О Баїк - Вплив іонів свинцю на фізіолого-біохімічні показники мохів - страница 1

Страницы:
1 

ВІСНИК ЛЬВІВ. УН-ТУ VISNYK OF LVIV UNIV.

Серія біологічна. 2009. Вип. 50. С. 144-150    Biology series. 2009. Is. 50. P. 144-150

Фізіологія рослин

УДК 582.32.54.06

ВПЛИВ ІОНІВ СВИНЦЮ НА ФІЗІОЛОГО-БІОХІМІЧНІ ПОКАЗНИКИ МОХІВ

О. Баїк, О. Щербаченко

Інститут екології Карпат НАН України вул. Стефаника, 11, Львів 79000, Україна e-mail: morphogenesis@mail.lviv.ua

Показано, що з підвищенням концентрації свинцю у середовищі до 100,0 мкМ знижується інтенсивність люмінесценції хлорофілу листків мо­хів Drepanocladus aduncus (Hedw.) Warnst. і Amblystegium serpens (Hedw.) Schimp у 1,5-2,0 і 0,8-0,9 разу порівняно з контролем; індекс толерантнос­ті становив 60 і 48% відповідно. Електрофоретично виявлено послаблення інтенсивності фракцій естерази з ММ 29 і 45 кД у A. serpens, а в D. aduncus, крім цього, появу фракцій з 66 та 132 кД. Встановлено зв'язок між фотосинтетичними, ростовими та біохімічними змінами досліджува­них видів мохів під впливом свинцю.

Ключові слова: свинець, мохи, індекс толерантності, люмінесценція хлоро­філу, множинні молекулярні форми естерази.

Проблема адаптації живих організмів до мінливих умов природного середовища набула особливої актуальності у зв' язку зі зростанням впливу техногенного забруднен­ня різними хімічними речовинами, у тому числі важкими металами (ВМ). Адаптація рослин до токсичної дії полютантів настає лише у вузькому діапазоні концентрацій і за певних умов природного середовища, коли природні фактори не створюють додаткових стресових ситуацій [6].

Токсична дія ВМ проявляється на активності ростових процесів та біохімічному рівні - це порушення інтенсивності фотосинтезу, стану та вмісту пігментів, біосинтезу білків і ферментів тощо [3, 4]. Вплив ВМ на морфофізіологічні показники квіткових рослин (ростові параметри, інтенсивність фотосинтезу, дихання, вміст пігментів і т. д.) вивчено досить вичерпно [9-12, 14]. Однак дія полютантів на вищезгадані процеси у мохів ще недостатньо з' ясована. У зв' язку з цим досліджували фізіолого-біохімічні реа­кції мохів Amblystegium serpens (Hedw.) Schimp. і Drepanocladus aduncus (Hedw.) Warnst. на вплив нітрату свинцю.

У дослідженнях використовували лабораторні культури мохів A. serpens і D. aduncus, отримані шляхом вегетативного розмноження природних зразків з околиць м. Львова. Для дослідження регенераційної здатності мохів з листкостеблових пагонів (гаметофорів) відокремлювали листки і поміщали на агаризовані середовища Кноп II: дослідні - з 0,1-100,0 мкМ Pb(NO3)2, контрольні - без металу. Мохи вирощували в кон­трольованих умовах освітлення (2,0±0,2 тис. лк), температури (20°С) та 16-годинному світловому режимі. Через 14 днів аналізували регенерацію під бінокулярним мікроско­пом „Jenaval" (12,5х) [5].

Регенераційну здатність зразків мохів порівнювали за методом Д. С. Вілкінса [21], обчислюючи індекс толерантності (It):

It = L. х 100% lk

© Баїк О., Щербаченко О., 2009де ln - кількість регенерантів гаметофорів на середовищі з металом; lk - кількість регенерантів гаметофорів на середовищі без металу.

