Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Урбанизированные территории испытывают антропогенное давление многочисленных факторов, среди которых преобладающую роль играют промышленные предприятия и транспорт. В окрестностях локальных источников загрязнения повреждение растений может привести к полной деградации природных комплексов [7].

Как известно, поллютанты (в том числе тяжелые металлы) инициируют развитие в клетках живых организмов окислительного стресса, обязательным условием возникновения которого является избыточное образование активных форм кислорода (АФК), таких как супероксид-радикал (анион-радикал) О₂•-, гидроперекисный радикал НО₂•, гидроксил-радикал НО•, перекись водорода Н₂О₂, синглетный кислород 1О₂ [10]. В результате повышенной генерации АФК в клетках может произойти окисление липидов, углеводов, белков, повреждение ДНК и РНК, дезорганизация цитоскелета [5].

Несмотря на имеющиеся в научной литературе данные об индукции образования АФК под действием различных абиотических факторов, многие особенности механизма развития окислительного стресса в техногенных условиях остаются неясными. Это, в первую очередь, касается выяснения видоспецифических особенностей протекания окислительного стресса. На основании вышеизложенного было организовано исследование, целью которого являлось изучение комплекса физиолого-биохимических показателей древесных растений, произрастающих в условиях промышленного загрязнения, в связи с инициируемым окислительным стрессом.

Материалы и методы исследования

В качестве объектов исследования были выбраны 7 преобладающих в условиях урбоэкосистем видов древесных растений: Sorbus aucuparia L., Betula pendula Roth., Populus nigra L., Tilia cordata Miller., Acer platanoides L., Aesculus hippocastanum L., Larix sibirica Ledeb. Листья растений отбирали с ветвей 1-2 года жизни на расстоянии 2-3 метров от поверхности грунта по периметру кроны деревьев типичного габитуса одного возраста. Пробоотбор проводили на территории 3-х  постоянных модельных площадок, различающихся по уровню загрязненности почвенного покрова тяжелыми металлами (табл. 1).

Содержания перекиси водорода в листьях определяли по методу, основанному на образовании окрашенного комплекса пероксида титана [6]. Оценка степени перекисного окисления липидов (ПОЛ) была проведена по методу, основанному на определении количества соединений, взаимодействующих с тиобарбитуровой кислотой в пересчете на малоновый диальдегид (МДА) [8]. Содержание фотосинтетических пигментов (хлорофиллов a, b и каротиноидов) определяли спектрофотометрически в этанольных экстрактах [9].

Таблица 1

Геохимическая характеристика модельных площадок [2]

Примечания:

* - группа элементов, обнаруживаемая в изучаемом объекте в количестве, отличном от критериального (фонового) уровня;

** - суммарный показатель загрязнения (Zc) - аддитивная сумма превышений коэффициентов концентраций химических элементов над критериальным (фоновым) уровнем.

Каждый опыт проводили в трех биологических по три аналитические повторности. Статистическую обработку данных осуществляли с помощью пакета прикладных компьютерных программ MS Excel 2003 и SigmaStat 3.1. В таблицах и на рисунках представлены средние арифметические значения определяемых величин и их стандартные ошибки (Р > 0,95).

Результаты исследования и их обсуждение

Перекись водорода является относительно стабильным соединением (время жизни около 1 мс), способным диффундировать от места образования [3]. Проведенное исследование показало, что ее содержание в листьях в контроле колебалось в пределах от 0,018 ± 0,004 до 0,104 ± 0,010 ммоль/г сырой массы (рис. 1). При этом наибольший уровень данной АФК был обнаружен в листьях Ac. platanoides, наименьший - у P. nigra. Различные поллютанты, в том числе тяжелые металлы, могут способствовать избыточной генерации в клеточных компартментах H2O2. В результате проведенного исследования установлено, что в листьях P. nigra, T. cordata и B. pendula, произрастающих в условиях промышленного загрязнения, содержание перекиси было соответственно в -2,5, 1,8-2,5 и 1,5 раза больше, чем в контроле.

Рис. 1. Содержание перекиси водорода в листьях древесных растений

Известно, что перекись водорода, генерирующаяся в стрессовых условиях, способна вызвать широкий спектр повреждений [5]. При этом одной из основных мишеней действия H2O2, как и других АФК, являются липиды. Проведенное исследование показало, что содержание МДА, являющегося продуктом перекисного окисления фосфолипидов мембран, в листьях контрольных растений определялось видовой принадлежностью (рис. 2). В целом конститутивный уровень МДА находился в пределах от 0,48 ± 0,14 до 2,47 ± 0,22 нмоль/г сырой массы в зависимости от вида растения. Высоким конститутивным уровнем диальдегида характеризовались листья Ac. platanoides, превышающим таковой показатель для других видов в 2-5 раз. Наименьший конститутивный уровень МДА был характерен для листьев B. pendula (0,48 ± 0,14 нмоль/г сырой массы).

