.

68. Chaney R.L., Malik M., Li Y.M., Brown S.L., Brewer E.P., Angl J.S., Baker A.J.M. (1997) Phytoremediation of soil metals. Curr. Opin Biotechnol., 8, 279-283.

69. Chen C., Huang D., Liu J. (2009) Functions and toxicity of nickel in plants: recent advances and future prospects. Clean, 37, 304-313.

70. Clemens S. (2006) Toxic metal accumulation, responses to exposure and mechanisms of tolerance in plants. Biochimie, 88, 1707-1719.

71. Cona A., Rea G., Angelini R., Federico R., Tavladoraki P. (2006) Functions of amine oxidases in plant development and defence. Plant. Sci., 11, 80-88.

72. Dan T.V., Krishnaraj S., Saxena P.K. (2002) Cadmium and nickel uptake and accumulation in scented Geranium (Pelargonielm sp. 'Frensham'). Water Air Soil Pollut., 137, 355-364.

73. Das K., Misra H. (2004) Hydroxyl radical scavenging and singlet oxygen quenching properties of polyamines. Molecular and Cellular Biochemistry, 262, 127-133.

74. Demir T.A., Isikli B., Urer S.M., Berber A., Akar T., Canbek M., Kalyoncu C.2005) Nickel exposure and its effects. BioMetals, 18, 7-13.

75. Devi S.R., Prasad M.N.V. (2004) Membrane lipid alterations in heavy metal exposed plants. In: Heavy metal stress in plants: from biomolecules to ecosystem. Prasad M.N.V. (ed.), Narosa Publishing House, New Delhi, India, 127-145.

76. Diaz J., Bernal A., Pomar F., Merino F. (2001) Induction of shikimate dehydrogenase and peroxidase in pepper (Capsicum annuum L.) seedlings in response to copper stress and its relation to lignification. Plant Sci., 161, 179-188.

77. Dixon N.E., Gazola C., Blakeley R.L., Zerner B. (1975) Jack bean urease (EC 3.5.1.5), metalloenzyme. A simple biological role for nickel? J. Am. Chem. Soc., 97, 4131-4133.

78. Duhaze C., Gouzerh G., Gagneul D., Larher F., Bouchereau A. (2002) The conversion of spermidine to putrescine and 1,3-diaminopropane in the roots of Limonium tataricum. Plant Sci., 163, 639-646.

79. Esen A. (1978) A simple method for quantitative semiquantitative and qualitative assay of protein. Anal. Biochem., 89, 264-273.

80. Eskew D.L., Welch R.M., Norwell W.A. (1984) Nickel in higher plants. Further evidence for an essential role. Plant Physiol., 76, 691-693.

81. Ewais E.A. (1997) Effects of cadmium, nickel and lead on growth, chlorophyll content and proteins of weeds. Biol. Plant, 39, 403-410.

82. Federico R., Angelini R. (1991) Polyamine catabolism in plants. In: Biochemistry and physiology of polyamines in plants. Slocum R.D., Flores H.E. (ed.), CRC Press, 41-56.

83. Flores H.E., Galston A.W. (1982) Analysis of polyamines in higher plants by performance liquid chromatography. Plant Physiol., 69, 701-706.

84. Gabbrielli R., Mattioni C., Vergnano O. (1991) Accumulation mechanisms and heavy metal tolerance of a nickel hyperaccumulator. J. Plant Nutr., 14, 1067-1080.

85. Gajewska E., Sklodowska M. (2005) Antioxidative responses and proline level in leaves and roots of pea plants subjected to nickel stress. Acta Physiol. Plant., 27, 329-339.

86. Gajewska E., Sklodowska M. (2007) Effect of nickel on ROS content and antioxidative enzyme activities in wheat leaves. BioMetal., 20, 27-36.

87. Gajewska E., Sklodowska M. (2008) Differential biochemical responses of wheat shoots and roots to nickel stress: antioxidative reactions and proline accumulation. Plant Growth ReguL, 54, 179-188

88. Gajewska E., Sklodowska M., Slaba M., Mazur J. (2006) Effect of nickel on antioxidative enzyme activities, proline and chlorophyll contents in wheat shoots. Biol. Plant., 50, 653-659.

89. Gajewska E., Wielanek M., Bergier K., Sklodowska M. (2009) Nickel-induced depression of nitrogen assimilation in wheat roots. Acta Physiol. Plant., 31, 12911300.

