BIOCHEMICAL DISTURBANCES IN PLANT CELLS UNDER CONDITIONS OF ANTHROPOGENIC POLLUTION

Abstract


Currently, the problem of environmental contamination is very urgent. Accumulation of heavy metals by plants leads to biochemical disorder in cells. The concentration of lipid peroxidation products is a suitable parameter for the estimation of damage degree on cell membrane. The aim of this research was to investigate the content of diene conjugates and Schiff bases in plants of various species in the context of urban environment. The content of lipid peroxidation products was determined by the spectrophotometry of heptane extracts in the near-ultraviolet region. All the results were statistically processed; differences between studied samples were determined with Student’s t-test with the confidence probability P≤0,05. The study was carried out/done on meadow grass ( Poa pratensis ), red clover ( Trifolium rubens ), wild vetch (V icia cracca ), chamomile ( Matricaria chamomilla) , coltsfoot ( Tussilago farfara ) and cultivated oat ( Avena sativa ). Plants were collected in the area of highway, as well as in the areas with metallurgical, motor building, oil refinery and battery factories. It was discovered that the reaction of plant cell membrane to damaging was species-specific, i.e. chamomile, wild vetch and meadow grass accumulated lipid peroxidation products. The concentration of diene conjugates and Schiff bases in the cells of red clover and coltsfoot was lower than in the control group which might be due to these plants adaptation to pollution. Metallurgical factory contamination has the greatest impact on the lipid peroxidation, while the oil refinery, motor building and battery factories affect it to a lesser degree.

Full Text

Введение В связи с ростом антропогенной нагрузки на окружающую среду актуальной задачей является изучение воздействия факторов среды на живые организмы, в частности, на растения. Одним из наиболее распространенных и опасных факторов загрязнения среды являются тяжелые металлы (ТМ) (Markovnikova et al. 2006; Моцик, Пинский 1991). Известно, что ТМ способны аккумулироваться в растительных тканях в больших количествах, пагубно действовать на рост и развитие растения, фотосинтез, дыхание, водный обмен растений и другие физиологические процессы (Титов и др. 2014). Опасность тяжелых металлов усугубляется их способностью передаваться по трофическим цепям в нарастающих количествах (Башкин, Касимов 2004). Исследование механизмов воздействия ТМ и ответных реакций растений на биохимическом уровне представляет большой интерес (Moreira et al. 2015; Aydogan et al. 2017). Одним из наиболее важных биохимических процессов повреждения клеток, проходящего с участием тяжелых металлов, является перекисное окисление липидов (ПОЛ). Оно провоцируется избыточным количеством активных форм кислорода (АФК) - супероксидного анион радикала (О*2), синглетной формы кислорода (O2), гидроксильного радикала (OH*), перекиси водорода (Н2О2) или свободными радикалами (Владимиров 1987). Основными генераторами АФК являются хлоропласты и митохондрии, а также пероксисомы. Основными причинами возникновения окислительного стресса в клетках растений в присутствии тяжелых металлов являются ингибирующее действие их ионов на скорость электронного транспорта на мембранах хлоропластов и митохондрий, а также подавление активности антиоксидантов ферментной и неферментной природы (Skorzynska-Polit 2007). Первичными продуктами перекисного окисления липидов являются диеновые конъюгаты, а конечными - основания Шиффа. Основной опасностью процессов ПОЛ для растений является возможность полной утраты мембранами клеток барьерной функции (Чеснокова и др. 2007). Соотношение прооксидантных и антиоксидантных процессов в клетках растений, варьируемое в зависимости от условий среды, будет условием нормального функционирования организма и, в конечном счете, его выживания в окружающей среде (Blokhina et al. 2001). В связи с этим изучение процессов ПОЛ является актуальной научной задачей (Михайлова, Лукаткин 2016; Anjum et al. 2015; Emamverdian et al. 2015; Catala, Diaz 2017). Целью