Ионный обмен и диффузия в клеточных стенках растений

Мейчик, Наталия Робертовна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Ионный обмен и диффузия в клеточных стенках растений
ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Ионный обмен и диффузия в клеточных стенках растений"

На правах рукописи

Мейчик Наталия Робертовна

Ионный обмен и диффузия в клеточных стенках растений

специальность 03.00.12 - физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

ииз1Б2311

Москва - 2007

003162311

Работа выполнена на Биологическом факультете Московского Государственного Университета им М В Ломоносова

Научный консультант доктор биологических наук,

профессор

Ермаков Игорь Павлович

Официальные оппоненты доктор биологических наук

профессор

Феофилова Елена Петровна

доктор биологических наук профессор

Кораблева Наталия Павловна

доктор биологических наук профессор

Медведев Сергей Семенович

Ведущая организация Институт физиологии растений им К А Тимирязева

Защита состоится «9» ноября 2007 г в 15 30 часов на заседании диссертационного совета Д 501 001 46 в Московском Государственном Университете им M В. Ломоносова по адресу. 119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинские Горы, МГУ, Биологический факультет. Факс -(095) 939-43-09

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ им М В Ломоносова

РАН

Автореферат разослан « О » октября 2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета.

М. А. Гусаковская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы Клеточная стенка корня, являющаяся частью апопласта - слож-ноорганизованная и многофункциональная система Этот экстраклеточный компартмент первым контактирует с наружным раствором и модифицирует его состав за счет реакций обмена между ионогенными группами полимерного матрикса и ионами среды, тем самым регулируя поступление веществ в корни растений Эффективность такой модификации определяется физико-химическими свойствами стенки, которые находятся под контролем клетки- клеточные стенки являются не только чрезвычайно сложными, но и динамичными системами, состав и организация которых могут изменяться в процессе онтогенеза и под действием внешних факторов (Лозовая, 1987, Carpita and Gibeaut, 1993, Горшкова, 1997, Шарова, 2004)

Принято считать, что структура и ионообменные свойства клеточных стенок и апопласта корня в целом имеют важное физиологическое значение, так как именно они определяют ионный состав среды, которая омывает клеточную мембрану, контролируют внеклеточный транспорт растворенных веществ, влияют на механические и осмотические явления в процессе роста клеток (Haynes, 1980, Grignon and Sentenac, 1991) На важную роль физико-химических свойств клеточной стенки, от которых зависят первичные процессы поглощения минеральных элементов, впервые обратили серьезное внимание отечественные исследователи (Колосов ИИ , 1939, 1940, Сабинин Д А, 1955) В последующем их анализ предпринимался неоднократно (Grignon and Sentenac, 1991, Sattelmacher, 2001), однако долгие годы исследования носили эпизодический характер В качестве главной количественной характеристики способности стенок к адсорбции использовали, как правило, катионообмен-ную способность корней (Кузнецова, 1972, Grignon and Sentenac, 1991, Marshner, 1995), которая, как считается, обусловлена присутствием в полимерном матриксе карбоксильных групп остатков уроновых кислот в составе пектинов (Morvan et al, 1979, Richter and Dainty 1989, Grignon and Sentenac, 1991) Однако, данные биохимических исследований состава клеточных стенок противоречат таким упрощенным представлениям и указывают на наличие в них других группировок, участвующих в ионном обмене (Richter and Dainty, 1989), а количественная оценка ионообменных свойств клеточных стенок с использованием ранее предложенных подходов не вскрывает и не отражает реальной сложности процессов, обеспечивающих первичные этапы поглощения минеральных элементов корнями растений

Одним из подходов к исследованию процессов в клеточной стенке может быть рассмотрение ее с позиций химии полимеров В анализе полимерного ионообменного материала важную роль играют параметры, которые характеризуют происходящие в нем процессы диффузии и набухания Они позволяют описать такие важные свойства, как проницаемость и скорость транспортирования ионов в полимере Кроме того, коэффициенты набухания и диффузии являются функцией степени поперечной сшивки полимерных цепей, общего числа ионогенных групп ионита, степени их диссоциации, концентрации внешнего раствора, и зависят от радиуса гидратированного иона, которым заполняется сорбент (Гельферих, 1962, Шатаева и др , 1979) О процессах диффузии ионов в апопласте и набухании полимерного матрикса клеточных оболочек известно мало (Canny, 1995), однако, можно полагать, что

экспериментальная оценка набухания и диффузии даст возможность оценить различия в структуре биохимически пластичного полимерного матрикса у растений разных видов, а также определить степень его участия в водном режиме при нормальных и экстремальных условиях минерального питания

Таким образом, оценка физико-химических характеристик экстраклеточного компар-тмента корня с использованием методов химии полимеров может быть важным направлением исследования, которое позволит выявить существенные механизмы, контролирующие поглощающую способность корней как в нормальных, так и экстремальных условиях минерального питания, получить информацию о том, как модифицируются свойства апопласта в разных условиях питания и водного режима растений

Цель работы. Выявление основных закономерностей ионообменных и диффузионных процессов в апопласте корней растений разных систематических групп и определение функциональной роли ионообменного механизма в минеральном питании и водном режиме растений в нормальных и экстремальных условиях роста

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи

1 Разработать методологию количественной оценки ионообменных свойств клеточных стенок и диффузии ионов в них

2 Провести сравнительный анализ физико-химических параметров, характеризующих состав ионогенных групп, способность к набуханию клеточных стенок и диффузионные свойства апопласта в корнях растений разных видов

3 Установить вклад ионообменного механизма и набухания в поглощение минеральных элементов корнями растений при изменении параметров внешней среды

4 Определить влияние физиологического состояния, возраста и вида растений, состава среды выращивания на ионообменные свойства клеточных стенок

Основное положение, выносимое на защиту:

Концепция зависимости физиологических функций поглощения и транспорта минеральных элементов и воды растениями от физико-химических свойств полимерного матрикса их клеточных стенок

Научная новизна работы. Разработана методология количественной оценки ионообменных и диффузионных свойств клеточных стенок корней растений На этой основе проведено комплексное сравнительно-физиологическое исследование связи физико-химических свойств клеточных стенок и процессов организации ионных и водных потоков в апопласте, разработаны теоретические представления для их количественного описания Впервые установлено, что в составе полимерного матрикса клеточных стенок всех исследованных растений содержатся четыре типа ионообменных групп, три из которых являются катионооб-менными (карбоксильные группы полигалактуроновой и гидроксикоричных кислот, фе-нольные ОН-группы), и одна - анионообменной (аминогруппы) Впервые показано, что ионообменные свойства клеточной стенки зависят от вида, возраста, физиологического состояния растений, а также условий произрастания и определяются количественными соотношениями типов ионогенных групп полимерного матрикса экстраклеточного пространства

Впервые экспериментально доказано, что апопласт корня - это компартмент, в котором происходит концентрирование катионов минерального питания на первичном этапе поглощения ионов из внешней среды, а степень их накопления зависит от вида растения, условий произрастания и ионных условий в экстраклеточном пространстве

Впервые установлено, что объем полимерного матрикса клеточных стенок, который связан с их гидравлической проводимостью, зависит от ионных условий и рН в окружающей среде и в экстраклеточном пространстве Показано, что изменение в набухании, которое определяется физико-химическими свойствами клеточной стенки в ответ на варьирование внешних мчи внутренних условий, представляет собой элемент механизма регулирования потока воды по корню

Впервые проведено сравнительное исследование диффузии катиона в апопласте корней и показано, что механизм его поглощения в значительной мере обусловлен ионообменными реакциями между катионом и карбоксильными группами клеточных стенок, а скорость процесса поглощения в целом определяется диффузией катиона в полимерном матриксе Впервые выявлены различия в проницаемости полимерного матрикса корней растений различных видов

Впервые проведено сравнительное исследование ионообменных свойств клеточных стенок, изолированных из корней галофитов и гликофитов и показано, что ионообменные процессы являются частью механизма устойчивости растений к экстремальным условиям питания

Таким образом, в работе обоснована концепция зависимости физиологических функций поглощения и транспорта минеральных элементов и воды растениями от физико-химических свойств полимерного матрикса их клеточных стенок

Практическая значимость работы Разработаны новые подходы к количественной оценке физико-химических параметров клеточных стенок, которые позволили провести сравнительный анализ ионообменных свойств и состава их структурных полимеров Полученные в работе физико-химические параметры (количество ионогенных групп каждого типа и константы их диссоциации, общее количество катионо- и анионообменных групп, коэффициенты набухания и диффузии) являются основой для предсказаний изменений ионного состава в водном пространстве матрикса на начальном этапе поглощения элементов питания Впервые установлено, что одной из ответных реакций на экстремальные условия питания является изменение физико-химических свойств и состава матрикса клеточных стенок

Полученные в работе данные расширяют фундаментальные знания о механизмах ионообменной адсорбции и диффузии катионов в клеточных стенках и показывают их роль на первичных этапах поглощения ионов, в устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды и могут бьггь использованы в исследовательской практике и включены в курсы лекций по минеральному питанию и стресс-устойчивости растений Апробация работы Результаты исследования были представлены на XVI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии, посвященный (Санкт-Петербург, 1998), Международной конференция «The supporting roots Structure and function» (Бордо, Франция, 1998), IV съезде общества физиологии растений России (Москва, 1999), II Международной науч-

ной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений» (Минск , 2001), на 13-ом конгрессе FESPP (Греция, 2002), V съезде общества физиологов растений и международной конференции «Физиология растений-основа биотехнологии» (Пенза, 2003), IV-ой Международной научной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений» (Минск, 2005), XV International Plant Nutation Colloquium «Plant nutation for food security, human health and environmental protection» (Beijing, 2005), 13th Multi-disciplinary Iranian Researchers Conference in Europe (Leeds ,2005), XlXth International Congress on Sexual Plant Reproduction (Budapest Hungary, 2006), International scientific conference «Genetic and Physiological Fundamentals of Plant Growth and Productivity» (Vilnius, 2006) Публикации По теме диссертации опубликовано 58 работ (общее число публикаций автора - 114, из них 17 авторских свидетельств на способы синтеза ионообменных материалов) в отечественных ("Физиология растений", "Биохимия", "Физическая химия" и др) и зарубежных (Plant and Soil, Biologija) научных журналах, материалах конференций и научных сборниках

Объем и структура диссертации Диссертация изложена на 251 стр машинописного текста и состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов, списка цитированной литературы, включающего 297 наименований (из них 257 на иностранных языках) Работа содержит 24 табчицы и иллюстрирована 44 рисунками

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Объектами исследования служили растения из семейств Роасеае (Triticum aestivum L , Zea mays L ), Cucurbitaceae (Cucumis sativus L), Liliaceae (Lilium longiflorum Thunb, сорт 'World-white'), Chenopodiaceae (Suaeda altissima (L ) Pall, Spinacia oleracea L , сорт 'Матадор'), Fa-baceae (Lupinus albus L , сорт 'Немчиновский белый', Vigna radiata L , Pisum sativum L , сорт овощной 'Ранний-301', Cicer arietmum L, сорта 'Bivanij', 'Hachem', линия ILC482, Vicia narbonesis L , линия Sel2384, Lathyrus sativus L , линия Sel635) Условия выращивания растений подробно описаны в главах диссертации

Выделение клеточных стенок проводили, используя сырой или сухой растительный материал, который помещали в стеклянную ионообменную колонку (V=250 мл), промывали в динамических условиях последовательно 1%-ными водными растворами NaOH, НС1 и дистиллированной водой до отсутствия хлорид-ионов в промывных водах, а затем высушивали в присутствии поглотителя (СаСЬ) при 55-60°до постоянного веса Указанный метод стандартизации, то есть переведения всех имеющихся в структуре катионообменных групп в Н+-форму, который широко используется в физико-химических исследованиях ионообменных материалов, позволяет проводить сравнительное исследование сорбционных свойств полимерного матрикса клеточных стенок Для оценки качества выделения клеточных стенок проводили микроскопический анализ препаратов, окрашенных флуоресцентным красителем DAPI на ДНК

Определение качественного и количественного состава ионообменных групп проводили, используя потенциометрический метод Потенциометрическое титрование стандартизованных клеточных стенок осуществляли методом отдельных навесок (Мейчик и др, 1999)

Сухие навески образцов клеточных стенок по 40+0,1мг помещали в шлифованные бюксы с притертой пробкой (объем ~ 50 мл) и заливали 12,5 мл раствора NaOH или НС1 различной концентрации, но постоянной ионной силы, которую создавали добавлением соответствующих количеств NaCl Диапазон изменения концентраций кислоты или щелочи в исходных растворах составлял 0-10 мМ, a NaCl -10-1000 мМ По истечении 48 часов образцы отделяли от раствора До и после контакта с образцами в растворах определяли рН (рН Meter, Model 3320, фирма "Jenway", Англия) и концентрацию кислоты или щелочи титрованием с индикатором бромтимоловым синим или метиловым красным По изменению кон-+

центрации Н или ОН в растворе рассчитывали ионообменную способность клеточных стенок при рН, по формуле

|(С-С,)|хК

-,J\-J (1)

где s""nt""> - ионообменная способность образцов клеточных стенок по катионам (£,*"") или анионам (5,™) при рН„ мкмоль на 1 г сухой массы клеточных стенок, С, и С, - исходная и соответствующая равновесная концентрации NaOH или НС1 в растворе, мМ, V- объем раствора, мл, g - навеска образца, г

Расчет константы диссоциации функциональных групп клеточных стенок по кривым потенциометрического титрования В основе расчета лежат разработки, выполненные с

участием автора в 1978-1992 г г на полифункциональных ионитах с различной структурой функциональных групп (Лейкин и др , 1978, Мейчик и др , 1989 а, б) Экспериментальные кривые потенциометрического титрования как для клеточных стенок, так и для полифункциональных ионитов, имеют сложный полисигмоидный характер, что свидетельствует о наличии в полимерном матриксе нескольких типов

функциональных групп Разделение экспериментальных кривых на моносигмоидные участки проводили согласно дифференциальным кривым, которые имели несколько максимумов и минимумов (рис 1) Каждый минимум соответствовал точке начала или конца ионизации специфической группы в клеточных стенках (Лейкин и др , 1978, Мейчик и др , 1989) Например, точка рН] (рН » 3,3) соответствует концу ионизации первой ионогенной группы и в то же самое время она является начальной точкой диссоциации второй ионогенной группы Значение рН2 (рН я> 5,6) соответствует концу ионизации второй группы и, од-

Рис1 Типичная дифференциальная кривая рассчитанная из экспериментальных патенциометрических кривых титрования

новременно, соответствует началу ионизации третьей группы и т д Разность между ионообменной способностью в начальной и конечной точках соответствует количеству ионоген-ных групп j-того типа (ASJ) Таким образом, по дифференциальным кривым возможно определить число групп в клеточной стенке, а также их количество (AS') В этом случае степень ионизации групп может быть рассчитана по формуле

где Sf - количество диссоциированных групп j-типа при pH,

Чтобы рассчитать константу ионизации для каждой ионогенной группы, использовали модифицированное Грегором уравнение Хендерсона-Хассельбаха (Gregor et al, 1954)

рН = рК.+п log.^-j^-j, (3)

где рК„ -кажущаяся константа ионизации ионогенной группы полимера, а - степень ионизации, п - константа, зависящая от строения полимерной матрицы и природы противоиона

(Шатаева и др, 1979) Если зависимость pH =70og10( —2—1) является прямолинейной, то в

U-07

соответствии с уравнением (3) значение pH, при котором прямая пересекает ось у, будет равно величине pKs, а тангенс угла ее наклона будет соответствовать значению константы п (уравнение 3) Используя значения а, (уравнение 2), соответствующие им величины pH, и уравнение (3), для каждой ионогенной группы были рассчитаны рК'а и nJ Следует отметить, что уравнение (3) успешно используется для описания процессов кислотно-основного равновесия как в структуре полифункциональных синтетических ионообменников (Лейкин и др , 1978, Мейчик и др , 1989), так и природных ионитов, к которым принадлежит и клеточная стенка растений (Мейчик и Ермаков, 2001, Meychik and Yermakov, 1999, 2001, Meychik et al, 2005, Мейчик и др , 1999, 2003, 2006)

С установленными значениями параметров (AS>, рК/, п) рассчитывали по суммарному уравнению (Лейкин и др , 1978)

sr=sr-kt f^y (4)

'"l + io1- >

где - расчетное значение ионообменной способности клеточной стенки при соответствующем значении pH,, - максимальная катяонообменная способность клеточных стенок, дУ - количество ионогенных групп j-го типа, S"T, Д5' и S*" выражены в мкмоль на 1 г сухой массы клеточных стенок, рК/ - кажущаяся константа ионизации ионогенных групп j-го типа, п - константа уравнения (3) для ионогенных групп j-to типа, к - число точек на по-тенциометрической кривой, т - число типов ионогенных групп

Адекватность примененного подхода к описанию кислотно-основного равновесия оценивали методом регрессионного анализа, определяя параметры уравнения

Sf = В S™ + А, (5)

где S"'" и S'**, мкмоль на 1 г сухой массы клеточных стенок - экспериментально полученная и рассчитанная по уравнению (4) ионообменная способность при соответствующем значении рН„ АиВ-параметры регрессии

Расчеты показали, что выбранная модель полностью соответствует полученным в настоящей работе экспериментальным данным, о чем свидетельствовали величины коэффициентов корреляции (г ) зависимостей S =flS ), а также значения регрессионных коэффициентов АиВ уравнения (5) Во всех вариантах г""1 ~ 1, значение А не превышает погрешности эксперимента, а В ~ 1

Определение содержания воды в тканях растений и весового коэффициента набухания матрикса клеточных стенок в воде проводили гравиметрическим методом Весовой коэффициент набухания стандартизованных клеточных стенок (К."*) и содержание воды в корнях и листьях (Q) определяли по соответствующим формулам (Гельферих, 1962) Статистическую обработку результатов проводили с использованием пакета программ SPSS, версия 13

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1. Исследование состава ионогепных групп в полимерном матриксе клеточных стенок Объектами исследования служили корни растений, условия минерального питания которых приведены в сноске к табл 1 Согласно биохимическим данным литературы, в составе клеточной стенки присутствуют три типа функциональных групп, способных к ионизации в исследуемом нами диапазоне pH, но поведение которых в этом процессе количественно не изучено аминогруппы, карбоксильные группы полигалактуроновой кислоты (Ш К) и фенольные ОН-группы (Morvan et al, 1979, Ritchie and Larkum,1982, Starrach et al, 1985, Richter and Dainty, 1989) Наши данные указывают на то, что в полимерной структуре клеточных стенок существует четыре типа ионогенных групп (табл 1) три катионообмен-ные

(д/, л?3, AS ) и одна анионообменная (AS) Сопоставление рассчитанных значений рКа с известными данными по химическому составу клеточной стенки (Buchanan, 2000) и анализ значений рКа для различных типов групп в низкомолекулярных соединениях (Альберт и Сержент, 1964) привели нас к заключению, что группы с рК„~3 являются аминогруппами, с рКа~5 - карбоксильными группами 111 К, с рКа~7 - карбоксильными группами гид-роксикоричных кислот (ГКК), а с рКа~10 - фенольными ОН-группами (табл 2)

Общее количество анионообменных групп (S" =As') и общее количество катионооб-менных групп (5"т) в клеточных стенках корня зависит от вида растения (табл 1) Во всех случаях количество кислотных группировок больше, чем основных Эти результаты находятся в соответствии с общепринятой точкой зрения о том, что растительная клеточная стенка обладает главным образом катионообменными свойствами (Haynes, 1982, Grignon,

Таблица 1 Содержание различных ионогенных групп в полимерном матриксе клеточных стенок корней ДБ , Дв , ДБ , ДБ и 5™- содержание аминогрупп, карбоксильных групп полигалактуроновой кислоты, карбоксильных групп гидроксикоричных кислот, фенольных ОН-групп и общее количество катионообмеяных групп, мкмоль на 1 г сухой массы клеточных стенок, приведены средние значения и их стандартные отклонения (3-5 биологических повторностей)

Семейство Вид Возраст, ДН Условия питания as' as2 asj as' гчаг

Т aestivum 7 1 140+8* 100+15 350150 550160 10001125

Роасеае Т aestivum этиолирован 10 1 140120* 140±10 180+17 310140 550+67

Т aestivum 38 2 140+14* 140+12 330+20 330150 800+79

Z mays 7 1 90+6* 30±12 450±20 8001130 12801112

С arietinum сорт 'Bivanii' 20 2 708±13** 433±42 373±51 55+23 8611116

Fabaceae С arietmum ilc 482 20 2 682±31** 685±70 250±10 180125 11151105

V narbonesis 20 2 913±31** 620±40 30110 220131 870181

L albus 10 1 60±11* 400+40 500+80 250+45 11501160

V radiata 20 2 658146** 525±37 730+51 340124 15951112

P sativum 35 2 185±20* 318129 330+26 650+30 1298185

Chenopodiaceae s olerácea 60 3 832±66** 300114 400114 540+127 1240158

S altissima 60 3 652±28** 303±21 503115 9001104 17101140

Liliaceae L longiflorum 60 3 175+14** 335+20 300128 300125 935193

1 - проростки низкосолевого статуса, выросшие на растворах, в которых концентрация ионов К , NO 3, С1,

+ 3-

Na , Р04 составляла - 0,2 мМ, 2 - среда Прянишникова (Баславская и Трубецкова, 1964), 3 - среда Robinson and Dountov, 1985, * и **- определение проведено водным и неводным титрованием соответственно

Таблица 2. Параметры уравнения Грегора (уравнение 3) для ионогенных групп в полимерном матриксе клеточных стенок растений 1 — аминогруппы, 2 и 3 - карбоксильные группы потигалактуро-новой кислоты и гидроксикоричных кислот соответственно, 4 - фенольные ОН-группы ] - тип группы, п1 - константа уравнения (3), г - коэффициент корреляции зависимости рН, =Д^[<х1/(1-а,)]), Дв1 - количество ионогенных групп ^того типа, мкмоль на 1 г сухой массы клеточных стенок Во всех случаях ионная сила раствора при потенциометрическом титровании составляла 10 мМ

Объект J pKJ j n rJ corr AS1

10-дневные этиолированные проростки пшеницы 1 3,01 -0,91 0,997 140

2 4,52 1,12 0,972 60

3 7,65 1,02 0,964 180

4 10,09 1,04 0,999 310

38-дневные растения пшеницы 1 3,37 -0,90 0,992 140

2 5,12 0,99 0,989 140

3 7,53 0,93 0,991 330

4 10,11 1,10 0,995 330

10-дневные проростки люпина 1 3,28 -1,13 0,961 60

2 5,17 1,16 0,962 400

3 7,07 1,00 0,988 500

4 10,31 1,09 0,984 250

35-дневные растения гороха 1 3,34 -1,21 0,983 185

2 5,32 0,82 0,999 310

3 7,59 0,91 0,992 310

4 10,38 1,07 0,991 680

and Sentenac 1991)

Клеточные стенки корней проростков и взрослых растений по качественному составу функциональных групп не различаются, о чем свидетельствуют рассчитанные значения pKaJ (табл 2) Стенки исследуемых растений значительно отличаются между собой по количеству всех типов ионогенных групп Содержание карбоксильных групп ПГК у этиолированных проростков пшеницы в 2 раза меньше по сравнению со взрослыми растениями а у бобовых - в 2-3 раза выше чем у злаковых Результаты о различиях в количестве карбоксильных групп ПГК у Fabaceae и Роасеае согласуются с данными других авторов, исследовавших ка-тионообменную способность корней (Drake et al, 1951, Crooke et al, 1960, Hemtze, 1961, Crooke et al, 1961, Haynes, 1980, Gngnon and Sentenac, 1991, Sattelmacher, 2001) Было показано, что катионообменная способность корней двудольных растений почти в 2 раза выше по сравнению с однодольными Кроме того, было определено, что катионообменная способность корней основных сельскохозяйственных культур лежит в пределах 100-600 мкмоль на 1 г сухой массы корней, что также не противоречит результатам нашей работы Таким образом, в ряду исследуемых растений самым высоким содержанием карбоксильных групп ПГК характеризуются бобовые растения, а фенольных ОН-групп и карбоксильных групп ГКК - растения из сем Роасеае и Chenopodiaceae

Количество карбоксильных групп в клеточных оболочках должно быть непосредственно связано с градиентом рН, который формируется вследствие реакций ионного обмена между катионами внешней среды и протонами ионизированных карбоксильных групп клеточных стенок Рис 2 демонстрирует, что чем больше количество ионизированных карбоксиль-

Я а

люпин пшеница

Рис 2 Зависимость градиента рН от равновесного значения рН В каждой точке ДрН рассчитывали как разность между начальным (рН ) и конечным или равновесным (рН)

яа

значениями рН рН. и рИ( получены до и посте достижения равновесия препаратов клеточных стенок с раствором

рН

ных групп, тем выше образующийся градиент рН Для изолированных клеточных стенок люпина ДрН выше, чем для пшеницы при всех значениях рН внешнего раствора Для люпина и для пшеницы максимум ДрН лежит в области рН~7, но для стенок люпина максимум значения ДрН составляет ~ 4,5, а для пшеницы - ~3

Поскольку рН питательной среды при физиологических условиях лежит в слабокислой или счабощелочной области, роль разных ионогенных групп в клеточных стенках на начальном этапе поглощения катионов минерального питания различна. В соответствии с нашими данными, адсорбция катионов связана с наличием карбоксильных групп уроновых и

гидроксикоричных кислот в клеточных стенках Величина рН в апопласте является производной рН и состава внешнего раствора, процессов ионного обмена и диффузии, транспорта протонов через мембрану клетки Вероятно, локальные изменения рН в апопласте, которые связаны с реакциями обмена в клеточных стенках, (а) стимулируют участие в обменных процессах других типов ионогенных групп (например, анионообменных) и (б) необходимы для транспорта растворенных веществ в клетку При этом анионообменные группы могут входить в состав других структур, например, плазматической мембраны 2. Влияние состава раствора на ионообменные свойства клеточных стенок Используя разработанный подход, в работе оценена ионообменная способность клеточных стенок при различных значениях рН (2-12) и ионной силы раствора (0,3-1000 мМ) Результаты показывают (табл 3), что константа диссоциации всех групп в почимерной структуре клеточных стенок (pKaJ) зависит от концентрации соли в растворе (CNa+) С увеличением CNa кислотные свойства всех катионообменных групп усиливаются Зависимость pK„J = f (С ) является отличительным свойством слабосшитых ионообменников (Гельферих, 1962, Либинсон, 1969) и описана для клеточных стенок листьев некоторых видов растений (Ritchie and Larkum, 1982, Starrach et al, 1985, Freundhng et al, 1988) В этих исследованиях константу диссоциации карбоксильных групп ПГК рассчитывали по уравнению Гельфериха (Гельферих, 1962)

рКа = рК, + log1(rfeN,0 - log10 (Х/2), где рКа - константа ионизации ионогенной группы в слабокислотном ионообменнике, приблизительно равная константе диссоциации для аналогичной группы в растворимой поли-1

мерной кислоте, pKt - соответствует значению рН, при котором 50% ионогенных групп

