Влияние разного уровня техногенного засоления на некоторые показатели обмена веществ растений

Современный техногенез и, в частности, добыча полезных ископаемых сопровождаются рядом отрицательных последствий, оказывающих влияние на все компоненты ландшафта. В результате антропогенного прессинга происходит нарушение почвеннорастительного покрова, что наблюдается, в частности, в зоне солеотвалов Верхнекамского месторождения солей, где добывается минеральное сырье для магниевого производства, получения калийных удобрений, технической и пищевой соли. Основным компонентом отходов является хлорид натрия. Около солеотвалов произрастают травяные растения, адаптировавшиеся к засоленной среде (Еремченко, Лымарь, Орлова, 2005; Еремченко, Лымарь, 2007).

Значимость эколого-биохимических исследований в этом направлении связана с недостаточной изученностью экосистем, формирующихся в условиях промышленного производства и добычи минерального сырья.

Действие техногенного солевого стресса снижает не только продуктивность, но и биоразнообразие фитоценозов. Как отмечают В.С. Никитина и М.М. Абдуллин (2009) в условиях техногенной нагрузки изменения в содержании вторичных метаболитов и, в частности, фенольных соединений, могут служить биоиндикатором состояния растений и среды их обитания. Накапливаясь в органах растений в ответ на действие стрессовых факторов, они повышают устойчивость организмов к влиянию таких неблагоприятных факторов среды, как ионизирующее излучение, засоление, низкие положительные температуры и др. (Запрометов, 1993).

В зависимости от концентрации, пространственной изомерии и формы они могут проявлять свое действие как ингибиторы или стимуляторы ростовых процессов растений (Кефели, 1978). Оказывая влияние на проницаемость мембран для ионов и активность мембраносвязанных ферментов, они вызывают изменения в энергетических и метаболических процессах (Simagina, Glumova, 2008). Кроме того, фенольные соединения проявляют антиоксидантные свойства, связывая активные формы кислорода и другие свободные радикалы, возникающие при действии стрессовых факторов (Загоскина и др., 2007).

Действие срессовых факторов среды приводит к таким структурным и функциональным изменениям организмов, которые направлены на поддержание их жизнедеятельности в новых условиях. В значительной степени это поддержание определяется взаимной сопряженностью процессов синтеза и распада за счет механизмов саморегуляции на разных уровнях организации живого. Среди этих механизмов существенную роль играют приспособительные изменения в обмене макромолекул, связанные с деятельностью генетического аппарата. Процессы, происходящие на уровне транскрипции и трансляции, деградации биополимеров и взаимодействий разных компартментов клетки, быстро реагируют на стрессовые изменения условий среды (Блехман, Шеламова, 1992).

В связи с этим целью нашей работы явилось изучение влияния антропогенного засоления на содержание РНК и фенольных соединений в растениях.

Методика исследований

Объектами исследований являлись растения, принадлежащие к различным экологическим группам: гликофиты – донник желтый ( Melilotus officinalis (L.) Pall., одуванчик Остенфельда ( Taraxacum ostenfeldii Raunk.), мать-и-мачеха обыкновенная ( Tussilago farfara L.) и галофит молокан татарский ( Lactuca tatarica (L.) C.A. Mey.), встречающиеся как в зоне устойчивого засоления (на расстоянии 1–5 м

от солеотвала, так и на удалении от складирования отходов (50–70 м) – зона неустойчивого засоления. Пробы для анализов были взяты в июне 2009 г. в районе солеотвалов г. Соликамска.

Определение РНК проводили по методу Волгина и Партье, основанному на свойстве пуриновых и пиримидиновых оснований интенсивно поглощать ультрафиолетовые лучи в зоне 270 ммк (Ермаков и др., 1987).

Фракционирование фенольных соединений проводили по методу М.Н. Запрометова (1971). Он основан на различной растворимости фенольных соединений в органических растворителях. Первую фракцию экстрагировали серным эфиром, вторую – этилацетатом, третью – этиловым спиртом. Экстракцию проводили на холоде до полного извлечения фенолов.

Определение фенольных соединений проводили по методу Левенталя. Он основан на легкой окисляемости фенольных соединений перманганатом калия на холоде в присутствии индикатора индигокармина.

Была проведена статистическая обработка результатов, определена достоверность различий между контрольным и опытным вариантами при 95%-ном уровне значимости.

Результаты и их обсуждение

Засоление корневой среды является многофакторным воздействием, вызывающим значительные изменения физиолого-биохимических процессов в растениях. Как отмечают И.Л. Радюкина и др. (2007), устойчивость гликофитов и галофитов в основном определяется одними и теми же протекторными механизмами. Но наблюдаемые различия в толерантности этих двух групп растений к стресс-факторам зависят от многообразия регуляторных механизмов и обусловлены сложной системой регуляции экспрессии стресс-зависимых генов (Dajic, 2006).

Интенсивность и направленность внутриклеточных биохимических процессов в значительной мере регулируются нуклеиновыми кислотами. Изучение нуклеинового обмена имеет особое значение в связи с выяснением механизмов адаптации растительных организмов к высоким концентрациям солей, в том числе, к техногенному засолению.

Нами исследовалось влияние техногенных солей на содержание РНК в листьях и корнях растений. Как показали опытные данные, устойчивое техногенное засоление по сравнению с неустойчивым вызвало более значительное снижение количества РНК как в листьях, так и в корнях у одуванчика Остенфельда, обладающего более высоким конститутивным уровнем РНК по сравнению с другими видами (рис. 1).

Уменьшение содержания РНК в условиях действия техногенных солей свидетельствует о пере- ходе метаболизма на более низкий уровень. По-видимому, это является защитно-приспособительной реакцией растений на неблагоприятные условия. Как отмечают Г.В. Удовенко и Л.А. Чудинова (1986), при высоком содержании хлоридов в почве наблюдается значительное повышение активности фермента РНК-азы, с деятельностью которой связан распад РНК. Другой вероятной причиной снижения нуклеиновых кислот в клетке при засолении может быть снижение их синтеза. Это связано с тем, что избыток засоляющих ионов подавляет активность ферментов биосинтеза нуклеиновых кислот.

Листья

Корни

• □ неустойчивое засоление □ устойчивое засоление

Рис. 1 . Содержание РНК в листьях и корнях растений, (мг на 1 г сухой массы):

• 1    – донник желтый; 2 – одуванчик Остенфельда; 3 – мать-и-мачеха обыкновенная; 4 – молокан татарский

Устойчивое техногенное засоление существенно не повлияло на содержание РНК у таких видов, как галофит молокан татарский и гликофит мать-и-мачеха обыкновенная. Сравнивая количество РНК в органах растений в условиях разного уровня засоления, можно отметить, что техногенные соли в большей степени оказали ингибирующее влияние на содержание РНК в листьях по сравнению с корнями.

Как отмечают Е.И. Ценов, В.В. Кабанов, Б.П. Строгонов (1983), уменьшение синтеза РНК под действием высоких концентраций хлорида натрия может быть связано с уменьшением активности рибосом при повышении ионной силы раствора.

В адаптации растений к техногенному засолению важная роль принадлежит веществам фенольной природы, которые являются уникальными вторичными метаболитами. Они обладают широким биологическим действием, регулируют ряд внутриклеточных процессов, оказывают влияние на синтез белков и нуклеиновых кислот (Антонюк, Косян, Таран, 2009; Никитина, Абдуллин, 2009).

При изменении условий среды и, в частности, при воздействии техногенного засоления в составе фенольного комплекса происходят определенные изменения. Результаты наших исследований показали, что под влиянием устойчивого техногенного засоления в листьях всех изученных растений, независимо от уровня их конститутивной солеустой-чивости, произошло снижение суммарного количества фенольных соединений по сравнению с зоной неустойчивого засоления (рис. 2).

Листья

Корни

□ неустойчивое засоление □ устойчивое засоление

Рис. 2 . Общее содержание фенольных соединений в листьях и корнях растений (мг на 1 г сухой массы):

1 – донник желтый; 2 – одуванчик Остенфельда; 3 – мать-и-мачеха обыкновенная; 4 – молокан татарский

Вероятно, это связано с тем, что под влиянием техногенных солей происходит уменьшение активности ферментов биосинтеза фенольных соединений. В большей степени это проявилось в листьях гликофита донника желтого, характеризующегося более низкой солеустойчивостью по сравнению с другими видами. Устойчивое засоление менее значительно отразилось на содержании фенольных соединений в корнях у соленакапливающего галофита молокана татарского. В основе солеустойчивости этого растения лежит выраженная солеаккумулирующая способность. Молокан татарский накапливает свободные ионы натрия для создания повышенного осмотического давления клеточного сока.

В отличие от галофита молокана татарского у исследуемых гликофитов отсутствуют эволюционно сложившиеся механизмы солеустойчивости. Их адаптация, по-видимому, идет за счет эффективных неспецифических механизмов засухоустойчивости. Важной ее характеристикой, также как и солеустойчивости, является способность к осморегуляции (Hare, Cress, Van Staden, 1998).

Как и соленепроницаемые галофиты, гликофиты стремятся снизить накопление засоляющих ионов, затрачивая большое количество энергии, что- бы противостоять накоплению солей в организме. Фенольные соединения могут использоваться этими растениями в качестве субстрата для дыхания, повышая тем самым их энергообеспеченность (Филатова, Еремченко, Кусакина, 2009).

Кроме общего содержания, нами определялся фракционный состав фенольных соединений – эфирная, этилацетатная и спиртовая фракции (рис. 3).

Эфирная фракция

Этилацетатная фракция

□ неустойчивое засоление □ устойчивое засоление

Рис. 3 . Содержание фенольных соединений разных фракций в листьях растений (мг на 1 г сухой массы):

1 – донник желтый; 2 – одуванчик Остенфельда; 3 – мать-и-мачеха обыкновенная; 4 – молокан татарский

Проведенные исследования показали, что гликофит одуванчик Остенфельда отличался более высоким уровнем фенольных соединений эфирной фракции по сравнению с другими растениями. Таким образом, высокий конститутивный уровень фенолов у одуванчика в значительной степени обусловлен эфирорастворимыми формами.

В состав эфирной фракции фенольных соединений входят такие кислоты, как кофейная, феруловая, синаповая, n-оксикоричная и др. Их характерной особенностью является способность к цистранс-изомерии. Цис-формы стимулируют рост растений, а транс-формы или не оказывают влияния на этот процесс, или подавляют его. Цисформы оксикоричных кислот, запасая некоторое количество энергии, играют важную роль в метаболизме и адаптации растений к действию неблагоприятных факторов (Запрометов, 1993).

Усиление техногенного засоления вызвало несколько большее снижение фенольных соединений эфирной фракции у донника и одуванчика. Как отмечает Т.В. Ряховская (1973), избыток в питательной среде солей натрия способствует накоплению эфирорастворимых форм при заметном снижении гликозидов этилацетатной фракции. Техногенные соли существенно не повлияли на количество этих соединений в листьях мать-и-мачехи, однако в корнях у данного вида произош- ло уменьшение количества фенолов этилацетатной фракции. Этилацетатная фракция включает в свой состав такие соединения, как лейкоантоцианы, гликозиды флавонолов, хлорогеновая кислота и др. Более высокий уровень фенольных соединений этой фракции характерен для донника желтого по сравнению с другими видами.

В состав спиртовой фракции входят такие соединения, как флавоноиды, гликозиды, конденсированные дубильные вещества и другие соединения, разнообразные по своему физиологическому воздействию. Как показали наши исследования, техногенное засоление не оказало существенного влияния на количество фенольных соединений спиртовой фракции. Аналогичные данные были получены В.С. Никитиным и М.Н. Абдуллиным (2009). Они также отмечают, что изменение количественного состава фенольного комплекса под влиянием стрессовых факторов среды в большей степени происходит за счет водной и эфирной фракции. Таким образом, в осуществлении приспособительных функций фенольных соединений роль отдельных фракций неравноценна.

Выявленные изменения в содержании РНК и фенольных соединений свидетельствуют о мобилизации защитных сил растительных организмов в условиях повышенного техногенного засоления корневой среды.