Накопление, распределение и действие никеля на растения-гипераккумуляторы и исключатели из рода Alyssum

Бакланов, Илья Андреевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Накопление, распределение и действие никеля на растения-гипераккумуляторы и исключатели из рода Alyssum
ВАК РФ 03.01.05, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Накопление, распределение и действие никеля на растения-гипераккумуляторы и исключатели из рода Alyssum"

На правах рукописи

48001^9

БАКЛАНОВ Илья Андреевич

Накопление, распределение и действие никеля на растения-гипераккумуляторы и исключатели из рода Alyssum

03.01.05 - физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук _ 3 2[)11

Москва-2011

4858729

Работа выполнена в лаборатории физиологии корня Учреждения Российской академии наук Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, г. Москва.

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор

Иванов Виктор Борисович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук кандидат биологических наук, доцент

Носов Александр Владимирович Пилыцикова Наталия Владимировна

Ведущая организация: Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова

Защита состоится «15» ноября 2011 г. в 11 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 002.210.01 при Учреждении Российской академии наук Институте физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН по адресу: 127276, Москва, ул. Ботаническая, 35.

Факс: (495) 977 8018, электронная почта: m-azarkovich@ippras.ru; ifr@ippras.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН.

Автореферат разослан «Ъ » октября 2011 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

кандидат биологических наук

М.И. Азаркович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. В настоящее время одним из актуальных вопросов экофизиологии растений является изучение действия тяжелых металлов и устойчивости к ним. Действие никеля (Ni) на растения до сих пор остается мало изученным. Ионы тяжелых металлов, поступая в растительный организм, способны связываться с различными функциональными группами биоорганических молекул. По сравнению с наиболее изученными тяжелыми металлами - цинком, кадмием и свинцом, которые образуют связь преимущественно с сульфгидрильными группами, Ni способен связываться с имидазольной группой гистидина. Вследствие этого для Ni характерна специфика подавляемых в клетке реакций по сравнению с другими тяжелыми металлами, но, несомненно, есть и общие закономерности их токсического действия. Поэтому изучение действия Ni весьма актуально как для понимания общих закономерностей реакции растений на тяжелые металлы, так и для установления особенностей накопления, распределения Ni и его действия на растения.

Разные виды растений отличаются по устойчивости к тяжелым металлам и способности к их накоплению. Baker предложил классификацию, по которой разделил растения на две основные группы: исключатели, накапливающие тяжелые металлы преимущественно в подземной части и ограничивающие их поступление в побег, и аккумуляторы, способные накапливать тяжелые металлы в значительных количествах в надземных органах (Baker et al., 1981). Небольшую группу среди аккумуляторов составляют растения-гипераккумуляторы, накапливающие в побеге, в случае Ni, более 1000 мкг/г сухой массы.

организменном, тканевом и клеточном. Такие исследования проводились ранее (Krämer U. et al., 2000; Küpper H. et al., 2001; Серегин, Кожевникова, 2008; Richau et al., 2009; Серегин, 2010), но пока еще на малом числе объектов и настоящая работа является продолжением исследований в этом направлении. В ней впервые было проведён комплексный сравнительный анализ некоторых аспектов физиологии гипераккумуляторов и исключателей из роцъ Alyssum.

Цели н задачи исследования. Целью диссертационной работы являлся сравнительный анализ действия Ni на рост, его передвижения, распределения и накопления в растениях-гипераккумуляторах и исключателях из рода Alyssum. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить действие Ni на рост растений-гипераккумуляторов и исключателей из рода Alyssum.

2. Установить закономерности накопления и тканевого распределения Ni в этих растениях.

3. Исследовать ультраструктуру клеток корней сравниваемых видов растений в связи с особенностями ближнего транспорта Ni.

4. Сопоставить эффективность загрузки Ni в ксилему и поток воды по ксилеме в побег у сравниваемых видов.

Научная новизна. В работе впервые дан сравнительный анализ физиологических особенностей растений-гипераккумуляторов и исключателей из рода Alyssum. Дача количественная оценка токсичности Ni по степени развития некрозов на листьях и замедлению роста растений. Сопоставлено действие Ni на скорость роста и накопление сухой массы, определено накопление Ni в разных органах и рассчитана интенсивность накопления Ni, эффективность поглощения Ni корнями и его транслокация в побег у разных видов. Показано, что тканевое распределение Ni у различных видов растений из рода Alyssum, контрастных по устойчивости к действию Ni (гипераккумуляторы и исключатели), существенно различается. Установлены существенные различия в ультраструктуре корней сравниваемых видов. Обнаружены четкие различия между исключателями и

гипераккумуляторами по интенсивности транспирации и концентрации Ni в пасоке, что позволило объяснить возможные причины различий между сравниваемыми видами по скорости транслокации Ni в побег.

Теоретическая и практическая значимость. Полученные результаты вносят существенный вклад в экологическую физиологию растений и экологическую ботанику. Выявленные особенности физиологии гипераккумуляторов рекомендуется учитывать при разработке методов очистки загрязненных территорий с помощью растений (фиторемедиации). Полученные данные можно использовать в курсах лекций по физиологии растений.

Апробация работы. Материалы данной работы представлены на XVI, XVII и XVIII Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов" (Москва, 2009-2011), на Международной научной конференции "Физико-химические механизмы адаптации растений к антропогенному загрязнению в условиях Крайнего Севера" (Апатиты, 2009), на Всероссийском симпозиуме "Растение и стресс" (Москва, 2010), на XV Международной Путинской школе-конференции молодых ученых "БИОЛОГИЯ - НАУКА XXI ВЕКА" (Пущино, 2011), а также на конференциях молодых ученых ИФР РАН (Москва, 2009, 2010) и семинарах лаборатории физиологии корня ИФР РАН (Москва, 2008-2011).

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 163 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследований, результатов и обсуждения, заключения, выводов и приложения. Работа содержит 41 таблицу и 42 рисунка. Список литературы включает 158 источников, из них 137 иностранных авторов.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Выращнвание растений. Семена гипераккумуляторов Alyssuin lesbiacum (Candargy) Rech.f., A. obovatum (C.A. Mey.) Turcz. и исключателей A. saxatile L. ssp. saxatile, A. saxatile L. ssp. orientale (Ard.) Rech, проращивали в вермикулите, смоченном водой. Недельные проростки пересаживали в вегетационные пластиковые

сосуды объемом 1 литр (по 4 проростка в один сосуд) на 'А питательного раствора Хогланда. Растения выращивали в течение одного месяца, после чего переносили их на раствор Хогланда с добавлением Ni(N03)2-6H20 (10, 30, 50, 75, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 1000 мкМ для гипераккумуляторов и 3, 5, 10, 20, 30, 40, 50 мкМ для исключателей) и выращивали в течение ещё одного месяца. Питательный раствор сменяли еженедельно. Контролем служили растения, выращенные без добавления Ni(N03)2-6H20. Проращивание семян и выращивание растений осуществляли в факторостатной камере Lab-Line Biotronette Mark II Plant Growth Chamber (Barnstead, США) при 16-часовом световом дне, 23/18'С дневной/ночной температуре, относительной влажности воздуха ~75%.

Измерение морфометрических показателей. Измеряли длину главного побега (от основания до апекса главного побега) и длину самого длинного корня (от корневой шейки до кончика самого длинного корня), а также подсчитывали число листьев у контрольных и опытных растений. После этого отделяли друг от друга листья, стебли и корпи растений, взвешивали, высушивали их в термошкафу при 60'С в течение суток и определяли их сухую массу. Измерения проводили не менее чем на 8 растениях на вариант в двух независимых экспериментах.

Оценка развития и состояния листьев. От растений отделяли листья, раскладывали на стекле сканера CanoScan LiDE 70 (Canon, Япония) и осуществляли их сканирование. Полученные изображения листьев анализировали с помощью программ Adobe Photoshop 7.0 и ImageJ 1.41о и измеряли площадь здоровых и покрытых хлорозами и некрозами участков листьев, а также общую площадь листовой поверхности.

Количественное определение Ni. Подготовку проб растительного материала осуществляли по модифицированной методике (Shaumlöffel, I960). Корни, стебли и листья контрольных и опытных растений высушивали до воздушно-сухого веса и озоляли в смеси кислот (1,5 мл 65% HN03, 0,8 мл 65% НСЮ4, 0,2 мл концентрированной H2S04). Измерение концентрации Ni проводили на пламенном атомно-абсорбционном спектрофотометре Hitachi 207 (Hitachi, Япония), не менее чем

в 8 пробах на вариант в двух независимых экспериментах.

Гистохимический анализ распределения Ni проводили с помощью диметилглиоксимной методики (Серегин и др., 2003). Стальным лезвием от руки приготавливали тонкие срезы апикального, среднего и базалыюго участков корней, стеблей и листьев контрольных и опытных растений, выращенных при 30 (гипераккумуляторы и исключатели) и 300 (гипераккумуляторы) мкМ Ni(N03)2-6H20. Срезы обрабатывали раствором диметилглиоксима (1%-ный раствор диметилглиоксима в 1,5%-ном растворе NaOH, содержащий 0,05 М Na2B407-10H20, pH 9,8-10,4), приготавливали временные препараты и просматривали на световом микроскопе СХ 41 (Olympus, Япония). О присутствии Ni судили по малиново-красному окрашиванию его комплексов с диметилглиоксимом, концентрацию ионов в клетках тканей оценивали полу количественно по интенсивности окрашивания. Анализ распределения Ni для каждого варианта проводили не менее чем на 4 растениях в двух независимых экспериментах.

Электроино-мнкроскопические исследования. Отбирали 10-12 небольших фрагментов (по 3-5 мм) апикальных и средних участков корней растений A. lesbiaciim и A. saxatile L. ssp. saxatile, выращенных при 30 мкМ Ni(N03)2-6H20 (опыт) и в его отсутствие (контроль). Фрагменты корней фиксировали глутаральдегидом и 0s04 по стандартной методике, обезвоживали путем проводки через спирты возрастающей концентрации и ацетон и заливали в смесь эпоксидных смол на основе эпон 812. Полутонкие и ультратонкие срезы получали на ультратоме ОМ U3 (Reichert, Австрия). Срезы переносили на медные сетки с подложкой, контрастировали уранилацетатом и цитратом свинца по Рейнольдсу и просматривали на трансмиссионном электронном микроскопе Libra 120 (Carl Zeiss, Германия).

Сбор пасоки и определение содержания Ni в ней. 1-месячные растения Alyssum spp. пересаживали в вегетационные сосуды на 'Л питательного раствора Хогланда с добавлением 30 мкМ Ni(N03)2-6H20. Контролем служили растения, пересаженные на питательный раствор без добавления Ni(N03)2-6H20. Через 4 часа после пересадки у каждого растения удаляли побег и на корневую шейку надевали

мягкую силиконовую трубку, соединенную с микропробиркой. Сосуды с растениями оставляли в темноте на одни сутки. Аликвоты полученной пасоки разбавляли бидистиллированной водой. Измерение концентрации Ni в пасоке проводили на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой SA-2000 (LECO, США), не менее чем в 8 пробах на вариант в двух независимых экспериментах.

Измерение интенсивности транспирации осуществляли весовым методом по стандартной методике (Сказкин и др., 1958). Массу испарившейся воды фиксировали каждые 5 минут. Интенсивность транспирации рассчитывали по формуле:

12 • m™

ттт =-21-

о , с ° тр Ж ~ ° Ц) ст

где

ИТ - интенсивность транспирации, г ! см2 • ч,

m ср - масса воды, испарившаяся за 5 минут, средняя по 3 повторностям, г, S тр л -транспирирукяцая (непокрытая некрозами) площадь листьев, см2, S тр ст -транспирирующая (непокрытая некрозами) площадь стеблей, см2.

Анализ накопления н распределения Ni в растениях A. obovatum, собранных в местах природного произрастания. В августе 2009 и 2010 гг. собирали растения, произрастающие на серпентиновых почвах на склонах долины ручьев Кердвомепшор и Нырдвоменшор горного массива Рай-Из (Полярный Урал, Ямало-Ненецкий автономный округ, Россия). Участки, на которых осуществляли сбор растений, представляли собой типичные экотопы на данной территории. На каждом участке было собрано не менее 10 одновозрастных растений, у которых физико-химическими и гистохимическим методами было определено накопление Ni в различных органах и его тканевое распределение.

Статистическую обработку полученных данных проводили с помощью Пакета анализа программы Microsoft Office Excel 2007. Для каждой группы данных рассчитывали среднее, стандартную ошибку среднего. О достоверности различий результатов измерений в контрольных и опытных группах судили по результатам t-статистики по Стыоденту (двухвыборочный t-тест с различными дисперсиями).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Действие Ni на рост растений-гипераккумуляторов и исключателей.

Растения-гипераккумуляторы (выращенные в присутствии N¡(N03)2-6^0 и в его отсутствие) характеризовались развитием более компактного побега, по сравнению с исключателями. Разные виды гипераккумуляторов заметно различались по скорости роста (рис.1,а). Для обоих видов максимальная сырая масса наблюдалась при повышении концентрации Ni в среде, но при разных концентрациях (30 и 300 мкМ для A. lesbiacum и A. obovatum, соответственно). При дальнейшем повышении концентрации Ni (700 и 1000 мкМ) в среде рост растений тормозился и сырая масса уменьшалась.

У исключателей достоверного увеличения сырой массы с увеличением концентрации Ni не отмечалось. Напротив, у них наблюдалось торможение роста и снижение сырой массы растений при гораздо более низких концентрациях №(Ж)з)2'6Н20. чему гипераккумуляторов (рис. 1,6).

О A. saxatile L. ssp. saxatile □ A. saxatile L. ssp. orientale

цМ 30 (iM 50 цМ

Рис. 1. Сырая масса листьев гипераккумуляторов A. lesbiacum и A. obovatum (а) и исключателей A. saxatile ssp. saxatile и A. saxatile ssp. orientale (б), выращенных при различных концентрациях Ni(N03)2-6H20. Представлены средние значения и их стандартные ошибки для 8 растений из двух независимых экспериментов; данные для отдельных экспериментов статистически не отличались.

Линейные показатели (длина главного побега и длина наиболее длинного корня) были менее подвержены действию Ni. Увеличение длины главного побега наблюдалось лишь у A. lesbiacum при 10 мкМ Ni(N03)2É6H20, а при высоких

концентрациях Ni(N03)2-6H20 в питательном растворе (600-1000 мкМ) она снижалась у обоих гипераккумуляторов. У исключателя A. saxatile ssp. saxatile Ni не подавлял рост главного побега и самого длинного корня до концентрации 50 мкМ, тогда как у исключателя A. saxatile ssp. orientale наблюдалось уменьшение длины главного побега при 5-50 мкМ Ni(N03)2-6H20 и уменьшение длины самого длинного корня при 3 и 20-50 мкМ Ni(N03)2-6H20.

Как для гипераккумуляторов, так и для исключателей было установлено изменение площади листовой поверхности при действии Ni. У гипераккумуляторов, она возрастала с увеличением концентрации Ni в среде выращивания и лишь при высоких концентрациях (700 и 1000 мкМ) она снижалась и наблюдались хлорозы апексов главных побегов, а также по сравнению с контролем возрастала доля некрозов листьев (рис.2,а). У исключателей при значительно более низких концентрациях площадь листьев резко уменьшалась и при этом увеличивалась доля хлорозных и некрозных участков (рис.2,б), но некрозов апексов побегов не было.

40 -

I20"1

о = 10

A. lesbiacurn

Ni 30

N¡300

160 120

S 80

40 -

A- saxatile L. ssp. saxatile

Ni 30

N¡50

В норма и хлорозы КЗ некрозы

Рис. 2. Площадь поверхности листьев гипераккумулятора А. /е,уЫасит (а) и исключателя А. захаШе Ь. Бвр. ¡ахаШе (б), выращенных при различных концентрациях №(Ж)3)2-6Н20. Представлены средние значения и их стандартные ошибки для 8 растений из двух независимых экспериментов; данные для отдельных экспериментов статистически не отличались.

Накопление № в различных органах растений-гипераккумуляторов и исключателей. У растений, выращенных при 30 мкМ №(К03)2-6Н20, существенно различалось накопление № в различных органах. У гипераккумуляторов № накапливался преимущественно в побегах, а в корнях его было меньше. У

исключателей Ni накапливался в корнях и присутствовал в надземных органах в значительно меньших количествах.

Как разные гипераккумуляторы, так и разные исключатели отличались по способности накапливать Ni. В побеге A. lesbiacum Ni накапливалось больше по сравнению с A. obovatum, причем у A. lesbiacum Ni накапливался практически в одинаковых количествах как в листьях, так и в стеблях, а у A. obovatum отмечалось преимущественное накопление Ni в листьях. У исключателя A. saxatile L. ssp. saxatile Ni во всех органах накапливался в больших количествах по сравнению с A. saxatile L. ssp. orientale. Однако для обоих исключателей было характерно уменьшение концентрации Ni в ряду "корни - стебли - листья" (табл. 1). С увеличением концентрации Ni в среде выращивания гипераккумуляторов увеличивалось его накопление, однако характер накопления не изменялся: при всех концентрациях Ni в среде он преимущественно накапливался в побегах (табл. 2).

Таблица 1. Содержание Ni в различных органах Alyssum spp., выращенных при 30

мкМ Ni(N03)2, мкг/г сухой массы. Представлены средние и их станда ртные ошибки.

Органы растений A. lesbiacum A. obovatum A. saxatile L. ssp. saxatile A. saxatile L. ssp. orientale

листья 1217,2 ±70.5 668,8 ±93.9 315,6 ± 28,1 82,0 ± 13,6

стебли 1477,2 ±46,3 299,2 ± 54,8 454,4 ±73,5 181,6 ± 13,5

корни 646,5 ±22,1 243,7 ±43,4 950,0 ± 154,7 355,0 ± 11,0

Таблица 2. Содержание N5 в различных органах растений-гипераккумуляторов из рода А^яит, выращенных при 300 мкМ N¡(N03)2, мкг/г сухой массы. Представлены средние и их стандартные ошибки.__

Органы растений A. lesbiacum A. obovatum

листья 4242,1 ±691,9 2377,5 ±258,3

стебли 4835,6 ±690,8 1079,3 ± 162,4

корни 2556,2 ±701,9 1148.3 ±223.8

Распределение N1 по тканям растений-гипераккумуляторов и исключателей. Во всех исследованных видах было изучено распределение N1 по тканям и установлено, что оно принципиально различается у гипераккумуляторов и исключателей, а также по некоторым деталям различается у разных гипераккумуляторов. Распределение N1 в апикальной части корня существенно разли-

Рис. 3. Выявление Ni в тканях различных органов Alyssum spp., выращенных в присутствие 30 мкМ Ni(N03)2. Представлены давленые препараты апексов корней (а, б), срезы средней части корней (в, г, д, е), средней части стеблей (ж, з, и, к), листьев (л, м, н, п), препараты трихом (о, р) A. lesbiacum (а, в, ж, л, н, о), A. obovatum (г, з), А. saxatile ssp. saxatile (б, д, и, м, п, р), A. saxatile ssp. orientale (е, к). ВЭп - верхняя эпидерма, К - кора, Кс - ксилема, КЧ - корневой чехлик, M - мезофилл, НЭп -нижняя эпидерма, Р - ризодерма, Т - трихома, Ф - флоэма, Эп - эпидерма.

чалось у исключателей и гипераккумуляторов. При выращивании растений при 30 мкМ Ni(N03)2'6H20 в апикальной части корня у исключателей Ni не выявлялся в корневом чехлике, тогда как выше по корню четко выявлялся. В корнях гипераккумуляторов наблюдалась обратная картина: в чехлике Ni выявлялся, а выше по корню его было существенно меньше (рис. 3, а, б).

В средней части корня (от конца зоны растяжения до перехода корня к вторичному строению) как у гипераккумуляторов, так и у исключателей интенсивность окрашивания тканей была несколько выше, чем в апикальной части. В этой части корней гипераккумуляторов Ni накапливался в клетках внутреннего слоя коры (рис. 3, в, г). У исключателей Ni обнаружен практически во всех клетках внешнего слоя коры. В клетках внутреннего слоя коры он был обнаружен в корнях Alyssum saxatile ssp. saxatile (рис. 3, д)и не был обнаружен в A. saxatile ssp. orientale (рис. 3, е). Важно отметить, что, в отличие от исключателей, в этой части корней гипераккумуляторов Ni выявлялся в центральном цилиндре.

В более крупных клетках средней части корня можно было выявить особенности внутриклеточного распределения Ni, которые было трудно обнаружить в более мелких меристематических клетках. В коре корней гипераккумуляторов Ni был обнаружен в области ядер и лишь в некоторых случаях отмечалось интенсивное окрашивание протопластов клеток. В корнях исключателя Alyssum saxatile ssp. saxatile Ni выявлялся в протопласте и клеточных стенках ризодермы и коры, которые окрашивались в ряде случаев интенсивнее, чем протопласты.

В базальной части корня (от места перехода корня к вторичному строению до корневой шейки) Ni выявлялся в меньших количествах по сравнению с другими частями корня. В корнях гипераккумуляторов его было больше, чем у исключателей.

Таким образом, нами было показано, что тканевое распределение Ni в корнях растений-гипераккумуляторов и исключателей существенно различается. В корнях гипераккумуляторов Ni выявляется в небольших количествах, главным образом в чехлике и клетках внутреннего слоя коры и центрального цилиндра. В корнях исключателей он выявляется в большей степени во внешнем слое корня, а в чехлике

его концентрация была незначительна и N1 практически не выявлялся.

В апикальной части стебля гипераккумулятора А. квЫасит N1 был обнаружен практически во всех тканях, но его было больше в эпидерме и проводящих тканях. В базальной и средней частях стебля N1 сосредотачивался преимущественно в проводящих тканях и в клетках эпидермы (рис. 3, ж). У гипераккумулятора А. оЬоуаШт N1 выявлялся в тех же тканях, но его было существенно меньше (рис. 3, з). У исключателей № в стеблях не выявлялся (рис. 3, и, к).

Во всех листьях растений исключателей, как в контрольном варианте, так и при концентрации 30 мкМ №(ЪЮз)2-6Н20 (рис. 3, м, п, р), количество металла было ниже предела определения гистохимического метода. Лишь в единичных случаях N1 в малых количествах выявлялся в ксилеме центральной жилки базальных листьев. В отличие от исключателей, N1 выявлялся в листьях растений гипераккумуляторов.

У А, ¡ехЫасит, выращенного при 30 мкМ №(М03)2-6Н20, в листьях № выявлялся в проводящих тканях центральной жилки листа и в клетках верхней и нижней эпидермы данного участка листа (рис. 3, л). По краю листа № выявлялся в эпидерме, но не был обнаружен в проводящих тканях. В средней части листа интенсивность окрашивания тканей была меньше по сравнению с другими частями листа; N1 локализовался преимущественно в клетках эпидермы (причем в верхней эпидерме его было больше, чем в нижней) и не выявлялся в мезофилле (рис. 3, н). Для трихом этой части листа было характерно накопление № лишь в основаниях и телах данных клеток (рис. 3, о); в трихомах верхней эпидермы № было больше по сравнению с трихомами нижней эпидермы.

При высокой концентрации N1 (300 мкМ) в питательном растворе N1 выявлялся в тканях центральной жилки листа и в клетках мезофилла вблизи жилки, а также накапливался в высоких концентрациях в равной степени как в верхней, так и в нижней эпидерме. По краю листа N1 также выявлялся в проводящих тканях, накапливался в клетках эпидермы, однако присутствовал в клетках мезофилла в более низкой концентрации. Средняя часть листа характеризовалась преимущественным накоплением N1 в верхней эпидерме по сравнению с нижней эпидермой, а также

присутствием металла в верхнем слое палисадного и нижнем слое губчатого мезофилла - слоях, прилегающих к эпидерме. В трихомах как верхней, так и нижней эпидермы № накапливался в основаниях, телах и лучах, причем, как и при 30 мкМ, в трихомах верхней эпидермы № было больше по сравнению с нижней эпидермой.

У гипераккумулятора А. obovatum, выращенного при невысокой концентрации № (30 мкМ), в листьях в области центральной жилки листа металл выявлялся в клетках эпидермы (в верхней больше, чем в нижней) и в малых количествах присутствовал в проводящих тканях. В средней части листа N1 накапливался как в верхней, так и в нижней эпидерме, причём интенсивность окрашивания тканей была практически одинакова. В трихомах верхней и нижней эпидермы N1 не выявлялся. В данных участках листа металл выявлялся в нижнем, приэпидермалыюм слое губчатого мезофилла. По краю листа накопление N1 не обнаружено ни в одной ткани.

При высокой концентрации N1 в среде выращивания (300 мкМ) в области центральной жилки N1 накапливался в равной степени как в верхней, так и в нижней эпидерме. В данной части листа № в низких концентрациях присутствовал в приэпидермальных слоях палисадного и губчатого мезофилла. Сходным образом N1 выявлялся по краю листа: N1 накапливался в эпидерме и в небольших количествах выявлялся в приэпидермальных слоях мезофилла и проводящих тканях. В средней части листа интенсивность окрашивания эпидермы была несколько меньше по сравнению с другими частями листа, причем практически не отличалась для верхней и нижней эпидермы. N1 накапливался в небольших количествах в основаниях и телах трихом, но не выявлялся в их лучах. Интенсивность окрашивания трихом верхней эпидермы было больше по сравнению с трихомами нижней эпидермы.

В обоих гипераккумуляторах N1 локализовался преимущественно в протопластах клеток листьев. В некоторых случаях на срезах наблюдались неразрезанные клетки, для которых было видно накопление N1 в вакуолях. Для апикальных листьев обоих гипераккумуляторов была характерна наибольшая интенсивность окрашивания тканей (и, соответственно, наибольшая концентрация №) по сравнению с листьями из средней и базалыюй частей побега.

Накопление и распределение № в растениях А. оЬохаШп, собранных в местах природного произрастания. У этих растений нами были обнаружены те же закономерности накопления N1 в различных органах, которые мы наблюдали при выращивании растений этого вида в лабораторных условиях. Преимущественно накопление N1 происходило в побегах растений, содержание N1 в листьях было больше по сравнению со стеблями и составляло 2194,15 и 820,50 мкг/г сухой массы, соответственно. Содержание N1 в корнях было в 7 раз меньше по сравнению с содержанием N1 в побеге и составляло 361,83 мкг/г сухой массы.

Распределение N1 по тканям растений Л/уми/я оЬоуаШт, собранных в местах природного произрастания и выращенных в лабораторных условиях, было сходным. Однако у первых нами был обнаружен ряд особенностей тканевого распределения N1.

Таким образом, распределение N1 в растениях-гипераккумуляторах и исключателях существенно различается. Чтобы охарактеризовать возможные пути и механизмы, обеспечивающие различное распределение поглощенного N1 в гипераккумуляторах и исключателях, нами были изучены 1) скорость поглощения N1 корнями, 2) интенсивность загрузки N1 в ксилему, 3) интенсивность транспирации; 4) интенсивность транслокации № из корня в побег; 5) особенности ультраструктурной организации транспорта ионов N1 в корнях.

Скорость поглощения N1 корнями. Определив концентрацию № в разных органах растений Л/ухтат ¡р., выращенных в лабораторных условиях, и их массу мы смогли вычислить, сколько N1 находится в разных органах растений. Содержание N1 в одном растении было у гипераккумуляторов значительно больше, чем у исключателей и составляло в среднем 1386,0 и 616,1 мкг на одно растение, соответственно, для А. IехЫасит и А1узхит ¡ахаШе ир. «кой'/е, выращенных при 30 мкМ N¡(N03)2 61120. Так как время эксперимента было одним и тем же, то такие вычисления показывают, как различалась средняя скорость накопления N1 у исключателей и гипераккумуляторов. Разная скорость поглощения при расчёте на одно растение может быть обусловлена различным размером корневой системы и различной интенсивностью поглощения корнем в расчёте на единицу массы. Оценить

это различие можно, если поделить общее количество № в растении на вес корневой системы. Эффективность поглощения N1 была выше в корнях гипераккумуляторов, чем исключателей и составляла 4617,2 и 2404,4 мкг на грамм корня, соответственно, для А. 1е$Ыасит и А1уззит захаШе мр. яахаШе, выращенных при 30 мкМ №(М)з)2-6Н20. Механизм этих различий остается неясным.

Интенсивность загрузки № в ксилему. Было установлено, что при инкубации в течение суток на питательном растворе, содержащем 30 мкМ №(Ы0з)26Н20, концентрация N1 в пасоке гипераккумулятора А. ¡е.чЫасит была в 54 раза больше по сравнению с исключателем А. ¡ахаМе ээр. $аха1Ие и составляла соответственно 272,52 ± 82,88 и 5,02 ± 1,60 нМ/мл. Поток N1 в побег зависит от скорости загрузки № в ксилему и скорости потока воды по ксилеме в побег. О нем можно судить, измерив скорость транспирации растений, что и было сделано нами.

Особенности транспирации и организация дальнего транспорта №. Интенсивность транспирации была измерена как в расчете на одно растение, так и в пересчете на площадь транспирирующей поверхности. Было установлено, что у гипераккумулятора А. ¡еэЫасит, выращенного при концентрациях до 600 мкМ N¡(N03)2-6Н20 происходило увеличение интенсивности транспирации, а при больших концентрациях она уменьшалась. У исключателя А. ¡ахаШе мр. захаШе с увеличением концентрации N1 в среде выращивания при расчете на одно растение интенсивность транспирации снижалась, а при расчете на единицу площади транспирирующей поверхности она увеличивалась. Последнее можно объяснить увеличением числа устьиц на единицу площади поверхности молодых листьев, которые оставались открытыми даже при высокой концентрации N4 в среде выращивания, и за счет которых, возможно, в основном происходило испарение воды растениями. Контрольные растения гипераккумулятора характеризовались более интенсивной транспирацией (в 1,5 раза больше при расчёте на единицу площади листа), чем исключатели.

Таким образом, у гипераккумуляторов по сравнению с исключателями наблюдается более эффективное поглощение № корнями, более интенсивная загрузка

его в ксилему и более интенсивная транспирация, а. следовательно, и ток ксилемного раствора в побег.

Особенности анатомического строения корней А^виш врр. и ближний транспорт N1 в корне. При исследовании срезов корней гипераккумулятора А. квЫасит и исключателя А1}Ч^ит захаШе м/з. захагИе методом светлопольной микроскопии нами были найдены утолщения внутренних тангентальных клеточных стенок внутреннего слоя коры. Сходные утолщения были описаны ранее М.Я. ВгоасПеу с соавт. (2007) в корнях Ыоссага саеги1евсет. Наличие утолщений подтверждается и при флуоресцентной микроскопии по яркой автофлуоресценции утолщений. Они развивались в корнях гипераккумулятора от области окончания зоны растяжения до базальной части корня, тогда как у исключателя этих утолщений обнаружено не было. Однако детальный анализ анатомии корня с применением метода электронной микроскопии позволил нам установить присутствие утолщений клеточных стенок как у гипераккумулятора, так и у исключателя (рис. 4).

Рис. 4. Утолщения внутренних тангентальных клеточных стенок периэндодер-мального слоя коры в корнях А1у8вит врр. Представлены поперечные срезы в зоне корневых волосков гипераккумулятора IевЫасит (а, б) и исключателя

А1у$зит яахаШе вэр. .чахаШе (в, г). К - кора, Мк - межклетник, П - перицикл, УКс -утолщения клеточной стенки, Э - эндодерма.

У гипераккумулятора данные утолщения имеют волнистую форму внутренней стороны и образуют непрерывный слой (рис. 4, а, б). Те же стенки клеток коры у исключателя не имеют подобных утолщений, но на них образуются выросты, распределяющиеся нерегулярно по поверхности клеточной стенки (рис. 4, в, г). Действие № не вызывало изменений в утолщениях клеточных стенок коры гипераккумулятора А. 1е$Ь1асит и не индуцировало образования утолщений с той же организацией у исключателя А ¡уязит захаШе захаШе.

При исследовании срезов корней гипераккумулятора в зоне деления и молодой части зоны растяжения методом электронной микроскопии было установлено, что у гипераккумулятора (рис. 5, а), по сравнению с исключателем (рис. 5, б), отмечается развитие большого числа плазмодесм преимущественно на тангентальных стенках клеток. В большинстве случаев они были сгруппированы в крупные плазмодесмные поля. Наибольшее их количество развивались на границе между клетками внутреннего слоя коры и эндодермы, а также на границе трихобластов и клеток внешнего слоя коры.

Рис. 5. Особенности развития плазмодесм на границе внутренней коры и эндодермы в корнях /¡/удаит эрр. Представлены поперечные срезы в зоне деления корней гипераккумулятора А1узхит 1езЫасит (а) и исключателя А^вяит хахаШе Бэр. захмИе (б). К - кора, Пл - плазмодесмы, Э - эндодерма.

Такая ультраструктурная организация корней свидетельствует о более развитом симпластном пути транспорта у гипераккумулятора по сравнению с исключателем. Описанные особенности анатомии корней гипераккумуляторов могут вносить существенный вклад в организацию ближнего транспорта N1 в корнях этих растений и его дальнейшую загрузку в ксилему.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Способность некоторых растений накапливать большие количества различных тяжелых металлов представляют большой интерес. До сих пор механизмы этого явления малопонятны и его физиологическая роль остается до конца не ясна. Для их изучения большой интерес представляет сравнительный анализ видов одного рода, различающихся по способности накапливать тяжелые металлы. В данной работе в этом отношении были изучены виды гипераккумуляторы и исключатели из рода Л1у5.:>ит: как растения, выращенные в лабораторных условиях в водной культуре, так и растения, собранные в природных условиях (на серпентиновых почвах Полярного Урала).

Гипераккуммуляторы, выращенные в среде без N1, отличаются более замедленным ростом, относительно большей долей массы корневой системы и более интенсивной транспирадией по сравнению с исключателями. Растения-гипераккумуляторы проявляют высокую устойчивость к действию №, который при невысоких концентрациях оказывает стимулирующее действие на их рост, тогда как в концентрациях на порядок ниже он оказывает токсическое действие на растения-исключатели и подавляет их рост. Механизм стимулирующего действия N1 на растения-гипераккумуляторы неясен. Для исключателей стимулирующего действия N1 при малых концентрациях почти не проявляется, а его токсическое действие начинает быть заметным при концентрациях больше 20 мкМ №(1\т0з)2-6Н20. При этом следует заметить, что гипераккумуляторы поглощают N1 гораздо интенсивнее, чем исключатели. Это связано не только с различиями в размерах корневых систем, так как даже на единицу веса поглощение N1 у гипераккумуляторов происходит значительно интенсивнее, чем исключателями. Механизмы этих различий, которые были впервые выявлены в данной работе, пока неясны и, безусловно, их расшифровка будет иметь важное значение для понимания феномена гипераккумуляции.

Проведенные нами исследования показали, что у гипераккумуляторов К! более интенсивно загружается в ксилему и и у них выше интенсивность транспирации, т.е. интенсивнее поток ксилемного сока в побег. Это приводит к большему накоплению

Ni в надземных частях растений-гипераккумуляторов по сравнению с исключателями.

Несмотря па интенсивный транспорт Ni в побег у гипераккумуляторов, его токсическое действие проявляется только при гораздо больших концентрациях, чем у исключателей. Эта устойчивость растений-гипераккумуляторов к действию Ni обеспечивается способностью его накопления в клетках эпидермы листа. Преимущества данного механизма состоят в "инактивации" ионов металла и их компартментации в той части клеток, где не происходят активные процессы жизнедеятельности растительного организма. Как это достигается пока еще далеко неяснено. Для решения этой проблемы большой интерес представляет выявление и изучение переносчиков Ni, которые уже выявлены (Ingle et al., 2008), но физиологическая роль которых еще мало изучена.

Кроме того, существенную роль могут играть различия в ультраструктуре корней у гипераккумуляторов и исключателей. Нами было показано, что у растений-гипераккумуляторов тангентальные клеточные стенки периэндодермалыюго слоя коры утолщены, как это было описано ранее для таких видов из рода Noccaea (Broadley et al., 2007). В корнях исключателей нами с помощью электронной микроскопии обнаружены только утолщения отдельных участков, без образования сплошных утолщений, как у гиперакуммуляторов. Возможно, образование подобного рода утолщений клеточных стенок у растений-гипераккумуляторов может служить для ограничения апопластного транспорта ионов тяжелых металлов в корне и их более эффективного перемещения в симпласт и, таким образом, участвовать в организации загрузки металлов в ксилему. Однако необходимы дальнейшее исследования для расшифровки физиологического значения такого утолщения клеточных стенок.

Для дальнейшего исследования механизмов гиперакуммуляции очень важно понять, как происходит компартментация поглощенного Ni в клетках, в которых важную роль играют его связывание клеточными стенками и загрузка в вакуоль.

Таким образом, проведенные нами исследования показали существование четких различий между растениями-гипераккумуляторами и исключателями по ряду

физиологических процессов. Они, несомненно, играют заметную роль в способности сравниваемых растений поглощать и накапливать разные количества №, но для дальнейшего решения этой проблемы необходимы дальнейшие исследования с привлечением большего арсенала методов, включая методы молекулярной биологии.

ВЫВОДЫ

1. Сравнение видов гипераккумуляторов и исключателей N1 из рода /Пуххит позволило выявить ряд физиологических особенностей этих видов. Гипераккумуляторы характеризуются более медленным ростом, большей долей массы корневой системы в весе растения и более интенсивной транспирацией по сравнению с исключателями.

2. Гипераккумуляторы отличаются большей устойчивостью к действию N1, хотя по сравнению с исключателями поглощают N1 более интенсивно как в расчете на одно растение, так и на единицу массы корневой системы.

3. Распределение N1 в корнях растений-гипераккумуляторов и исключателей существенно отличается: у гипераккумуляторов № локализуется в корневом чехлике, клетках внутренней коры и тканях центрального цилиндра, тогда как у исключателей накапливается преимущественно в клетках коры корня и его транспорт в центральный цилиндр ограничен.

4. Распределение и накопление N1 в листьях у гипераккумуляторов и исключателей принципиально различается. У исключателей N1 в листьях практически не выявляется, в то время как у гипераккумуляторов № преимущественно накапливается в эпидерме листьев, а его поступление в активно фотосинтезирующие клетки мезофилла ограничено.

5. Гипераккумуляторы отличаются не только большим поглощением №, но и более интенсивной загрузкой его в ксилему. Это наряду с более интенсивной транспирацией обеспечивает интенсивный поток N1 в побег.

6. Корни гипераккумуляторов и исключателей отличаются своей ультраструктурной организацией. У гипераккумулятора развиты непрерывные

утолщения тангентальных клеточных стенок периэндодермального слоя коры в зоне корневых волосков и развивается большее число плазмодесм в меристеме и начале зоны растяжения, что способствует более интенсивному симпластиому потоку Ni в корне.

СПИСОК РАБОТ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бакланов И.А. (2009) Сравнительный анализ анатомического строения корня и тканевого распределения никеля в растениях-гипераккумуляторах и исключателях из рода Alyssum L. // Ломоносов - 2009: Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых; секция «Биология»; 13-18 апреля 2009 г.; Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, биологический факультет: Тезисы докладов / Сост.; А.Н. Демидова и др. - М.: МАКС Пресс, 2009. - С. 223-224.

2. Бакланов H.A. (2009) Гистохимический анализ распределения и накопления никеля в гипераккумуляторах и исключателях из рода Alyssum L. // Труды Международной научной конференции "Физико-химические механизмы адаптации растений к антропогенному загрязнению в условиях Крайнего Севера". Апатиты, 2009. - С. 40.

3. Бакланов H.A., Серегин И.В., Иванов В.Б. (2009) Гистохимический анализ распределения никеля в гипераккумуляторе и исключателе из рода Alyssum L. Доклады РАН, 429 (5), 698-700.

4. Бакланов И.А. (2010) Анализ распределения и накопления никеля в тканях гипераккумулятора Alyssum obovatum (С.А. Mey.) Turcz. и исклгачателя Alyssum montanum L. // Ломоносов - 2010: XVII международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых; секция «Биология»; 12-15 апреля 2010 г.; Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, биологический факультет: Тезисы докладов / Сост.: Г.В. Кочетова. - М.: МАКС Пресс, 2010. - С. 247-248.

5. Бакланов H.A. (2010) Токсическое действие Ni на рост и транспирацию гипераккумулятора и исключателя из рода Alyssum L. // Тезисы докладов

Всероссийского симпозиума "Растение и стресс", 09-12 ноября 2010 г., ИФР им. К.А. Тимирязева РАН. Москва, 2010. - С. 47-48.

6. Бакланов И.А. (2011) Анализ накопления Ni в растениях-гипераккумуляторах и исключателях из рода Alyssum L. // Ломоносов - 2011: XVIII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых; секция «Биология»; IIIS апреля 2011 г.; Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, биологический факультет: Тезисы докладов / Сост.: Н.П. Карасева. - М.: МАКС Пресс, 2011. -С. 229.

7. Бакланов И.А. (2011) Действие Ni на рост растений-гипераккумуляторов и исключателей из рода Alyssum L. // БИОЛОГИЯ - НАУКА XXI ВЕКА: 15-я Международная Пущинская школа-конференция молодых ученых (Пущино, 18-22 апреля 2011 года). Сборник тезисов. Пущино, 2011. -С. 414-415.

8. Бакланов И.А. (20И) Особенности тканевого распределения Ni в растениях-гипераккумуляторах и исключателях из рода Alyssum L. // БИОЛОГИЯ -НАУКА XXI ВЕКА: 15-я Международная Пущинская школа-конференция молодых ученых (Пущино, 18-22 апреля 2011 года). Сборник тезисов. Пущино, 2011. - С. 415-416.

9. Бакланов И.А. (2011) Гетерогенность клеток эпидермы в отношении накопления никеля у гипераккумуляторов из рода Alyssum L. Цитология, 53 (7), 572-579.

Автор выражает благодарность к.б.н., с.н.с. лаборатории солевого обмена и солеустойчивости ИФР РАН Курковой Е.Б. за обучение методу электронной микроскопии и помощь в работе. Отдельная благодарность д.б.н., зав. лабораторией механизмов роста растительных клеток КИББ КазНЦ РАН Горшковой Т.А. и д.б.н., зав. лабораторией микроскопии КИББ КазНЦ РАН Сальникову В.В. за участие в совместной работе и ценные консультации.

Подписано в печать:

12.10.2011

Заказ № 6032 Тираж -130 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Бакланов, Илья Андреевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Токсическое действие тяжелых металлов на растения.

1.2. Феномен гипераккумуляции и устойчивости растений к действию тяжелых металлов.

1.3. Видовое разнообразие и распространение растений-гипераккумуляторов.

1.4. Физиологическая роль № и особенности его действия на растения.

1.4.1. Физиологическая роль №.

1.4.2. Действие № на рост.

1.4.-3. Действие № на минеральное питание.

1.4.4. Действие № на водный режим.

1.5. Особенности перемещения N1 в растениях-гипераккумуляторах и исключателях.

1.5.1. Поглощение № растениями.

1.5.2. Ближний и дальний транспорт N1 по растению.

1.5.3. Распределение № по тканям растений.

1.5.4. Внутриклеточная локализация и транспорт №.

1.6. Экологическое значение гипераккумуляции.

1.7. Возможности использования растений-гипераккумуляторов в целях фиторемедиации.

Глава 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Выращивание растений в лабораторных условиях.

2.2. Сбор А. оЪоуаШт в местах природного произрастания.

2.3. Общая оценка внешнего вида и состояния растений, выращенных в лабораторных условиях.

2.4. Измерение морфометрических показателей.

2.5. Оценка состояния листьев.

2.6. Измерение интенсивности транспирации.

2.7. Количественное определение содержания № в растениях.

2.8. Сбор пасоки и измерение концентрации № в ней.

2.9. Гистохимический анализ распределения №.

2.10. Микроскопические исследования анатомии корней.

2.10.1. Микроскопия светлого поля, флуоресцентная микроскопия.

2.10.2. Электронная микроскопия.

2.11. Статистическая обработка результатов.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1. Действие № на рост растений, выращенных в лабораторных условиях.

3.1.1. Внешний вид и общее состояние растений.

3.1.2. Действие N1 на накопление сырой и сухой массы различных органов растений.

3.1.3. Действие N1 на рост листьев.

3.1.4. Действие № на рост главного побега и корневой системы.

3.2. Действие № на водный баланс растений.

3.2.1. Действие № на оводнённость листьев.

3.2.2. Действие № на устьичный аппарат.

3.2.3. Действием натранспирацию.

3.3. Накопление N1 в различных органах и его тканевое распределение, концентрация № в пасоке растений, выращенных в лабораторных условиях.

3.3.1. Накопление № в различных органах растений.

3.3.2. Концентрация № в пасоке.

3.3.3. Содержание № в тканях.

3.3.3.1. Содержание № в тканях корня.

3.3.3.2. Содержание № в тканях стебля.

3.3.3.3. Содержание № в тканях листа.

3.4. Накопление в различных органах и тканевое распределение N1 в растениях А1уязит оЬол>аШт, собранных в местах природного произрастания.

3.4.1. Накопление № в различных органах растений.

3.4.2. Содержание № в тканях.

3.4.2.1. Содержание № в тканях корня.

3.4.2.2. Содержание № в тканях стебля.

3.4.2.3. Содержание № в тканях листа.

3.5. Анатомические и ультраструктурные особенности строения корней и их роль в организации потока №.

3.5.1. Анатомическое строение корней.

3.5.2.Утолщения оболочек клеток внутреннего слоя коры корня.

3.5.3. Распределение плазмодесм в меристеме и зоне растяжения корней.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Накопление, распределение и действие никеля на растения-гипераккумуляторы и исключатели из рода Alyssum"

Актуальность проблемы. В настоящее время одним из актуальных вопросов экофизиологии растений является изучение действия тяжелых металлов и устойчивости к ним. Действие никеля (Ni) на растения до сих пор остается мало изученным. Ионы тяжелых металлов, поступая в растительный организм, способны связываться с различными функциональными группами биоорганических молекул. По сравнению с наиболее изученными тяжелыми металлами - цинком, кадмием и свинцом, которые образуют связь преимущественно с сульфгидрильными группами, Ni способен связываться с имидазольной группой гистидина. Вследствие этого для Ni характерна специфика подавляемых в клетке реакций по сравнению с другими тяжелыми металлами, но, несомненно, есть и общие закономерности их токсического действия. Поэтому изучение действия Ni весьма актуально как для понимания общих закономерностей реакции растений на тяжелые металлы, так и для установления особенностей накопления, распределения Ni и его действия на растения.

Хотя исследования накопления и тканевого распределения Ni у растений-гипераккумуляторов и исключателей начали проводиться достаточно давно и продолжаются в настоящее время, но до сих пор не было проведено сравнительного изучения физиологии этих растений. Механизмы гипераккумуляции Ni и их физиологические основы остаются мало изученными. Одним из подходов для их понимания и объяснения является сравнительный анализ близкородственных видов растений-гипераккумуляторов и исключателей на разных уровнях организации - организменном, тканевом и клеточном. Такие исследования проводились ранее (Krämer U. et al., 2000; Küpper H. et al., 2001; Серегин, Кожевникова, 2008; Richau et al., 2009; Серегин, 2010), но пока еще на малом числе объектов и настоящая работа является продолжением исследований в этом направлении. В ней впервые было проведён комплексный сравнительный анализ некоторых аспектов физиологии гипераккумуляторов и исключателей из рода Alyssum.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы являлся сравнительный анализ действия Ni на рост, его передвижения, распределения и накопления в растениях-гипераккумуляторах и исключателях из рода Alyssum. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить действие Ni на рост растений-гипераккумуляторов и исключателей из рода Alyssum.

2. Установить закономерности накопления и тканевого распределения Ni в этих растениях.

4. Сопоставить эффективность загрузки Ni в ксилему и поток воды по ксилеме в побег у сравниваемых видов.

Научная новизна. В работе впервые дан сравнительный анализ физиологических особенностей растений-гипераккумуляторов и исключателей из рода Alyssum. Дана количественная оценка токсичности Ni по степени развития некрозов на листьях и замедлению роста растений. Сопоставлено действие Ni на скорость роста и накопление сухой массы, определено накопление Ni в разных органах и рассчитана интенсивность накопления Ni, эффективность поглощения N1 корнями и его транслокация в побег у разных видов. Показано, что тканевое распределение N1 у различных видов растений из рода Л/уяум/я, контрастных по устойчивости к действию N1 (гипераккумуляторы и исключатели), существенно различается. Установлены существенные различия в ультраструктуре корней сравниваемых видов. Обнаружены четкие различия между исключателями и гипераккумуляторами по интенсивности транспирации и концентрации N1 в пасоке, что позволило объяснить возможные причины различий между сравниваемыми видами по скорости транслокации N1 в побег.

Заключение Диссертация по теме "Физиология и биохимия растений", Бакланов, Илья Андреевич

выводы

1. Сравнение видов гипераккумуляторов и исключателей N1 из рода А^эит позволило выявить ряд физиологических особенностей этих видов. Гипераккумуляторы характеризуются более медленным ростом, большей долей массы корневой системы в весе растения и более интенсивной транспирацией по сравнению с исключателями.

3. Распределение N1 в корнях растений-гипераккумуляторов и исключателей существенно отличается: у гипераккумуляторов N1 локализуется в корневом чехлике, клетках внутренней коры и тканях центрального цилиндра, тогда как у исключателей накапливается преимущественно в клетках коры корня и его транспорт в центральный цилиндр ограничен.

4. Распределение и накопление N1 в листьях у гипераккумуляторов и исключателей принципиально различается. У исключателей N1 в листьях практически не выявляется, в то время как у гипераккумуляторов N1 преимущественно накапливается в эпидерме листьев, а его поступление в активно фотосинтезирующие клетки мезофилла ограничено.

5. Гипераккумуляторы отличаются не только ббльшим поглощением N1, но и более интенсивной загрузкой его в ксилему. Это наряду с более интенсивной транспирацией обеспечивает интенсивный поток N1 в побег.

6. Корни гипераккумуляторов и исключателей отличаются своей ультраструктурной организацией. У гипераккумулятора развиты непрерывные утолщения тангентальных клеточных стенок периэндодермального слоя коры в зоне корневых волосков и развивается большее число плазмодесм в меристеме и начале зоны растяжения, что способствует более интенсивному симпластному потоку № в корне.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Способность некоторых растений накапливать большие количества различных тяжелых металлов представляют большой интерес. До сих пор механизмы этого явления малопонятны и его физиологическая роль остается до конца не ясна. Для их изучения большой интерес представляет сравнительный анализ видов одного рода, различающихся по способности накапливать тяжелые металлы. В данной работе в этом отношении были изучены виды гипераккумуляторы и исключатели из рода Л1узБит'. как растения, выращенные в лабораторных условиях в водной культуре, так и растения, собранные в природных условиях (на серпентиновых почвах Полярного Урала).

Гипераккуммуляторы, выращенные в среде без отличаются более замедленным ростом, относительно большей долей массы корневой системы и более интенсивной транспирацией по сравнению с исключателями. Растения-гипераккумуляторы проявляют высокую устойчивость к действию который при невысоких концентрациях оказывает стимулирующее действие на их рост, тогда как в концентрациях на порядок ниже он оказывает токсическое действие на растения-исключатели и подавляет их рост. Механизм стимулирующего действия № на растения-гипераккумуляторы неясен. Для исключателей стимулирующего действия N1 при малых концентрациях почти не проявляется, а его токсическое действие начинает быть заметным при концентрациях больше 20 мкМ №(М0з)2'6Н20. При этом следует заметить, что гипераккумуляторы поглощают № гораздо интенсивнее, чем исключатели. Это связано не только с различиями в размерах корневых систем, так как даже на единицу веса поглощение N1 у гипераккумуляторов происходит значительно интенсивнее, чем исключателями. Механизмы этих различий, которые были впервые выявлены в данной работе, пока неясны и, безусловно, их расшифровка будет иметь важное значение для понимания феномена гипераккумуляции.

Проведенные нами исследования показали, что у гипераккумуляторов N1 более интенсивно загружается в ксилему и и у них выше интенсивность транспирации, т.е. интенсивнее поток ксилемного сока в побег. Это приводит к большему накоплению Ni в надземных частях растений-гипераккумуляторов по сравнению с исключателями.

Несмотря на интенсивный транспорт Ni в побег у гипераккумуляторов, его токсическое действие проявляется только при гораздо больших концентрациях, чем у исключателей. Эта устойчивость растений-гипераккумуляторов - к действию Ni обеспечивается способностью его накопления в клетках эпидермы листа. Преимущества данного механизма состоят в "инактивации" ионов металла и их компартментации в той части клеток, где не происходят активные процессы жизнедеятельности растительного организма. Как это достигается пока еще далеко неяснено. Для решения этой проблемы большой интерес представляет выявление и изучение переносчиков Ni, которые уже выявлены (Ingle et al., 2008), но физиологическая роль которых еще мало изучена.

Кроме того, существенную роль могут играть различия в ультраструктуре корней у гипераккумуляторов и исключателей. Нами было показано, что у растений-гипераккумулятороВ' тангентальные клеточные стенки периэндодермапьного слоя коры утолщены, как это было описано ранее для таких видов из рода Noccaea (Broadley et al., 2007). В корнях исключателей нами с помощью электронной микроскопии обнаружены только утолщения отдельных участков, без образования сплошных утолщений, как у гиперакуммуляторов. Возможно, образование подобного рода утолщений клеточных стенок у растений-гипераккумуляторов может служить для .ограничения апопластного транспорта ионов тяжелых- металлов в корне и их более эффективного перемещения в симпласт и, таким образом, участвовать в организации загрузки металлов в ксилему. Однако необходимы дальнейшее исследования для расшифровки физиологического значения такого утолщения клеточных стенок.

Для дальнейшего исследования механизмов гиперакуммуляции очень важно понять, как происходит компартментация поглощенного N1 в клетках, в которых важную роль играют его связывание клеточными стенками и загрузка в вакуоль.

Таким образом, проведенные нами исследования показали существование четких различий между растениями-гипераккумуляторами и исключателями по ряду физиологических процессов. Они, несомненно, играют заметную роль в способности сравниваемых растений поглощать и накапливать разные количества но для дальнейшего решения этой проблемы необходимы дальнейшие исследования с привлечением большего арсенала методов, включая методы молекулярной биологии.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Бакланов, Илья Андреевич, Москва

1. Алексеев Ю.В., Вялушкина Н.И. (2002) Влияние кальция и магния на поступление кадмия и никеля из почвы в растения вики и ячменя. Агрохимия, 1, 82-84.

2. Алексеева-Попова Н.В. (1991) Кпеточно-молекулярные механизмы устойчивости растений к тяжелым металлам. В сб: Устойчивость к тяжелым металлам дикорастущих видов, под ред. Н.В. Алексеевой-Поповой. Л: Ленуприздат, с.5-15.

3. Амосова Н.В., Тазина И. А., Сынзыныс Б.И. (2003) Фито- и генотоксическое действие ионов железа, кобальта и никеля на физиологические показатели растений различных видов. Сельскохозяйственная биология, 5, 49— 54.

4. Андреева И.В., Говорнна В.В., Виноградова С.Б, Ягодин Б.А. (2001) Никель в растениях. Агрохимия, 3, 82-94.

5. Барсукова B.C., Гамзикова О.И. (1999) Влияние избытка никеля на элементный состав контрастных по устойчивости к нему сортов пшеницы. Агрохимия, 1, 80-85.

6. Бингам Ф.Т., Коста М., Эйхенбергер Э. (1993) Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. М.: Мир, 368 с.

7. Демченко Н.П., Калимова И.Б., Демченко К.Н. (2005) Влияние никеля на рост, пролиферацию и дифференциацию клеток корневой системы проростков Triticum aestivum. Физиология растений, 52,250-258.

8. Душенков В., Раскин И. (2000) Фиторемедиация: зеленая революция в экологии. Агро XXI, 9,20.

9. Иванов В.Б., Быстрова Е.И., Серегин И.В. (2003) Сравнение влияния тяжелых металлов на рост корня в связи с проблемой специфичности и избирательности их действия. Физиология растений, 50,445—454.

10. Катаева М.Н. (2006) Экологическая дифференциация видов растений

11. Полярного Урала в контрастных геохимических условиях среды: Автореф. дисс. канд. биол. наук, Санкт-Петербург: БИН РАН, 30 с.

12. Кларксон Д. (1978) Транспорт ионов и структура растительной клетки. Пер. с англ. Дуниной М.Г., под ред. д.б.н. Вахмистрова Д.Б. М.: Мир, 368 с.

13. Мейчик Н. Р. , Николаева Ю. И. , Комарынец О. В. , Ермаков И. П. (2011) Барьерная функция клеточной стенки при поглощении ионов никеля. Физиология растений, 58, 345-350.

14. Мелышчук Ю.П. (1990) Влияние ионов кадмия на клеточное деление и рост растения. Киев: Наук, думка, 148 с.

15. Меркушева М.Г., Убугунов В.Л., Лаврентьева И.Н. (2001) Тяжёлые металлы в почвах и фитомассе кормовых угодий Западного Забайкалья. Агрохимия, 8, 63 72.

16. Серегии И.В. (2001) Фитохелатины и их роль в детоксикации кадмия у высших растений (обзор). Успехи биологической химии, 41, 283-300.

17. Серегин И.В., Иванов В.Б. (1997) Гистохимические методы изучения распределения кадмия и свинца в растениях. Физиология растений, 44, 915-921.

18. Серегин И.В., Иванов В.Б. (1998) Передвижение ионов кадмия и свинца по тканям корня. Физиология растений, 45, 899-905.

19. Серегин И.В., Иванов В.Б. (2001) Физиологические аспекты токсического действия кадмия и свинца на высшие растения. Физиология растений, 48, 606-630.

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

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

22. Тэмп Г.А. (1991) Никель в растениях в связи с его токсичностью. В сб: Устойчивость к тяжелым металлам дикорастущих видов, под ред.

23. Н.В.Алексеевой-Поповой. JI: Ленуприздат, с. 139-146.

24. Anderson Т.А., Guthrie Е.А., and Walton B.T. (1993) Bioremediation in the rhizosphere. Environ. Sci. Technol., 27,2630-2636.

25. Appleby C.A., Bogusz D., Dennis E.S., Peacock W.J. (1988) A role for haemoglobin in all plant roots? Plant Cell Environ., 11,359-367.

26. Arnon D.L, Stout P.R. (1939) The essentiality of certain elements in minute quantity for plants with special reference to copper. Plant Physiol., 14, 371-375.

27. Aschmann S.G., Zasoski R.J. (1987) Nickel and Rubidium Uptake by Whole Oat Plants in Solution Culture. Physiol Plant., 71, 191-196.

28. Baker A.J.M. (1981) Accumulators and Excluders — Strategies in Response of Plants to Heavy Metals. J.Plant Nutr., 3,643-654.

29. Baker A.J.M., Brooks R.R. (1989) Terrestrial higher plants which hyperaccumulate metallic elements. A review of their distribution, ecology and phytochemistry. Biorecovery, 1, 81-126.

30. Baker A.J.M., Walker P.L. (1989) Physiological responses of plants to heavy metals and the quantification of tolerance and toxicity. Chemical Speciation and Bioavailability, 1, 7-17.

31. Banuelos G.S., Ajwa H.A., Zambrzuski S. (1997) Selenium-induced growth reduction in Brassica land races considered for phytoremediation. J. Ecotoxicol. Environ. Saf, 36,282-287.

32. Bert V., Meerts P., Saumitou-Laprade P., Salis P., Gruber W., Verbruggen N.2003) Genetic basis of Cd tolerance and hyperaccumulation in Arabidopsis halleri. Plant and Soil, 249, 9-18.

33. Betts K.S. (1997) Technology update: Phytoremediation project taking up TCE. Environ. Sci. Technol, 31, 347A.

34. Betts K.S. (1998) Technology update: Getting to the root of phytoremediation. Environ. Sci. Technol. 32, 18A.

35. Bidwell S.D., Crawford S.A., Woodrow I.E., Sommer-Knudsen J., Marshall A.T. (2004) Subcellular Localization of Ni in the Hyperaccumulator, Hybanthus floribundus (Lindley) F. Muell. Plant Cell Environ., 27, 705-716.

36. Bishop J. (1997) Phytoremediation: A new technology gets ready to bloom. Environ. Solutions., 10,29.

37. Boyd R.S., Martens S.N. (1998) Nickel Hyperaccumulation by Thlaspi montanum var. montanum {Brassicaceae): A Constitutive Trait. Am. J. Bot., 85, 259265.

38. Boyd R.S., Shaw J.J., Martens S.N. (1994) Nickel Hyperaccumulation Defends Streptanthus polygaloides (Brassicaceae) Against Pathogens. Amer. J. Bot., 81,294-300.

39. Broadhurst C.L., Chaney R.L., Angle J.S., Erbe E.F., Maugel T.K. (2004b) Nickel localization and response to increasing Ni soil levels in leaves of the Ni hyperaccumulator Alyssum murale. Plant Soil., 265 , 225-242.

40. Broadhurst C.L., Chaney R.L., Angle J.S., Maugel T.K., Erbe E.F.,

41. Murphy C.A. (2004a) Simultaneous hyperaccumulation of nickel, manganese, and calcium in Alyssum leaf trichomes. Environ. Sci. Technol, 38, 5797-5802.

42. Broadley M.R., White P. J., Hammond J.P., Zelko L, Lux A. (2007) Zinc in plants. New Phytologist, 173, 677-702.

43. Brooks R.R., Lee J., Reeves R.D., Jaffre T. (1977) Detection of Nickeliferous Rocks by Analysis of Herbarium Speciemens of Indicator Plants. Journal of Geochemical Exploration, 1, 49-57.

44. Brooks R.R., Shaw S., Marfil A.A. (1981) The Chemical Form and Physiological Function of Nickel in Some Iberian Alyssum Species. Physiol. Plant., 51, 167-170.

45. Brooks R.R., Chambers M.F., Nicks L.J., Robinson B.H. (1998) Phytomining. Trends in Plant and Science, 3,359-362.

46. Brown P.H., Welch R.M., Cary E.E. (1987) Nickel: A Micronutrient Essential for Higher Plants. Plant Physiol, 85, 801-803.

47. Cataldo D.A., Garland T.R., Wildung R.E. (1978) Nickel in Plants. II. Distribution and chemical form in Soybean Plants. Plant Physiol, 62, 566-570.

48. Cataldo D.A., McFadden K.M., Garland T.R., Wildung R.E. (1988) Organic Constituents and Complexation of Nickel (II), Iron (III), Cadmium (II) and Plutonium (IV) in Soybean Xylem Exudates. Plant Physiol., 86,734-739.

49. Clemens S. (2001) Molecular Mechanisms of Plant Metal Tolerance and Homeostasis. Planta, 212,475-486.

50. Coleman J.E. (1992). Zinc proteins: enzymes, storage proteins, transcription factors, and replication proteins. Annu. Rev. Biochem., 61,897-946.

51. Cosio C., DeSantis L., Frey B., Diallo M.S., Keller C. (2005) Cadmium distribution in leaves of the hyperaccumulator Thlaspi caerulescens. Journal of

52. Experimental Botany, 56, 765-775.

53. Dalton D.A., Evans H.J., Hanns F.J. (1985) Stimulation by Nickel of Soil Microbial Urease Activity and Urease and Hydrogenase Activities in Soybeans Grown in a Low-Nickel Soil. Plant Soil, 88,245-258.

54. Davis M.A., Pritchard S.G., Boyd R.S., Prior S.A. (2001) Developmental and Induced Responses of Nickel-Based and Organic Defenses of the Nickel-Hyperaccumulating Shrub, Psychotria douarrei. New Phytol, 150,49-58.

55. De Vos C.R., Lubberding H.J. and Bienfait H:F. (1986). Rhizosphere acidification as a response to iron deficiency in bean plants. Plant Physiol., 81, 842846.

56. Dixon N.E., Gazzola C., Blakeley R.L., Zerner B. (1975) Jack-Bean Urease (E.C.3.5.I.5.3.). A Metalloenzyme. A Simple Biological Role for Nickel. J. Am. Chem.Soc., 97,4131-4133.

57. Douchkov D., Gryczka* C., Stephan U.W., Hell R., Baumlein H. (2005) Ectopic Expression of Nicotianamine Synthase Genes Results in Improved Iron Accumulation and Increased Nickel Tolerance in Transgenic Tobacco. Plant Cell Envi., 28, 365-374.

58. Ehlken S., Kirchner G. (2002) Environmental Processes Affecting Plant Root Uptake of Radioactive Trace Elements and Variability of Transfer Factor Data: a Review. J. Environ. Radioactivity, 58,97-112.

59. Eskew D.L., Welch, R.M., Cary E.E. (1983) Nickel: An Essential Micronutrient for Legumes and Possibly All Higher Plants. Science, 222, 621-623.

60. Eskew D.L., Welch R.M., Norvell W.A. (1984) Nickel in Higher Plants: Further Evidence for an Essential Role. Plant Physiol., 76,691-693.

61. Ewais E.A. (1997) Effects of Cadmium, Nickel and Lead on Growth,

62. Chlorophyll Content and Proteins of Weeds. Biol. Plant., 39,403-410.

63. Fishbein W.N., Smith M.J., Nagarajan K., Scurzi W. (1976) The First Natural Nickel Metalloenzyme: Urease. Fed. Proc. Am. Soc. Exp. Biol, 35, 1680.

64. Freitas H., Prasad M.N.V., Pratas J. (2004) Analysis of serpentinophytes from north-east of Portugal for trace metal accumulation relevance to the management of mine environment. Chemosphere, 54, 1625-1642.

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

66. Ghasemi R., Ghaderian S.M. (2009b) Responses of two populations of an Iranian nickel-hyperaccumulating serpentine plant, Alyssum inflatum Nyar., to substrate Ca/Mg quotient and nickel. Environ. Exp. Bot., 67,260-268.

67. Ghasemi R., Ghaderian S.M., Kramer U. (2009a) Accumulation of nickel in trichomes of a nickel hyperaccumulator plant, Alyssum inflatum. Northeast. Nat., 16, 81-92.

68. Graham R.D. (1979) Transport of copper and manganese to the xylem exudate of sunflower. Plant Cell Environ. 2, 139-143.

69. Gries G.E., Wagner G.J. (1998) Association of Nickel Versus Transport of Cadmium and Calcium in Tonoplast Vesicles of Oat Roots. Planta, 204, 390-396.

70. Guo Y., George E., Marschner H. (1996) Contribution of an Arbuscular Mycorrhizal Fungus to the Uptake of Cadmium and Nickel in Bean and Maize Plants. Plant Soil, 184,195-205.

71. Hall J.L. (2002) Cellular Mechanisms for Heavy Metal Detoxification and Tolerance. Exp. Bot., 53, 1-11.

72. Heath S.M., Southworth D., D'AlIura J.A. (1997) Localization of Nickel in

73. Epidermal Subsidiary Cells of Leaves of Thlaspi montanum var. siskiyouense (Brassicaceae) Using Energy-Dispersive X-ray Microanalysis. Int. J. Plant Sci., 158, 184-188.

74. Hirai M., Kawai-Hirai R., Hirai T., Ueki T. (1993) Structural Change of Jack Bean Urease Induced by Addition of Surfactants Studied with Synchrotron-Radiation Small-Angle X-Ray Scattering. Eur. J. Biochem., 215, 55-61.

75. Homer F.A., Reeves R.D., Brooks R.R., Baker A.J.M. (1991) Characterization of the Nickel-Rich' Extract from the Nickel Hyperaccumulator Dichapetalum gelonioides. Phytochemistry, 30,2141-2145.

76. Ingle R.A., Mugford S.T., Rees J.D., Campbell M.M., Smith J.A.C. (2005) Constitutively High Expression of the Histidine Biosynthetic Pathway Contributes to Nickel Tolerance in Hyperaccumulator Plants. Plant Cell, 17,2089-2106.

77. Ivanov V.B. (1994) Root Growth Responses to Chemicals. Sov. Scient. Rev.Ser.D., 1-70.

78. Kabata-Pendias A., Pendias H. (2001) Trace Elements in Soils and Plants, 3rd ed. NY: CRC Press, 448 p.

79. Karataglis S. (1987) Estimation of the Toxicity of Different Metals, Using as Criterion the Degree of Root Elongation in Triticum aestivum Seedlings. Phyton., 26, 209-217.

80. Kerkeb L., Kramer U. (2003) The Role of Free Histidine in Xylem Loading of Nickel in Alyssum lesbiacum and Brassica juncea. Plant Physiol., 131, 716-724.

81. Kersten W.J., Brooks R.R., Reeves R.D., Jaffre T. (1980) Nature of Nickel Complexes in Psychotria douarrei and Other Nickel-Accumulating Plants. Phytochemistry, 19, 1963-1965.

82. Kevresan S., Petrovic N., Popovic M., Kandrac J. (1998) Effect of Heavy Metals on Nitrate and Protein Metabolism in Sugar Beet. Biol. Plant., 41,235-240.

83. Khalid B.Y., Tinsley J. (1980) Some Effects of Nickel Toxicity on Rye Grass. Plant Soil, 55, 39-144.

84. Knasmuller S., Gottmann E., Steinkellner H., Fomin A, Pickl C., Paschke

85. A., God R., Kundi M. (1998) Detection of Genotoxic Effects of Heavy Metal Contaminated Soils with Plant Bioassays, Mutation Research., 420, 37-48.

86. Kovacevic G., Kastori R., Merkulov L.J. (1999) Dry Matter and Leaf Structure in Young Wheat Plants as Affected by Cadmium, Lead, and Nickel. Biol. Plant, 42, 119-123.

87. Kramer U. (2005) Phytoremediation: Novel Approaches to Cleaning up Polluted Soils. Cur. Op. Biotech., 16, 133-141.

88. Kramer U. (2010) Metal Hyperaccumulation in Plants. Annual Review of Plant Biology, 61, 517-534.

89. Kramer U., Cotter-Howells J.D., Charnock J.M., Baker A.J.M., Smith A.C.1996) Free Histidine as a Metal Chelator in Plants that Accumulate Nickel. Letters to Nature, 379, 635-638.

90. Kramer U., Grime G.W., Smith A.J.C., Hawes C.R., Baker A.J.M. (1997) Micro-PIXE as a Technique for Studying Nickel Localization in Leaves of the Hyperaccumulator plant Alyssum Lesbiacum. Nucl. Instr. andMeth. in Phys. Res., 130, 346-350.

91. Kramer U., Pickering I.J., Prince R.C., Raskin I., Salt D.E. (2000) Subsellular Localization and Speciation of Nickel in Hyperaccumulator and Non-Accumulator Thlaspi Species. Plant Physiology, 122, 1343-1353.

92. Krogmeier M.J., McCarty G.W., Bremner J.M. (1989) Phytotoxicity of Foliar-Applied Urea. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 86, 8189-8191.

93. Kupper H., Lombi E., Zhao F.J., Wieshammer G., McGrath S.P. (2001) Cellular Compartmentation of Nickel in the Hyperaccumulators Alyssum lesbiacum, Alyssum bertolonii and Thlaspi goesingense. J. Exp. Bot., 52,2291-3000.

94. L'Huillier L., d'Auzac J., Durand M., Michaud-Ferriere N. (1996) Nickel Effects on Two Maize (Zea mays) Cultivars: Growth, Structure, Ni Concentration, and Localization. Can. J. Bot., 74, 1547-1554.

95. Lambinon J., Auquier P. (1963) La flore et la vegatation des terraines calaminaires de la wallonie septentrionale et de la Rhenanie Aixoise. Natura Mosana, 16, 113-131.

96. Lee J., Reeves R.D., Brooks R.R., Jaffre T. (1977) Isolation and Identification of a Citrato-Complex'of Nickel from Nickel-Accumulating Plants. Phytochemistry, 16, 1503-1505.

97. Liu D., Kottke I. (2003) Subcellular Localization of Chromium and Nickel' in Root Cells of Allium cepa by EELS and ESI. Cell Biol. Toxicol, 19, 299-311.

98. Meagher R.B. (2000) Phytoremediation of toxic elemental and organic pollutants. Current Opinion in Plant Biology, 3, 153-162.

99. Meharg A.A. (2005) Mechanisms of Plant Resistance to Metal and Metalloid Ions and Potential Biotechnological Applications. Plant and Soil, 274, 163-174.

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

101. Molas J. (1997) Changes in Morphological and Anatomical Structure of Cabbage (Brassica oleracea L.) Outer Leaves and in Ultrastructure of their Chloroplasts Caused by an in vitro Excess of Nickel. Photosynthetica, 34, 513- 522.

102. Meychik N.R., Yermakov LP. (1999) A New Approach to the Investigation on the Ionogenic Groups of Root Cell Walls. Plant and Soil, 217,257-264.

103. Nabais C., Freitas H., Hagemeyer J., Breckle S.-W. (1996) Radial Distribution of Ni in Stemwood of Quercus ilex L. Trees Grown on Serpentine and Sandy Loam (Umbric Leptosol) Soils ofNE-Portugal. Plant and Soil, 183, 181-185.

104. Neiboer E., Richardson D.H.S. (1980) The Replacement of the Non-Descriptive Term «Heavy Metals» by a Biologically and Chemically Significant Classification of Metal Ions. Environ. Pollut., 1, 3-26.

105. Nieminen T.M., Ukonmaanaho L., Rausch N., Shotyk W. (2007) Biogeochemistry of nickel and its release into the environment. In: Metal Ions in Life Sciences, Sigel A., Sigel H., Sigel R. K. O. (eds.) Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd., 2, p. 702.

106. Nriagu J. O. (1990) Global metal pollution. Environment, 32, 7-33.

107. Pacyna J.M., Pacyna E.G. (2001) An assessment of global and regional emissions of trace metals to the atmosphere from anthropogenic sources worldwide. Environmental Reviews, 9,269-298.

108. Page V., Feller U. (2005) Selective Transport of Zinc, Manganese, Nickel, Cobalt and Cadmium in the Root System and Transfer to the Leaves in Young Wheat Plants. Ann. Bot., 96,425-434.

109. Pandolfini T., Gabbrielli R., Comparini C. (1992) Nickel Toxicity and Peroxidase Activity in Seedlings of Triticum aestivum L. Plant, Cell Environ., 15, 719-725.

110. Persans M.W., Nieman K., Salt D.E. (2001) Functional Activity and Role of Cation-Efflux Family Members in Ni Hyperaccumulation in Thlaspi goesingense.

111. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 98, 9995-10000.

112. Persans M.W., Yan X., Patnoe J.M., Kramer U., Salt D.E. (1999) Molecular Dissection of the Role of Histidine in Nickel Hyperaccumulation in Thlaspi goesingense (Halacsy). Plant Physiol., 121, 1117-1126.

113. Raskin I., Ensley B.D. (2000) Phytoremediation of Toxic Metals Using Plants to Clean Up the Environment. New York: John Wiley & Sons, Ltd., 304 p.

114. Piccini D.F., Malavolta E. (1992) Effect of Nickel on Two Common Bean Cultivars. J. Plant Nutr., 15,2343-2350.

115. Pilon-Smits E. (2005) Phytoremediation. Annual Review of Plant Biology, 56, 15-39.

116. Prasad M.N.V. (2005) Nickelophilous plants and their significance in phytotechnologies. Braz. J. Plant. Physiol17, 113-128.

117. Psaras G.K., Constantinidis T., Cotsopoulos B., Manetas Y. (2000) Relative abundance of nickel in the leaf epidermis of eight hyperaccumulators: evidence that the metal is excluded from both guard cells and trichomes. Ann. Bot. 86 : 73-78.

118. Reeves R.D., Baker A.J.M., Bornidi A., Berazain R. (1999) Nickel Hyperaccumulation in the Serpentine Flora of Cuba. Annals Bot., 83, 29-38.

119. Robertson A.I. (1985) The Poisoning of Roots of Zea mays by Nickel Ions, and the Protection Afforded by Magnesium and Calcium. New Phytol, 100,173-189.

120. Robertson A.I., Meakin M.E.R. (1980) The Effect of Nickel on Cell Division and Growth of Brachystegia spiciformis Seedlings. J. Bot. Zimbabwe, 12, 115-125.

121. Robinson B.H., Lombi E., Zhao F.J., McGrath S.P. (2003) Uptake and Distribution of Nickel and Other Metals in the Hyperaccumulator Berkheya coddii. New Phytol., 158,279-285.

122. Rubio M.I., Escrig I., Martinez-Cortina C., Lopez-Benet F.J., Sanz A. (1994) Cadmium and Nickel Accumulation in Rice Plants. Effects on Mineral Nutrition and Possible Interactions of Abscisic and Gibberellic Acids. Plant Growth Regal, 14, 151-157.

123. Sagner S., Kneer R., Wanner G., Cosson J.-P., Deus-Neumann B., Zenk- M.H. (1998) Hyperaccumulation, Complexation and Distribution of Nickel in Sebertia acuminata. Phytochemistry, 47,339-343.

124. Sajwan K.S., Ornes W.H., Youngblood T.V., Alva A.K. (1996) Uptake of Soil Applied Cadmium, Nickel and Selenium by Bush Beans. Water Air Soil Pol, 91, 209-217.

125. Salt D.E., Smith R.D., Raskin I. (1998) Phytoremediation. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology., 49, 643-668.

126. Salt D.E., Wagner G.J: (1993) Cadmium Transport across Tonoplast of Vesicles from Oat Roots. Evidence for a Cd /H Antiport Activity. J. Biol Chem., 268, 12297-12302.

127. Samantaray S., Rout G.R., Das P. (1997/98) Tolerance of Rice to Nickel in- Nutrient Solution. Biol Plant., 40,295-298.

128. Schaaf G., Honsbein A., Meda A.R., Kirchner S., Wipf D., Wiren N. (2006) AtIREG2 Encodes a Tonoplast Transport Protein Involved in Iron-dependent Nickel Detoxification in Arabidopsis thaliana Roots. J. Biol Chem., 281,25532-25540.

129. Schat Hi, Llugany M., Vooijs R,, Hartley-Whitaker J., Bleeker P.M. (2002) The Role of Phytochelatins in Constitutive and Adaptive Heavy Metal Tolerances in Hyperaccumulator and Non-Hyperaccumulator Metallophytes. J. Exp. Bot., 53, 23812392.

130. Schickler H., Caspi H. (1999) Response of Antioxidative Enzymes to Nickel\and Cadmium Stress in Hyperaccumulator Plants of Genus Alyssum. Physiol. Plant., 105, 39-44.

131. Severne B.C. (1974) Nickel Accumulation by Hybanthus floribundus. Nature, 248, 807-808.

132. Sevilla, F., del Rio, L. A. and Hellin, E. (1984). Superoxide dismutases from a citrus plant: presence of two iron-containing isoenzymes in leaves of lemon trees (Citrus limonum L.). Plant Physiol., 116, 381-387.

133. Shaumlöffel E. (1960) Über die colorimetrische Bestimmung der Mikronärschtoffe Kupfer, Zink, Kobalt, Mangan, Eisen und Molibdän aus einer Aschenlösung durch fraktionierte Extraktion. Landwirtschaftliche Forshung, Sonderheft., 13,278-286.

134. Sheoran LS., Singal H.R., Singh R. (1990) Effect of Cadmium and Nickel on Photosynthesis and the Enzymes of the Photosynthetic Carbon Reduction Cycle in Pigeonpea (iCajanus cajan L.). Photosynthesis Research, 23, 345-351.

135. Sirko A., Brodzik R. (2000) Plant Ureases: Roles and Regulation. Acta. Biochim. Pol., 47, 1189-1195.

136. Smart K.E., Kilburn M;R., Salter C.J., Smith J.A.C., Grovenor C.R.M.2007) NanoSIMS and EPMA analysis of nickel localisation in leaves of the hyperaccumulator plant Alyssum lesbiacum. Int. J. Mass. Spectrom., 260, 107-114.

137. Taylor G.J., Crowder A.A. (1983) Uptake and Accumulation of Copper, Nickel, and Iron by Typha latifolia Grown in Solution Culture. Can. J. Bot., 61, 18251830.

138. Taylor R.W., Allinson D.W. (1981) Influence of Lead, Cadmium, and Nickel on the Growth of Medicago sativa (L.). Plant Soil., 60,223-236.

139. Turekian K.K., Wedepohl K.H. (1961) Distribution of the elements in somemajor units of the earth's crust. Bull. Geol. Soc. Am. 72, 175-192.

140. Vailee, B. L. and Falchuk, K. H. (1993) The biochemical basis of zinc physiology. Physiol. Rev. 73, 79-118.

141. Walker C.D., Graham R.D., Madison J.T., Cary E.E., Welch R.M. (1985) Effects of Ni Deficiency on Some Nitrogen Metabolites in Cowpeas (Vigna unguiculata L. Walp.). Plant Physiol., 79,474-479.

142. Wang W. (1987) Root Elongation Method for Toxicity Testing of Organic and Inorganic Pollutants. Environ.Toxicol.Chem., 6,409-414.

143. Welch R.M. (1981) The Biological Significance of Nickel. J. Plant Nutr., 3, 345-356.

144. Welch R.M. (1995) Micronutrient nutrition of plants. Crit. Rev. Plant Sei., 14, 49-82.

145. Wierzbicka M., Slysz A. (2005) Does Armeria maritima subsp. halleri (Plumbaginaceae) occur in Poland? Polish Botanical Studies, 19, 105-117.

146. Wong M.N., Bradshaw A.D. (1982) A Comparison of Toxicity of Heavy Metals, Using Root Elongation of Rye Grass, Lolium perenne. New Phytol., 91, 255261.

147. Yang X., Feng Y., He Z., Stoffella P.J. (2005) Molecular Mechanisms of Heavy Metal Hyperaccumulation and Phytoremediation. J. Tr. Elem. Med. Biol., 18, 339-353.

148. Zeller S., Feller U. (1998) Redistribution of Cobalt and Nickel in Detached Wheat Shoots: Effects of Steam-girdling and of Cobalt and Nickel Supply. Biol. Plant., 41,427-434.

149. Zeller S., Feller U. (1999) Long-Distance Transport of Cobalt and Nickel in Maturing Wheat. Eur. J. Agron., 10, 91-98.

150. Zonia L.E., Stebbins N.E., Polacco J.C. (1995) Essential Role of Urease in Germination of Nitrogen-Limited Arabidopsis thaliana Seeds. Plant Physiol., 107, 1097-1103.

151. СПИСОК РАБОТ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

152. Бакланов И.А., Серегин И.В., Иванов В.Б. (2009) Гистохимический анализ распределения никеля в гипераккумуляторе и исключателе из рода А^зит Ь. Доклады РАН, 429 (5), 698-700.

153. Бакланов И.А. (2011) Гетерогенность клеток эпидермы в отношении накопления никеля у гипераккумуляторов из рода А1уэзит Ь. Цитология, 53 (7), 572-579.

Информация о работе

Бакланов, Илья Андреевич
кандидата биологических наук
Москва, 2011
ВАК 03.01.05

Диссертация

Накопление, распределение и действие никеля на растения-гипераккумуляторы и исключатели из рода Alyssum - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы