Современные проблемы минерального питания растений (физико-химический подход) (стр. 4 )

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.

Ионообменный механизм поглощения МС подтверждается также зависимостью максимальной ионообменной способности клеточных стенок по МС от суммарного количества карбоксильных групп, которые могут принимать участие в обменных реакциях. Статистическая обработка результатов указывает на то, что в выбранных условиях эксперимента максимальная емкость по МС стенок и количество карбоксильных групп в них являются взаимозависимыми параметрами (Мейчик и др., 2003).

Таким образом, на основании вышеизложенного можно утверждать, что механизм связывания МС обусловлен ионообменными реакциями в клеточной стенке, а экспериментальные кинетические кривые можно анализировать по уравнениям, описывающим кинетику ионного обмена (Кокотов и Пасечник, 1970). Анализ экспериментальных кривых в соответствии с подходом, который используется в физической химии ионитов, показал, что исследуемый процесс поглощения МС изолированными клеточными стенками протекает во внутридиффузионной области. По соответствующим уравнениям были рассчитаны коэффициенты диффузии метиленового синего в клеточных стенках корня. Как видно из уравнений, проницаемость полимерного матрикса зависит от вида растения. У кукурузы этот параметр в 2,5 и 6 раз выше, чем у огурца и пшеницы соответственно. В связи с тем, что в настоящее время отсутствуют сведения о количественной оценке коэффициента в корнях растений, сравнение полученных параметров проведено с таковыми для синтетических ионообменных материалов. На примере сульфосодержащих ионитов установлено, что коэффициент диффузии метиленового синего зависит от степени сшивки ионита и чем больше жесткость структуры полимерного матрикса ионита, тем меньше скорость движения иона в полимере. Коэффициент диффузии катиона метиленового синего в синтетических сульфосодержащих катионитах изменяется от 3·10-10 до 4·10-12 см2/с в зависимости от количества сшивающего агента (2-16%, Либинсон и Савицкая, 1963). Их Из наших данных следует, что растительная клеточная стенка значительно более проницаема для катиона метиленового синего, чем синтетические иониты, так как коэффициенты диффузии в стенках на 2-4 порядка выше. Очевидно, это обусловлено особенностями строения матрикса клеточных стенок и в том числе меньшей степенью сшивки полимеров по сравнению с указанными синтетическими ионообменными материалами.

Полученные нами данные о коэффициентах диффузии, о набухании клеточных стенок корней в воде представляют собой дополнительные аргументы в пользу того, что клеточные стенки действительно являются слабосшитым ионообменником или, иначе, имеют малую степень поперечной связанности (сшивки) между линейными цепями полимеров (~1%). Кроме того, и коэффициент набухания клеточных стенок в воде (Кcw), и коэффициент диффузии метиленового синего (Dcw) в них являются параметрами, которые характеризуют одно и то же свойство матрикса – жесткость его полимерной структуры (или степень сшивки, или проницаемость). Отсюда следует, что и Кcw и Dcw должны коррелировать между собой.

Расчеты показали, что между этими параметрами действительно существует статистически значимая взаимосвязь, которая еще раз подтверждает правильный выбор модели для расчета коэффициентов диффузии, так как Кcw и Dcw получены в независимых экспериментах. Данные также убедительно доказывают, что, как и для синтетических ионообменных материалов, коэффициент набухания клеточных стенок в воде может служить количественной характеристикой проницаемости их матрикса (Мейчик и др., 2003).

В физиологии минерального питания принята точка зрения о том, что, исследуя кинетику поглощения иона, можно разграничить его транспорт в клеточных стенках и транспорт через клеточную мембрану (Freundling et al., 1988; Marschner, 1995). В типичной экспоненциальной кривой, описывающей поглощение катиона во времени, выделяют две фазы. Первая (фаза I) – быстрая, с периодом полунасыщения (t1/2) порядка нескольких минут, и вторая (фаза II) – медленная, с t1/2 несколько часов, при этом каждую фазу относят к процессам в определенном компартменте: фаза I – в кажущемся свободном пространстве (транспорт по апопласту), фаза II – в цитоплазме (транспорт по симпласту). Результаты нашего исследования показывают, что диффузия – самая медленная стадия ионного обмена – имеет большое значение в процессах поглощения ионов корнями растений, а экспоненциальный вид кинетической кривой не может служить критерием для разграничения путей транспортирования иона (симпласт или апопласт). Кроме того, транспорт катионов в клеточных стенках не является быстрым процессом, как полагали ранее. Согласно данным настоящей работы, за 3 часа клеточные стенки насыщаются на 60-90% в зависимости от вида растения. Несмотря на то, что размер катиона МС значительно отличается от размера основных катионов минерального питания, вполне вероятно, что при определенных условиях некоторая их часть также транспортируется по апопласту как в радиальном, так и в осевом направлении, и тогда определяющее значение будут иметь процессы диффузии. Так, например, при изменении условий минерального питания, а именно, при внезапном увеличении концентрации катионов в почвенном растворе, клеточные стенки могут служить временным запасным пулом для катионов, размер которого можно оценить экспериментально, при этом диффузия будет определять скорость его наполнения.

Заключая изложенное, можно утверждать, что высокомолекулярный матрикс клеточной стенки, составляющий от 30 до 60% от сухой массы тканей корня, образующий трехмерную сеть и имеющий в своем составе некоторое количество функциональных групп, способных к ионному обмену, обеспечивает ряд свойств экстраклеточного компартмента, которые играют важную роль в регуляции ионного и водного режимов растений как при нормальных, так и экстремальных условиях минерального питания. Эти свойства могут быть изучены количественно и в применении к конкретным экспериментам позволяют понять важные стороны проявлений физиологических функций.

Список литературы

ониты. Москва; Изд-во Ин. Лит., 1962. 490с.

, Пасечник и кинетика ионного обмена. Ленинград; Изд-во Химия, 1970.

Колосов поглощающей зоны корней и роли корневых волосков в поглощении веществ // Сов. агрономия. 1939а. № 5. С.43-48.

Колосов определения поглощающей поверхности корней // Сов. агрономия. 1939б. № 12. С.46.

О роли физико-химических процессов в поступлении веществ в растение и возрастные изменения в поглощающей деятельности корней // Вести агротехники. 1940. № 2. С

, Скобелева упругих свойств клеточных стенок и некоторых параметров водного обмена растений при закислении среды // Физиол. растений. 1999. Т. 46. С.239-–245.

, , 1978. Кислотно-основное равновесие по-лиамфолитов с пиридиновыми и фосфоновокислотными группами // Ж. физич. химии. Т.52. №7. С.1420-424.

, Савицкая ионообменных процессов. V. К вопросу о механизме диффузии при ионном обмене, протекающем с участием органических ионов // Ж. физич. химии. 1963. Т.37. С. 2706-–2712

, , 1999. Ионогенные группы клеточной стенки корней пшеницы // Физиол. раст. 46. C.742-747..98-120

, Ермаков свойства выделенных клеточных оболочек из корней люпина // Биохимия. 2001а. Т. 66. Вып.5. C.688-697.

, Ермаков клеточной стенки корня, как отражение ее функциональных особенностей // Биохимия. 2001б. Т. 66. Вып.2. С.223-233.

, , Ермаков свойства клеточных стенок корней Spinacia oleracea L. при разных условиях засоления внешней среды // Биохимия. 2006. Т. 71. Вып. 7. С.961-971.