АБДУЛЛИНА Олеся Анатольевна ОБЩНОСТЬ И ПОЛИВАРИАНТНОСТЬ МОРФО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ И БИОХИ-

1
На правах рукописи
АБДУЛЛИНА
Олеся Анатольевна
ОБЩНОСТЬ И ПОЛИВАРИАНТНОСТЬ МОРФО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ И БИОХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ К ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ
УСЛОВИЯМ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ
Специальности: 03.00.16 – экология,
03.00.12 - физиология и биохимия растений
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Тольятти – 2006
2
Работа выполнена на кафедре физиологии растений
Башкирского государственного университета
Научные руководители:
доктор биологических наук, профессор
Искандер Юсуфович Усманов
доктор биологических наук, профессор
Зульфира Фаузиевна Рахманкулова
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук, профессор
Людмила Михайловна Кавеленова
кандидат биологических наук, доцент
Алина Алексеевна Устинова
Ведущая организация:
Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар
Защита диссертации состоится 10 октября 2006 г. в 11 00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.251.01 в Институте экологии Волжского бассейна РАН по адресу: 445003, г.
Тольятти, ул. Комзина, 10.
Тел. (8482) 489-977, факс (8482) 489-504. E-mail: [email protected].
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии Волжского бассейна
РАН.
Автореферат разослан 1 августа 2006 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат биологических наук
А.Л. Маленев
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Соли металлов в окружающей среде являются мощным экологическим
фактором, оказывающим влияние на физиолого-биохимические процессы в растительных организмах. Как избыток, так и недостаток многих макро - и микроэлементов может вызывать целый ряд негативных процессов, таких как нарушение дыхания, фотосинтеза, фиксации и ассимиляции некоторых главных питательных веществ (Ильин, 1985; Кабата-Пендиас, Пендиас,
1989; Демидчик и др., 2001; Singh et al., 2005).
Общей реакцией живых систем на отклонение условий среды от оптимальных является активизация адаптивных механизмов к изменившимся условиям. Ранее было показано, что для
каждого вида растений вырабатываются характерные механизмы устойчивости, представляющие комплекс морфофизиологических и биохимических приспособлений, через которые реализуется адаптивная стратегия (Grime, 1988; Миркин, 1999; Усманов и др., 1990, 2002; Рахманкулова и др., 2001). Известно, что от эффективности использования растением материальноэнергетических ресурсов зависит успех адаптации растений (Жученко, 1988; Усманов, 1987).
Однако оценка энергетической эффективности таких затрат представляет собой сложную задачу (Семихатова, 1998; Рахманкулова, 2001). При изменении условий среды может происходить
смена соотношений альтернативных путей дыхательного метаболизма (Шугаев, 1999; Меденцев и др., 1999; Федяев и др., 2001). Изменение направления и величины соотношений альтернативных путей дыхательного метаболизма характеризует энергетическую эффективность трат
на адаптацию (Рахманкулова и др., 2003).
Одним из главных проявлений токсического действия избытка цинка и меди является окислительный стресс (Prasad et al., 1999; Clijsters et al., 1999; Cuypers et al., 1999; Schutzendubel,
Polle, 2002). Возникающие при стрессе активные формы кислорода (АФК) изменяют активность энзиматических антиоксидантных защитных систем (Chen et al., 2000; Ванюшин, 2001;
Malecka et al., 2001; Erdei et al., 2002; Wang еt al., 2004). Имеются данные об увеличении степени вовлечённости альтернативной оксидазы в дыхание при стрессе, что препятствует накоплению АФК (Шугаев, 1999; Maxwell et al., 1999; Грабельных, 2005).
Цели и задачи исследования. Цель исследования состояла в выяснении особенностей формирования адаптации представителями разных видов растений при стрессе (избыток цинка и
меди, дефицит элементов минерального питания).
Для достижения указанной цели ставились следующие задачи:
1) Исследование морфометрических параметров растений видов Triticum aestivum L., Zea
mays L., Dactylis glomerata L., Leonurus quinquelobatus Gilib., и растений в пределах одного вида
Calendula officinalis L. на примере трех сортов: Кальта, Каблуна Голд и Калифорнийская в изменяющихся условиях (избыток цинка и меди, дефицит элементов минерального питания).
4
2) Изучение реализации в данных условиях адаптационного потенциала исследуемых растений на уровне энергетических параметров.
3) Исследование включения адаптационных защитных механизмов на уровне биохимических процессов у растений T. aestivum и Z. mays.
Научная новизна работы. Впервые у представителей разных видов растений проведен сравнительный анализ соотношения дыхательных путей в условиях стресса (повышенного содержания цинка, меди и дефицита элементов минерального питания). Изучены пути формирования
стресс - индуцированного адаптационного ответа растений на уровне морфофизиологических и
биохимических параметров.
Теоретическое значение. Материалы диссертационного исследования дополняют и расширяют современное понимание механизмов, лежащих в основе развития устойчивости растений.