диссоциировано (в нашем случае рКа = рКа2, табл 3), CNa - концентрация натрия в растворе, М, Х- концентрация активных групп в ионите, М Таким образом, график зависимости pKt -_/[logio(CNa )] должен отсекать на оси ординат отрезок, равный рКа

Таблица 3 Средние значения константы диссоциации ионогенных групп (рК1) в клеточных стенках исследуемых растений при различной концентрации соли в растворе j - тип группы Представлены средние значения и их стандартные отклонения

Функциональная группа

концентрации соли в растворе, мМ

0,3-1 10 50 100

карбоксильные группы ПГК 7,56+0 20 5,20±0,11 4,64 4,19+0,01

карбоксильные группы гидроксикоричных кислот - 7,51 ±0,29 6,87 6,69±0,28

фенольные ОН-группы - 10,26±0,14 8,97 8,40±0,21

Расчет зависимости рКа2 =/(logi0CKa+) для карбоксильных групп ПГК клеточных стенок показывает, что рКа = 3,05 [рКа2 = -1,15* logi0CNa+ + 3,05, ттп2 = 0,995] Это значение приблизительно соответствует значениям, которые получали ранее для клеточных стенок листьев (Ritchie and Larkum, 1982, Starrach et al, 1985, Freundlmg, 1988) В соответствии с

уравнением Гельфериха это означает, что выявленные нами у исследуемых растений 2 ^^ группы с рКа действительно являются карбоксильными группами ПГК в трехмерной полимерной структуре, так как значение рКа растворимой ПГК составляет около трех единиц pH (Richter and Dainty, 1989) Кислотные свойства ионогенных групп с рКа3 и рКа4 изменяются так же, как и кислотные свойства карбоксильных групп ПГК (табл 3) Расчеты показывают, что зависимости рКа3 4 =/(logi0CNa) также представляют собой прямые линии

рК3 = -0,84* log10CNa+ + 5,82, 0,992, рК4 = -1,86* log,0CNa+ + 6,55, г""^0,999 Следует отметить, что в этих случаях интерпретация коэффициентов уравнения вызывает затруднения, так как ионизация групп с рКа3 находится под влиянием отрицательных зарядов полностью ионизированных карбоксильных групп ПГК, а диссоциация фенольных ОН-

групп подвергается воздействию отрицательных зарядов как групп с рКа, так и групп с рКа3 Однако, полученные уравнения могут быть использованы для оценки кажущейся константы диссоциации этих типов групп в клеточных стенках корня при изменении концентрации ионов во внешнем растворе

3 Набухание полимерного матрикса клеточных стенок растений Одним из важных физико-химических показателей, которые характеризуют свойства полимеров клеточных стенок как ионообменника, является их набухание Количественной характеристикой набухания служит весовой коэффициент, равный количеству воды в полимере, отнесенному к грамму сухой массы вещества. Причиной набухания ионообменных материалов в водном растворе является наличие гидрофильных групп, причиной нерастворимости - существование поперечных связей В процессах набухания ключевыми являются различия в свойствах двух компонентов - высокомолекулярного соединения и воды, т е взаимодействуют молекулы, на много порядков различающиеся по размерам и подвижности Молекулы воды, обладающие большей подвижностью, быстро проникают внутрь полимера, раздвигая его цепи и увеличивая его объем Считается, что способность к набуханию есть свойство полимера, определяемое его строением и составом, а само набухание является не просто механическим вхождением воды в пустоты и поры, которых в полимере, в сущности, нет, а представляет результат межмолекулярного взаимодействия, обусловленного, главным образом, гидратацией макромолекул, что свидетельствует о коллоидно-химической, а не физической природе процесса (Фролов, 1982) Таким образом, степень набухания ионообменного материала зависит от свойств ионита и состава внешнего раствора Чем больший процент поперечных связей в структуре, тем плотнее и жестче полимерная сетка, тем меньше способность к набуханию (Гельферих, 1962)

Проведенное нами измерение коэффициента набухания клеточных стенок растений показало, что он зависит от состава и pH раствора Во всех случаях коэффициент набухания изменяется в соответствии с физико-химическими закономерностями, которые описаны для синтетических слабосшитых катионообменников (Helfferich, 1962, Libinson, 1969)

Нами установлено (рис 3), что величина коэффициента набухания возрастает с уменьшением концентрации электролита, с увеличением pH (или степени ионизации ионогенных

Рис 3 Влияние рН и ионного состава среды на набухание клеточных стенок корня люпина

групп) и с увеличением общего количества функциональных групп

Для всех исследуемых растений набухание клеточной стенки меньше в кислой области Это означает, что полимерный компонент клеточной стенки может уменьшаться в объеме

до 10 раз при снижении рН в среде или апопласте Аналогичные изменения происходят при увеличении ионной силы раствора Эти данные ясно показывают, что объем ионообменного полимерного компонента клеточных стенок не является постоянной величиной, а в значительной мере зависит от ионных условий и рН в окружающей среде и в апопласте

Из литературы известно, что уменьшение рН среды до 4 приводило к уменьшению в гидравлической проводимости клеточных стенок корней пшеницы (Ктиторова и Скобелева, 1999) В тоже время показано, что объемный поток воды в растении изменяется так же, как гидравлическая проводимость (Steudle, 1992) Сопоставляя эти данные с нашими результатами, можно заключить, что изменение в набухании клеточных стенок в ответ на изменение условий в окружающей среде может приводить к изменению водного тока через корни растений Известно, что чем меньше ионная сила почвенного раствора, тем больше интенсивность транспирации растений и, согласно нашим результатам, тем больше набухание клеточных стенок Более того, показано, что в отсутствии водного дефицита и при высокой скорости транспирации образуется большой градиент водного потенциала в континууме почва - корень - лист - атмосфера, сопротивление корня низкое, корни быстро поглощают воду из почвы, а апопла-стный путь движения воды доминирует (Steudle and Peterson, 1998) Все эти данные ярко демонстрируют прямую связь между биохимическим составом полимерного матрикса клеточных стенок, их ионным окружением, набуханием клеточных стенок и водным током, и указывают на важную физиологическую роль полимерного матрикса в регуляции не только переноса ионов, но и водного режима растений

Коэффициент набухания отличается у растений разных видов (рис 4) В исследуемой области рН и концентраций электролита величина коэффициента набухания меньше у злаков по сравнению с бобовыми Основываясь на знаниях о физико-химических закономерностях набухания синтетических ионообменных

К™

■

¡Л *

АД

D □□□

рн

3 4 5 6 7

■ (люпин 0 шхенюда А илинэг А

Рис 4 Влияние рН на набухание клеточных стенок растений в 10 мМ растворе NaCl

материалов, можно полагать, что такая последовательность обусловлена различиями (а) в общем количестве функциональных групп, (б) в суммарном количестве карбоксильных групп в клеточных стенках этих растений Например, клеточные стенки люпина содержат 1300 мкмоль катионообменных групп на 1 г сухой массы стенок и набухание у них больше, чем у клеточных оболочек пшеницы, содержащих 800 мкмоль катионообменных групп на 1 г сухой массы стенок (табл 1 и рис 4) Для люпина и пшеницы суммарное количество карбоксильных групп равно 900 и 470 микромолей на 1 г сухой массы стенок (Д82+Д83, табл 1), и коэффициент набухания изменяется в соответствии с указанными величинами Однако, главный фактор, который определяет способность к набуханию - это степень сшивки полимерных цепей, расположенных в структуре клеточных стенок Этот параметр нельзя определить экспериментальным путем, но есть возможность оценить его непрямым методом Таблица 4 Зависимость коэффициента набухания от вида растений для корней (О) и изолированных клеточных стенок (К ) К - коэффициент набухания в воде С - относительная сухая масса клеточных стенок, %. О и К выражены в г НгО на 1 г сухой массы корня и изолированных стенок соответственно Возраст растений и условия минерального питания при выращивании приведены в сноске к табл 1 Представлены средние значения 4-6 независимых опытов и их стандартные отклонения

Объект 0 К™ в

Т аеБПтт (38-дн) 10,9+2,9 10,7+2,6 57+3

Ь аХЬич 18,3+1,2 18Д±0,7 33±1

Р зМпит 21,6±1,1 19,6±2,5 45±1

5 о1егасеа 9,8±0,9 4,9±1,1 24±2

5 7,5+0,6 4,1 ±0,2 56±3

На основании экспериментальных и теоретических исследований свойств слабосшитых ио-нообменников установлено, что чем выше степень сшивки полимеров, тем ниже коэффициент их набухания в воде В соответствии с этими данными и результатами настоящей работы (табл 4) можно полагать, что у клеточной стенки шпината и сведы степень сшивки полимерных цепей матрикса выше по сравнению с другими растениями, тку первых коэффициент набухания в воде в - 2 и ~ 4 раза меньше, чем у пшеницы и бобовых соответственно На основании этих результатов можно также полагать, что степень сшивки полимеров матрикса в клеточной стенки корней не превышает 0,5-1,5 %, так как такие величины характерны и для синтетических карбоксилсодержащих ионитов с подобными значениями коэффициентов набухания в воде Необходимо подчеркнуть, что при очень низкой ионной силе раствора количество воды в клеточных стенках корня может доходить до 50% от ее общего содержания в интактных корнях (например, у пшеницы и гороха, табл 4)

Используя полученные в настоящей работе физико-химические параметры, характеризующие ионообменные свойства и набухание полимерного матрикса, можно оценить потенциальную ионообменную способность клеточных стенок корня (рис 5) Как следует из представленных данных, при рН раствора > 5-6 (в зависимости от концентрации электролита), ряд изменений в ионообменной способности клеточных стенок (горох > пшеница > люпин, рис 5а и 56) отличается от того, что следует из табл 1 (люпин > горох > пшеница), где 8 выражали в микромолях на 1 г сухой массы клеточных стенок Эти результаты показы-

вают, что в клеточных стенках концентрация катионов определяется не только количеством ионизированных групп, но и набуханием ее полимеров и долей полимеров в сухой массе тканей

Рис 5 Влияние рН па потенциальную ионообменную способность клеточных стенок корней растений при разных ионных силах внешнего раствора (!) Ось У - рассчитанные значения катионообменной способности (положительные значения) и анионообменной способности (отрицательные значения) Ионообменная способность выражена в микромолях на 1 г сырой массы клеточных стенок

Базируясь на наших данных, можно также оценить максимальный коэффициент концентрирования катионов (к) или степень их накопления в клеточных стенках корня в зависимости от ионного состава среды Формула для расчета степени накопления имеет вид к = С™/С, где С и С - концентрация катионов в клеточных стенках и исходном растворе соответственно (Гельферих, 1962) Результаты показывают (рис 5), что чем меньше концентрация электролита в исходном растворе, тем выше способность клеточных стенок корня к концентрированию катионов Например, если концентрация катионов (или ионная сила) в растворе составляет 1 тМ, а рН = 7, то концентрация катионов в стенках в 20-60 раз выше, чем в среде (рис 5 а), если I = 100 тМ и рН = 7, то это отношение равно 1,5-2 для всех исследуемых видов растений (рис 5в) Приведенные результаты и рассуждения указывают на тот факт, что (а) апопласт корня - это компартмент, где происходит накопление значительных количеств катионов на первой стадии их поглощения из внешней среды, (б) степень накопления определяется рН, ионным составом внешней среды и составом ионогенных групп в клеточных стенках

Результаты нашего исследования на количественном уровне обеспечивают доказательства идеи о том, что «апопласт растительных тканей является резервуаром катионов, который имеет важное физиологическое значение, если матрикс клеточных стенок содержит высокую концентрацию отрицательных зарядов, и если протопласты могут контролировать рН и/или концентрацию катионов в водном свободном пространстве» (81аггасЬ е1 а1, 1985,

Freundimg et al, 1988)

Таким образом, метод потенциометрического титрования с использованием модели Грегора является эффективным методом исследования химической структуры клеточной стенки, позволяющий определять качественный и количественный состав ионогенных групп полимерного матрикса, а также проводить сравнительное исследование структуры клеточной стенки корней и ее потенциальных сорбционных возможностей в зависимости от физиологического состояния растений и условий питания Адекватность описания процессов диссоциации в трехмерной структуре клеточной стенки приведенным уравнением позволяет прогнозировать направление реакций обмена в апопласте, протекающих при первичном поглощении ионов питательных солей, а свойства полимерного матрикса обеспечивают доказательства для рассмотрения клеточных стенок как ионных резервуаров и регуляторов водных потоков Следует подчеркнуть, что основное отличие настоящего исследования от проведенных ранее состоит в том, что предлагаемый в работе подход впервые позволил адекватно сравнивать структуру матрикса клеточных стенок и их потенциальных адсорбционных возможностей в зависимости от вида растений и их физиологического состояния

4 Ионообменные свойства и набухание полимерного матрикса клеточных стенок, выделенных из разных частей корней люпина

Известно, что в корнях растений транспорт воды и ионов осуществляется по двум путям - по апопласту и по симпласту При определенных условиях апопластный путь передвижения воды и ионов является доминирующим, и скорость движения в нем определяется главным образом свойствами клеточной стенки (Steudle and Peterson, 1998) В самом корне ионы и вода движутся как в радиальном направлении, так и вдоль его оси В этих двух направлениях кардинальным образом различается структура клеток и тканей, в том числе структура и химический состав клеточных стенок (Luttge, 1983) В этой связи можно предположить, что и ионообменные свойства клеточных стенок варьируют как по оси, так и в радиальном направлении корня Однако, экспериментальных данных, подтверждающих или опровергающих последнее положение, до начала настоящей работы получено не было Применение разработанного нами подхода позволило на количественном уровне судить об изменениях в ионообменных свойствах, происходящих в клеточных стенках различных анатомических структур корней люпина, в зависимости от условий питания и физиологического состояния растений Объектами исследования служили корни Lupmus albus L (сорт 'Немчиновский белый') Опыты проводили на корнях 7-дневных проростков (вариант I), выросших на водопроводной воде, и 14-дневных растениях (вариант П), росших с 7-дневного возраста на полном растворе Кнопа В варианте I средняя длина корня составила 8 ±1,6 см, в варианте II - 14 ±2,1 см Целые корни отсекали и делили на фрагменты следующим образом кончик корня - 0-1,5 см, зона боковых корней вместе с боковыми корнями -1,5-6 см у варианта I и 1,5-12 см в варианте II, базальная часть - 6-8 и 12-14 см в варианте I и II соответственно У варианта I число боковых корней составило 4 -7 при длине 1-5 мм, а у варианта П - 10-15 штук с длиной 1-10 мм Фрагменты базальной части корня длиной 1-2 см в варианте I и II в свою очередь разделяли на ткани коры и центрального цилиндра Ионообменную способность клеточных стенок определяли в соответствии с разработанным

методом

4.1 Ионообменные свойства

Полученные данные свидетельствуют (рис 6), что у проростков люпина общее количество анионообменных групп (5") в расчете на 1 г сухой массы изолированных клеточных стенок остается неизменным как по длине, так и в радиальном направлении корня, а общее

. во*;

1800

1200

600

¿1

гЬ

1800

1 1200

1200г

600

Рис 6 Содержание катионообменных (в , светлые прямоугольники) и анионообменных (Б , темные прямоугольники) групп в клеточных стенках разных зон корня 14-дневных растений люпина (мкмоль на 1 г сухой массы клеточных стенок) 1 - зона боковых корнй, 2 - базальная часть корня, 3 - кора, 4 - центральный цилиндр Представлены средние значения 3 независимых опытов и их стандартные отклонения

Рис 7 Зависимость содержания карбоксильных групп (ДБ1) в корневых клеточных стенках 14-дн растений люпина от расстояния от кончика корня Дв2 и ДБ3 - общее количество карбоксильных групп ПГК (темные прямоугольники) и ГКК (светлые прямоугочьники) соответственно, мкмоль/г сухой массы Представлены средние 3 аналитических повторностей и их стандартные отклонения

количество катионообменных групп (5™*) варьирует в зависимости от типа тканей (рис 6) Во всех образцах Я™ значительно больше (в 30-50 раз), чем Изменения в по длине корня составляют не более 10% (базальная часть корня и участок боковых корней), тогда как в радиальном направлении достигают 50% (рис 6)

Результаты исследования указывают на то, что в полимерной структуре клеточных стенок из разных частей корня люпина существуют четыре типа ионогенных групп амино-

12 3

группы с рКа ~3, карбоксильные группы ПГК с рКа ~ 5, карбоксильные группы ГКК с рКа

~ 7,3 и фенольные ОН- группы с рКа ~10 Указанные величины констант хорошо согласуются с изложенными выше результатами потенциометрического титрования клеточных стенок целого корня различных растений (табл 2)

Клеточные стенки разных участков корней проростков люпина не различаются по качественному составу функциональных групп, о чем свидетельствуют близкие по значению рКа\ а отличие состоит в количестве ионогенных групп каждого типа Полученные данные

показывают, что по длине и в радиальном направлении корня изменяется количество групп 2

ПГК (рис 7, 8) Величина ДБ резко увеличивается к зоне боковых корней и уменьшается к

базальной части корня В кончике корня этот параметр в 2-5 раза меньше, чем в других зонах (рис 7) В тканях центрального цилиндра содержание групп ПГК в 10 и 2 раза меньше, чем в стенках коры у 7-дневных проростков и 14-дневных растений соответственно (рис 8) Эти результаты могут быть сопоставлены с функциональными особенностями разных тканей корня Если основной функцией клеточных стенок эпидермиса и коры является первич-

кора цешралышв кора цетральныв

цилиндр ципицдр

Рис. 8 Изменение содержания карбоксильных групп (AS1) в радиальном направлении корня люпина AS и AS - количество карбокси тьных групп полигалакгуроновой (темные прямоугольники) и окси-коричных кислот (светлые прямоугольники) соответственно, мкмоль на 1 г сухой массы клеточных стенок а и б — клеточные стенки корня 7-дневных проростков и 14-дневных растений люпина соответственно Представлены средние 3 аналитических повторностей и их стандартные отклонения

ное поглощение и концентрирование катионов внешней среды, то для клеточных стенок центрального цилиндра — их проведение в надземные части растения Принято считать, что сосуды проводящих элементов, обеспечивающие дальний транспорт воды и ионов по ксилеме и относящиеся к апопласту, служат для переноса массового транспирационного тока По нашим данным, при таком движении состав восходящего тока может претерпевать изменения за счет взаимодействия катионов раствора и ионогенных групп клеточных стенок сосудов Эти изменения могут происходить, например, при увеличении или уменьшении рН, концентрации ионов в ксилемном соке, за которыми последует соответственно уменьшение или увеличение концентрации катионов в растворе, поступающем к надземной части растения

Как показали наши исследования, количество карбоксильных групп ПГК в клеточных стенках коры зависит от возраста растений и условий питания у 14-дневных растений, находившихся на полном растворе Кнопа, их количество ~ 2 раза больше, чем у 7-дневных проростков, выросших на водопроводной воде В центральном цилиндре и первичной коре с возрастом изменятся соотношение карбоксильных групп с константами ионизации - 5 и

2 3

-7,3 В тканях коры 7-дневных проростков это соотношение (AS AS ) составляет ~ 1 1, а у 14-дневных растений - 2 1

Таким образом, результаты показывают, что ткани корня различаются по химической структуре матрикса клеточных стенок, что, по-видимому, обусловлено их разными функциями в процессах накоплении ионов в корне и их дальнейшего перемещения в надземные органы При этом ионообменная способность клеточных стенок из разных частей корня,

определяемая их физико-химическими свойствами, не является постоянной величиной Она меняется по мере развития поглощающей функции корня, ее величина также зависит от состава и рН питательного раствора

4 2. Набухание разных тканей корней люпина и изолированного из них полимерного матрикса клеточных стенок

Изменение содержания воды в тканях интактных корней ((}) с расстоянием от кончика корня имеет четко выраженный экстремальный характер (рис 9а) с максимумом в зоне бо-

с 25 Пклге!

£ 2(1

I корни

□ клеточные стенки

О 1,5

1,5 7 7-12 12 13 13 14 рвсстоавне от кончика корвя, см

цеетряльный цклкндр

Рис 9 Изменение содержания воды в корнях (Q, г Н20/г сухой массы корней) и коэффициента набухания клеточных стенок в воде (К , г Н20/г сухой массы клеточных стенок) по оси (а) и в радиальном направлении (б) корня 14-дневных растений люпина Приведены средние значения 5-10 независимых опытов и их стандартные отклонения

ковых корней и минимумом в кончике корня Величина Q резко увеличивается в зоне боковых корней и плавно уменьшается к базальной части В кончике корня Q в 1,5-3 раза (в зависимости от возраста проростков) меньше, чем в других зонах По-видимому, меньшее содержание воды в кончике корня связано со структурными особенностями этой зоны, а именно с меньшей степенью вакуолизации клеток Принимая во внимание высокое и неизменяющееся по длине корня набухание клеточных стенок (рис 9а), можно полагать, что некоторый вклад в падение Q вносит уменьшение на 5-7% относительной массы клеточных стенок в кончике корня (рис 10) Кроме того, известно, что кончик корня является гидравлически изолированной зоной, однако причины этого не установлены (Steudle and Peterson, 1998, Steudle, 2002) Экстремальный характер зависимостей установлен также при изучении скорости поглощения воды 17-дневными корнями ячменя (Clarkson, 1988) Так как область с максимальным Q является областью с минимальным сопротивлением току воды, вполне вероятно, что и у корня люпина область с максимумом в набухании соответствует области с максимальной скоростью поглощения воды Максимум оводненности тканей в зоне боковых корней может быть обусловлен разными причинами, в том числе особенностями структуры клеточной стенки

Данные свидетельствуют, что коэффициент набухания достоверно не различается по длине корня (рис 9 а) При потенциометрическом титровании клеточных стенок, выделенных из разных зон корня, показано, что структура ионогенных групп и их количество, от которых зависит коэффициент набухания, изменяются по длине корня не более чем на 20%

Как уШЗМШШюсь выше, степень вшивки полимерные цепей - это основной фактор, который определяет степень набухания полимеров в воде. На этом основании можно полагать, что у проростков и молодых растений, несмотря па различия в химическом составе и микроскопическом строении, степень сшивки полимеров клеточной стенки во всех зонах

корня одинакова* (К = const). Изложенное свидетельствуег, что различная способность к удержанию воды тканей по оси интактного корня люпина (рис. 9а) с максимумом н зоне боковых корней обусловлена особенностями структуры внутреннего содержимого клеток и пс зависит от структуры полимеров клеточной стенки.

-<0 1 о

Н 11 -.:.и'[■':. k' pacreiixi

(..'/

0-1^! 1 ц 12.13 13.1 J

v >. -'' (1 сH|T v.Y-: 'Г:. котяПь f:nr

I 7-днелfibre пророеткй iO

G,%

центральный цилиндр

Рис, 10. Изменение относительной сухой массы клеточных ставок (С, %) по оси (а) и в радиальном направлении (б) корня. С = (т,, " ЮО/Оп, где (■:> - сухая масса стандартизованных клеточных стенок (г), выделенных из Си г сухих фиисирннанных корней. Приведены средние значения 5-10 независимых опытов и их стандартные отклонения

В радиальном направлении корня люпина можно наблюдать иную картину: О в интакт-

г Г™

ных корнях и К з стандартизованных щеточных стенках в 2 раза выше у тканей коры, чем у центрального цилиндра (рис. 96), при этом относительная масса клеточных стенок в центральном гшлинлре на 15% больше, чем в коре (рис. 106). Можно с большой вероятностью предполагать, что у корней интактных растений различия в 0 в радиальном направлении связаны с изменениями в структуре полимеров «легочных Стенеж и в значительной мере - с различной степенью сшивки полимеров в коре и центральном Цилиндре. Данные о набухании однозначно показывают, что степень сшивки полимеров г) коре значительно меньше, чем в центральном цилиндре. Результаты элементного анализа также свидетельствуют в пользу последнего положения (табл. 5): в тканях коры содержание углерода меньше, чем в центральном цилиндре как у интактных корней, так и у клеточных стенок. В литературе трудно найти сведения об элементном составе клеточных стенок разных тканей корня. Однако, на основании известных данных о химическом составе клеточных стенок можно провести следующие рассуждения. Помимо углеводов, клеточные стенки в значительных количествах содержат суберин, кутихг. белки, лигнин и т.д. (Шарова, 2004). Известно также, что в некоторых случаях содержание полимеров лигнина, мономерное звено которого состоит из 67% С, 29% О и 5% Н. может достигать 90%. Суберин и кутин - это макромолекулы, содержание углерода в которых приближается к 70%. Простые расчеты с использованием

данных об элементном составе целлюлозы (40% С, 54% О, 6% Н) и лигнина, даже не принимая в расчет количества кутана и суберина, показывают, что полимер, который состоит из 80% целлюлозы и 20% лигнина, содержит 46% углерода, а полимер с 60% целлюлозы и

Таблица 5 Содержание ^СйН (%) в различных фрагментах 14-дневного корня люпина и выделенных из него клеточных стенок Проценты относятся к сухому веществу корней или выделенных клеточных стенок. Приведены средние значения трех независимых опытов и их стандартные отклонения

Объект Корни Клеточные стенки

N С Н N С Н

Кора 7,2±0,3 35,1±1,2 5,7±0,1 1,9±0,1 44,9±1,0 7,2+0,1

Центральный цилиндр 4,0±0,2 39,6+1,0 5,7±0,1 0,76+0,05 50,0±1,3 6,8+0,1

40% лигнина - 51% С Отсюда следует, что увеличение степени лигнификации клеточных стенок должно приводить к увеличению содержания углерода в них Таким образом, на основании результатов настоящей работы (табл 5) и в соответствии с существующими представлениями о структуре клеточных стенок можно полагать, что большая степень сшивки полимеров в тканях центрального цилиндра по сравнению с корой обусловлена большей степенью лигнификации и/или суберинизации Следует отметить, что в этих тканях различается также количество азота, который входит в состав гидрофильных группировок и может обеспечивать большую степень набухания полимеров (табл 5) Однако, как показывает анализ данных литературы по набуханию синтетических ионообменных материалов, изменение содержания азота от 0,8 до 1,9% (величины, наблюдаемые нами в опытах с корнями) не может приводить к 2-3-кратному увеличению в набухании полимера (Шатаева, 1979), и, следовательно, не может являться причиной их различного набухания (рис 96)

Полученные в настоящей работе данные о набухании клеточных стенок корня люпина в воде и в растворах представляют собой дополнительные аргументы в пользу того, что они (клеточные стенки) действительно являются слабосшитым ионообменником или, иначе говоря, имеют малую степень поперечной связанности или сшивки между линейными цепями полимеров матрикса Данные литературы о зависимости коэффициента набухания в воде от степени сшивки синтетических карбоксилсодержащих ионообменных материалов позволяют рассчитать, что эта величина составляет ~1% (Гельферих, 1962, Шатаева и др , 1979)

Таким образом, результаты о набухании клеточной стенки показывают, что степень сшивки ее полимерного матрикса не изменяется по оси корня, в то время как в радиальном направлении этот параметр значительно возрастает при переходе от тканей коры к цен-