90. Galardi F, Corrales I, Mengoni A, Pucci S, Barletti L, Barzanti R, Arnetoli M, Gabbrielli R, Gonnelli C. (2007) Intra-specific differences in nickel tolerance and accumulation in the Ni-hyperaccumulator Alyssum bertolonii. Env. Exp. Bot., 60, 377-384.

91. Gallego S., Benavides M., Tomaro M. (2002) Involvement of an antioxidant defence system in the adaptive response to heavy metal ions in Helianthus annuus L. cells. Plant Growth ReguL, 36, 267-273.

92. Galston A.W., Kaur-Sawhney R., Atabella T., Tiburcio A.F. (1997) Plant polyamines in reproductive activity and response to abiotic stress. Bot. Acta, 110, 197-207.

93. Gao H.B., Liu Y.H., Guo S.R., Sun Y.J. (2005) Effect of calcium on polyamine content and polyamines oxidase activity in muskmelon seedlings under hypoxia stress. Acta Phytoecol. Sin., 29, 652-658.

94. Garcia J.S., de Magalhaes C.S., Arruda M.A.Z. (2006) Trends in metal-binding and metalloprotein analysis. Talanta, 69, 1-15.

95. Gendre D., Czernic P., Conejero G., Pianelli K., Briat J. F., Lebrun M., Mari S. (2006) TcYSL3, a member of the YSL gene family from the hyperaccumulator Thlaspi caerulescens, encodes a nicotianamine Ni/Fe transporter. Plant Journal, 49, 1-15.

96. Gerendas J., Polacco J.C., Freyermuth S.K., Sattelmacher B. (1999) Significance of nickel for plant growth and metabolism. Plant Nutr., 162, 241-256.

97. Ghaderian SM., Mohtadi A., Rahiminejad R., Reeves R.D., Baker A.J.M.2007) Hyperaccumulation of nickel by two Alyssum species from the serpentine soils of Iran. Plant Soil, 293, 91-97.

98. Gill S.S., Tuteja N. (2010) Polyamines and abiotic stress tolerance in plants. Plant Signal. & Behav., 5, 26-33.

99. Gill S.S., Tuteja N. (2010) Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants. Plant Physiology and Biochemistry, 48, 909930.

100. Gimeno-Garcia E., Andreu V., Boluda R. (1996) Heavy metals incidence in the application of inorganic fertilizers and pesticides to rice farming soils. Environ. Pollut., 92, 19-25.

101. Gomes-Junior R.A., Moldes C.A., Delite F.S., Pompeu G.B., Gratao P.L., Mazzafera P., Lea P.J., Azevedo R.A. (2006). Antioxidant metabolism of coffee cell suspension cultures in response to cadmium. Chemosphere, 65, 1330-1337.

102. Gonnelli C., Galardi F., Gabbrielli R. (2001) Nickel and copper tolerance and toxicity in three Tuscan populations of Silene paradoxa. Physiol. Plant, 113, 507-514.

103. Goren R., Palavan N., Flores H., Galston A.W. (1982) Changes in polyaminetitre in etiolated pea-seedlings following red-light treatment. Plant Cell Physiol., 23, 19-26.

104. Gratao P.L., Polle A., Lea P.J., Azevedo A. (2005) Making the life of heavy metal-stressed plants a little easier. Fund. Plant. Biol., 32, 481-494.

105. Groppa M.D., Benavides M.P. (2008) Polyamines and abiotic stress: recent advances. Amino Acids, 34, 35-45.

106. Groppa M.D., Tomaro M.L., Benavides M.P. (2001) Polyamines as protectors against cadmium or copper-induced oxidative damage in sunflower leaf discs. Plant ScL, 161,481-488.

107. Groppa M.D., Tomaro M.L., Benavides M.P. (2007) Polyamines and heavy metal stress: the antioxidant behavior of spermine in cadmium- and copper-treated wheat leaves. BioMetals, 20, 185-195.

108. Ha H.C., Sirisoma N.S., Kuppusamy P., Zweier J.L., Woster P.M., Casero R.A. (1998) The natural polyamine spermine functions directly as a free radical scavenger. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 95, 11140-11145.

109. Hall J.L. (2002) Cellular mechanisms for heavy metal detoxification and tolerance. J. Exp. Bot., 53, 1-11.

110. Hanson A.D., Rathinasabapathi B., Rivoal J., Burnet M., Dillon M.O., Gage D.A. (1994) Osmoprotective compounds in the Plumbaginaceae: a natural experiment in metabolic engineering of stress tolerance. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 91,306-310.

111. Hao F.S., Wang X.C., Chen J. (2006) Involvement of plasma-membrane NADPH oxidase in nickel-induced oxidative stress in roots of wheat seedlings. Plant Sci., 170, 151-158.