Выше было показано, что произрастание древесных растений в условиях промышленного загрязнения приводит к изменению количества H₂O₂ в их тканях (см. рис. 1). Содержание малонового диальдегида также варьировалось в зависимости от вида и точки произрастания. В частности, уровень МДА был выше контрольного значения в среднем на 35 %, на 27-45 % и в 2 раза соответственно, в листьях P. nigra, T. cordata и B. pendula. По-видимому, генерация перекиси в листьях древесных растений обусловливала увеличение интенсивности ПОЛ, диагностируемое по возрастанию количества МДА. Данное предположение подтвердилось рассчитанными положительными коэффициентами корреляции в паре признаков «H2O2-МДА», равными 0,98 (B. pendula), 0,88 (P. igra) и 0,5 (T. cordata). Таким образом, для клеток P. nigra, B. pendula и T. cordata, произрастающих в условиях промышленного загрязнения, было характерным развитие окислительного стресса.

Рис. 2. Содержание малонового диальдегида (МДА) в листьях древесных растений

Кроме того, в результате проведенного исследования были выявлены виды древесных растений, в листьях которых интенсивность окислительных процессов снижалась в условиях техногенно загрязненной среды. В частности, в листьях Ac. platanoides, L. sibirica и S. aucuparia количество МДА было меньше в среднем в 2,7,2 раза и на 30 % соответственно чем в контроле. Реакция A. hippocastanum значительно отличалась от других видов. Содержание МДА в листьях этого растения, произрастающего в условиях I точки пробоотбора, значительно превосходило контрольные величины (в 3,5 раза). Однако в условиях II точки пробоотбора происходило снижение количества МДА на 42 %. Данное обстоятельство может быть связано с индивидуальными метаболическими перестройками A. hippocastanum, происходящими в результате воздействия поллютантов.

Известно, что интенсификация процессов ПОЛ, обусловленная воздействием поллютантов, может негативно сказываться на метаболизме растений. Хлоропласты являются мощными источниками АФК, что связано с перевосстановлением и перевозбуждением антенных комплексов в результате дисбаланса между поглощением квантов световой энергии и возможностью ее реализации в фотосинтезе [4]. В соответствии с этим одним из наиболее чувствительных к техногенному загрязнению аппаратов растений является фотосинтетический, критическим для функционирования которого является количество пигментов и соотношение их разных групп.

Проведенное исследование показало, что виды древесных растений значительно различались по количеству пигментов. Содержание хлорофилла а колебалось в пределах от 1,89 ± 0,23 до 4,76 ± 0,67 мг/г, хлорофилла b - от 0,76 ± 0,16 до 1,83 ± 0,13 мг/г сырой массы (табл. 2). При этом максимальным конститутивным уровнем хлорофилла а и b характеризовались листья A. hippocastanum, минимальным - P. nigra. Содержание каротиноидов также сильно варьировало - от 0,43 ± 0,11 мг/г в листьях P. nigra до 1,07 ± 0,11 мг/г у A. hippocastanum (см. табл. 2).

Таблица 2

Содержание фотосинтетических пигментов в листьях древесных растений

Сравнительный анализ содержания различных групп фотосинтетических пигментов в листьях древесных растений в условиях промышленного загрязнения показал, что универсальной реакцией растений на стресс является снижение их количества. В частности, при произрастании в условиях СЗН количество хлорофиллов а и b оказывалось меньше, чем в контроле в 2-16
и 1,3-9 раз соответственно. Наибольшая убыль хлорофиллов была характерна для листьев A. hippocastanum и T. cordata. Наиболее значительным уменьшение количества каротиноидов оказалось у A. hippocastanum (в 5 раз) в I точке пробоотбора и T. cordata (в 7 раз) во II; наименьшим - для P. nigra
в I и II точках пробоотбора.

В настоящее время хорошо известно, что по своим функциональным свойствам молекулы пигментов неравнозначны: одни из них входят в состав реакционных центров фотосистем, другие выполняют только светособирающую функцию, поэтому критичным для поддержания нормального уровня фотосинтеза и сопряженных энергетических процессов является соотношение разных групп фотосинтетических пигментов. Проведенное нами исследование показало, что соотношение двух форм хлорофилла (а/b) в листьях древесных растений различалось (см. табл. 2). При этом в контрольной точке это соотношение колебалось в пределах 2,4-3,0, т.е. находилось в пределах физиологической нормы. Однако увеличение количества поллютантов в среде приводило к значительным модификациям данного показателя. В частности, для 4 изученных видов (P. nigra, T. cordata, A. hippocastanum и B. pendula) было выявлено снижение соотношения количества хлорофилла а и b
в 1,5-2,5, 2, 1,5-2 и 1,5 раза соответственно. В то же время в листьях S.aucuparia, L. sibirica и Ac. platanoides одновременно с уменьшением количества хлорофиллов их соотношение оставалось практически неизменным и соответствовало контрольным значениям.

Еще одним важным показателем напряженности энергетических процессов в хлоропластах является соотношение пулов зеленых и желтых пигментов (Хл(а + b)/Кар). Проведенное исследование показало, что соотношение «Хл(а + b)/Кар» в листьях контрольных растений находилось в пределах от 5,40 (S. aucuparia) до 6,44 (Ac. platanoides). Такое соотношение фотосинтетических пигментов является типичным для здоровых, хорошо функционирующих зеленых растений. Однако произрастание растений в условиях, характеризующихся повышенным содержанием тяжелых металлов в почве, приводило к изменению величины данного показателя. По показателю отношения общего хлорофилла и каротиноидов виды древесных растений образуют те же группы, что и при анализе соотношения различных форм хлорофиллов, т.е. в листьях P. nigra, T. cordata, A. hippocastanum и B. pendula отношение «Хл(а + b)/Кар» было ниже контрольной величины на 20-30, 34-45, 18-28 и 16-20 % соответственно а в листьях S. aucuparia, Ac. platanoides и L. sibirica соотношение соответствовало контрольному (см. табл. 2).

Поскольку в листьях S. aucuparia, Ac. platanoides и L. sibirica соотношение фотосинтетических пигментов оставалось в пределах нормы, то общее снижение их количества, по-видимому, отражает не столько характер поврежденности аппарата фотосинтеза в целом, сколько переход на новый физиологический уровень функционирования, что позволяет ему относительно стабильно работать, но, возможно, с меньшей эффективностью. Одновременно с этим разбалансировка между количеством фотосинтетических пигментов в листьях P. nigra, T. cordata, A. hippocastanum и B. pendula свидетельствует о неблагоприятных изменениях активности фотосинтетического аппарата, что в конечном итоге может отразиться на росте и продуктивности растений. Снижение количества пигментов с одновременным изменением их соотношения у P. nigra, T. cordata, A. hippocastanum и B. pendula может быть следствием нарастающего под действием поллютантов окислительного стресса.

На сегодняшний день хорошо известно, что мембраны тилакоидов являются мишенями H2O2 [4]. В соответствии с этим можно предположить, что снижение количества фотосинтетических пигментов и падение величины отношения количества зеленых и желтых пигментов является, отчасти, следствием ПОЛ, степень которого возрастает при окислительном стрессе, индуцированным промышленными загрязнителями (см. рис. 2). Корреляционный анализ взаимоотношений в паре признаков «накопление МДА» и «соотношение Хл(а + b)/Кар» подтвердил данную гипотезу. Выявлен отрицательный коэффициент корреляции (r) между интенсивностью ПОЛ в листьях P.nigra, T. cordata, A. hippocastanum и B. pendula и соотношением зеленых и желтых пигментов в них. Он оказался равным -0,84, -0,75, -0,55 и -0,88 соответственно.

Выводы

Таким образом, проведенное исследование показало, что генерация H2O2 в тканях P. nigra, T. cordata, A. hippocastanum и B. pendula в результате воздействия поллютантов приводила к разнонаправленным изменениям метаболических реакций, обеспечивающих гомеостаз. Данные нарушения проявлялись в повреждении мембран вследствие ПОЛ, снижении количества и изменении соотношения фотосинтетических пигментов (хлорофиллов, зеленых и желтых пигментов). В листьях S. aucuparia, Ac. platanoides и L. sibirica признаки окислительного стресса отмечены не были, а снижение количества фотосинтетических пигментов, происходящее на фоне стабильного их соотношения, по-видимому, отражало переход фотосинтетического аппарата на новый физиологический уровень функционирования. Это становилось возможным благодаря функционированию в тканях S. aucuparia, Ac. platanoides и L. sibirica мощной антиоксидантной системы, изменение активности компонентов которой в условиях промышленного загрязнения было показано в предыдущих публикациях [1].

Рецензенты:

Кособрюхов А.А., д.б.н., с.н.с., руководитель группы экологии и физиологии фототрофных организмов Институт фундаментальных проблем биологии Российской академии наук, г. Пущино;

Субботина Т.И., д.м.н., профессор, зав. кафедрой медико-биологических дисциплин Тульского государственного медицинского института, г. Тула.

Работа поступила в редакцию 02.11.2011.