тральному цилиндру Полученные результаты о величинах К находятся в тесной связи с механизмами передвижения воды в радиальном направлении корня Можно говорить о том, что на границе клеток первичной коры и центрального цилиндра происходит увеличение сопротивления току воды, которое обусловлено, в том числе, большей степенью сшивки

полимеров матрикса клеточных стенок центрального цилиндра Тем не менее, величина К для центрального цилиндра в 10 мМ KCl, равная 2 (вариант I) и 4 (вариант П) г Н2О/Г сухой массы клеточных стенок при рН~7, свидетельствует, что его клеточные стенки не являются непреодолимым барьером для воды при ее движении в радиальном направлении Вполне

вероятно, что у молодых растений часть водного потока продолжает движение по апопласту при пересечении эндодермы, но объем этого потока существенно меньше, чем при движении по апопласту коры Последний вывод согласуется с известными результатами о химической структуре поясков Каспари в эндодерме (Zimmermann, 2000) Основным компонентом этих структур является лигнин - гидрофильное соединение, которое не может служить абсолютным барьером на пути движения водного потока (Steudle and Peterson, 1998, Zimmermann, 2000)

Согласно данным настоящей работы, чем меньше ионная сила окружающего раствора, тем выше набухание клеточной стенки Изменение другого параметра внешнего раствора -его pH - также вызывает изменение объема матрикса апопласта. В кислой области набухание клеточной стенки значительно ниже, чем в нейтральной и слабощелочных средах

Таким образом, набухание полимеров клеточных стенок играет определенную роль в физиологических реакциях растения Можно полагать, что изменение в набухании, которое определяется физико-химическими свойствами клеточной стенки в ответ на варьирование внешних или внутренних условий, представляет собой один из элементов системы, регулирующей объемный ток воды по корню

5. Сравнительная оценка состава структурных полимеров в клеточных стенках растений

Разработанный способ оценки содержания ионогенных групп позволяет провести сравнительный анализ состава структурных полимеров в клеточных стенках растений из различных семейств Результаты свидетельствуют, что у бобовых растений клеточные стенки характеризуются самой высокой концентрацией уроновых кислот, в то время как стенки злаковых растений - самой низкой (рис 11а) Эти выводы находятся в полном соответствии с результатами других исследователей, которые использовали иные методы оценки ка-тионообменной способности корней (Drake et al, 1951, Heintze, 1961, Crooke et al, I960, Crooke et al, 1961, Haynes, 1980, Grignon and Sentenac, 1991) Однако, следует отметить, что авторы упомянутых работ, исследуя из однодольных только злаковые растения, при обобщении данных делали вывод о значительно большей катионообменной способности корней двудольных растений по сравнению с однодольными (Haynes, 1980, Grignon and Sentenac, 1991) Наши данные указывают на несостоятельность такого вывода, так как, например, у L longiflorum катионообменная способность изолированных клеточных стенок не ниже, чем у растений из сем Chenopodiaceae (рис 11 а), и значительно выше, чем у злаков

В соответствии с нашими данными, содержание пектиновых полимеров в матриксе клеточных стенок составляет приблизительно 6, 14, 26 и 30 % у растений из семейств Роасеае, Chenopodiaceae, Liliaceae и Fabaceae соответственно Эти результаты находятся в соответствии с данными о содержании пектинов в клеточных стенках (~30% у двудольных и неком-мелиноидных однодольных растений и 5-10% у однодольных растений коммелиноидной группы, Ridley et al, 2001), полученных с использованием других способов выделения пектиновых полимеров и методов их исследования

Карбоксильные группы ГКК и фенольные ОН-группы могут принадлежать различным структурным полимерам клеточных стенок Так, у злаков феруловая кислота входит в сос-

тав глюкуроноарабиноксиланов, где присоединяется через кислотную группировку к гидро-ксильной группе остатка арабинозы в С-5 положении (Hatfltld et al, 1999) Двудольные растения содержат ацилированные феруловой кислотой пектиновые полисахариды Подобные соединения идентифицированы и структурно охарактеризованы для культуры клеток (Fry, 1983) и листьев (Ishn, 1993) шпината, тканей сахарной свеклы (Colquhoun et al, 1994) и дру-

Рис 11 Содержание карбокситьных групп полигалактуроновой кислоты (AS2, а) и суммы ионо-генных групп, входящих в состав фенольных полимеров ((AS2+AS3, б), в полимерном матриксе корней растений, мкмоль/г сухой массы клеточных стенок Приведены средние значения и их стандартные отклонения

гих растений (Wallace, Fiy, 1994, Carpita, 1996, Ishn, 1997b, Saulnier and Thibault, 1999) Кроме того, гидроксикорчные кис юты входят в состав ароматического домена суберина (Bernards, 2002) Фенольные ОН-группы в полимерном матриксе ктеточных стенок могут также принадлежать различным структурным полимерами Это и лигнин, и суберин, и полисахариды В этой связи представляется целесообразным состав фенольных полимеров в стенках растений из различных семейств анализировать по сумме карбоксильных групп ГКК кислот и фенольных ОН-групп (AS3+AS4, рис 11 б)

В соответствии с нашими результатами, содержание фенольных полимеров в клеточных стенках растений уменьшается в ряду Роасеае > Chenopodiaceae » Lihaceae > Fabaceae (рис 11 б) При этом у растений из сем Chenopodiaceae и злаков доля этих полимеров достигает 50-60%, а у бобовых более чем в 2 раза меньше Эти результаты согласуются с данными других авторов о высоком содержании ГКК в клеточных стенках злаков, шпината и сахарной свеклы (Faulds and Williamson, 1999)

Результаты исследования указывают на тот факт, что определяемая нами фракция гидро-ксикоричных кислот связана со структурными полимерами клеточных стенок не сложно-эфирными, а более прочными простыми эфирными связями, так как разработанный нами метод выделения полимерного матрикса клеточных стенок включает стадию обработки 1% (0,25 M) NaOH, которая приводит к гидролизу связей первого типа

Элементный анализ полимеров клеточных стенок свидетельствует, что у бобовых высокое содержание белков не только в тканях, но и в клеточных стенках (табл 6) В литературе отсутствует информация о прямых определениях количества общего азота и азотсодержа-

1500 г is!+âs4 б

щих соединений белкового и небелкового типов в изолированной клеточной стенке Известные сведения о составе и количестве структурных белков базируются на результатах химического анализа экстрактов или гидролизатов, которые получают обработкой клеточных стенок растворами солей, кислот, щелочей или ферментами при разных температурах, и касаются главным образом первичной клеточной стенки (Talmadge et al, 1973, Cassab and Varner 1988, Cassab, 1998) Тем не менее, полученные нами данные вполне согласуются с результатами других авторов о суммарном содержании белков в стенках (от 0,1 до 20% сухой массы, Шарова, 2004) Известно также, что в стенках двудольных оно значительно выше, чем в стенках однодольных (Cassab and Varner 1988; Cassab, 1998), и это положение соответствует полученным в работе данным (табл 6) В настоящее время в клеточных стенках Таблица 6 Элементный анализ (С, Н, N) тканей корня л изолированных из них клеточных стенок N-

бел fci

NH2, N и G - содержание свободных аминогрупп, белкового азота и белка в полимерном матриксе

„Sea ....вм

клеточных стенок G =6,25N

объект корни клеточные стенки

n [ с | h n | с | н n |n-nh2| n6'" n-nh2|n6c"| g1**

% % мкмоль/гсух массы КС %

С arietmum сорт 'Bivamj' 9,09 39,35 5,69 4,66 47,83 7,06 3,33 0,708 2,62 21,27 3,67 23

V narbonesis 8,34 35,62 5,16 5,85 45,78 7,05 4,18 0,913 3,27 21,85 4,57 29

У radíala 7,74 35,64 5,87 3,23 43,55 6,50 2,31 0,658 1,65 28,52 2,31 14

Т aestivum - - - 1,45 - - 1,04 0,54 0,50 53,34 0,69 4,3

S oleráceo 1,90 15,67 2,76 4,27 48,1 7,01 3,05 0,832 2,22 27,28 3,11 19

S altissima 3,71 39,01 5,3 2,48 46,78 6,97 1,77 0,652 1,12 36,81 1,57 10

выделяют четыре главных класса структурных белков гидроксипролинобогащенные, про-чинобогащенные, глицинобогащенные и арабиногалактановые белки Самая представительная группа из них - экстенсины - белки из числа гидроксипролиновых Их содержание достигает 90% суммарного содержания всех белков оболочки (Шарова, 2004) Известно также, что эти белки являются гликопротеинами, на 50-65% состоящими из углеводов, которые присоединены к гидроксильным группам остатков оксиаминокислот (например, ок-сипролина или тирозина), при этом доля оксипролина в гидролизатах клеточных стенок может достигать 40% от суммы аминокислот (Talmadge е1 а1,1973)

Разработанный в работе метод определения свободных аминогрупп в составе клеточных стенок позволит выявить некоторые особенности структуры азотсодержащих полимеров в них Ранее содержание белков (в ") в клеточных стенках определяли по анализу общего азота (№бщ), проводя расчет по формуле О^И ш*6,25 Нами установлено (табл 6), что клеточные стенки растений характеризуются высоким содержанием свободных аминогрупп, которое значительно превышает таковое в составе белков (~10%) В клеточных стенках пшеницы доля азота свободных ЫН2-групп от общего азота составляет около 50%, а в стенках бобовых - около 20% Сопоставление данных по общему азоту и по содержанию ами-

ногрупл позволило предположить, что свободные аминогруппы принадлежат, вероятно, ок-сиаминокислотам (например, оксипролину или тирозину), которые могут быть связаны по гидроксильной группе с углеводной частью гликопротеина или другого структурного полимера клеточных стенок

Таким образом, предложенный нами подход позволяет более надежно выявить и охарактеризовать особенности состава структурных полимеров клеточных стенок у растений различных систематических групп и связать их с функциональными особенностями клеток

6. Ионообменная способность клеточных стенок в экстремальных условиях минерального питания (на примере засоления)

Выяснение механизмов адаптации растительных организмов к неблагоприятным факторам окружающей среды, в том числе к экстремальным условиям минерального питания при засолении, - одно из основных направлений физиологии растений Известно, что высокие концентрации NaCl в среде вызывают осмотический стресс и ионный дисбаланс, ограничивая рост и продуктивность растений Поддержание роста в этих условиях связано как с регуляцией водного и осмотического гомеостаза, так и с изменением свойств клеточных стенок растений (Cosgrove and Li, 1993)

До настоящей работы исследованию особенностей функционирования клеточных стенок растений как природных ионообменников в условиях засоления были посвящены немногочисленные публикации (Bigot and Binet, 1986) В литературе также отсутствовали сравнительные исследования такого плана, проведенные на галофитах и гликофитах, что было бы важно для выявления роли клеточных стенок в механизмах солеустойчивости В связи с этим одна из задач данной работы состояла в оценке ионообменных свойств полимерного матрикса клеточных стенок растений, различающихся по устойчивости к засолению гликофитов Cicer arietmum L , Vicia narbonesis L и Lathyrus sativus L из семейства Fa-baceae, Spinacia oleráceo L сорта 'Матадор' и галофита Suaeda altissima (L ) Pall из семейства Chenopodiaceae

6.1. Ионообменные свойства клеточных стенок гликофитов из семейства Fabaceae

Объектами исследования служили 19-20-дневные растения нута, чины и вики, которые росли при засолении с 3-5-дневного возраста Концентрация хлористого натрия в питательной среде составляла 0,5, 40 и 80 мМ На основании двух критериев солеустойчивости -процент прорастания семян и накопление сухой биомассы - для сравнительного исследования выбраны растения нута (сорт 'Bivanij' и линия ILC 482) и вики

В зависимости от концентрации NaCl в среде в клеточных стенках нута (корни и листья нижнего яруса) и вики (стебли и листья нижнего яруса) изменяется количество карбоксильных групп ПГК (рис 12) С повышением концентрации NaCl от 0,5 до 80 мМ в полимерном матриксе этих органов содержание последних увеличивается на 10 - 20 % Изменения в количестве групп ПГК при увеличении концентрации соли в среде, вероятно, являются одной из ответных реакций этих растений на засоление

У бобовых растений, независимо от концентрации соли в среде, наибольшее количество карбоксильных групп ПГК находится в полимерном матриксе клеточных стенок стебля, а

С 750

v I 650

8 и

и £ i с 550

1 CL 450

U 350

0.5

750 650 550 450 350 —

ÜL

0.5

■ корни илист нижнего яруса

□ стебель □ лист нижнего яруса

Рис. 12, Влияние засоления (С 8 , мМ) на содержание карбоксильных групп ноли гал акту роновой кислоты в полимерном матрикес клеточных стенок растений нута ('Btvamj') (а) и вики (б), мкдеоль па 1 г сухой массы клеточных стенок. Приведены средние значен на 3 независимых опытов н их стандартные отклонения

фенольных ОН-групп -ь листьях (рис. 13* 14). Между собой клеточные оболочки разных органов значительно различаются также но содержанию аминогрупп и карбоксильных групп ГКК: наибольшее количество и первых, и вторых определяется в листьях. Все вышеизложенное позволяет говорить о том. что состав структурных полимеров ь матриксе экстраклеточного комнартмента у разных органов одного растения значительно различается.

5 1000 "

с: о

g ВЮ >í

g ЙИ

400 п 200 -

I I Ít_

| 8®

1 g

Й 400

5 200 5

о п

Bñeni]

Sívsnü

Рис. 13. Содержание карбоксильных групп полигялактурон(ШЙ № слоты п полимерном «атриксс клеточных стснок растений цуга ('Шуйпц' н П.С 482) и внкн, мкиоль на 1 г су*ий массы «¿йочных стенок. П риведены средние значения 3 независимых оттмтов п ну стандартные отклонения

В ряду исследуемых растений клеточные оболочки самого со нечувствительного сорта нута (Т&гапу') имеют в своем составе наименьшее количество фейольных ОН-грунп, что может свидетельствовать о сравнительно меньшей степени шптафикэшш еИ) стенок но сравнению с С. ф'Шгшт (1ЬС 482) и У. пагЬопе.ш. В соответствии с данными по относи-телышй сонеустойчивости эта растения располагаются е ряд'. С, ппеГшнш ('ВЬагЛу) < С. аНемит (1ЬС 482) < V. пагЬопе$1$, и в той же последовательности происходит увеличение содержания фенольных ОН-групи в стенках всех органов (рис. 14).

| 500

- eoo

£ 400 ■ 6

I 2D0 i

.11

Bivanij

ILC вика 4S2

I I

Biianij ILC 482

0wanij ai'iKa

□ лист нижнего я русз О it-itT верхнего яруса

Рис. 14. Содержание феиольнмх ОН-грунп в клеточных с ¡емка* корней (а), и (Г-| ц листьеа

(в) растений нута СЫппгП!' и П< 482) н вики, ■>1:г-1'1.|| на 1 г сухой массы клеточных стенок. Приведены средние значения 3 независимых опытов и их стандартные отклонения

С увеличением концентрации соли в питательной среде у нута и вики увеличивается константа ионизации карбоксильных групп ПГК, или усиливаются их кислотные свойства, в то время как рКа двух других групп мало зависят от этого фактора. Указанная закономерность соблюдается для клеточных оболочек, изолированны): из корней, листьев и стеблей. Таким образом, в ответ на засоление должно происходить увеличение ионообменной способности полимерного матрикса клеточных стгатк.

'Ь

—О-корни

—Лг~ лист_ня

- • - стебель Д

Рис. 15. Влияние ношюй силы раствора (рКл) на ионообменную способность (К, «кмоль/Г сухой массы I I(1 п■ |.:I.I\ сгенок) полимерного матрикса клеточных стенок, изолированных из разных органов нута '). выращен-

ного на питательном растворе с 0,5 мМ Ч.'.С1. Лист_ня - листья нижнего яруса, лнст_вя -листая верхнего яруса.

рКа = - ЬзнКС ), где с""'3- концентрация КаС] в опытных растворах, М

pNa

0,5

1.5

Доказательством последнего утверждения могут служить зависимости ионообменной способности от концентрации хлорида натрия (CNaCl) во внешнем растворе. Во всех вариантах выращивания с увеличением СЫгС! у растений резко возрастает ионообменная способность (S), причем дш корней, листьев и стеблей указанные зависимости имеют аналогичный характер (рис. 15). Для корней нута и вики параметр S изменяется от 70 до 200-220, для стеблей - от 130 до 400, а для листьев - от 70 до 150 (листья верхнего яруса) ■■ 300 (листья нижнего яруса) мкмолей на 1 г сухой массы клеточных стенок в интервале изменения конной силы от 5 до 1000 мМ. Следует подчеркнуть, что при любых условиях способность к ионному обмену клеточных стенок стебля выше по сравнению с остальными органами (рис. 15).

У всех органов исследуемых растений коэффициент набухания полимерного матрикса

С№

клеточных стенок (К ), также как ионообменная способность, зависит от ионной силы внешнего раствора (рис 16) Значение Л^* увеличивается с уменьшением ионной силы раст-

12 г к™ -

i 2 • Рис 16 Способность к набуханию клеточных

10 I «10 0100 4250 §* * .„си ,

| щ* стенок (К , г воды/г сухой массы клеточных

8 - ^ С стенок), изолированных из корней иута (сорт

д | ® Ф щ 'Вмтц'), выращенного в присутствии 0,5 мМ

фИР №аС1 в питательном растворе В тегенде циф-

• - ф Ф рами обозначена ионная сита растворов, при

** * *

2 ® ® ^ ^ ^ ^ Afc** A t 3 которой проводили определение К™, мМ

рН

вора и с увеличением рН (или степени диссоциации ионогенных групп) Полученные результаты показывают, что объем клеточных стенок С anehnum и V narhonesis, также как и растений из других семейств, зависит от ионных условий и рН в окружающей среде и в апопласте

Проведенное сравнительно-физиологическое исследование показало, что растения из семейства Fabaceae, отличающиеся по устойчивости к действию засоления, проявляют сортовую и видовую специфичность в структуре полимеров экстраклеточного матрикса, характеристикой которой является содержание функциональных групп в клеточных стенках Клеточные стенки характеризуются высоким содержанием карбоксильных групп ПГК, что свидетельствует о большой доле пектиновых веществ в них По данным Talbot and Ray (1992) у бобовых растений пектины составляют ~ 37% от массы клеточной стенки и представлены, главным образом, гомогалактуронанами

Сравнение коэффициентов набухания клеточных стенок нута и вики, а также других представителей бобовых показывает, что у этих растений более низкая степень сшивки полимеров в их матриксе, чем, например, у гликофитов из семейства Роасеае Вполне вероятно, что выявленные особенности, наряду с другими, обуславливают меньшую устойчивость растений из сем Fabaceae к засолению по сравнению со злаковыми

6.2 Ионообменные свойства полимерного матрикса клеточных стенок галофита и гликофита из семейства Chenopodiaceae

Объектами исследования служили 50-60-дневные растения галофита Suaeda altissima (L) Pall (сведа) и гликофита Spmacia oleráceo L сорта 'Матадор' (шпинат) Четырехне-дечьные растения подвергали засолению, при этом концентрация хлористого натрия в питательной среде для шпината составляла 0,5,150,250 мМ, для сведы - 0,5, 250, 750 мМ

Как показали измерения, в полимерном матриксе клеточных стенок корней и гликофита, и галофита содержание анионообменных групп (Л™ = AS*) составляет 620-840, а общее количество катионообменных (5J") - 1200-1800 мкмоль на 1 г сухой массы клеточных стенок (табл 1)

Выше было показано, что клеточные стенки корней растений обладают анионообмен-ной способностью При этом, в зависимости от вида растений, количество аминогрупп с рК, < 3 варьировало от 50 (люпин) до 180 (горох) мкмоль на 1 г сухой массы стенок (табл 1) Отметим, что в этих случаях аиионообменные группы определяли титрованием водными растворами соляной кислоты В дальнейшем нами было установлено, что применение указанного метода к анализу изолированных клеточных стенок приводит к неполному определению аминогрупп в них Поэтому впоследствии для этих целей мы использовали метод неводного титрования растворами хлорной кислотой в ледяной уксусной кислоте, который успешно используется для определения общего количества аминогрупп в низко- и высокомолекулярных соединениях, в том числе и для анализа аминокислот, образующих в водных растворах цвитгерионную или внутрисолевую форму (Черонис и Ма, 1973) Результаты анализа свидетельствуют, что, в зависимости от степени засоления среды, у гликофита содержание аминогрупп составляет 620-840, а у галофита- 520-650 мкмоль на 1 г сухой массы клеточных стенок При этом, с увеличением концентрации соли в питательном растворе, содержание этих групп в стенках уменьшается в среднем на 20%

Результаты элементного анализа, проведенного на автоматическом CNH-анализаторе («Carlo-Erba», Италия), показали, что при увеличении степени засоления снижается содержание общего азота в изолированных стенках у гликофита от 4,6 до 3,4, а у галофита от 2,3 до 2,0% Стандартный пересчет содержания белкового азота (общего азота за вычетом содержания азота аминогрупп) на содержание белка показывает, что, в зависимости от усто-вий выращивания, доли структурных белков в оболочках гликофита составляют от 20 до 15, а в оболочках галофита - от 8,8 до 8% сухой массы клеточных стенок В этой связи следует отметить, что применение общепринятого метода расчета содержания белка по содержанию азота к изолированным клеточным стенкам может быть неадекватным Известно, что структурные белки клеточных стенок являются гликопротеинами, в которых углеводная компонента составляет от 40 до 90% Кроме того, они содержат много лизина и гистидина (Шарова, 2004) — аминокислот, имеющих в своей структуре два и три атома азота соответственно

Суммарное содержание белков в стенках сильно варьирует (от 0,1 до 20% сухой массы (Шарова, 2004), причем в стенках двудольных растений оно значительно выше, чем в стенках однодольных (Cassab and Vamer 1988, Cassab, 1998) Кроме того, в гидролизатах клеточных стенок, изолированных из Acer pseudoplatanus, помимо белков (~10%), обнаружено ~2% гидроксипролина (Talmadge et al, 1973) Таким образом, полученные в настоящей работе данные о содержании аминогрупп, которые могут принадлежать, например, охсипро-лину, связанному по гидроксильной группе с углеводной частью гликопротеина, и белков в клеточных стенках галофита и гликофита вполне сопоставимы с результатами, полученными другими методами

По качественному составу ионогенных групп полимерный матрикс клеточных стенок корней гликофита не отличается от такового в оболочках корней галофита, о чем свидетельствуют значения констант диссоциации соответствующих группировок (табл 7) Кроме того, на качественный состав ионообменных групп экстраклеточного матрикса этих растений не оказывает влияния степень засоления внешней среды во всех вариантах имеются

аминогруппы, два типа карбоксильных и фенолъные ОН-группы

Сведа 600 Г AS2 т | 1 а корни щ листья Шпинат 800 AS2 1 □ тории» ЛИСТЬЯ 1"

700 | ^ воо д 400 ■ 0 5 250 750 Концентрация NaCL в среде, мМ 600 , ^И 500 ^Н ¿ ré гЩ HJI 0 5 150 250 концентрация NaCl в среде, мМ

Рис. 17. Влияние засотення на содержание карбоксильных групп полигалактуроновой кислоты (ЛЛ\ мкмоль на 1 г сухой массы клеточных стеиок) в полимерном матриксе клеточных стенок корней шпината и сведы Приведены средние значения 3 независимых опытов и их стандартные отклонения

С повышением концентрации ЫаС1 в среде до 250 мМ и у сведы, и у шпината происходит увеличение количества групп ПГК, но у гликофита их содержание в корнях возрастает на 30%, тогда как у галофита - в 2 раза (рис 17) В стенках листьев исследуемых растений содержание этих групп также значительно увеличивается Такие изменения в количестве групп ПГК, вероятно, являются одной из ответных реакций исследуемых растений на условия выращивания С увеличением степени засоления происходит также увеличение количества двух других типов катионообменных групп

При изменении ионной силы раствора от 10 до 250 мМ рКа карбоксильных групп ПГК варьирует от 4,8 до 3,7, в то время как значения рКа двух других катионообменных групп слабо зависят от осмотического давления внешнего раствора (табл 7) Анализ зависимостей Таблица 7 Влияние ионной силы раствора (/, мМ) на среднее значение константы диссоциации (рК^) катионообменных групп полимерного матрикса клеточных стенок корней шпината и сведы у — тип иовогенной группы; 2 и 3 — карбоксильные группы полигалактуроновой и гидроксикоричных кислот, 4 — фенольные ОН-группы Приведены средние 3 аналитических повторностеб и их стандартные отклонения

Растение I рк^

7 = 2 7 = 3 7 = 4

Шпинат 10 4,79±0,02 7,33±0,04 10,00±0,28

Сведа 10 4,79+0,13 7,49±0,07 10,13+0,12

Шпинат 250 3,77±0,15 6,88±0,43 9,63±0,45

Сведа 250 3,73±0,15 7,32±0,10 9,31±0,12

рКа2 =_/ílog1oCNa~) показывает, что рКа для карбоксильных групп ПГК в клеточных стенках

гликофита и галофита равно 3,30 и 3,25 соответственно В соответствии с уравнением

Гельфериха это означает, что у S oleráceo, как у S altissima, группы с рКа действительно являются карбоксильными группами ПГК

Поскольку у гликофита и галофита с увеличением содержания NaCl в питательном рас-

творе увеличивается константа ионизации карбоксильных групп Ш К (или усиливаются их кислотные свойства), то в ответ на увеличение засоления должно происходить увеличение ионообменной способности клеточных стенок Доказательством последнего утверждения служат зависимости ионообменной способности изолированных клеточных стенок от концентрации хлорида натрия во внешнем растворе (рис. 18) Во всех вариантах у гликофита

Рис 18 Зависимость ионообменной способности (в) клеточных стенок, изолированных из корней растений шпината (А) и сведы (Б), от концентрации №С1 в растворе (рКа) и уровня засоления в среде выращивания (цифры в легенде диаграмм)

и галофита с увеличением С1**"' резко возрастает ионообменная способность клеточных стенок В зависимости от условий выращивания для корней сведы этот параметр изменяется от 50 до 250, а для корней шпината - от 30 до 200 мкмоль на 1 г сухой массы клеточных стенок при изменении ионной силы от 5 до 1000 мМ. Следует подчеркнуть, что при любых

условиях способность к

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

а, %

750

a i

. и

4 .'