112. Hartzendorf T., Rolletschek H. (2001) Effect of NaCl-salinity on amino acid and carbohydrate contents of Phragmites australis. Aquat. Bot., 69, 195-208.

113. Hasan S.A., Hayat S., Ali B., Ahmad A. (2008) Homobrassinolide protects chickpea (Cicer arietinum) from cadmium toxicity by stimulating antioxidant. Environ. Pollut., 151, 60-66.

114. Hasan Z., Aarts M.G.M. (2011) Opportunities and feasibilities for biotechnological improvement of Zn, Cd or Ni tolerance and accumulation in plants. Environmental and experimental Botany, 72, 53-63.

115. Hatata M.M., Abdel-Aal E.A. (2008) Oxidative stress and antioxidant defense mechanisms in response to cadmium treatments. American-Eurasian J. Agric. & Environ. Sci., 4, 655-669.

116. Heath R.L. and Packer L. (1968) Photoperoxidation in Isolated Chloroplasts. Kinetics and Stoichiometry of Fatty Acid Peroxidation. Arch. Biochem. Biophys., 55, 355-361.

117. Homer F.A., Reeves R.D., Brooks R.R., Baker A.J.M. (1991) Characterization of the nickel-rich extract from the nickel hyperaccumulator Dichapetalum gelonioides. Phytochemistry, 30, 2141-2145.

118. Igarashi K., Kashiwagi K. (2000) Polyamines: mysterious modulators of cellular functions. Biochem Biophys. Res. Commun., 271, 559-564.

119. Kaur-Sawhney R., Tiburcio A.F., Atabella T., Galston A.W. (2003) Polyamines in plants: An overview. J. of Cell and Molecular Biology, 2, 1-12.

120. Kehner J.P. (2000) The Haber-Weiss reaction and mechanisms of toxicity. Toxicology, 149, 43-50.

121. Kersten W.J., Brooks R.R., Reeves R.D., Jaffre T. (1980) Nature of nickel complexes in Psychotria douarrei and other nickel-accumulating plants. Phytochemistry, 19, 1963-1965.

122. Klapheck S., Fliegner W., Zimmer I. (1994) Hydroxymethyl-phytochelatins (y-glutamylcysteine)n-serine. are metal-induced peptides of the poacea. Plant Physiol., 104, 1325-1332.

123. Koc E.C., Bagga S., Songstad D.D., Betz S.R., Kuehn G.D., Phillips G.C.1998) Occurrence of uncommon polyamines in culture tissues of maize. In Vitro

124. Cell. Dev. Biol. Plant, 34, 252-255.

125. Kotyza J., Soudek P., Kafka Z., Vanek T. (2011) Phytoremediation of pharmaceuticals-Preminary study. International J. of Phytoremediation, 12, 306-316.

126. Koväcik J., Klejdus B., Hedbavny J., Backor M. (2009) Nickel uptake and its effect on some nutrient levels, amino acid contents and oxidative status in Matricaria chamomilla plants. Water Air Soil Pollut., 202, 199-209.

127. Koväcik, J., Backor, M. (2008) Oxidative status of Matricaria chamomilla plants related to cadmium and copper uptake. Ecotoxicology (London, England), 17, 471479.

128. Kramer U. (2010) Metal hyperaccumulation in plants. Annual review of Plant Biology, 61, 517-534.

129. Kramer U., Pickering I. J., Prince R.C., Raskin I., Salt D.E. (2000) Subcellular localization and speciation of nickel in hyperaccumulator and nonaccumulator Thlaspi species. Plant Physiol., 122, 1343-1353.

130. Küpper H., Kroneck P.M.H. (2007) Nickel in the environment and its role in the metabolism of plants and cyanobacteria. In: Metal ions in life sciences. Sigel A., Sigel H., Sigel R.K.O. (ed.), Wiley, 2, 31-62.

131. Küpper H., Lombi E., Zhao F.J., McGrath S.P. (2000) Cellular compartmentation of cadmium and zinc in relation to other elements in the hyper accumulator Arabidopsis halleri. Planta, 212, 75-84.

132. Küpper H., Lombi E., Zhao F.J., Wieshammer G., McGrath S.P. (2001) Cellular compartmentation of nickel in the hyperaccumulators Alyssum lesbiacum, Alyssum bertolonii and Thlaspi goesingense. J. Experimental Botany, 52, 2291-2300.

