БИОФИЗИКА

БИОФИЗИКА
УДК 581.18
БИОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ КЛЕТОК
ВЫСШЕГО РАСТЕНИЯ ПРИ ХИМИЧЕСКОМ
СТРЕСС-ВОЗДЕЙСТВИИ
С. С. Пятыгин, В. А. Опритов, В. О. Крауз,
Н. Н. Абрамова, В. А. Воденеев
Нижегородский госуниверситет
Исследованы особенности изменения биоэлектрической активности клеток
стебля высшего растения (двухнедельные проростки тыквы Cucurbita pepo L.)
под влиянием AgNO3 (10-4 , 10-3М) и KCl (0.1–1.0 М). Показано, что реакция биоэлектрогенеза независимо от природы химического воздействия протекает в несколько последовательных этапов, соответствующих основным известным фазам стресса. Сделан вывод, что неспецифические поэтапные изменения биоэлектрогенеза можно рассматривать в качестве важного показателя того, как развивается стресс у растений на клеточном и тканевом уровнях.
Как известно, понятие стресса, введенное поначалу в медицинскую практику
(Селье, 1972), используется сегодня более широко, в том числе применительно к
растениям (Полевой, 1989; Пахомова, Гордон, 1991; Веселова и др., 1993; Пахомова, 1995). Под стрессом при этом обычно понимают совокупность неспецифических реакций, протекающих на клеточном, тканевом или организменном уровнях в ответ на экстремальные воздействия среды (Полевой, 1989; Пахомова,
1995). По данным серии опытов на высшем растении тыкве, выполненных в нашей лаборатории с использованием в качестве стресс-фактора глубокого охлаждения (Опритов и др., 1993, 1994; Пятыгин и др., 1996а, 1996б), есть основания
полагать, что одним из наиболее ранних и физиологически значимых показателей
возникновения и развития стресса в растительных клетках и тканях является изменение их биоэлектрической активности. С целью подтверждения и более строгого обоснования такой точки зрения в настоящей работе исследованы особенности изменения биоэлектрической активности клеток высшего растения при химических стресс-воздействиях разной природы.
Исследования проводились на двухнедельных проростках тыквы Cucurbita
pepo L., выращенных на гидропонной основе при освещении люминесцентными
лампами (Пятыгин и др., 1996а). Биоэлектрическую активность клеток поверхностной ткани (эпидермиса) стебля измеряли по стандартной методике (Пятыгин и
др., 1996б) с помощью внеклеточных хлорсеребряных макроэлектродов ЭВЛ1М3. Исходная среда в плексигласовой кювете с укрепленным стеблем проростка
включала 1мМ KCl, 0.5 мМ CaCl2, 0.1 мМ NaCl. Химические стресс-воздействия
на клетки эпидермиса стебля осуществляли путем замены исходного раствора в
кювете на раствор, содержащий, помимо указанных компонентов, тот или иной
119
химический агент в заданной концентрации. Измерения биоэлектрической активности клеток проводили при 21–220С. Экспериментальная установка позволяла
также осуществлять постепенное охлаждение клеток со скоростью 1.3–1.50С/мин
до 60С (Пятыгин и др., 1996а, 1996б). Изменение биоэлектрической активности в
опытах, регистрируемое внеклеточно, представляло собой интегральный результат изменения мембранных потенциалов отдельных клеток эпидермиса в зоне регистрации (Опритов и др., 1991).
Показано, что биоэлектрическая активность поверхностных клеток стебля под
влиянием химических стресс-факторов изменялась, как и ранее при глубоком охлаждении (Опритов и др., 1993), в несколько последовательных этапов. Так, в
присутствии 10-4М AgNO3 сначала имела место быстрая, величиной несколько десятков милливольт, деполяризация от исходного уровня измеряемой разности потенциалов ∆U0 до менее энергизованного уровня ∆Udep (рис. 1А). Затем, после некоторого периода пребывания клеток в деполяризованном состоянии (около 10
мин), начинал развиваться процесс самопроизвольного (адаптивного) восстановления ∆U, который шел до уровня ∆Urep, расположенного обычно ниже, чем уровень ∆U0.
Увеличение концентрации AgNO3 до 10-3М усложняло ход изменения ∆U (рис.