Р «' [//

¡о f4

•i

• ¡i3

750 </ /

: J* ,

w г

н-

?' iio

О Мм

6 7 РН

10 11

Рис 19 Зависимость степени диссоциации (а) функциональных труип полимерного матрикса клеточных стенок галофита и гликофита от рН и ионыой силы раствора 2 и 3 - карбоксильные группы лолигалактуроновой и о кт и коричных кислот, 4 - фенольные группы 10, 250, 750 - значения ионной силы растворов, мМ

ионному

обмену клеточных стенок сведы выше таковой у шпината

Степень ионизации (а) слабых кислот и оснований, к которым относятся ионогенные группы в структуре полимерного матрикса клеточных стенок, зависит лишь от значений рН и рКа На основании полученных в работе результатов рассчитана степень диссоциации каждой группы в зависимости от рН и ионной силы внешнего раствора (рис J 19) Так, при рН 5 приблизительно 60% карбоксильных групп ПГК ионизировано в среде с 10 мМ NaCl, в то время как при 250 мМ NaCl степень диссоциации этих групп дос-

тигает 80% В этих условиях все карбоксильные группы ГКК не способны к реакциям обмена с ионами внешней среды При рН 7 карбоксильные группы 111 К полностью диссоциированы, тогда как а у карбоксильных групп ГКК достигает 30% Следует отметить, что при физиологических условиях (рН 5,0-8,0) фенольные ОН-группы и аминогруппы всегда закрыты, т е находятся в неионизированном состоянии и, следовательно, не принимают участия в ионообменных реакциях

cw Коэффициент набухания клеточных стенок

* " галофита и пикофита зависит от ионной силы

внешнего раствора (пример для гликофита рис 20) Значение Кувеличивается с уменьшением ионной силы раствора и с увеличением рН (или а) рн Во всех случаях набухание клеточной стенки минимально в кислой области

i ч о о 12

Можно полагать, что у растений сем

Рис 20 Влияние рН и ионной силы раствора (I) на коэффициент набухания по- Chenopodiaceae степень сшивки полимерных це-

тимерного матрикса ктеточных стенок пей в клеточных стенках корней значительно (К° , г Н20 на 1 г сухой массы клеточ- ВЬШ1е) чем у растений из других семейств Этот ных стенок), которые были выделены ш в сд ю сравниТеЛЬ„ого анализа

корней шпината, выращенного при 150

мМ NaCl I =10 и 250 мМ (светлые и тем- значений коэффициента набухания стенок в воде, ные точки соответственно) который свидетельствует, что у сведы и шпината

этот параметр в 2 - 4 раза меньше, чем у пшеницы и бобовых растений соответственно (табт 4)

Таким образом, разработанный подход к исследованию ионообменных свойств клеточных стенок позвотяет выявить существенные различия в строении полимерного матрикса растений разных видов, характеризующие их физиологический потенциал

Следует отметить, что у сведы и шпината набухание клеточных стенок, изолированных из сухого и интактного материала, значительно отличается Это свидетельствует о том, что поглощение воды клеточными стенками обеспечивается не только разностью водного потенциала между внешней средой и стенкой, но и конформацией полимеров матрикса клеточных стенок

Снижение рН раствора и/или увеличение ионной силы приводят к уменьшению набухания клеточной стенки (рис 20) Известно, что закисление среды снижает гидравлическую проводимость клеточных стенок (Ктиторова и Скобелева, 1999) На этом основании можно полагать, что у сведы и шпината существует прямая связь между набуханием полимерного матрикса клеточных стенок корня и водным током, и важная физиологическая функция клеточных стенок корня этих растений может быть связана с регуляцией движения воды по корневому апопласту Вполне вероятно, что изменение гидравлической проводимости клеточных стенок с увеличением степени засоления среды является важным фактором в адаптации к солевому стрессу

Используя данные, полученные в настоящей работе, возможно оценить концентрацию протонов в экстраклеточном пространстве, образующихся в результате реакций обмена ме-

жду катионами внешней среды и протонами ионизированных карбоксильных групп клеточных стенок при изменении степени засоления во внешней среде Иллюстрацией этого положения служит полученная нами эксперимен-

н+ КаС1

тальная зависимость С =Г(-1оз10С ) (рис 21), отражающая изменение концентрации протонов в алопласте при воздействии на полимерный матрикс клеточных стенок растворов с разным уровнем концентрации соли Расчеты показывают, что повышение концентрации соли во внешнем растворе от 10 до 50 мМ, приведет к повышению концентрации протонов в экстраклеточном пространстве гликофита и галофита до 20 и 30 мМ соответственно Таким образом, резкое повышение концентрации №С1 в среде будет приводить к снижению рН в экстраклеточном водном пространстве вследствие реакций обмена между ионами натрия, поступающими из внешнего раствора, и протонами карбоксильных групп клеточных стенок Следует подчеркнуть, что эти реакции обусловлены только свойствами

экстраклеточного пространства и что их протекание не зависит от состояния содержимого клетки

Комплекс проведенных исследований показал, что в ответ на увеличение концентрации соли в среде в клеточных стенках корней и галофита, и гликофита из сем СЬепоросйсеае происходит увеличение числа активных сайтов связывания катионов Однако, в условиях засоления клеточные стенки галофита с большей эффективностью защищают клетку, гак как у него выше катионообменная способность клеточных стенок (рис 18), выше степень сшивки полимерного матрихса и более мощная клеточная стенка (табл 4) 7. Диффузия катиона в клеточных стенках корня

Представления о минеральном питании растений включают диффузию ионов в полимерном матриксе клеточных стенок, однако работы, в которых процесс оценивался количественно, нам не известны В то же время можно полагать, что, используя теоретические основы кинетики ионообменных процессов, возможно оценить диффузию ионов в полимерном матриксе клеточных стенок В настоящей работе поставлена цель провести количественную оценку диффузии ионов в клеточной стенке и ее возможного вклада в поглотительную функцию корня В качестве химического реагента для слежения за процессом диффузии использовали краситель метиленовый синий (МС) Следует отметить, что еще в середине прошлого столетия этот реагент применяли для определения общей и рабочей поглощающей поверхности корней растений (Сабинин, 1971), а также для исследования процессов диффузии в синтетических ионообменных материалах (Либинсон и Савицкая 1963)

Сн мМ

Ж i *

ж х

pfNaCI]

Рис. 21 Влияние концентрации соли (p[NaCl]> на концентрацию протонов в водном пространстве клеточных стенок из корней шпината (светлые точки) и сведы (темные точки, данные), выращенных при 250 мМ NaCl в питательной среде С*1, мМ - концентрация протонов в водном пространстве полимерного матрикса клеточных стенок, p[NaCI] = -logiofC"0), где n»c:i

С , М - концентрация NaCl в опытных растворах

При разработке подхода к исследованию диффузии в качестве объектов были выбраны корни 7-дневных проростков пшеницы, кукурузы, огурца, люпина и маша, выросших на во-

+ 3.

до проводной воде с концентрацией ионов К , N0 з, О , Ыа , Р04 - 0.2 мМ. В опытах использовали выделенные из корней клеточные стенки, корпи целых проростков и отсеченные корни. Чтобы корректно сравнить поглощение МС этими экспериментальными системами, провести анализ кинетических кривых, во всех случаях использовали отнесение величины поглощения МС к единице сырой массы корня. 7.1 Диффузия в клеточных стенках

Кинетические кривые поглощения МС клеточными стенками корней огурца, тпиеккцы и кукурузы свидетельствуют, что во всех вариантах изменения в количестве адсорбированного красителя СМ™) от времени имеют вид экспоненциальной зависимости (рис. 22). М™ изменяется в ряду: огтрец > пшеница > кукуруза. Известно, что окрашенной частью МС яв-

М™

16Q гда

Время, мин

Pitc, 22. Зависимость величины ног.ющення (Л/ ) катиона меiкленового СИНС1 п от времени клеточными степками, выделенными на корней кукурузы (/), пшеницы (2) и огурца (3), мкмоль красителе на I г сырой массы корней. ! i - всех вариантах объем раегпира - 150 концентрации красителя - 0,0001 М, В опытах использовали массу клеточных стенок, которую выделяли hi I I сырой массы отсеченных корней. Приведены средине значения 3-9 независимых опытов н их стандартные отклонения

Рнс. 23. Rihhhhc рП на величину поглощения I) катиона метиленового синего кле-trremsawn ш корней кукурузы (i), пшеницы (,') и огурца (3) за 3 ч контакта образцов со 150 мл раствАрг красителя с концентрацией 0,0001 М, мкмоль красителя на 1 г сырой массы корней. Приведены средине лначения 3 m зависимых нижний и их стандартные отклонения

Ляется катион и можно полагать, что поглощение МС происходит в результате реакции обмена между этим катионом и протонами карбоксильных групп клеточных стенок. В пользу этого положения свидетельствуют полученные нами результаты о зависимости величины адсорбции МС от рН исходного раствора (рис.23). Во всех случаях с уменьшением или уве-личевиЩ рН соответственна изменяется и количество МС в стенках. Такой характер изменений сорбционной способности от рП указывает на то, что связывание МС со стенками носит ионообменный характер и, следовательно, величина ее поглощения должна быть связана С количеством ионогенных групп я стенках. Чтобы подтвердить данное положение, определено количество карбоксильных трупп, способных принимать участие в обменных ре-

акциях с катионами внешней среды при данных условиях Результаты показывают, что количество связанного стенками красителя во всех случаях в 1,5-3 раза больше, чем количество карбоксильных групп ПГК Эти данные указывают на то, что связывание катиона МС происходит обоими типами карбоксильных групп У огурца количество карбоксильных групп различной природы (Д82+Д83), которые могут участвовать в реакциях обмена с катионами внешней среды и, в том числе, катионом МС в физиологических условиях, в 1,5-2 раза больше, чем у пшеницы и кукурузы Кроме того, ряд изменений в суммарном количестве карбоксильных групп (огурец > пшеница > кукуруза) соответствует тому, что был получен при связывании красителя стенками исследуемых растений (рис 22) Таким образом, зависимость способности к поглощению от рН связана с изменением степени диссоциации карбоксильных групп клеточных стенок Ионообменный механизм поглощения МС подтверждается также зависимостью максимальной ионообменной способности клеточных по МС от суммарного количества карбоксильных групп, которые могут принимать участие в обменных реакциях (рис 24) Статистическая обработка результатов указывает на то, что в выбранных условиях эксперимента максимальная емкость по МС стенок и количество кар-

Рис. 24 Зависимость величины максимального поглощения (Л/щ11) катиона метиленового синего клеточными стенками от суммарного содержания карбоксильных групп в стенках огурца (/), маша (2), люпин (3) пшеницы (О и кукурузы (5) Оба параметра выражены в мкмоль на 1 г сухой массы клеточных стенок Точки — эксперимент, сплошная линия — линия тренда (М = 0,85*5-330, г* =0,920)

боксильных групп в них являются взаимозависимыми параметрами Таким образом, на основании вышеизложенного можно утверждать, что механизм связывания МС обусловлен ионообменными реакциями в клеточной стенке, а экспериментальные кинетические кривые следует анализировать по уравнениям, описывающим кинетику ионного обмена

Используя известные подходы к расчету кинетических кривых, возможно оценить лимитирующую стадию исследуемого процесса Чтобы достигнуть поставленной цели, представим кинетические кривые в виде зависимостей Б = ОД, где Б- степень завершенности процесса или степень превращения, равная отношению поглощенного за время I количества МС к максимальному количеству, которое может быть адсорбировано клеточными стенками при заданных условиях (концентрация МС в растворе, рН, ионная сила раствора, соотношение корни - раствор) Установлено, что в указанных координатах экспериментальные кривые имеют также экспоненциальный характер Рассмотрение кинетических кривых Р=Г(1) в полулогарифмических координатах 1п(1 -Б) = ДО позволяет установить самую медленную стадию процесса поглощения МС Анализ указанных зависимостей показал, что исследуемый процесс протекает в смешано диффузионной области

400 600 800 1000 1200

Представим форму корня как цилиндр бесконечной длины Такое допущение является правомерным, так как отношение длины к среднему диаметру корня во всех случаях много больше 100 (например, средняя длина 71±31, 157±22 и 145±48 мм, а средний диаметр - 0,37 ± 0,06, 0,69 ± 0,07, 0,94±0,08 мм у пшеницы, огурца и кукурузы соответственно) При этих условиях расчет коэффициента диффузии (D) может быть произведен по уравнению (Коко-тов и Пасечник, 1970)

F = 1 - pi2*exp(-pi2*Dt/R2), (6)

где R - радиус, D - коэффициент диффузии, t - время, ц, - корни некоторого уравнения Логарифмируя уравнение (6), получаем

ln(l-F) = 21пц] - (ni2*D/R2)t (7)

Отсюда следует, что если в координатах ln(l - F) = f(t) экспериментальные кривые представляют собой прямые линии, то по тангенсу угла их наклона возможно рассчитать коэффициенты диффузии иона Расчеты показывает, что зависимости ln(l - F) = f(t) действительно являются прямолинейными, о чем свидетельствуют коэффициенты корреляции,

Таблица 8 Коэффициенты регрессионной зависимости ln(l -F) = InA + Br для ктеточных стенок корней (г -коэффициент корретяции)

Вид растения -В А ГСО!Г

Огурец 0,0108 0,74 0,991

Пшеница 0,0138 0,63 0,989

Кукуруза 0,0132 0,66 0 994

Люпин 0,0033 0,67 0,970

Маш 0,064 0,65 0,99

близкие к единице (табл 8) Дополнительным аргументом в пользу применения диффузионной модели для описания кривых поглощения МС клеточными стенками служит значение константы А, которое равно отрезку, отсекаемому прямой 1п(1-Р) = ПЧ) на оси ординат (табл 8) Во всех случаях значение А лежит в пределах 0,63-0,74 (для цилиндра бесконечной длины А=0,69), что подтверждает корректный выбор модели, правомерность принятых допущений и применимость законов диффузии к исследуемому процессу

Коэффициент диффузии МС в клеточных стенках (О™) корня зависит от вида растения (рис 25) Этот параметр изменяется в ряду люпин > маш > кукуруза > огурец > пшеница В

связи с тем, что в настоящее время отсутствуют сведения о количественной оценке О в корнях растений, сравнение полученных параметров проведено с таковыми для синтетических ионообменных материалов

На примере сульфосодержащих ионитов установлено, что коэффициент диффузии МС зависит от степени сшивки ионита и, чем больше жесткость структуры полимерного мат-рикса ионита, тем меньше скорость движения иона в полимере (Либинсон и Савицкая, 1963) Коэффициент диффузии катиона МС в синтетических сульфосодержащих катеонитах изменяется от 3*Ю'10 до 4*10'12 см2/сек в зависимости от количества сшивающего агента (2-16%) Из наших данных (рис 25) следует, что растительная клеточная стенка значительно более проницаема для катиона МС, чем синтетические иониты, так как коэффициен-

ты диффузии в ней на 2-4 порядка выше Очевидно, это обусловлено особенностями строения матрикса клеточных стенок и, в том числе, меньшей степенью сшивки полимеров по сравнению с указанными материалами

20 Г о^ю' Рис 25 Зависимость коэффициентов диффузии

о* ,

(Р , см /с) красители метиленового синего в клеточных стенках корней люпина (/), маша у "оЛ^'Л'54 с (2), кукурузы (5), огурца (О и пшеницы (5) от

к -0 97 л _ I еж

коэффициента набухания стенок в воде (К , г НгО на 1 г сухой массы клеточных стенок)

Полученные нами данные о коэффициентах диффузии (рис 25), о набухании клеточных стенок корней в воде представляют собой дополнительные аргументы в пользу того, что клеточные стенки действительно являются слабосшитым ионообменником или, иначе, имеют малую степень поперечной связанности (сшивки) между линейными цепями полимеров (~ 1%) Кроме того, и коэффициент набухания клеточных стенок в воде, и коэффициент диффузии МС в них являются параметрами, которые характеризуют одно и то же свой-

СИ"

ство матрикса - жесткость его полимернои структуры Отсюда следует, что и К , и Б должны коррелировать между собой Расчеты показали (рис 25), что между этими параметрами действительно существует статистически значимая взаимосвязь, которая еще раз подтверждает правильный выбор модели для расчета коэффициентов диффузии, так как К™ и О получены в независимых экспериментах Данные также убедительно доказывают, что как и для синтетических ионообменных материалов, коэффициент набухания клеточных стенок в воде может служить количественной характеристикой проницаемости их матрикса.

На основании найденных значений коэффициентов диффузии, данных о радиусе корней и уравнения 6 получены расчетные кривые поглощения МС клеточными стенками, которые удовлетворительно соответствуют экспериментальным данным во всех рассматриваемых случаях (относительная погрешность менее 20%), и свидетельствуют, что лимитирующей стадией исследуемого процесса действительно является диффузия МС в матриксе клеточных стенок

Одной из физиологических функций клеточных стенок как ионообменного материала является способность концентрировать катионы из окружающей среды Полученные в работе результаты позволяют количественно оценить степень концентрирования катиона МС в фазе клеточной стенки при низкой ионной силе внешнего раствора Расчеты свидетельствуют, что коэффициент концентрирования составляет 745, 265, 200, 170 и 90 у огурца, маша, пшеницы, люпина и у кукурузы соответственно Следовательно, клеточная стенка способна накапливать даже такие крупные катионы как МС, что убедительно демонстрирует ее накопительную функцию на первом этапе поглощения катионов корнем Таким образом,

клеточная стенка - это компартмент, в котором происходит накопление катионов минерального щНаииж, а степень их концентрировании зависит от вида растения и условий минерального питания.

7,2 Дшрфузця в корне

Кинетические кривые поглощения МС корнями целых проростков (М ) я отсеченными корнями (М ) имеют ярко выраженный экспоненциальный характер (рис. 26), Но всех Еа-

гз пк

риантах последовательность изменнгия в М и М аналогична той, что была получена

1 12 L

6 'S # 1

2 4 Яр - Ф

150 200 Врбмя, мин

150 20d

&pÊ M Я, JU ИИ

Рис. 26. Зависимость величины поглощения красителя метнленотюго синего (МС') от врсмепи отсеченными корнями (а) и корнями тра нспнрируюшн* проростков (В), Во всех вариантах объем раствора -150 мл, масса корней - 11 сырой массы, концентрация красителя - 0,(1001 M. M и M - величины поглощения МС корнями транс пнрнрующнх проростков и отсеченными корнями uiypna (У), пшепнцы (2), '■> ку ру мкмоль МС на 1 г сырой мзеем корней. Бары - стандартное отклонение f3 'I Пноло-

гнчсскнх попторностсй)

для выделенных клеточных стенок: огурец > шиенипа > кукуруза. "При этом наименьшим поглощением катион него красителя характеризуются отсеченные корни. Тем не менее, за 3

часа количество МС и в клеточных стенках (М ), и в корнях целых проростков, и в отсеченных корнях не больше, чем максимально возможное количество красителя, которое может адсорбироваться на клеточных стенках при заданных условиях, У огурца и кукурузы нет статистически значимых различий в значениях M и M . а у пшеницы отличия достигают 20%. Величина поглощений МС отсеченными мзрам» эаташт от pli фис. с личением или уменьшением величины рП возрастает или падает значение

] 2 з

а зашей-

Рис, 27, Влияние рН на величину поглощения красителя метиленового синего (МС) отсеченными корнями (Д/ЬК) кукурузы (]), пшеницы (2), огурца (.?), за 3 ч контакта образцов со 150 мл 0,0001 M раствора Красителя; мкмоль МС на 1 г сырой массы корпей. Во всех вариантах масса корней - 1 г сырой массы. Бары - стандартные отклонения (3 биологические повторности)

3,85

мость величины поглощения МС от рН аналогична той, которая была установлена для изолированных клеточных стенок (рис 23) Можно полагать, что, также как в клеточных стенках, в отсеченных корнях падение или возрастание способности к поглощению связано с изменением степени диссоциации карбоксильных групп клеточных стенок при изменении рН раствора Во всех вариантах при рН 6 за 3 ч М™ > МЕК, что может свидетельствовать о снижении скорости транспорта МС к реакционным центрам клеточных стенок в отсеченных корнях Следует подчеркнуть, что геометрическая форма отсеченного корня и выделенной из него клеточной стенки совпадают, так как методика выделения последней не включает в себя такие приемы, как термообработка, растирание, гомогенизация или механическое разрушение Таким образом, для конкретного вида растений различия в кинетических кривых в координатах М^ОД в вариантах "отсеченные корни" и "клеточные стенки" отражают разную скорость поглощения этими системами

В предположении о том, что механизм поглощения МС корнями обусловлен ионообменными реакциями между ионизированными группами клеточных стенок и органическим катионом, и применяя описанные выше подходы и уравнения, мы рассчитали коэффициенты диффузии МС в корнях целых проростков и в отсеченных корнях Так же как в клеточных оболочках, коэффициент диффузии зависит от вида растения и изменяется в том же ряду кукуруза > огурец > пшеница Однако по сравнению с клеточными стенками скорость диффузии МС в отсеченных корнях снижается в 1,5 раза у огурца и в 3-4 раза у кукурузы и пшеницы, тогда как коэффициенты диффузии в корнях целых проростков сопоставимы с их значениями для изолированных клеточных стенок Эти результаты позволяют предполагать, что, так же как в клеточных стенках, в корнях транспирирующих проростков движение катиона МС идет по апопласту С найденными величинами коэффициентов диффузии МС для корней транспирирующих проростков по уравнению 6 рассчитаны теоретические кривые поглощения МС и установлено, что отклонение между расчетными и экспериментальными значениями составляло не более 3% Адекватность описания процесса поглощения МС корнями транспирирующих проростков уравнениями диффузии свидетельствует в пользу предположения о диффузионном характере процесса и ионообменном механизме взаимодействия органического катиона с катионообменными группами клеточных стенок

В физиологии минерального питания принята точка зрения о том, что, исследуя кинетику поглощения иона, можно разграничить его транспорт в клеточных стенках и транспорт через клеточную мембрану (РгеипсШг^ е1 а1, 1988, Магес1тег, 1995) В типичной экспоненциальной кривой, описывающей поглощение катиона во времени, выделяют две фазы Первая — быстрая, с периодом полунасыщения (^д) порядка нескольких минут, и вторая - медленная, с несколько часов, при этом каждую фазу относят к процессам в определенном компартменте фаза I - в кажущемся свободном пространстве (транспорт по апопласту), фаза II - в цитоплазме (транспорт по симпласту) Результаты нашего исследования показывают, что диффузия - самая медленная стадия ионного обмена - имеет большое значение в процессах поглощения ионов корнями растений, а экспоненциальный вид кинетической кривой не может служить критерием для разграничения путей транспортирования иона (симпласт или апопласт) Кроме того, транспорт катионов в клеточных стенках не является

быстрым процессом, как полагали ранее Согласно данным настоящей работы, за 3 часа клеточные стенки насыщаются на 60-90% в зависимости от вида растения Несмотря на то, что размер катиона MС значительно отличается от размера основных катионов минерального питания, вполне вероятно, что при определенных условиях некоторая их часть также транспортируется по апопласту как в радиальном, так и в осевом направлении, и тогда определяющее значение будут иметь процессы диффузии Так, например, при изменении условий минерального питания, а именно, при внезапном увеличении концентрации катионов в почвенном растворе, клеточные степки могут служить временным запасным пулом для катионов, размер которого можно оценить экспериментально, при этом скорость его наполнения будет определять диффузия

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ионообменные свойства клеточных стенок растений, определяющие некоторые особенности взаимодействия корней с питательным раствором и тем самым играющие определенную роль в минеральном питании, давно включаются в систем}' теоретических представлений о механизмах поглощения неорганических ионов (Haynes, 1980, Gngnon and Sen-tenac, 1991, Sattelmacher, 2001) Этот природный ионообменник имеет весьма с'южную и динамичную химическую структуру с большим числом активных концевых групп различной природы и сложную трехмерную организацию Физико-химическое описание такой системы является нетривиальной экспериментальной и теоретической задачей Разработанная в настоящей работе методология исследования клеточной стенки корней ряда растений без использования методов физической и химической деструкции, принятых в физиологии, позволила количественно описать поведение этого природного ионообменника и вскрыть некоторые новые особенности участия ее матрикса в таком многокомпонентном физиологическом процессе, каким является поглощение минеральных элементов из внешней среды

В качестве параметров, характеризующих физико-химические свойства клеточных стенок, использованы количество ионогенных групп разных типов константы их диссоциации, общее количество катион о- и анионообменных групп, коэффициент набухания, коэффициент диффузии, которые в совокупности с уравнениями, адекватно описывающими процессы ионного обмена и диффузии, дают возможность предсказывать изменения в поведении клеточных стенок в нормальных и экстремальных условиях питания

Химический состав клеточных стенок растений из различных систематических гр>пп, в разных органах и тканях одного растения и при изменении физиологического статуса растения варьирует в широких пределах (Thompson and Fry, 2000, Ridley et al, 2001, William et al, 2001, Шарова, 2004) Пространственная структура их полимерного матрикса также отличается Однако, в клеточных стенках всех исследованных нами растений ионогенные группы не отличаются разнообразием и представлены четырьмя типами карбоксильными группами полигалактуроновой и гидроксикоричных кислот, феночьными ОН-группами и аминогруппами (Meychik and Yermakov, i999, 2001, 2003, 2005, 2006) Но количество ионогенных групп каждого типа у разных видов растений в разных тканях, при изменении условий минерального питания различно При этом фенольные ОН-группы и аминогруппы не принимают участия в реакциях обмена с ионами внешней среды при физиологических ус-

ловиях (рН 5 - 8), так как константа их диссоциации лежит за пределами указанной области

Ионообменные свойства клеточных стенок отличаются не только у растений разных систематических групп, но изменяются также в разных тканях одного растения Изменения в количестве карбоксильных групп полигалактуроновой кислоты в направлении от эпидермиса к центральному цилиндру могут быть сопоставлены с функциональными особенностями тканей корня Если основная функция клеточной стенки эпидермиса и коры может быть сведена к первичному поглощению и концентрированию катионов внешней среды, то для клеточной стенки центрального цилиндра - к их проведению к надземной части растения Принято считать, что сосуды проводящих элементов, обеспечивающие дальний транспорт ионов и воды по ксилеме, служат для переноса массового транспирационного тока (Marschner 1995, Buchanan et al, 2001) Наши результаты расширяют эти представления, демонстрируя взаимодействие катионов раствора и ионогенных групп клеточных стенок сосудов, вследствие чего состав восходящего тока может претерпевать изменения, характер которых зависит также от условий минерального питания Такие изменения могут происходить, например, при увеличении или уменьшении рН, вариациях концентрации ионов в ксилемном соке, за которыми последует соответственно уменьшение или увеличение концентрации катионов в растворе, поступающем к надземной части растения Эти экспериментальные данные свидетельствуют, что клеточные стенки сосудов ксилемы представляют собой компартмент, одна из физиологических функций которого заключается в поддержании ионного гомеостаза в клетках растущих органов при изменении условий питания

По совокупности исследованных параметров клеточные стенки высших растений представляют собой трехмерный слабосшитый природный ионообменник, который обладает в основном катионообменными свойствами В водных растворах (рН < 4) полимерный мат-рикс растений характеризуется также невысокой анионообменной способностью, которая, вероятно, реализуется только при действии неблагоприятных факторов

В соответствии с нашими результатами, катионообменная способность полимерного матрикса зависит от вида растений и условий минерального питания При низкой концентрации питательных веществ в почвенном растворе клеточные стенки накапливают минеральные катионы, при этом их содержание в экстраклеточном компартией те может достигать 15-25% от суммы катионов в тканях корня На основании этих данных можно заключить, что накапливающиеся в стенках катионы представляют собой запасной апопластный пул, который, наряду с вакуолярным и цитоплазматическим пулами, является важной составляющей в поддержании ионного баланса в растительных тканях