133. Kusano T., Berberich T., Tateda C., Takahashi Y. (2008) Polyamines: essential factors for growth and survival. Planta, 228, 367-381.

134. Kusano T., Yamaguchi K., Berberich T., Takahashi Y. (2007) Advances in polyamine research in 2007. J Plant Res., 120, 345-350.

135. Kuznetsov VI.V., Shevyakova N.I. (2007) Polyamines and stress tolerance of plants. Plant stress, 1, 50-71.

136. Leblebici Z., Aksoy A. (2011) Growth and lead accumulation capacity of Lemna minor and Spirodela polyrhiza (Lemnaceae): Interactions with nutrient enrichment. Water, Air, and Soil Pollution, 214, 345-356.

137. Legocka J., Zaicher J. (1999) Role of spermidine in the stabilization of apoprotein of the light-harvesting Chlorophyll a/b-protein complex of Photosystem II during leaf senescence process. Acta Physiologia Plantarum, 21, 127-137.

138. Lemanceau P., Bauer P., Kraemer S., Briat J.F. (2009) Iron dynamics in the rhizosphere as a case study for analyzing interactions between soils, plants and microbes. Plant Soil, 321, 513-535.

139. Leonard S.S., Harris G.K., Shi X. (2004) Metal-induced oxidative stress and signal transduction. Free Rad. Biol. Med., 37, 1921-1942.

140. Li N.Y., Li Z.A., Zhuang P., Zou B., McBride M. (2009) Cadmium uptake from soil by maize with intercrops. Water, Air, and Soil Pollution, 199, 45-56.

141. Licht L.A, Isebrands J.G. (2005) Linking phytoremediated pollutant removal to biomass economic opportunities. Biomass and Bioenergy, 28, 203-218.

142. Lichtenthaler H.K. (1987) Chlorophylls and carotenoids, pigments of photosynthetic biomembranes. Methods Enzymol., 148, 350-382.

143. Liphadzi M.S., Kirkham M.B. (2006) Physiological effects of heavy metals on plant growth and function. Plant Environment Interactions. Huang B. (ed.), Taylor & Francis, Boca Raton, London, New York, 243-270.

144. Llamas A., Ullrich C.L., Sanz A. (2008) Ni2+ toxicity in rice: effect on membrane functionality and plant water content. Plant Physiology and Biochemistry, 46, 905-910.

145. Lomozik L., Gasowska A., Bregier-Jarzebowska R., Jastrzab R. (2005) Coordination chemistry of polyamines and their interactions in ternary systemsincluding metal ions, nucleosides and nucleotides. Coord. Chem. Rev., 249, 23352350.

146. Long S.P. (1999) Environmental responses. In: C4 Plant Biology. Sage R.F., Monson R.K. (ed.), Academic Press, San Diego, CA, USA. 215-249.

147. Lovaas E. (1997) Antioxidant and metal-chelating effects of polyamines. In: Advances in Pharmacology, Vol. 38: Antioxidants in disease mechanisms and therapy. Sies H. (ed.). Academic Press, 119-149.

148. Madhava Rao K.V., Sresty T.V.S. (2000) Antioxidative parameters in the seedlings of pigeonpea (Cajanus cajan (L.) Millspaugh) in response to Zn and Ni stresses. Plant Sci., 157, 113-128.

149. Maehly A.C., Chance B. (1954) The assay of catalases and peroxidases. In: Methods of Biochemical Analysis, Glick D. (ed.). Interscience, New York, 1, 357-408.

150. Maheshwari R., Dubey R.S. (2007) Nickel toxicity inhibits ribonuclease and protease activities in rice seedlings: protective effects of proline. Plant Growth Regul., 51, 231-243.

151. Maheshwari R., Dubey R.S. (2009) Nickel-induced oxidative stress and the role of antioxidant defence in rice seedlings. Plant Growth Regul., 59, 37-49.

152. Maiale S.J., Marina M., Sanchez D.H., Pieckenstain F.L., Ruiz O.A. (2008) In vitro and in vivo inhibition of plant polyamine oxidase activity by polyamine analogues. Phytochemistry, 69, 2552-2558.

153. Maksymiec W. (2007) Signaling response in plants to heavy metal stress. Acta Physiol. Plant., 29, 177-187.

154. Marchiol L., Sacco P., Assolati S., Zerbi G. (2004) Reclamation of polluted soil: phytoremediation potential of crop-related Brassica species. Water, Air, and Soil Pollution, 158, 345-356.

155. Marmiroli M., Pietrini F., Maestri E., Zacchini M., Marmiroli N., Massacci A. (2011) Growth, physiological and molecular traits in Salicaceae trees investigated for phytoremediation of heavy metals and organics. Tree Physiology, 31, 1319-1334.

