Современные проблемы минерального питания растений (стр. 4 )

Наши результаты свидетельствуют, что клеточные стенки могут связывать большие количества металлов, при этом адсорбционная способность клеточных стенок зависит от вида растений и рН (Мейчик и др., 2011; Meychik et al., 2014). С увеличением рН до 6.5 количество связанных ионов металлов почти во всех исследованных нами случаях было больше чем количество групп ПГК. Эти результаты указывают на участие в связывании ионов металлов других групп, отличных от карбоксильных групп ПГК. И этими группами являются карбоксильные группы гидроксикоричных кислот. И у злаков вклад этих групп в суммарное поглощение очень велик (Meychik et al., 2014).

В настоящее время активно ведутся исследования по поглощению растениями ионов тяжелых металлов в присутствии комплексообразователей (Schaider et al., 2006; Panfili et al., 2009; Mossop et al., 2009). Установлено, что в присутствии лигандов усиливается поглощение металлов клетками, при этом в качестве лигандов, как правило, используют «синтетический» комплексообразователь этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА) и «природные лиганды» Одна из гипотез, объясняющая усиление поглощения металлов в присутствии лигандов, состоит в прямом поглощении комплекса (лиганд-металл) клетками, за счет активации механизмов поглощения, включающих специфические мембранно-связанные транспортные системы. Однако каким образом клеточная стенка отвечает на присутствие в среде ЭДТА известно не было. Было установлено, что в присутствии ЭДТА, сильного лиганда, практически полностью останавливает процесс связывания металлов клеточной стенкой. На основании этих результатов можно утверждать, что присутствие в среде ЭДТА ослабляет защитные функции клеточной стенки, что приводит к усилению поглощения Ме+2 растительной клеткой в форме Ме-ЭДТА (Мейчик и др., 2011).

Принято считать, что клеточные стенки могут связывать ионы тяжелых металлов, а способность клеточной стенки связывать двухвалентные металлы зависит от количества таких функциональных групп в оболочке как–COOH, –OH и –SH (Krzesłowska, 2011). Наши результаты исследования адсорбционной способности клеточных стенок по ионам никеля и меди позволили установить, что (1) гидроксильные группы не участвуют в связывании Ме2+ (2) наряду с карбоксильными группами полигалактуроновой кислоты в связывании Ме2+ принимают участие карбоксильные группы гидроксикоричных кислот (3) аминокислотные остатки участвуют в связывании Ме2+ посредством образования координационных связей с Ме2+ (Meychik et al., 2014).

Для определения роли экстраклеточного механизма защиты клеток корня при воздействии тяжелыми металлами нами проведена сравнительная оценка накопления меди и никеля корнями транспиртрующих растений и клеточными стенками корней Triticum aestivum L. и Vigna radiata L. Обработку проводили в течение 24 часов, а концентрация металла в среде изменялась от 10 до 100 мкМ. В соответствии с результатами, вплоть до концентрации металла 50 мкМ содержание ионов меди и никеля в клеточной стенке в пределах погрешности эксперимента совпадало с содержанием этих металлов в корнях транспирирующих растений. Кроме того, в этом концентрационном диапазоне содержание металлов в надземной части растений увеличивалось не более чем 1.5-3 раза. Известно, что ионы могут поступать в стель корня по апопласту, минуя симпласт, через три сайта: в месте отхождения боковых корней, где происходит разрыв эндодермы, через пропускные клетки, и через кончик корня, где пояски Каспари недостаточно развиты. С этим обстоятельством и может быть связано незначительное увеличение концентрации металла в надземной части. Эти результаты дают основание полагать, что в диапазоне концентраций ионов металлов 10-5-5*10-5 М депонирование Ni2+ и Cu2+ в клеточные стенки T. aestivum и V. radiata является основным механизмом защиты клеток от воздействия избыточных концентраций этих токсичных ионов. С увеличением концентрации металла в среде до 100 мкм у маша основной вклад в компартменацию ионов в корне вносят внеклеточные механизмы, а у пшеницы – вклад в этот процесс внеклеточных и внутриклеточных механизмов приблизительной равный.

В корнях растений транспорт воды и ионов осуществляется по апопласту и симпласту. Эти два пути передвижения ионов минерального питания являются равнозначными, а преобладание того или другого зависит главным образом от условий окружающей среды и типа транспортируемого соединения. При определенных условиях апопластный путь передвижения воды и ионов превалирующий, и, следовательно, детерминируется главным образом свойствами клеточных стенок.

Несмотря на то, что диффузия, как полагают многие исследователи, является определяющей стадией при передвижении ионов в корне, к настоящему времени для растительной клеточной стенки экспериментальных данных о скорости диффузии ионов в ее матриксе, о влиянии этого свойства на транспорт ионов не получено.

В настоящей работе поставлена цель количественной оценки диффузии ионов в клеточной стенке и ее возможного вклада в поглотительную функцию корня. В качестве химического реагента для слежения за процессом диффузии использовали краситель метиленовый синий. Следует отметить, что еще в середине прошлого столетия этот реагент применяли для определения общей и рабочей поглощающей поверхности корней растений, исследования процессов диффузии в синтетических ионообменных материалах.

Во всех вариантах изменения в количестве адсорбированного МС клеточными стенками (Мcw) от времени имеют вид экспоненциальной зависимости. Мcw изменяется в ряду: огурец > пшеница > кукуруза (Мейчик и др., 2003).

Известно, что окрашенной частью МС является катион и можно полагать, что поглощение МС происходит в результате реакции обмена между этим катионом и протонами карбоксильных групп клеточных стенок. В пользу этого положения свидетельствуют полученные нами результаты о зависимости величины адсорбции МС от рН исходного раствора. Во всех случаях с уменьшением или увеличением рН соответственно изменяется и количество МС в стенках. Такой характер изменений сорбционной способности от рН указывает на то, что связывание МС со стенками носит ионообменный характер и, следовательно, величина его поглощения должна быть связана с количеством ионогенных групп в стенках.

Чтобы подтвердить данное положение, методом потенциометрического титрования определено количество карбоксильных групп, способных принимать участие в обменных реакциях с катионами внешней среды при данных условиях. Расчеты показывают, что количество связанного стенками красителя больше, чем количество карбоксильных групп a-D-полигалактуроновой кислоты во всех случаях. Эти данные указывают на то, что связывание катиона МС происходит обоими типами карбоксильных групп. У огурца количество карбоксильных групп различной природы, которые могут участвовать в реакциях обмена с катионами внешней среды и, в том числе, катионом МС в физиологических условиях, в 1,5-2 раза больше, чем у пшеницы и кукурузы. Кроме того, ряд изменений в суммарном количестве карбоксильных групп соответствует тому, который был получен при связывании красителя стенками огурца, пшеницы и кукурузы. Таким образом, полученные результаты потенциометрического титрования подтверждают, что зависимость способности к поглощению от рН связана с изменением степени диссоциации карбоксильных групп клеточных стенок: чем выше рН, тем больше количество ионизированных групп, которые могут участвовать в реакциях обмена, тем выше количество МС, которое адсорбируется стенками корней.