Практическое значение. На основании данных могут быть выработаны рекомендации при
выращивании растений на территориях загрязнённых тяжелыми металлами. Полученные в работе материалы могут быть использованы при чтении лекций по общему курсу экологической
физиологии растений и спецкурсам.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены на конференции молодых ученых «Проблемы физиологии растений и генетики на рубеже третьего тысячелетия» (Киев,2000); научной конференции по научно-техническим программам Минобразования России (Уфа, 2000); 5-ой Пущинской конференции молодых ученых (Пущино, 2001); годичном собрании Общества физиологов растений России «Экспериментальная биология растений 2001» (Уфа, 2001); 4-ом международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и
перспективы их использования» (Пущино, 2001); международной конференции по экологической физиологии растений «Актуальные вопросы экологической физиологии растений в 21 веке» (Сыктывкар, 2001); международном симпозиуме «Растение под влиянием стресса»,
(Москва, 2001); VI международном симпозиуме «Ионы металлов и растения» (СанктПетербург, 2002); 13-ом конгрессе FESPP (Греция, 2002); 21-ом конгрессе Scandinavian Plant
Physiology Society (Дания, 2003); 5-ом международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные
растения и перспективы их использования» (Пущино, 2003); 7-ой Пущинской школеконференции молодых ученых «Биология - наука 21-го века» (Пущино, 2003); 5-ом Съезде Всероссийского общества физиологов растений, международной конференции «Физиология растений - основа фитобиотехнологии», (Пенза, 2003); Региональной научно-практической конференции «Технология выращивания и использование лекарственных культур», (Уфа, 2003); XI
международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2004», (Москва, 2004); Всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Акту-
5
альные проблемы экологии и охраны окружающей среды», (Уфа, 2004); XIII международной
конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006», (Москва, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы.
Декларация личного участия автора. Планирование экспериментов, выращивание и сбор
растительного материала, обработка данных и написание диссертации проведены лично автором по плану, согласованному с научными руководителями.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Абиотические факторы (избыток цинка и меди, дефицит элементов минерального питания) вызывают множественные изменения в метаболизме растительного организма у одно- и
двудольных. Эколого-физиологический анализ на уровне межвидовых и внутри видовых изменений служит основой для изучения устойчивости и экологической селекции растений.
2. Включение первичных приспособительных реакций в ответ на воздействие избытка цинка и меди, дефицита минерального питания ограничивается энергетическими возможностями
растения. Использование показателя энергетического баланса (R/Pg), степени его изменения в
условиях указанного стресса, в совокупности с адаптационными затратами и ростовыми показателями может служить для прогнозирования потенциальной продуктивности и устойчивости
разных видов растений на ранних стадиях развития.
3. Избыток цинка и меди вызывает каскад ответных реакций на уровне биохимических
процессов, направленных на нейтрализацию негативного воздействия данного вида стресса, исследование которых в комплексе с энергетическим балансом у растений с различным типом
фотосинтетического метаболизма (С3 и С4) позволяет дополнительно оценивать состояние растений.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания
методов исследований, результатов и их обсуждения, заключения, выводов. Работа изложена на
158 страницах, содержит 5 таблиц, 37 рисунков. Список литературы представлен работами 137
отечественных и 252 зарубежных авторов.
Благодарности. Автор благодарит за ценные советы, помощь и содействие в работе научных руководителей: доктора биологических наук, профессора Усманова Искандера Юсуфовича
и доктора биологических наук, профессора Рахманкулову Зульфиру Фаузиевну.
6
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение
Обосновывается актуальность проблемы, формулируются цели и задачи.
Глава 1. Эколого-физиологические и биохимические аспекты адаптации растений к
стрессу (обзор литературы)
Рассмотрены пути формирования адаптации растений к изменяющимся условиям среды.
Показана сложность и неоднозначность эффектов воздействия внешних факторов антропогенного и абиотического характера на физиолого-биохимические параметры растений. Показана
ключевая роль дыхательного обмена в интеграции адаптационных процессов при различных
видах стресса.
Глава 2. Объекты и методы проведения исследований
С целью выявления морфофизиологических и биохимических межвидовых и внутривидовых различий объектами исследования были выбраны растения пшеницы (Triticum aestivum L.)
сорта Симбирка, кукурузы (Zea mays L.) сорта Екатерина СВ, ежи сборной (D. glomerata L.),
пустырника (L. quinquelobatus Gilib.), и растения вида календулы лекарственной (Calendula
officinalis L.) сортов Кальта, Каблуна Голд, Калифорнийская.
Растения выращивали в условиях водной и песчаной культуры в вегетационных сосудах на
светоплощадке: освещенность 15 кЛк, светопериод 14 часов. Средняя температура воздуха составляла 25  6С, влажность воздуха 70 - 90 %.
В контрольном варианте растения выращивали на растворе Хогланда – Арнона (Гродзинский, Гродзинский, 1973). Для создания опытного варианта использовали повышенное 1,5
кратное превышение ориентировочно допустимой концентрации (ОДК) Zn (1,2·10 -3 M) и предельно допустимой концентрации (ПДК) Cu (7,08·10-5 M), и высокое 3-х кратное превышение
ОДК Zn и Cu (2,4·10-3 M и 1,5·10-3 M, соответственно) (Перечень ПДК и ОДК…, 1991; Дополнение №1..., 1994). Для экспериментов по созданию дефицита элементов минерального питания
растения выращивали на растворе CaSO4, 10
–4
М. Растворы солей вносили на 7 - е сутки от
прорастания семян. Исследования проводили на 14 - 75 - дневных растениях.
