В настоящее время интродуценты, в т.ч. декоративные кустарники, широко используются для озеленения, создания защитных насаждений, садов и парков в городах с загрязненной окружающей средой токсическими выбросами от промышленности и автотранспорта. В связи с этим возникла проблема оценки устойчивости ассортимента интродуцентов, для создания насаждений на урбанизированных территориях с различной степенью загрязнения токсичными веществами [5, 15]. В научной литературе накоплены многочисленные сведения об изменчивости ферментных систем под действием химических загрязнителей. Причем наибольшая лабильность в условиях стресса характерна для окислительно-восстановительного фермента пероксидазы, широко распространенного в вегетативных органах растений различных систематических групп, входящего в состав основных клеточных структур и обладающего разной структурной специфичностью [6]. В частности, отмечается влияние химического загрязнения атмосферы на общую активность, количественные и качественные характеристики пероксидазы [7–9]. Зарегистрированы многочисленные факты глубокой трансформации пероксидазного спектра в вегетативных органах декоративных форм сосны, бересклета, барбариса и других форм и видов из разных родов под воздействием промышленного загрязнения атмосферы оксидами серы и азота [3, с. 133–136; 4, с. 104–107; 5, с. 122–128; 7, с. 51–55; 9, с. 149–154]. Однако до настоящего времени остаётся малоизученным комплексное влияние промышленного и транспортного загрязнения атмосферы на количественную и качественную характеристику растительных пероксидаз у различных видов интродуцентов, используемых для озеленения урбанизированных территорий. Не оценена и перспектива использования этих показателей для оценки газоустойчивости различных видов декоративных кустарников, интродуцированных в разные природные зоны России [3, с. 133–136; 4, с. 104–107; 6, с. 406–417].
Цель исследования
Настоящее исследование было предпринято с целью выяснения зависимости изменения активности, а также качественной и количественной изменчивости растительного фермента пероксидазы от экологически неблагоприятного воздействия, и использование данных показателей в качестве маркеров устойчивости интродуцентов, в том числе и декоративных кустарников к токсическим выбросам промышленности и автотранспорта.
Материалы и методы исследования
Исследования проводились на территории г. Балашова Саратовской области в 2011–2015 годах. Объектом исследования служили вегетативные органы растений (листья) 11 видов декоративных кустарников: Рябинник рябинолистный (Sorbaria sorbifolia L.), Спирея зверобоелистная (Spiraea hypericifolia L.), Чубушник венечный (Philadelphus coronaries L.), Ирга канадская (Amelanchier canadensis L.), Тамарикс изящный (Tamarix gracilis Willd), Аморфа кустарниковая (Amorpha fruticosa L.), Пузыреплодник калинолистный (Physocarpus opulifolius L.), Барбарис Тунберга (Berberis thunbergii L.), Жимолость татарская (Lonicera tatarica L.), Боярышник кроваво-красный (Crataegus sanguinea L.), Снежноягодник белый (Symphoricarpos albus L.). Листья для исследований отбирались с плодоносящих растений, с побегов, расположенных в средней части кроны кустарника. Исследования проводили в летний период при температуре атмосферного воздуха + 22–25 °С. Для опыта листья срезались в промышленном районе города в местах с интенсивным движением автотранспорта (более 17 единиц в минуту), а контрольные – в экологически незагрязненной местности – в районе станции юных натуралистов, удаленной от автодорог и промышленных предприятий на 500 и более метров. Определялась удельная активность пероксидазы [1, с. 352–355; 2, с. 1372–1379]. За единицу активности фермента принималось количество о-дианизидин (мкмоль), окисленного за 1 минуту на 1 г сырого вещества. Для выделения фермента из растительной ткани навеска листьев (2 г) измельчалась с помощью скальпеля, затем заливалась семикратным объемом 0,005 М трис-глицинового буфера, содержащего 30 % сахарозы, и гомогенизировалась на холоде. Гомогенат в течение часа выдерживался при температуре 4 °С и центрифугировался при скорости 8 тыс. об./минут. Надосадочная жидкость использовалась в качестве препарата пероксидазы. Электрофорез пероксидазы проводили по модифицированной методике Дэвиса и Рейсфильда [8, с. 404–427; 10, 281–283]. В цилиндрических гелях размером 0,6х7,0 см в 7,5 %-м полиакриламидном геле с использованием трис-глициновой буферной системы pH = 8,3 с охлаждением. Время проведения электрофореза – 2 часа 20 минут. Первые 20 мин сила тока на гелевую трубку не превышала 2 мА, затем усиливалась до 4 мА. По окончании электрофореза гели опускались на 30 минут в 0,02 %-й раствор солянокислого бензидина, а затем – в 0,01 %-й раствор пероксида водорода до появления голубых полос изопероксидаз. Затем реакционная смесь сливалась, а гели промывались 10 %-м раствором уксусной кислоты. Для идентификации фермента использовали промышленный препарат пероксидазы хрена. Относительная активность отдельных изомеров определялась с использованием методики Лиу, по скорости их проявления [17]. Для удобства анализа изозимных спектров катодные изопероксидазы по относительной электрофоретической активности (ОЭП) были условно разделены на три зоны: А-зона (ОЭП от 0 до 30), В-зона (ОЭП от 31 до 60) и С-зона (ОЭП от 61 до 100).
Влияние химического загрязнения на удельную активность пероксидазы изучаемых видов кустарников
|
Виды растений |
Удельная активность фермента |
Степень активизации фермента |
|
|
контроль |
опыт |
||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
Аморфа кустарниковая, Amorpha fruticosa L. |
0,53 |
1,03 |
1,94 |
|
Барбарис Тунберга, Berberis thunbergii L. |
0,49 |
0,71 |
1,45 |
|
Боярышник кроваво-красный, Crataegus sanguinea L. |
0,49 |
0,63 |
1,29 |
|
Жимолость татарская, Lonicera tatarica L. |
0,33 |
0,46 |
1,39 |
|
Ирга канадская, Amelanchier canadensis L. |
0,37 |
0,52 |
1,41 |
|
Пузыреплодник калинолистный, Physocarpus opulifolius L. |
0,54 |
0,98 |
1,81 |
|
Рябинник рябинолистный, Sorbaria sorbifolia L. |
0,46 |
0,53 |
1,15 |
|
Снежноягодник белый, Symphoricarpos albus L. |
0,51 |
0,76 |
1,49 |
|
Спирея зверобоелистная, Spiraea hypericifolia L. |
0,43 |
0,58 |
1,35 |
|
Тамарикс изящный, Tamarix gracilis Willd |
0,57 |
1,23 |
2,16 |
|
Чубушник венечный, Philadelphus coronaries L. |
0,32 |
0,46 |
1,44 |
Результаты исследования и их обсуждение
Согласно многочисленным литературным источникам, количественная и качественная изменчивость фермента пероксидазы является признаком ранней ответной реакции на химическое загрязнение атмосферы и может служить объективным показателем их газоустойчивости [5, с. 122–128]. Газоустойчивость видов нами оценивалась по степени активизации фермента, определяемого отношением показателя удельной активности в опыте к таковой в контроле.
Исследования показали, что комплексное воздействие промышленных выбросов в сочетании с выхлопными газами автотранспорта приводит к значительным количественным и качественным изменениям ферментативного комплекса пероксидазы в листьях изучаемых видов декоративных кустарников, произрастающих в промышленном районе города с высокой транспортной нагрузкой. Включенные в эксперимент виды были разделены на три группы по степени устойчивости к загрязнителям. К высокоустойчивым видам были отнесены Amorpha fruticosa L., Tamarix gracilis Willd, Physocarpus opulifolius L., средней степени устойчивости – Symphoricarpos albus L., Berberis thunbergii L., Philadelphus coronaries L., Amelanchier canadensis L., Lonicera tatarica L., и к низкой степени устойчивости – Sorbaria sorbifolia L., Spiraea hypericifolia L., Crataegus sanguinea L. Динамика активизации и характер новообразований в изозимном спектре фермента пероксидазы листьев декоративных кустарников являются объективными биохимическими показателями устойчивости растений, произрастающих в условиях промышленного и транспортного загрязнения атмосферы городских территорий. Исследования также показали, что городское загрязнение атмосферы также влечет за собой существенное изменение компонентного состава пероксидазы. Анализ исследования показывает, что в вегетативных органах исследуемых декоративных кустарников произрастающих в зоне жесткого химического загрязнения, гетерогенность изозимного спектра пероксидазы существенно возрастает, что является свидетельством адаптивной перестройки окислительно-восстановительной системы, связанной с приспособлением растений к жизни в условиях стресса [6, с. 406–417].
Заключение
В результате проведенных исследований определена устойчивость одиннадцати видов декоративных кустарников, интродуцированных в Саратовскую область и используемых для создания насаждений различного целевого назначения. В качестве оценочных показателей применялась количественная и качественная характеристика динамики изменчивости фермента пероксидазы. Включенные в эксперимент виды были разделены на три группы по степени устойчивости к загрязнителям. Степень активизации и характер новообразований в изозимном спектре фермента пероксидазы листьев декоративных кустарников являются объективными биохимическими показателями устойчивости растений, произрастающих в условиях промышленного и автотранспортного загрязнения атмосферы урбанизированных территорий. Результаты исследований могут быть использованы для теоретического обоснования перспективности интродукции новых видов древесных растений, с целью создания устойчивых насаждений различного целевого назначения, дифференцировано степени загрязнения урбанизированных территорий.
Рецензенты:
Зайцева Е.В., д.б.н., профессор, и.о. декана естественно-географического факультета, ФГБОУ ВПО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского», г. Брянск;
Булохов А.Д., д.б.н., профессор, зав. кафедрой биологии естественно-географического факультета, ФГБОУ ВПО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского», г. Брянск.