Ендогенні механізми формування стійкості рослин до дії свинцю за участю аскорбат-глутатіонової системи - Автореферат

Свинець належить до елементів, потреба яких для живих організмів, зокрема для рослин, не доведена, однак він зустрічається у складі всіх рослин. Свинець належить до екологічних чинників, дія яких викликає в рослин стрес (Morange, 1997). Знання біохімічних механізмів, які лежать в основі реакції рослин на дію іонів свинцю, та забезпечення їх стійкості мають суттєве значення для розуміння фундаментальних основ адаптації, розробки підходів для одержання стійких сортів і форм рослин, використання стійких видів з метою фіторемедіації. Для досягнення поставленої мети було необхідно: - дати оцінку змін інтенсивності пероксидного окиснення ліпідів, концентрації пероксиду водню в сімядолях і зародкових частинах насіння, а також коренях і пагонах рослин, вирощених за наявності іонів свинцю в поживному розчині й сумісної їх дії з селенітом, та в комбінації з абсцизовою кислотою; рослина свинець водень окиснення визначити концентрацію глутатіону, аскорбінової кислоти та її метаболітів у рослинах, вирощених за наявності іонів свинцю в поживному розчині та за сумісної дії іонів свинцю й селеніту;В обох схемах дослідів використовували такі варіанти поживних сумішей: водні розчини ацетату свинцю в концентрації 10-8 М, 10-5 М, 10-3 М; водні розчини ацетату свинцю у концентрації 10-8 М, 10-5 М, 10-3 М разом з 10-8 М та 10-9 М селенітом натрію; водні розчини ацетату свинцю в концентрації 10-8 М, 10-5 М, 10-3 М разом з 10-10 М абсцизовою кислотою. Особливо високий його рівень у коренях рослин, вирощених на обох концентраціях іонів свинцю та разом із селенітом натрію: 209,4-225,4 нмоль ? г-1 маси сирої речовини, тоді як у контролі вміст МДА був у 5 разів меншим і становив 42,5 нмоль ? г-1 маси сирої речовини (Р<0,05). Найбільша концентрація МДА спостерігалась у коренях і пагонах тридобових рослин, які росли на поживних розчинах 10-3 М ацетату свинцю та 10-3 М ацетату свинцю разом з 10-8М селенітом натрію. Те, що селеніт у моносольовому розчині та разом з іонами свинцю достовірно сприяють росту рослин, підтверджується тим, що приріст біомаси 16 добових рослин соняшника був найвищим у тих з них, які вирощувались на 10-8М ацетаті свинцю або разом з 10-8 М селенітом. Накопичення АБК і зниження вмісту цитокінінів можуть доповнювати одне одного в інгібуванні росту пагонів і, крім того, введення в рослину одного гормона викликає зміни концентрації інших, тобто може діяти не прямо, а опосередковано, змінюючи концентрацію іншого гормона, а накопичення АБК може бути не лише індикатором, але й активатором процесів, спрямованих на зниження концентрації цитокінінів у рослинах при стресі (Кудоярова и др., 1999).У дисертації подано теоретичне узагальнення й нове розвязання наукової проблеми, що виявляється в зясуванні біохімічних механізмів формування стійкості рослин до дії іонів свинцю за участю аскорбат-глутатіонової системи та пошуку ефективних екзогенних чинників для корекції виявлених порушень. Установлено, що під дією іонів свинцю на рослини в їх органах відбувається порушення фізіологічних і біохімічних процесів, яке проявляється передусім у підвищенні концентрації продуктів ПОЛ та пероксиду водню. Клітинна стінка клітин протодерми, ендодерми та лігніфікованих клітин є барєром для пересування іонів свинцю за наявності його в поживному середовищі в концентрації 10-8 - 10-5 М, клітини камбію та перициклу залишаються вільними. Починаючи від першої доби пророщування насіння соняшника на розчинах ацетату свинцю (10-3 М) іони свинцю проникають до зародкової частини, під час росту в коренях проявляються ознаки деструкції внутрішньої частини осьового циліндра - клітини лізовані, проте паренхіма кори та ендодерма без змін. У квасолі на розчині ацетату свинцю (10-8 М) вже через одну добу проростання виявляється лігнін у покривній тканині, окремих клітинах паренхіми та метаксилеми; на розчині ацетату свинцю високої концентрації (10-3 М) лігнін виявлявся у клітинах ендодерми, паренхіми та метаксилеми.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації подано теоретичне узагальнення й нове розвязання наукової проблеми, що виявляється в зясуванні біохімічних механізмів формування стійкості рослин до дії іонів свинцю за участю аскорбат-глутатіонової системи та пошуку ефективних екзогенних чинників для корекції виявлених порушень.