С увеличением концентрации ионов в среде у растений возрастает константа диссоциации карбоксильных групп полигалактуроновой кислоты, что приводит к увеличению в клеточных стенках числа активных сайтов, способных обменивать протон на катион внешней среды Это свойство полимерного матрикса стенок, вероятно, является специфичным для высших растений, так как не проявляется у других растительных организмов, например, у кустистого лишайника Cladonia rcmgiferina (L ) F Н Wigg (Любимова, 2005) и у красной водоросли Phyllophora nervosa (Попова, 2006)

При определенных условиях (например, увеличение концентрации элементов питания в среде) внешний раствор, попадая в апопласт и взаимодействуя с полимерным ионообмен-ником, претерпевает существенные изменения Вследствие реакций обмена между ионизированными группами клеточной оболочки и катионами раствора происходят локальное снижение рН и изменение состава раствора Прошедший фазу клеточной стенки раствор будет иметь концентрацию протонов выше, катионов ниже, чем во внешнем растворе, а концентрацию анионов не ниже, чем в окружающей среде Можно полагать, что эти процессы ионного обмена являются механизмом, который модифицирует внешний раствор, подкисляя его, чтобы обеспечить одно из условий для поступления анионов в клетку Действительно, известно, что поглощение анионов клеткой увеличивается с уменьшением рН раствора (Люттге и Хигинботам 1984, Marschner 1995, Buchanan et al, 2001)

Процессом, который прямо влияет на скорость поглощения и переноса ионов через апопласт, является их диффузия в клеточной стенке - самая медленная и, следовательно, лимитирующая стадия Наши данные, полученные на выделенных клеточных стенах, на отделенных корнях и на корнях целых растений, дают возможность пересмотреть устоявшееся представление о путях переноса ионов (Freimdlmg et al, 1988, Marschner, 1995), сформировавшиеся на основании изучения кинетики поглощения, и утверждать, что кинетические кривые не позволяют идентифицировать их медленную компоненту как стадию переноса ионов через цитоплазму

Важная физиологическая роль ионообменных реакций в клеточных стенках может быть выявлена при помещении растений в экстремальные условия минерального питания В качестве таковых может использоваться, например, засоление Нами показано, что в таких условиях полимерный матрикс является средой, которая поддерживает низкую концентрацию ионов натрия в водном пространстве апопласта при неожиданных и больших изменениях концентраций NaCl во внешней среде При этом концентрация Na+ в водном пространстве клеточных стенок в течение некоторого времени будет ниже, чем во внешней среде за счет реакций ~СООН + Na+—> ~COONa + Н+ (1), где ~ - полимерная цепь, ~СООН - карбоксильные группы галактуроновой кислоты Период времени, в течение которого концентрация ионов натрия будет ниже, чем в среде, определяется ионообменными свойствами клеточных стенок Реакция (1) имеет место, так как чем больше ионная сила среды, тем выше ионообменная способность матрикса (табл 3, 7, рис 15, 18, 19) В то же самое время ионы натрия вытеснят ионы кальция из клеточной стенки [(~СОО)2Са + 2Na+—> 2(~COONa) + Са2+ (2)], так как при увеличивающейся концентрации NaCl в среде их активность выше, чем активность ионов кальция Таким образом, Са2+ входит в водное пространство апопласта (реакция 2) и затем, вероятно, в клетку за счет активации транспортных систем клетки выделившимися протонами (реакция 1) Известно, что ион кальция является вторичным мессендже-ром и растения могут приспосабливаться к высокой концентрации соли в окружающей среде за счет активации систем сигнальной трансдукции, включающих Са2+ (Bressan et al, 2003, Tester and Davenport, 2003) На основании изложенного можно сказать, что при солевом стрессе поведение кальция (движение из клеточной стенки в водное пространство апопласта и далее, возможно, в клетку) является важным элементом регуляции ионного гомео-

статированш во время адаптации к экстремальным условиям минерального питания Кроме того, ионообменные процессы в клеточных стенках включаются в регуляцию распределения натрия по растению, и таким образом, отождествляя экстремальные условия питания и солевой стресс, можно утверждать, что они являются частью механизма солеустойчивости растений (Bressan et al, 2003, Tester and Davenport, 2003) Сравнительный анализ физико-химических параметров для галофита и гликофита из сем Chenopodiaceae, для менее и более устойчивых к условиям засоления бобовых растений показал, что клеточные стенки первых характеризуются более высокой (а) ионообменной способностью, (б) степенью сшивки полимеров в матриксе клеточных стенок и (в) долей полимерного мат-рикса от общей сухой массы тканей и большим содержанием фенольных полимеров Эти отличительные особенности, как можно полагать, позволяют растениям с разной эффективностью противостоять экстремальным условиям минерального питания

Свойства полимерного ионообменника, составляющего от 30 до 60% от сухой массы материала клеточной стенки корня, могут быть обсуждаемы в связи с проблемами поглощения и транспорта воды Известно, что закисление среды снижает гидравлическую проводимость стенок (Ктиторова, 1999), а при низкой ионной силе внешнего раствора (высокой скорости транспирации) апопластный путь движения воды является определяющим, так как в этих условиях гидравлическое сопротивление корня низкое, что обеспечивает быстрое поглощение воды растением (Steudle and Peterson, 1998) Согласно нашим результатам, снижение рН раствора и/или увеличение его ионной силы приводят к уменьшению набухания ионообменного матрикса клеточной стенки На основании анализа данных литературы и наших результатов можно считать, что у растений существует прямая связь между набуханием полимерного матрикса и водным током, и важная физиологическая функция клеточных стенок корней может быть связана с регуляцией движения воды по корневому апопла-сту С другой стороны, изменение набухания и гидравлической проводимости с увеличением уровня засоления среды (увеличением ионной силы) должно являться важным звеном в адаптации растений к действию этого абиотического фактора

В радиальном направлении корня оводненность тканей и способность клеточных стенок удерживать воду резко изменяется при переходе от тканей коры к центральному цилиндру Эти результаты находятся в тесной связи с механизмами передвижения воды в радиальном направлении (Marschner 1995, Steudle and Peterson, 1998, Buchanan et al, 2001) и показывают, что на границе клеток коры и центрального цилиндра происходит увеличение сопротивления току воды, которое обусловлено, в том числе, большей степенью сшивки полимеров клеточных стенок центрального цилиндра вследствие большей степени лигни-фикации и/или суберинизации этой ткани

Известно, что увеличение концентрации ионов в питательном растворе приводит к снижению градиента водного потенциала в системе почва - корень В соответствии с нашими результатами, при этих условиях будет происходить снижение объема ионообменного матрикса клеточных стенок и, соответственно, уменьшение концентрации воды в нем, что приведет к возрастанию осмотического (матричного) давления в стенках и, как следствие, к возрастанию градиента водного потенциала Таким образом, у растений изменение физико-химических параметров клеточных стенок вносит свой вклад в поддержание водно-

го баланса растительного организма при изменяющихся условиях минерального питания

Заключая изложенное, можно утверждать, что высокомолекулярный матрикс клеточной стенки образующий трехмерную сеть и имеющий в своем составе функциональные группы, способные к ионному обмену, обеспечивает ряд свойств экстраклеточного компартмента корня, которые играют важную роль в регуляции ионного и водного баланса растений как при нормальных, так и экстремальных условиях минерального питания Эти свойства изучены количественно и в применении к конкретным экспериментам позволяют понять важные стороны проявлений физиологических функций растительного организма

Выводы

1 Разработана методология исследования клеточной стенки корней без использования методов физической и химической деструкции для количественного описания поведения этого природного ионообменника и выявления особенностей участия ее матрикса в таком многокомпонентном физиологическом процессе, каким является поглощение минеральных элементов из внешней среды Применение этой методологии позволило определить комплекс физико-химических параметров, которые характеризуют клеточные стенки высших растений как трехмерный слабосшитый природный ионообменник, обладающий в основном ка-тионообменными свойствами Ионообменные свойства клеточных стенок зависят от вида, возраста, физиологического состояния, тканевой принадлежности, а также условий произрастания растений, и обусловлены присутствием у всех растений в матриксе оболочки четырех типов функциональных групп, которые способны принимать участие в обменных реакциях с ионами окружающей среды при соответствующих условиях

2 Показано, что состав структурных полимеров и количество выявляемых ионогенных групп в клеточных стенках зависит от вида растений, тканевой принадлежности и условий минерального питания, что характеризует матрикс клеточных стенок как динамичную физико-химическую систему

3 При нормальных условиях роста в корневом апопласте, за счет функционирования полимерного матрикса как ионообменника, происходит концентрирование катионов минерального питания на первичном этапе поглощения ионов из внешней среды, при этом степень накопления определяется составом и количеством ионогенных групп и зависит от вида растения и условий минерального питания Апопласт при этом выступает как экстраклеточный резервуар, в котором может сосредотачиваться до 25% катнонного состава органа

4 Механизм первичного этапа поглощения ионов корнями обусловлен ионообменными реакциями между катионом и карбоксильными группами клеточных стенок, а скорость процесса в целом определяется диффузией катиона в ее полимерном матриксе Коэффициент диффузии является адекватной количественной характеристикой проницаемости полимерного матрикса, а его величина определяется видом растений Данные, полученные на выделенных клеточных стенах, на отделенных корнях и на корнях целых растений, дают возможность пересмотреть представление о путях переноса ионов, сформировавшееся на основании изучения кинетики поглощения, и утверждать, что кинетические кривые не позволяют идентифицировать их медленную компоненту как стадию переноса ионов через

плазматическую мембрану

5 Полимерный матрикс экстраклеточного компартмента с его ионообменной способностью принимает участие в формировании механизма устойчивости растений к экстремальным условиям минерального питания, в частности, к засолению Сравнительная оценка физико-химических параметров этого ионообменника у растений различных систематических групп с разной чувствительностью к засолению показывает, что более устойчивые из них характеризуются большей ионообменной способностью, степенью сшивки полимеров в матриксе клеточных стенок, долей полимерного матрикса от общей сухой массы тканей и большим содержанием фенольных полимеров Эти отличительные особенности клеточных стенок позволяют растениям с разной эффективностью противостоять экстремальным условиям минерального питания

6 Показано, что коэффициент набухания, характеризующий степень сшивки между цепями полимеров клеточных стенок и являющийся количественной характеристикой их проницаемости, определяется составом структурных полимеров экстраклеточного пространства, а также ионными условиями и рН во внешнем растворе и в апопласте Установлена прямая связь между набуханием полимерного матрикса и водным током, что указывает на роль полимерного ионообменника, составляющего часть материала клеточной стенки, в регуляции водного и ионного гомеостатирования клеток

7 Высокомолекулярный матрикс клеточной стенки, образующий трехмерную сеть и имеющий в своем составе функциональные группы, способные к ионному обмену, обеспечивает ряд свойств экстраклеточного компартмента, которые играют важную роль в регуляции ионного и водного режимов растений как при нормальных, так и экстремальных условиях минерального питания Эти свойства могут быть оценены количественно и в применении к конкретным экспериментальным системам позволяют понять важные стороны проявлений физиологических функций экстраклеточного компартмента

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1 Лейкин Ю А., Мейчик Н.Р., Соловьев В К 1978 Кислотно-основное равновесие поли-амфолитов с пиридиновыми и фосфоновокислотными группами// Ж физич химии Т 52 №7 С 1420-1424

2 Мейчик Н.Р., Лейкин Ю А 1983 Исследование кинетических закономерностей сорбции уранил-иона из азотнокислых сред фосфорсодержащими катионитами// Ж физич химии Т 58 №1 С 2531-2534

3 Мейчик Н.Р., Лейкин Ю А 1985 Метод описания кинетики сорбции уранил-иона на комплексообразующих катеонитах с использованием диффузионно-химической модели// Ж физич химии Т 59 №1 С 140-144

4 Мейчик Н.Р., Лейкин Ю А 1985 Исследование кинетических закономерностей сорбции уранил-иона фосфорсодержащими катионитами с различной структурой функциональных групп//Ж физич химии Т59 №1 С 145-148

5 Мейчик Н.Р., Лейкин Ю А, Колосова И Ф , Тарасова Т И 1986 Кинетика сорбции некоторых ионов металлов фосфорсодержащими полиамфолитами // Коорд химии Т 12 №1 С 104-107

6 Мейчик Н.Р., Лейкин Ю А Колосова И Ф 1987 Исследование кинетических закономерностей сорбции некоторых ионов металлов фосфорсодержащими катионитами// Коорд химия Т 13 №2 С 301-304

7. Мейчик Н.Р., Лейкин Ю А , Галицкая Н Б , Антипов М А, Горячева Н В , Клименко И А, Медведев С А 1987 Исследование закономерностей сорбции бора из природных термальных вод анионитом//Ж Прикл химии №9 С 1970-1974

8 Мейчик Н.Р., Лейкин Ю А, Косаева А Е , Галицкая Н Б 1989 Кинетические закономерности сорбции бора анионитами//Ж физич химии Т 63 №7 С 1871-1874

9 Мейчик Н.Р., Лейкин Ю А, Косаева А Е, Галицкая Н Б 1989 Исследование физико-химических закономерностей сорбции бора анионитами с различной структурой функциональных групп// Ж физич химии Т63 №7 С 714-718

10 Мейчик Н Р., Лейкин Ю А, Косаева А Е, Галицкая Н Б 1989а Исследование кислотно-основного равновесия и сорбционных свойств азот-гидроксилсодержащих ионитов// Ж физич химии Т 63 №2 С 540-542

11 Мейчик Н.Р., Лейкин Ю А 1989 Механизм взаимодействия борной кислоты с функциональными группами комплексообразующих ионитов//Ж физич химии Т 63 №2 С 543545

12 Мейчик Н.Р., Лейкин Ю А , Гейнрих И А 19896 Кислотно-основное равновесие анио-нитов с различной структурой функциональных групп//Ж физич химии Т63 №8 С 21642168

13 Мейчик Н.Р., Лейкин ЮА, Гейнрих И А 1991 Закономерности сорбции хрома (VI) анионитами с различной структурой функциональных групп// Ж физич химии Т 65 №7 С 1886-1890

14 Meychik N R., Yermakov IР 1998 A new approach to the investigation on lonogenic groups m the cell walls of roots Тезисы доклада Международная конференция «The supporting roots Structure and function» Франция, Бордо, 20-24 июля С 41

15 Мейчик Н.Р. 1998 Исследование кислотно-основных свойств клеточной стенки растений Тезисы докладов XVI Менделеевскийсъезд по общей и прикладной химии, посвященный 250-летию отечественной химической науки Май Санкт-Петербург Т4С100

16 Мейчик Н.Р., Харитонашвили Е В , Алехина Н Д 1998 Накопление нитрата проростками огурца в зависимости от доступности N03 , С1 и S04 I Сравнительная оценка роли хлорида и сульфата в формировании нитратного статуса проростков// Вести Моек ун-та Сер 16, Биология №3 С 24-28

17 Харитонашвили Е В , Мейчик Н.Р., Алехина Н Д 1998 Накопление нитрата пророст-

- - 2-

ками огурца в зависимости от доступности N03 , С1 и S04 2 Влияние хлорида и сульфата на величину метаболического пула нитрата//Вестн Моек ун-та Сер 16, Биология №4 С 30-32

18 Мейчик Н.Р., Ермаков ИП, Савватеева MB 1999 Ионогенные группы клеточной стенки корней пшеницы// Физиол раст 46 С 742-747

19 Мейчик Н.Р, Ермаков ИП 1999 Новый подход к исследованию ионообменных

свойств растительной клеточной стенки IV съезд общества физиологии растений России, 49 октября Тезисы докладов Т1 С 168

20 Meychik N.R. 1999 Ion Exchange Properties of Plant Root Cell Walls SIS'99 CONFERENCE, Stara Lesna, Slovakia, 11-16 September Book of abstract P 67

21 Мейчик H.P. 1999 Acid-Based Behaviour of Root Cell Walls of Different Plant Specious Сборник статей конференции "Наука и технологии в западной Литве" 21-22 октября С 1624

22 Meychik N.R., Yermakov IР 1999 A New Approach to the Investigation on the Ionogemc Groups of Root Cell Walls//Plant and Soil 217 P 257-264

23 Мейчик H.P., Викулина АП 1999 Исследование некоторых физико-химических свойств апопласта по длине корня люпина IV съезд общества физиологии растений России, 4-9 октября Москва Тезисы докладов Т 1 С 169

24 Meychik N.R. and Yermakov IP 2000 A New Approach to the Investigation on the Ionogemc Groups of Root Cell Walls In book The Supporting Roots of Trees and Woody Plants Form, Function and Physiology By ed A Stokes In the series 'Developments m Plant and Soil Sciences, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht P 547-554

25 Meychik N.R., Yermakov IP 2000 The ion exchange properties of the plant root cell walls m connection with the first step of mineral nutation and water uptake Plant Physiology and Biochemistry V 38 P 136

26 Мейчик H.P., Николаева Ю И, Ермаков И П 2001 Поведение клеточной стенки гало-фита Suaeda altissima L в условиях солевого стресса//Вестн Башкирского у-та Материалы годичного собрания ВОФР №2(11) С 100-103

27 Мейчик Н.Р., Ермаков И П 2001 Некоторые физико-химические закономерности ионообменных процессов в апопласте и их роль в поглощении воды и ионов корнями растений Тез докл 2-й Межд конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений», г Минск, 5-8 декабря С 137-138

28 Мейчик Н.Р., Ермаков И П 2001 Набухание клеточной стенки корня, как отражение ее функциональных особенностей// Биохимия Т 66 Вып 2 С 223-233

29 Мейчик ПР., Николаева Ю И, Мясоедов Н А 2001 Особенности поведения клеточных оболочек корней галофита Suaeda altissima L в условиях солевого стресса Тез докл 2-й Межд конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений», г Минск 5-8 декабря С 138-139

30 Мейчик Н.Р., Ермаков И.П 2001 Ионообменные свойства выделенных клеточных оболочек из корней люпина// Биохимия Т 66 Вып 5 С 688-697

31 Meychik N.R., Yermakov IР 2001 Ion Exchange Properties of Plant Root Cell Walls//Plant and Soil 234 №2 P 181-193

32 Meychik N R., Yermakov IP 2002 Diffusion of the organic cation m root apoplast of plan different specious Plant Physiology and Biochemistry V 40 P 170

33 Meychik N.R., Nikilaeva YI, Yermakov IP 2002 The effect of salt stress on the ion ex change properties of root cell walls isolated from halophyte and glycophyte Plant Physiology and Biochemistry V40P 87

34 Мейчик Н.Р., Ермаков И П, Прокопцева О С 2003 Диффузия органического катиона в клеточных стенках корня//Биохимия 68 №7 С 926-940

35 Мейчик Н.Р., Бочарова О С 2003 Диффузия в клеточных стенках, изолированных из корней маша и люпина V съезд общества физиологии растений России, 15-21 сентября Пенза Тезисы докладов С 141-142

36 Мейчик Н.Р. Подход к количественной оценке диффузии в апопласте корня 2003 V съезд общества физиологии растений России, 15-21 сентября Пенза Тезисы докладов С 140-141

37 Мейчик Н.Р., Ермаков И П 2003 Ионообменные процессы в апопласте и их роль в поглощении воды и ионов корнями растений V съезд общества физиологии растений России, 15-21 сентября Пенза Тезисы докладов С 142

38 Мейчик Н.Р., Николаева Ю И 2003 Ионообменные свойства клеточных стенок гало-фита Suaeda altissima L V съезд общества физиологии растений России, 15-21 сентября Пенза Тезисы докладов С 147

39 Мейчик Н.Р., Любимова Е Г 2003 Ионообменные свойства клеточной стенки кустистого лишайника Cladina rangiferina (L ) Nyl V съезд общества физиологии растений России, 15-21 сентября, Пенза Тезисы докладов С 140

40 Мейчик Н.Р., Любимова Е Г Ермаков И П 2004 Физико-химические свойства полимерного матрикса клеточных стенок кустистого лишайника Cladina rangiferma и их роль в обеспечении поглощения им катионов Тезисы доклада Ill-Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии» Декабрь Караганда С 128

41 Meychik N.R., Nikolaeva JI, Yermakov IP 2005 Ion exchange properties of the root cell walls isolated from halophyte plants (Suaeda altissima L) grown under conditions of different salinity//Plant and Soil 277 №1-2 P 163-174

42 Yermakov I P, Honarmand S J, Meychik N.R. 2005 Diffusion of the organic cation m root cell walls In paper book "Plant Nutrition for food Security, Human Health and Environmental Protection Beijing P 568-569

43 Meychik N.R., Nikolaeva J I, Yermakov I P 2005 Ion exchange properties of the root cell walls isolated from halophyte plants {Suaeda altissima L) grown at different salinity conditions In paper book "Plant Nutrition for food Security, Human Health and Environmental Protection Beijing P 320-321

44 Мейчик H.P,, Балнокин Ю В 2005 Вода в жизни растений//Глава 5 в учебнике «Физиология растений» под ред И П Ермакова М, Academa С 276-305

45 Мейчик Н.Р., Хонарманд С , Ермаков И П 2005 Сравнительная оценка ионообменной способности полимерного матрикса клеточных стенок, изолированных из разных тканей растений (сем Fabaceae) Тезисы докладов 3-й Межд конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений», Минск 28-30 октября С 148

46 Мейчик Н.Р. 2005 Подход к количественной оценке диффузии в апопласте корня Тезисы докладов 3-й Межд конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений», Минск 28-30 октября С 149

47 Тихонова В В , Мейчик Н.Р., Николаева Ю И, Матвеева Н П , Ермаков И П 2005 Состав ионогенных групп полимерного матрикса клеточных стенок, изолированных из разных органов Тезисы докладов 3-й Межд конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений», Минск 28-30 октября С 163

48 Мейчик Н.Р. Николаева Ю И, Ермаков И П 2005 Влияние засоления на накопление натрия и калия галофитом и гликофитом из сем Chenopodmceae Тезисы докладов 3-й Межд конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений», Минск 28-30 октября С 147

49. Мейчик Н.Р., Николаева Ю И, Ермаков И П 2006 Ионообменные свойства клеточных стенок корней Spinacia oleracea L при разных условиях засоления внешней сре-ды//Биохимия Т 71 Вып. 7 С 961-971.

50 Chaykova А V, Matveyeva N Р, Meychik N.R., Nikolaeva YI, Yermakov IP 2006 Iono-gemc groups of pollen wall structural polymers of Liliwn longiflorutn Book of Abstracts XlXth International Congress on Sexual Plant Reproduction 11-15 July Budapest Hungary P 178-179

51 Meychik N.R., Honarmand S J, Nikolaeva JI, Yermakov IP 2006 Ion-exchange properties of root cell walls under different salinity conditions Book of Abstracts International Scientific Conference Genetic and Physiological Fundamentals of Plant Growth and Productivity 14-17 November Vilnius. Lithuania P 38-39

52 Meychik N.R., Honarmand S J, Yermakov IP 2006 Diffusion of the organic cation in root cell walls of different plants. Book of Abstracts International Scientific Conference Genetic and Physiological Fundamentals of Plant Growth and Productivity 14-17 November Venus Lithuania P 80-81

53 Meychik N.R., Honarmand S J, Yermakov IP 2006 Salinity effects on the growth and plant nutrition uptake of chickpea varieties Book of Abstracts International Scientific Conference Genetic and Physiological Fundamentals of Plant Growth and Productivity 14-17 November Vilnius Lithuania P 75-76

54 Мейчик H.P., Матвеева H П , Николаева Ю И , Майкова А В , Ермаков И П 2006 Особенности состава ионогенных групп полимерного матрикса оболочки пыльцевого зерна ли-лии//Биохимия Т 71 Вып 8 С 1103-1111

55 Мейчик Н.Р., Любимова Е Ермаков И П 2007 Диффузия органического катиона мети-ленового синего в полимерном матриксе кустистого лишайника Cladonia Rangiferina (L) F H Wigg // Вестник Московского ун-та Биология №1 С 25-30

56 Мейчик Н.Р. 2007 Состав ионогенных групп в клеточных стенках как отражение особенностей структурной организации полимеров в экстраклеточном компартменте растений VI съезд общества физиологов растений России 18-24 июня Сыктывкар Международная конференция «Современная физиология растений от молекул до экосистем» Материалы докладов Ч 3 Физиология фитосистем и глобальная физиология С 63-65

57 Meychik N.R., Honarmand S. J, Nikolaeva JI, Yermakov IP 2007 Ion exchange properties of cell walls of Cicer anetinum L roots under different environmental salt conditions// Biologija Nr 3 P 75-79

58 Meychik N.R., Honarmand S J, Yermakov IP 2007 Diffusion of the organic cation in root cell walls of different plants//Biologija Nr 1 P 60-63

Подписано в печать 01 10 2007 г Исполнено 02 10 2007 г Печать трафаретная

Заказ № 797 Тираж 120 экз

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш , 36 (495) 975-78-56 www autoreferat ru

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Мейчик, Наталия Робертовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Ионообменные свойства клеточной стенки

1.1.1 Количественная оценка катионообменной способности 14 (КОС) корней растений

1.1.2 Ионообменная способность изолированных клеточных 19 стенок

1.1.2.1 «Равновесный» подход к исследованию 22 изолированной клеточной стенки

1.1.2.2 Измерение электрического потенциала клеточной 26 стенки

1.1.3 Кажущееся свободное пространство

1.1.4 Взаимное влияние катионов и анионов в процессе 31 поглощения ионов

1.1.5 Корневой апопласт - поглощение питательных веществ и 33 ближний транспорт ионов

1.2 Состав растительной клеточной стенки

1.2.1 Полисахариды

1.2.1.1 Целлюлоза

1.2.1.2 Связующие гликаны (гемицеллюлозы)

1.2.1.2.1 Ксилоглюканы

1.2.1.2.2 Глюкуроноарабиноксиланы 40 2.1.2.3 Глюканы со смешанной связью

1.2.1.3 Пектиновые вещества

1.2.1.3.1 Гомогалактоуронаны

1.2.1.3.2 Рамногалактоуронан

1.2.1.3.3 Замещенные галактуронаны

1.2.1.3.4 Макромолекулярная организация пектинов 45 в клеточной стенке

1.2.2 Белки

1.2.2.1 Экстенсины 50 1.2.2.1.1 Межмолекулярные взаимодействия и функции экстенсинов

1.2.2.2 Арабиногалактановые белки

1.2.2.3 Пролин-обогащенные белки

1.2.2.4 Глицин-обогащенные белки

1.2.3 Фенольные соединения

1.2.3.1 Низкомолекулярные фенольные соединения

1.2.3.2 Лигнин

1.2.3.3 Суберин

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

2.1 Подготовка растительного материала к эксперименту

2.2 Выделение полимерного матрикса клеточных стенок

2.3 Микроскопическое исследование клеточных стенок

2.4 Определение качественного и количественного состава 73 ионообменных групп полимерного матрикса клеточных стенок

2.4.1 Метод потенциометрического титрования

2.4.2 Определение содержания аминогрупп в полимерном 79 матриксе клеточных стенок методом неводного титрования в уксусной кислоте

2.5 Определение ионообменной способности клеточных стенок при 80 разной концентрации хлористого натрия в растворе

2.6 Определение фосфора в тканях и изолированных клеточных 83 стенках

2.7 Определение содержания воды в интактных тканях растений и 83 весового коэффициента набухания полимерного матрикса клеточных стенок в воде и растворах

2.8 Элементный анализ

2.8.1 Определение хлорид-иона

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

ГЛАВА 3. МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД К КОЛИЧЕСТВЕННОЙ

ОЦЕНКЕ ИОНООБМЕННЫХ СВОЙСТВ КЛЕТОЧНЫХ СТЕНОК

3.1 Ионогенные группы клеточной стенки корней растений

3.2 Влияние состава раствора на ионообменные свойства клеточных 104 стенок

3.3 Набухание полимерного матрикса клеточных стенок

3.4 Расчеты некоторых параметров ионного обмена с использованием 117 разработанного подхода

ГЛАВА 4. ИОНООБМЕННЫЕ СВОЙСТВА И НАБУХАНИЕ

ПОЛИМЕРНОГО МАТРИКСА КЛЕТОЧНЫХ СТЕНОК ИЗ

РАЗНЫХ ЧАСТЕЙ КОРНЕЙ ЛЮПИНА

4.1 Ионообменные свойства

4.2 Набухание разных тканей корней люпина и изолированного из них 129 полимерного матрикса клеточных стенок

ГЛАВА 5. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА СОСТАВА

СТРУКТУРНЫХ ПОЛИМЕРОВ В КЛЕТОЧНЫХ СТЕНКАХ

РАСТЕНИЙ

ГЛАВА 6. ИОНООБМЕННАЯ СПОСОБНОСТЬ КЛЕТОЧНЫХ 147 СТЕНОК В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ ЗАСОЛЕНИЯ)

6.1 Ионообменные свойства клеточных стенок гликофитов из 148 семейства Fabaceae

6.2 Ионообменные свойства полимерного матрикса клеточных стенок 160 галофита и гликофита из семейства Chenopodiaceae

ГЛАВА 7. ДИФФУЗИЯ КАТИОНА В КЛЕТОЧНЫХ СТЕНКАХ

7.1 Диффузия в клеточных стенках

7.2 Диффузия в корне 202 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 216 ВЫВОДЫ 223 СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение Диссертация по биологии, на тему "Ионный обмен и диффузия в клеточных стенках растений"

1989; Grignon and Sentenac, 1991). Однако данные биохимических исследований состава клеточных стенок противоречат таким упрощенным представлениям и указывают на наличие в них других группировок, участвующих в ионном обмене (Richter and Dainty, 1989). Таким образом, количественная оценка ионообменных свойств клеточных стенок с использованием ранее предложенных подходов не вскрывает и не отражает реальной сложности процессов, обеспечивающих первичные этапы поглощения минеральных элементов корнями растений.

Одним из подходов к исследованию процессов в клеточной стенке может быть рассмотрение ее с позиций химии полимеров. В анализе полимерного ионообменного материала важную роль играют параметры, которые характеризуют происходящие в нем процессы диффузии и набухания. Они позволяют описать такие важные свойства, как проницаемость и скорость транспортирования ионов в полимере. Кроме того, коэффициенты набухания и диффузии являются функцией степени поперечной сшивки полимерных цепей, общего числа ионогенных групп ионита, степени их диссоциации, концентрации внешнего раствора, и зависят от радиуса гидратированного иона, которым заполняется сорбент (Гельферих, 1962; Шатаева и др., 1979). О процессах диффузии ионов в апопласте и набухании полимерного матрикса клеточных оболочек известно мало (Canny, 1995), однако можно полагать, что экспериментальная оценка набухания и диффузии даст возможность оценить различия в структуре биохимически пластичного полимерного матрикса у растений разных видов, а также определить степень его участия в водном режиме растений при нормальных и экстремальных условиях минерального питания.

Таким образом, оценка физико-химических характеристик экстраклеточного компартмента корня с использованием методов химии полимеров может быть важным направлением исследования, которое позволит выявить существенные механизмы, контролирующие поглощающую способность корней как в нормальных, так и экстремальных условиях минерального питания, получить информацию о том, как модифицируются свойства апопласта в разных условиях питания, какова роль физико-химических свойств этого компартмента в минеральном питании и водном режиме растений.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработать методологию количественной оценки ионообменных свойств клеточных стенок и диффузии ионов в них.

2. Провести сравнительный анализ физико-химических параметров, характеризующих состав ионогенных групп, способность к набуханию клеточных стенок и диффузионные свойства апопласта в корнях растений разных видов.

3. Установить вклад ионообменного механизма и набухания в поглощение минеральных элементов корнями растений при изменении параметров внешней среды.

4. Определить влияние физиологического состояния, возраста и вида растений, состава среды выращивания на ионообменные свойства клеточных стенок.

Основное положение, выносимое на защиту:

Научная новизна работы. Разработана методология количественной оценки ионообменных и диффузионных свойств клеточных стенок корней растений. На этой основе проведено комплексное сравнительно-физиологическое исследование связи физико-химических параметров клеточных стенок и процессов организации ионных и водных потоков в апопласте, разработаны теоретические представления для их количественного описания. Впервые установлено, что в составе полимерного матрикса клеточных стенок всех исследованных растений содержатся четыре типа ионообменных групп, три из которых являются катионообменными (карбоксильные группы полигалактуроновой и гидроксикоричных кислот, фенольные ОН-группы), и одна - анионообменной (аминогруппы). Впервые показано, что ионообменные свойства клеточной стенки зависят от вида, возраста, физиологического состояния растений, а также условий произрастания и определяются количественными соотношениями типов ионогенных групп полимерного матрикса экстраклеточного пространства.

Впервые экспериментально доказано, что корневой апопласт - это компартмент, в котором происходит концентрирование катионов минерального питания на первичном этапе поглощения ионов из внешней среды, а степень их накопления зависит от вида растения, условий произрастания и ионных условий в экстраклеточном пространстве.

Впервые установлено, что объем полимерного матрикса клеточных стенок, который связан с их гидравлической проводимостью, зависит от ионных условий и рН в окружающей среде и в экстраклеточном пространстве. Показано, что изменение в набухании, которое определяется физико-химическими свойствами клеточной стенки в ответ на варьирование внешних или внутренних условий, представляет собой элемент механизма регулирования потока воды по корню.

Впервые проведено сравнительное исследование диффузии катиона в апопласте корней и показано, что механизм его поглощения в значительной мере обусловлен ионообменными реакциями между катионом и карбоксильными группами клеточных стенок, а скорость процесса поглощения в целом определяется диффузией катиона в полимерном матриксе. Впервые выявлены различия в проницаемости полимерного матрикса корней растений различных видов.

Таким образом, в работе обоснована концепция зависимости физиологических функций поступления и транспорта минеральных элементов и воды растениями от физико-химических свойств полимерного матрикса их клеточных стенок.

Практическая значимость работы. Разработаны новые подходы к количественной оценке физико-химических параметров клеточных стенок, которые позволили провести сравнительный анализ ионообменных свойств и состава их структурных полимеров. Полученные в работе физико-химические параметры (количество ионогенных групп каждого типа и константы их диссоциации, общее количество катионо- и анионообменных групп, коэффициенты набухания и диффузии) позволяют предсказывать изменения ионного состава в водном пространстве матрикса на начальном этапе поглощения элементов питания. Впервые установлено, что одной из ответных реакций на экстремальные условия питания является изменение физико-химических свойств и состава матрикса клеточных стенок.

Полученные в работе данные расширяют фундаментальные знания о механизмах адсорбции и диффузии катионов в клеточных стенках и показывают их роль на первичных этапах поглощения ионов, в устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды и могут быть использованы в исследовательской практике и включены в курсы лекций по минеральному питанию и стресс-устойчивости растений.

Апробация работы. Результаты исследования были представлены на XVI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Санкт-Петербург, 1998), Международной конференции «The supporting roots: Structure and function» (Бордо, Франция, 1998), IV съезд общества физиологии растений России (Москва, 1999), II Международной научной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений» (Минск , 2001), на 13-ом конгрессе FESPP (Греция, 2002), V съезде общества физиологов растений и международной конференции «Физиология растений - основа биотехнологии» (Пенза, 2003), IV-ой Международной научной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений» (Минск, 2005), XV International Plant Nutrition Colloquium «Plant nutrition for food security, human health and environmental protection» (Beijing, 2005), 13th Multi-disciplinary Iranian Researchers Conference in Europe (Leeds ,2005), XlXth International Congress on Sexual Plant Reproduction (Budapest. Hungary, 2006), International scientific conference «Genetic and Physiological Fundamentals of Plant Growth and Productivity» (Vilnius, 2006), VI съезде общества физиологов растений и международной конференции «Современная физиология растений: от молекул до экосистем» (Сыктывкар, 2007).

Благодарности. Приношу свою искреннюю благодарность преподавателям и сотрудникам кафедры физиологии растений Алехиной Н.Д., Балнокину Ю.В., Носову A.M., Матвеевой Н.П., Полесской О.Г. за плодотворное обсуждение результатов работы, аспирантам и дипломникам кафедры, работавшим в разные годы в моей группе: Николаевой Ю.И., Любимовой Е.Г., Джалалихонарманд С., Саватеевой М.В., Прокопцевой О.С., Викулиной А.П., Тихоновой В.В. Особую благодарность выражаю научному консультанту профессору Ермакову Игорь Павловичу за веру в успех наших исследований и всестороннюю поддержку. Автор выражает благодарность Российскому Фонду фундаментальных исследований за финансовую поддержку работы в период 1998-2006 г.г. (гранты 98-04-48867, 01-04-48717, 04-04-49379).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 58 работ (общее число публикаций автора - 114, из них 17 авторских свидетельств на способы синтеза ионообменных материалов) в отечественных ("Физиология растений", "Биохимия", "Физическая химия" и др.) и зарубежных (Plant and

Soil, Biologija) научных журналах, материалах конференций и научных сборниках.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 251 стр. машинописного текста и состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов, списка цитированной литературы, включающего 297 наименований (из них 257 на иностранных языках). Работа содержит 24 таблицы и иллюстрирована 44 рисунками.

Заключение Диссертация по теме "Физиология и биохимия растений", Мейчик, Наталия Робертовна

ВЫВОДЫ

1. Разработана методология исследования клеточной стенки корней без использования методов физической и химической деструкции для количественного описания поведения этого природного ионообменника и выявления особенностей участия ее матрикса в таком многокомпонентном физиологическом процессе, каким является поглощение минеральных элементов из внешней среды. Применение этой методологии позволило определить комплекс физико-химических параметров, которые характеризуют клеточные стенки высших растений как трехмерный слабосшитый природный ионообменник, обладающий в основном катионообменными свойствами. Ионообменные свойства клеточных стенок зависят от вида, возраста, физиологического состояния, тканевой принадлежности, а также условий произрастания растений, и обусловлены присутствием у всех растений в матриксе оболочки четырех типов функциональных групп, которые способны принимать участие в обменных реакциях с ионами окружающей среды при соответствующих условиях.

2. Показано, что состав структурных полимеров и количество выявляемых ионогенных групп в клеточных стенках зависит от вида растений, тканевой принадлежности и условий минерального питания, что характеризует матрикс клеточных стенок как динамичную физико-химическую систему.

3. При нормальных условиях роста в корневом апопласте, за счет функционирования полимерного матрикса как ионообменника, происходит концентрирование катионов минерального питания на первичном этапе поглощения ионов из внешней среды, при этом степень накопления определяется составом и количеством ионогенных групп и зависит от вида растения и условий минерального питания. Апопласт при этом выступает как экстраклеточный резервуар, в котором может сосредотачиваться до 25% катионного состава органа.

4. Механизм первичного этапа поглощения ионов корнями обусловлен ионообменными реакциями между катионом и карбоксильными группами клеточных стенок, а скорость процесса в-целом определяется диффузией катиона в ее полимерном матриксе. Коэффициент диффузии является адекватной количественной характеристикой проницаемости полимерного матрикса, а его величина определяется видом растений. Данные, полученные на выделенных клеточных стенах, на отделенных корнях и на корнях целых растений, дают возможность пересмотреть представление о путях переноса ионов, сформировавшееся на основании изучения кинетики диффузии, и утверждать, что кинетические кривые не позволяют идентифицировать их медленную компоненту как стадию переноса ионов через плазматическую мембрану.

5. Полимерный матрикс экстраклеточного компартмента с его ионообменной способностью принимает участие в формировании механизма устойчивости растений к экстремальным условиям минерального питания, в частности, к засолению. Сравнительная оценка физико-химических параметров этого ионообменника у растений различных систематических групп с разной чувствительностью к засолению показывает, что более устойчивые из них характеризуются большей ионообменной способностью, степенью сшивки полимеров в матриксе клеточных стенок, долей полимерного матрикса от общей сухой массы тканей и большим содержанием фенольных полимеров. Эти отличительные особенности клеточных стенок позволяют растениям с разной эффективностью противостоять экстремальным условиям минерального питания.

6. Показано, что коэффициент набухания, характеризующий степень сшивки между цепями полимеров клеточных стенок и являющийся количественной характеристикой их проницаемости, определяется составом структурных полимеров экстраклеточного пространства, а также ионными условиями и рН во внешнем растворе и в апопласте. Установлена прямая связь между набуханием полимерного матрикса и водным током, что указывает на роль полимерного ионообменника, составляющего часть материала клеточной стенки, в регуляции водного и ионного гомеостатирования клеток.

7. Высокомолекулярный матрикс клеточной стенки, образующий трехмерную сеть и имеющий в своем составе функциональные группы, способные к ионному обмену, обеспечивает ряд свойств экстраклеточного компартмента, которые играют важную роль в регуляции ионного и водного режимов растений как при нормальных, так и экстремальных условиях минерального питания. Эти свойства могут быть оценены количественно и в применении к конкретным экспериментальным системам позволяют понять важные стороны проявлений физиологических функций экстраклеточного компартмента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ионообменные свойства клеточных стенок растений; определяющие некоторые особенности взаимодействия корней с питательным раствором и, тем самым, играющие определенную роль в минеральном питании, давно включаются в систему теоретических представлений о механизмах поглощения неорганических ионов. Этот природный ионообменник имеет весьма сложную и динамичную химическую структуру с большим числом активных концевых групп различной природы и сложную трехмерную организацию. Физико-химическое описание такой системы является нетривиальной экспериментальной и теоретической задачей. Разработанная в настоящей работе методология исследования клеточной стенки корней ряда растений без использования методов физической и химической деструкции, как это принято в физиологии, позволила количественно описать поведение этого природного ионообменника и вскрыть некоторые новые особенности участия ее матрикса в таком многокомпонентном физиологическом процессе, каким является поглощение минеральных элементов из внешней среды.

В качестве параметров, характеризующих физико-химические свойства клеточных стенок, использованы количество ионогенных групп разных типов, константы их диссоциации, общее количество катионо- и анионообменных групп, коэффициент набухания, коэффициент диффузии, которые в совокупности с уравнениями, адекватно описывающими процессы ионного обмена и диффузии, дают возможность предсказывать изменения в поведении клеточных стенок в нормальных и экстремальных условиях питания.

Химический состав клеточных стенок растений из различных систематических групп, в разных органах и тканях одного растения и при изменении физиологического статуса растения варьирует в широких пределах (Thompson and Fry, 2000; Ridley et al., 2001; William et al., 2001; Шарова, 2004). Пространственная структура их полимерного матрикса также отличается. Однако, в клеточных стенках всех исследованных нами растений ионогенные группы не отличаются разнообразием и представлены четырьмя типами: карбоксильными группами полигалактуроновой и оксикоричных кислот, фенольными ОН-группами и аминогруппами (Meychik and Yermakov, 1999; 2001; 2005). При этом фенольные ОН-группы и аминогруппы не принимают участия в реакциях обмена с ионами внешней среды при физиологических условиях (рН 5 - 8), так как константа их диссоциации лежит за пределами указанной области.

Ионообменные свойства клеточных стенок отличаются не только у растений разных систематических групп, но изменяются также в разных тканях одного растения. Изменения в количестве карбоксильных групп полигалактуроновой кислоты в направлении от эпидермиса к центральному цилиндру могут быть сопоставлены с функциональными особенностями тканей корня. Если основная функция клеточной стенки эпидермиса и коры может быть сведена к первичному поглощению и концентрированию катионов внешней среды, то для клеточной стенки центрального цилиндра -к их проведению к надземной части растения. Принято считать, что сосуды проводящих элементов, обеспечивающие дальний транспорт ионов и воды по ксилеме, служат для переноса массового транспирационного тока (Marschner 1995; Buchanan et al., 2001). Наши результаты расширяют эти представления, демонстрируя взаимодействие катионов раствора и ионогенных групп клеточных стенок сосудов, вследствие чего состав восходящего тока может претерпевать изменения, характер которых зависит также от условий минерального питания. Такие изменения могут происходить, например, при увеличении или уменьшении рН, изменении концентрации ионов в ксилемном соке, за которыми последует соответственно уменьшение или увеличение концентрации катионов в растворе, поступающем к надземной части растения. Эти экспериментальные данные свидетельствуют, что клеточные стенки сосудов ксилемы представляют собой компартмент, одна из физиологических функций которого заключается в поддержании ионного гомеостаза в клетках растущих органов при изменении условий питания.

По совокупности исследованных параметров клеточные стенки высших растений представляют собой трехмерный слабосшитый природный ионообменник, который обладает в основном катионообменными свойствами. В водных растворах (рН < 4) полимерный матрикс растений характеризуется также невысокой анионообменной способностью, которая, вероятно, реализуется только при действии неблагоприятных факторов.

В соответствии с нашими результатами, катионообменная способность полимерного матрикса зависит от вида растений и условий минерального питания. При высокой концентрации питательных веществ в почвенном растворе клеточные стенки накапливают минеральные катионы, при этом их содержание в экстраклеточном компартменте может достигать 15-25% от суммы катионов в тканях корня. На основании этих данных можно заключить, что накапливающиеся в стенках катионы представляют собой запасной апопластный пул, который, наряду с вакуолярным и цитоплазматическим пулами, является важной составляющей в поддержании ионного баланса в растительных тканях.

С увеличением концентрации ионов в среде у растений возрастает константа диссоциации карбоксильных групп полигалактуроновой кислоты, что приводит к увеличению в клеточных стенках числа активных сайтов, способных обменивать протон на катион внешней среды. Это свойство полимерного матрикса стенок, вероятно, является специфичным для высших растений, так как не проявляется у других растительных организмов, например, у кустистого лишайника Cladonia rangiferina (L.) F. H. Wigg. (Любимова, 2005) и у красной водоросли Phyllophora nervosa (Попова, 2006).

При определенных условиях (например, увеличение концентрации элементов питания в среде) внешний раствор, попадая в апопласт и взаимодействуя с полимерным ионообменником, претерпевает существенные изменения. Вследствие реакций обмена между ионизированными группами клеточной оболочки и катионами раствора происходят локальное снижение рН и изменение состава раствора. Прошедший фазу клеточной стенки раствор будет иметь концентрацию протонов выше, катионов ниже, чем во внешнем растворе, а концентрацию анионов не ниже, чем в окружающей среде. Можно полагать, что эти процессы ионного обмена являются механизмом, который модифицирует внешний раствор, подкисляя его, чтобы обеспечить одно из условий для поступления анионов в клетку. Действительно, известно, что поглощение анионов клеткой увеличивается с уменьшением рН раствора (Люттге и Хигинботам 1984; Marschner 1995; Buchanan et al., 2001).

Процессом, который прямо влияет на скорость поглощения и переноса ионов через апопласт, является их диффузия в клеточной стенке - самая медленная и, следовательно, лимитирующая стадия. Наши данные, полученные на выделенных клеточных стенах, на отделенных корнях и на корнях целых растений, дают возможность пересмотреть устоявшееся представление о путях переноса ионов (Freundling et al., 1988; Marschner,. 1995), сформировавшиеся на основании изучения кинетики диффузии, и утверждать, что кинетические кривые не позволяют идентифицировать их медленную компоненту как стадию переноса ионов через цитоплазму.

Важная физиологическая роль ионообменных реакций в клеточных стенках может быть выявлена при помещении растений в экстремальные условия минерального питания. В качестве таковых может использоваться засоление. Нами показано, что в таких условиях полимерный матрикс является средой, которая поддерживает низкую концентрацию ионов натрия в водном пространстве апопласта при неожиданных и больших изменениях концентраций NaCl во внешней среде. При этом концентрация Na+ в водном пространстве клеточных стенок в течение некоторого времени будет ниже, чем во внешней среде за счет реакций:

-СООН + Na+-> -COONa + H\ (1) где ~ - полимерная цепь, ~COOH - карбоксильные группы галактуроновой кислоты. Период времени, в течение которого концентрация ионов натрия будет ниже, чем в среде, определяется ионообменными свойствами клеточных стенок. Реакция (1) имеет место, так как чем больше ионная сила среды, тем выше ионообменная способность матрикса (табл. 3, 7; рис. 15, 18, 19). В то же самое время ионы натрия вытеснят ионы кальция из клеточной стенки:

СОО)2Са + 2Na+-> 2(~COONa) + Са2+, (2) так как при увеличивающейся концентрации NaCl в среде их активность выше, чем активность ионов кальция. Таким образом, Са2+ входит в водное пространство апопласта (реакция 2) и затем, вероятно, в клетку за счет активации транспортных систем клетки выделившимися протонами (реакция 1). Известно, что ион кальция является вторичным мессенджером и растения могут приспосабливаться к высокой концентрации соли в окружающей среде за счет активации систем сигнальной трансдукции, включающих Са2+ (Bressan et al., 1998; Tester and Davenport, 2003). На основании изложенного можно сказать, что при солевом стрессе поведение кальция (движение из клеточной стенки в водное пространство апопласта и далее, возможно, в клетку) является важным элементом регуляции ионного гомеостатирования во время адаптации к экстремальным условиям минерального питания. Кроме того, ионообменные процессы в клеточных стенках включаются в регуляцию распределения натрия по растению, и таким образом, отождествляя экстремальные условия питания и солевой стресс, можно утверждать, что они вносят вклад в солеустойчивость растений (Bressan et al., 1998; Tester and Davenport, 2003). Сравнительный анализ физико-химических параметров клеточных стенок галофита и гликофита из сем. Chenopodiaceae, менее и более устойчивых к условиям засоления бобовых растений показал, что первые характеризуются более высокой (а) ионообменной способностью, б) степенью сшивки полимеров в матриксе клеточных стенок и (в) долей полимерного матрикса от общей сухой массы тканей и большим содержанием фенольных полимеров. Эти отличительные особенности, как можно полагать, позволяют растениям с разной эффективностью противостоять экстремальным условиям минерального питания.

Свойства полимерного ионообменника, составляющего от 30 до 60% от сухой массы материала клеточной стенки корня, могут быть обсуждаемы в связи с проблемами поглощения и транспорта воды. Известно, что закисление среды снижает гидравлическую проводимость стенок (Ктиторова, 1999), а при низкой ионной силе внешнего раствора (высокой скорости транспирации) апопластный путь движения воды является определяющим, так как в этих условиях гидравлическое сопротивление корня низкое, что обеспечивает быстрое поглощение воды растением (Steudle and Peterson, 1998). Согласно нашим результатам, снижение рН раствора и/или увеличение его ионной силы приводят к уменьшению набухания ионообменного матрикса клеточной стенки. На основании анализа данных литературы и наших результатов можно считать, что у растений существует прямая связь между набуханием полимерного матрикса и водным током, и важная физиологическая функция клеточных стенок корней может быть связана с регуляцией движения воды по корневому апопласту. С другой стороны, изменение набухания и гидравлической проводимости с увеличением уровня засоления среды (увеличением ионной силы) должно являться важным звеном в адаптации растений к действию этого абиотического фактора.

В радиальном направлении корня оводненность тканей и способность клеточных стенок удерживать воду резко изменяется при переходе от тканей коры к центральному цилиндру. Эти результаты находятся в тесной связи с механизмами передвижения воды в радиальном направлении (Marschner 1995; Steudle and Peterson, 1998; Buchanan et al., 2001) и показывают, что на границе клеток коры и центрального цилиндра происходит увеличение сопротивления току воды, которое обусловлено, в том числе, большей степенью сшивки полимеров клеточных стенок центрального цилиндра вследствие большей степени лигнификации и/или суберинизации этой ткани.

Известно, что увеличение концентрации ионов в питательном растворе приводит к снижению градиента водного потенциала в системе почва -корень. В соответствии с нашими результатами, при этих условиях будет происходить снижение объема ионообменного матрикса клеточных стенок и, соответственно, увеличение концентрации ионогенных групп в нем, что приведет к возрастанию осмотического (матричного давления) в стенках и, как следствие, к возрастанию градиента водного потенциала. Таким образом, у растений изменение физико-химических параметров клеточных стенок вносит свой вклад в поддержание водного баланса растительного организма при изменяющихся условиях минерального питания.

Заключая изложенное, можно утверждать, что высокомолекулярный матрикс клеточной стенки образующий трехмерную сеть и имеющий в своем составе некоторое количество функциональных групп, способных к ионному обмену, обеспечивает ряд свойств экстраклеточного компартмента корня, которые играют важную роль в регуляции ионного и водного баланса растений как при нормальных, так и экстремальных условиях минерального питания. Эти свойства изучены количественно и в применении к конкретным экспериментам позволяют понять важные стороны проявлений физиологических функций растительного организма.

Библиография Диссертация по биологии, доктора биологических наук, Мейчик, Наталия Робертовна, Москва

1. Альберт А., Сержент Е. Константы ионизации кислот и оснований. JL: Химия, 1964.-178с.

2. Баславская С.С., Трубецкова Практикум по физиологии растений 1964, с. 230-244

3. Вахмистров Д.Б. Пространственная организация ионного транспорта в клетке // 49-е Тимирязевские чтения. М.: Наука. 1991. - 48 с.

4. Гельферих Ф. Иониты. М: Изд-во Ин. Лит., 1962. - 490с.

5. Горшкова Т.А. Метаболизм полисахаридов растительной клеточной стенки // Дисс. д.б.н. М., 1997. - 244с.

6. Джалалихонарманд С. Ионообменная способность клеточных стенок из разных органов растений в условиях засоления (на примере представителей сем. Fabaceae) // Дисс. к.б.н. М., 2007. - 149с.

7. Заботин А.И., Барышева Т.С., Заботина О.А. и др. Клеточная стенка растений и формирование гиподермического синдрома // Докл. РАН. 1995. -Т. 343.-С.567

8. Запрометов М. Н. О функциональной роли фенольных соединений в растениях // Физиол. растений. 1992. - Т. 39. - С. 1197-1207

9. Кокотов Ю.А., Пасечник В.А. Равновесие и кинетика ионного обмена. -Изд-во Химия, Ленинград. 1970

10. Колосов И. И. Установление поглощающей зоны корней и роли корневых волосков в поглощении веществ // Сов. агрономия. 1939а. -№ 5. -С.43-48

11. Колосов И. И. Способ определения поглощающей поверхности корней // Сов. агрономия. 19396. - № 12. - С.46

12. Колосов И. И. О роли физико-химических процессов в поступлении веществ в растение и возрастные изменения в поглощающей деятельности корней // Вести агротехники. 1940. - № 2. - С.98-120

13. Косоуров С.Н., Кузнецова Л.Г. Поглощения калия корневыми системами при его низких концентрациях в питательном растворе // Физиол. растений. -1999. Т.46. - №2. - С.203-209

14. Ктиторова И.Н., Скобелева О.В. Изменение упругих свойств клеточных стенок и некоторых параметров водного обмена растений при закислении среды // Физиол. растений. 1999. - Т. 46. - С.239-245

15. Кузнецова Н.Н. Катионообменная емкость корней и ее роль в питании растений// Вест.ЛГУ. 1972. - №3. - С. 119-127

16. Лейкин Ю.А., Мейчик Н.Р., Соловьев В.К. Кислотно-основное равновесие полиамфолитов с пиридиновыми и фосфновокислотными группами // Журн.физ.химии. 1978. - Т.52. - №7. - С. 1420-24

17. Либинсон Г.С. Физико-химические свойства карбоксильных катеонитов. -М.: Наука, 1969.-110с.

18. Либинсон Г.С., Савицкая Е.М Кинетика ионообменных процессов. V. К вопросу о механизме диффузии при ионном обмене, протекающем с участием органических ионов // Ж. физич. химии. -1963. Т.37. - С. 2706-2712

19. Лозовая В. В., Сальников В. В., Юмашев Р. В. Формирование клеточных стенок в тканях стебля растений льна-долгунца. Казань, 1990. - 172 с.

20. Лозовая В.В. Особенности формирования клеточных стенок изолированными протопластами высших растений/ Под ред. член-корр. АН СССР И.А. Тарчевского.- Казань: Казан.ин-т биологии., 1987. 126 с.

21. Любимова Е.Г. Ионообменные свойства клеточных стенок лихенизированного аскомицета Cladonia rangiferina (L.) F. H. Wigg. // Дисс. к.б.н.-М., 2005.-115с.

22. Люттге У., Хигинботам Н. Передвижение веществ в растении. М.: Колос, 1984.-408с.

23. Мейчик Н.Р., Ермаков И.П., Прокопцева О.С. Диффузия органического катиона в клеточных стенках корня. // Биохимия. -2003. Т. 68. - С.926-940

24. Мейчик Н.Р., Ермаков И.П., Савватеева М.В. Ионогенные группы клеточной стенки корней пшеницы // Физиол. растений. 1999. - Т. 46. -С.742-747

25. Мейчик Н.Р., Лейкин Ю.А., Гейнрих И.А. Кислотно-основное равновесие анионитов с различной структурой функциональных групп // Ж.физич.химии. 19896. - Т.63. - №8. - С. 2164-2168

26. Мейчик Н.Р., Лейкин Ю.А., Косаева А.Е., Галицкая Н.Б. Исследованиекислотно-основного равновесия и сорбционных свойств азот-гидроксилсодержащих ионитов. // Ж.физ.химии. 1989а. - Т.63. - №2. - С. 540-542.

27. Мейчик Н.Р., Николаева Ю.И., Ермаков И.П. Ионообменные свойства клеточных стенок корней Spinacia oleracea L. при разных условиях засоления внешней среды // Биохимия. -2006. Т.71. - С.961-971

28. Николаева Ю.И. Влияние засоления на ионный статус растений и ионообменные свойства полимерного матрикса клеточных стенок галофита и гликофита // Дисс. к.б.н. М., 2006. - 145с.

29. Попова Н.И. Качественный и количественный состав функциональных групп клеточной стенки, изолированной из таллома красной водоросли Phyllophra nervosa // Курсовая работа. М., МГУ им. М.В.Ломоносова, 2006. -86с.

30. Румшисский Л. 3. Математическая обработка результатов эксперимента. -М.: Наука, 1971.-193с.

31. Сабинин Д.А. Физиологические основы питания растений. Москва, Изд-во Академии наук, 1955. - С. 164-284

32. Сабинин Д.Ф. Избранные труды по минеральному питанию растений. -Москва, Изд-во Наука, 1970

33. Сальников В. В. Формирование полисахаридной оболочки у клеток низших и высших растений в схемах. Казань, 1990. - 168с.

34. Феофилова Е. П., Терешина В. М., Меморская А. С. Хитин мицелиальных грибов, методы выделения, идентификации и физико-химические свойства// Микробиология. 1995. - Т. 64. - № 1. - С. 27-31

35. Феофилова Е.П. Клеточная стенка грибов. М.:Изд-во Наука, 1983. -247с

36. Физиология растений / Алехина Н.Д., Балнокин Ю.В., Гавриленко В.Ф. и др. и др.; под ред. Ермакова И.П. М.: Академия, 2005. - 640с

37. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсионные системы. -М.: Химия, 1982. -400с.

38. Черонис Н.Д., Ma Т.С. Микро- и полумикрометоды органического функционального анализа. Москва, Изд-во Химия, 1973

39. Шарова Е.И. Клеточная стенка растений. Спб: Изд-во С.-Петербург. Ун-та, 2004. - 152с.

40. Шатаева JI.A., Кузнецова Н.Н., Елькин Г.Е. Карбоксильные иониты в биологии. Л.: Наука, 1979. - 286с.

41. Ае N., Otani Т. The role of cell wall components from groundnut roots in solubilizating sparingly soluble phosphorus in low fertility soils // Plant and Soil. -1997.-Vol.196.-P. 265-270

42. Aidid S.B., Okamoto H. Responses of elongation growth rate, turgor pressure and cell wall extensibility of stem cells of Impatiens balsamina to lead, cadmium and zinc // Biometals. 1993. - Vol.6. - P.245-249

43. Akashi Т., Shibaoka H. Involvement of transmembrane proteins in the association of cortical microtubules with the plasma membrane in tobacco BY-2 cells // J. Cell Sci. 1991. - Vol.98. - P.169-174

44. Allan M., Showalter A.M. Structure and Function of Plant Cell Wall Proteins// The Plant Cell. 1993. - Vol.5. - P.9-23

45. Aloni R., Enstone D.E., Peterson C.A. Indirect evidence for bulk water flow in root cortical cell walls of three dicotyledonous species// Planta. 1998. -Vol.207. -P.l-7

46. Amtmann A., Jelitto T.C, Sanders D. K+- selective inward-rectifying channel and apoplastic pH in barley roots // J. Plant Physiol. 1999. - Vol. 119. - P. 331338

47. Aspinall G. 0. Chemistry of cell wall polysaccharides. In Biochemistry of Plants. A Comprehensive Treatise. 1980 Vol. 3, Eds. С. P. K. Stumpf and E. E. Conn. Academic Press, New York, p. 473-500.

48. Aspinall G.O., Craig J.W.T., Whyte J.L. Lemon-peel pectin Part I. Fractionation and partial hydrolysis of water-soluble pectin // Carbohydr. Res. -1968a.-Vol.7.-P.442-452.

49. Aspinall G.O., Gestetner В., Molloy J.A., Uddin M. Pectic polysaccharides from lucerne {Medicago sativa). Part II. Acidic oligosaccharides from partial hydrolysis of leaf and stem pectic acids // J. Chem. Soc (C). 1968b. - P.2554-2559.

50. Baublis A. J., Lu C., Clydesdale F. M., Decker E.A. Potential of Wheat-Based

51. Breakfast Cereals as a Source of Dietary Antioxidants // Journal of the American College of Nutrition. 2000. -Vol.l 9. - P.308-311

52. Bauer W.D., Talmadge K.W., Keegstra K., Albersheim P. The structure of plant cell walls II. The hemicellulose of the walls of suspension-cultured sycamore cells // Plant Physiol. 1973. - Vol.51. - P. 174-187

53. Bernards M. A. Demystifying suberin // Can. J. Bot. 2002. - Vol.80. -P.227-240

54. Biggs K.J., Fry S.C. Solubilization of covalently bound extensin from Capsicum cell walls // Plant Physiol. 1990. - Vol.92. - P. 197-204

55. Biochemistry and molecular biology of plants / Eds. Buchanan В., Gruissem W., Jones R.; American Soc. Plant Physiol. Rockville, 2001. - 1367p.

56. Bradley D. J., Kjellbom P., Lamb C. L. Elicitor- and wound-induced oxidative cross-linking of a proline-rich plant cell wall protein: a novel, rapid defense response // Cell. 1992. - Vol.70. - P.21-30

57. Brady J.D., Sadler I.H., Fry S.C. Di-isidityrosine, a novel tetrameric derivative of tyrosine in plant cell wall proteins: a new potential cross-link // Biochem. J. 1996. - Vol.315. -P.323-327

58. Brady J.D., Sadler I.H., Fry S.C. Pulcherosine, an oxidatively coupled trimer of tyrosine in plant cell walls: its role in cross-link formation // Phytochemistry. -1998.-Vol. 47. P.349-353

59. Bressan R.A., Hasegawa P.M, Pardo J.M. Plants use calcium to resolve salt stress // Trends Plant Sci. 1998. - V.3. - P.411-412

60. Brett C., Waldron K. Physiology and biochemistry of plant cell walls. 1996. London. 255p.

61. Brown J.A., Fry S.C. Novel O-d-galacturonosyl esters in the pectic polysaccharides of suspension-cultured plant cells // Plant Physiol. 1993. -Vol.103.-P.993-999

62. Bunzel M., Ralph J., Marita J.M., Hatfield R.D., Steinhart H. Diferulates asstructural components in soluble and insoluble dietaiy fibre I I J. Sci. Food Agric. -2001.- Vol.81. -P.653-660

63. Bunzel M., Ralph J., Kim H., Lu F., Ralph S. A., Marita J. M., Hatfield R. D., Steinhart H. Sinapate-Dehydrodimers and Sinapate-Ferulate Heterodimers in Cereal Dietary Fiber // J. Agric. Food Chem. 2003. - Vol.51. - P.1427-1434

64. Bunzel M., Ralph J., Steinhart H. Phenolic Compounds as Cross-Links of Plant Derived Polysaccharides II Czech J. Food Sci. 2004. - Vol. 22. Special Issue. - P.64-6.

65. Bunzel M., Ralph J., Steinhart H. Association of non-starch polysaccharides and ferulic acid in grain amaranth (Amaranthus caudatus L.) dietaiy fiber // Mol. Nutr. Food Res. -2005. Vol.49. -P.551-559

66. Bunzel, M., Allerdings E., Sinnwell V., Ralph J., Steinhart H. Cell wall hydroxycinnamates in wild rice (Zizania aquatica L.) insoluble dietary fibre // Eur. Food Res. Technol. 2002. - Vol.214. - P.482-488

67. Bush D.S., McColl J.G. Mass-action expressions of ion exchange applied to Ca2+, H+, К and Mg sorption on isolated cell walls of leaves from Brassica oleracea II Plant Physiol. 1987. - Vol.85 - P.247-260

68. Caelles C., Delseny M., Puigdombnech P. The hydroxyproline-rich glycoprotein gene from Oryza sativa// Plant Mol. Biol. 1992. - Vol.18. - P.617-619

69. Canny M.J. Apoplastic water and solute movement: new rules for an old space // Annu.Rev.Plant Physiol.Plant Mol.Biol. 1995. - Vol. 46. - P.215-236.

70. Canny M.J. The transpiration stream in the leaf apoplast water and solutes // Philosophical Transactions of the Royal Society of London (Biological). - 1993. -Vol.341.-P.87-100

71. Carnachan S.M., Harris P.J. Ferulic acid is bound to the primary cell walls of all gymnosperm families // Biochem. Systematics and Ecol. 2000. - V.28. -P.865-879

72. Carpita N., McCann M., Griffing L.R. The plant extracellular matrix: news from the cell's frontier // Plant Cell. 1996. - Vol.8. - P. 1451-1463

73. Carpita N. C. Structure and biogenesis of the cell walls of grasses // Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1996. - Vol.47. - P.445^76

74. Carpita N., VcCann M. The Cell Wall. In Book: Biochemistry and Molecular Biology of Plants. Eds Buchanan В., Gruissem W., Jones R. Beltsville: Am.Soc.Plant Physiol. 2000. P. 52-108

75. Carpita N.C., Gibeaut D.M. Structural models of primary cell walls in flowering plants: consistency of molecular structure with the physical properties of the walls during growth // Plant J. 1993. - Vol.3. - P.l-30

76. Cassab G.I., Varner J.E. Cell wall proteins // Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1988. - Vol.39. - P.321-353

77. Cassab G.I. Plant cell wall proteins // Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol. 1998.-Vol.49.-P.281-309

78. Cassab G.I., Nieto-Sotelo J., Cooper J.B., van Hoist G.J., Varner J.E. A developmentally regulated hydroxyprolinerich glycoprotein from the cell walls of soybean seed coats // Plant Physiol. 1985. - Vol.77. - P.532-535

79. Castonguay Y., Nadeau P., Laberge S. Freezing tolerance and alteration of translatable mRNAs in alfalfa (Medicago sativa L.) hardened at subzero temperatures // Plant Cell Physiol. 1993. - Vol.34. - P.31-38

80. Chamuah G.S., Dey J.K. Root cation exchange capacity in relation to nutrient uptake of rice// J. Indian Soc. Soil Sci.- 1987.-Vol.35.-P.132-134

81. Cheng G.W., Huber D.J. Carbohydrate solubilization of tomato locule tissue cell walls: parallels with locule tissue liquefaction during ripening // Physiologia Plantarum 1997. - Vol.101. - P.51-58

82. Cheng L., Kindel P.K. Detection and Homogeneity of Cell Wall Pectic Polysaccharides of Lemna minor // Carb. Res. 1997. - Vol.301. - P.205-212

83. Chhabada P.R., Gajbe M.V., More S.D. and Varade S.B. 1979. Relationship between cation exchange capacity and nutrient concentration in sorghum cultivars// J. Indian Soc. Soil Sci. 1979. - Vol.27. -P.282-285

84. Clarke AE, Anderson RL, Stone BA. Form and function of arabinogalactans and arabinogalactan-proteins //Phys.chemistry 1979. - V.18 - 521-40

85. Clarkson D. T. Solute Transport in Plant Cells and Tissues In book: Baker D. A. and Hall J. L. 1988. P. 251-295.

86. Coimbra M.A., Waldron K.R., Selvendran R.R. Isolation and characterisation of cell wall polymers from the heavily lignified tissues of olive (Olea europaea) seedhull // Carbohydr. Polym. 1995. - Vol.27. - P.285-295

87. Colquhoun, I. J., Ralet, M. C., Thibault, J. F., Faulds, С. В., Williamson, G., Structure identification of feruloylated oligosaccharides from sugar-beet pulp by NMR-spectroscopy // Carbohydr. Res. 1994. - Vol.263. - P. 243-256

88. Condit C.M., McClean B.G., Meagher R.B. Characterization of the expression of the petunia glycine-rich protein-1 gene product // Plant Physiol. 1990. - Vol.93. -P.596-602.

89. Cosgrove D.J. Relaxation in a high-stress environment: the molecular bases of extensible cell walls and cell enlargement // The Plant Cell. 1997. - Vol. 9. -P.l 031-1041

90. Cosgrove D.J., Li Z.-C. Role expansins in developmental and light control of growth and wall extension in oat coleoptiles // Plant Physiol. -1993. V. 103. -P.1321—1328

91. Cretin C., Puigdombnech P. Glycine-rich RNA-binding proteins from Sorghum vulgare // Plant Mol. Biol. 1990. - Vol.15. - P.783-785

92. Crooke W. M. The measurement of the cation-exchange capacity of plant roots// Plant and Soil. 1964. - Vol.XXL -№1. - P. 43^9

93. Crooke W.M., Knight A.M. An evaluation of published data on the mineral composition of plants and the cation exchange capacities of their roots // Soil Science. -1962. Vol.93. - P.365-373

94. Crooke W. M. Effect of heavy metal toxicity on the cation-exchange capacity of plant roots // Soil Sci. 1953. - Vol.86. - P.231-240

95. Crooke W. M., Knight A. H., MacDonald I. R. Cation-exchange capacity and pectin gradients in leek root segments// Plant and Soil. 1960. - Vol. 13. - P.123-127

96. Dainty J. and Hope A.B. The electric double layer and Donnan equilibrium in relation to plant cell walls // AustJ.Biol.Sci. 1961. - Vol.14. - 541-551

97. Dalton F.N. Dual pattern of potassium transport in plant cells: a physical artifact of a single uptake mechanism// Journal of experimental Botany. 1984 -Vol.35.-1723-1732

98. Degenhardt B, Gimmler H. Cell wall adaptation to multiple environmental stress in maize roots // Journal of Experimental Botany. 2000. - Vol.51. - P.595

99. Demarty M., Morvan С., Thellier M. Exchange properties of isolated cell walls oiLemna minor L.ll Plant Physiol. 1978. - Vol.62. - P.477-481

100. Drake M., Vengris J., Colby W. Cation exchange capacity of plant roots // Soil Sci. 1951. - Vol.72. - P.139-147

101. Elgabaly, M. M. and Wiklander, L., Effect of exchange capacity of clay mineral and acidoid content of plant on uptake of sodium and calcium by excised barley and pea roots // Soil Sci. 1949. - Vol.7. - P.419-424

102. Encina A., Fry S. C. Oxidative coupling of a feruloyl-arabinoxylan trisaccharide (FAXX) in the walls of living maize cells requires endogenous hydrogen peroxide and is controlled by a Iow-Mr apoplastic inhibitor // Planta. -2005.-Vol.223.-№1.- P.77-89

103. Epstein L., Lamport D.T.A. An intramolecular linkage involving isodityrosine in extension // Phytochemistry. 1984. - Vol.23. - P.1241-1246

104. Faulds C.B., Williamson G. The role of hydroxycinnamates in the plant cell wall // J. Sci. Food Agric. 1999. - Vol.79. - P.393-395

105. Femenia A., Rigby N.M., Selvendran R.R., Waldron K.W. 1999. Investigation of the occurrence of pectic-xylan-xyloglucan complexes in the cell walls of cauli.ower stem tissues // Carbohydr.Polym. Vol.39. - P. 151-164

106. Fincher G.B, Stone B.A, Clarke A.E. Arabinogalactan-proteins: structure biosynthesis and function // Annu. Rev. Plant Physiol. 1983. - Vol.34. - P.47-70

107. Fleischer A., Titel C., Ehwald R. The boron requirement and cell wall properties of growing- and stationary-phase suspensioncultured Chenopodium album L. cells // Plant Physiol. 1998. - Vol. 117. - P. 1401-1410

108. Fleischer A., O'Neill M.A., Ehwald R. The pore size of nongraminaceous plant cell walls is rapidly decreased by borate ester cross-linking of the pectic polysaccharide rhamnogalacturonan II // Plant Physiol. 1999. - Vol.121. - P.829

109. Franco C.R., Chagas A.P., Jorge R.A. Ion-exchange equilibria with aluminum pectinates // Colloids Surf. -2002. Vol.204. - P. 183-192

110. Franklin R.E. Cation effects on chloride, sulfate, and phosphate uptake by excised roots// Soil Science. 1971. - Vol.112. -P.515-523

111. Freudling C., Starrach N., Flach D., Gradmann D., Mayer W.E. Cell walls as reservoirs of potassium ions for reversible volume changes of pulvinar motor cells during rhythmic leaf movements // Planta. 1988. - V. 175. - P. 193-203.

112. Fry S.C. Polysaccharide-modifying enzymes in the plant cell wall // Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1995. - Vol.46. - P. 497-520

113. Fry S.C. The growing plant cell wall: chemical and metabolic analysis. Harlow. 1988.333 p.

114. Fry S.C. Tansley review: primary cell wall metabolism: tracking the careers of wall polymers in living plant cells // New Phytologist. 2004. - Vol.161. -P.641-675

115. Fry S.C. Cross-linking of matrix polymers in the growing cell walls of angiosperms // Annu. Rev. Plant Physiol. 1986. - Vol.37. - P. 165-186

116. Fry S.C. Feruloylated pectins from the primary cell wall : their structure and possible functions // Planta. 1983. - Vol.157. - P.l 11-123

117. Fry S.C. Primary cell wall metabolism: tracking the careers of wall polymers in living plant cells // New Phytologist. 2004. - Vol. 161. - P.641-675

118. Fry S.C., Willis B.C., Paterson A. E. J. Intraprotoplasmic and wall-localised formation of arabinoxylan-bound diferulates and larger ferulate coupling-products in maize cell-suspension cultures // Planta. 2000. - Vol.211. - P. 679-692

119. Fu J., Mort A.J. Progress toward identifying a covalent linkage between xyloglucan and rhamnogalacturonan in cotton cell walls // Plant Physiol. 1996. -Vol.111 (suppl). — P. 147

120. Gao D., Knight M. R., Trewavas A. J., Sattelmacher В., Plieth C. Self-Reporting Arabidopsis Expressing pH and Ca2+. Indicators Unveil Ion Dynamics in the Cytoplasm and in the Apoplast under Abiotic Stress// Plant Physiol. 2004. -Vol. 134. — P.898—908

121. Gaspar Y., Johnson K.L., McKenna J.A., Bacic A., Schultz C.J. The complexstructures of arabinogalactan-proteins and the journey towards understanding function // Plant Mol.Biol. 2001. - Vol.47. - P.161-176

122. Gassab G.I. Plant cell wall proteins // Annu.Rev.Plant Physiol.Plant Mol.Biol.- 1998.-Vol.49.-P.281-309

123. Gassab G.I., Varner J.E. Cell wall proteins // Annu Rev. Plant Physiol Plant Mol Biol. 1988. - V.39. - P.321-353

124. Gil A.M., Lopes M.H., Pascoal Neto C., Callaghan P.T. An NMR microscopy study of water absorption in cork // J. Math. Sci. 2000. - Vol.35. - P. 1891-1900

125. Godoy, J.A., Pardo, J.M., and Pintor-Tom, J.A. A tomato cDNA inducible by salt stress and abscisic acid: Nucleotide sequence and expression pattern. Plant Mol. Biol. 1990.-Vol. 15.-P.695-705

126. Gomez J., SBnchez-Martinez D., Stiefel V., Rigau J., Puigdombnech P., Pagbs M. A gene induced by the plant hormone abscisic acid in response to water stress encodes a glycine-rich protein //Nature. 1988. - Vol.334. - P.262-264

127. Gregor H. P., Luttinger L. D., Loeble E. M. Titration polyacrylic acid with quaternary ammonium basses // J. Amer. Chem. Soc. 1954. - Vol. 76. - P.5879

128. Grignon C., Sentenac H. pH and ionic conditions in the apoplast // Ann. Rev. Plant Physiol. 1991. - V. 42. - P.103-128.

129. Hartley R.D, Morrison W.H., Balza F. and Towers G.H.N. Substituted truxillic and truxinic acids in cell walls of Cynodon dactylon // Phytochemistry. -1990. Vol.29. - P.3699-3703

130. Hatfield R.D, Ralph J., Grabber J.H. Cell wall cross-linking by ferulates and diferulates in grasses // J. Sci. Food Agric. 1999. - Vol.79. - №3. - P.403-407

131. Hay A., Watson L., Zhang C., McManus M. Identification of cell wall proteins in roots of phosphate-deprived white clover plants // Plant Physiology and Biochemistry. 1998. - V.36. - P.305-311

132. Haynes R.J. Ion exchange properties of roots and ionic interactions within the root apoplasm: their role in ion accumulation by plants // Botanical Review. 1980.- Vol.46.-P.75-99

133. Heintze S. G. Studies on cation-exchange capacities of roots // Plant and Soil. -1961.-Vol.13.-P.365-383

134. Helmy A. K., Elgabaly M. M. Exchange capacities of plant roots. I. Factorsaffecting the exchange values // Plant and Soil. 1958. - Vol.10. - P.78-92

135. Hirasawa Т., Takahashi H., Suge H., Ishihara K. Water potential, turgor and cell wall properties in elongating tissues of the hydrotropically bending roots of pea (Pisum sativum L.) // Plant, Cell and Environment. 1997. - Vol.20. - P.381-386

136. Hood K. R., Baasiri R. A., Fritz S. E., Hood E. E. Biochemical and Tissue Print Analyses of Hydroxyproline-Rich Glycoproteins in Cell Walls of Sporophytic Maize Tissues // Plant Physiol. -1991.- Vol.96. P. 1214-1219

137. Hooymans J.J.M. The role of calcium in the absorption of anions and cations by excised barley roots // Acta Botanica Neerlandica. 1964. - V.13. - P.507-540

138. Horst WJ. The role of the apoplast in aluminium toxicity and resistance of higher plants: a review // Zeitschrift Fuer Pflanzenernahrung und Bodenkunde. -1995.-Vol.158.-P.419-428

139. Hoson T. 1998. Apoplast as the side of response to environmental signals // Journal of Plant Research. V.l 11. - P.167-177

140. Huffaker R. C., Wallace A. Variations in root cation exchange capacity within plant species //Agron. J. 1959. - Vol.51. - P. 120

141. Huffaker R.C., Wallace A. Possible relationships of cation exchange capacity of plant roots to cation uptake // Soil Sci. Soc. Am. Proc. 1958. - Vol.22. - P.392-394

142. Ishii T. Isolation and characterization of a diferuloyl arabinoxylan hexasaccharide from bamboo shoot cell-walls // Carbohydr. Res. 1991. - Vol.219. -P. 15-22

143. Ishii T. O-Acetylated Oligosaccharides from Pectins of Potato Tuber Cell Walls // Plant Physiol. 1997a. - Vol.113. - 1265-1272

144. Ishii T. Structure and functions of feruloylated polysaccharides // Plant Sci. -1997b.-Vol.127.-111-127

145. Ishii Т., Hiroi T. Isolation and characterization of feruloylated arabinoxylan oligosaccharides from bamboo shoot cell walls // Carbohydr Res. 1990. - Vol.196. -P.175-183

146. Ishii Т., Matsunaga Т., Pellerin P., O'Neill M. A., Darvill A., Albersheim P. The Plant Cell Wall Polysaccharide Rhamnogalacturonan II Self-assembles into a Covalently Cross-linked Dimer // J. Biol. Chem. 1999. - Vol. 274. - P.1309813104

147. Ishii Т., Tobita Т. Structural characterization of feruloyl oligosaccharides from spinach-leaf cell-walls // Carbohydr. Res. 1993. - Vol.248. - P.179 -190

148. Jungk A., Claasen N., Kuchenbuch R. Potassium depletion of the soil-root interface in relation to soil parameters and root properties // Plant Nutr. 1982. -Vol.1.-P. 250-255

149. Kamula S.A., Peterson C.A., Mayfield С. I. Impact of the exodermis on infection of roots by Fusarium culmorum // Plant and Soil. 1995. - Vol.167. -P.121-126

150. Kawasaki S. Extensin secreted into the culture medium of tobacco cells. II. Extensin subfamilies of similar composition // Plant Cell Physiol. -1991. Vol.32. -P.721-728

151. Keller В., Sauer N., Lamb C.J.J. Glycine-rich cell wall proteins in beans: gene structure and association of the proteins with the vascular system // EMBO J. -1988.- Vol.7. -P.3625-33

152. Keller В., Templeton M.D., and Lamb, C.J. Specific localization of a plant cell wall glycine-rich protein in protoxylem cells of the vascular system. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1989. - Vol.86. - P. 1529-1533

153. Kieliszewski M. Lamport, D.T.A. Purification and partial characterization of a hydroxyproline-rich glycoprotein in a graminaceous monocot, Zea mays II Plant Physiol. 1987. - Vol.85. - P.823-827

154. Kieliszewski M.J., Leykam J.F., and Lamport D.T.A. Structure of the threonine-rich extensin from Zea mays // Plant Physiol. 1990. - Vol.92. - P.316-326.

155. Kim J.-B., Carpita N.C. Changes in esterification of the uronic acid groups of cell wall polysaccharides during elongation of maize coleoptiles // Plant Physiol. -1992. V.98. - P.646-653

156. Kinraide T.B. Ion fluxes considered in terms of membrane-surface electrical potentials// Aust J Plant Physiol. 2001. -Vol.28. - P.607-618

157. Kinraide T.B. The controlling influence of cell-surface electrical potential onthe uptake and toxicity of selenate (Se042')//Physiol Plant. 2003. - 117. - P.64-71

158. Klein J.D., Hanzon J., Irwin P.L., Shalom N.B., Lurie S. Pectin esterase activity and pectin methyl esterification in heated Golden Delicious apples // Phytochemistry. 1995. - Vol.39. - P.491-494

159. Knight A. H., Crooke W. M., Inkson R. H. E. Cation-exchange capacities of tissues of higher and lower plants and their related uronic acid contents// Nature. -1961. V.192. -P.142-143

160. Kobayashi M., Matoh Т., Azuma J. Two chains of rhamnogalacturonan II are cross linked by borate-diol ester bonds in higher plant cell walls // Plant Physiol. -1996.-Vol.110.-P.1017-1020

161. Kobayashi M., Nakagawa H., Asaka Т., Matoh T. Borate2+

162. Rhamnogalacturonan II Bonding Reinforced by Ca Retains Pectic Polysaccharidesin Higher-Plant Cell Walls //Plant Physiol. 1999. - Vol.119. - P. 199-204

163. Komalavilas P., Mort A.J. The acetylation at 0-3 of galacturonic acid in the rhamnose-rich region of pectins // Carbohydr Res. 1989. - Vol.189. - P.261-272

164. Lamport D. T. A., Northcote D. H. Hydroxyproline in primary cell walls of higher plants// Nature (Lond.). 1960. - Vol.188. - P.665-666

165. Lamport D.T.A. 1967. Structure, biosynthesis and significance of cell wall glycoproteins. In Loewus F.A. and Runeckies V.C. eds. Rec.Adv.Phytochem. 11, 79-115

166. Lamport D.T.A. The isolation and partial characterization of hydroxyproline-rich glycopeptides obtained by enzymic degradation of primary cell walls// Biochemistry. 1969. -Vol.8. - Num.3. - P. 1155-1163.

167. Lapierre C., Pollet В., Negrel J. The phenolic domain of potato suberin: structural comparison with lignins // Phytochemistry. -1996. Vol.42. - Num.4. -P.949-955

168. Leach J.E., Cantrell M.A., Sequeira L. A hydroxyprolinerich bacterial agglutinin from potato: Extraction, purification, and characterization // Plant Physiol. 1982. - Vol.70. - P. 1353-1358

169. Lei M., Wu R. A novel glycine-rich cell wall protein gene in rice // Plant Mol. Biol. 1991. - Vol.16. -P.187-198

170. Lerouge P., O'Neill M.A., Darvill A.G., Albersheim P. Structural characterization of endo-glycanase-generated oligoglycosyl side chains of rhamnogalacturonan I // Carbohydr. Res. 1993. - Vol.243. - P.359-371

171. Levigne S.V., Ralet M.-C.J., Quemener B.C., Pollet B.N.-L., Lapierre C., Thibault J-F. Isolation from sugar beet cell walls of arabinan oligosaccharides esterified by two ferulic acid monomers // Plant Physiol. 2004. - Vol.134. -P.1173 -1180

172. Li S-X, Showalter A.M. Immunolo-calization of extensin and potato tuber lectin in carrot tomato and potato // Physiol. Plant. 1996. - Vol.97. - P.708-18

173. Li X.B., Kieliszewski M., Lamport D.T.A. A chenopod extensin lacks repetitive tetrahydroxyproline blocks // Plant Physiol. 1990. - V.92. - P.327-333

174. Linthorst H.J.M., van Loon L.C., Memelink J., BOI J.F. Characterization of cDNA clones for a virus-inducible, glycine-rich protein from petunia // Plant Mol.

175. Biol. 1990. - Vol.15. - P.521-523

176. Luttge U. (1983) In: Inorganic Plant Nutrition. Encyclopedia of Plant Physiology. New Series, Springier-Verlag., Vol. 15, A., pp. 181-211.

177. Marshner Y. Mineral Nutrition of Higher Plants. London etc.: Academic Press, 1995. 889p.

178. Mathew S., Abraham Т.Е. Ferulic acid: an antioxidant found naturally in plant cell walls and feruloyl esterases involved in its release and their applications // Crit Rev Biotechnol. 2004. - Vol.24. - Num.2-3. - P.59-83

179. Matoh Т., Kobayashi M. Boron and calcium, essential inorganic constituents of pectic polysaccharides in higher plant cell walls // J Plant Res. 1998. - Vol.111. -P. 179-190

180. Matoh Т., Kawaguchi S., Kobayashi M. Ubiquity of a Borate-Rhamnogalacturonan II Complex in the Cell Walls of Higher Plants // Plant Cell Physiol. -1996. V.37. - Num.5. - P.636-640

181. Matsuhashi S., Nishikawa N., Negishi Т., Hatanaka C. Enzymic-HPLC determination of the amount and distribution of the galacturonan region in pectate molecules //J. Liquid Chromatogr.- 1993.-Vol.16.-P.3203-3215

182. Matsui M., Toyosawa I., Fukuda M. Purification and characterization of a glycine-rich protein from the aleurone layer of soybean seeds // Biosci Biotechnol Biochem. 1995. - Vol.59. - P.2231-2234

183. McCann M.C., Shi J., Roberts K., Carpita N.C. Changes in pectin structure and localization during the growth of unadapted and NaCl-adapted tobacco cells // Plant Journal. 1994. - Vol.5. - P.773-785

184. McCann M.C., Roberts K., Changes in cell wall architecture during cell elongation // J. Exp. Bot. 1994. - V.45. - P.1683-1691

185. McDougall G-J., Stewart D., Morrison I.M. Tyrosine residues enhance cross-linking of synthetic proteins into lignin-like dehydrogenation products// Phytochemistry. 1996. - Vol.41. - P.43-47

186. Mellon J.E., Helgeson J.P. Interaction of a hydroxyprolinerich glycoprotein from tobacco callus with potential pathogens // Plant Physiol. -1982. -Vol.70. -P.401-405

187. Meychik N.R., Nikolaeva J.I., Yermakov I.P. Ion exchange properties of theroot cell walls isolated from the halophyte plants (Suaeda altissima L.) grown under conditions of different salinity // Plant Soil. -2005. Vol.277. - P.163-174

188. Meychik N.R., Yermakov I.P. A new approach to the investigation on the ionogenic groups of root cell walls // Plant Soil. 1999. - V. 217. - P.257-264

189. Meychik N.R., Yermakov I.P. Ion exchange properties of plant root cell walls // Plant Soil. 2001. - Vol. 234. - P. 181-193

190. Moire L., Schmutz A., Buchala A., Yan В., Stark R. E., Ryser U. Glycerol Is a Suberin Monomer. New Experimental Evidence for an Old Hypothesis // Plant Physiology. 1999. - Vol.l 19. - P. 1137-1146

191. Morvan C., Demarty M., Thellier M. Titration of isolated cell walls of Lemna minor L. И Plant Physiol. 1979. - V.63. - P.l 117-1122

192. Mundy, J. Chua, N.-H. Abscisic acid and water-stress induce the expression of a novel rice gene // EM60 J. 1988. - Vol.7. - P.2279-2286

193. Nagai R., Kishimoto U. Cell wall potential in Nitella/I Plant Cell Physiol. -1964.-Vol. 5.-P.21-31

194. Needs P.W., Rigby N.M., Colquhoun I.J., Ring S.G. Conflicting evidence for non-methyl galacturonosyl esters in Daucus carota // Phytochemistry. 1998. -Vol.48.-P.71-77

195. Niu X., Bressan R.A., Hasegawa P.M., Pardo J.M. Ion homeostasis in NaCl stress environments // Plant Physiol. 1995. - Vol. 109. - P.735-742.

196. Niu X., Narasimhan M.L., Salzman R.A. et al. NaCl regulation of plasma membrane H+-ATPase gene expression in a glycophyte and a halophyte // J. Plant Physiol. 1993. - Vol. 103. - P.713-718.

197. Norman P.M., Kjellbom P., Bradley D.J., Hahn M.G., and Lamb C. J.1.munoaffinity purification and biochemical characterization of plasma membrane arabino-galactan-rich glycoproteins of Nicotiana glutinosa // Planta. 1990. -Vol.181.-P.365-373

198. О'Shea P., Walters J., Ridge I., Wainright M., Trinci APJ. Zeta potential measurements of cell wall preparations from Regnellidium diphyllum and Nymphoidespeltatall Plant Cell Environ. 1990. - Vol. 13 - P. 447-454

199. O'Neill M.A., Albersheim P., Darvill, A. 1990."The pectic polysaccharides of primary cell walls." Methods in Plant Biochemistry London: Academic Press, Vol.2 pp.415-441.

200. Parker C.C., Parker M.L., Smith A.C., Waldron K.W. Thermal stability of texture in Chinese water chestnut may be dependent on 8,8-diferulic acid (aryltetralyn form) // J. Agric. Food Chem. 2003. - Vol.51. - P.2034-2039

201. Parvez M.M., Wakabayashi K., Hoson Т., Kamisaka S. White light promotes the formation of diferulic acid in maize coleoptile cell walls by enhancing PAL activity// Physiol. Plant. 1997. - Vol.99. - P. 39-48

202. Pennell R.I., Knox J.P., Scofield G.N., Selvendran R.R., Roberts K. A family of abundant plasma membrane associated glycoproteins related to the arabinogalactan proteins-is unique to flowering plants // J. Cell Biol. 1989. -Vol.108.-P.1967-1977

203. Perrone P., Hewage C.M., Sadler I.H., Fry S.C. N alpha- and N epsilon-d-galacturonoyl-L-lysine amides: Properties and possible occurrence in plant cellwalls // Phytochemistry. 1998. - Vol.49. - P. 1879-1890

204. Peterson C.A., Enstone D.E. Functions of passage cells in the endodermis and exodermis of roots // Physiologia Plantarum. -1996. V.97. - P.592-598

205. Peterson C.A., Enstone D.E., Taylor J.H. Pine root structure and its potential significance for root function // Plant and Soil. 1999. - Vol.217. - P.205-213

206. Peterson C.A., Murrmann M., Steudle, E. Location of the major barriers to water and ion movement in young roots of Zea mays L. // Planta. 1993. - Vol.190. -P. 127-136

207. Pilling J., Willmitzer L., Fisahn J. Expression of a Petunia injlata pectin methylesterase in Solanum tuberosum L. enhances stem elongation and modifies cation distribution // Planta. 2000. - Vol.210. - P.391-399

208. Quideau S., Ralph J. Lignin ferulate cross-links in grasses. Part 4. Incorporation of 5-5-coupled diferulate into lignin // J. Chem. Soc. Perkin Trans. -1997.-Vol.1.-2351-2358

209. Quigley F., Vllllot M.-L., Mache, R. Nucleotide sequence and expression of a novel glycine-rich protein gene from Arabidopsis thaliana // Plant Mol. Biol. -1991.-Vol.17.-P.949-952

210. Raju R.A., Varma S.C. Cation exchange capacity of barley roots as affected by soil fertilization // J.Indian Soc.Soil Sci. 1987. - Vol.35. - P. 135-137

211. Ralph J., Quideau S., Grabber J.H., Hatfield R.D. Identification and synthesis of new ferulic acid dehydrodimers present in grass cell walls // J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1994. - Vol.1. - P.3485-3498

212. Ralph J., Grabber J.H., Hatfield R.D. Lignin.ferulate crosslinks in grasses: active incorporation of ferulate polysaccharide esters into ryegrass lignins // Carbohydr Res. 1995. - V.275. - P.167-178

213. Ralph J., Bunzel M., Marita J.M., Hatfield R. D., Lu F., Kim H., Schatz P. F., Grabber J. H., Steinhart H. Peroxidase-dependent cross-linking reactions of p-hydroxycinnamates in plant cell walls // Phytochemistry Reviews. 2004. - Vol.3.1. Р.79-96

214. Ram L.C. Cation exchange capacity of plant roots in relation to nutrients uptake by shoot and grain as influenced by age // Plant and Soil. -1980. Vol.55. -P.215-224

215. Renard С. M. G. C., Crepeau M.J., Thibault J.F. Glucuronic acid directly linked to galacturonic acid in the rhamnogalacturonan backbone of beet pectins // European Journal of Biochemistry. 1999. - Vol.266. - P.566

216. Rengel Z., Robinson D.L. Determination of cation exchange capacity of ryegrass roots by summing exchangeable cations/ZPlant and Soil. -1989. Vol.116 -P.217-222

217. Richter C., Dainty J. Ion behavior in plant cell walls. I. Characterization of the Sphagnum russowii cell wall ion exchanger I I Can. J. Bot. 1989a. -Vol. 67. - P. 451-459

218. Richter C., Dainty J. Ion behavior in plant cell walls. III. Measurement of the men charge separation distance and linear chage density parameter in delignified Sphagnum russowii cell walls // Can. J. Bot. 1990a. -Vol. 68. - P. 768-772

219. Richter C., Dainty J. Ion behavior in plant cell walls. VI. Selective cation binding by Sphagnum russowii cell walls // Can. J. Bot. 1990b. - Vol. 68. - P. 773-781

220. Ridley B.L., O'Neill M.A., Mohnen D. Pectins: structure, biosynthesis and oligogalaturonide-related signaling // Phytochemistry. 2001. - Vol.57. - P.929-967

221. Rihouey C., Morvan C., Borissova I., Jauneau A., Demarty M., Jarvis M. Structural features of CDTA-soluble pectins from flax hypocotyls // Carbohydrate Polymers. 1995. - Vol.28. -N. 2. - P. 159-166

222. Ringli C., Hauf G., Keller B. Hydrophobic Interactions of the Structural Protein GRP1.8 in the Cell Wall of Protoxylem Elements // Plant Physiology. -2001.-Vol. 125.-P. 673-682

223. Ritchie R.J., Larkum A.W.D. Cation exchange properties of the cell walls of Enteromorpha intestinalis L. Link. (Ulvales, Chlorophyta) // J. Exp. Bot. 1982. -Vol.132.-P.125-139

224. Robinson S.P., Dountov S.D. Potassium, sodium and chloride concentrations in leaves and isolated chloroplasts of the halophyte Suaeda australius R. // Austral.J.Plant Physiol. 1985. - Vol.12. - P.471-479

225. Rohde W., Rosch K., Krliger K., Salamini F. Nucleotide sequence of a Hordeum vulgare gene encoding a glycine-rich protein with homology to vertebrate cytokeratins // Plant Mo. Biol. 1990. - Vol.14. - P. 1057-1059

226. Ryser U., Keller B. Ultrastructural localization of a bean glycine-rich protein in unlignified primary walls of protoxylem cells // Plant Cell. 1992. - Vol.4. -P.773-783

227. Ryser U., Schorderet M., Zhao G.F, Studer D., Ruel K., Hauf G., Keller B. Structural cell-wall proteins in protoxylem development: evidence for a repair process mediated by a glycine-rich protein // Plant J. 1997. - Vol.12. - P.97-111

228. Saftner R.A, Raschke K. Electrical potentials in stomatal complexes/ZPlant Physiol. 1981. - Vol. 67. - P. 1124-1132

229. Sakurai N., Nevins D.J. Changes in physical properties and cell wall polysaccharides of tomato (Lycopersicon esculentum) pericarp tissues // Physiologia Plantarum. 1993. - Vol. 89. - P.681-686

230. Sakurai N, Nevins DJ. Relationship between fruit softening and wall polysaccharides in Avocado (Persea americana Mill) mesocarb tissues // Plant Cell Physiology. 1997. - Vol.38. - P.603-610

231. Sakurai N. Dynamic function and regulation of apoplast in the plant body // Journal of Plant Research. 1998. - Vol.111. - P. 133-148

232. Sattelmacher B. The apoplast and its significance for plant mineral nutrition // New Phytologist. 2001. - V. 149. - P. 167-192

233. Saulnier L., Thibault J.-F. Ferulic acid and diferulic acids as components of sugar-beet pectins and maize bran heteroxylans//J. Sci. Food Agric. 1999. -Vol.79. - Num. 3. - P. 396-402

234. Schindler Т. M., Bergfeld R., Schopfer P. Arabinogalactan proteins in maize coleoptiles: developmental relationship to cell death during xylem differentiationbut not to extension growth // Plant J. 1995. - Vol. 7. - P. 25-36

235. Schmutz A., Buchala A.J., and Ryser U. Changing the dimensions of suberin lamellae of green cotton fibers with a specific inhibitor of endoplasmic reticulum-associated fatty acid elongases // Plant Physiol. 1996. - Vol.110. - P.403-411

236. Schols H.A., Bakx E.J., Schipper D., Voragen, A.G.J. A xylogalacturonan subunit present in the modified hairy regions of pectins // Carbohydr. Res. 1995. -Vol.279.-P.265-279

237. Schopfer P. Hydrogen peroxide-mediated cell-wall stiffening in vitro in maize coleoptiles // Planta. 1996. - Vol. 199. - P. 43-49

238. Schopfer P., Lapierre C., Nolte T. Light-controlled growth of the maize seedling mesocotyls: mechanical cell-wall changes in the elongation zone and related changes in lignification // Physiol. Plant. 2001. - Vol. 111. - P. 83-92

239. Selvendran R.R. Developments in the chemistry and biochemistry of pectic and hemicellulosic polymers // J. Cell Sci. (Suppl.). 1985. - Vol.2. - 51-88

240. Sentenac H. and Grignon C. Model for predicting ionic equilibrium concentrations in cell walls// Plant Physiol. 1981. - Vol.68 -P.415-419

241. Shomer I., Novacky A.J., Pike S. M., Yermiyahu U. and Kinraide Т. B. Electrical Potentials of Plant Cell Walls in Response to the Ionic Environment// Plant Physiology. 2003. - Vol. 133. - P. 411-422

242. Showalter A. Structure and function of plant cell wall proteins // Plant Cell. -1993.- Vol.5. -P.9-23

243. Showalter A.M., Varner J.E. 1989. Plant hydroxyproline-rich glycoproteins. In The Biochemistry of Plants, Vol. 15, P.K. Stumpf and E.E. Conn, eds (New York: Academic Press), pp. 485-520.

244. Showalter A.M., Zhou J., Rumeau D., Worst S.G., Varner J.E. Tomato extensin and extensin-like cDNAs: Structure and expression in response to wounding // Plant MOI. Biol. 1991. - Vol.16. - P.547-565

245. Siddiqui S, Brackmann A, Streif J, Bangerth F. Controlled atmosphere storage of apples: cell wall composition and fruit softening // Journal of Horticultural Science. 1996. - Vol.71. - P.613-620

246. Singla R., Garg N. Influence of salinity on growth and yield attributes in chickpea cultivars // Turk.J.Agric.For. -2005. Vol.29. - P.231

247. Smith J.J., Muldoon E.P., Lamport D.T.A. Isolation of extensin precursors by direct elution of intact tomato cell suspension cultures // Phytochemistry. 1984. -Vol.23.-P.1233-1239

248. Smith J.J., Muldoon E.P., Willard J.J., Lamport D.T.A. Tomato extensin precursors PI and P2 are highly periodic structures // Phytochemistry. 1986. -Vol.25. -P.1021-1030

249. Sommer-Knudsen J., Bacic A., Clarke A.E. Hydroxyproline-rich plant glycoproteins // Phytochemistry. 1998. - Vol.47. - P.483^97

250. Srivastava A.K., Srivastava O.P. Cation-exchange capacity of roots in relation to response of fertilizer nutrients in salt-affected soil // Indian Journal of Agricultural Sciences. 1992. - Vol.62. - P.200-204

251. Stafstrom J.P., Staehelin L.A. Cross-linking patterns in salt-extractable extensin from carrot cell walls // Plant Physiol. 1986. - Vol.81. - P.234-241

252. Starrach N., Flach D., Mayer W.E. Activity of fixed negative charges of isolated extensor cell walls of the laminar pulvinus of primary leaves of Phaseolus II J. Plant Physiol. 1985. - V. 120. - P.441^155

253. Steele N.M., McCann M.C., Roberts K. Pectin modification in cell walls of ripening tomatoes occurring in distinct domains // Plant Physiology. 1997. -Vol.l 14.-P.373-381

254. Steudle E., Peterson C.A. How does water get through roots? // J. Exp. Bot. -1998.-V. 49. P.775-788

255. Steudle, E. (1992) In: Somero, G.N., Osmond, C.B., Boils, C.L., eds, Water and Life: Comparative Analysis of water relationships at the organismic, cellular and molecular levels. Springer-Verlag, Heidelberg, pp. 173-204

256. Stobiecki M.i, Busko M„ Marczak L., Bednarek P.,. Pislewska M and Wojtaszek P. The complexity of oxidative cross-linking of phenylpropanoids — evidence from an in vitro model system // Functional Plant Biology. 2002. -Vol.29. - Num.7. - P.853-864

257. Stuart D.A., Varner J.E. Purification and characterization of a salt-extractable hydroxyproline-rich glycoprotein from aerated carrot discs // Plant Physiol. 1980.- Vol.66.-P.787-792

258. Sturm A. A wound-inducible glycine-rich protein from Daucus carota with homology to single-stranded nucleic acid-binding proteins // Plant Physiol. 1992. -Vol.99.-P. 1689-1692

259. Talbot L.D., Ray P.M. Molecular size and separability features of pea cell wall polysaccharides // Plant Physiol. 1992. - Vol.98. - P.357-368

260. Tester M., Davenport R. Na+ tolerance and Na transport in higher plants // Annals of Botany. -2003. Vol.91. - P.503-527

261. Thompson E.W, Preston R.D. Proteins in the cell wall of some green algae // Nature. 1967. - Vol.213. - P.684-85

262. Thompson J.E., Fry S.C. Evidence for covalent linkage between xyloglucan and acidic pectins in suspension-cultured rose cells // Planta. 2000. - Vol.211. -P.275-286

263. Thornton В., Macklon A.E. Copper uptake by ryegrass seedlings: contribution of cell wall adsorption // J. Exp. Bot. 1989. - Vol.40. - P.l 105-1111

264. Van Hoist G.J., Varner, J.E. Reinforced polyproline II conformation in a hydroxyproline-rich cell wall glycoprotein from carrot root // Plant Physiol. 1984.- Vol.74.-P.247-251

265. Varner J.E., Cassab G.I. A new protein in petunia // Nature. 1986. -Vol.323.-P.l 10

266. Verma T.S., Sharma P.D., Tripathi B. Relationship between cation-exchangecapacity of root and plant growth, yield and nutrient uptake by rice (Oryza sativa) // Indian Journal of Agricultural Sciences. 1989. - Vol.59. - P.295-299

267. Vietor R. J., Newman R. H., Ha M.-A., Apperley D. C., Jarvis M. C. Conformational features of crystal-surface cellulose from higher plants// Plant J. -2002.-Vol.30.-P. 721-731

268. Vogt, E., Schonherr, J., and Schmidt, H.W. Water permeability of periderm membranes isolated enzymatically from potato tubers (Solatium tuberosum L.) // Planta. 1983. - Vol.158.-P.294-301

269. Wakabayashi K, Hoson T, Kamisaka S. Osmotic stress suppresses cell wall stiffening and the increase in cell wall-bound ferulic and diferulic acids in wheat coleoptiles // Plant Physiol. 1997. - Vol.113. - P.967-973

270. Waldron K.R., Selvendran R.R. Cell-wall changes in immature asparagus stem tissue after excision // Phytochemistry. 1992. - Vol.31. - P. 1931-1940

271. Wallace G., Fry S. C. Phenolic components of the plant cell wall // Int. Rev. Cyt.- 1994.-Vol. 151.-P. 229-267

272. Wende G., Waldron K. W„ Smith A. C., Brett С. T. Developmental changes in cell-wall ferulate and dehydrodiferulates in sugar beet // Phytochemistry. 1999. -Vol. 52.-P. 819-827

273. Wende G., Waldron K. W„ Smith A. C., Brett С. T. Tissue-specific developmental changes in cell-wall ferulate and dehydrodiferulates in sugar beet // Phylochemistry. 2000. - Vol. 55. - P. 103-110

274. Whitcombe A.J., O'Neill M.A., StefTan W., Darvill A.G., Albersheim P. Structural characterization of the pectic polysaccharide rhamnogalacturonan II // Carbohydr. Res. 1995. - Vol.271. - P.15-29

275. Whitmore F. W. Lignin formation in wheat coleoptile cell walls. A possible limitation of cell growth // Plant Physiol. 1971. - Vol. 48. - P. 596-602

276. Willats W. G.T., McCartney L., Mackie W., J. Knox P. Pectin: cell biology and prospects for functional analysis // Plant Molecular Biology. 2001. - Vol.47. -P.9-27

277. Willats W.G.T., Steele-King C.G., Marcus S.E., Knox J.P. Side chains of pectic polysacchriades are regulated in relation to cell proliferation and cell differentiation // The Plant J. 2000. - Vol.20. - Num.6. - P.619-628

278. Yan F., Feuerle R., Schaffer S. et al. Adaptation of active proton pumping and plasmalemma ATPase activity of corn roots to low root medium pH // J. Plant Physiol.- 1998.-V. 117.-P.311-319

279. Ye Z-H., Song Y-R., Marcus A., Varner JE. Comparative localization of three classes of cell wall proteins // Plant J. 1991. - Vol. 1. - P. 175-83

280. Ye Z.-H., Varner J.E. Tissue-specific expression of cell wall proteins in developing soybean tissues // Plant Cell. 1991. - Vol.3. - P.23-37

281. Zeier J., Schreiber L. Comparative investigation of primary and tertiary endodermal cell walls isolated from the roots of five monocotyledoneous species: chemical composition in relation to fine structure// Planta. 1998. - Vol.206. -P.349-361

282. Zimmermann H. M. Hartmann K., Schreiber L., Steudle E. Chemical composition of apoplastic transport barriers in relation to radial hydraulic conductivity of corn roots (Zea mays L.) // Planta. 2000. - Vol.210. - P.302-311

Информация о работе

Мейчик, Наталия Робертовна
доктора биологических наук
Москва, 2007
ВАК 03.00.12

Диссертация

Ионный обмен и диффузия в клеточных стенках растений - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы