Современные проблемы минерального питания растений (физико-химический подход) (стр. 2 )

Карбоксильные группы гидроксикоричных кислот и фенольные группы могут принадлежать различным структурным полимерам клеточных стенок. Так, у злаков феруловая кислота входит в состав полисахаридов, где присоединяется через кислотную группировку к гидроксильной группе остатка арабинозы в С-5 положении (Hatfield et al., 1999). Подобные соединения идентифицированы и структурно охарактеризованы для культуры клеток (Fry, 1983) и листьев  шпината (Ishii and Tobita, 1993), тканей сахарной свеклы (Colquhoun et al., 1994) и других растений (Wallace, Fry, 1994; Carpita, 1996; Ishii, 1997b; Saulnier and Thibault, 1999). Кроме того, гидроксикорчные кислоты входят в состав ароматического домена суберина (Bernards, 2002). Фенольные ОН-группы в полимерном матриксе клеточных стенок могут также принадлежать различным структурным полимерами. Это и лигнин, и суберин, и полисахариды. В этой связи представляется целесообразным состав фенольных полимеров в стенках растений из различных семейств анализировать по сумме карбоксильных групп ГКК кислот и фенольных ОН-групп. Двудольные растения содержат ацилированные феруловой кислотой пектиновые полисахариды. Подобные соединения идентифицированы и структурно охарактеризованы для многих растений. Кроме того, гидроксикорчные кислоты входят в состав ароматического домена суберина. Фенольные ОН группы в полимерном матриксе клеточных стенок могут также принадлежать различным структурным полимерами. Это и лигнин, и суберин, и полисахариды. В этой связи представляется целесообразным состав фенольных полимеров в стенках растений из различных семейств анализировать по сумме карбоксильных групп гидроксикоричных кислот и фенольных ОН групп.

В соответствии с нашими результатами содержание фенольных полимеров в клеточных стенках растений уменьшается в ряду Poaceae > Chenopodiaceae >> Liliaceae ≥ Fabaceae (Мейчик, 2007). При этом у растений из сем. Chenopodiaceae и злаков доля этих полимеров достигает 50-60%, а у бобовых растений более чем в 2 раза меньше. Эти результаты согласуются с данными других авторов о высоком содержании гидроксикоричных кислот в клеточных стенках злаков, шпината и сахарной свеклы (Faulds and Williamson, 1999).

При физиологических условиях pH питательной среды лежит в слабокислой и слабощелочной области. Это указывает на роль различных ионогенных групп клеточных стенок на начальном этапе поглощения катионов минерального питания. Адсорбция катионов, по крайней мере в эпидермисе, связана с наличием карбоксильных групп уроновых и гидрооксикоричных кислот в клеточных стенках. Величина pH в апопласте является производной pH и состава среды, процессов ионного обмена и диффузии, транспорта протонов через мембрану клетки. Вероятно, локальные изменения pH в апопласте, которые связаны с реакциями обмена в клеточных стенках, (а) стимулируют участие в обменных процессах других типов ионогенных групп (например, анионообменных) и (б) необходимы для транспорта растворенных веществ в клетку. При этом анионообменные группы могут входить в состав других структур, например, плазматической мембраны.

Используя разработанный нами подход, в работе оценена ионообменная способность клеточных стенок при различных значениях рН и ионной силы раствора. Результаты показывают, что общее количество групп в изолированных клеточных стенках, также, как и количество групп каждого типа, не зависит от состава раствора. Однако этот фактор значительно влияет на константу диссоциации всех ионогенных групп матрикса. С его увеличением кислотные свойства всех катионообменных групп усиливаются.

Результаты нашего исследования на количественном уровне обеспечивают доказательства идеи о том, что «апопласт растительных тканей является резервуаром катионов, который имеет важное физиологическое значение, если матрикс клеточных стенок содержит высокую концентрацию отрицательных зарядов, если протопласты могут контролировать рН и/или концентрацию катионов в водном свободном пространстве» (Starrach et al, 1985; Freundimg et al, 1988).

Таким образом, методом потенциометрического титрования с использованием модели Грегора получены параметры, характеризующие качественный и количественный состав ионогенных групп клеточной стенки и хорошо сопрягающиеся с данными о ее химической структуре. Показана возможность проводить сравнительное исследование структуры клеточной стенки корней и ее потенциальных сорбционных возможностей в зависимости от физиологического состояния растений и условий питания. Адекватность описания процессов диссоциации в трехмерной структуре клеточной стенки с использованием разработанного подхода позволяет прогнозировать направление реакций обмена в апопласте корня, протекающих при первичном поглощении ионов питательных солей, а свойства полимерного матрикса обеспечивают пластичность клеточных стенок и в целом апопласта, как ионных резервуаров и регуляторов водных потоков.

Одним из важных физико-химических показателей, которые характеризуют свойства полимеров клеточных стенок как ионообменника, является набухание. Его количественной характеристикой служит весовой коэффициент. Причиной набухания ионообменных материалов в водном растворе является наличие гидрофильных групп, причиной нерастворимости – существование поперечных связей. Способность к набуханию – это свойство полимера, определяемое его строением и составом, а само набухание является не просто механическим вхождением воды в пустоты и поры, которых в полимере, в сущности, нет, а представляет результат межмолекулярного взаимодействия, обусловленного, главным образом, гидратацией макромолекул, что свидетельствует о коллоидно-химической, а не физической природе процесса. Известно, что способность к набуханию ионообменных материалов возрастает с уменьшением степени поперечной связанности, с увеличением количества фиксированных зарядов, с уменьшением концентрации раствора, с увеличением степени диссоциации функциональных групп и зависит от радиуса гидратированного иона, которым заполняется сорбент (Гельферих, 1962).

Проведенное нами измерение коэффициента набухания клеточных стенок растений показало, что он зависит от состава и рН раствора (Meychik and Yermakov, 1999; 2001; Meychik et al., 2005; Мейчик и др. 2006; 2010). Во всех случаях коэффициент набухания изменяется в соответствии с физико-химическими закономерностями, которые описаны для синтетических слабосшитых катионообменников (Гельферих, 1962). Нами установлено, что величина коэффициента набухания возрастает с уменьшением концентрации электролита, с увеличением рН (или степени ионизации ионогенных групп) и с увеличением общего количества функциональных групп. Для всех исследуемых растений набухание клеточной стенки меньше в кислой области, чем в нейтральной. Это означает, что полимерный компонент клеточной стенки корня может уменьшаться в объеме до 10 раз при снижении рН в среде или апопласте. Аналогичные изменения происходят при увеличении ионной силы раствора. Эти данные ясно показывают, что объем ионообменного полимерного компонента клеточных стенок не является постоянной величиной, а в значительной мере зависит от ионных условий и рН в окружающей среде и в апопласте (при этом анатомических изменений в структуре тканей не должно наблюдаться).

Однако главный фактор, который определяет способность к набуханию – это степень сшивки полимерных цепей, расположенных в структуре клеточных стенок. Этот параметр нельзя оценить экспериментальным путем, но есть возможность оценить величину степени сшивки непрямым методом. На основании экспериментальных и теоретических исследований свойств слабосшитых ионообменников установлено, что чем выше степень сшивки полимеров, тем ниже коэффициент набухания полимерного материала в воде (Гельферих, 1962). В соответствии с этими данными и результатами настоящей работы можно заключить, что у клеточной стенки шпината и сведы степень сшивки полимерных цепей выше по сравнению с другими растениями, т. к. у первых коэффициент набухания в воде в 2 и 4 раза меньше, чем у пшеницы и бобовых соответственно. На основании представленных результатов можно также предполагать, что степень сшивки полимеров в клеточной стенке корней не превышает 0,5-1,5%, так как такие величины характерны для синтетических карбоксилсодержащих ионитов с подобными значениями коэффициентов набухания в воде.

Примененный в работе подход позволил впервые обнаружить, что набухание отличается не только у растений разных систематических групп, но изменяется также в разных тканях одного растения (Мейчик и Ермаков, 2001б). Данные показывают, что в радиальном направлении корня люпина: Q в интактных корнях и Kcw в стандартизованных клеточных стенках в 2 раза выше у тканей коры, чем у центрального цилиндра, при этом относительная масса клеточных стенок в центральном цилиндре на 15% больше, чем в коре. Можно с большой вероятностью предполагать, что у корней интактных растений такие различия в радиальном направлении связаны с изменениями структуры полимеров клеточных стенок и, в значительной мере, c различной степенью сшивки полимеров в коре и центральном цилиндре. Данные о набухании однозначно показывают, что степень сшивки полимеров в коре значительно меньше, чем в центральном цилиндре. Результаты элементного анализа также подтверждают последнее положение. Таким образом, на основании результатов настоящей работы и в соответствии с существующими представлениями о структуре клеточных стенок можно полагать, что большая степень сшивки полимеров в тканях центрального цилиндра по сравнению с корой обусловлена большей степенью лигнификации и/или суберинизации.

Таким образом, набухание полимеров клеточных стенок находит отражение в физиологических реакциях растения. Можно полагать, что изменение в набухании, которое определяется физико-химическими свойствами клеточной стенки в ответ на варьирование внешних или внутренних условий, представляет собой элемент механизма регулирования объемного тока воды по корню.

Выяснение механизмов адаптации растительных организмов к неблагоприятным факторам окружающей среды, в том числе к засолению, – одно из основных направлений физиологии растений. На клеточном и молекулярном уровне интенсивно изучаются процессы, связанные с ответными реакциями растений на действие солевого стресса: изменения в экспрессии генов, метаболизме, физиологических функциях и гомеостазе.