Определение интенсивности суммарного темнового дыхания (R) и его функциональных
составляющих проводили манометрическим методом на аппарате Варбурга WA 0110 (Германия) (Семихатова, Чулановская, 1965; Гавриленко и др., 1975). В ходе экспериментов определяли сырую и сухую массу побегов и корней, и их относительную скорость роста (RGR) (Бидл,
1989). Рассчитывали: гросс-фотосинтез (Pg, мг О2/раст. сут) (Головко, 1983; Amthor, 2000) - по
сумме затрат на дыхание (R, мг О2/раст. сут,) и приросту биомассы (ΔW, мг/сут); соотношение
7
дыхательных затрат и гроссфотосинтеза (R/Pg) (Головко, 1997); величину дыхательных затрат на адаптацию (Ra) (Рахманкулова и др., 2001). Составляющие темнового дыхания растений
определяли с использованием специфических ингибиторов (Уэбб, 1966; Семихатова, 1969; Зубкова и др., 1997; Шугаев, 2001). Ингибирование гликолитического пути осуществляли NaF и
иодоацетамидом в концентрациях 50 мМ, pH 4,5. Долю окислительного пентозофосфатного пути (ОПФП) определяли с помощью 1 мМ N-этилмалеимида (pH 4,5) и 100 мМ Na2B4O7 (pH 4,5).
Для определения степени сопряжения процессов окислительного фосфорилирования использовали 0,1 мМ 2,4-динитрофенол (ДНФ) (pH 6,5). Ингибирование цитохромоксидазного и цианидрезистентного пути осуществляли с помощью NaN3 и салицилгидроксамовой кислоты
(СГК), соответственно. Выявление степени заполненности электронами цитохромного (cyt) и
цианидрезистентного (alt) путей производили методом “прямого” и “обратного” титрования
(Moller et al., 1988; Шугаев и др., 1998).
Индекс устойчивости рассчитывали по сухой массе растений согласно формуле: ИУ = параметр опыт/параметр контроль (Balint et al., 2002).
Содержание цинка и меди в образцах измеряли на атомно-адсорбционном спектрофотометре в воздушно - ацетиленовом пламени на аппарате Hitachi 508.
В ходе проведенных опытов определяли активность пероксидазы (Ермаков и др., 1987), каталазы (Королюк и др., 1990), содержание МДА (Малый практикум…, 1990) и пролина (Калинкина и др., 1990).
Каждый опыт проводили в 4-х биологических и 3-х аналитических повторностях. Статистическую обработку экспериментальных данных проводили с помощью пакета прикладных
программ Statistica 5.1 Windows и программы Excel пакета Microsoft Office.
Глава 3. Общность и поливариантность механизмов устойчивости растений при стрессе
3.1. Формирование адаптации к повышенному содержанию цинка
Рост растения является интегральной характеристикой отражающей степень адаптации растения к условиям окружающей среды (Барсукова, 1997). Относительная скорость роста (RGR)
является одним из главных критериев экологических адаптивных стратегий (Grime, 1979), который косвенно отражает комплексную систему устойчивости данного растения к конкретному
виду стресса (Усманов, 1987).
В оптимальных условиях 28-ми дневные растения T. aestivum характеризовались меньшей
относительной скоростью роста по сравнению с Z. mays, имеющей наибольшее значение RGR,
что вероятно обусловлено их принадлежностью к разным типам фотосинтетического метаболизма (С3 - и С4 - типам, соответственно) (рис. 1).
8
Рис. 1. Изменение относительной скорости роста 28-ми сут. растений Triticum аestivum L., Zea mays L. и
60-ти сут. растений рода Calendula 3-х сортов в условиях повышенного содержания в среде цинка.
□ - контроль;
■ - избыточное содержание цинка;
При 1,5 кратном ОДК Zn в среде растения Z. mays снизили RGR в 9 раз; T. aestivum - в 4 раза,
проявив себя как более устойчивый по сравнению с Z. mays. вид к данному типу стресса. Среди
60-ти дневных контрольных растений вида С. officinalis сорт Кальта имел более высокое значение RGR. При выращивании растений в условиях 3-х кратного превышения ОДК Zn у сортов
Кальта и Калифорнийская происходило снижение RGR в 1,8 и 1,7 раз, соответствен но (рис. 1);
у сорта Каблуна Голд наблюдалось увеличение данного параметра в 1,2 раза. Следует отметить,
что растения календулы были выбраны в качестве потенциально устойчивых объектов к действию цинка и меди вследствие способности к накоплению данных элементов без видимого
ущерба для развития (Исмагилов, Костылев, 2000).
Индекс устойчивости растений T. aestivum имел значение 0,7 ± 0,02, Z. mays L. - 0,5 ± 0,007,
растений сорта Кальта - 0,65, Каблуна Голд - 1,36, и сорта Калифорнийская - 0,64.
Таким образом, основываясь на данных о процессах роста и, особенно на величине аллометрического параметра RGR, исследуемые растения можно расположить по нарастанию
устойчивости следующим образом: Z. mays  T. aestivum  Калифорнийская  Кальта Каблуна Голд.
Доля суммарных дыхательных затрат от гросс-фотосинтеза независимо от типа фотосинтетического метаболизма в норме составляла 52 - 65%, а при стрессе была значительнее у растений, выращенных в условиях повышенного содержания Zn (70 – 79 %) (рис. 2).
Таким образом, полученные данные подтвердили реализацию разного адаптивного поведения исследуемыми растениями в условиях избыточного содержания в среде цинка.
Расчет адаптационных затрат (Ra) позволил оценить долю суммарного дыхания не связанную с ростом и сильно возрастающую при стрессе (Рахманкулова и др., 2001). Значения Ra
сельскохозяйственных видов (пшеницы и кукурузы) были примерно одинаковыми и составляли
62 и 64%, соответственно.
9
Рис. 2. Изменение доли дыхательных затрат от гросс-фотосинтеза (Σ R/Pg) растений T. aestivum, Z. mays,
С. officinalis 3-х сортов в контроле (□) и при избыточном содержании цинка в среде (■); // - Ra (адаптационная составляющая темнового дыхания).
Наименьшее значение Ra среди С. officinalis L. имел наиболее устойчивый сорт Каблуна
Голд (28 %).
Изучение изменений в соотношении путей суммарного темнового дыхания при стрессе с помощью ингибиторного анализа позволяет косвенно судить о доле биохимических составляющих суммарного дыхания и соответственно об энергетической эффективности дыхания растительного организма.
Из рисунка 3 видно, что в контрольных условиях доля гликолиза варьировала приблизительно на одном уровне у пшеницы и кукурузы. На цинксодержащей среде соотношение
ОПФП:гликолиз сельскохозяйственных культур смещалось в сторону первого. У представителей рода Calendula в норме соотношение ОПФП:гликолиз было приблизительно одинаковым;
при стрессе наблюдалось изменение соотношения ОПФП:гликолиз в сторону последнего. Из
рисунков 2 и 4 видно, что при стрессе доля суммарных дыхательных затрат от гроссфотосинтеза у 28-ми суточных злаков возрастала за счет энергетически выгодного цитохромного пути, и особенно сильно это проявлялось у растений пшеницы (рис. 4). Низкий, в отличие от
пшеницы, адаптационный потенциал растений кукурузы при избытке Zn также выражался в
слабом ответе со стороны антиоксидантной защитной системы (уровень проксидазы, каталазы,
пролина) (табл. 1). Увеличение цитохромного пути при избытке цинка (рис. 4) можно объяснить потребностью в энергии для адаптации при данном стрессе, то есть: 1) возможно, в данном
случае не происходит насыщения и как следствие торможения основного цитохромного пути
интермедиатами (Dry et al., 1989; Moore et al., 1988); 2) в работе Yoshida К. с сотр. (2006) показана корреляция между защитными системами сброса избытка энергетических эквивалентов, а
именно, при ингибировании альтернативной оксидазы (АО) происходило снижение активности
фотосистемы II (ФС II). А также из литературных источников известно об ингибировании ФС II
избытком цинка (Пигулевская и др., 1988; Бессонова и др., 1990) и меди (Yruella, 2005). Таким
10
образом, уменьшение доли альтернативного пути в варианте с пшеницей и кукурузой при избытке Zn (рис. 4) скорее всего, связано с ингибированием ФС II.
У 60-ти дневных растений Кальта и Калифорнийская на среде с Zn происходило изменение
соотношения цитохромного и альтернативного путей в сторону увеличения последнего, при
этом значительнее у сорта Калифорнийская (в 1,5 раза) (рис. 4). У сортов Кальта и Калифорнийская степень заполненности обоих путей окисления (alt и cyt) соответствовала их полной
задействованности, т.е. была равна единице. У растений сорта Каблуна Голд на среде с повышенным содержанием Zn происходило увеличение доли энергетически выгодного цитохромного пути. При этом наблюдалось неполное насыщение обоих путей окисления (alt = 36% и cyt =
70%).
Рис. 3. Соотношение доли гликолиза (г) и ОПФП Рис. 4. Соотношение доли участия в суммарном
+ остаточное дыхание (п + о) у исследуемых рас- темновом дыхании альтернативного пути (alt),
тений в норме (1) и при избытке в среде цинка (2). цитохромного пути (cyt), и остаточного дыхания
(res) у исследуемых растений в контроле (1) и
при избытке в среде цинка (2).
Таким образом, анализируя совокупность полученных морфофизиологических и биохимических данных, исследуемые растения можно расположить в ряд по нарастанию устойчивости к
повышенному содержанию цинка: Z. mays  T. aestivum  Калифорнийская  Кальта  Каблуна Голд.
3.2. Формирование адаптации к повышенному содержанию меди
Исследование ростовых параметров растений на среде с 1,5 кратным превышением ПДК
меди показало снижение относительной скорости роста пшеницы, кукурузы и сорта Калифорнийская в 3, 7 и 1,3 раза, соответственно. У растений календулы сортов Кальта и Каблуна Голд
при выращивании в условиях 3-х кратного превышения ОДК Cu наблюдалось увеличение параметра RGR в 1,5 и 1,4 раза, соответственно, что свидетельствует об общей устойчивости вида
11
С. officinalis L. к меди (табл. 2). Расчет индекса устойчивости показал, что более высокими
значениями данного параметра характеризовались растения сорта Каблуна Голд (1,1 ± 0,01),
Кальта (1,0 ± 0,06), T. aestivum - (0,8 ± 0,03); меньшие значения имели сорт Калифорнийская
(0,7 ± 0,02) и растения Z. mays (0,6 ± 0,02).
Рис. 5. Изменение доли дыхательных затрат от гросс-фотосинтеза (ΣR/Pg) у растений T. aestivum, Z.
mays, С. officinalis 3-х сортов в контроле (□) и при избытке меди в среде (■); // - Ra (адаптационная составляющая темнового дыхания).
Доля суммарных дыхательных затрат от гросс - фотосинтеза (ΣR/Pg) у исследуемых растений в норме составляла 42 – 65 % (рис. 5). При воздействии меди параметр ΣR/Pg возрастал у
всех видов. При этом доля адаптационных затрат (Ra) растений пшеницы в условиях повышенного содержания меди составляла 49 %, кукурузы – 80 %, растений календулы сортов Кальта и
Каблуна Голд – 57 %, Калифорнийская - 64%.
Исследование биохимических составляющих дыхательного обмена показало, что при наличии в среде меди у всех исследуемых растений, кроме самой не устойчивой к этому ТМ культуры Z. mays, происходило усиление гликолиза (рис. 6).
Из рисунка 7 видно, что при избытке в среде меди у 14-ти суточных злаков значительную
долю в суммарном темновом дыхании составлял цитохромный путь. У растений пшеницы в отличие от Z. mays изменения в соотношении путей были не значительными (табл. 2), что может
быть проявлением устойчивости растений к данному виду стресса. У растений кукурузы при
стрессе доля цитохромного пути увеличивалась на 14 %, доля остаточного дыхания на 6 %, доля цианидрезистентного (alt) пути снизилась на 23 % (рис. 7). У 60-ти дневных растений календулы всех сортов увеличение адаптационных дыхательных затрат при стрессе происходило за
счет возрастания участия альтернативного пути (рис.7): наиболее сильно это проявлялось у
сорта Калифорнийская (в 1,4 раза). Возможно, это связано с функционированием АО в качестве
механизма «сверхпотока энергии» (Lambers, 1985), который одновременно препятствует избыточному образованию АФК (Шугаев, 1999; Małecka et al., 2001). Доля цитохромного пути снижалась: в большей степени - у Калифорнийская, далее - у Каблуна Голд, и меньше всего у Кальта (рис. 7).
12
Рис. 6. Соотношение доли гликолиза (г) и ОПФП Рис. 7. Соотношение доли участия в суммарном
+остаточное дыхание (п + о) у исследуемых рас- темновом дыхании альтернативного пути (alt),
тений в норме (1) и при избытке меди (2).
цитохромного пути (cyt), и остаточного дыхания
(res) у исследуемых растений в контроле (1) и
при избытке в среде меди (2).
Анализируя полученные данные, изучаемые растения можно расположить в ряд по нарастанию устойчивости к меди следующим образом: Z. mays  Калифорнийская  T. aestivum 
Кальта  Каблуна Голд.
3.3. Формирование адаптации при дефиците элементов минерального питания
Одной из поставленных в работе задач являлась оценка комплекса адаптационных реакций
растений при дефиците элементов минерального питания. Известно, что растения более устойчивы к повышенным концентрациям элементов, нежели к пониженным (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Благодаря избирательному поглощению ионов, растительный организм поддерживает необходимый элементный химический состав, обеспечивая благополучное протекание метаболических процессов (Ильин, 1985, 1991). Полное отсутствие отдельных элементов может
иметь для растения необратимые последствия. Микроэлементы, в частности Zn и Cu, не уступают по значимости макроэлементам (Rout, 2003; Демидчик, 2001).
У всех исследуемых растений при недостатке элементов минерального питания происходило снижение относительной скорости роста (RGR) (табл. 2).
Доля суммарного дыхания от гросс-фотосинтеза (Σ R/Pg) увеличивалась при стрессе у всех исследуемых растений (в 1,02 раза у Каблуна Голд, и в 2,6 раз у пустырника) (рис. 8).
13
Рис. 8. Изменение доли дыхательных затрат от гросс-фотосинтеза (ΣR/Pg) у растений T. aestivum, C. officinalis 3-х сортов и растений D. glomerata и L. quinquelobatus в норме (□) и при дефиците элементов
минерального питания (■); // - Ra (адаптационная составляющая темнового дыхания).
Анализ адаптационной составляющей темнового дыхания (Ra) позволил построить ряд по
нарастанию устойчивости растений к дефициту элементов минерального питания: L. quinquelobatus Gilib.  календула сорта Калифорнийская  Т. aestivum  Кальта  Каблуна Голд 
ежа.
Из рисунка 9 видно, что при стрессе у устойчивого среди растений календулы сорта Каблуна Голд, имевшего небольшие энергетические затраты на адаптацию (рис. 8), происходило
снижение доли гликолиза по сравнению с контролем.
Рис. 9. Соотношение доли гликолиза (г) и ОПФП
+ остаточное дыхание (п + о) у растений рода C.
officinalis 3-х сортов и растений D. glomerata L.,
L. quinquelobatus G. в норме (1) и при дефиците
элементов минерального питания (2).
Oбозначения: I – сорт Кальта, II – Каблуна Голд,
III – Калифорнийская.
Рис. 10. Соотношение доли участия в суммарном
темновом дыхании цитохромного (cyt), альтернативного пути (alt) и остаточного дыхания (res)
C. officinalis L. 3-х сортов и D. glomerata L., L.
quinquelobatus G., в норме (1) и при дефиците
элементов минерального питания (2).
Oбозначения: см. рис. 9
14
Подобное изменение соотношения процессов у данного сорта объясняется сохранением
высокой интенсивности синтеза макроэргических соединений, что подразумевает наличие аденилатного контроля работы гликолитического пути.
На рисунке 10 показано, что при стрессе происходило изменение соотношения доли участия путей в суммарном дыхании в сторону увеличения альтернативного пути. Анализ функционирования путей позволяет сделать предположение о реализации различных функций цианидрезистентного пути. При стрессе у неустойчивых к дефициту элементов минерального питания растений (пустырник, C. officinalis сортов Кальта и Калифорнийская) увеличение суммарных дыхательных затрат происходило за счет возрастания доли альтернативного пути (на 17
± 8 %) (рис. 10). Такое изменение соотношения альтернативных путей связано с функцией диссипации неиспользуемых метаболитов. У устойчивых к данному стрессу растений (Каблуна
Голд и ежа) наблюдалось незначительное увеличение адаптационных затрат (22,5 ± 5 %)
(рис.8), которое сопровождалось увеличением энергетически более выгодного цитохромного
пути.
Таким образом, по совокупности изученных параметров исследуемые растения были расположены в ряд по нарастанию устойчивости к дефициту элементов минерального питания, где
наименее устойчивыми являлись растения пустырника и наиболее адаптированными - растения
ежи: L. quinquelobatus  Т. aestivum  C. officinalis L. Калифорнийская  Кальта  Каблуна
Голд  D. glomerata.
3.4. Антиоксидантная система в структуре адаптации к избытку цинка и меди
Известно, что избыток ТМ инициирует окислительный стресс в растительном организме
(Schutzendubel, Polle, 2002), вызывая изменения активности энзиматических антиоксидантных
защитных систем (Wang еt al., 2004; Chen et al., 2000; Malecka et al., 2001; Erdei et al., 2002).
Биохимический анализ исследуемых растений показал различия в работе некоторых ферментных элементов антиокислительной системы растений (пероксидазы и каталазы). В контроле растения T. aestivum характеризовались более высокой пероксидазной активностью по сравнению с Z. mays. При избытке в среде цинка активность пероксидазы у 28-ми дневных растений
T. aestivum возросла в 2,4 раза, что компенсировало снижение активности каталазы (табл. 1), и
косвенно свидетельствовало о значительном накоплении АФК. Подобное изменение активности пероксидазы и каталазы объясняется тем, что их функционирование связанно с одним веществом – H2O2, содержание которого контролируют оба фермента (Wecx, Clijsters, 1996). У
растений Z. mays генетического потенциала было недостаточно для формирования защитного
механизма от избытка цинка: активность пероксидазы под его воздействием не изменялась; активность каталазы - снижалась в 3 раза. При наличии в среде избытка меди активность пероксидазы возрастала в побегах 14-ти суточных растений обоих видов. Более высокая активность
15
пероксидазы (в 2 раза по отношению к контролю) наблюдалась у растений Z. mays. Достоверных различий в активности каталазы Т. aestivum и Z. mays не обнаружено. Подобное изменение
активности пероксидазы и каталазы при избытке меди подтверждается и в работе Li-Men-Chen
(2000) с соавторами.
Содержание малонового диальдегида (МДА) свидетельствует о поражении мембранных
липидов в результате их перекисного окисления активными формами кислорода. В контрольном варианте растения T. aestivum характеризовались более высоким содержанием МДА. На
среде с Zn происходило усиление образования МДА у обеих культур. У растений Z. mays
наблюдалось более значительное увеличение содержания МДА (в 2,7 раза), которое происходило на фоне низкой активности пероксидазы и каталазы (табл. 1). При избытке меди в среде содержание МДА возрастало значительнее (в 2,5 раза) у 14-ти дневных растений Z. mays, что свидетельствовало об активно протекающих процессах перекисного окисления липидов.
Таблица 1.
Реализация адаптационного потенциала растений T. aestivum L. и Z. mays L. на уровне ответа
антиоксидантной системы при избытке Zn и Cu.
T. aestivum L.
Параметры
Z. mays L.
ТМ
Величина изменения направленности
 в 2,4 раза
 в 1,09 раза, слабо
 в 1,4 раза
 в 2 раза
 в 2,4 раза
 в 3 раза
незначительные изменения в побегах, и слабо  в корнях в 1,2 и
1,12раза, соответственно
Содержание МДА
Zn
 в 1,6 раз
 в 2,7 раза
Cu
 в 1,8 раз
 в 2,5 раза
Содержание
Zn
 в 9,6 раз
 в 1,14 раза, слабо
пролина
Cu
 в 1,3 раза
 в 3,5 разa
Содержание металла в побегах
Zn
 в 5,5 / 2,5 раза
 в 3 / 2,5 раза
/ корнях
Cu
 в 3,6 / 4,3 раза
 в 3,5 / 6 раза
ИТОГ:
Более устойчивы к Zn и Cu
Менее устойчивы к Zn и Cu
(Обозначения к таблице 1:  /  - возрастание / снижение значения параметра)
Активность
пероксидазы
Активность
каталазы
Zn
Cu
Zn
Cu
Несомненную роль в выживании растений при стрессе (Kuznetsov, Shevyakova, 1997) и в
реализации адаптационного процесса играет стресс - индуцированный пролин (Кузнецов, Шевякова,1999; Alia et al., 2001).
16
В норме содержание пролина у 28-ми дневных исследуемых видов было приблизительно
одинаковым. При избытке Zn наблюдалось значительное увеличение содержания пролина у T.
aestivum (в 9,5 раза); у растений Z. mays достоверных различий не выявлено. При избытке в среде меди накопление пролина возросло значительнее у 14-ти суточных растений кукурузы (табл.
1).
Анализ содержания металлов показал, что значительная часть цинка накапливалась в побегах, меди – в корнях (табл. 1).
Заключение
Проведённые нами исследования по изучению реализации адаптивного поведения среди
представителей разных видов и в пределах одного вида растений в условиях стресса (избытка
цинка и меди, дефицита элементов питания) позволили выявить определенные закономерности
в изменении морфофизиологических и биохимических параметров, которые позволяют оценивать физиологическое состояние растений и прогнозировать их устойчивость к данным видам
стресса. Результаты экспериментов не только подтвердили литературные сведения об изменении одних параметров (RGR, ΣR/Pg, Ra, ИУ) в строго определенном диапазоне и направлении,
но и позволили обнаружить неоднозначность в величине других параметров (соотношение гликолиза и ОПФП, доля участия и заполненность цианидрезистентного и цитохромного путей,
активность пероксидазы, накопление пролина, содержание цинка и меди в растительных тканях), изменение которых отражает индивидуальность частных реакций различных видов растений на стресс.