Дослідження впливу нітрату свинцю на інтенсивність люмінесценції хлорофілу листків мохів проводили на цитофлуориметрі [5]. Виміри проводили у клітинах між жилкою та облямівкою середньої частини листків. Результати досліджень кількісного аналізу й інтенсивності люмінесценції хлорофілу опрацьовували статистично [7].

Для електрофоретичного аналізу рослини розтирали в охолодженому до 4°С трис-гліциновому буфері (рН 8,3), додаючи захисні агенти (100 мг трилону Б, 400 мг аскорбі­нової кислоти на 8 мл буфера та 0,06 мл меркаптоетанолу; співвідношення рослинного матеріалу до буфера 1:1). Одержаний гомогенат центрифугували при 3 тис. об/хв. До супернатанту додавали 70%-ний розчин сахарози з розрахунку 0,2 мл розчину сахарози на 1 мл екстракту [19]. На поверхню гелю в електрофоретичних стовпчиках наносили витяжки об'ємом до 0,25 мл, які містили 50-250 мкг білка. Вміст білка визначали за методом О.А. Лоурі [17]. Для виявлення естерази застосовували інкубаційне середови­ще з 5-броміндоксилацетатом [18].

Гальмування ростових процесів мохів є одним із перших симптомів інтоксикації і призводить до зниження темпів репродукції [1]. Встановлено, що низькі концентрації нітрату свинцю (0,1 мкМ) стимулювали регенераційну здатність ізольованих листків у A. serpens, натомість вищі концентрації її пригнічували. У D. aduncus ростові процеси спові­льнювалися залежно від вмісту металу в середовищі. Виявлено, що з підвищенням концент­рації свинцю до 100,0 мкМ ІТ A. serpens становив 60%, а D. aduncus - 48% (рис. 1).

Аналіз індексу толерантності (It) вказує на різну токсикотолерантність мохів A. serpens і D. aduncus. Так, низькі концентрації свинцю (0,1мкМ) стимулювали регене­раційну здатність гаметофорів A. serpens. Хоча в обох випадках із підвищенням вмісту РЬ2+ у середовищі спостерігалося зниження It. У літературі [4, 6, 11] описані зміни ростової активності (зменшення розмірів листків, затримка росту, переважання розвит-

□ Контроль

□ 0,1 мкМ

И 1,0 мкМ

10,0 мкМ

□ 100,0 мкМ

12

Рис. 1. Вплив різних концентрацій нітрату свинцю (0,1-100,0 мкМ) на індекси толерантності мохів: 1 - A. serpens, 2 - D. aduncusу кореневої системи над надземною та ін.) під дією ВМ, унаслідок чого квіткові росли­ни набувають ознак, які сприяють їх виживанню у стресових умовах.

Одним із найчутливіших фізіологічних процесів до дії ВМ є фотосинтез. Відомо, що свинець спричинює зменшення інтенсивності фотосинтезу, зокрема, істотне знижен­ня вмісту хлорофілу внаслідок пригнічення процесів біосинтезу пігменту [2, 15, 16, 20]. Свинець належить до групи високотоксичних ВМ. Токсичність металу зумовлена пере­дусім здатністю міцно зв'язуватися в живих клітинах із азото- та сірковмісними реак­ційними центрами аміно- і сульфгідрильних груп ферментів. Аналіз стану хлорофілу, який визначали за інтенсивністю люмінесценції хлорофілу у листках досліджуваних видів мохів, показав, що низька концентрація Pb2+ (0,1 мкМ) спричинювала підвищення інтенсивності люмінесценції хлорофілу в A. serpens у 1,1, тоді як в D. aduncus простежу­валася тенденція її поступового зниження. Отримані результати вказують на стимулю­ючий вплив низьких концентрацій металу у A. serpens. Подібний ефект спостерігали за дії низьких концентрацій кадмію (0,01 мкМ) у Plagiomnium undulatum Hedw. [8]. Із під­вищенням концентрації свинцю у середовищі до 100,0 мкМ інтенсивність люмінесцен­ції хлорофілу знижувалася як у моху A. serpens у 0,8-0,9 разу, так і в D. aduncus у 1,5­2,0 рази, порівняно з контролем (рис. 2). Отже, інгібуючий вплив сублетальної концент­рації Pb2+ більшою мірою проявлявся у D. aduncus.