156. Martin-Tanguy J. (2001) Metabolism and function of polyamines in plants:

157. Recent development (new approaches). Plant Growth Regul., 34, 135-148.

158. Matysik J., Alia Bhalu B., Mohanty P. (2002) Molecular mechanisms of quenching of reactive oxygen species by proline under stress in plants. Curr. Sci., 82, 525-532.

159. Mehta R.A., Cassol T., Li N., Ali N., Handa A.K., Mattoo A.K. (2002) Engineered polyamine accumulation in tomato enhances phytonutrient content, juice quality, and vine life. Nat. Biotechnol., 20, 613-618.

160. Mellem J.J., Baijnath H., Odhav B. (2009) Translocation and accumulation of Cr, Hg, As, Pb, Cu and Ni by Amaranthus dubius (Amaranthaceae) from contaminated sites. Journal of Environmental Science and Health, 44, 568-575.

161. Mishra D., Kar M. (1974) Nickel in plant growth and metabolism. Bot. Rev., 40, 395-452.

162. Mittler R. (2002) Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance. Trends Plant Sci., 7, 405-410.

163. Mizuno T., Usui K., Horie K., Nosaka S., Mizuno N., Obata H. (2005) Cloning of Three Zip/Nramp transporter genes from a Ni hyperaccumulator plant Thlaspi japonicum and their Ni -transport ability. Plant Physiol Biochem., 43, 793-801.

164. Molas J. (1997) Changes in morphological and anatomical structure of cabbage (Brassica oleracea L.) outer leaves and in ultrastructure of their chloroplasts caused by an in vitro excess of nickel. Photosinthetica, 34, 513-522.

165. Molas J. (2002) Changes of chloroplast ultrastructure and total chlorophyll concentration in cabbage leaves caused by excess of organic Ni II complexes. Environ Exp Bot., 47, 115-126.

166. Monni S., Salemma M., Millar N. (2000) The tolerance of Empetrum nigrum to copper and nickel. Environ. Pollut., 109, 221-229.

167. Moschou P.N., Dellis I., Paschalidis K.A., Roubelakis-Angelakis K.A. (2008a) Transgenic tobacco plants over-expressing polyamine oxidase are not able to cope with oxidative burst generated by abiotic factors. Physiol. Plant., 133, 140-156.

168. Moschou P.N., Paschalidis K.A., Roubelakis-Angelakis K.A. (2008b) Plantpolyamine catabolism. Plant signaling & Behavior, 3, 1061-1066.

169. Moya J.L., Ros R., Picazo I. (1993) Influence of cadmium and nickel on growth, net photosynthesis and carbohydrate distribution in rice plants. Photosynthesis Research, 36, 75-80.

170. Nagajyoti P.C., Lee K.D., Sreekanth T.V.M. (2010) Heavy metals, occurrence and toxicity for plants: a review. Environ. Chem. Lett., 8, 199-216.

171. Nagele A., Felix K., Lengfelder E. (1994) Induction of oxidative stress and protection against hydrogen-peroxide-madiated cytotoxicity by the superoxide dismutase-mimetic complex copper-putrescine-pyridine. Biochem. Pharmacol., 47, 555-562.

172. Nakano Y., Asada K. (1981) Hydrogen peroxide is scavendged by ascorbate specific peroxidase in spinach chloroplasts. Plant Cell Physiol., 22, 867-880.

173. Nakazawa R., Kameda Y., Ito T., Ogita Y., Michihata R., Takenaga H. (2004) Selection and characterization of nickeltolerant tobacco cells. Biol. Plant, 48, 497502.

174. Nieminen T. M. (2004) Effects of soil copper and nickel on survival and growth of Scots pine. Journal of Environmental Monitoring, 6, 888-896.

175. Nriagu J.O., Pacyna J.M. (1988) Quantitative assessment of wordwide contamination of air, water and soils by trace metals. Nature, 333, 134-139.

176. Ouariti O., Boussama N., Zarrouk M., Cherif A., Ghorbal M.H. (1997) Cadmium- and copper-induced changes in tomato membrane lipids. Phytochemistry, 45, 1343-1350.

177. Padmavathiamma P.K., Li L.Y. (2007) Phytoremediation technology: hyper-accumulation metals in plants. Water, Air, and Soil Pollution, 184, 105-126.

178. Page V., Feller U. (2005) Selective transport of zinc, manganese, nickel, cobalt and cadmium in the roots system and transfer to the leaves in young wheat. Ann. Bot., 96, 425-434.

