Экологические аспекты функциональной поливариантности онтогенеза растений
На правах рукописи
ВОСКРЕСЕНСКАЯ Ольга Леонидовна ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ПОЛИВАРИАНТНОСТИ ОНТОГЕНЕЗА РАСТЕНИЙ 03.00.16 – экология 03.00.12 – физиология и биохимия растений
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Казань – 2009
Работа выполнена на кафедре экологии Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Марийский государственный университет»
Научный консультант: доктор биологических наук, профессор, Жукова Людмила Алексеевна
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Хохлова Людмила Петровна доктор биологических наук, профессор Комаров Александр Сергеевич доктор биологических наук, профессор Гордон Лев Хаймович
Ведущая организация: Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
Защита состоится «24» декабря 2009 г. в 1430 часов на заседании диссер тационного совета ДМ 212.081.19 при ФГОУ ВПО «Казанский государствен ный университет им. В.И. Ульянова-Ленина» по адресу: 420008, Республика Татарстан, г. Казань, ул. Кремлевская, д. Факс: (843) 238-76-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государст венного университета
Автореферат разослан « » 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент Зелеев Р.М.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Вопрос об охране окружающей среды, в том числе ее растительного компонента, является одним из центральных вопросов био логической науки. В связи с обострением экологической ситуации, связанной с увеличением антропогенного загрязнения окружающей среды, чрезвычайно важное значение приобретает комплексное изучение растений, произрастаю щих в условиях экологического стресса в урбофитоценозах.
Адаптивная стратегия растений – это комплекс морфологических, физио логических и биохимических характеристик, которые позволяют эффективно использовать ресурсы среды и реализоваться на разных уровнях организации живых систем: от молекулярного до биосферного (Иванов, Пьянков, 2000).
Реакция растений на факторы среды изучена далеко не полностью. Эта фрагментарность описаний адаптивных комплексов отражает незавершен ность теоретической базы экологической физиологии растений. Однако общая экологизация подходов в естественных науках, потребность в практическом управлении адаптивным потенциалом растений делает проблему построения системы общетеоретических подходов в экологической физиологии все более актуальной. Познание закономерностей приспособления растений к экстре мальным факторам среды является основой экологического прогнозирования.
В первую очередь это касается устойчивости и продуктивности декоратив ных, газонных и древесных насаждений в условиях города с учетом интен сивности и масштабов действия техногенных факторов.
Воздействие антропогенного загрязнения следует обсуждать с учетом биологического возраста растений, т.к. в условиях городской среды защитные адаптационные механизмы растений не просто обеспечивают выживание ор ганизма, а направлены на реализацию онтогенетической программы при дли тельном воздействии загрязняющих факторов.
Учениками и последователями А.А. Уранова разработаны морфологиче ские критерии выделения онтогенетических состояний для растений практи чески всех жизненных форм. Применение концепции дискретного описания онтогенеза растений (Работнов, 1950;
Уранов, 1975;
Смирнова, 1987;
Жукова, 1995 и др.) позволило детально описать онтогенетические состояния более тысячи видов семенных растений. В то же время количество исследований, посвященных изучению особенностей физиологических процессов на отдель ных этапах онтогенеза растений при разной напряженности экологических факторов среды, явно недостаточно. Без физиологической оценки этапов он тогенеза невозможно в полной мере представить себе общую картину роста и развития растений в целом. Использование физиолого-биохимических подхо дов при изучении антропогенных факторов среды обусловлено тем, что имен но эффективность метаболических и энергетических процессов определяет конкурентоспособность растений, темп их развития и структуру популяции.
Одной из наиболее актуальных проблем современной экологической фи зиологии растений является исследование адаптационных возможностей на разных этапах онтогенеза растений, способных проходить полный цикл раз вития в условиях изменяющихся факторов среды и разработка представлений о взаимодействии растений со средой обитания в процессе онтогенеза.
Цель исследования – охарактеризовать функциональную поливариант ность онтогенеза растений и выявить физиолого-биохимические критерии адаптационного потенциала онтогенетических состояний растений в условиях антропогенного загрязнения среды.
В задачи работы входило:
1. Изучить физиологические особенности плодов и семян и воздействие на них солей тяжелых металлов.
2. В модельных опытах с избытком цинка выявить специфику ионного обмена и дыхательного метаболизма на начальных этапах онтогенеза расте ний.
3. Установить закономерности распределения, накопления и круговорота тяжелых металлов, азота и зольных элементов у растений разного биологиче ского возраста в урбоценозах.
4. Исследовать особенности водного и минерального обмена в онтогенезе растений разных жизненных форм при воздействии факторов городской среды.
5. Определить роль антиоксидантной системы защиты и некоторых окислительно-восстановительных ферментов в приспособительных реакциях растений разных онтогенетических состояний к условиям антропогенного загрязнения.
6. Оценить основные показатели роста растений разных жизненных форм на отдельных этапах онтогенеза и толерантность различных онтогенетических состояний растений к комплексу антропогенных факторов.
Научная новизна работы. Для физиолого-биохимической характеристи ки растений впервые была использована концепция дискретного описания онтогенеза (Работнов, 1950;
Уранов, 1967). Новизна работы заключается в объединении морфологических и физиолого-биохимических подходов для изучения особенностей онтогенетических состояний и поливариантности раз вития растений. До сих пор концепция поливариантности развития затрагива ла организменный и популяционный уровни, в ходе работы она была допол нена клеточным и молекулярным уровнями, введено представление о функциональной поливариантности онтогенеза.
Впервые показано, что в процессе онтогенеза однолетних растений на блюдается смена работы ферментативных систем, выражающаяся в колеба тельном характере активности железо- и медьсодержащих оксидаз в зависи мости от биологического возраста растений. В качестве физиологических характеристик онтогенетических состояний растений наряду с морфологиче скими признаками предложено использовать активность железо- и медьсо держащих ферментов.
Показано, что тяжелые металлы оказывают негативное влияние на многие стороны жизнедеятельности растений. Так, при избытке цинка в среде произ растания на начальных этапах онтогенеза у овса посевного обнаружено нару шение барьерной и транспортной функций клеточных мембран и изменение путей дыхательного метаболизма, а именно активирование цианидрезистент ного пути дыхания (до 70%) и уменьшение вклада основного цитохромного пути (на 50%). Полученные в работе данные вносят определенный вклад в расшифровку механизма токсического действия тяжелых металлов на расте ния и разработку теории устойчивости растений к неблагоприятным факторам внешней среды.
Теоретические подходы, используемые при изучении специфики окисли тельно-восстановительных процессов, дыхательного метаболизма, минераль ного и водного обменов в ходе онтогенеза растений разных жизненных форм в условиях антропогенного загрязнения, дополняют общую теорию фитост ресса. При этом выявлены экологически значимые физиолого-биохимические показатели в онтогенезе, отражающие реакцию растений на техногенное за грязнение и обеспечивающие механизмы их адаптаций.
Впервые показано, что физиолого-биохимические процессы у растений разных жизненных форм изменяются не только в зависимости от таксономи ческого положения растений, условий обитания и воздействия антропогенных факторов, но и от продолжительности онтогенеза и его этапов. Полученные результаты расширяют представления о физиологических основах роста и развития растений.
Практическая значимость. Впервые в г. Йошкар-Оле проведен экологи ческий мониторинг за состоянием декоративных, газонных и древесных рас тений по физиолого-биохимическим показателям. Выявленные изменения исследуемых параметров в онтогенезе растений, позволяют использовать их в качестве дополнительных критериев при разработке системы оценки уровня устойчивости растений к условиям антропогенного загрязнения.
Результаты исследований представлены в Комитет экологии и природо пользования администрации городского округа «Город Йошкар-Ола», МУП «Город», территориальное управление Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Республике Марий Эл. Мониторинговые исследования могут быть использованы для кон троля за состоянием окружающей природной среды, выявления локальных зон загрязнения почвы тяжелыми металлами, а также для разработки меро приятий по улучшению экологической и санитарно-эпидемиологической об становки в г. Йошкар-Оле.
Результаты работы вошли в «Государственный доклад о состоянии окру жающей природной среды Республики Марий Эл» (2007, 2008, 2009) и «Эн циклопедию Республики Марий Эл» (2009). Авторские свидетельства (№ 1364-78, № 1485-01) используются в работе экологических и агрохимических научно-исследовательских лабораторий.
Материалы диссертации по функциональным особенностям онтогенеза растений входят в плановую научную работу кафедры экологии ГОУВПО «Марийский государственный университет». Результаты работы применяются в учебном процессе при чтении курсов: «Общая экология», «Физиология рас тений», «Экология и рациональное природопользование» и большого практи кума для студентов Марийского государственного университета. Методиче ские подходы используемые при проведении исследований, вошли в учебные пособия с грифом УМО: «Организм и среда: факториальная экология» (2005), «Учебные программы общепрофессиональных, специальных дисциплин и практик по специальности 013500 – Биоэкология» (2005) и «Физиология растений» (2008), а также в «Большой практикум по биоэкологии» (2006).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Поливариантность онтогенеза как основная стратегия адаптаций расте ний к условиям среды обитания выражена не только структурным и динами ческим разнообразием на организменном и популяционном уровнях, но и из менчивостью физиологических процессов на молекулярном и клеточном уровнях, что позволяет выделить особый тип функциональной поливариант ности онтогенеза растений.
2. Одним из проявлений функциональной поливариантности онтогенеза является изменение соотношения основного цитохромного и альтернативного цианидрезистентного путей транспорта электронов (доля последнего возрас тает до 70% при избытке цинка в среде произрастания).