Установлено, що під дією іонів свинцю на рослини в їх органах відбувається порушення фізіологічних і біохімічних процесів, яке проявляється передусім у підвищенні концентрації продуктів ПОЛ та пероксиду водню.

Гістохімічне дослідження розподілу дитізонатів у квасолі і соняшника показало, що іони свинцю проникають й починають нагромаджуватись у клітинах соняшника та квасолі від першої доби вирощування. Клітинна стінка клітин протодерми, ендодерми та лігніфікованих клітин є барєром для пересування іонів свинцю за наявності його в поживному середовищі в концентрації 10-8 - 10-5 М, клітини камбію та перициклу залишаються вільними. У поживному середовищі з іонами свинцю у концентрації 10-3 М іони проникають у всі зони та тканини кореня.

Іони селеніту (10-8 М), за наявності їх у поживному розчині, сприяють зменшенню рівня ПОЛ та пероксиду водню, кількості відкладених дитізонатів. Іони селеніту в моносольовому розчині та разом з іонами свинцю позитивно впливають на проростання й початковий ріст соняшника і квасолі, активуючи ферменти антиоксидантного захисту.

Починаючи від першої доби пророщування насіння соняшника на розчинах ацетату свинцю (10-3 М) іони свинцю проникають до зародкової частини, під час росту в коренях проявляються ознаки деструкції внутрішньої частини осьового циліндра - клітини лізовані, проте паренхіма кори та ендодерма без змін. Хід диференціювання клітин та лігніфікації в рослин соняшника, які проростають і ростуть на розчині 10-8 М ацетату свинцю, не порушений. Лігніфікація клітин ендодерми може обмежувати пересування свинцю симпластом. У квасолі на розчині ацетату свинцю (10-8 М) вже через одну добу проростання виявляється лігнін у покривній тканині, окремих клітинах паренхіми та метаксилеми; на розчині ацетату свинцю високої концентрації (10-3 М) лігнін виявлявся у клітинах ендодерми, паренхіми та метаксилеми.

Абсцизова кислота в поживному розчині разом з іонами свинцю не перешкоджає його накопиченню органами квасолі, проте сприяє адаптації рослин до дії іонів свинцю. Це проявляється у збільшенні ростової активності коренів і пагонів, підвищенні активності ферментів асиміляції аміаку.

Сумарна концентрація пігментів віолаксантинового циклу менша в сімядольних листках тих рослин, які вирощуються на поживних розчинах зі свинцем. На 10-8 М концентрації іонів свинцю найбільша частка віолаксантину, а на 10-3 М - зеаксантину. Іони селеніту збільшують величину віолаксантинового пула в рослин, вирощених на 10-3 М ацетаті свинцю.

Під дією іонів свинцю (10-3 М) порушується водний статус коренів, гіпокотилів та листків рослин - зменшується відносний вміст води та водний потенціал. Абсцизова кислота, додана до поживного розчину з іонами свинцю, сприяє відновленню водного статусу, однак на 10-3 М ацетаті свинцю він не досягає оптимальних значень для росту та розвитку.

При проростанні рослин на поживних розчинах з ацетатом свинцю інтенсивно використовується відновлений глутатіон, вміст якого в зародкових осях насіння, яке проростає на низькій концентрації іонів свинцю (10-8 М) у поживному розчині, у кілька разів нижчий, ніж за проростання на високій його концентрації (10-3 М). Збільшений пул відноаленого глутатіону в сімядолях при додаванні до поживного розчину зі свинцем (10-8 М) селеніту (10-9 М) сприяє нормалізації метаболізму в зародковій осі та проходженню рослинами наступних фаз онтогенезу.

Висока активність глутатіонпероксидази та глутатіон-S-трансферази в зародкових осях, яка спостерігається під дією іонів свинцю, сприяє проростанню та початковому росту рослин. Селеніт натрію (10-9 М) активує глутіонпероксидазу та глутатіон- S-трансферазу рослин унаслідок дії на них іонів свинцю.

Здатність насіння квасолі порівняно з насінням соняшника краще проростати за наявності іонів свинцю повязана з належністю квасолі до групи “рекальцитрантів”, насіння яких перебуває в неглибокому спокої і має базовий пул аскорбінової кислоти, а соняшника - до групи рослин з “ортодоксальним” насінням, яке має глибокий спокій і не має базового пулу аскорбату.

Виявлено високу активність аскорбатпероксидази та монодегідроаскорбатредуктази в органах квасолі та соняшника за проростання та початкового росту в умовах свинцевого стресу. З ростом рослин на середовищі з великим вмістом іонів свинцю (10-3 М) активність ферментів у коренях знижується настільки, що не забезпечує подальшого використання аскорбінової кислоти та відновлення її достатнього пулу.

Воробець Н.М. Активність ферментів азотного обміну в зародковій осі квасолі при набряканні // Укр. ботан. журн. - 1989. - Т.46, №6 - С. 68-70.

Воробець Н.М. Активність аспартат- та аланін амінотрансфераз у соняшника за дії різних доз свинцю // Физиол. и биохим. культ. раст. - 2002. - Т.34, № 2. - С. 147-151.

Воробець Н.М., Пацула О.І. Функціонування ферментів глутатіонового циклу в насінні квасолі при проростанні за дії іонів свинцю та селену // Физиол. и биохим. культ. раст. - 2002. - Т.34, № 4. - С. 326-332. (Дисертантові належить ідея, покладена в основу статті, опрацювання робочої схеми експерименту, участь у виконанні експериментальних робіт, аналіз результатів, формулювання висновків та написання статті).

Воробець Н.М. Взаємозвязок між пероксидом водню та пероксидазною активністю коренів рослин // Вісник проблем біол. та мед. - 2003. - № 6. - С. 8-12.

Воробець Н.М., Григорюк І.П. Водний статус насіння соняшника при проростанні за наявності іонів свинцю у поживному розчині // Доповіді НАН України. - 2003 - №8. - С.156-158. (Дисертантові належить виконання експериментальних робіт, участь в аналізі результатів, формулювання висновків та написання статті).

Воробець Н.М. Вплив свинцю на активність деяких амінотрансфераз у проростках рослин // Вісник проблем біол. та мед. - 2003. - № 7/8. - С. 50-53.

Воробець Н.М., Григорюк І.П. Роль абсцизової кислоти у регуляції водного режиму квасолі за дії іонів свинцю // Доповіді НАН України. - 2004. - № 1. - С. 18-21. (Дисертантові належить виконання експериментальних робіт, участь в аналізі результатів, формулювання висновків та написання статті).

Воробець Н.М., Григорюк І.П. Формування і функціонування пігментного апарату проростків квасолі за стресової дії свинцю // Физиол. и биохим. культ. раст. - 2004. - Т.36, № 1. - С. 43-47. (Дисертантові належить виконання експериментальних робіт, участь в аналізі результатів, формулювання висновків та написання статті).

Воробець Н.М., Микієвич І.М., Романюк Н.Д., Терек О.І. Нагромадження свинцю рослинами соняшника та квасолі залежно від його вмісту в поживному розчині // Вісник Ужгородського держ. ун-ту. Серія біол. - 2000. - №8. - С. 65-68. (Дисертантові належить ідея, покладена в основу статті, опрацювання робочої схеми експерименту, підготовка зразків для аналізу, аналіз результатів, формулювання висновків та написання статті).

Воробець Н.М., Микієвич І.М. Сумісна дія свинцю і селену на проростання та ріст соняшника // Вісник Львів. ун-ту. Серія біол. - 2000. - Вип. 26. - С. 159-165. (Дисертантові належить ідея, покладена в основу статті, опрацювання робочої схеми експерименту, участь у виконанні експериментальних робіт, аналіз результатів, формулювання висновків та написання статті).

Воробець Н.М. Вплив абсцизової кислоти на активність ферментів антиоксидантного захисту у насінні квасолі при проростанні за дії різних концентрацій іонів свинцю // Науковий вісник УЖНУ. Серія біол. - 2001. - №9. - С. 316-319.

Воробець Н.М., Микієвич І.М. Фізіологічна оцінка стійкості рослин квасолі до дії свинцю // Науковий вісник Львівської держ. академії ветеринарної медицини. - 2001. - Т. 3, №1. - С. 3-6. (Дисертантові належить ідея, покладена в основу статті, опрацювання робочої схеми експерименту, виконання експериментальних робіт, аналіз результатів, формулювання висновків та написання статті).

Воробець Н.М., Микієвич І.М. Вміст аскорбінової, дегідроаскорбінової, дикетогулонової кислот у проростках соняшника за дії іонів свинцю // Вісник Львів. ун-ту. Серія біол. - 2001. - Вип.27. - С. 244-252. (Дисертантові належить ідея, покладена в основу статті, опрацювання робочої схеми експерименту, участь у виконанні експериментальних робіт, аналіз результатів, формулювання висновків та написання статті).

Воробець Н.М. Пероксидазна активність коренів соняшника за дії іонів свинцю та селену // Наукові записки Тернопільського педун-ту. Серія біол. - 2002. - № 3 (18). - С. 148-153.

Воробець Н.М., Мусієнко М.М. Інтоксикація ґрунтів сполуками свинцю та їх фіторемедіація // Науковий вісник Національного аграрного ун-ту. - 2002. - Т.58. - С. 202-216. (Дисертантові належить опрацювання даних літератури і власних результатів, участь в аналізі і написання статті).

Воробець Н.М., Брайон О.В., Мусієнко М.М. Ефекти різних доз свинцю на лігніфікацію клітинних стінок у проростків соняшника // Науковий вісник УЖНУ. Серія біол. - 2002. - № 11. - С. 72-74. (Дисертантові належить виконання експериментальних робіт, участь в аналізі результатів, формулюванні висновків та написання статті).

Воробець Н.М. Пігментний апарат проростків соняшника за дії різних доз свинцю // Науковий вісник УЖНУ. Серія біол. - 2003. - №12. - С. 69-73.

Воробець Н.М. Функціонування аскорбатпероксидази та вміст аскорбінової і дегідроаскорбінової кислот у проростаючого насіння соняшника та квасолі за дії різних доз свинцю // Науковий вісник УЖНУ. Серія біол. - 2003. - Вип.13. - С. 53-56.

Воробець Н.М. Пігменти віолаксантинового циклу проростків соняшника за дії різних доз іонів свинцю та селену // Науковий вісник Київського нац. ун-ту імені Т.Шевченка. - 2003. - Вип. 39. - С.33-35.

Воробець Н.М., Микієвич І.М. Функціонування аскорбатпероксидази та монодегідроаскорбатоксидази у проростків соняшника за дії надлишкових кількостей свинцю // Наукові записки. Тернопільський педун-т. Серія біол. - 2003. - № 1 (20) - С.81-86. (Дисертант є автором ідеї, покладеної в основу статті, їй належить аналіз результатів, формулювання висновків та написання статті).

Воробець Н.М. Утворення малонового діальдегіду та пероксиду водню при вирощуванні соняшника на поживних середовищах з різною концентрацією іонів свинцю // Науковий вісник Чернівецького нац. ун-ту. - 2004. - Вип. 194. - С. 9-15.

Микієвич І.М., Воробець Н.М., Калинович Н.О. Локалізація свинцю у тканинах кореня соняшника і модифікація селеном його токсичної дії // Актуальні проблеми медицини, біології, ветеринарії і сільського господарства. Серія мед. і біол. -2001. - Вип.5. - С. 77-81. (Дисертантові належить ідея, покладена в основу статті, опрацювання робочої схеми експерименту, виконання експериментальних робіт, аналіз результатів та написання статті).

Vorobets N., Mykiyevich I. Single and combined effects of lead and selenium on sunflower seedlings // Scientific works. Horticulture and vegetable growing. - 2000. - V. 19, N3. - P. 390-395. (Дисертантові належить ідея, покладена в основу статті, опрацювання робочої схеми експерименту, участь у виконанні експериментальних робіт, аналіз результатів, формулювання висновків та написання статті).

Пацула О.І., Воробець Н.М. Реакція соняшника на дію свинцю за участю глутатіонпероксидази // Наукові основи збереження біотичної різноманітності. - 2001. - Вип.3. - С. 150-155. (Дисертантові належить ідея, покладена в основу статті, опрацювання робочої схеми експерименту, участь у виконанні експериментальних робіт, аналіз результатів, формулювання висновків та написання статті).

Воробець Н.М. Активність ключових ферментів асиміляції аміаку у рослин квасолі на перших етапах росту за дії свинцю // Онтогенез рослин, біологічна фіксація молекулярного азоту та азотний метаболізм рослин. Матеріали Міжнародної наукової конференції. - Тернопіль, 2001. - С. 150-153.

Пацула О.І., Воробець Н.М. Участь каталази у механізмах захисту рослин до дії свинцю // Ведення лісового і садово-паркового господарства та охорона довкілля. Матеріали 53-ої науково-технічної конференції студентів та аспірантів УКРДЛТУ. - Львів, 2001. - С. 81-85. (Дисертантові належить ідея, покладена в основу статті, опрацювання робочої схеми експерименту, участь у виконанні експериментальних робіт, аналіз результатів, формулювання висновків та написання статті).

Воробець, Н.М., Шидловська І.Я., Підковко Н.О., Микієвич І.М., Терек О.І. Вплив різних концентрацій ацетату свинцю на вміст білків у різних видів рослин на ранніх етапах онтогенезу // Онтогенез рослин в природному та трансформованому середовищі. Львів: Сполом, 1998. - С. 194-195.

Воробець Н.М., Микієвич І.М. Аскорбінова кислота в органах квасолі при дії на рослини свинцю // Матеріали I Всеукраїнської наукової конференції Екологічний стрес і адаптація в біологічних системах. - Тернопіль: Вид-во Терноп. держ. пед. ун-ту, 1998. - С. 43-44.

Воробец Н.Н., Мыкиевич И.М. Поступление свинца в растения подсолнечника и фасоли при экспонировании их на растворах ацетата свинца / Международная конференция “Физиология растений - наука 111 тысячелетия” - Москва, 1999. - С.340-341.

Пацула О.И., Воробец Н.Н., Мыкиевич И.М. Формирование глутатионпероксидазной системы защиты у фасоли в условиях действия свинца // Тезисы V11 Молодежной конференции ботаников в Санкт-Петербурге, 2000. - С.143.

Воробець Н.М., Микієвич І.М., Калинович Н.О. Розподіл свинцю у органах рослин соняшника та квасолі при вирощуванні їх на різних концентраціях ацетату свинцю // Тези міжнародної конференції "Проблеми сучасної екології”. -Запоріжжя, 2000. - С.17.

Воробец Н.Н. Влияние экзогенной абсцизовой кислоты на устойчивость фасоли к действию ацетата свинца // Шестая международная конференция “Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях”. - М.: Изд-во МСХА, 2001. - С.20.

Воробець Н. М. Вплив абсцизової кислоти та іонів селену на активність пероксидних ферментів у рослин квасолі (Phaseolus vulgaris L.) за дії свинцю // Матеріали CI зїзду Українського ботанічного товариства. - Харків, 2001. - С. 72-73.

Микієвич І.М., Воробець Н.М. Співвідношення аскорбінової кислоти та продуктів її окиснення у рослин соняшника (Helianthus annuus L.) за дії іонів свинцю // Матеріали CI зїзду Українського ботанічного товариства. - Харків, 2001.- С. 242-243.

Воробець Н.М. Антиоксидантний захист у рослин соняшника за дії на них іонів свинцю // Укр. біохім. журнал. - 2002. - Т.74, №4б. - С. 120-121.

Воробець Н.М. Утворення активних видів кисню у проростків соняшника за експозиції їх на середовищах з іонами свинцю // Тези доповідей III зїзду Українського біофізичного товариства. - Львів, 2002. - С. 122.

Воробець Н.М., Чонка І.І., Бойко Н.В., Ніколайчук В.І. Активність глутатіон- S-трансферази та вміст важких металів у рослинах квасолі, вирощеної на ґрунтах прируслових ділянок ріки Тиса Виноградівського району Закарпатської області // Матеріали IV Міжнар. наук. конф. „Промислова ботаніка: стан та перспективи розвитку” - Донецьк: ТОВ „Лебідь”, 2003. - С.98-99.

Vorobets N. Lead accumulation in different organs of beans and sunflower in response to lead stress / II International Symposium on Plant Biotechnology. - Kyiv, 1998. - P.145.

Vorobets N., Kravchischin V., Terek O. Responses of higher plants GDH and GS activities to lead // 2nd Conference on progress in plant sciences. - Mosonmagyarovar, Hungary, 1998 - P. 37.

Kravchischin V., Terek O., Vorobets N. Effect of lead on transaminases activities of higher plants with different types of metabolism // 2nd Conference on progress in plant sciences. - Mosonmagyarovar, Hungary, 1998 - P. 48.

Vorobets N., Terek O., Kravchichin V. Responses of higher plants nitrogen metabolism enzymes to lead // Bulgarian J. Plant Physiology. The 11th Congress of the Federation of European Societies of Plant Physiology. - Varna, Bulgaria, 1998. - P. 271.

Vorobets N. Glutathione peroxidase and catalase activity responses to lead in bean and sunflower seedlings // Plant Physiology and biochemistry. 12th Congress of the Federation of European Societies of Plant Physiology. - Budapest, 2000. - V.38. - P.181.

Mykiyevich I.M, Vorobets N. The effect of lead on early stages of bean growth // Plant Physiology and biochemistry. 12th Congress of the Federation of European Societies of Plant Physiology. - Budapest, 2000. - V.38. - P. 181.

Vorobets N.M. ABA as adaptive responses mediator to lead stress during seed germination / International Symposium Intracellular Signalling in Plant and Animal Systems. Programme and Abstracts. - Kyiv, 2001. - P. 110.

Vorobets N. Medium applied ABA regulation lead resistance and antioxidant enzymes activity in Phaseolus vulgaris L. seedlings // 17th International Conference on Plant Growth Substances. - Brno, Czech Republic, 2001. - P. 135.

Vorobets N.M. Involvement of ABA in antioxidant defense of bean under lead influence // Fifth conference on Oxygen, free radicals and oxidative stress in plants. - Nice, France, 2001. - P. 70.

Vorobets N. M. Abscisic acid increases lead tolerance in bean seedlings // 4th Parnas Conference Molecular Mechanisms of Cell Activation: Biological Signals and Their Target Enzymes. - Wroclaw, 2002. - P. 126.