Зниження вмісту хлорофілів під впливом сублетальної концентрації нітрату сви­нцю може бути зумовлене рядом причин, одна з яких - інгібування активності деяких ферментів синтезу хлорофілу, зокрема, дегідратази у-амінолевулінової кислоти і прото-хлорофілредуктази [13], а також посилення його деструкції, яка може відбуватися вна­слідок прямої дії металу на пігментний комплекс або опосередковано - через активацію вільнорадикального окислення [6]. Встановлено, що найбільше пригнічення інтенсивно­сті люмінесценції хлорофілу за дії сублетальної концентраціії свинцю проявлялося у гігрофітного моху.

Контроль

□ 0,1 мкМ

■ 1,0 мкМ

10,0 мкМ

□ 100 мкМ

12

Рис. 2. Зміна інтенсивності люмінесценції хлорофілу листків мохів: 1 - A. serpent, 2 - D. aduncus під впливом різних концентрацій нітрату свинцю (0,1-100,0 мкМ).

35

30

25

о =

З "8

20

15

10

5

Таким чином, підвищення стійкості ростових процесів у A. serpens до впливу Pb2+ супроводжувалося збільшенням стійкості пігментної системи у певному концентрацій­ному діапазоні металу (0,1-1,0 мкМ). Таку закономірність деякі автори [10] вважають адаптивним пристосуванням фотосинтетичного апарату рослин до стресу. Як показали наші дослідження, особливості ростових і фотосинтетичних реакцій спричинені різною чутливістю проаналізованих мохів до токсичного впливу свинцю.

Електрофоретичний аналіз множинних молекулярних форм естерази у гаметофо-рах A. serpens і D. aduncus за дії різних концентрацій свинцю підтвердив наше припу­щення про різну токсикотолерантність досліджуваних мохів. Зокрема, встановлено, що під впливом 1,0-10,0 мкМ нітрату свинцю у A. serpens посилилася інтенсивність фрак­цій множинних молекулярних форм естерази з молекулярною масою (ММ) 45 та 66 кД. Істотнішою виявилася дія сублетальної концентрації свинцю (100,0 мкМ) - послабилась інтенсивність низькомолекулярних фракцій естерази з ММ 29 та 35 кД (рис. 3).

У D. aduncus, натомість, уже низькі концентрації свинцю спричинили істотніші зміни -послаблення низькомолекуляр­них (29-35 кД) та незначне поси­лення високомолекулярних фрак­цій естерази (132-272 кД). Підви­щення концентрації свинцю у середовищі до 100,0 мкМ зумови­ло у D. aduncus не лише посилен­ня інтенсивності високомолеку-лярних фракцій естерази з ММ 132-272 кД, але й появу фракції з ММ 66 кД, зникнення фракції з ММ 35 кД та послаблення інтен­сивності фракції з ММ 29 кД (рис. 4).

На підставі проведених електрофоретичних аналізів мно­жинних молекулярних форм есте-рази показано, що зміни в експре­сії генів корелювали з концентра­цією металу у середовищі. У листкостеблових пагонах обох досліджуваних мохів під впливом сублетальної концентрації нітрату свинцю відбувалися суттєві зміни у спектрі множинних молекулярних форм естерази, особливо у моху D. aduncus.

Еволюційно мохи виробили адаптивний потенціал щодо екстремальних факторів довкілля і реалізують його за допомогою морфофізіологічних, біохімічних і генетичних механізмів залежно від ступеня і тривалості дії чинника [1].

