Порівняння цитогенетичної та антимікротрубочкової активності фітотоксичних металів - Автореферат

Національна академія наук україни Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наукТараса Шевченка та у відділі клітинної біології і біотехнології Інституту клітинної біології та генетичної інженерії НАН України Науковий керівник: доктор біологічних наук, член-кореспондент НАН України Блюм Ярослав Борисович, завідувач відділу клітинної біології та біотехнології Інституту клітинної біології та генетичної інженерії НАН України Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Кордюм Єлизавета Львівна, завідувач відділу клітинної біології та анатомії рослин Інституту ботаніки ім. Захист дисертації відбудеться „18” березня 2004 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.202.01 при Інституті клітинної біології та генетичної інженерії НАН України за адресою: 03143, Київ-143, вул.Зясування токсичного потенціалу важких металів стосовно рослинної клітини має важливе значення для розуміння механізмів дії цих полютантів на рослинний організм в цілому, а тому може слугувати основою для пошуку шляхів зменшення їхнього негативного впливу. Дисертаційна робота виконувалась у рамках бюджетних тем Інституту клітинної біології та генетичної інженерії НАН України відділу цитофізіології та клітинної інженерії: № 2.3.3.6 "Вивчення молекулярно-генетичних процесів в реконструйованих клітинних системах і трансгенних рослинах" (1990-1995), № 2.28.2.9 "Вивчення молекулярно-біологічних і генетичних процесів в реконструйованих трансгеномних і трансгенних клітинних лініях і рослинах" (1995-1999); а також відділу клітинної біології та біотехнології: № 2.28.2.10 "Зясування ролі цитоскелетних структур клітини у відповіді рослин на вплив абіотичних факторів та розробка біотехнологічних підходів для регуляції функціонування цитоскелету" (2000-2004, номер держреєстрації 0101U000395). 2) дослідити антимітотичну активність іонів важких металів та алюмінію в клітинах апікальної кореневої меристеми цибулі; Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на Європейському конгресі з молекулярної та клітинної біології (Брайтон, Великобританія, 1997); Міжнародній конференції “Molecular Biology of Plants under Environmental Stress” (Познань, Польша, 1997); двох щорічних з?їздах товариства експериментальної ботаніки (Кантербері, Великобританія, 1997 і Йорк, Великобританія, 1998); Міжнародній конференції “Цитоскелет и клеточная регуляция” (Пущино, Росія, 2000); 12-му конгресі Федерації Європейських товариств фізіологів рослин (Будапешт, Угорщина, 2000); VII конференції молодих вчених “Проблеми фізіології рослин і генетики на рубежі третього тисячоліття” (Київ, 2000); ІІІ науковій конференції молодих учених м. Враховувались наступні параметри: відсоток клітин з хромосомними мостами, фрагментами хромосом, відставанням хромосом, мультиполярними мітозами, К-мітозами, вирахувані серед усіх клітин на стадіях мітозу; відсотки двоядерних, багатоядерних клітин, а також клітин з мікроядрами та лопатевими ядрами, вирахувані із загальної кількості (1000) меристемних клітин.У дисертаційній роботі проведено дослідження ризотоксичної, цитотоксичної, генотоксичної та антимікротрубочкової дії широкого діапазону концентрацій кадмію, свинцю, нікелю, алюмінію, міді та цинку в меристемних клітинах проростків цибулі. За ефективними токсичними концентраціями (ЕК50) метали розташовуються в такій послідовності: Cu > Cd > Ni > Pb > Al > Zn; а за концентраціями повного пригнічення росту коренів ряд металів дещо змінюється: Cu > Pb > Cd > Zn > Ni > Al. Виявлено високу кореляцію між ризотоксичністю кадмію, свинцю, нікелю, алюмінію, міді та цинку і їхньою цитотоксичністю для апікальної кореневої меристеми. Цитогенетична активність тестованих металів характеризується як кластогенною, так і анеугенною дією, причому здатність спричиняти порушення ходу мітозу й цитокінезу (анеугенні ефекти) є більш властивою для досліджуваних сполук, ніж індукція хромосомних аберацій.

У дисертаційній роботі проведено дослідження ризотоксичної, цитотоксичної, генотоксичної та антимікротрубочкової дії широкого діапазону концентрацій кадмію, свинцю, нікелю, алюмінію, міді та цинку в меристемних клітинах проростків цибулі.

1. Показано, що всі досліджувані метали дозозалежно інгібують кореневий ріст, однак найбільша ризотоксичність характерна для Cu. За ефективними токсичними концентраціями (ЕК50) метали розташовуються в такій послідовності: Cu > Cd > Ni > Pb > Al > Zn; а за концентраціями повного пригнічення росту коренів ряд металів дещо змінюється: Cu > Pb > Cd > Zn > Ni > Al.

2. Встановлено, що за зміною показників мітотичного індексу та співвідношення фаз мітозу найсильніший антимітотичний ефект мають Ni і Cd, а найслабший вплив на мітотичну активність клітин проявляє Al.

3. Виявлено високу кореляцію між ризотоксичністю кадмію, свинцю, нікелю, алюмінію, міді та цинку і їхньою цитотоксичністю для апікальної кореневої меристеми. Ряди токсичності металів за цими показниками співпадають.

4. Цитогенетична активність тестованих металів характеризується як кластогенною, так і анеугенною дією, причому здатність спричиняти порушення ходу мітозу й цитокінезу (анеугенні ефекти) є більш властивою для досліджуваних сполук, ніж індукція хромосомних аберацій.

5. За кількістю хромосомних пошкоджень, що виникають під впливом важких металів та алюмінію у кореневій меристемі, запропоновано такий ряд кластогенності тестованих металів: Zn > Pb ? Cd ? Cu ? Al ? Ni.

6. За здатністю індукувати анеугенні порушення в мітотичних та інтерфазних клітинах кореневої меристеми цибулі токсичні метали розташовуються в такій послідовності: Ni >> Cd > Al > Pb > Cu > Zn.

7. Вперше показано антимікротрубочкові ефекти нікелю, кадмію та свинцю у рослинних клітинах. Виявлено, що кадмій і свинець характеризуються подібним механізмом дії, спричиняючи руйнацію окремих мікротрубочок, тоді як нікель зумовлює агрегацію мікротрубочок у товсті нефункціональні пучки.

8. Виявлено стабілізуючий вплив іонів алюмінію на мікротрубочкові структури в клітинах цибулі.

9. На основі порівняння цитогенетичних та антимікротрубочкових ефектів ацетату й нітрату свинцю продемонстровано, що сполуки важких металів проявляють свою токсичність в основному через катіони, а кислотні залишки солей несуттєво впливають на специфіку пошкоджуючої дії іонів металів.

10. Виявлено, що ефективні токсичні концентрації Cu, Zn та Ni є нижчими за затверджені гранично допустимі концентрації цих металів у ґрунті відповідно у 23, 12,5 та 8 разів, що дає підстави для їх перегляду.

1. Довгалюк А.І., Калиняк Т.Б., Блюм Я.Б. Токсична дія іонів металів на ріст та мітотичну активність клітин коренів цибулі Allium cepa L. // Доповіді НАН України - 1998. - № 6. - С. 173-178.

2. Довгалюк А.И., Калиняк Т.Б., Блюм Я.Б. Оценка фито- и цитотоксической активности солей металлов с помощью корневой апикальной меристемы лука // Цитология и генетика - 2001. - № 1. - С. 3-9.

3. Довгалюк А.И., Калиняк Т.Б., Блюм Я.Б. Цитогенетические эффекты солей токсичных металлов в клетках апикальной меристемы корней проростков Allium cepa L. // Цитология и генетика - 2001. - № 2. - С. 3-10.

4. Довгалюк А.И., Калиняк Т.Б., Блюм Я.Б. Специфические эффекты ионов токсических металлов на микротрубочки меристематических клеток корней лука (Allium cepa L.) // Доповіді НАН України - 2002. - № 1. - С. 162-168.

5. Довгалюк А.І., Ляшенко Ю.О., Блюм Я.Б. Цитотоксична активність нітрату та ацетату свинцю та її звязок з порушеннями хромосомного апарату і мікротрубочкових утворень меристемних клітин цибулі (Allium cepa L.) // Доповіді НАН України - 2002. - № 8. - С. 149-154.

6. Dovgalyuk A.I., Kalynyak T.B., Blume Ya.B. Heavy metals have a different action from aluminium in disrupting microtubules in onion meristematic cells // Cell Biol. Intern. - 2003. - Vol. 27, № 3. - P. 193-195.

7. Dovgalyuk A., Trofimyak T., Blume Ya. Mitotic disturbances induced by toxic metal ions / ECBO 97 - European Congress for Molecular Cell Biology (Brighton, England, March 22-25, 1997) // ECBO 97 - 1997. - P. 24.

8. Dovgalyuk A., Trofimyak T., Blume Ya. Screening of the salts of cadmium, lead, nickel, aluminium, copper and zinc for the identification of their mutagenic activity / SEB Annual Meeting (Canterbury, England, April 7-11, 1997) // J. Exp. Bot. - 1997. - V. 48 (Suppl. 2). - P. C2.

9. Dovgalyuk A., Kalynyak T., Blume Ya. Chromosome and genome mutations caused by toxic metals / International Conference “Molecular Biology of Plants Under Environmental Stress” (Poznan’, Poland, September 17-19, 1997) // Biological Bulletin of Poznan. - 1997. - V. 34 (Supplement). - P. 41.

10. Kalynyak T.B., Dovgalyuk A, Blume Ya. Evaluation of heavy metal toxicity by the Allium test / SEB Annual Meeting (York, England, April 4-7, 1998)// J. Exp. Bot. - 1998. - V.49 (May, Suppl.). - P. 89.

11. Довгалюк А.И., Калиняк Т.Б., Блюм Я.Б. Иммунофлуоресцентный анализ влияния Ni, Cd и Al на микротрубочки клеток корня лука / Международная конференция “Цитоскелет и клеточная регуляция” (Пущино, Россия, 11-12 мая, 2000) // Тезисы докладов конференции - Москва: МАКС Пресс, 2000. - С. 14.

12. Dovgalyuk A., Kalynyak T., Blume Ya. Different effects of toxic metal ions on plant microtubules / 12th Congress of the Federation of European Societies of Plant Physiology (Budapest, Hungary, August 21-26, 2000) // Plant Physiol. and Biochem. - 2000. - V. 38 (Suppl.). - P. 38.

13. Довгалюк А.І., Блюм Я.Б. Роль мікротрубочок рослинних клітин в реалізації антимітотичної активності іонів токсичних металів / VII Конференція молодих вчених “Проблеми фізіології рослин і генетики на рубежі третього тисячоліття” (Київ, 18-20 жовтня, 2000) // Збірник тез конференції - Київ: Україна-СВІТ, 2000. - С. 77.

14. Dovgalyuk A. Lead influences on the microtubule organization in Allium meristem cells /International Symposium “Plants under Environmental Stress” (October 23-28, 2001, Moscow, Russia) // Plants under Environmental Stress (Abstracts) - Moscow: Publishing House of Peoples’ Friendship University of Russia, 2001. - P. 56-57.

15. Довгалюк А.І. Морфогенетичні ефекти іонів фітотоксичних металів у корінцях проростків цибулі / VIII Конференція молодих вчених “Сучасні напрямки в фізіології та генетиці рослин” (23-25 жовтня, 2002, Київ) // Збірник тез конференції - Київ, 2002. - C. 67.

16. Довгалюк А.І. Allium cepa L. як тест-обєкт для індикації біологічного ризику важких металів // IV Міжнародна наукова конференція „Промислова ботаніка: стан та перспективи розвитку” (17-19 вересня, 2003, Донецьк) // Матеріали конференції. - Донецьк: ТОВ „Либідь”, 2003. - С. 61-63.