Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ОБРАЗОВАНИЕ ПЕРЕКИСИ ВОДОРОДА И ПРОЯВЛЕНИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА В ЛИСТЬЯХ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Гарифзянов А.Р. 1
1 Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого, Тула
В статье приведены результаты исследования комплекса физиолого-биохимических показателей 7 видов древесных растений, произрастающих в условиях промышленного загрязнения и инициированного поллютантами окислительного стресса. Показано, что P. nigra, T. cordata, A. hippocastanum и B. pendula проявляют видоспецифичную реакцию на повышенное содержание поллютантов в среде, выражающуюся в избыточной генерации перекиси водорода в листьях, в повреждении мембран вследствие перекисного окисления, снижении количества и изменении соотношения фотосинтетических пигментов (хлорофиллов a и b, зеленых и желтых пигментов). В листьях S. aucuparia, Ac. platanoides и L. sibirica признаки окислительного стресса отмечены не были.
промышленное загрязнение
древесные растения
активные формы кислорода
перекись водорода
окислительный стресс
1. Сравнительный анализ активности компонентов антиоксидантной системы древесных растений в условиях техногенного стресса / А.Р. Гарифзянов, С.В. Горелова, В.В. Иванищев, Е.Н. Музафаров // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. – 2009. – С. 45–48.
2. Оценка возможности использования древесных растений для биоиндикации и биомониторинга выбросов предприятий металлургической промышленности / С.В. Горелова, А.Р. Гарифзянов, С.М. Ляпунов, А.В. Горбунов, О.И. Окина, М.В. Фронтасьева // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. – 2010. – № 1(12). – С. 155–163.
3. Колупаев Ю.Е. Активные формы кислорода в растениях при действии стрессоров: образование и возможные функции // Вестник Харьковского национального аграрного университета. Сер. Биология. – 2007. – Вып. 3(12). – С. 6–26.
4. Полесская О.Г. Растительная клетка и активные формы кислорода. – М.: Изд-во КДУ, 2007. –140 с.
5. Finkel T., Holbrook N.J. Oxidants, oxidative stress and the biology of aging // Nature. – 2000. – Vol. 408. – P. 239–247.
6. Heath R.L., Packer L. Photoperoxidation in isolated chloroplasts. I. Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation // Arch. Biochem. Biophys. – 1968. – Vol. 125(1). – P. 189–198.
7. Kabala С., Singh B.R. Fractionation and Mobility of Copper, Lead, and Zinc in Soil Profiles in the Vicinity of a Copper Smelter // J. Environ. Qual. – 2001. – № 30. – P. 485–492.
8. Kumar G.N., Knowles N.R. Changes in Lipid Peroxidation and Lipolytic and Free-Radical Scavenging Enzyme during Aging and Sprouting of Potato (Solanum tuberosum L.) Seed-Tubers // Plant Physiol. – 1993. – Vol. 102. – P. 115–124.
9. Lichtentaller H.K., Welburn A.R. Determinations of total carotenoids and chlorophylls a and b of leaf extracts in different solvents // Biochem. Soc. Trans. – 1983. – Vol. 11, № 6. – P. 591–592.
10. Scandalios J.G. The rise of ROS // Trends Biochem. Sci. – 2002. – Vol. 27. – P. 483–486.

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]

Точка
пробоотбора

Местоположение

Химическая ассоциация*

Превышение
ПДК (ОДК)

Суммарный
показатель
загрязнения (Zc)**

I

ОАО «Косогорский металлургический завод»

Fe, Mn, Ti, Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Rb, Sr, Zr, Ba, Pb

Mn (в 4,7 раз), Zn (в 2 раза), Pb (1,4 раза)

34

II

ОАО СП АК «Тулачермет», ОАО «Ванадий-Тулачермет», ОАО «Палема»

Fe, Mn, Ti, Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Rb, Sr, Zr, Pb

Zn (в 1,2 раза)

24

Контроль

Центральный парк культуры и отдыха им. П.П. Белоусова

---

---

0

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

Вид

Точка
пробоотбора

Содержание, мг/г сырой массы  ±  σ

хлорофилла а

хлорофилла b

каротиноидов

A. hippocastanum

I

0,68 ± 0,11

0,36 ± 0,12

0,21 ± 0,09

II

0,72 ± 0,12

0,46 ± 0,14

0,27 ± 0,08

контроль

4,76 ± 0,67

1,83 ± 0,13

1,07 ± 0,11

B. pendula

I

0,96 ± 0,13

0,59 ± 0,09

0,35 ± 0,09

II

0,80 ± 0,18

0,57 ± 0,06

0,32 ± 0,07

контроль

1,89 ± 0,23

0,77 ± 0,07

0,48 ± 0,09

Ac. platanoides

I

0,97 ± 0,21

0,38 ± 0,08

0,22 ± 0,09

II

0,88 ± 0,14

0,37 ± 0,09

0,20 ± 0,06

контроль

3,35 ± 0,55

1,29 ± 0,11

0,72 ± 0,09

S.aucuparia

I

1,50 ± 0,13

0,60 ± 0,15

0,39 ± 0,07

II

1,24 ± 0,12

0,50 ± 0,16

0,32 ± 0,04

контроль

2,56 ± 0,10

1,06 ± 0,11

0,67 ± 0,09

L. sibirica

I

0,82 ± 0,08

0,34 ± 0,09

0,19 ± 0,03

II

0,91 ± 0,11

0,39 ± 0,12

0,21 ± 0,05

контроль

2,88 ± 0,35

1,16 ± 0,12

0,67 ± 0,13

P. nigra

I

0,70 ± 0,11

0,43 ± 0,13

0,29 ± 0,03

II

0,32 ± 0,09

0,32 ± 0,10

0,15 ± 0,02

контроль

1,89 ± 0,11

0,76 ± 0,16

0,43 ± 0,11

T. cordata

I

0,70 ± 0,08

0,46 ± 0,09

0,30 ± 0,04

II

0,16 ± 0,01

0,10 ± 0,02

0,08 ± 0,02

контроль

2,56 ± 0,21

0,86 ± 0,11

0,58 ± 0,11

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.


Библиографическая ссылка

Гарифзянов А.Р. ОБРАЗОВАНИЕ ПЕРЕКИСИ ВОДОРОДА И ПРОЯВЛЕНИЯ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА В ЛИСТЬЯХ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 1. – С. 151-155;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=29317 (дата обращения: 22.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074