3. В процессе онтогенеза растений отмечается колебательный характер изменения активности железо- и медьсодержащих ферментов, что объясняет ся снижением интенсивности работы одних и одновременной активизацией других окислительно-восстановительных систем в разных онтогенетических состояниях.
4. Скорость роста растений разных жизненных форм в онтогенезе непо стоянна и характеризуется различной интенсивностью. Кривая роста однолет них растений имеет четыре фазы, соответствующие следующим онтогенети ческим состояниям: лаг-фаза (проростки), фаза интенсивного роста (ювенильное, имматурное, виргинильное), фаза замедленного роста (молодое генеративное) и фаза стационарного состояния, которая соответствует сред невозрастному и старому генеративному состояниям.
5. Спектр проявления функциональной поливариантности индивидуально го развития растений изменяется в зависимости от степени воздействия эко логических факторов, что обеспечивает разнообразие путей онтогенеза расте ний и, в том числе, разную их продолжительность.
Конкурсная поддержка работы. Исследования выполнены при поддерж ке Грантов РФФИ: «Пространственно-временная организация природных популяций растений», № 98-04-49294-а (1998-2000);
«Поливариантность он тогенеза и гетерогенность популяций растений», № 01-04-48949-а (2001 2003);
«Экологические механизмы адаптаций растений к среде обитания и устойчивость популяций», № 04-04-49152-а (2004-2006);
«Развитие МТБ для проведения исследований по биологии (04) № 05-04-52169-э_б;
№ 06-04 03090-б;
химии (03) № 08-03-05071-б (2005, 2006, 2008);
«Эколого физиологические адаптации растений в условиях городской среды», № 07-04 96619-р_поволжье_а (2007-2009). Работа проведена в рамках заданий Феде рального агентства по образованию «Исследование биологического разнооб разия как основы устойчивости и функционирования биологических систем» (2004-2006) и «Исследование функциональных особенностей биосистем в изменяющейся среде» (2007-2009).
Апробация работы. Результаты исследований и материалы диссертаци онной работы были доложены на: Всесоюзной конференции «Актуальные проблемы охраны и рационального использования природных ресурсов» (Уфа, 1987);
Всесоюзной конференции «Популяции растений: принципы ор ганизации и проблемы охраны природы» (Йошкар-Ола, 1991);
Всероссийской конференции по ботаническому ресурсоведению (Санкт-Петербург, 1996);
Всероссийских Вавиловских чтениях (Йошкар-Ола, 1997, 1999, 2000, 2003, 2005);
Международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их практического использования» (Пущино, 1997);
Всероссийских популяционных семинарах (Йошкар-Ола, 1997, 1999, 2000);
Всероссийском совещании «Морфофизиология специализированных побегов» (Сыктывкар, 2000);
Международной конференции «Актуальные вопросы экологической физиологии в XXI веке» (Сыктывкар, 2001);
Международной конференции, посвященной 100-летию А.А. Уранова (Москва, 2001);
Всероссийской конфе ренции «Фундаментальные и прикладные проблемы популяционной биоло гии» (Нижний Тагил, 2002);
Всероссийской конференции «Популяция, сооб щество, эволюция» (Казань, 2001);
V съезде физиологов растений России (Пенза, 2003);
Всероссийских научных конференциях «Принципы и способы сохранения биоразнообразия» (Йошкар-Ола, 2004, 2006;
Пущино, 2008);
Рес публиканских научно-практических конференциях «Современное состояние окружающей среды в Республике Марий Эл и здоровье населения» (Йошкар Ола, 2004, 2005, 2006);
ежегодных научных конференциях МарГУ по итогам научно-исследовательской работы (Йошкар-Ола, 2003, 2005, 2007);
Всерос сийской научной конференции «Современные аспекты экологии и экологиче ского образования» (Казань, 2005);
Всероссийских популяционных семина рах: «Методы популяционной биологии» (Сыктывкар, 2004), «Популяции в пространстве и времени» (Нижний Новгород, 2005), «Особь и популяция – стратегии жизни» (Уфа, 2006), «Современное состояние и пути развития по пуляционной биологии» (Ижевск, 2008);
Годичном собрании общества фи зиологов растений «Физиология растений – фундаментальная основа совре менной фитобиотехнологии» (Ростов-на-Дону, 2006);
Всероссийской конференции, посвященной 75-летию кафедры физиологии и биотехнологии растений Казанского госуниверситета «Физиология растений: становление, развитие, перспективы» (Казань, 2007);
Международных научно-практи ческих конференциях «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» Мосоловские чтения (Йошкар-Ола, 2007, 2008, 2009);
Международной научной конферен ции «Физико–химические механизмы адаптации растений к антропогенному загрязнению в условиях Крайнего Севера» (Апатиты, 2009);
Международной научной конференции «Биологическое разнообразие северных экосистем в условиях изменяющегося климата» (Апатиты, 2009).
Публикации. Количество опубликованных работ составляет 120. По ма териалам диссертационной работы опубликовано 67 работ, в том числе 14 статей – в изданиях, рекомендуемых ВАК для публикации основных ре зультатов диссертации на соискание ученой степени доктора наук по направ лению «Биологические науки», 3 – монографии, 2 – авторских свидетельства, 1 – электронный ресурс, 6 – учебных пособий (3 из них с грифом УМО), ос тальные – материалы конференций и семинаров различного уровня.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора ли тературы, материалов и методов, результатов исследований и их обсуждения, заключения, выводов и приложения. Работа изложена в 9 главах на 412 стра ницах, проиллюстрирована 78 рисунками и 43 таблицами. Список литературы включает 594 наименования, в том числе 113 на иностранных языках.
Личное участие автора в получении научных результатов. Личный вклад соискателя заключается в разработке идеи, определении и проведении научного поиска, в постановке цели, задач, в подготовке программы исследо ваний, планировании, выборе методов исследований, постановке и проведе нии экспериментов, в статистической обработке и интерпретации полученных результатов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ НА РАЗНЫХ ЭТАПАХ ОНТОГЕНЕЗА К УСЛОВИЯМ АНТРОПОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ В главе рассмотрено влияние факторов среды на процессы роста и разви тия и возможности онтогенетической адаптации растений. Отечественными и зарубежными авторами изучено антропогенное воздействие на видовой со став, структуру (Голубева, 1999;
Черненькова, 2002;
Цветков, 2003;
Cornelis sen, Callaghan, 2001) и продукционные процессы в растительных сообществах (Воробейчик и др., 1994;
Базилевич, 1996;
Голубева и др., 2002). Имеются работы, где рассматриваются физиологические (Карнаухов, 1988;
Мерзляк и др., 1997;
Николаевский, 1998;
Жиров, 2001;
Титов и др., 2007), анатомиче ские и морфологические (Сергейчик, 1984, 1994;
Ярмоленко, 1994) особенно сти отдельных видов растений, в том числе в условиях загрязнения.
В работе проанализированы основные представления об онтогенезе расте ний, которые базируются на концепции дискретного описания онтогенеза предложенной Т.А. Работновым, А.А. Урановым и его учениками (Заугольно ва и др., 1976;
Жукова, 1995, 2006, 2007;
Смирнова и др., 1998;
Онтогенетиче ский атлас …, 1997, 2000, 2002, 2005, 2007;
Жукова, Глотов, 2001;
Ведернико ва, Жукова, 2005 и др.).
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Характеристика района исследований. Исследования проводились в г.
Йошкар-Оле – столице Республики Марий Эл. В главе дана характеристика района исследований, подробно рассмотрена степень загрязненности атмо сферы и почвенного покрова территории г. Йошкар-Олы. Для сравнения каче ства атмосферного воздуха в различных районах города использовался ком плексный индекс загрязнения атмосферы (КИЗА). Показано, что наибольший вклад в загрязнение воздушного бассейна г. Йошкар-Олы вносили взвешен ные частицы, оксиды азота и аммиак. Значения по данным показателям в ряде районов города превышали ПДК в 1,5-3 раза.
В почвах г. Йошкар-Олы выявлено превышение ПДК по подвижным фор мам тяжелых металлов, при этом отмечается достаточно высокий уровень содержания свинца, кадмия, цинка и меди в промышленной зоне города (рис. 1). Основными источниками загрязнения почвы тяжелыми металлами в г. Йошкар-Оле являются промышленные предприятия и автотранспорт.
При проведении исследований изучались районы г. Йошкар-Олы с разной степенью антропогенного загрязнения: условно чистое местообитание – тер ритория ООПТ «Сосновая роща» (лесопарковая зона);
среднезагрязненный район – зона в жилой части города (селитебная зона);
загрязненный район – промышленная зона города с интенсивным движением автотранспорта.
Более подробная информация о состоянии атмосферного воздуха и поч венного покрова дана в нашей коллективной монографии «Экология города Йошкар-Олы» (2007).
Рис. 1. Содержание тяжелых металлов в почвах г. Йошкар-Олы (подвижные формы) Примечание: 1 – лесопарковая зона;
2 – селитебная зона, промышленная зона: 3 – ЗАО «Завод Искож», 4 – ОАО «Марбиофарм», 5 – Завод «ММЗ», 6 – ОАО «Кристалл», 7 – ОАО «Мясокомбинат» Объекты исследований. Сбор материала и исследования проводили в период с 1980 по 2008 гг. В качестве объектов исследования были взяты растения различных жизненных форм:
• однолетние травянистые растения: амарант багряный (Amaranthus cru entus L.), календула лекарственная (Calendula officinalis L.) и овес посевной (Avena sativa L.);
• многолетние травянистые растения: ежа сборная (Dactylis glomerata L.), клевер луговой (Trifolium pratense L.), клевер ползучий (Trifolium repens L. ), мятлик луговой (Poa pratensis L.), овсяница луговая (Festuca pratensis Huds.), подорожник большой (Plantago major ssp. major L.), тимофеевка луговая (Phleum prаtense L.);
• древесные растения: туя западная (Thuja occidentalis L.).
Для проведения модельных опытов по изучению действия тяжелых ме таллов овес посевной сорта «Сельма» выращивали методом водных культур на 1/5 смеси Кнопа с добавлением микроэлементов по Хогланду. Схема опы тов включала 2 варианта: 1 вариант (контроль) – норма цинка (0,06 мг/л);
2 вариант – избыток цинка (60 мг/л).
При изучении влияния антропогенных факторов среды анализировались растения, характерные для растительных сообществ городских экосистем.
Методы исследований. При изучении онтогенеза растений была исполь зована периодизация онтогенетических состояний растений, предложенная Т.А. Работновым (1950) и А.А. Урановым (1975), дополненная другими авто рами (Ценопопуляции растений, 1976). В работе рассматривались четыре пе риода онтогенеза с десятью онтогенетическими состояниями: I. Латентный (семена), II. Прегенеративный (проростки, ювенильное, имматурное, вирги нильное), III. Генеративный (молодое, средневозрастное, старое) и IV. По стгенеративный (субсенильное, сенильное). На рисунках 2 и 3 показаны онто генезы календулы лекарственной и подорожника большого.
Рис. 2. Онтогенез Calendula officinalis L. (Жукова и др., 1997) Примечание: онтогенетические состояния: p – проросток;
j – ювенильное растение;
im – имма турное растение;
v – виргинильное растение;
g1 – молодое генеративное растение;
g2 – средневоз растное генеративное растение;
g3 – старое генеративное растение Рис. 3. Онтогенез Plantago major ssp. major L. (Жукова, 1983) Схема изучения функциональных особенностей онтогенеза при изменении факторов среды показана на рисунке 4.
Характеристику физиологических особенностей семян проводили соглас но ГОСТам. Влажность определяли по ГОСТ 12041-66, водопоглощающую и водоудерживающую способности – по ГОСТ 13031-74, всхожесть – по ГОСТ 12038-66 (Семена и посадочный …, 1977). Действие тяжелых металлов на всхожесть семян определяли по методике Н.В. Реутова (1992). Исследования проводили с растворами солей CuSO4, ZnSO4, CdSO4, PbSO4 в трех концен трациях: 0,01М, 0,05М, 0,1М. В контроле семена замачивались в дистиллиро ванной воде.
Общую оводненность тка ИЗБЫТОК АНТРОПОГЕННОЕ ней анализировали на основе ЦИНКА ЗАГРЯЗНЕНИЕ разности между сырой мас сой листьев и после их вы сушивания при 105°С до Однолетние Многолетние Древесные постоянного веса и выража травянистые травянистые растения растения растения ли в % от сырой массы.
Фракционный состав воды ОНТОГЕНЕЗ (свободная и связанная) оп ределяли рефракто-метри чески по методу Окунцова минеральное ФИЗИОЛОГИ дыхание Маринчик (Руко-водство..., питание ЧЕСКИЕ 1987;
Практикум …, 1996).
ПРОЦЕССЫ Водоудерживающую ионный обмен ЭТЦ ЦРП способность тканей изучали методом подсушивания и энергообмен макро микро рассчитывали по потере во элементы элементы антиоксидантные ды в % от общего ее содер водный системы режим жания (Николаевский, 1979;
рост и развитие Практикум …, 2001).
фермен- нефермента тативные тивные Проницаемость клеточ ВПС ных мембран опре-деляли кондуктомет-рическим мето ростовые ВУС транспирация процессы дом по выходу электролитов (Гужо-ва и др., 1984;
Прак фракционный состав воды тикум …, 2001), интенсив биомасса ность транс-пирации – весо Рис. 4. Схема изучения функциональных особенностей вым методом по Л.А. Ива онтогенеза растений при изменении экологических факторов среды нову (Практикум …, 1996).
Для характеристики окислительно-восстановительных процессов расте ний анализировали активность ферментов: общей пероксидазы (КФ 1.11.1.7) и полифенолоксидазы (КФ 1.14.18.1) фотометрическим методом по А.Н. Бояр кину (1951), каталазы (КФ 1.11.1.6) – газометрическим методом (Prasad et al., 1999);
аскорбатоксидазы (КФ 1.10.3.3) – спектрофотометрическим методом (Методы …, 1987). Определение содержания аскорбиновой кислоты (витами на С) (Чупахина, 1974), общее содержание фенольных соединений (Запроме тов, 1968) и каротиноидов (Lichtenthaler, 1987) осуществляли спектрофото метрическим методом.
Содержание неорганического фосфора, общего азота и серы определяли калориметрическим методом (Унифицированные методы …, 1976;
Руково дство по контролю …, 1979). Содержание калия анализировали методом пла менной фотометрии;
цинка, меди – спектрофотометрическим методом;
желе за – фотометрическим методом с роданидом аммония;
кадмия и свинца – методом инверсионной вольтамперометрии (Чернавина и др., 1978).
В качестве эталонов использовали стандартные образцы растительных ма териалов злаковой травосмеси СБМТ-1 и дерново-подзолистой почвы (Свиде тельство …, 1978). Рассчитаны коэффициенты накопления (Тимофеев Ресовский и др., 1957) и передвижения (Ковалевский, 1969) химических эле ментов и тяжелых металлов, определено их содержание в каждом растении и онтогенетической группе.
Измерение интенсивности сверхслабого свечения проводили на кванто метрической установке с фотоэлектронным умножителем (Тарусов и др., 1972). Определение содержания фосфорорганических соединений, активности фермента АТФ-азы, содержания белка проводили спектрофотометрическим методом (Починок, 1974;
Руководство …, 1994;
Lowry, 1951).
Интенсивность дыхания изучали на полярографе ОН-102 с платиновым электродом (Чернавина и др., 1978), использовали ингибиторы транспорта электронов: азид натрия, амитал натрия, антимицин А, цианид калия, бенз гидроксамовую кислоту.
Экспериментальный материал был обработан статистически. Статистиче скую обработку данных проводили с помощью программы «STATISTICA». В работе использовали следующие статистические характеристики: среднее арифметическое, ошибка среднего арифметического, минимальные и макси мальные значения в выборке, коэффициент корреляции Спирмена, t-критерий Стьюдента, одно- и многофакторный дисперсионный анализ, множественные сравнения (Глотов и др., 1982;
Лакин, 1990).
Глава 3. СЕМЕНА КАК ЛАТЕНТНЫЙ ЭТАП ОНТОГЕНЕЗА РАСТЕНИЙ Морфофизиологические особенности семян. Периодизация онтогенеза растений включает в себя онтогенетическое состояние покоящихся семян (se), относящихся к латентному периоду индивидуального развития растений. Се мена представляют собой специфический орган растений с особыми свойст вами и характером жизнедеятельности, они являются основной единицей рас пространения и размножения семенных растений (Николаева, 1985, 1992;
Обручева, 2009).
В настоящее время все еще ощущается недостаточность сведений о фи зиологии семян, что связано не только с малой изученностью их покоя и ус ловий выхода из него, но и с длительностью жизни семян. Помимо этого, се мена дикорастущих видов сильно отличаются от семян культурных растений разнообразием своих форм и внутреннего строения, физиолого-биохими ческих свойств и экологических особенностей (Физиология семян, 1982).
Говоря о семенах, мы подразумеваем не только семена как таковые (на пример, семена подорожника большого), но и другие единицы распростране ния растений – плоды, когда имеем дело с невскрывающимися плодами (на пример, семянки календулы лекарственной или зерновки злаков).
Одним из наиболее важных факторов, определяющих возможность дли тельного хранения семян без потерь, является их влажность. Семена амаранта багряного характеризовались минимальной влажностью, которая составила 5,0% (рис. 5). Более высокие показатели влажности были у зерновок злаков овсяницы луговой, овса посевного, мятлика лугового и ежи сборной, а также семян древесных растений – туи западной (9,8%). Влажность большинства исследованных плодов и семян растений изменялась в пределах 5,1-7,9%. Со держание воды в семенах в норме не должно превышать 5-9% (Николаева и др., 1985).
1 10 100 11 11 2 11 2 50 10 10 3 10 4 2 0 9 4 9 9 8 5 8 8 7 6 7 7 влажность водоудерживающая всхожесть способность Рис. 5. Физиологические особенности семян и плодов, % Примечание: 1 – амарант багряный, 2 – календула лекарственная, 3 – овес посевной, 4 – ежа сборная, 5 – клевер ползучий, 6 – клевер луговой, 7 – мятлик луговой, 8 – ов сяница луговая, 9 – подорожник большой, 10 – тимофеевка луговая, 11 – туя западная Прорастание семян невозможно до тех пор, пока они не впитают опреде ленное количество воды, необходимое для метаболической активности. На самых ранних этапах набухания скорость поступления в ткани семян воды определяется не столько их жизненным уровнем, сколько их химическими и физическими свойствами. При набухании семян происходит высвобождение веществ из связанных форм на фоне проникновения в субстрат молекул воды, что активирует этапы водопоглощения (Обручева, 2009). В работе показано, что наименьшей водопоглощающей способностью (в течение суток) обладали зерновки тимофеевки луговой (5,3%). Самая большая водопоглощающая спо собность была у плодов однолетних травянистых растений: календулы лекар ственной (57,3%) и овса посевного (38,9%), водопоглощающая способность остальных исследуемых семян и плодов находилась в пределах 7,5-13,5% (р0,05).
При подсушивании набухших семян в течение суток было отмечено, что наибольшей потерей воды характеризовались семена туи западной (рис. 5).
Водоудерживающая способность семян и плодов других исследуемых расте ний характеризовалась достаточно высокими значениями и находилась в пре делах от 83 до 86%.
Наиболее важным и общеупотребляемым показателем для характеристики качества семян является лабораторная всхожесть, которая дает представление о потенциальных возможностях семян как латентного периода онтогенеза.
Зерновки овса посевного, семена клевера лугового и ползучего имели наи большие показатели всхожести (более 80%) (рис. 5). Всхожесть зерновок ежи сборной и овсяницы луговой в целом не превышала 40%, при этом самой низ кой всхожестью характеризовался мятлик луговой (30,9%).
Действие солей тяжелых металлов на всхожесть семян. Дисперсион ный анализ показал статистически значимую разницу (р0,05) по всхожести семян, обработанных солями тяжелых металлов свинца, меди, кадмия и цинка разных концентраций. Максимальное угнетающее воздействие на семена и плоды многолетних травянистых растений оказывали соли свинца и меди в концентрации 0,1М, показатели всхожести зерновок овсяницы луговой и мятлика лугового были равны нулю. На всхожесть семян клевера ползучего и клевера лугового токсичное действие оказывали растворы сернокислых солей меди и свинца, при этом ионы свинца в концентрации 0,1М снизили показате ли всхожести по сравнению с контролем в 2,4-3,2 раза.
В целом, сопоставляя литературные данные и результаты собственных ис следований, можно отметить, что тяжелые металлы оказывали сильное влия ние на процесс прорастания семян. Изученные семена и плоды обладали оп ределенной металлоустойчивостью, при этом лишь наиболее высокие концентрации ТМ существенно замедляли или блокировали процесс прорас тания. На основании полученных данных был составлен сравнительный ряд металлоустойчивости семян и плодов многолетних травянистых растений (табл. 1).
Таблица 1 – Металлоустойчивость семян и плодов многолетних травянистых растений Металлы Металлоустойчивость семян и плодов Сu, Cd, Zn клевер луговой клевер ползучий тимофеевка луговая ежа сборная овся ница луговая мятлик луговой Pb клевер луговой клевер ползучий ежа сборная тимофеевка луговая овся ница луговая мятлик луговой Таким образом, поддержание относительного постоянства физиологиче ских показателей семян и нераскрывающихся плодов является одним из важ нейших условий латентного периода онтогенеза и играет важную роль в нор мальном прорастании семян и плодов и в развитии устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды.
Глава 4. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ НАЧАЛЬНЫХ ЭТАПОВ ОНТОГЕНЕЗА РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СРЕДЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ Влияние избытка цинка на ростовые процессы и ионный обмен овса посевного на начальных этапах онтогенеза. Тяжелые металлы являются одним из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды вследствие их цитотоксичного, мутагенного и канцерогенного действия на живые организ мы (Титов и др., 2007). В настоящее время активно ведутся работы по изуче нию устойчивости к тяжелым металлам дикорастущих растений и сельскохо зяйственных культур (Лянгузова, 1999;
Серегин, Иванов, 2001;
Иванов и др., 2003;
Титов и др., 2003;
Серегин, Кожевникова, 2008;
Krupa, Baszynsky, 1995).
В данной главе представлены результаты изучения действия избытка цин ка (60 мг/л) методом водных культур на процессы роста и развития однолет них растений. В процессе роста (начальные этапы онтогенеза) овса посевного на растворах с избытком цинка развивалась весьма сложная картина струк турно-функциональных изменений. Фитотоксическое действие цинка нарас тало при увеличении сроков экспозиции растений A. sativa на растворах с из бытком цинка. Избыток цинка в среде роста ускорял протекание этапов прегенеративного (p, j, im) периода онтогенеза, что проявлялось в более быст рой смене онтогенетических состояний. При проведении эксперимента мето дом водных культур наблюдалось выпадение v, g1 и g2 – состояний, т.е. овес посевной не реализовывал полную программу своего индивидуального разви тия.
Тяжелые металлы поступают в растение главным образом через корневую систему, поэтому токсическое действие этих элементов четко видно по инги бированию роста корня, что широко используется для тестирования их при сутствия в окружающей среде. У проростков овса посевного происходило значительное угнетение роста корневой системы (1 фаза цинкового токсико за), а после смены питательных растворов (4-е сутки) происходила почти пол ная остановка роста корней (рис. 6А). В целом длина корней овса посевного при избытке цинка в среде к концу наблюдений (7 суток) составила лишь 50% от длины корней контрольных растений.
Изучение динамики поглощения цинка из питательных растворов показа ло, что в контрольном варианте в течение всех дней эксперимента (1-7 суток) наблюдалось увеличение поглощения цинка по мере роста растений. В вари антах с избытком цинка характер его поглощения растениями овса был иным (рис. 6Б). Сразу же после высаживания растений на растворы с избытком цинка наблюдалось интенсивное поглощение этого иона (18,5 мкгсут.–1 в пе ресчете на одно растение), что составило 27% от общего поглощения. В по следующие сутки наблюдений (вплоть до 4-х) скорость поглощения цинка замедлялась, однако к пятому дню выращивания и вплоть до седьмых суток наблюдения поглощение цинка увеличивалось. Этот подъем в поглощении цинка объясняется, по-видимому, пересадкой растений на новые питательные растворы, которую проводили на четвертые сутки роста. За весь период на блюдений из питательного раствора одним растением было поглощено 68 мкг цинка.
Степень устойчивости растений к различным факторам минерального стресса определяется главным образом особенностями клеточных мембран, их способностью функционировать в неблагоприятных условиях. Т.В. Чирко вой (2002) показано, что одним из ранних и неспецифических ответов расти тельной клетки на повышенные концентрации тяжелых металлов в среде рос та является изменение мембранной проницаемости. Следовательно, можно полагать, что изменение структурно-функционального состояния мембран клеток лежит в основе механизма повреждения растений тяжелыми металла ми. В ходе работы было показано, что в первую фазу цинкового токсикоза изменения в скорости выхода электролитов отсутствовали (рис. 6В). Однако к 5-м суткам, после того как происходила смена растворов, и вводились новые дозы цинка в среду выращивания, у растений, произраставших при избытке цинка, проявились необратимые изменения мембранной проницаемости в корнях (около 25%). Так, к этому времени снизилась скорость выхода элек тролитов из тканей корней, которая постепенно нарастала, и к 7-м суткам экс позиции растений на высоких дозах цинка мембранная проницаемость для электролитов возросла по сравнению с контролем почти на 20%.
мк г*растение Погл ощение, мкг*растение Длина, мм 60 1 2 3 4 5 6 7 с утки 1 2 3 4 5 6 7 сутки контроль избыток цинка контроль избыток цинка А – длина корня Б – поглощение цинка Сверхслабое свечение, % от контроля Выход электролитов,% от контроля контроль 100 избыток цинка избыток цинка контрол ь 60 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 сутки сутки В – электропроводность тканей корня Г – интенсивность сверхслабого свечения Рис. 6. Изменение некоторых физиологических показателей в динамике нарастания цинкового токсикоза По мере нарастания цинкового токсикоза происходило усиление свобод норадикальных процессов в клетке, на 4 сутки роста на растворах с избытком цинка интенсивность сверхслабого свечения (ССС) была в 2,1 раза выше по сравнению с контрольными растениями. В процессе дальнейшего роста рас тений наблюдалось некоторое снижение интенсивности ССС, тем не менее, в корнях опытных растений интенсивность сверхслабого свечения была в 1, раза выше контрольных растений (рис. 6Г). Это говорит об изменениях в ли пидном компоненте клеточных мембран.
Обнаруженные нами изменения в функционировании клеточных мембран в I фазу цинкового токсикоза обратимы, что свидетельствовало об отсутствии нарушений в структуре плазматической мембраны. Во II фазу цинкового ток сикоза (рис. 6А, Б) происходила полная остановка роста корней, наблюдалось интенсивное поступление цинка и накопление его в органах растений.
Возможно, это, обусловлено нарушением механизма активного транспор та ионов через клеточную мембрану, что может быть следствием деструкции мембран. О структурно-функциональных нарушениях клеточных мембран во вторую фазу цинкового токсикоза свидетельствовали изменения их мембран ной проницаемости, которые проявлялись сначала в снижении, а затем в уси лении экзосмоса ионов в корнях, а также отмечалось усиление интенсивности сверхслабого свечения (рис. 6В, Г). Полученные результаты говорят о качест венных изменениях, происходящих в плазматической мембране корней при увеличении сроков экспозиции растений на растворах с избытком цинка.
Изменение дыхательного метаболизма на начальных этапах индиви дуального развития растений A. sativa в условиях избытка цинка. При изу чении особенностей функционирования электрон-транспортной цепи дыхания растений, выросших в условиях избытка цинка, нами был использован инги биторный анализ. Под влиянием амитала натрия (ингибитор первого ком плекса дыхательной цепи) скорость поглощения кислорода корнями растений овса посевного контрольного и опытного вариантов снизилась в среднем на 16% (табл. 2). Антимицин А сильнее ингибировал дыхание корней контроль ного варианта, чем опытного. Скорость поглощения кислорода в первом вари анте опыта снизилась под влиянием ингибитора на 23%, а во втором вариан те – на 12%. Аналогичные результаты были получены нами ранее на выделенных митохондриях (Аксенова, Воскресенская, 1987).
Таблица 2 – Влияние ингибиторов ЭТЦ на интенсивность дыхания корней овса посевного, мкМО2 ч–1 г–1 сухой массы % подавления Избыток % подавления Ингибиторы Контроль дыхания цинка дыхания Амитал натрия, 110–3 М 186,3±9,7 16,0±0,8 166,3±19,8 17,0±0, Антимицин А, 410–5 М 170,1±16,2 23,0±1,1 184,8±5,3 12,0±0, Цианид калия, 210–3 М 50,2±8,1 77,0±2,8 116,1±5,5 37,0±1, К ингибиторам металлсодержащих оксидаз относится цианид, который обладает способностью блокировать цитохромоксидазу, изменяя соотноше ние железа от низкоспинового к высокоспиновому с образованием необычай но устойчивого комплекса (Гордон, 1976;
Странер, 1983). В корнях растений овса посевного, выросших при нормальных условиях минерального питания, большая часть дыхания подавлялась цианидом и оставалось 23% дыхания устойчивого к действию цианида (табл. 2).
В ходе дальнейшей работы были проведены наблюдения за динамикой цианидрезистентного дыхания на начальных этапах онтогенеза растений (рис. 7А). Так, в корнях проростков овса посевного перед высадкой на пита тельные растворы обнаружилась высокая скорость нечувствительного к циа ниду дыхания, составляющая около 70%. По мере роста растений в контроль ном варианте доля неподавляемого цианидом дыхания постепенно уменьшилась, и у 7 – дневных корней она составила уже около 25%.
Следовательно, на начальных этапах роста растений A. sativa в нормаль ных условиях минерального питания вклад основного и цианидрезистентного пути транспорта электронов в общий дыхательный процесс не остается посто янным. В процессе прорастания зерновок и на начальных этапах онтогенеза (проростки) основной вклад в общий дыхательный метаболизм вносит циа нидрезистентный путь дыхания. По мере дальнейшего роста растений (юве нильное состояние) доля дыхания, не подавляемого цианидом, падает, а уро вень цитохромного пути возрастает. На заключительном этапе наблюдений у корней функционирует в основном цитохромный путь дыхания.
При выращивании растений на растворах с избытком цинка чувствитель ность дыхания к цианиду в течение первых трех суток роста не отличалась от контроля (рис. 7А). Однако уже на четвертые сутки выращивания растений на избыточных дозах цинка, особенно после смены растворов, скорость нечувст вительного к цианиду дыхания возросла почти на 20% и практически сохра нилась на этом уровне до конца наблюдений, составив более 70% у растений, произраставших 7 суток на растворах с избытком цинка.
Результаты работы (рис. 7Б), проведенной с бензгидроксамовой кислотой (БГК), ингибитором альтернативной оксидазы, показали высокий уровень альтернативного пути дыхания в корнях цинк – токсичных растений на про тяжении всего периода наблюдений: от высадки растений на растворы с из бытком цинка до 7 суток роста на них (около 50%). В корнях растений кон трольного варианта в первые 4 суток роста уровень альтернативного дыхания составил 45%. В процессе дальнейших наблюдений процент подавления ды хания бензгидроксамовой кислотой падал и к 7 суткам роста на питательных растворах составил всего 10%. Следовательно, происходило снижение уровня альтернативного дыхания при увеличении сроков выращивания A. sativa в нормальных условиях минерального питания.
не подавляемое KCN дых ание, % подавляемое БГК дых ание, % 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 сутки 1 2 3 4 5 6 7 сутки контроль избыток цинка А – цианидрезистентное дыхание Б – альтернативное дыхание Рис. 7. Динамика изменения уровня цианидрезистентного и альтернативного дыхания на начальных этапах онтогенеза A. sativa, (% от контроля) Таким образом, в корнях овса посевного по мере нарастания цинкового токсикоза процент не подавляемого цианидом дыхания увеличивался, разница в доле цианидрезистентного дыхания в корнях цинк-токсичных растений по сравнению с контрольными растениями в конце срока наблюдений составила более 50%.
Влияние избытка цинка на энергетический обмен A. sativa на началь ных этапах онтогенеза. Избыток цинка приводит к значительному активи рованию альтернативного пути транспорта электронов, который считается энергетически мало эффективным. Поэтому представляло интерес рассмотре ние особенностей энергетического обмена растений овса, выращенных в ус ловиях избытка цинка. В работе с экзогенной АТФ, меченной по углероду, были проведены наблюдения за поступлением АТФ–С14 через корневую сис тему и накоплением ее в различных органах растений. Результаты работы показали (рис. 8), что в контрольном варианте отмечались следующие зако номерности: основная масса изотопа накапливалась в корнях, значительно меньше в стебле и листьях (почти в 6 раз).
В вариантах с избытком цинка происходило более интенсивное поглоще ние экзогенной АТФ–С14 всеми исследуемыми органами растений. Так, вто рой лист содержал изотопа в 3,5 раза больше, чем аналогичный лист кон трольного варианта;
стебель содержал АТФ–С14 в 1,4 раза больше, чем в контроле. Основная часть меченной по углероду АТФ (более 70%) находилась в обоих вариантах опыта в корнях – местах контакта корней с изотопом. Из вестно, что АТФ плохо поступает в растения, часть ее аккумулируется в кор нях в неизменной форме, другая часть взаимодействует с мембраной, изменяя ее структуру, нарушая тем самым деятельность локализованного в ней аппа рата активного поглощения ионов.
40000 контроль избыток цинка имп./мин 1 лист 2 лист стебель корень Рис. 8. Накопление AТФ–C14 в органах растений овса, произрастающих при избытке цинка, имп.мин– Таким образом, в динамике нарастания цинкового токсикоза наблюдались структурно-функциональные нарушения клеточных мембран, изменения в интенсивности и направленности потока электронов по основному цитохром ному и альтернативному цианидрезистентному пути дыхания. Одновременно снижалось содержание макроэргического фосфора, при этом в значительной степени поглощался экзогенный AТФ–C14.
Глава 5. СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ У РАСТЕНИЙ РАЗНОГО ОНТОГЕНЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ В связи с возрастающим антропогенным воздействием на окружающую среду проблема ее загрязнения тяжелыми металлами становится все более актуальной. В научной литературе детально рассмотрены экологическая и геохимическая характеристики тяжелых металлов (Школьник, 1974;
Ковда, 1985;
Алексеев, 1987;
Ильин, 1991), источники их поступления в окружаю щую природную среду (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), особенности мигра ции и аккумуляции в почвах в зависимости от природных и техногенных фак торов (Алексеев, 1990;
Глазовская, 1992), химический состав растений и место в нем тяжелых металлов (Виноградов, 1957;
Ковалевский, 1969;
Бой ченко, 1986;
Foy, 1978, 1983), принципы экологического нормирования со держания тяжелых металлов в почвах и растениях (Ковальский, 1974;
Изра эль, 1984;
Протасова и др., 1992;
Прохорова, 1996;
Матвеев и др., 1997;
Экология …, 2007).
Изменение содержания тяжелых металлов и особенности их накоп ления в онтогенезе растений в условиях городской среды. У многолетних травянистых растений (подорожника большого, клевера лугового, ежи сбор ной, овсяницы луговой) в онтогенезе изучалось содержание, накопление и передвижение тяжелых металлов – свинца, кадмия, меди и цинка.
Анализируя накопление свинца в различных онтогенетических состояниях подорожника большого, следует отметить, что в лесопарковой зоне содержа ние данного тяжелого металла на начальных этапах онтогенеза (ювенильные и имматурные особи) не было обнаружено (рис. 9). По мере дальнейшего рос та растений содержание свинца повышалось незначительно, как в листьях, так и в корнях исследуемых растений. Анализируя генеративные растения P. ma jor, произраставшие в промышленной зоне города, следует отметить, что со держание свинца в листьях было в 10, а в корнях – в 6 раз больше, чем у рас тений контрольного варианта. Для характеристики процессов передвижения свинца химических элементов использовали коэффициент передвижения (Кп) (Ковалевский, 1969), равный отношению элементов в листьях к таковому в корнях. Коэффициент передвижения у растений подорожника большого кон трольного варианта был меньше 1 (Кп = 0,41–0,63).
Основное количество кадмия (рис. 9) во всех онтогенетических состояни ях подорожника большого, как и ранее рассмотренного свинца, содержалось в корнях. По мере старения особей подорожника большого отмечается увели чение содержания кадмия, наиболее высокие показатели характерны для рас тений генеративного периода онтогенеза. Содержание кадмия в корнях расте ний подорожника большого в генеративном периоде было больше единицы (1,2 мгкг–1). Разница между онтогенетическими состояниями этого периода онтогенеза (g1, g2) статистически незначима (p0,05). Эти результаты находи лись в диапазоне нижних значений ПДК (1–6 мгкг–1).
1, свинец кадмий мг/кг сух. массы мг/кг сух. массы мг/кг сух. массы 0, листья листья 0 корни корни - -0, 0, - 1 - - 1, -1, - j im v g1 g j im v g1 g цинк медь 12 10 мг/кг сух. массы мг/кг сух. массы 8 6 4 2 листья листья 0 корни корни -2 - 2 -4 - 4 -6 - 6 -8 - -10 - -12 - -14 -14 j im v g1 g j im v g1 g лесопарковая зона промышленная зона Рис. 9. Изменение содержания тяжелых металлов в процессе роста и развития подорожника большого, мгкг–1 сухой массы, р0, Статистический анализ результатов исследования показал, что содержа ние данного элемента в растениях, произрастающих в промышленной зоне города, достоверно выше, чем у растений лесопарковой зоны. Так, содержа ние кадмия в надземных частях растений подорожника большого в промыш ленной зоне в среднем в 4,3 и корнях в 5,3 раза было больше, чем в аналогич ных органах данного растения контрольного варианта (р0,05).
Содержание цинка в листьях и корнях P. major во всех онтогенетических состояниях как в условно чистой, так и в загрязненной зоне города было при мерно равным и находилось в пределах от 6 до 10 мгкг–1 (рис. 9). Наблюда лась некоторая тенденция увеличения содержания цинка у виргинильных рас тений с последующим снижением к генеративному периоду. ПДК цинка для растений находилось на уровне 150-300 мгкг–1 сухого вещества (Sauerbeck, 1982;
Лукин, Николаев, 1993). Полученные нами результаты показывают, что содержание цинка даже в загрязненном районе города находится в пределах физиологической нормы.
Изменение содержания меди в растениях P. major, произраставших в ус ловиях г. Йошкар-Олы, характеризовалось одновершинной кривой с пиком в виргинильном состоянии (рис. 9). Такая закономерность наблюдалась как у растений, произрастающих в лесопарковой зоне, так и в загрязненных рай онах города. Основная концентрация меди была отмечена в корнях и состави ла от 60 до 80%. Содержание меди в растениях P. major, произраставшего в промышленном районе города, было в 2,2 раза выше, чем у растений лесопар ковой зоны в среднем на онтогенетическую группу.
Особенности накопления и передвижения тяжелых металлов по рас тениям и специфика их круговорота в условиях антропогенного загрязне ния. Изучение химического состава растений необходимо для уточнения био генной миграции элементов. Для характеристики данного процесса в системе «почва – растение» большое значение имеет оценка интенсивности вовлече ния изучаемых металлов в биологический круговорот.
Корневое поступление элементов из почвы определяли с помощью пред ложенного Н.В. Тимофеевым-Ресовским (1959) коэффициента накопления (Кн), который выражает отношение содержания элемента в корнях к таковому в почвах. Так, по способности к накоплению меди и цинка исследуемые виды можно расположить в следующий убывающий ряд: клевер луговойежа сборнаяовсяница луговая, т.е. большей способностью накапливать тяжелые металлы в корнях обладает клевер луговой.
Коэффициент биоаккумуляции (Кн) для цинка у T. pratense в средневозра стном генеративном и субсенильном состояниях во всех местообитаниях был выше 1, что означает сильное биологическое поглощение данного элемента растениями из почвы (рис. 10А).
Разницу в содержании металлов (Zn, Cu) у исследуемого вида можно объ яснить неодинаковой подвижностью их в почвах, а, следовательно, различной доступностью и способностью растений поглощать разные тяжелые металлы (Ильин, 1991).
Кн Кн цинк медь 5 1, 0, v g2 ss v g2 ss А – коэффициент накопления (Кн) металлов Кп Кп 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0 v g2 ss v g2 ss Б – коэффициент передвижения (Кп) металлов лесопарковая зона промышленная зона Рис. 10. Оценка процессов накопления и передвижения металлов в общей фитомассе клевера лугового на разных этапах онтогенеза, р0, У виргинильных растений клевера лугового медь интенсивнее накаплива лась в надземных органах в промышленной зоне города (Кп=1,6). С перехо дом особей T. pratense в генеративное состояние происходило увеличение содержания тяжелых металлов в корнях также и в загрязненном районе, одна ко у субсенильных особей концентрация изученных элементов в корнях не сколько снижалась (рис. 10Б).
Изучение особенностей аккумуляции тяжелых металлов, накопления и пе редвижения по корням и листьям растений дает возможность описать круго вороты данного элемента. С учетом онтогенетической структуры популяций исследуемых видов определялась динамика содержания химических элемен тов в биомассе каждой онтогенетической группы особей в различных услови ях местообитания. На основе демографических показателей (биомасса, плотность) групп особей разного биологического возраста определяли биоак кумулятивные способности ценопопуляций вида в целом.
В загрязненной зоне максимальным значением аккумулятивной способно сти по отношению к цинку обладали средневозрастные генеративные особи клевера лугового (рис. 11). В биомассе виргинильных и субсенильных расте ний T. pratense накапливалось цинка в 3,3-3,6 раз меньше, чем у генеративных растений (р0,05).
В целом ценопопуляции клевера лугового аккумулировали от 0,02 до 0, кгга–1 цинка и от 0,005 до 0,12 кгга–1 меди в биомассе надземных и подзем ных органов. Таким образом, средневозрастные генеративные особи клевера лугового обладали наибольшей аккумулирующей способностью по отноше нию к цинку и меди в вегетативных органах.
Вi Bi 0, 0,6 0, 0, 0 v g2 ss v g2 ss цинк медь лесопарковая зона промышленная зона Рис. 11. Содержание цинка и меди в общей фитомассе клевера лугового на разных этапах онтогенеза, мгонт.гр.–1, р0, Результаты работы показали, что концентрирующая способность растений по отношению к тяжелым металлам зависела от видовых особенностей и био логического возраста растений. По мере усиления загрязненности среды оби тания (промышленные районы города) увеличилось суммарное содержание тяжелых металлов, изменилось их соотношение в листьях и корнях исследуе мых растениях (подорожник большой, клевер луговой, ежа сборная, овсяница луговая). Накопление Pb, Cd, Zn и Cu вегетативными органами многолетних травянистых растений в условиях города возрастало в экологическом ряду местообитаний, отражающем увеличение уровня антропогенного загрязнения.
Глава 6. ИЗМЕНЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА У РАСТЕНИЙ РАЗНОГО БИОЛОГИЧЕСКОГО ВОЗРАСТА В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ Изменение содержания элементов минерального питания в онтогене зе однолетних растений, особенности круговорота и распределения по онтогенетическим группам. Химический состав растений в процессе инди видуального развития амаранта багряного не остается постоянным. Рассмат ривая характер поглощения питательных веществ, необходимо отметить, что амарант багряный в достаточно высокой степени поглощал и накапливал ка лий на ранних этапах онтогенеза, в листьях ювенильных растений содержание калия было равно 35,6 мгг–1 (табл. 3). По-видимому, критический период в снабжении калием приходился на ранние этапы роста растений. В дальней шем при возникновении новых органов и функций у A. cruentus происходило снижение содержания калия и его невысокий уровень наблюдался в молодом генеративном состоянии (18,1 мгг–1) (р0,05).
Содержание азота в органах растений амаранта багряного колебалось от 25,5 до 48,3 мгг–1. Растения амаранта багряного в прегенеративный период накапливали максимальное количество азотистых соединений в молодых ор ганах, и, прежде всего в листьях. В растениях четко проявлялась возрастная зависимость содержания общего азота: в процессе старения растений содер жание азота неуклонно снижалось как в листьях, так и в корнях.
На начальных этапах онтогенеза (j) отмечалось невысокое содержание фосфора в органах амаранта багряного, которое составило в листьях 0,5 мгг–1. По мере роста и развития растений содержание фосфора постепен но увеличивалось, достигая максимальных значений в листьях молодых гене ративных растений (1,4 мгг–1) (табл. 3).
Таблица 3 – Изменение содержания азота, фосфора, калия в онтогенезе A. cruentus, мгг–1 сухой массы, р0, Онтогенетическое состояние растений Макро- Средневозраст Ювениль- Имматурное Виргинильное Молодое гене элемент ное гене ное (j) (im) (v) ративное (g1) ративное (g2) листья калий 35,6±1,32 28,1±1,71 25,1±0,95 18,1±0,76 20,7±0, азот 35,7±0,82 38,1±0,81 48,3±1,24 38,1±0,83 29,7±1, фосфор 0,48±0,06 0,88±0,07 1,31±0,06 1,39±0,08 1,31±0, корни калий 28,7±1,34 27,1±1,05 18,2±0,95 23,2±0,78 20,5±1, азот 28,7±0,63 32,1±0,94 39,2±0,82 28,2±0,73 25,5±0, фосфор 0,16±0,01 0,54±0,03 1,21±0,02 1,17±0,02 1,05±0, Поглощение минеральных веществ в течение онтогенеза определяется биологическими особенностями растения. Начальный период онтогенеза ама ранта багряного характеризуется высоким содержанием калия, азота и низким – фосфора во всех исследуемых органах растений. В ходе онтогенеза амаран та багряного содержание общего фосфора увеличивается, а содержание калия уменьшается. По содержанию основных элементов минерального питания у ювенильных особей амаранта багряного можно построить следующий убы вающий ряд: калий=азотфосфор. Виргинильные особи исследуемого вида накапливают больше всего азота, генеративные особи характеризуются уменьшением содержания калия и азота, как в листьях, так и в корнях A. cru entus.
Особи разных онтогенетических групп вносили определенный вклад в ак кумуляцию химических элементов. У амаранта багряного в онтогенезе на блюдалось постепенное аккумулирование азота (с 2,2 до 373,2), фосфора (с 0,02 до 15,9) и калия (с 2,2 до 278,6 грамм на онтогенетическую группу).
При этом доля содержания азота в фитомассе виргинильных растений была самой высокой (8,5%) (рис. 12). У виргинильных и генеративных особей на блюдалось увеличение аккумуляции фосфора. Группа молодых генеративных растений максимально накапливала фосфор (0,3%);
в дальнейшем растения (g2-состояние) интенсивно использовали его, вовлекая в различные метаболи ческие процессы. Одновременно отмечалось некоторое снижение содержания калия в процессе онтогенеза A. cruentus с 6,4% у ювенильных особей до 4,3% у виргинильных и генеративных (4,1%) растений.
азот фосфор калий 0,3 % % 10 % 8 0, 6 4 0, 2 0 j im v g1 g j im v g1 g j im v g1 g Рис. 12. Доля содержания основных макроэлементов в фитомассе онтогенетических групп особей амаранта багряного, % Для характеристики биологического круговорота макроэлементов исполь зуют показатель емкости биологического круговорота, выражающейся коли чеством азота и зольных элементов, находящихся в составе фитомассы (кгга–1). Емкость биологического круговорота при участии ювенильных и имматурных особей имела минимальные значения (1%). При участии вирги нильных растений емкость биологического круговорота увеличилась в 2 раза.
Основная роль в круговороте макроэлементов принадлежала g1- и g2-особям амаранта багряного, в ценопопуляции на их долю приходилось 14 и 82% (рис. 13).
онтогенетические состояния j-ювенильное 1% 2% 1% 14% im-имматурное 82% v-виргинильное g1-молодое генеративное g2-средневозрастное генеративное Онтогенез Amaranthus cruentus L. Рис. 13. Доля онтогенетических групп A. cruentus (Жукова и др., 2000) в биологическом круговороте макроэлементов, % Таким образом, особи разных онтогенетических групп вносят специфиче ский вклад в биогенные круговороты макроэлементов. Емкость круговорота азота и зольных элементов зависит от скорости поглощения, реутилизации ионов и биологического возраста A. cruentus. Чем быстрее реализуется про грамма онтогенеза вида, тем интенсивнее элементы минерального питания поглощаются корнем, транспортируются в зоны роста и включаются в мета болизм.
Глава 7. ИЗМЕНЕНИЕ ВОДНОГО ОБМЕНА В ОНТОГЕНЕЗЕ РАСТЕНИЙ РАЗНЫХ ЖИЗНЕННЫХ ФОРМ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ Несмотря на большое количество работ, посвященных изучению водного обмена растений, в том числе особенностей водного режима растений, произ растающих в различных экологических условиях (Алексеев, 1948, 1971;
Са муилов, 1972;
Гусев, 1974;
Сулейманов, 1974;
Пахомова, 1980;
Горшкова и др., 1982;
Яблокова, 1982;
Бобровская, 1991;
Касьянова, 2004;
Хохлова и др., 2004;
Шереметьев, 2005;
Catsky, 1962;
Garnier, 1994;
Johnson, 1996;
Tomos, 1999;
Steudle, 2001), многие аспекты этого процесса у растений различных жизненных форм остаются еще недостаточно изученными. Данных об изме нении параметров водного обмена у различных видов растений в процессе индивидуального развития также недостаточно.
Особенности водного режима в онтогенезе однолетних растений. Со держание воды в листьях является часто используемым показателем для ха рактеристики водного режима растений в различных условиях произрастания.
В ходе онтогенеза однолетних растений показатели водного режима растений не остаются постоянными. Так, в листьях календулы лекарственной на про тяжении всего онтогенеза отмечаются колебания в содержании воды от 82 до 92%.
В листьях амаранта багряного содержание общей воды на разных этапах онтогенеза находилось в интервале от 75 до 80%. Суммарное содержание во ды у амаранта багряного было несколько ниже, чем у календулы лекарствен ной. В расчете на одно онтогенетическое состояние содержание общей воды у ювенильных, имматурных и виргинильных особей календулы лекарственной было выше на 7%, в g1-состоянии – на 4% и g2-состоянии – на 13%, чем у рас тений амаранта багряного в аналогичных онтогенетических состояниях.
Стебель амаранта багряного, занимая в общей биомассе растения 54%, яв ляется главным резевуаром-накопителем воды (90%). Это позволяет стеблю играть роль буфера в напряженных метеоусловиях и тем самым поддерживать водный запас в ассимилирующих органах (листьях), вероятно перераспреде ляя его в растении. Доля органов в биомассе амаранта багряного в средневоз растном генеративном состоянии имеет следующую закономерность: биомас са стебля в 2 раза больше, чем масса листьев;
в 4 раза больше, чем масса корней;
в 13 раз больше, чем масса соцветий (рис. 14А).
Изучение содержания общего количества воды в онтогенезе растений еще не раскрывает глубину протекающих в них физиологических процессов. Бо лее информативным в этом плане является фракционный состав воды. Из вестно, что от содержания свободной воды зависит интенсивность протекания метаболических процессов, а от содержания связанной воды – устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды (Сулейманов, 1974).
В онтогенезе амаранта багряного (листья) в содержании фракции связан ной воды можно выделить два максимума, которые приходились на имматур ное и генеративное состояния (рис. 14Б). Следует обратить внимание на зна чительное снижение содержания связанной воды в виргинильном состоянии в листьях амаранта багряного.
Возможно, это объясняется тем, что этот период онтогенеза характеризу ется интенсивным ростом и значительным увеличением биомассы. Поэтому с высокой скоростью идут физиологические процессы, в которых участвует свободная вода, и соответственно доля связанной воды значительно сни жается.
% % 100 0 корень стебель лист соцветие j im v g1 g доля органов в биомассе амарант багряный содержание воды в органах календула лекарственная А – содержание воды в органах амаранта багряного Б – содержание связанной воды Рис. 14. Изменение содержания воды у однолетних растений, р0, В листьях календулы лекарственной содержание фракции связанной воды достигает максимального значения в имматурном и виргинильном состояниях (более 50%). Высокое содержание данной фракции воды в прегенеративном периоде онтогенеза определяет, как и в случае с амарантом багряным, устой чивость молодых растений к неблагоприятным факторам среды.
Транспирация – наиболее важный фактор водного режима растений, кото рый является причиной передвижения воды по растению. У растений амаран та багряного в средневозрастном генеративном состоянии при изучении днев ного хода транспирации наблюдается два пика дневных колебаний (рис. 15).
Первый – наиболее сильный приходится на 11 часов и со- и н те н с и в н о с ть тр а н с п и р а ц и и, ставляет 3,5 гдм–2ч–1, а второй – наиболее низкий – на 17 часов г - 1 *д м2 * ч - –2 – (1,5 гдм ч ). В интервале вре- мени 15-16 часов наблюдается снижение (депрессия) интенсив время ности транспирации, которая –2 – равнялась 0,6 гдм ч. 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19. Как показано в работе Л.Н. Рис. 15. Изменение дневного хода транспирации Касьяновой (2004), модель у амаранта багряного, р 0, дневных изменений транспира ции водообмена мезофитов характеризуется двумя максимумами. Один мак симум регистрируется между 10 и 12 часами, другой – после 14 часов. Обыч но после полудня максимальному выбросу влаги предшествует закономерное количественное снижение отдачи воды. В этот момент растение поправляет свой водный баланс, стремясь скомпенсировать возникший водный дефицит путем повышения осматического давления. После 17 часов ход транспирации выравнивается, оводненность листьев приближается к утренним значениям, дефицит влаги также уменьшается.
Таким образом, изучение процессов водного режима однолетних растений свидетельствует, что интенсивность транспирации зависит от погодно климатических условий среды. Однако амарант багряный показывает опреде ленную степень консервативности, возможно потому, что он относится к бо лее засухоустойчивым видам. A. cruentus достаточно гидростабилен, хорошо регулирует свой водный режим при дефиците воды в условиях атмосферной и почвенной засухи. Физиологическая устойчивость амаранта багряного к де фициту воды обеспечивается особенностями структуры и функций устьично го аппарата.
Влияние условий городской среды на водный обмен многолетних тра вянистых растений разных онтогенетических состояний. В условиях за грязнения среды изменение водного обмена растений имеет свою специфику.
На примере клевера лугового было показано (табл. 4), что характер динамики общего содержания воды в прегенеративном, генеративном и постгенератив ном периодах онтогенеза не оставался постоянным. Самое высокое значение данного показателя наблюдалось в условно чистом районе г. Йошкар-Олы (ООПТ «Сосновая роща») у средневозрастных генеративных растений клеве ра лугового. С увеличением антропогенной нагрузки на окружающую среду имело место уменьшение содержания общей воды. В целом в промышленной зоне города содержание общей воды на всех этапах развития исследуемого вида было практически в 2 раза ниже, чем в лесопарковой зоне.
Таблица 4 – Состояние воды в онтогенезе клевера лугового в условиях городской среды Лесопарковая зона Промышленная зона Содержание воды, % от сырого веса v g2 ss v g2 ss Общая вода 78,6±0,23 88,2±0,38 83,1±0,23 42,6±0,15 50,3±0,66 45,0±0, Свободная вода 62,3±1,11 51,3±0,30 42,2±0,95 33,1±0,31 39,5±0,62 29,8±0, Связанная вода 16,3±0,64 36,9±0,54 40,9±0,87 9,5±0,05 10,8±0,25 15,2±0, Связанная вода 0,26 0,72 0,97 0,29 0,27 0, Свободная вода В онтогенезе клевера лугового наблюдалось снижение фракций свободной и связанной воды от виргинильных к субсенильным растениям по мере уси ления загрязнения окружающей среды. Если в целом содержание свободной воды у растений в промышленной зоне города уменьшилось почти в 2 раза, то фракция связанной воды снизилась в 2,0-3,4 раза. По показателю отношения доли связанной воды к доле свободной онтогенетические состояния клевера лугового в лесопарковой зоне можно расположить в следующий возрастаю щий ряд: vg2ss. В промышленной зоне данный параметр был намного ниже, чем в контрольном районе исследований.
Кроме того, общая оводненность тканей g2–особей ежи сборной и овсяни цы луговой была меньше в 1,3 раза. Суммарное содержание воды у исследуе мых растений, находящихся в виргинильном и субсенильном состояниях, в лесопарковой зоне было несколько пониженным по сравнению с генератив ными особями. Субсенильные растения характеризовались более высокими значениями содержания общей воды, чем виргинильные особи. У овсяницы луговой и ежи сборной в онтогенезе по мере усиления техногенной нагрузки содержание свободной воды снижалось, а связанной – увеличивалось. При этом количество свободной воды по сравнению с контролем у овсяницы луго вой уменьшилось в 2 раза, а у ежи сборной – в 1,5-2 раза во всех онтогенети ческих состояниях.
Таким образом, в ходе исследований было установлено, что растения, произрастающие в городской среде, испытывают отрицательное воздействие комплекса загрязняющих веществ, которое влечет за собой изменение водно го режима. Это проявляется в снижении общей оводненности тканей, в изме нении интенсивности транспирации и соотношения свободной и связанной воды в сторону увеличения содержания наиболее упорядоченных форм, что, в свою очередь, приводит к уменьшению водоотдачи и способствует сохране нию выровненного водного баланса растений при действии неблагоприятных факторов среды.
Некоторые аспекты водообмена древесных растений (на примере туи западной) в урбоэкосистеме. Водный режим деревьев значительно отличает ся от режима травянистых растений. Деревья имеют обширную испаряющую поверхность и длинный путь воды от корней к листьям, они постоянно испы тывают дефицит насыщенности атмосферы водяными парами.
Результаты работы по определению содержания общей воды в тканях по бегов особей туи западной в сезонной динамике показали (рис. 16), что в ап реле содержание общей воды составило 53-61,5%, при этом максимальная оводненность тканей была характерна для растений из контрольного место обитания. В мае статистически значимых различий по данному показателю у изученных растений не было обнаружено (р0,05).
В июне для туи западной, произраставшей в промыш лесопарковая зона ленных районах города, так же % 80 промышленная зона как и для растений контроль- ного местообитания, была характерна минимальная оводненность тканей побегов. В июле у T. occidentalis, вне зависимости от условий про- 2003-2004 годы израстания, наблюдалось уве личение оводненности тканей сентябрь апрель октябрь ноябрь декабрь январь июнь июль май по сравнению с июнем в раза. В осенние месяцы стати- Рис. 16. Изменение содержания общей воды у туи стически значимых различий западной в сезонной динамике по содержанию общей воды у растений туи западной, произрастающих в различных районах г. Йошкар Олы, не было обнаружено. Однако в зимние месяцы отмечено снижение оводненности тканей у туи западной, произраставшей в загрязненной части города до 43%. Таким образом, изменение содержания общей воды в побегах туи западной в различных местообитаниях носило сезонный характер.
Кривая изменения содержания общей воды в побегах T. occidentalis имеет двухвершинный характер: первый пик отмечен в июле (летний), а второй приходится на ноябрь (осенний). Возможно, что летнее увеличение содержа ния общей воды объясняется тем, что в это время интенсивно идут процессы вегетации у растений и активируются физиологические процессы. Осенний пик увеличения содержания общей воды, скорее всего, связан с фазами зака ливания растений, во время которых происходит образование антифризных соединений, переход воды из свободного состояния в связанное, накопление сахаров, т.е. в целом происходит подготовка растений к зимним условиям существования.
У изученных нами растений различных жизненных форм сложились спе цифические адаптационные возможности произрастания в изменяющейся среде. Так, амарант багряный (засухоустойчивый вид) характеризуется пони женной водоудерживающей способностью и интенсивностью транспирации.
Многолетние травянистые растения клевер луговой и злаки (ежа сборная и овсяница луговая) отличаются особенностями водного обмена и имеют спе цифические особенности строения устьиц, при этом злаки по сравнению с бобовыми растениями менее оводнены. Характер изменений оводненности однолетников, как правило, имеет много общих черт с многолетниками. Дре весное растение туя западная характеризуется особенностями морфологиче ского и анатомического строения, которые противостоят обезвоживанию, и не нуждается в регулировке водообмена через транспирацию.
Показатели водного режима растений отражают не только экологический статус видов, степень критичности условий произрастания, но и специфику онтогенетического состояния для процессов жизнедеятельности растений.
Для нормального хода физиологических процессов, роста и развития необхо димо оптимальное содержание воды в растении. Как при недостатке, так и при избыточном содержании воды нормальный ход физиологических процес сов нарушается. Недостаток воды ускоряет старение растения, а избыток, на оборот, увеличивает длину вегетационного периода у однолетних растений, задерживает развитие организма.
Глава 8. ОСОБЕННОСТИ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ОНТОГЕНЕЗЕ РАСТЕНИЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ В ряде работ показано, что изменение активности антиоксидантных сис тем (АОС) наблюдается в ответ на действие неблагоприятных факторов сре ды, таких как засуха (Zhang, 1996), засоление (Meloni, 2003), действие низкой температуры (Aroca et al., 2001), повышение концентрации тяжелых металлов в среде (Воскресенская, 1984, 1986;
Wu et al., 1997;
Prasad, 1999), повышенное содержание азота (Полесская, 2004) и загрязнение атмосферного воздуха (Та рабрин, Коршиков, 1990;
Wingls, 1990;
Alscher, 1997). Однако работ, рассмат ривающих изменения АОС в ходе индивидуального развития растений в ус ловиях городской среды практически нет.
Динамика активности окислительно-восстановительных ферментов в ходе индивидуального развития однолетних растений. Значительная роль в регуляции метаболических процессов отводится окислительно-восстано вительным реакциям, связанным с деятельностью таких ферментов, как пероксидаза, каталаза, полифенолоксидаза, аскорбатоксидаза и др.
В ходе онтогенеза однолетних растений календулы лекарственной и ама ранта багряного была изучена динамика изменения активности фермента пе роксидазы (КФ 1.11.1.7), одного из основных ферментов, контролирующих рост растений, их дифференциацию и развитие. У ювенильных и имматурных растений активность пероксидазы была достаточно низкой (рис. 17). Переход растений в виргинильное состояние сопровождался существенным увеличе нием активности фермента, в 6 раз у A. cruentus и в 3 раза у C. officinalis. В молодом генеративном состоянии активность пероксидазы вновь уменьши лась, а затем повысилась у средневозрастных генеративных растений. У ама ранта багряного активность фермента пероксидазы у виргинильных особей и в генеративном периоде онтогенеза была в 3 раза выше, чем у календулы ле карственной.
Таким образом, изменение активности фермента пероксидазы у однолет них растений носило колебательный характер с ярко выраженным пиком в виргинильном состоянии и менее выраженном в g2-состоянии.
Изучение активности другого железосодержащего фермента – каталазы (КФ 1.11.1.6) показало, что активность его на ранних этапах онтогенеза рас тений (j, im) была довольно низкой и составила у календулы лекарственной 0,1 и амаранта багряного 0,7 мкМО2 г–1мин–1 (рис. 17). В виргинильном со стоянии отмечалось увеличение (в 3-4 раза) активности фермента, затем на блюдалось снижение активности каталазы в g1-состоянии в 1,5-2 раза.
В средневозрастном генеративном состоянии активность фермента вновь по высилась у C. officinalis до 1,4 и у A. cruentus до 2,0 мкМО2 г–1мин–1. При этом активность каталазы у амаранта багряного была в 2-3 раза выше по срав нению с активностью фермента у календулы лекарственной.
пероксидаза каталаза 8 мкмоль*г-1*мин- мкмольО2*г-1*мин- 2, 1, 2 0, j im v g1 g j im v g1 g онтогенетические состояния:
полифенолоксидаза j – ювенильное 0, м км о л ь * г-1 * м и н - im – имматурное 0, v – виргинильное g1 – молодое генеративное 0, g2 – средневозрастное генеративное однолетние растения:
0, амарант багряный календула лекарственная j im v g1 g Рис. 17. Изменение активности ферментов в онтогенезе однолетних растений Большой интерес представляет изучение активности полифенолоксидазы (КФ 1.14.18.1), медьсодержащего фермента, регулирующего работу ауксина и тем самым принимающего активное участие в росте и развитии раститель ных организмов (рис. 17). В процессе индивидуального развития календулы лекарственной наблюдалась следующая закономерность: активность фер мента полифенолоксидазы увеличивалась от имматурных растений (0,015 мкМг–1мин–1) к молодому генеративному состоянию (0,14 мкМг–1мин–1) со значительным падением активности фермента в средневозрастном генера тивном состоянии (0,08 мкМг–1мин–1). При изучении активности полифено локсидазы у растений амаранта багряного в ходе онтогенеза наблюдалось незначительное увеличение активности фермента (в im, v состояниях – 0, мкМг–1мин–1), максимальная активность фермента характерна для g1-особей (она составила 0,15 мкМг–1мин–1).
Таким образом, в ходе работы обнаружен двухфазный характер изменения активности железосодержащих ферментов пероксидазы и каталазы в онтоге незе однолетних растений (пики активности этих ферментов отмечались в виргинильном и средневозрастном генеративном состояниях) и однофазный характер изменения активности медьсодержащего фермента полифенолокси дазы (пик активности, которого приходился на молодое генеративное состоя ние).
Возможно, в процессе онтогенеза однолетних растений происходит смена дыхательных систем: в виргинильном и средневозрастном генеративном со стояниях большой вклад в дыхание вносят железосодержащие оксидазы, а при переходе от прегенеративного в генеративный период усиливается роль медьсодержащих комплексов. Изменение доли вклада в общий дыхательный метаболизм различных ферментативных комплексов, и перестройка систем дыхания имеют большое адаптационное значение.
Изменение компонентов антиоксидантной системы на разных эта пах онтогенеза многолетних травянистых растений в условиях городской среды. В ходе онтогенеза овсяницы луговой, ежи сборной и клевера лугового наблюдалось довольно широкое изменение значений активности пероксидазы (рис. 18). При этом максимальная ферментативная активность обнаружена в вегетативных органах клевера лугового в средневозрастном генеративном состоянии. У виргинильных и субсенильных особей активность пероксидазы в надземной части была ниже на 30-45%, а в подземной – на 23-57% по срав нению с генеративными растениями.