Современные проблемы минерального питания растений (физико-химический подход) (стр. 3 )

Известно, что высокие концентрации NaCl в среде вызывают осмотический стресс и ионный дисбаланс, ограничивая рост и продуктивность растений. Поддержание роста в этих условиях связано как с регуляцией водного и осмотического гомеостаза, так и с изменением свойств клеточных стенок растений.

Важная физиологическая роль ионообменных реакций в клеточных стенках была выявлена при помещении растений в условия засоления. Нами показано, что в таких условиях полимерный матрикс является средой, которая поддерживает низкую концентрацию ионов натрия в водном пространстве апопласта при неожиданных и больших изменениях концентраций NaCl во внешней среде (Meychik et al., 2005; Мейчик и др. 2006; 2010) . При этом концентрация Na+ в водном пространстве клеточных стенок в течение некоторого времени будет ниже, чем во внешней среде за счет реакций: ~COOH + Na+→ ~COONa + H+ (1), где ~ - полимерная цепь, ~COOH – карбоксильные группы галактуроновой кислоты. Период времени, в течение которого концентрация ионов натрия будет ниже, чем в среде, определяется ионообменными свойствами клеточных стенок. Реакция (1) имеет место, так как чем больше ионная сила среды, тем выше ионообменная способность матрикса. В то же самое время ионы натрия вытеснят ионы кальция из клеточной стенки [(~COO)2Ca + 2Na+→ 2(~COONa) + Ca2+ (2)], так как при увеличивающейся концентрации NaCl в среде их активность выше, чем активность ионов кальция. Таким образом, Ca2+ входит в водное пространство апопласта (реакция 2) и затем, вероятно, в клетку за счет активации транспортных систем клетки выделившимися протонами (реакция 1). Известно, что ион кальция является вторичным мессенджером и растения могут приспосабливаться к высокой концентрации соли в окружающей среде за счет активации систем сигнальной трансдукции, включающих Ca2+ (Bressan et al., 2003; Tester and Davenport, 2003). На основании изложенного можно сказать, что при солевом стрессе поведение кальция (движение из клеточной стенки в водное пространство апопласта и далее, возможно, в клетку) является важным элементом регуляции ионного гомеостатирования во время адаптации к экстремальным условиям минерального питания. Кроме того, ионообменные процессы в клеточных стенках включаются в регуляцию распределения натрия по растению, и таким образом можно утверждать, что они являются частью механизма солеустойчивости растений (Bressan et al., 2003; Tester and Davenport, 2003). Сравнительный анализ физико-химических параметров для галофита и гликофита из сем. Chenopodiaceae, для менее и более устойчивых к условиям засоления бобовых растений (Meychik et al., 2005; Мейчик и др. 2006; 2010) показал, что клеточные стенки первых характеризуются более высокой (а) ионообменной способностью, (б) степенью сшивки полимеров в матриксе клеточных стенок и (в) долей полимерного матрикса от общей сухой массы тканей и большим содержанием фенольных полимеров. Эти отличительные особенности, как можно полагать, позволяют растениям с разной эффективностью противостоять экстремальным условиям минерального питания.

Свойства полимерного ионообменника, составляющего от 30 до 60% от сухой массы материала клеточной стенки корня, могут быть обсуждаемы в связи с проблемами поглощения и транспорта воды. Известно, что закисление среды снижает гидравлическую проводимость стенок (Ктиторова и Скобелева, 1999), а при низкой ионной силе внешнего раствора (высокой скорости транспирации) апопластный путь движения воды является определяющим, так как в этих условиях гидравлическое сопротивление корня низкое, что обеспечивает быстрое поглощение воды растением (Steudle and Peterson, 1998). Согласно нашим результатам, снижение рН раствора и/или увеличение его ионной силы приводят к уменьшению набухания ионообменного матрикса клеточной стенки. На основании анализа данных литературы и наших результатов можно считать, что у растений существует прямая связь между набуханием полимерного матрикса и водным током, и важная физиологическая функция клеточных стенок корней может быть связана с регуляцией движения воды по корневому апопласту. С другой стороны, изменение набухания и гидравлической проводимости с увеличением уровня засоления среды (увеличением ионной силы) должно являться важным звеном в адаптации растений к действию этого абиотического фактора.

Полученные результаты позволяют заключить, что  ионообменные процессы являются частью механизма солеустойчивости растений, а физико-химические свойства экстраклеточного компартмента выступают в качестве системы, которая регулирует физиологические функции целого растения.

В ответ на стресс при действии токсичных металлов (Ме+2) растения развивают широкий спектр механизмов, направленных на предотвращение накопления Ме+2 в цитоплазме в токсичных концентрациях. Эти механизмы включают (i) иммобилизацию Ме+2 в клеточной стенке; (ii) уменьшение поглощения и/или выведение поглощенных клеткой Ме+2 транспортерами плазматической мембраны; (iii) хелатирование в цитоплазме Ме+2 различными лигандами (органические кислоты, аминокислоты, фитохелатины, металлотионеины, металл-связывающие белки); (iv) репарацию поврежденных стрессом белков; (v) компартментацию Ме+2 в вакуоль транспортерами тонопласта (Hall, 2002). Внутриклеточные механизмы, четыре первых из пяти названных, интенсивно изучаются и дискутируются научным сообществом, а вот о роли внеклеточного механизма известно мало. Существуют всего лишь несколько работ (Redjala et al., 2010; Colzi et al., 2012), посвященных этому вопросу. Мало того, некоторые исследователи полагают, что связывание Ме+2 клеточными стенками незначительно.

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 (Krzesіowska, 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.