Роль железосодержащих оксидаз в адаптации древесных растений к факторам городской среды (на примере города Саратова)

В последнее время в городах все более актуальными становятся вопросы, связанные с ростом, развитием и функционированием зеленых насаждений, роль которых в урбанизированной среде очень велика. Они смягчают климатические особенности города, способствуют повышению ионизации воздуха, выполняют противошу-мовый эффект. Кроме того, все растительные организмы работают как своеобразные живые фильтры, поглощающие из воздуха пыль и всевозможные химические загрязнения [1]. В условиях городской среды растения постоянно испытывают негативное воздействие, что сказывается на их росте, развитии и функциональной активности. Особо ценную информацию в плане изучения механизмов адаптации к условиям техногенной среды представляют древесные растения, преимущества которых перед другими объектами заключаются в том, что они являются многолетними. Это позволяет отслеживать отдаленные последствия воздействия загрязняющих веществ, определять характер изменения при длительном их воздействии.

Наиболее часто при изучении устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды учитывается активность антиоксидантных

Шайденко Илья Сергеевич, студент ферментов, которые либо предотвращают образование активных форм кислорода (АФК), либо разрушают их. Большое количество АФК в клетках растений может привести к окислительному стрессу. В настоящее время к числу АФК относят производные кислорода радикальной природы (супероксид-радикал (анион-радикал), гидропе-рекисный радикал, гидроксил-радикал), а также его реактивные производные (перекись водорода, синглетный кислород и пероксинитрит) [2]. Образование и быструю диффузию через мембраны перекиси водорода в последние годы рассматривают как проявление сигнальной функции, а именно как вторичный мессенджер при трансдукции стрессорного сигнала, включающего индукцию синтеза ферментов-антиоксидантов [3]. Одними из наиболее важных антиоксилантых ферментов являются железосодержащие оксидазы – пероксидаза и каталаза.

Пероксидаза (КФ 1.11.1.7) в присутствии перекиси водорода катализирует окисление различных органических и неорганических соединений. За счет каталазы (КФ 1.11.1.6) в основном происходит восстановление перекеси водорода, образующейся в частности в реакциях дисмута-ции супероксиданион-радикала, до воды. Оба фермента для проявления своих функций нуждаются в достаточно высоких концентрациях перекиси водорода [4].

Цель работы: исследование активности пероксидазы и каталазы в листьях Betula pendula и Populus pyramidalis под влиянием различных факторов городской среды.

Материалы и методы. Из материалов Доклада «О состоянии и об охране окружающей среды Саратовской области в 2015 году» [5] г. Саратов отличают высокий и неоднородный уровень техногенного загрязнения (в качестве веществ - загрязнителей атмосферы фиксируют формальдегид, диоксид азота, оксиды углерода и серы, аммиак и др.). Для проведения исследования нами были выбраны участки, расположенные в местах оживленного транспортного движения, вблизи крупных промышленных предприятий (на территориях санитарно-защитных зон) и в местах массового отдыха горожан. Участки исследования находились в различных административных районах города. В качестве фонового участка использовался район села Усовка Воскресенского района, находящийся в 50 км от г.Саратова в северном направлении.

Материалом исследования являлись листья Betula pendula и Populus pyramidalis , которые отбирались по окружности кроны деревьев на высоте 1,5 м. Сборы листьев проводились в одно и то же время суток (в период от 11.00 до 14.00) в ясную погоду. Выборку листьев каждого изучаемого вида делали с 10 близко расположенных деревьев на площади 10×10 м или на аллее длиной 30-40 м. Всего собиралось не менее 25 листьев среднего размера с одного растения. Использовались только средневозрастные растения, исключались молодые и старые [6]. Исследование проводилось в начале (апрель – май) и конце (сентябрь – октябрь) нескольких вегетационных периодов (2010 – 2016 гг).

Активость пероксидазы в листьях древесных растений определяли с помощью фотометрического метода по окислению бензидина [7]. Активность каталазы определяли титриметрическим методом. Единица измерения активности каталазы согласно этому методу представляет собой мкмоль Н2О2, разлагаемой 1 г исследуемого вещества в течение 1 минуты [8]. Статистическую обработку экспериментальных данных проводили по общепринятым методикам с использованием t-критерия Стьюдента [9]. Расчёт результатов осуществляли с применением пакета прикладных программ Statistica 6.0 (for Windows; «Stat Soft Inc.», США), Microsoft Еxcel 2007 (for Windows XP).

Результаты исследования и их обсуждение. Обобщение данных различных вегетационных периодов (2010-2016 гг.) позволяет нам говорить о вполне отчетливо выраженном характере временной динамики содержания пероксидазы в листьях B. pendula и P. piramidalis . В начале вегетационного периода (первая-вторая декада мая) содержание этого фермента достигает весеннего максимума, как в листьях березы, так и в листьях тополя, что соответствует активным ростовым и метаболическим процессам в формирующихся листовых пластинках (рис. 1). Наиболее высокие показатели активности пероксидазы в мае в листьях B. pendula были зафиксированы на участках, являющихся крупными транспортными узлами города, для которых характерно максимальное скопление автотранспорта в течение дня. Растения в этих районах испытывают постоянное негативное воздействие выхлопных газов автомобилей, которые содержат СO 2 , SO 2 , NO 2 , являющиеся кислыми газами. Как известно, кислые газы на свету инициируют возникновение свободно радикальных цепных реакций окисления, в ходе которых образуются органические перекиси [10]. Образование и накопление последних, по-видимому, обусловливает субстратную активацию пероксидазы, которая при каталитическом действии может использовать органические перекиси в качестве источника активного кислорода. Известно, что с повышением активности пероксидазы усиливаются ее оксидазные свойства, следовательно, в условиях действия может преобладать функционирование пероксидазы как терминальной оксидазы. Вероятно, что в этих условиях при ингибировании других оксидаз происходит адаптивная перестройка окислительного аппарата, препятствующая нарушению дыхательного процесса.

а)

б)

Рис. 1. Активность пероксидазы в листьях Betula pendula (а) и Populus pyramidalis (б), произрастающих в районах г.Саратова с различной степенью антропогенной нагрузки:

1 – районы городских автомагистралей; 2 – районы СЗЗ предприятий;

3 – районы рекреационных зон; 4 – фоновая территория

У P. piramidalis в начале вегетационного периода наибольшей активностью фермента обладали деревья, произрастающие в зоне влияния крупных химических предприятий г. Саратова. Скорее всего, увеличение активности пероксидазы на этих участках обусловлено выбросами предприятий, среди которых в большом количестве содержатся органические соединения, являющиеся хорошими субстратами для пероксидазы. Выбросы автотранспорта существенного значения на активность пероксидазы в листьях тополей не оказывали. Следует отметить, что по сравнению с березой тополи с начала вегетационного периода обладают повышенной активностью фермента: активность пероксидазы у тополей в 10 раз превышает активность этого же фермента у березы.

В конце вегетационного периода (первая-вторая декада сентября) в листьях березы отмечается обратное изменение активности пероксидазы – в тех районах, где она была повышенной в мае, в сентябре становится пониженной, и наоборот. В целом, активность пероксидазы в листьях березы за вегетационный период понижается в 7 раз. Это можно объяснить тем, что растения, произрастающие в условиях постоянного воздействия автомобильного транспорта, в течение всего вегетационного периода находятся в состоянии стресса. В результате их адаптационные способности, обусловленные активацией оксидаз, оказываются сведенными до минимума. Кроме того, следует учитывать, что в конце вегетационного периода метаболическая активность растений угасает, и они готовятся к периоду зимнего покоя.

В листьях тополей в конце вегетационного периода отмечается, наоборот, небольшое увеличение пероксидазной активности, что свидетельствует об их устойчивом характере приспособления к негативным факторам. В конце вегетаци- онного периода пероксидазная активность в листьях тополя в 87 раз превышает таковую в листьях березы. Это свидетельствует о том, что тополи являются более устойчивыми к негативным факторам городской среды, и, следовательно, обладают относительно высокими адаптационными способностями. Кроме того, следует отметить, что растения с повышенной пероксидазной активностью характеризуются и повышенной фотосинтетической активностью, что имеет важное значение для создания биологической продукции [10].

Активность каталазы в листьях Betula pendula и Populus pyramidalis в городских условиях в течение вегетационного периода практически оставалась без изменения, несмотря на то, что тополи являются более устойчивыми видами и обладают повышенной каталазной активностью [11]. На фоновой территории прослеживалось статистически достоверное отличие активности фермента у исследуемых растений: тополя обладали более высокими значениями данного параметра, как в начале, так и в конце вегетационного периода. Однако по сравнению с фоновой территорией активность каталазы для берез, произрастающих в городе, в среднем в 1,5 раза (в начале вегетационного периода) и в 2 раза (в конце вегетационного периода) была ниже, что свидетельствует о негативном влиянии факторов городской среды на рост и развитие растения. Аналогичная ситуация отмечалась и у тополей. В этом случае активность фермента в начале вегетационного периода в 2 раза, а в конце периода – в 3 раза была ниже в городских условиях (рис. 2).

Изменение каталазной активности во многом связано с биологической особенностью вида и является до некоторой степени показателем реакции растительного организма на комплекс экологических воздействий. Оптимум действия каталазы наблюдается при рН 6,5, в более кислых или щелочных средах активность фермента уменьшается [12]. В нашем случае деревья произрастают в условиях постоянного воздействия выхлопных газов автомобилей, которые создают подкисленную среду, или находятся под влиянием выбросов предприятий, содержащих органические вещества, что и приводит к снижению активности фермента по сравнению с фоновой территорией. Немаловажную роль играет длительность воздействия неблагоприятных факторов: чем дольше воздействие, тем менее активен фермент. Поскольку длительное воздействие высоких концентраций загрязняющих веществ может привести к окислительному повреждению фермента, происходит понижение его активности в связи с накоплением большого количества перекиси.

а)

б)

Рис. 2. Активность каталазы в листьях Betula pendula (а) и Populus pyramidalis (б), произрастающих в районах г.Саратова с различной степенью антропогенной нагрузки:

1 – районы городских автомагистралей; 2 – районы СЗЗ предприятий;

3 – районы рекреационных зон; 4 – фоновая территория

Изменение в свойствах фермента может быть понятно только в общей картине приспособлений всех метаболических реакций клетки к стрессу, т.е. имеют адаптационный характер и дают возможность противостоять неблагоприятным условиям среды. Ряд исследователей отмечали, что изменение активности каталазы у различных видов растений сопровождается активацией пероксидазы [13]. Выше нами было показано, что для древесных растений, произрастающих в г. Саратове характерно повышенное значение пероксидазной активности. Возможно, что повышение активности одного антиоксидантного фермента – пероксидазы сопровождается ингибированием активности другого – каталазы. На фоновой территории деревья произрастают в относительно чистых условиях и не испытывают прямого негативного влияния городской среды. В результате метаболические процессы протекают в обычном ритме, деревья не находятся в угнетенном состоянии, активность изучаемого фермента оказывается более высокой по сравнению с городскими условиями.

Выводы: изменение активности железосодержащих оксидаз (пероксидазы и каталазы) свидетельствует о сложных процессах адаптации Betula pendula и Populus pyramidalis к неблагоприятным факторам городской среды. В течение всего вегетационного периода древесные растения пытаются противостоять неблагоприятным условиям городской среды за счет активации пероксидазы. К концу вегетационного периода у B. pendula активность данного фермента оказывается пониженной, что свидетельствует о снижение адаптационных способностей растения. У P. piramidalis, наоборот, отмечается небольшое увеличение пероксидазной активности, что свидетельствует об их устойчивом характере приспособления к негативным факторам городской среды. Каталазная активность у обоих видов исследуемых древесных растений, произрастающих в городе, в течение вегетационного периода характеризовалась низкими значениями, что свидетельствует о пониженных адаптационных возможностях и Betula pendula, и Populus pyra-midalis по данному показателю, несмотря на то, что тополя являются более устойчивыми к негативным факторам. Изменение активности пероксидазы и каталазы может являться диагностическим признаком толерантности растений к нагрузкам городской среды.