179. Pandey N., Pathak G.P., Pandey G.C., Pandey D.R., Pandey R. (2009) Heavy metals, Co, Ni, Cu, Zn and Cd, produce oxidative damage and evoke differential antioxidant responses in spinach. Braz. J. Plant Physiol., 23, 103-111.

180. Pandey N., Sharma C.P. (2002) Effect of heavy metals Co2+, Ni2+ and Cd2+ on growth and metabolism of cabbage. Plant Sci., 163, 753-758.

181. Pandolfini T., Gabbrielli R., Comparini C. (1992) Nickel toxicity and peroxidase activity in seedlings of Triticum aestivum L. Plant Cell and Environment, 15,719-725.

182. Papadakis A.K., Roubelakis-Angelakis K.A. (2005) Polyamines inhibit NADPH oxidase-mediated superoxide generation and putrescine prevents programmed cell death induced by polyamine oxidase-generated hydrogen peroxide. Planta, 220, 826837.

183. Paschalidis K.A., Roubelakis-Angelakis K.A. (2005b) Sites and regulations of polyamine catabolism in the tobacco plant. Correlations with cell division/expansion, cell cycle progression, and vascular development. Plant Physiol., 138, 2174-2184.

184. Pereira M.C., Pereira M.L., Sousa J.P. (2002) Evaluation of nickel toxicity on liver, splen, and kidney of mice after administration of high-dose metal ion. Journal of Biomedical Materials Research, 40, 40-47.

185. Persans M.W., Yan X., Patnoe Jean-Marc M.L., Kramer U., Salt D.E. (2002) Molecular dissection of the role of histidine in nickel hyperaccumulation in Thlaspi goesingense (Halacsy). Plant Physiol., 121, 1117-1126.

186. Pyle G.G., Swanson S.M., Lehmkuhl D.M. (2002) The influence of water hardness, pH, and suspended solids on nickel toxicity to larval fathead minnows (Pimephales promelas). Water, Air, and Soil Pollution, 133, 215-226.

187. Rao K.V.M., Sresty T.V.S. (2000) Antioxidative paramétrés in the seedlings of pigeonpea (Cajanus cajan L.) Millspauga in response to Zn and Ni stress. Plant Science, 157, 113-128.

188. Raskin I., Ensley B.D. (2000) Phytoremediation of toxic metals. Using plants to clean up the environment. New York: Wiley and Sons, 685 p.

189. Rauser W.E. (1999) Structure and function of metal chelators produced by plans. The case for organic acids, amino acids, phytin, and metallotyhioneins. Cell Biochem. Biophys., 31, 19-48.

190. Reeves R.D. (1992) The hyperaccumulation of nickel by serpentine plants. In: The vegetation of ultramafic (serpentine) soils. Baker AJM et al. (ed.) Intercept, Andover, Hampshire, UK, 253-277.

191. Reeves R.D., Baker A.J.M. (2000) Metal-accumulating plants. In: Phytoremediation of toxic metals: using plants to clean up the environment. Raskin I., Ensley B.D. (ed.). Wiley, New York, 193-229.

192. Ridge I., Osborne D.J. (1971) Role of peroxidase when hydroxyproline-rich protein in plant cell wall is increased by ethylene. Nature New biol., 229, 205-208.

193. Riesen O., Feller U. (2005) Redistribution of nickel, cobalt, manganese, zinc and cadmium via the phloem in young and in maturing wheat. J. Plant Nutrition, 28. 421430.

194. Robinson B.H., Lombi E., Zhao F.J., McGrath S.P. (2003) Uptake and distribution of nickel and other metals in the hyperaccumulator Berkheya coddii. New Phytologist,, 158, 279-285.

195. Rodriguez A.A., Maiale S.J., Menendez A.B., Ruiz O.A. (2009) Polyamine oxidase activity contributes to sustain maize leaf elongation under saline stress. Journal of Experimental Botany, 60, 4249-4262.

196. Rubio M.I., Escrig I., Martinez-Cortina C., Lopez-Benet F.J., Sanz A. (1994) Cadmium and nickel accumulation in rice plants. Effects on mineral nutrition and possible interactions of abscisic and gibberelic acids. Plant Growth Regul., 14, 151157.

197. Sagner S., Kneer R., Wanner G., Cosson J. P., Deus-Neumann B., Zenk M.H.1998) Hyperaccumulation, complexation and distribution of nickel in Sebertia acuminate. Phytochemistry, 47, 339-347.

198. Sanz A., Llamas A., Ullrich C.I. (2009) Distinctive phytotoxic effects of Cd and Ni on membrane functionality. Plant Signaling and Behavior, 4, 980-982.

199. Schat H., Llugany M., Vooijs R., Hartley-Whitaker J., Bleeker P.M. (2002) The role of phytochelatins in constitutive and adaptive heavy metal tolerances in hyperaccumulator and non-hyperaccumulator metallophytes. J. Exp. Bot., 53, 23812392.

200. Schiitzendubel A., Polle A. (2001) Plant responses to abiotic stresses: heavy metal-induced oxidative stress and protection by mycorrhization. J. of Experimental Botany, 53, 1351-1365.

201. Sebela M., Radova A., Angelini R., Tavladoraki P., Frebort I.I., Pec P. (2001) FAD-containing polyamine oxidases: a timely challenge for researchers in biochemistry and physiology of plants. Plant Sci., 160, 197-207.

202. Seiler N. (2004) Catabolism of polyamines. Amino Acids, 26, 217-233.

203. Seiler N., Raul F. (2005) Polyamines and apoptosis. J Cell Mol. Med., 9, 623-642.

204. Shah K., Nongkynrih J.M. (2007) Metal hyperaccumulation and bioremediation. Biol. Plantarum, 51, 618-634.

205. Shaw B.P., Sahu S.K., Mishra R.K. (2004) Heavy metal induced oxidative damage in terrestrial plants. In: Heavy metal stress in plants: from biomolecules to ecosystems. Prasad MNV. (ed.) Springer-Verlag, New York, 84-126.

206. Shevyakova N.L, lima E.N., Stetsenko L.A., Kuznetsov VI.V. (2011) Nickel accumulation in rape shoots (Brassica napus L.) increased by putrescine. Int. J. Phytoremed., 4, 345-356.

207. Shevyakova N.L, Rakitin V.Yu, Stetsenko L. A., Aronova E.E., Kuznetsov VI.V. (2006) Oxidative stress and fluctuations of free and conjugated polyamines in the halophyte Mesembryanthemum crystallinum under NaCl salinity. Plant Growth Regul., 50, 69-78.

208. Singh A., Sharma R.K., Agrawal M., Marshall F.M. (2010) Risk assessment of heavy metal toxicity through contaminated vegetables from waste water irrigated area ofVaranasi, India. Tropical Ecology, 51, 375-387.

209. Slocum R.D. (1991) Tissue and subcellular localisation of polyamines and enzymes of polyamine metabolism. In: Biochemistry and Physiology of Polyamines in Plants. Slocum R.D. and Flores H.E. (ed.). CRC Press, Boca Raton, FL, USA, 93103.

210. Smith S.R. (2009) A critical review of the bioavailability and impacts of heavy metals in municipal solid waste composts compared to sewage sludge. Environ. Int., 35, 142-156.

211. Tassoni A., Van Buuren M., Franceschetti M., Fornale I.S., Bagni N. (2000) Polyamine content and metabolism in Arabidopsis thaliana and effect of spermidine on plant development. Plant Physiol. Biochem., 38, 383-393.

212. Tester M., Bacic A. (2005) Abiotic stress tolerance in grasses. From model plants to crop plants. Plant Physiol., 137, 791-793.

213. Thomas T., Thomas T.J. (2001) Polyamines in cell growth and cell death: molecular mechanism and therapeutic applications. Cell Mol. Life Sci., 58, 244-258.

214. Tomitori H., Kashiwagi K., Sakata K., Kakinuma Y., Igarashi K. (1999) Identification of a Gene of a Polyamine Transport Protein in Yeast. J. Biol. Chem., 274, 3265-3267.

215. Vogel-Mikus K., Drobne D., Regvar M. (2005) Zn, Cd and Pb accumulation and arbuscular mycorrhizal colonization of pennycress Thlaspi praecox Wulf. (Brassicaceae) from the vicinity of a lead mine and smelter in Slovenia. Environ. Pollut., 133, 233-242.

216. Wallace H.M., Fraser A.V., Hughes A. (2003) A perspective of polyamine metabolism. Biochem. J., 376, 1-14.

217. Wang K.S., Huang L.C., Lee H.S., Chen P.Y., Chang S.H. (2008). Phytoextraction of cadmium by Ipomoea aquatica (water spinach) in hydroponic solution: effects of cadmium speciation. Chemosphere, 72, 666-672.

