УДК 574.5:57.045:556.55 Ратушняк А.Ю.1, Абрамова К.И1., Трушин М.В2,3, Ратушняк А.А.1 ОСОБЕННОСТИ ДЫХАТЕЛЬНОГО МЕТАБОЛИЗМА ОРГАНОВ РОГОЗА УЗКОЛИСТНОГО В УСЛОВИЯХ НАГРУЗКИ ПО СВИНЦУ 1 Государственное бюджетное учреждение Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан; 2 Казанский федеральный университет, Казань, Россия, 3 Казанский институт биохимии и биофизики РАН Аннотация. Данная работа посвящена исследованию влияния свинца на особенности дыхательного метаболизма рогоза узколистного. Эксперименты проводились в условиях in vitro. Интенсивность дыхания зависела от типа корней рогоза. Ключевые слова: свинец; рогоз узколистный; дыхательный метаболизм. Растения в течение жизненного цикла подвергаются разнообразным неблагоприятным воздействиям, при этом на любое варьирование условий среды обитания они отвечают комплексом адаптационных перестроек – не только анатомо-морфологических, но и физиолого-биохимических, направленных на сохранение жизнеспособности организма в изменившихся условиях [1]. Cпособность растения сохранять гомеостаз, поддерживать внутренние параметры на постоянном уровне в условиях изменения среды обитания достигается, прежде всего, за счет энергетических перестроек. Исследования проводили на протяжении трех вегетационных сезонов в условиях мезокосм, включавших природную воду (ПВ), объемом 30 литров, с сопутствующими гидробионтами и куртинами рогоза узколистного (ВВР), взятых из чистой заросли рогоза озера Средний Кабан на территории г. Казань республики Татарстан, высаженные в пластмассовые емкости объемом 50 литров. Создавали варианты – вариант с нагрузкой по свинцу (0,25 мг/л) и контроль (без нее). Использовали концентрацию свинца – 0,25 мг/л – в 10 раз превышающую предельно допустимую концентрацию для водоемов рыбохозяйственного использования. Используемое вещество добавляли в мезокосмы после того, как растения прижились (июнь). Свинец вводили в форме соли Pb(CH3COO)2. Опыты проводили в сезонной динамике (в период с июня по октябрь) в трехкратной повторности. Установлено (в контроле), что дыхание листьев рогоза узколистного превышает дыхание корней в несколько раз. Подобная закономерность – высокая доля дыхания надземной части – прослеживается в общем онтогенезе растения. Пик интенсивности поглощения кислорода листьями отмечен с наступлением летнего вегетационного периода (514,9 ± 57,9 мкл О2). К осени он снижается (в октябре – 70,2 ± 7,1 мкл О2). Данная разница объясняется особенностями направления оттока ассимилятов у рогоза узколистного в период вегетации. Если весной наблюдается активный восходящий отток питательных веществ – от запасающего органа (корневища) к надземным органам в период активного их роста, то осенью – нисходящий отток. Исследования поглотительной способности кислорода водных и почвенных корней в контроле показали их различия в сезонной динамике (рис. 1). Весной и вначале лета дыхание водных было выше по сравнению с почвенными: в 1,3 раза в мае (144,1 ± 13,2 мкл О2 против 108,1 ± 7,3 мкл О2) и в 2,4 раза в июне (345,0 ± 2,1 мкл О2 против 143,7 ± 3,7 мкл О2). В процессе вегетации соотношение менялось. В летний период почвенные корни интенсивнее поглощали кислород, чем водные: в 1,7 раза в июле (184,5 ± 7,6 мкл О2 против 107,6 ± 5,3 мкл О2) и в 1,6 раза в августе (175,9 ± 7,8 мкл О2 против 111,4 ± 4,6 мкл О2). Осенью (сентябрь) же интенсивность дыхания двух типов корней почти сравнивается – разница составила 1,1 раза (190,6 ± 15,8 мкл О2 у водных против 175,0 ± 15,6 мкл О2 у почвенных). По всей вероятности, в ходе онтогенеза способность придаточных корней к поглощению метаболитов (субстратов дыхания) из надземной части различна. Данные свидетельствуют о более высокой аттрагирующей способности почвенных корней по сравнению с водными в летний период вегетации. Вероятно, это связано с более интенсивными ростом, поглощением и утилизацией питательных элементов из водной среды почвенными корнями по О2,мкл сравнению с водными. 400 350 300 250 водные 200 почвенные 150 100 50 0 май июнь июль* июль август сентябрь дата Рис. 1. Интенсивность дыхания двух типов придаточных корней рогоза узколистного в сезонной динамике в контрольных вариантах, мкл О2 (* - дополнительный отбор проб). Таким образом, не вызывает сомнения, что соотношение между интенсивностью дыхания органов рогоза узколистного в контрольных вариантах определяется их физиологическими особенностями (степенью адаптационных возможностей и аттрагирующей способностью) и периодом вегетации. Обзор литературы свидетельствует, что состояние механизмов регуляции контролируется способностью растительных тканей изменять интенсивность дыхания. Этот интегральный показатель жизнедеятельности клеток дает возможность судить о надежности биологической системы в определенных условиях, о границах адаптационных возможностей растений, направленности приспособительного метаболизма. До тех пор, пока воздействия варьирующих условий не выходят за критические пределы адаптационных возможностей организма, растение продолжает неблагоприятным факторам. функционировать, противоборствуя Согласно Лукиной и Смирновой (1988) у водных макрофитов очень лабильные дыхательные системы, позволяющие быстро перестраивать направленность процессов метаболизма. Таблица 1. Интенсивность дыхания (Q, мкл О2 на грамм сырой массы за 1 ч) органов рогоза узколистного в сезонной динамике в вариантах опыта. Вариант Орган Контроль Листья Свинец май − июнь Месяц июль июль 514,9± − 368,9± 57,9 56,5 Водные корни 144,1± 345,0± 134,8 107,6± 13,2 2,1 ±8,1 5,3 Почвенные 108,1± 143,7± 143,7 184,5± корни 7,3 3,7 ±6,8 7,6 Листья − 461,7± − 516,6± 17,3 35,5 Водные корни − 282,6± − 298,1± 13,2 13,3 Почвенные − 225,9± − 236,0± корни 7,8 10,9 Примечание: − − не исследовали август 380,1± 30,7 111,4± 4,6 175,9± 7,8 444,2± 52,9 149,2± 6,4 123,9± 5,2 сентябр ь 70.2± 7,1 190,6± 15,8 175,0± 15,6 283,3± 27,2 215,3± 20,0 219,6± 28,5 Это свойство помогает им противостоять неблагоприятному воздействию окружающей среды. Нагрузка по свинцу в среде обитания рогоза узколистного способствует изменению интенсивности темнового дыхания листьев, водных и почвенных корней (табл. 1). Через две недели (в опыте) после внесения нагрузки (июнь) отмечено подавление поглощения кислорода листьями рогоза узколистного (на фоне нитратного азота отмечен противоположный эффект). Интенсивность дыхания в варианте со свинцом составила 461,7 ± 17,3 мкл О2 против 514,9 ± 57,9 мкл О2 в контроле. В июле зафиксирована активизация дыхательных процессов (как и на фоне нитратного азота) – параметры составляли 516,6 ± 35,5 мкл О2 против 368,9 ± 56,5 мкл О2 в контроле. К осени параметры дыхательного метаболизма снижаются (как и на фоне нитратного азота) (283,3 ± 27,2 мкл О2 ). Теперь рассмотрим влияние различной одноразовой нагрузки по свинцу на дыхательный метаболизм двух типов придаточных корней рогоза узколистного. В подземной части растений происходит перераспределение интенсивности дыхательного метаболизма с водных корней, на почвенные (как и на фоне нитратного азота). Данный механизм защиты позволяет реализовать принцип экономии энергетических ресурсов водных корней, непосредственно контактирующих с растворенными соединениями нитратного азота (табл. 1). Замеры через две недели после внесения нагрузки (июнь) выявили ингибирующее воздействие нагрузки по свинцу на интенсивность дыхания водных корней (как и на фоне нитратного азота). Отмечено подавление интенсивности поглощения кислорода в 1,2 раза по сравнению с контролем (282,6 ± 13,2 мкл О2 против 345,0 ± 2,1 мкл О2). Сравнение по сезонам показало, что через несколько недель после постановки опыта в варианте со свинцом направление дыхательного метаболизма у водных корней изменилось (как и на фоне нитратного азота 40 мг/л) по сравнению с контролем в сторону активизации – к июню (через пять недель после постановки эксперимента) интенсивность дыхания увеличилась в 2,8 раз и составила 298,1 ± 13,3 мкл О2 против 107,6 ± 5,3 мкл О2, в августе (через девять недель) – в 1,1 раз (149,2 ± 6,4 мкл О2 против 111,4 ± 4,6 мкл О2 соответственно). В варианте N400 отмечена иная картина. Дыхательный метаболизм в данные периоды восстанавливался и стремился к контрольным значениям: в июле – составил 105,2 ± 4,9 мкл О2 против 107,6 ± 5,3 мкл О2, в августе – 94,7 ± 4,7 мкл О2 против 111,4 ± 4,6 мкл О2 соответственно. Анализ данных свидетельствует о более интенсивном протекании процесса адаптации водных корней к нагрузке по нитратному азоту в варианте азот 400 мг/л по сравнению с вариантом N40 и со свинцом. У почвенных корней мы наблюдаем противоположную реакцию на нагрузку по нитратному азоту по сравнению с водными. Замеры через две недели после внесения нагрузки (июнь) выявили активизирующее воздействие нагрузки по свинцу на интенсивность дыхания почвенных корней (как и на фоне нитратного азота). Интенсивность дыхания увеличилась в 1,6 раз по сравнению с контролем и составила 225,9 ± 7,8 мкл О2 против 143,7 ± 3,7 мкл О2 (табл. 1). Анализируя описанные выше результаты, можно сделать вывод, что водные и почвенные корни представляют собой взаимодополняющие по функциям органы. Противоположная направленность ответной реакции на нагрузку по нитратному азоту двух типов придаточных корней в анатомоморфологическом строении и в дыхательном метаболизме определяется их разными адаптационными возможностями и условиями обитания (см. диссертационную работу). Дыхание, как и фотосинтез, является одним из фундаментальных процессов в растении, составляющих энергетическую основу их жизни, определяющих направленность других жизненно необходимых процессов (Гродзинский, 1973). Поэтому следующим этапом наших исследований было выявление связи дыхания с анатомией. В условиях нагрузки по свинцу (как и на фоне нитратного азота) выявлена связь между процессами поглощения кислорода корнями и долей воздушных полостей на поперечном срезе: с увеличением нитратной нагрузки повышается интенсивность дыхания почвенных корней (контроль–143,7 ± 3,7 мклО2·г-1·ч-1; свинец – 225,9 ± 7,8 мклО2·г-1·ч-1) и увеличивается площадь воздушных полостей (контроль – 7,2 %; свинец – 12,9 %), и, напротив, снижается интенсивность поглощения кислорода водными корнями (контроль – 345,0 ± 2,1 мклО2·г-1·ч-1, свинец – 282,6 ± 13,2 мклО2·г-1·ч-1) и уменьшается доля воздушных полостей (контроль – 37,2 %; N400 – 23,8 %). Анализ полученных данных свидетельствует о перестройке механизмов регулирования и функционирования придаточных корней корневища, в условиях изменения среды обитания, за счет изменения их дыхательного метаболизма и морфолого-анатомической структуры. Литература 1. Клеточные механизмы адаптации растений к неблагоприятным воздействиям экологических факторов в естественных условиях / Кордюм Е.Л., Сытник К.М., Бараненко В.В. и др.; Чл.-кор. НАН Украины Кордюм Е.Л. (ред.); Нац. акад. наук Украины. Ин-т ботаники им. Н.Г.Холодного. - Киев : Наук. думка, 2003. - 277 с. : ил.