1Б). Это проявлялось, главным образом, в возникновении процесса вторичной деполяризации, который приходил на смену адаптивной реполяризации клеток. Обращает на себя внимание и то, что самопроизвольное восстановление ∆U при
10-3М AgNO3 наступало по времени позже, чем при меньшей концентрации агента, и развивалось до величин ∆U, превышающих ∆U0 (явление гиперполяризации).
Амплитуда отклонений ∆U в присутствии 10-3М AgNO3 была также заметно
больше, чем при 10-4М.
Обнаруженные этапы изменения ∆U при действии AgNO3 на клетки высшего
растения, судя по их особенностям (рис. 1), в полной мере соответствуют основным известным фазам стресса (Селье, 1972; Полевой, 1989). В частности, этап
первоначальной глубокой деполяризации правомерно рассматривать как проявление фазы первичной стрессовой реакции, самопроизвольное восстановление ∆U
соответствует фазе компенсаторной адаптации, а повторная деполяризация – фазе
истощения ресурсов надежности. При этом представляется вполне закономерным,
что заключительная фаза стресса, связанная с эффектом истощения ресурсов надежности, обнаружила себя в условиях увеличения (на порядок) действующей
концентрации химического агента (рис. 1Б). Не случаен, вероятно, в тех же условиях феномен так называемой суперкомпенсации (Пахомова, Гордон, 1991), проявившийся в реполяризации клеток выше исходного уровня ∆U. По-видимому, такая суперкомпенсация и привела, в итоге, к нарушению (истощению) процесса
биоэлектрогенеза, что выразилось в повторном падении ∆U.
Сходные по характеру этапы изменения ∆U были обнаружены при воздействии
на клетки растения иного химического агента – KCl в диапазоне концентраций от
0.1 до 1.0 М. При указанных концентрациях не была выявлена (за время наблюдения 1 ч) лишь фаза истощения ресурсов надежности процесса биоэлектрогенеза
(рис. 2). Однако с увеличением концентрации KCl возрастала вероятность появления ритмически повторяющихся биоэлектрических импульсов типа потенциалов
действия (ПД), которые начинали возникать на стадии первичной деполяризации
и затухали по мере развития процесса адаптивной реполяризации (рис. 2Б).
120
10-4M AgNO3
∆U0
+
50 мВ
–
Рис. 1. Изменение биоэлектрической активности клеток стебля тыквы
под влиянием 10-4М AgNO3 (А) и 10-3М AgNO3 (Б)
∆U0 – исходный уровень измеряемой разности потенциалов ∆U (до воздействия
химического фактора); ∆Udep – деполяризованное состояние клеток в условиях
химического воздействия; ∆Urep – уровень ∆U по завершении адаптивной
реполяризации клеток в условиях химического воздействия
0.1М KCI
+
–
Рис. 2. Изменение биоэлектрической активности клеток стебля тыквы
под влиянием 0.1М KCl (А) и 0.5М KCl (Б)
Обозначения те же, что и на рис. 1
121
Ранее в опытах с глубоким охлаждением было показано, что генерация ПД и
их последующее распространение по стеблю растения способствуют осуществлению адаптивных изменений биоэлектрогенеза как в зоне локального воздействия
неблагоприятного фактора, так и на расстоянии от нее (Опритов и др., 1993, 1994;
Ретивин и др., 1997). В связи с этим можно предположить, что увеличение вероятности возникновения биоэлектрических импульсов типа ПД при высоких концентрациях KCl также есть некая дополнительная мера физиологической защиты
растительных клеток в условиях возросшей интенсивности химического стрессвоздействия.
Процесс адаптивной реполяризации клеток стебля как в присутствии AgNO3,
так и в присутствии KCl мог быть полностью угнетен понижением температуры
среды от исходной 21–220С до 60С. Это означает, что несмотря на очевидные различия в путях первоначального влияния указанных агентов на биоэлектрическую
активность клеток (Kojima e. a., 1985; Ахмедов, Лялин, 1987), этап компенсаторной адаптации к обоим агентам связан с преимущественным участием не пассивных, а метаболически-зависимых механизмов клеточного электрогенеза. Скорее
всего, речь идет об активации электрогенного Н+-насоса плазматической мембраны, представленного Н+-АТФазой (Опритов и др., 1991). Ранее показано, что этот
насос обеспечивает компенсаторное восстановление биоэлектрогенеза клеток и в
условиях холодового стресс-воздействия (Опритов и др., 1993, 1994). Основными
факторами активации Н+-насоса в этих условиях являются выход ионов К+ из клеток в среду и уменьшение вязкости липидного матрикса плазматических мембран,
вызванное работой десатураз (Опритов и др., 1993, 1994; Пятыгин и др., 1996а,
1996б). Предполагаемая активация Н+-насоса при адаптации к химическим стрессорам обусловлена, вероятно, в значительной мере иными причинами, которые
требуют специального анализа.
В целом, в ходе проведенного исследования установлено, что заведомо неодинаковые химические стресс-воздействия, влияя на биоэлектрическую активность
клеток стебля высшего растения, вызывают вполне закономерные, во многом неспецифические поэтапные изменения, которые сходны по характеру (и даже отчасти по механизмам) с таковыми при глубоком охлаждении и соответствуют основным этапам развития стресса. Поскольку биоэлектрическая активность является, с одной стороны, функцией наружных клеточных (плазматических) мембран, а
с другой, играет важную роль в управлении различными аспектами жизнедеятельности растительных клеток (Опритов и др., 1991; Gradmann e. a., 1993), неспецифические поэтапные изменения электрогенеза в рамках стресса действительно
вполне уместно рассматривать в качестве раннего и значимого показателя того,
как развивается стрессовая реакция на клеточном и тканевом уровнях. На основе
этого показателя можно также судить о степени вовлеченности различных форм
биоэлектрической активности (например, ПД) в развитие стресса.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда
фундаментальных исследований (грант 97-04-48549).
122
ЛИТЕРАТУРА
Ахмедов Н. И., Лялин О. О. Действие ионов тяжелых металлов на функционирование
электрогенной Н+-помпы плазматических мембран // Изв. АН АзССР. Сер.биол.наук. 1987.
№ 2. С.128-132.
Веселова Т. В., Веселовский В. А., Чернавский Д. С. Стресс у растений (Биофизический подход). М., 1993.
Опритов В. А., Пятыгин С. С., Ретивин В. Г. Биоэлектрогенез у высших растений.
М.,1991.
Опритов В. А., Пятыгин С. С., Крауз В. О. Анализ роли электрической активности
клеток высшего растения в развитии адаптационного синдрома при охлаждении // Физиол.
растений. 1993. Т. 40, № 4. С. 619-626.
Опритов В. А., Пятыгин С. С., Крауз В. О., Худяков В. А., Абрамова Н. Н. Активация
электрогенного Н+-насоса плазматических мембран при адаптации клеток высшего растения к низкой положительной температуре // Физиол. растений. 1994. Т. 41, № 4. С. 488-493.
Пахомова В. М. Основные положения современной теории стресса и неспецифический
адаптационный синдром у растений // Цитология. 1995. Т. 37, № 1–2. С. 66-91.
Пахомова В. М., Гордон Л. Х. Общие закономерности ответной реакции корней на
стрессовое воздействие // Журн. общ. биол. 1991. Т. 52, № 1. С. 36-44.
Полевой В. В. Физиология растений. М., 1989.
Пятыгин С. С., Опритов В. А., Крауз В. О., Половинкин А. В. Повышение холодоустойчивости электрогенеза как основа адаптивной реполяризации клеток высшего растения при охлаждении // Физиол. растений. 1996а. Т. 43, № 2. С. 256-261.
Пятыгин С. С., Треушников В. М., Опритов В. А., Крауз В. О. Феномен отрицательной температурной зависимости адаптивной реполяризации клеток высшего растения при
охлаждении // Физиол. растений. 1996б. Т. 43, № 1. С. 80-86.
Ретивин В. Г., Опритов В. А., Федулина С. Б. Предадаптация тканей стебля Cucurbita
pepo к повреждающему действию низких температур, индуцированная потенциалом действия // Физиол. растений. 1997. Т. 44, № 4. С. 499-510.
Селье Г. На уровне целого организма. М., 1972.
Gradmann D., Blatt M. R., Thiel G. Electrocoupling of ion transporters in plants //
J. Membr. Biol. 1993. V. 136, № 3. P. 327-332.
Kojima H., Katou K., Okamoto H. Homeostatic regulation of membrane potential by an electrogenic ion pump against change in the K+ concentration of the extra- and intra-organ perfusion
solutions // Plant Cell Physiol. 1985. V. 26, № 3. P. 351-359.
123