Показано, что для объективной характеристики устойчивости растений в условиях стресса
(избытка цинка и меди, дефицита элементов минерального питания) может быть использован
комплекс морфофизиологических и биохимических параметров (табл. 1 и 2), которые можно
разделить на более консервативные, не зависящие от вида растений, типа стресса и изменяющиеся в строго определённом диапазоне (более значительно у неустойчивых, менее - у устойчивых), и варьирующие параметры, поливариантность которых предоставляет растительному
организму дополнительные возможности при формировании адаптации к стрессовым условиям.
К первым относятся: RGR, ΣR / Pg, Ra, индекс устойчивости; ко вторым: задействование и заполненность альтернативных путей в суммарном темновом дыхании и биохимические показатели на уровне ответа антиоксидантной системы.
17
(Обозначения к таблице 2:  /  - возрастание / снижение значения параметра)
18
Выводы
1. Показано, что в условиях избыточного содержания в среде цинка и меди исследуемые
виды сельскохозяйственных растений, с различным типом фотосинтетического метаболизма
(С3 и С4), по-разному реагировали на стресс. Растения Triticum aestivum L. характеризовались
большей пластичностью метаболизма по сравнению с Zea mays: реализация адаптационного потенциала у растений Т. aestivum происходила путем активного задействования всех адаптационных возможностей (усиление энергетических затрат за счет наиболее энерговыгодного цитохромного пути, активизация антиоксидантных механизмов, увеличение стрессиндуцированного накопления пролина).
2. Выявлены сортовые различия адаптивного ответа на избыток цинка и меди в пределах
одного вида Calendula officinalis L. Сорта Кальта и Каблуна Голд были менее продуктивны и
более устойчивы к воздействию тяжёлых металлов (цинка и меди), особенно растения сорта
Каблуна Голд. Растения сорта Калифорнийская были высокопродуктивными и не устойчивыми
к данному стрессу.
3. На основе анализа морфофизиологических параметров и энергетических затрат показано,
что растения Calendula officinalis L. сорта Каблуна Голд и D. glomerata L. более устойчивы к
дефициту элементов минерального питания; растения L. quinquelobatus Gilib., и C. officinalis L.
сорта Калифорнийская и Кальта - не устойчивы к данному стрессу (значительное увеличение
ΣR/Pg, адаптационных дыхательных затрат, диссипация неиспользуемых метаболитов).
4. Исследование включения адаптационных защитных механизмов на уровне биохимических процессов дополняют морфофизиологический анализ состояния растений. Показано что,
изменение некоторых биохимических параметров в определенном векторе значений (увеличение активности пероксидазы, накопления пролина, более низкий уровень МДА) свойственно
более устойчивым растениям.
5. Показано, что для более объективной физиологической характеристики и дифференциации по степени устойчивости представителей разных видов растений и сортов (в пределах одного вида) при стрессе (избыток цинка и меди в среде, дефицит элементов минерального питания) может быть использован комплекс общих, более консервативных параметров, таких RGR,
ΣR / Pg, Ra, ИУ, и дополнительных поливариантных биохимических показателей (соотношение
разных дыхательных путей, активность пероксидазы, содержание ТМ, пролина).
19
Список работ Абдуллиной О.А. (Подашевка), опубликованных
по теме диссертации
1. Федяев В.В., Подашевка О.А. Составляющие дыхательного обмена растений с разными
уровнями устойчивости // Проблеми фiзiологiï рослин i генетики на рубежi третього тисячолiття. Тези доповiдей. Киев, 2000. С. 15.
2. Рахманкулова З.Ф., Федяев В.В., Подашевка О.А., Усманов И.Ю. Функционирование отдельных этапов дыхательного метаболизма у растений с разной устойчивостью к дефициту
элементов минерального питания // Сборник статей и тезисов. Часть 1. Издание БашГУ – Уфа.
2000. С. 233–239.
3. Федяев В.В., Подашевка О.А. Изменение доли участия гликолиза в дыхательном обмене
у растений с разными типами адаптивных стратегий при стрессе // Биология-наука 21-го века:
5-ая конференция. Пущино, 2001. С. 64.
4. Федяев В.В., Рахманкулова З.Ф., Подашевка О.А., Усманов И.Ю. Формирование соотношений альтернативных путей дыхания при реализации альтернативных стратегий // Вестник
БашГУ, № 2. Издание БашГУ – Уфа, 2001. С. 79-82.
5. Федяев В.В., Подашевка О.А., Рахманкулова З.Ф. Изменение функционирования отдельных этапов темнового дыхания у видов с разными адаптивными стратегиями при стрессе //
Итоги биологических исследований. Вып. 6. 2000 г.: Сборник научных трудов. Издание БашГУУфа, 2001. С. 56-60.
6. Федяев В.В., Подашевка О.А., Рахманкулова З.Ф. Изменение дыхательного обмена у
Amaranthus retroflexus L. При разных условиях минерального питания в онтогенезе // Новые и
нетрадиционные растения и перспективы их использования: Материалы 4-го междунар. симпозиума Т I -Пущино, 2001. С.115.
7. Федяев В.В., Подашевка О.А., Рахманкулова З.Ф., Усманов И.Ю. Функционирование
альтернативных путей темнового дыхания у представителей разных адаптивных стратегий в
оптимальных и стрессовых условиях // Актуальные вопросы экологической физиологии растений в 21 веке: Международная конференция по экологической физиологии растений. Сыктывкар, 2001. С. 125-126.
8. Fedyaev V.V., Rakhmankulova Z.F., Podashevka O.A., Usmanov I.Yu. Dark respiration
components and secondary metabolism in plant with different adaptive strategies under stress
conditions. // Plant under environmental stress: International sympos. Moscow, K.A. Timiryazev
Institute of Plant Physiology, 2001. P. 73-74.
9. Рахманкулова З.Ф., Федяев В.В., Подашевка О.А., Усманов И.Ю. Альтернативные пути
дыхания и вторичный метаболизм у растений с разными типами адаптивных «стратегий» при
20
дефиците элементов минерального питания // Физиология растений, 2003. Т. 50, № 2, С. 231 –
237.
10. Подашевка О.А., Рахманкулова З.Ф., Федяев В.В., Усманов И.Ю. Устойчивость растений рода Calendula к повышенному содержанию ТМ. Ионы металлов и растения: Материалы VI
междунар. симпозиума. Издательство СПбГУ – СПб, 2002. Микроэлементы в медицине, спец.
выпуск, №2, Т. 3. C. 81.
11. Podashevka O.A., Rakhmankulova Z.F., Fedyaev V.V., Usmanov I.Yu. The tolerance of
CALENDULA family plants to increased heavy metal contents // Materials of 13th Congress of the
Federation of European Societies of Plant Physiology (Hersonissos, Heraklion, Crete, Greece, 2-6
September 2002. P. 744.
12. Подашевка О.А., Рахманкулова З.Ф., Федяев В.В., Усманов И.Ю. Оценка устойчивости
растений рода Сalendula L. к повышенному содержанию тяжёлых металлов на уровне составляющих дыхательного обмена // Итоги биол. исслед. Вып. 7. 2001 г.: Сборник науч. трудов.
Изд. БашГУ – Уфа, 2003 C. 56.
13. Rakhmankulova Z.F., Fedyaev V.V., Podashevka O.A., Usmanov I.Yu. Alternative respiration
pathways and reactive oxygen species in plants with different adaptive strategies in normal and
unfavorable conditions // Materials of 21st Congress of the Scandinavian Plant Physiology Society
(Allinge-Sandvig, Bornholm, Denmark, 21 – 24 August, 2003.
14. Федяев В.В., Рахманкулова З.Ф., Подашевка О.А., Усманов И.Ю. Изменение величины
параметров дыхательного обмена у растений Leonurus quinquelobatus Gilib. в условиях дефицита элементов минерального питания // «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их
использования»: Материалы 5-го международного симпозиума (9 – 14 июня 2003 г.), Пущино,
2003. С. 120.
15. Подашевка О.А., Федяев В.В. Изменение величины R / Pg у растений рода Calendula L.
в норме и в условиях повышенного содержания кобальта и меди Биология – наука 21-го века. 7ая конференция молодых ученых (Пущино, 14 – 18 апреля 2003 г.): Сборник тезисов – Пущино,
2003. С. 204 – 205.
16. Федяев В.В., Рахманкулова З.Ф., Подашевка О.А., Усманов И.Ю., Фархутдинов Р.Р. Антиокислительная активность тканей у растений с разными типами эколого-ценотических стратегий // Материалы 5-го Съезда Всероссийского общества физиологов растений (Пенза, сентябрь, 2003 г.) С. 347-348.
17. Рахманкулова З.Ф., Федяев В.В., Подашевка О.А., Усманов И.Ю. Альтернативные пути
дыхания и активные формы кислорода у растений с разными типами адаптивных стратегий при
дефиците элементов минерального питания // Материалы 5-го Съезда Всероссийского общества
физиологов растений (Пенза, сентябрь, 2003). С. 69 - 70.
21
18. Подашевка О.А., Рахманкулова З.Ф., Федяев В.В., Усманов И.Ю. Растения Calendula
officinalis L. в условиях высокого содержания тяжелых металлов // Региональная научнопрактическая конференция «Технология выращивания и использование лекарственных культур». Уфа, июль-2003. С. 19 - 21.
19. Абдуллина О.А. Физиологические механизмы формирования устойчивости у растений
Calendula officinalis L в условиях повышенного содержания тяжелых металлов // Тезисы докладов XI международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам
«Ломоносов - 2004», Москва, 2004. М: МГУ, С. 4 - 5.
20. Абдуллина О.А., Федяев В.В. Влияние высоких концентраций цинка и кобальта на морфофизиологические параметры у растений с С3- и С4-типами фотосинтеза // Актуальные проблемы экологии и охраны окружающей среды: Тезисы докладов Всероссийской конференции
молодых ученых и студентов. Уфа; РИО БашГУ, 2004. С. 91 – 92.
21. Федяев В.В., Абдуллина О.А. Изменение некоторых биохимических процессов у растений кукурузы и пшеницы в условиях повышенного содержания тяжелых металлов // Актуальные проблемы экологии и охраны окружающей среды: Тезисы докладов Всероссийской конференции молодых ученых и студентов. Уфа; РИО БашГУ, 2004. С. 104 – 105.
22. Абдуллина О.А., Федяев В.В. Влияние меди на антиоксидантную систему побегов
Triticum aestivum L. Тезисы докладов XIII международной конференции студентов, аспирантов
и молодых ученых «Ломоносов - 2006», секция «Биология», (12-15 апреля 2006, Москва). М:
МГУ, биологический факультет. С. 3 - 4.