Зміни електрофоретичного спектру естерази під впливом свинцю в наших дослі­дах корелювали з порушеням нормальної життєдіяльності рослин. У мохів, як і в інших рослин, ВМ та інші стресові фактори спричинюють фізіологічні (зниження ростової активності й інтенсивності люмінесценції хлорофілу) та біохімічні зміни [2, 3]. Це може свідчити про ядерно-цитоплазматичний контроль основних метаболічних процесів у

М

1

2

3

4

Рис. 3. Зміна електрофоретичного спектру множинних молекулярних форм естерази у моху A. serpens під впливом різних концентрацій нітрату свин­цю: М - маркер; 1 - контроль; 2 - 1,0 мкМ; 3 -10,0 мкМ; 4 - 100,0 мкМ.

М 1 2 3 4 5

Рис. 4. Зміна електрофоретичного спектру множинних молекулярних форм естерази у моху D. aduncus під впливом різних концентрацій нітрату свинцю: М - маркер; 1 - контроль; 2 - 0,1 мкМ; 3 - 1,0 мкМ; 4 - 10,0 мкМ; 5 - 100 мкМ.

клітинах рослин. Отже, результати досліджень регенераційної здатності та стану хлоро­філу, а також електрофоретичний аналіз множинних молекулярних форм естерази вка­зують на активацію адаптивних реакцій мохів A. serpens і D. aduncus, спрямованих на збереження гомеостазу за дії екстемальних факторів.

1. Андреева Е. Н. Влияние атмосферного загрязнения на моховый покров северотаеж­ных лесов // Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение. Л.: Наука, 1990. С. 159-172.

2. Бессонова В. П. Вплив важких металів на пігментну систему листка // Укр. ботан. журн. 1992. Т. 49. № 2. С. 63-66.

3. Горышина Т. К. Фотосинтетический аппарат растений и условия среды. Л.: Изд-во Ленинград. ун-та, 1989. 204 с.

4. Гуральчук Ж. З. Механизмы устойчивости растений к тяжелым металлам // Физи-ол. и биохим. культ. раст. 1994. Т. 26. № 2. С. 107-117.

5. Демкив О. Т., СытникК. М. Морфогенез архегониат. К.: Наук. думка, 1985. 203 с.

6. Коршиков И. И. Адаптация растений к условиям техногенно загрязненной среды. К.: Наук. думка, 1996. 237 с.

7. Лакин Г. Ф. Биометрия. М.: Высш. шк., 1990. 352 с.

8. Маєвська С. М. Морфо-фізіологічні аспекти стійкості мохів до токсичної дії іонів важких металів: Автореф. дис. ... канд. біол. наук. Львів, 2001. 21 с.

9. Малёва М. Г., Некрасова Г. Ф., Безель В. С. Реакция гидрофитов на загрязнение среды тяжелыми металлами // Экология. 2004. № 4. С. 266-272.

10. Соловченко А. Е., Чивкунова О. Б., Мерзляк М. Н., Решетникова И. В. Спектрофо-тометрический анализ пигментов в плодах яблони // Физиол. и биохим. культ. раст. 2001. Т. 48. № 5. С. 801-808.

11. Таланова В. В, Титов А. Ф., Ботева Н. П. Влияние свинца и кадмия на проростки ячменя // Физиол. и биохим. культ. раст. 2001. Т. 33. № 1. С. 33-37.

12. Шалыго Н. В., Колесникова Н. В., Воронецкая В. В., Аверина Н. Г. Влияние катио­нов Mn2+ , Fe2+ , Co2+ и Ni2+ на накопление хлорофилла и начальные этапы его обра­зования в зеленеющих проростках ячменя // Физиол. растений. 1999. Т. 46. Вып. 4.

С. 574-579.

13. Assche F., Clijsters H. Effect of metals on enzyme activity in plants // Plant. Cell Envi­ron. 1990. Vol. 13. N 2. P. 195-206.

14. ^ungh L. K., Sawhney S. K. Photosynthetic activities of Pisum sativum seedlings grown in the presence of cadmium // Plant Physiol. and Biochem. 1999 Vol. 37. P. 297-303.

15. Fey V., Wagner R., Brautigam K., Pfannschmidt T. Photosynthetic redox control of nu­clear gene expression // J. Exp. Bot. 2005. Vol. 56. P. 1491-1498.

16. Krupa Z., Oqust G., Huner NPA. The effects of cadmium on photosynthesis of Phaseo-lus vulgaris - a fluorescence analysis // Physiol. Plantarum. 1993. Vol. 88. P. 626-630.

17. Lowry O. A., Rosenbrough N. J., Farr A. L., Randall R. I. Protein measurement with the Folin phenol reagent // J. Biol. Chem. 1951. Vol. 193. N 1. P. 265-275.

18. Rothe G. Unterschiede im Enzymmuster von Protonema, Moospflansche, Sporogon und Kallus der Laubmooskreuzung Funaria hygrometrica x Physcomitrium pyriforme // Beitr. Biol. Pflanz. 1972. Band 48. N 3. S. 433-444.

19. Taylor J. E. P., Schofield W. B., Elliot A. M. Analysis of moss degidrogenases by poly-acrylamide disc electrophoresis // Can. J. Bot. 1970. Vol. 48. P. 367-369.

20. Taylor W. C. Regulatory interactions between nuclear and plastid genomes // Annu. Rev. Plant Physiol. and Plant Molecular Biol. 1989. Vol. 40. P. 211-233.

21. Wilkins D. S. The measurement of tolerance to edaphic factors by means of root growth // New Phytol. 1978. Vol. 80. N 3. P. 623-633.

EFFECT OF LEAD IONES ON PHYSIOLOGICAL AND BIOCHEMICAL INDEXES OF MOSSES

O. Baik, O. Schcherbachenko

Institute of Ecology of the Carpathians of NAS of Ukraine 11, StefanykSt., Lviv 79000, Ukraine e-mail: morphogenesis@mail.lviv.ua

It has been shown that intensity of chlorophyll luminescence was re­duced in the moss Drepanocladus aduncus (Hedw.) Warnst. 1,5-2,0 times and in the moss Amblystegium serpens (Hedw.) Schimp. 0,8-0,9 times as much as in control when lead concentration in the medium was raising up to 100,0 umol/l; tolerance index was 60% and 40%, respectively. Weakening of intensities of activity bands of esterase fractions with MM 29 and 45 kD in A. serpens and, in addition, appearance of fractions with 66 and 132 kD in D. aduncus were found electrophoretically. Thus interrelation between lead induced photosynthetic, growth and biochemical changes were stated.

Key words: lead, mosses, tolerance index, chlorophyll luminescence, multiple esterase molecular forms.

ВЛИЯНИЕ ИОНОВ СВИНЦА НА ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ МХОВ

О. Баик, О. Щербаченко

Институт экологии Карпат НАН Украины ул. Стефаника, 11, Львов 79000, Украина e-mail: morphogenesis@mail.lviv.ua

Показано, что с повышением концентрации свинца в среде до 100,0 мкМ снижалась интенсивность люминесценции хлорофилла листьев мхов Drepanocladus aduncus (Hedw.) Warnst. и Amblystegium serpens (Hedw.) Schimp в 1,5-2,0 и 0,8-0,9 раза сравнительно с контролем; индекс толе­рантности составлял 60% и 48% соответственно. Электрофоретически по­казано уменьшение интенсивности фракций эстеразы с ММ 29 и 45 кД у A. serpens, кроме этого, у D. аduncus появились фракции с 66 и 132 кД. Уста­новлена взаимосвязь между фотосинтетическими, ростовыми и биохими­ческими изменениями исследованных видов мхов под влиянием свинца.

Ключевые слова: свинец, мхи, индекс толерантности, люминесценция хлоро­филла, множественные молекулярные формы эстеразы.

Стаття надійшла до редколегії 19.03.09 Прийнята до друку 16.04.09

Страницы:
1 


Похожие статьи

О Баїк - Вплив іонів свинцю на фізіолого-біохімічні показники мохів