218. Wang X., Shi G.X., Xu Q.S., Hu J.Z. (2007). Exogenous polyamines enhance copper tolerance of Nymphoides peltatum. J. Plant Physiol., 164, 1062-1070.

219. Welch R.M. (1981) The biological significance of Ni. Plant Nutr., 3, 345-356.

220. Weng L.P., Lexmond T.M., Wolthoorn A., Temminghoff E.J.M., Riemsdijk van W.H. (2003) Phytotoxicity and bioavailability of nickel: chemical speciation and bioaccumulation. Environ. Toxicol. Chem., 22, 2180-2187.

221. Wenzel W. W., Bunkowski M., Pushenreiter M., Horak O. (2003) Rhizosphere characteristics of indigenously growing nickel hyperaccumulator and excluder plants on serpentine soil. Environmental Pollution, 123, 131-138.

222. Wintz H., Fox T., Vulpe C. (2002) Responses of plants to iron, zinc and copper deficiencies. Biochem. Soc. Trans., 30, 766-768.

223. Yamaguchi K., Takahashi Y., Berberich T., Imai A., Miyazaki A., Takahashi T., Michael A. Kusano T. (2006) The polyamine spermine protects against high salt stress in Arabidopsis thaliana. FEBSLett., 22, 6783-6788.

224. Yan R., Gao S., Yang W., Cao M., Wang S., Chen F. (2008) Nickel toxicity induced antioxidant enzyme and phenylalanine ammonia-lyase activities in Jatropha curcas L. cotyledons. Plant Soil Environ., 54, 294-300.

225. Yang H., Shi G., Wang H., Xu Q. (2010) Involvement of polyamines in adaptation of Potamogeton crispus L. to cadmium stress. Aquatic Toxicology, 100, 282-288.

226. Yi Y., Guerinot M.L. (1998) Genetic evidence that induction of root Fe (III) chelate reductase activity is necessary for iron uptake under iron deficiency. Plant J., 10, 835-844.

227. Yoshihara T., Hodoshima H., Miyano Y., Shoji K., Shimada H., and Goto F.2006) Cadmium inducible Fe deficiency responses observed from macro and molecular views in tobacco plants. Plant Cell Rep., 25, 365-373.

228. Yusuf M., Fariduddin Q., Hayat S., Ahmad A. (2011) Nickel: an overview of uptake, essentiality and toxicity in plants. Bull. Environ. Contam. Toxicol., 86, 1-17.

229. Zacchini M., Iori V., Agazio M. (2005) Increase of diamine propane in maize root seedlings after cutting and methyljasmonate treatment, as a marker of polyamine secretion. Revue de Cytologie et Biologie vegetales- Le Botaniste, 28, 454-459.

230. Zacchini M., Pietrini F., Scarascia Mugnozza G., Iori V., Massacci. A. (2005) Metal tolerance, accumulation and translocation in poplar and willow cloines treated with cadmium in hydroponics. Water Air Soil Pollut., 197, 23-34.

231. Zacchini M., Pietrini F., Scarascia Mugnozza G., Iori V., Pietrosanti L., Massacci A. (2009) Metal tolerance, accumulation and translocation in poplar and willow clones treated with cadmium in hydroponics. Water Air Soil Pollut., 197, 2334.

232. Zeller S., Feller U. (1998) Redistribution of cobalt and nickel in detached whear shoots: effects of steam-girdling and of cobalt and nickel supply. Biol. Plant, 41, 427434.

233. Zhang X., Zhang S., Xu X., Li T., Gong G., Jia Y., Li Y., Deng L. (2010) Tolerance and accumulation characteristics of cadmium in Amaranthus hybridus L. Journal of Hazardous Materials, 180, 303-308.

234. Zhao J., Shi G., Yuan Q. (2008) Polyamines content and physiological and biochemical responses to ladder concentration of nickel stress in Hydrocharis dubia (Bl.) Backer leaves. Biometals, 21, 665-674.

235. Zhuang P., McBride M.B., Xia H.P., Li N.Y., Li Z.A. (2009) Health risk from heavy metals via consumption of food crops in the vicinity of Dabaoshan mine, South China. 5ci. Total Environ., 407, 1551-1561./0)

Информация о работе

Черемисина, Александра Игоревна
кандидата биологических наук
Москва, 2012
ВАК 03.01.05

Диссертация

Фиторемедиационный потенциал и физиологические механизмы адаптации растений рода Amaranthus L. к избыточному содержанию никеля - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Фиторемедиационный потенциал и физиологические механизмы адаптации растений рода Amaranthus L. к избыточному содержанию никеля - тема автореферата по биологии, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы