Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние ионов металлов на структурно-функциональные особенности развития Matteuccia struthiopteris (L.) Todaro

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Влияние ионов металлов на структурно-функциональные особенности развития Matteuccia struthiopteris (L.) Todaro"

На правах рукописи

005020503

Богданова Елена Сергеевна

ВЛИЯНИЕ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ НА СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ МЛ ТТЕІІССІА БтиТНЮРТЕШБ (Ь.) ТОБАКО

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

5 А ГІР Ш

Тольятти-2012

005020503

Работа выполнена в лаборатории экологической биохимии Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института экологии Волжского бассейна РАН

Научный руководитель:

доктор биологических наук Розенцвет Ольга Анатольевна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Кавеленова Людмила Михайловна; кандидат биологических наук Казнина Наталья Мстиславовна

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный университет

Защита диссертации состоится 20 апреля 2012 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.251.01 при Институте экологии Волжского бассейна РАН, по адресу 445003, Самарской обл., г. Тольятти, ул. Комзина, 10. Тел. 8(8482) 489-977; факс: 8(8482) 489-504; E-mail: ievbras2005@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии Волжского бассейна РАН, с авторефератом - на сайте ИЭВБ РАН: http://www.ievbras.ru и на сайте ВАК РФ: referat_vak@mon.gov.ru.

Автореферат разослан «20» марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат биологических наук

A.JI. Маленев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Среди антропогенных факторов среды обитания, негативно воздействующих на живые организмы, особое место занимают ионы металлов, за которыми в научной литературе закрепилось название токсичные или тяжелые металлы (ТМ) (Прасад, 2011). Накопление ТМ в почве и воде вынуждает растения приспосабливаться к новым условиям среды. Важную роль в регулировании «взаимоотношений» живого организма и окружающей среды играют липиды клеточных мембран. Состав липидов оказывает влияние на такие важные процессы жизнедеятельности растений, как дыхание, фотосинтез, транспорт питательных веществ, водный режим и т.д. Изучение механизмов устойчивости растений к действию ТМ чаще проводились на травянистых и культивируемых растениях. Работы по изучению устойчивости споровых растений носят единичный характер, что ограничивает развитие прикладных исследований. Следует подчеркнуть, что папоротники представляют огромный интерес в изучении стратегии выживания растительных организмов, поскольку обладают эффективными приспособительными реакциями, выработанными в процессе эволюции. Многие виды папоротников используются в пищевых и лекарственных целях, а также в декоративном оформлении городских территорий. Некоторые папоротники способны связывать токсичные ТМ (Chang et al., 2009). В этой связи, работы экспериментального характера, посвященные исследованию влияния ионов металлов на важнейшие структурно-функциональные показатели высших споровых растений, являются актуальными.

Цель н задачи исследования. Целью работы являлся сравнительный анализ влияния ионов меди, цинка, кадмия и свинца на структурно-функциональные свойства папоротника Matteuccia struthiopteris (L.) Todaro.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1. Установить характер изменения ростовых процессов папоротника в ответ на воздействие ионов металлов.

2. Выявить особенности накопления и распределения ионов меди, цинка, кадмия и свинца, в разных органах и отдельных частях растений.

3. Изучить влияние ионов металлов на содержание фотосинтетических пигментов в ассимилирующих органах растений.

4. Исследовать особенности изменений структурных и запасных липидов на разных стадиях развития и в разных органах в ответ на действие ионов металлов.

5. Выявить основные типы адаптивных перестроек в липидном компоненте мембран и определить их значение в устойчивости папоротников к действию ионов металлов.

Научная новизна. Впервые исследовано развитие папоротника М. struthiopteris в присутствии ионов меди, цинка, кадмия и свинца. Установлена

способность папоротников успешно прорастать и развиваться при наличии в корнеобитаемой среде ионов указанных металлов в широком диапазоне концентраций. Установлены разные типы стратегий папоротника по характеру накопления металлов - «исключателей» для меди, цинка и свинца и «индикатора» для кадмия; по влиянию на ростовые параметры - усиление (в присутствии меди и кадмия) или замедление (в присутствии цинка и свинца) роста; по влиянию на состав фотосинтетических пигментов и состав липидов биологических мембран.

Теоретическая значимость работы. Полученные результаты вносят существенный вклад в понимание механизмов устойчивости растений к действию ионов металлов, содержащихся в окружающей среде обитания.

Практическая значимость работы. Выявленные особенности накопления ионов металлов разными органами папоротника М. struíhiopteris необходимо учитывать при культивировании данного вида в пищевых целях. Установленные структурные и функциональные особенности папоротника позволяют рекомендовать использование данного вида в целях фиторемедиации, а также в декоративных посадках на городских территориях, загрязненных ионами металлов.

Положения, выносимые на защиту.

- Присутствие в корнеобитаемой среде ионов металлов вызывает изменение процессов роста папоротника и содержания фотосинтетических пигментов.

- М. struíhiopteris обладает устойчивостью к действию меди, цинка, кадмия и свинца при концентрациях, не превышающих 100 мкМ.

- Действие ТМ на корневую систему растений приводит к изменению содержания и состава структурных и запасных липидов клетках корневой части и листового аппарата.

- По характеру М. struíhiopteris обладает двумя типами стратегии накопления ионов металлов в разных органах, реализация которого зависит от природы металла.

Апробация работы. Материалы работы представлены на VII международной научной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений» (Минск, 2011); Всероссийском симпозиуме «Экология мегаполисов: фундаментальные основы и инновационные технологии»; школе молодых ученых по экологической физиологии растений (Москва, 2011); II Всероссийской школе-конференции молодых ученых Уфимского научного центра РАН по физико-химической биологии и биотехнологии «Биомика - наука XXI века» (Уфа, 2011); VII съезде Общества физиологов растений России «Физиология растений -фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» (Нижний Новгород, 2011); молодежной научной конференции «Актуальные проблемы экологии Волжского бассейна» (Тольятти, 2011); международном симпозиуме «Клеточная сигнализация у растений» (Казань, 2011); Всероссийском симпозиуме «Растение и стресс» (Москва, 2010); международной научно-практической конференции «Физические механизмы становления и поддержания функций

организма» (Сухуми, 2010); международной научной конференции «Materials of the Four Russian-Polish School of Young Ecologists» (Тольятти, 2010); на V Любищевских чтениях «Теоретические проблемы эволюции» (Тольятти, 2010); международной научной конференции «Физико-химические механизмы адаптации растений к антропогенному загрязнению в условиях Крайнего Севера» (Апатиты, 2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (глава 1), материалов и методов исследования (глава 2), результатов и их обсуждения (глава 3), выводов, списка литературы. Библиографический указатель включает 236 источников, из них 144 на иностранных языках. Работа изложена на 137 страницах, содержит 10 таблиц и 25 рисунков.

Декларация личного участия автора. Автором лично осуществлен весь комплекс исследований, обработка и интерпретация фактического материала. Написание текста диссертации осуществлялось автором по плану, согласованному с научным руководителем.

Благодарности. Автор выражает большую признательность за помощь при сборе материала д.б.н., проф. С. В. Саксонову, а также всем сотрудникам лаборатории экологической биохимии за ценные советы, поддержку и помощь в обработке материала.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В главе 1 приведены сведения о распространении папоротников, особенностях их роста, фотосинтеза и липидного состава. Обсуждаются основные механизмы токсичности и устойчивости высших растений к действию ТМ.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Корневища высшего спорового растения страусника обыкновенного (Polypodiophyta, Onocleaceae, М. struthiopteris), отбирали на территории лесной зоны вблизи г. Жигулевск. Перенесенные из естественных условий растения выращивали на питательной среде Кнопа (соотношение массы корня к среде равно 1:4), в которую однократно вносили расчетные количества нитратов меди, цинка, кадмия и свинца в диапазоне концентраций 1-1000 мкМ. Растения инкубировали в лабораторных условиях, ростовые процессы оценивали по приросту фитомассы различных частей растений и длине листовой пластины. Исследования проводили с 2005 по 2011 гг. Опыты повторяли 2-4 раза, растительный материал отбирали в 3-х кратной повторности, каждый образец анализировали не менее 3-х раз. Для биохимических анализов использовали ткани разных органов и частей растений.

Содержание металлов в растительных тканях определяли на атомно-абсорбционном спектрометре «МГА-915» (Россия). Количественное содержание пигментов определяли в ацетоновой вытяжке на спектрофотометре «Specol» (Чехия).

Экстракцию липидов проводили смесью (1:2, по объему) хлороформа и метанола (Bligh, Dyer, 1959). Липиды анализировали методом тонкослойной хроматографии (ТСХ). Гликолипиды (ГЛ) разделяли одномерной ТСХ в системе растворителей: ацетон-бензол-вода (91:30:8); фосфолипиды (ФЛ) - двумерной ТСХ в системах растворителей: хлороформ-метанол-бензол-аммиак (130:60:20:12) - первое направление; хлороформ-метанол-бензол-ацетон-уксусная кислота (140:60:20:10:8) -второе направление; нейтральные липиды (НЛ) - одномерной ТСХ с последовательным применением систем растворителей: толуол-гексан-муравьиная кислота (140:60:1) и гексан-диэтиловый эфир-муравьиная кислота (120:80:2). Липиды идентифицировали при помощи стандартов и реагентов на отдельные функциональные группы («Sigma», США и «Larodan», Швеция) (Кейтс, 1975). Количественное содержание липидов определяли на денситометре «Денскан» (Ленхром, Россия). Результаты подтверждали определением содержания неорганического фосфора (Vaskovsky, Latyshev, 1975) и галактозы (Кейтс, 1975). Содержание бетаинового липида 1,2-диацилглицсрил-3-0-4'-(Ы,>4,1Ч-триметил) гомосерина (ДГТС) измеряли спектрофотометрически. Анализ состава жирных кислот (ЖК) проводили на газо-жидкостном хроматографе «Хроматэк Кристалл 5000.1» (Россия) с использованием капиллярной колонки («RESTEK», США).

Статистическую обработку полученных результатов осуществляли с использованием пакета прикладных программ Microsoft Excel 2007 и Statistica-6.0. Значения, приведенные в таблицах и рисунках, представляют средние арифметические значения и их стандартные ошибки. Статистическую значимость различий между контролем и опытом оценивали по критерию Стьюдента при уравнение значимости Р < 0,05.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Влияние ионов металлов на ростовые процессы. Развитие надземной части папоротников начиналось с появления побега в форме улиткообразного листа (улитка), из которого через 10 дней формировалась листовая пластина.

Инкубация растений на питательной среде в отсутствие ионов металлов (контроль) приводила к увеличению биомассы корневищ на 15,5% в сравнении с начальной массой (табл. 1). Присутствие в среде выращивания ионов меди в интервале концентраций от 1 до 100 мкМ усиливало рост корневой и надземной частей растений, в то время как при обработке малыми концентрациями (1-10 мкМ) нитрата свинца биомасса корневищ увеличивалась на 16,5-23,7% от начальной массы. Присутствие ионов свинца в корнеобитаемой среде в концентрации 100 мкМ не приводило к замедлению роста длины листьев папоротников, но вызывало снижение их фитомассы. Листья растений, инкубированных на средах с содержанием ионов меди и свинца в концентрации 1000 мкМ, выглядели угнетенными со скрученными листьями и пониженным тургором. Присутствие кадмия в корнеобитаемой среде (концентрация 100 мкМ) стимулировало рост надземной биомассы и длины листьев, в

то время как под действием цинка снижались длина и фитомасса листьев (табл. 1). Несмотря на выявленные различия в действии ионов металлов на ростовые процессы, растения папоротника сохраняли способность к формированию листьев, что свидетельствует об устойчивости этого растений к данному виду воздействия, при концентрации металлов в инкубационной среде ниже 100 мкМ.

Таблица 1

Влияние ионов металлов на ростовые параметры М. struthiopteris

Ростовые параметры

Металлы Концентрация ионов металлов в среде, мкМ Прирост биомассы корней, % от начальной массы Прирост биомассы листьев, % от контроля Длина листьев, % от контроля

Контроль 15,5 100 100

Си 1 17,5 266 183

10 19,1 192 172

100 16,6 153 115

1000 3,7 61 83

РЬ 1 23,7 178 116

10 22,0 159 113

100 16,5 59,8 103,6

1000 15,5 60 36

Zn 100 - 66 92

Cd 100 - 134,8 118

Примечание. Время экспозиции 10 сут.

3.2. Накопление и распределение ионов металлов по органам. Установлено, что основная часть ионов металлов накапливалась в придаточных корнях растений (табл. 2). При этом содержание кадмия было более, чем на порядок, ниже по сравнению с другими элементами.

Из четырех проанализированных металлов в надземных частях растений были зафиксированы только ионы меди и кадмия. Однако содержание меди соответствовало значениям контрольных вариантов. Содержание кадмия в биомассе развитых листьев составило 9 мкг/г сух. массы. Большее количество металла концентрировалось в верхней растущей части листьев. Всего в растении накапливалось до 30% внесенного в питательный раствор металла, из них только 4,6% транспортировалось в фотосинтезирующие органы (табл. 2). Исходя из того, что ионы металлов меди, цинка и свинца не поступали в надземные органы, М. struthiopteris следует отнести к растениям - «исключателям» в отношении указанных металлов (Baker et. al., 1981). Поступление кадмия в надземную часть растений может служить индикатором загрязнения среды обитания данным металлом. Полученные результаты свидетельствуют о существовании механизмов, регулирующих количество накапливаемого в корнях металла и его продвижение в надземную часть растений.

Таблица 2

Накопление и распределение ионов металлов в различных органах М. struthiopteris

Части растений Содержание металла, мкг/г

Си РЬ Zn Cd

Надземные органы Разворачивающиеся улитки Часта листьев: 14,0±0,1 (16,5±1,5) 0,0 0,0 0,0 1,2*0,5

Верхние Средние Нижние 21,4*0,3 (20,0±5,5) 21,4±1,3 (19,5±1,1) 17,0±1,3 (15,1*3,1) 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 4,1*0,6 3,2*0,9 1,7*0,1

Подземные органы

Зачаточные улитки 14,0±0,1 (16,5±1,5) 0,0 0,0 1,3*0,5

Внутренняя часть корневища 17,0*2,3(21,0*2,0) 0,0 17,5*2,1 2,5*0,3

Придаточные корни 713,2*5,6 (30,0*3,1) 467,4*3,9 700,0*4,8 51,4*1,9

Примечание: в скобках приведено количество ионов меди в контроле; содержание ионов цинка и свинца меньше чувствительности прибора Концентрация ионов металлов 100 мкМ, время экспозиции для разворачивающихся улиток - 5 сут., для листьев и корневой части -10 сут.

3.3. Влияние ионов металлов на содержание фотосинтетических пигментов.

Эффективность фотосинтеза характеризуется, в том числе, общим содержанием хлорофилла (Хл), а также соотношением Хл а/Ъ (Караваев и др., 2001). В разворачивающихся улитках контрольных растений количество Хл а и b составляло 0,14 и 0,16 мг/г, в верхних частях листьев - 0,44 и 0,77; средних - 0,32 и 0,44; нижних -0,05 и 0,07 мг/г сырой массы соответственно. Присутствие ионов металлов в водной среде оказывало разнонаправленное влияние на содержание зеленых пигментов в ассимилирующих органах папоротников. На ранней стадии формирования листьев ионы меди не влияли на количество Хл а (рис. 1 А), ионы цинка и свинца вызывали небольшое, а ионы кадмия существенное его снижение. В развитых листьях ионы меди и свинца способствовали увеличению Хл а. Под действием цинка и кадмия концентрация Хл а изменялась в зависимости от стадии развития листьев: под действием цинка снижалась в направлении от нижних частей листьев к верхним, а под действием кадмия в направлении от верхний частей к нижним.

Содержание Хл Ь, в отличие от Хл а, в основном, увеличивалось под действием ионов металлов, за исключением кадмия (уровень хлорофилла Хл Ъ в улитках снижался в 3,7 раза). В то же время действие кадмия приводило к увеличению Хл b в верхних частях листьев, а ионов меди и цинка - к снижению содержания этого пигмента (~ на 15%) (рис. 1 Б). Важной характеристикой фотосинтетического аппарата является соотношение Хл alb. В контрольных растениях данное отношение в разворачивающихся улитках равнялось 0,8, в листьях 0,6 - 0,7. Отношение Хл alb в развитых частях листьев оставалось на уровне контроля даже под влиянием ионов

кадмия, что указывает на неизменность стехиометрического соотношения между комплексами фотосистем (ФС) и сохранение оптимальных условий светосбора в ФС II (Караваев и др., 2001; Костю к, 2009).

РУ ВЧ СЧ НЧ РУ ВЧ СЧ НЧ

Части растений Части расхений

□ Си ЯРЬ BZn DCd

Рис. 1. Влияние ионов металлов на содержание пигментов в надземных органах М. struthiopteris. Время экспозиции для разворачивающихся улиток (РУ) - 5 сут., для верхних (ВЧ), средних (СЧ) и нижних (НЧ) частей листьев - 10 сут

В верхних частях листьев ионы свинца способствовали увеличению (на 25%), а ионы цинка и кадмия снижению отношения Хл alb (на 17%), что говорит о большей чувствительности фотосинтетического аппарата папоротника к воздействию ионов металлов на ранних этапах вегетации и при интенсивном росте (рис. 1 В).

Фотосинтетические пигменты кроме Хл включают и каротиноиды (Кар), которые являются важнейшей составляющей антиоксидантной системы защиты клеток растений. В улитках контрольной серии экспериментов содержание Кар составляло 0,04 мг/г, в верхних частях листьев - 0,22, средних - 0,15 и нижних - 0,02 мг/г сырой массы соответственно. Под влиянием ионов меди, цинка и свинца содержание Кар в листьях и улитках не менялось, за исключением верхних частей листьев, а под влиянием кадмия, в основном, снижалось (рис. 1 Г). Таким образом, изменения в содержании фотосинтетических пигментов зависели не от количества металла, накапливаемого в корнях, а от его природы, а также от стадии формирования листьев.

3.4. Влияние ионов металлов на содержание и состав суммарных липидов.

Проявление фотосинтетической активности растений тесно связанно с тилакоидными

мембранами и их структурными компонентами - липидами. Суммарные липиды (СЛ), выделенные из нативных тканей папоротников, содержали ГЛ, ФЛ, НЛ и ДГТС. Под действием м еди, цинка и свинца содержание СЛ увеличивалось в улитках и взрослых листьях и не менялось в корнях (табл. 3).

Таблица 3

Влияние ионов металлов на содержание суммарных липидов в надземных и _подземных органах М. $1кгиШор1ег18

Содержание суммарных липидов, мг/г сырой массы

Надземные органы

Металлы Улитки Части листьев органы

Зачаточные Развор-ся Верхние Средние Нижние Придаточные корни

Контроль 8,1±0,4 9,4±0,9 15,64=0,8 9,0±2,0 4,9±1,0 9,1±2,0

Си 19,7±7,5 12,0±1,5 21,6±3,5 32,5±3,2 10,8±3,1 9,3±1,5

РЬ 13,0±32,0 16,8±3,5 22,0±2,2 17,0±2,0 7,5±1,5 10,1±3,1

гп 12,8±3,2 10,0±2,0 19,5±0,6 13,4±1,5 9,4±2,4 13,4±4,0

Сё 8,3±1,1 7,8±1,2 15,1±4,7 8,0±2,2 4,2±1,1 14,2±4,8

Подземные

Примечание. Концентрация ионов металлов 100 мкМ, время экспозиции для разворачивающихся улиток - 5 сут., для листьев и корневой части - 10 сут.

Под действием кадмия, напротив, в листьях количество СЛ снижалось или не менялось, но увеличивалось в корнях. Параллельно с количеством СЛ менялся их состав. В зачаточных улитках под действием ионов меди, свинца и цинка увеличивалось относительное содержание ГЛ и ФЛ, уровень НЛ снижался (рис. 2 А, Б, В).

ЗУ РУ ВЧ СЧ НЧ ПК

ЗУ РУ ВЧ СЧ НЧ ПК Части растений и Си ИРЬ И7.П аса

ЗУ РУ ВЧ СЧ НЧ ПК

Рис. 2. Влияние ионов металлов на количественное содержание разных групп липидов в надземных и подземных органах М Лгыг/г/'орйгк. ЗУ - зачаточные улитки, РУ -разворачивающиеся улитки, ВЧ -верхние части, СЧ - средние части, НЧ - нижние части листьев, ПК -придаточные корни. Время экспозиции для улиток - 5 сут, листьев - 10 сут.

Под действием кадмия повышалось содержание Ш1 и соответственно, понижалось содержание полярных липидов. В разворачивающихся улитках ионы меди и кадмия вызывали увеличение, а свинца и цинка снижение относительного вклада ГЛ. Кроме того, действие меди не влияло, цинка и свинца - увеличивало, а кадмия - снижало относительное содержание ФЛ. В листьях действие ионов меди, как правило, вызывало увеличение ГЛ (за исключением нижних частей) и резкое снижение НЛ (рис. 2 Б, В). В присутствии ионов свинца наблюдали эффект снижения ГЛ на фоне увеличения ФЛ. Под действием ионов цинка в листьях, в основном, увеличивалось количество ФЛ, но снижалось ГЛ. Присутствие кадмия вызвало снижение содержания ФЛ в пуле СЛ листьев и небольшое увеличение доли ГЛ в верхних частях листьев. При этом увеличивался вклад НЛ, особенно интенсивно в нижних наиболее зрелых частях листьев.

Вклад бетаинового липида ДГТС в состав СЛ папоротника не превышал 3%. Под влиянием всех исследованных металлов количество ДГТС существенно снижалось.

Таким образом, как и в случае с пигментами, выявлены различия в ответе суммарных и отдельных групп липидов на действие ионов металлов, связанные не только с его природой, но и с типом органа и стадией развития листового аппарата папоротников.

3.5. Влияние ионов металлов на состав структурных липидов. Структурно-функциональные свойства липидов и их внутриклеточная локализация значительно различаются. Липидами мембран хлоропластов являются ГЛ. Во фракции ГЛ листового аппарата спорофитов обнаружены моно- (МГДГ) и дигалактозилдиацилглицерины (ДГДГ) и сульфохиновозилдиацилглицерин (СХДГ). Содержание МГДГ в наших экспериментах составляло 60-70%, ДГДГ - 25-30%, СХДГ- 10-15% от суммы ГЛ. Под влиянием ионов металлов содержание МГДГ практически не менялось, что может свидетельствовать о стабильности мембран тилакоидов (рис. 3 А). Уровень ДГДГ снижался в улитках, верхних и нижних частях листьев под действием меди, свинца и цинка, а СХДГ был, как правило, выше контрольных значений во всех частях листьев и улиток (рис. 3 Б, В). Увеличение уровня СХДГ может быть вызвано необходимостью регуляции активности АТФазы, с которой связан данный класс липидов (Kostyk et al., 2009).

Липиды бетаинового типа (ДГТС) и ФЛ в отличие от ГЛ, являются структурной основой непластидных эндомембран. Изменения в относительном содержании трех главных ФЛ - фосфатидилхолина (ФХ), фосфатидилэтаноламина (ФЭ), фосфатидилглицерина (ФГ) и одного минорного компонента - фосфатидной кислоты (ФК) представлены на рис. 4 А, Б, В, Г. Под действием ионов меди, цинка и свинца увеличивалось содержание ФХ практически во всех частях листового аппарата, но снижалась доля ФЭ. Влияние кадмия имело противоположное направление -снижение содержания ФХ (в 1,5 раза) на фоне увеличения ФЭ (рис. 4 Б).

и" р

Си

н 100

*

Сь О

и

50

РУ

вч

сч

нч

Рис. 3. Влияние ионов металлов на содержание индивидуальных гликолипидов в тканях надземных органах М. $1ги1Ыор1т$. Время экспозиции для -разворачивающихся улиток (РУ) - 5 сут., для верхних (ВЧ), средних (СЧ) и нижних (НЧ) частей листьев - 10 сут.

РУ ВЧ СЧ Части растений В Си ИРЬ 12п оса

200

р) э о « с' с. 150

X § 100 --

а. ч £ 50

О 0 --

РУ ВЧ СЧ Части растений

РУ ВЧ СЧ Части растений

в Си «РЬ игп □ Сс1

Рис. 4. Влияние ионов металлов на содержание индивидуальных ФЛ в надземных органах М. 81гиШор1егя. Время экспозиции для - разворачивающихся улиток (РУ) - 5 сут., для верхних (ВЧ), средних (СЧ) и нижних (НЧ) частей листьев - 10 сут.

В отношении ФГ были выявлены изменения, связанные не только с природой металла, но и со стадией развития листьев. В средних частях листьев ионы меди, свинца и кадмия вызывали снижение ФГ, в то время как в тех же самых частях ионы цинка способствовали его увеличению. В нижних частях листьев доля ФГ снижалась в присутствии ионов меди, свинца и цинка, а ионов кадмия - повышалась (рис. 4 В).

Особый интерес представляет изменение в содержании ФК, которое, как правило, снижалось или не менялось под действием меди, цинка и свинца В присутствии кадмия концентрации ФК резко увеличивалась (рис. 4 Г). Учитывая, что ФК является предшественником в синтезе полярных липидов, снижение уровня этого класса липидов можно объяснить необходимостью синтеза липидов de novo. В то же время увеличение уровня ФК является результатом частичной деградации липидов, которое, по-видимому, происходило под действием кадмия. Отметим, что только в присутствии этого металла в составе ФЛ надземных органов были обнаружены лизо-формы ФЛ (в контроле они отсутствовали), которые являются продуктами распада ФЛ при действии фосфолипазы A (Bargmann, Munnik, 2006; Wang et al., 2006). Поскольку растения не утрачивали способности к формированию надземной биомассы, то изменения в составе полярных липидов, можно рассматривать как адаптивные перестройки для сохранения оптимального уровня «жидкостности» мембран, необходимого для функционирования мембранных белков и нормального прохождения различных веществ через мембрану.

3.6. Влияние ионов металлов на нейтральные (запасные) липиды. В отличие от мембранных липидов НЛ играют роль источника необходимой для метаболизма энергии и структурных элементов - глицерина, ЖК, стеринов (СТ) и др. Данные по влиянию ионов металлов на некоторые компоненты этой фракции липидов: три- и диацилглицеринов (ТАГ и ДАГ) и СТ приведены на рисунке 5 А, Б, В.

По мере развития листовой пластины наблюдалось снижение относительного содержания ТАГ - основного энергетически важного компонента, под действием ионов меди, свинца и кадмия, и увеличение - под действием цинка (рис. 5 А). Содержание ДАГ - промежуточного интермедиата в синтезе полярных липидов - при увеличении содержания ТАГ снижалось, а при уменьшении - увеличивалось.

Концентрация СТ является важным условием в регулировании текучести мембран. Содержание этого компонента под влиянием ионов меди, цинка и свинца, в основном, увеличивалось, особенно под действием цинка (в улитках и нижних частях листьев в 1,5 раза). Действие ионов кадмия направлено на уменьшение содержания СТ (рис. 5 В).

250 «;" §200

1 I150

а 8 юо

и 50 0

РУ вч сч нч

вч сч

Части растений □ Си врь вгп оса

РУ вч сч нч

Рис. 5. Влияние ионов металлов на содержание индивидуальных НЛ в надземных органах М. ¡ЬгЫЫорЬет. Время экспозиции для - разворачивающихся улиток (РУ) - 5 сут., для верхних (ВЧ), средних (СЧ) и нижних (НЧ) частей листьев- 10 сут.

3.7. Влияние ионов металлов на состав жирных кислот. Качественный состав ЖК листового аппарата на разных стадиях развития был идентичен и включал кислоты с длиной цепи от 12 до 24 углеродных атомов с доминированием ЖК С16-18 ряда. Внесение ионов металлов в среду выращивания мало влияло на соотношение ЖК в надземных органах, индекс ненасыщенности (ИН) был близок к значениям контрольных вариантов (рис.6).

120 100 80 60 40 20 0

ш!

Ь

РУ ВЧ сч Части растений О Си "РЬ *Ул пса

НЧ

Рис. 6. Влияние ионов металлов на индекс ненасыщенности ЖК в надземных органах М. 51ги(кюр1еп8. Время экспозиции для - разворачивающихся улиток (РУ) - 5 сут., для верхних (ВЧ), средних (СЧ) и нижних (НЧ) частей листьев - 10 сут.

Лишь в улитках отмечалось увеличение ИН за счет увеличения доли ненасыщенных ЖК (ННЖК). Однако пул ННЖК менялся значительно и зависел от типа металла, органа и от стадии развития листьев. Например, ионы меди вызывали увеличение доли триеновых ЖК (особенно в придаточных корнях), увеличение моно-и диеновых ЖК и снижение полиненасыщенных ЖК в листьях. Под действием кадмия в большей степени менялось соотношение моно-/диеновые ЖК.

Вместе с изменением ненасыщенности ЖК под действием ионов металлов снижалось содержание ЖК, имеющих длину цепи более 20 атомов углерода. Сочетание изменения соотношения ЖК с разной степенью ненасыщенности и ЖК с разной длиной углеводородной цепи отразилось на стабильности ИН, что может быть связано с модификациями ЖК-синтазной системы.

3.4. Специфичность функциональных и структурных изменений М. Ши(Ыор1ет под действием ионов металлов

Проведенные исследования показали, что растения М. 51гиМор1епя, способны адаптироваться к загрязнению среды обитания ионами меди, цинка, кадмия и свинца в интервале концентраций от 1 до 100 мкМ. По характеру поглощения и накопления ионов металлов выявлено два типа стратегии - локализация в корневой части (стратегия «исключения») и продвижение по органам (стратегия «индикации»). Реализация типа стратегии определялась только природой металла и не зависела от его количества, аккумулированного в придаточных корнях (рис. 7).

Способность растений накапливать ионы металлов, с одной стороны, может свидетельствовать ,0об эффективности механизмов детоксикации, что способствует адаптации растений к данному виду поллютантов. С другой стороны, может быть одной из причин их токсического действия, которое по-разному проявляется у растений и приводит к разным типам стратегии выживания (Серегин, 2009). Так влияние ионов металлов на ростовые процессы папоротника выражалось в изменении параметров роста, ускорении/или сохранении ростовых процессов под действием меди, кадмия и свинца, и - замедлении под действием цинка. Стимуляция роста надземных органов под действием меди осуществлялась на фоне увеличения количества пигментов и всех структурных элементов мембран, что может быть связано с увеличением числа новых клеток, органоидов и мембран. Снижение НЛ можно рассматривать как необходимость расходования метаболитов и энергии на более интенсивный синтез структурных липидов. Ускорение роста растений под влиянием ионов кадмия, по-видимому, происходило за счет растяжения клеток, а не их образования (Титов и др., 2007). Ингибирование роста листовой части под действием ионов цинка сопровождалось вариациями в содержании зеленых пигментов в разных частях листьев, однако их соотношение оставалось постоянным.

АДАПТАЦИЯ МАТТЕЧССІА ЯТИиТНЮРТЕШЗ К ДЕЙСТВИЮ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ

цинк

стратегии накопление металлов

исключение

свинец

кадмия

замедление роста

нет влияния 1іа рост

усилеііние роста

усиление роста

увеличение фосфолипидов

снижение

нейтральных ліішідов

увеличение три-, полиеновых жк

снижение

гликолипидоп

снижение пигментов

увеличение фосфолипидов

увеличение фосфолипидов

снижение нейтральных лшшдов

снижение нейтральных липидов

увеличение три-, полиеновых жк

увеличение моноеловых жк

увеличение гликолшшдов

увеличение гликолинидов

увеличение пигментов

увеличение пигментов

снижение фосфолипидов

увеличение нейтральных липидов

снижение моноеновыхжк

снижение гликолинидов

снижение пигментов

Рис. 7. Специфичность функциональных и структурных изменений и. 5ІгиіЬіорІегі$ под действием ионов металлов

В ходе исследования было установлено, что количественные изменения в составе липидов и ЖК также участвовали в адаптации растений к действию ионов металлов. При этом состав ГЛ был менее изменчивым (вариации в содержании МГДГ не превышали 10-15% от суммы ГЛ) по сравнению с составом ФЛ, что говорит о стабильности мембран, отвечающих за структуру фотосинтетического аппарата. Изменчивость состава ФЛ в сочетании с сохранением способности роста и развития свидетельствует об эффективных перестройках метаболизма липидов для сохранения текучести липидного бислоя мембран. Контроль оптимального состояния мембран осуществлялся за счет изменения соотношения ФХ и ФЭ: а) увеличения под действием меди, цинка и свинца; б) уменьшения под действием кадмия; что очевидно связано с изменением/торможением путей биосинтеза ФЛ. Кроме того, регуляция состояния мембран осуществлялась путем изменения ненасыщенности ЖК и количества СТ. Таким образом, существование большого числа разнообразных механизмов защиты позволяет папоротникам успешно расти и развиваться в условиях избытка ионов металлов в окружающей среде, что может быть использовано в технологиях фиторемедиации.

выводы

1. Модельными экспериментами установлено, что присутствие в среде инкубации ионов меди, свинца и кадмия в концентрации до 100 мкМ стимулировало рост корневой и надземной частей М. struthiopteris, в то время как присутствие ионов цинка (100 мкМ) замедляло ростовые процессы. Более высокие концентрации меди и свинца (1000 мкМ) ингибировали процессы роста

2. Установлено, что основное накопление ионов всех изученных металлов происходило в придаточных корнях М. struthiopteris. В надземные органы поступали только ионы кадмия (содержание ионов меди не отличалось от контрольных значений).

3. Присутствие ионов металлов в корнеобитаемой среде приводило к изменениям содержания фотосинтетических пигментов: ионы меди и свинца стимулировали синтез пигментов, а ионов цинка и кадмия - ингибировали.

4. Исследования липидного состава показали, что в присутствии ионов металлов основные изменения происходили в структурных липидах «непластидных» мембран (ФЛ) и НЛ (запасных) липидах: под действием меди, цинка и свинца увеличивалось содержание ФХ и СТ, в то время как под действием кадмия наблюдалось их снижение.

5. Установлено, что под действием всех исследованных металлов в корневой части растений увеличивался ИН. В надземных органах ИН был более стабильным, однако менялся пул ННЖК - под действием ионов меди увеличивалось содержание моноеновых ЖК, ионов свинца и цинка - три- и полиеновых ЖК, а под действием кадмия снижалось содержание моноеновых ЖК.

Список научных трудов, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Розенцвет O.A., Богданова Е.С., Мурзаева C.B. С остав липидов и жирных кислот в листьях папоротника Matteuccia struthiopteris, формирующихся под влиянием кадмия // Труд. Кар. н. ц. РАН. 2011. № 3. С. 97-107.

2. Розенцвет О. А., Богданова Е. С., Табаленкова Г. Н., Головко Т.К., Захожий И. Г. Эколого-биохимические свойства представителей высших споровых растений Южного Тимана // Поволж. экологии, жур. 2011. № 4 (в печати).

3. Розенцвет O.A., Богданова Е.С., Макурина О.Н. Влияние ионов кадмия на качественный и количественный состав липидов и пигментов в формирующихся листьях Matteuccia struthiopteris // Вест. СамГУ. Естественнонауч. сер. 2010. Т. 80, № 6. С. 232-240.

4. Розенцвет О. А., Богданова Е. С. Влияние ионов свинца на рост, содержание и состав липидов мембран папоротника Matteuccia struthiopteris (L.) Todaro // Изв. Самаре, н. ц. РАН. 2009. Т. 11, № 1. С. 205-212.

5. Розенцвет O.A., Резанка Т., Босенко Е.С., Ужамецкая Е.А., Дембицкий В.М. Жирные кислоты, фосфолипиды и бетаиновый липид ДГТС водного папоротника Salvinia natans II Химия природ, соед. 2005. №. 4, С. 487-490.

Список научных трудов, опубликованных в других изданиях

6. Rozentsvet О. А., Guschina I. A., Bogdanova Е. S. The effect of copper and lead ions on growth and lipid composition of the fern Matteuccia struthiopteris //Bioremediation Journal. - 2012. V. 16, № 1. P. 38-47.

7. Розенцвет О. А., Богданова E. С. Сравнительное исследование действия различных концентраций ионов меди и свинца на рост и состав липидов Matteuccia sthruthiopteris (Polypodiophyta) // Физико-химические механизмы адаптации растений к антропогенному загрязнению в условиях Крайнего Севера. Тез. докл. Апапиты. 2009. С. 278-280.

8. Богданова Е.С. Влияние ионов Cu2+, Pb2+, Cd2+ на фосфолипидный состав листьев Matteuccia struthiopteris // Международная научная конференция «Регуляция роста, развития и продуктивности растений» / Минск, 2011. С. 26.

9. Богданова Е.С. Влияние кадмия на жирнокислотый состав молодых и зачаточных листьев Matteuccia struthiopteris II Экологический сборник 3: Труды молодых ученых Поволжья / Под. ред. Саксонова C.B. Тольятти, 2011. С. 20-23.

10. Богданова Е.С. Биохимическая устойчивость Matteuccia struthiopteris в условии ан тропогенной нагрузки // II Всероссийская школа-конференция молодых ученых Уфимского научного центра РАН и Волго-Уральского региона по физико-химической биологии и биотехнологии / Биомика. 2011. Т. 1, № 2. С. 20-21.

11. Богданова Е.С. Влияние кадмия на жирнокислотный состав молодых и зачаточных листьев Matteuccia struthiopteris // Третий междунар. симпоз. Клеточная сигнализация у растений / Казань. 2011. С. 18-20.

12. Богданова Е.С., Розенцвет O.A. Влияние ионов Cu2+ РЬ2+ Cd2+ на фосфолипидный состав листьев Matteuccia struthiopteris // Регуляция роста, развития и продуктивности растений / Материалы VII-й Междунар. науч. конф. Минск. 2011. С. 26-27.

13. Розенцвет O.A., Богданова Е.С. Влияние ионов Cu2+, Pb2+, Zn2+ на пигменты листьев Matteuccia struthiopteris / VII съезд общества физиологов растений России «Физиология растений - фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» Международная научная школа «Инновации в биологии для

развития биоиндустрии сельскохозяйственной продукции» Ниж. Новгород. 2011. С. 805-806.

14. Богданова Е.С. Рост и развитие лесного папоротника Matteuccia struthiopteris (L) Todaro в присутствии тяжелых металлов. Всероссийский симпозиум «Экология мегаполисов: фундаментальные основы и инновации технологии» Шк. мол. ученых по экологической физиологии растений. М. 2011. С. 33-34.

15. Богданова Е.С., Розенцвет O.A. Влияние ионов кадмия на физиолого-биохимические показатели Matteuccia struthiopteris И Пятые Любищевские чтения. Теоретические проблемы эволюции. 2010. С. 23-24.

16. Богданова Е.С., Розенцвет O.A., Мурзаева C.B. Влияние ионов кадмия на состав липидов и жирных кислот в формирующихся листьях папоротника Matteuccia struthiopteris II Всероссийский симпозиум «Растение и стресс». М. 2010. С. 65-66.

17. Богданова Е.С. Влияние ионов кадмия на состав нейтральных липидов Matteuccia struthiopteris Н Междунар. науч-практич. конф. «Физические механизмы становления и поддержания функций организма», Сухуми, 2010. С. 209-212.

18. Bogdanova E.S. Influence of ions of cadmium on physiologo-biochemical condition о f fe rn Matteuccia st ruthiopteris / / Materials of t he Fo ur Russian- Pollish School of Young Ecologists. Togliatti, 2010. P. 8-9.

19. Богданова E. С. Влияние различных концентраций ионов меди на рост и содержание липидов в клетках папоротника Matteuccia struthiopteris (L.)Todaro II Экологический сборник 2: труды молодых ученых Поволжья под ред. Проф. C.B. Саксонова. Тольятти: ИЭВБРАН, Кассандра. 2009. С. 15-21.

Подписано в печать 15.03.2012. Формат 60x84/16 Печать оперативная. Усл. п.л. 1,16. Тир. 100 экз. Заказ №318 Издательство в типографии ООО «Кассандра». 445061, Тольятти, ул. Индустриальная, 8. Т/ф (8482) 57-00

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Богданова, Елена Сергеевна, Тольятти

61 12-3/837

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт экологии Волжского бассейна РАН

ВЛИЯНИЕ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ НА СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ МАТТЕиСС1А ЗТтТНЮРТЕШЗ (Ь.) ГО ПА ко

Специальность 03.02.08 - экология (биология) Диссертация

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

На правах рукописи

Богданова Елена Сергеевна

Научный руководитель:

доктор биологических наук О. А. Розенцвет

Тольятти - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 5

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1. Обзор литературы

1.1. Экология и распространение папоротниковидных

растений (Ро1уросНор11у1а) ^

1.2. Структурно-функциональные свойства папоротников 15

1.2.1. Особенности роста листьев папоротников 15

1.2.2. Особенности фотосинтеза папоротников 17

1.2.3. Особенности липидного состава папоротников 19

1.2.4. Полезные свойства папоротников 23

1.3. Влияние ионов тяжелых металлов на растения 25 1.3.1 Поступление и накопление ионов металлов в организм 26 растений

1.3.2. Влияние тяжелых металлов на рост и развитие 28 растений

29

1.3.3. Влияние ионов тяжелых металлов на фотосинтез растений

1.3.4. Общие механизмы токсичности 31

1.3.5. Влияние ионов тяжелых металлов на клеточные 36 мембраны растений

1.3.6. Устойчивость растений к действию тяжелых металлов 39 и их использование в целях фиторемедиации

ГЛАВА 2. Материалы и методы исследования

2.1. Объекты исследования и постановка эксперимента 43

2.1.1. Растительный объект 43

3 2.1.2. Лабораторно-вегетативные опыты 44

2.2. Методы исследования 47

2.2.1. Экстракция и анализ липидов 47

2.2.2. Разделение липидов 47

2.2.3. Количественные методы анализа 48

2.2.4. Статистическая обработка материала 50

ГЛАВА 3. Результаты и их обсуждение

3.1. Влияние ионов металлов на рост и развитие

М. $1ги1Ыор1еп8 51

3.2. Накопление и распределение ионов металлов по органам

М. struthiopteris ^6

3.3. Влияние ионов металлов на содержание

фотосинтетических пигментов М. struthiopteris ^

3.3.1. Влияние ионов металлов на содержание хлорофилла

М. зХгШЫорХеггя 60

3.3.2. Влияние ионов металлов на каротиноиды

М. struthiopteris 66

3.4. Влияние ионов металлов на содержание и состав

липидов М. struthiopteris 68

3.4.1. Влияние ионов металлов на суммарные липиды

М. з1гШЫор1епз 69

3.4.2. Влияние ионов металлов на состав гликолипидов

М. 8&иШор1еп8 74

3.4.3. Влияние ионов металлов на состав фосфолипидов М. struthюpteris

3.4.4. Влияние ионов металлов на нейтральные липиды

М. struthiopteris 86

3.4.5. Влияние ионов металлов на состав жирных кислот 92

М. struthiopterгs

3.5. Специфичность функциональных и структурных изменений М. struthiopteris под действием ионов металлов

99

ВЫВОДЫ ПО

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 111

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

В - воски

ГЛ - гликолипиды

ДАГ - диацилглицерин

ДГДГ- дигалактозилдиацилглицерин

ДГТС - 1,2-диацилглицеро-3-0-4'- (К,Ы,К-триметил)гомосерин Ди - диеновые жирные кислоты ЖК - жирные кислоты

ИН - индекс ненасыщенности жирных кислот

Кар - каротиноиды

ЛФ - лизоформы фосфолипидов

МГДГ - моногалактозилдиацилглицерин

Моно - моноеновые жирные кислоты

НЖК - насыщенные жирные кислоты

НЛ - нейтральные липиды

ННЖК - ненасыщенные жирные кислоты

ПЛ - полярные липиды

ПНЖК - полиненасыщенные жирные кислоты

СЖК - свободные жирные кислоты СЛ - суммарные липиды

СП- спирты

ССК - светособирающий комплекс СТ - стерины

СХДГ - сульфохиновозилдиацилглицерин ТАГ - триацилглицерин ТМ - тяжелые металлы

Три - триеновые жирные кислоты

ТСХ - тонкослойная хроматография

Хл - хлорофилл

ФЛ - фосфолипиды

ДФГ - дифосфатидилглицерин

ФЛ - фосфолипиды

ФГ - фосфатидилглицерин

ФИ - фосфатидилинозит

ФК - фосфатидная кислота

ФС - фосфатидилсерин

ФХ - фосфатидилхолин

ФЭ - фосфатидилэтаноламин

ФС - фотосистема

ЭС - эфиры стеринов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Среди антропогенных факторов среды, негативно воздействующих на живые организмы, включая растения, особое место занимают ионы металлов (Прасад, 2003; Головко и др., 2008; Микроэлементы в окружающей среде..., 2009). Накопление ТМ в почве и воде вынуждает растения приспосабливаться к новым условиям среды за счет формирования целого ряда механизмов (Титов и др., 2007).

Важную роль в регулировании «взаимоотношений» живого организма и окружающей среды играют липиды клеточных мембран (Чиркова, 1997; 2002; Эллиот, 2002; Болдырев и др., 2006). Состав липидов оказывает влияние на такие важные процессы жизнедеятельности растений, как дыхание, фотосинтез, транспорт питательных веществ, водный режим и т.д. (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, 1991; Колесников и др., 2000; Демидчик и др., 2001; Руднева, 2001; Ипатова, 2005; Серегин, Кожевникова, 2006; Кожевникова и др., 2009; Скугорева и др., 2008; Harwood, 1994b; Maksymiec, 1997; Hall 2002; Nouairi et al, 2006; Oancea, 2006). Изучение механизмов устойчивости растений к действию ТМ проводились на травянистых и культивируемых растениях (Казнина, 2003; Костюк, 2009, Кожевникова и др., 2009). Работы по изучению устойчивости споровых растений носят единичный характер, что ограничивает развитие прикладных исследований (Konno et al., 2005). Следует подчеркнуть, что папоротники, представляют огромный интерес в изучении стратегии выживания растительных организмов, поскольку обладают эффективными приспособительными реакциями, выработанными в процессе эволюции (Рябинина, Линерова, 2004; Капранова, 2006; Dyer, 1979). Многие виды папоротников используются в пищевых и лекарственных целях, а также в декоративном оформлении городских территорий (Цапалова, 1991; Храпко, 2007; Banerjee, Sen, 1980; Bepitel et al., 2009; Lai et al., 2010; Mandai, Mondai,

2011). Некоторые папоротники способны связывать токсичные ТМ (Прасад, 2003; Lombi et al., 2002; Chang et al., 2009; Natarajan et al., 2011). В этой связи, работы экспериментального характера, посвященные исследованию влияния ионов металлов на важнейшие структурно-функциональные показатели высших споровых растений, являются актуальными.

Цель и задачи исследования. Целью работы являлся сравнительный анализ влияния ионов меди, цинка, кадмия и свинца на структурно-функциональные свойства папоротника Matteuccia struthiopteris (L.) Todaro.

В соответствии с указанной целью представлены следующие задачи:

1. Установить характер изменения ростовых процессов папоротника в ответ на воздействие ионов металлов.

2. Выявить особенности накопления и распределения ионов меди, цинка, кадмия и свинца, разных органах и отдельных частях растений.

3. Изучить влияние ионов металлов на содержание фотосинтетических пигментов в ассимилирующих органах растений.

4. Исследовать особенности изменений структурных и запасных липидов на разных стадиях развития и в разных органах в ответ на действие ионов металлов.

5. Выявить основные типы адаптивных перестроек в липидном компоненте мембран и определить их значение в устойчивости папоротников к действию ионов металлов.

Научная новизна. Впервые установлено, что растения папоротника М. struthiopteris по характеру накопления могут проявлять свойства исключателей и аккумуляторов ТМ. Показано, что из четырех видов ТМ, только ионы кадмия проникают в надземную массу. Ионы меди, цинка и свинца не обнаружены в тканях корневой и надземной частей растений. Сопоставлено действие ионов ТМ на рост и фотосинтез в зависимости от характера металла, присутствующего в корнеобитаемой среде. Установлены существенные различия в ответных реакциях мембранных и запасных

липидов в зависимости от природы металла, типа растительной ткани, стадии развития листьев.

Теоретическая значимость работы. Полученные результаты вносят существенный вклад в экологическую биохимию и физиологию растений, а также факториальную экологию. Выявленные особенности накопления тяжелых металлов, а также их влияния на клеточный метаболизм необходимо учитывать при разработке методов очистки загрязненных территорий с помощью растений, а также при использовании растений папоротника в пищевых целях.

Практическая значимость работы. Папоротник МаПеисЫа struthiopteris можно рекомендовать для использования при очистке загрязненных наземных территорий ионами ТМ. Данные диссертационной работы могут быть использованы в учебном процессе при чтении курсов лекций по физиологии и экологии растений для студентов биологических факультетов ВУЗов.

Положения, выносимые на защиту.

- Присутствие в корнеобитаемой среде ионов металлов вызывает изменение процессов роста папоротника и содержания фотосинтетических пигментов.

- М. struthiopteris обладает устойчивостью к действию меди, цинка, кадмия и свинца при концентрациях, не превышающих 100 мкМ.

- Действие ТМ на корневую систему растений приводит к изменению содержания и состава структурных и запасных липидов клетках корневой части и листового аппарата.

- По характеру М. strutЫopteris обладает двумя типами стратегии накопления ионов металлов в разных органах, реализация которого зависит от природы металла.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на II Всероссийской школе-конференции молодых ученых Уфимского научного центра РАН и Волго-Уральского региона по

физико-химической биологии и биотехнологии «Биомика наука XXI века» (Уфа, 2011), VII съезде Общества физиологов растений России «Физиология растений - фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» (Нижний Новгород, 2011), III Молодежной научной конференции «Актуальные проблемы экологии Волжского бассейна» (Тольятти, 2011), Международном симпозиуме «Клеточная сигнализация у растений» (Казань, 2011), Всероссийском симпозиуме «Растение и стресс» (Москва, 2010), Международной научно-практической конференции «Физические механизмы становления и поддержания функции организма» (Сухуми ,2010), Международной научной конференции Materials of the Four Russian-Polish School of Young Ecologists, (Togliatti, 2010), на Пятых Любищевских чтениях «Теоретические проблемы эволюции» (Тольятти, 2010), Международной научно-практической конференции «Физиологические механизмы становления и поддержания функций организма» (Абхазия, 2010), II Молодежной научной конференции «Актуальные проблемы экологии Волжского бассейна» (Тольятти, 2009), Международной научной конференции «Физико-химические механизмы адаптации растений к антропогенному загрязнению в условиях Крайнего Севера» (Апатиты, 2009).

Декларация личного участия автора. В диссертационной работе представлены результаты многолетних исследований (2005-2011 гг.), автор лично принимал участие в сборе материала, постановке лабораторных экспериментов их анализа и статистической обработки.

Публикации. Общее число опубликованных работ составляет 29, по материалам диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 5 статьи в центральных научных журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературных данных (глава 1), материалов и методов исследования (глава 2), результатов (глава 3) и их обсуждения, выводов, списка

литературы. Библиографический указатель включает 236 источников, из них 144 на иностранных языках. Работа изложена на 137 страницах, содержит 10 таблиц и 25 рисунков.

Благодарности. Автор данной работы выражает большую признательность и благодарит за помощь и ценные советы научного руководителя д.б.н. Розенцвет O.A., а также всех сотрудников лаборатории «Экология и биохимия» за поддержку и помощь в обработки материала. Автор благодарит Саксонова C.B. за помощь при сборе биологического материала.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Экология и распространение папоротниковидных растений (Polypodiophyta)

Папоротники отдела Polypodiophyta и родственные им таксоны были одними из первых растений, появившихся в процессе эволюции высших растений, и оставались доминирующими группами в течение миллионов лет. Возраст самых древних ископаемых папоротников датируется 400 миллионами лет, они возникли задолго до появления голосеменных и цветковых растений (Biology and Evolution..., 2008). За время существования папоротников на Земле различные эволюционные группы претерпевали эволюционный рассвет в зависимости от условий среды (Еленевский и др., 2004; Растения, 2006; Holttum, 1973; Dyer, 1979; Dunkan, Isaac, 1996:).

Число папоротникообразных составляет более 10 000 видов и около 300 родов. Среди сосудистых споровых растений, которым также относятся плауны и хвощи, Polypodiophyta или птеридофиты оказались самой жизнеспособной группой растений (Флора..., 1974).

На сегодняшний момент отдел Polypodiophyta делится на четыре класса, которые представлены Psilotopsida, Equisetopsida, Marattiopsida, Polypodiopsida (Флора..., 1974). В современном растительном покрове Земли они играют скромную роль (Капранова, 2006). Тем не менее, они широко распространены, и существует достаточно мест, где эти растения основывают лесообразование (Рябинина, Линерова, 2004).

Папоротники приспособились к широкому разнообразию местообитаний и приобрели разнообразные жизненные стратегии. Большинство видов этих растений являются наземными, вечнозелеными или листопадными многолетниками, однако среди них встречаются и водные представители (Гуреева, 1990; Растения, 2006).

Основной экологический фактор среды, формирующий жизненные формы растений, это, безусловно, климат и, чем экстремальнее условия обитания, тем изобретательнее растения в комплексе приспособлений к условиям среды. Основное разнообразие папоротников сосредоточенно во влажных тропических и умеренно дождевых лесах. Из-за отсутствия сухого сезона тропические леса отличаются хорошо увлажненными почвами и постоянной температурой окружающей среды. Это отличные условия для расселения растений, которым для завершения жизненного цикла необходима капельно-жидкая среда, к числу которых относятся папоротники (Рейвн и др., 1990; Растения, 2006).

В тропических регионах флора изобилует эпифитами (ЬапсИ, Angiolini, 2010). Эти растения предпочитают селиться на стволах или листьях деревьев. Все необходимое они получают из окружающей среды или из тела растения-хозяина СагёеШБ, 2009). В процессе адаптации к условиям

существования у растений выработались интересные способы приспособления для улавливания воды и минеральных веществ. Например, у некоторых видов эпифитов, образуются длинные висячие придаточные корни, которые проникают в почву и доставляют из нее воду и минеральные вещества. Настоящие эпифиты получают все из воздуха, сплетая корни, образуются гнезда, куда накапливаются пыль и отпавшие листья, таким образом, создается почва для питающих корней или имеются, так называемые, нишевые листья, образующие на стволе нишу, в которой также создается почва. У некоторых растений листья образуют воронку, в которой скапливается вода, всасываемая волосками на внутренней поверхности листьев. Экономное расходование влаги свойственно ксерофитам за счет толстой кутикулы или сильного опушения листьев. Эпифиты отлично растут и в горных влажных холодных областях. Среди эпифитных папоротников встречаются теневыносливые и световыносливые растения. К солнечным эпифитам относится род Руггояга, у которого наряду с обычными

ксероморфными признаками листа произошло усложнение анатомической структуры тканей и перестройка обмена веществ на физиологическом уровне (Biology and Evolution..., 2008; Mehltreter et al., 2010).

В тропических лесах контраст между экологией верхнего и нижнего ярусов очень большой. Нижние ярусы характеризуются крайне низкой освещенностью и избыточной влажностью, но и здесь существует немало папоротников, например лианы. Они редко выходят из подлеска, но есть некоторые виды, способные добираться до средних ярусов или подниматься на высоту 30 м (Dyer, 1979; Dunkan, Isaac, 1996).

Чем дальше от экватора, тем реже выпадают осадки, климат становится сезонно сухим, с чередованием сухого и дождливого периодов. В этом климате живут эпифиты с зеленым корневищем. Особенностью этих растений является наличие мясистого корневища с плотным покровом из волосков и чешуек, а также кармашковидные покрывальца, в которых «утоплены» сорусы, ими трудный период переживется иначе: сбрасываются почти все листья и растения живут за счет ассимилирующего толстого корневища (Капранова, 2006).

У некоторых видов растений, произрастающих в сезонно-сухом климате, эволюционным приобретением являются тканевые образования или сочленения, обладающие разделительным слоем, по которому лист отделяется от корневища, или сегмент листа от рахиса. В сухой сезон в целях снижения транспирации и экономии влаги папоротники сбрасывают часть листьев в местах сочленений (Капранова, 2006).

Пустыни, полупустыни и саванны, места, с высоким уровнем инсоляции, где дождей не бывает по много месяцев, а иногда и лет, населены папоротниками, которые нашли способ выжить и закрепиться как вид. С целью свести к минимуму поглощение тепла и избыточную транспирацию, этим папоротникам присущ не только многофункциональный волосяной и чешуйчатый покров, но и восковой налет, выделяемый специальными

железистыми волосками, эффективно снижающий испарение. Но главное приобретение в эволюции этих папоротников - это новые формы поведения в онтогенезе. В период засухи они спосо