работы было исследование содержания продуктов перекисного окисления липидов в растениях разных видов, произрастающих в городской среде. Материалы и методы Материал для исследования был отобран в период с 21.07.2017 г. по 5.08.2017 г. в районе г. Тюмени на следующих участках: 1) Контроль - луг на удалении 5 км от антропогенных источников; 2) УГМК - г. Тюмень, участок на удалении 200 м от предприятия «УГМК-Сталь» вблизи автотрассы; 3) УГМК 2 - г. Тюмень, участок на удалении 50 м от предприятия «УГМК-Сталь»; 4) Моторостроители - г. Тюмень, участок на удалении 200 м от предприятия «Тюменские Моторостроители»; 5) НПЗ - г. Тюмень, участок на удалении 200 м от Антипинского нефтеперерабатывающего завода; 6) Район Аккумуляторного завода, г. Тюмень, участок на удалении 200 м от предприятия; 7) Автотрасса Тюмень - Омск - район п. Винзили, 30 км от г. Тюмени, удаление от автотрассы не более 30 м; 8) Автотрасса Ирбитский тракт - район села Каменка, 30 км от г. Тюмени, удаление от автотрассы не более 5 м; 9) Автотрасса Ирбитский тракт - район села Каменка, 30 км от г. Тюмени, удаление от автотрассы не менее 500 м. На каждом участке была срезана надземная часть растений с 5 площадок. На участках 1-5, 7 были отобраны 5 видов растений: мятлик луговой (Poa pratensis), клевер красный (Trifolium rubens), мышиный горошек (Vicia cracca), ромашка (Matricaria chamomilla), мать-и-мачеха (Tussilago farfara). На участке 6 ромашка не была обнаружена. На участках 8 и 9 был отобран овес посевной (Avena sativa). Выбор растений был обусловлен широким распространением данных видов в районах исследования. Кроме того, из литературы известна чувствительность мать-и-мачехи на биохимическом уровне к экологическим условиям (Фазлиева, Киселева 2011). Растения были высушены, а затем проводился анализ содержания в них диеновых конъюгатов и оснований Шиффа спектральным анализом спиртовых экстрактов. Измерение поглощения диеновых конъюгатов проводили на длине волны λ=233 нм, а оснований Шиффа - на λ =365 нм (Шведова, Полянский 1992). Результаты и обсуждение Продукты перекисного окисления липидов являются индикатором биохимического повреждения клеток и стрессируемости организма. В проведенном эксперименте было выявлено, что наиболее сильному повреждению в условиях городской среды подвергаются клетки ромашки: содержание оснований Шиффа и диеновых конъюгатов на всех участках исследования было увеличено по сравнению с контролем, как минимум на 40-60% (рис. 1). Рис. 1. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках ромашки из районов исследования *- статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (при Р ≤0,05) Максимальный рост содержания продуктов перекисного окисления липидов был зафиксирован на участках УГМК 2 и Моторостроители: содержание диеновых конъюгатов было повышено в 4,8 и 5,5 раз соответственно. Полученные результаты свидетельствуют о высокой чувствительности процессов перекисного окисления, протекающих в ромашке, к антропогенному загрязнению. Кроме ромашки, увеличение содержания продуктов перекисного окисления липидов среди изученных растений было зарегистрировано в клетках мышиного горошка и мятлика лугового (рис. 2, 3). Содержание оснований Шиффа в клетках мышиного горошка было повышено по сравнению с контролем от 1,5 раз (участок Моторостроители) до 2,7 раз (участок автотрассы) (рис. 2). Содержание диеновых конъюгатов в растениях на участках НПЗ, Моторостроители, аккумуляторный завод и автотрасса было также увеличено на 40%. Однако на участках УГМК и УГМК 2 отличие содержания продуктов ПОЛ от контроля выявлено не было, а на участке УГМК содержание диеновых конъюгатов было снижено на 20%. Рис. 2. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках мышиного горошка из районов исследования Рис. 3. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках мятлика лугового из районов исследования Содержание оснований Шиффа в клетках мятлика было увеличено на участках НПЗ, Моторостроители и аккумуляторный завод на 70-190% по сравнению с контролем (рис. 3). Содержание диеновых конъюгатов в большинстве случаев не отличалось от контрольного уровня, а на участке УГМК 2 было снижено почти на 30%. Таким образом, ромашка, мышиный горошек и мятлик луговой подвергаются окислительному стрессу в условиях городской среды, причем степень выраженности повреждений убывает в ряду от ромашки к мятлику луговому. Увеличение содержания продуктов ПОЛ в клетках ромашки, мышиного горошка и мятлика может быть связано с аккумуляцией в них тяжелых металлов, которые способны генерировать АФК по реакциям Фентона и Габера-Вейса, а также активировать фермент липоксигеназу (Skorzynska-Polit 2007). Также ТМ способны связываться с сульфигидрильными, гидроксильными, карбоксильными группами белков и ингибировать функционирование антиоксидантных ферментов. Кроме того, известно, что нефтяное загрязнение, характерное для нефтеперерабатывающего завода, способно активировать процесс перекисного окисления путем ингибирования транспорта электронов в хлоропластах (Осипова 2013). Другая картина наблюдалась при анализе содержания продуктов ПОЛ в клетках клевера красного и мать-и-мачехи. Содержание оснований Шиффа и диеновых конъюгатов в клетках клевера красного было снижено до 60 и 40% соответственно относительно контроля (рис. 4). В клетках мать-и-мачехи этот эффект был выражен еще сильнее: содержание оснований Шиффа и диеновых конъюгатов было снижено до 70 и 50% относительного контрольного уровня (рис. 5). Полученный результат можно объяснить несколькими причинами. Возможно, в условиях стресса антиоксидантные системы клевера красного и мать-и-мачехи успешно активизируются и ликвидируют избыток активных форм кислорода. Растения, произрастающие в районах антропогенного загрязнения, могли выработать механизмы блокирования поступления токсикантов путем их хелатирования в клетках корня или компартментализации в цитоплазме. Кроме того, в изученных участках возможен отбор на генетическом уровне и выживание растений, наиболее приспособленных к данным условиям. Рис. 4. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках клевера красного из районов исследования Рис. 5. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках мать-и-мачехи из районов исследования Из-за видоспецифичности реакции растений на антропогенный стресс выделить среди изученных участков те, загрязнители в которых оказывали наибольшее влияние на процесс перекисного окисления, оказалось затруднительно. К примеру, для ромашки такими участками были УГМК 2 и Моторостроители, для мышиного горошка - НПЗ, аккумуляторный завод и автотрасса, а для мятлика лугового - Моторостроители и аккумуляторный завод. Тем не менее, возможно сделать обобщение, что чаще других участков наиболее сильное влияние оказывало предприятие металлургического завода УГМК (участки УГМК и УГМК 2), причем как в сторону роста продуктов ПОЛ у ромашки и клевера красного, так и в сторону их снижения у мать-и-мачехи. Необходимо отметить, что действие загрязнителей с участка УГМК 2 (находившегося ближе к заводу) было всегда более выраженным по сравнению с УГМК. Это можно было предполагать из-за большей вероятности накопления поллютантов в тканях растений вблизи завода. Также во вторую очередь можно выделить нефтеперерабатывающий, аккумуляторный и моторостроительный заводы, степень влияния поллютантов которых в целом на растения была приблизительно равна. В меньшей степени на процесс перекисного окисления влияло загрязнение автотрассы. Поскольку большинство промышленных предприятий, так или иначе, находятся в близости автотрасс, то изолированное действие автотрассы оказывается менее выраженным, чем действие комплекса загрязнителей из районов предприятие+автотрасса. Для овса посевного влияние автотрассы на содержание продуктов ПОЛ не было выявлено, содержание оснований Шиффа и диеновых конъюгатов было на уровне контроля (рис. 6). Рис. 6. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в клетках овса посевного из районов исследования Заключение Таким образом, реакция повреждения клеточных мембран растений в условиях городской среды была видоспецифичной: для ромашки, мышиного горошка и мятлика лугового наблюдалось накопление продуктов ПОЛ в связи с пагубным действием поллютантов; клевер красный и мать-и-мачеха, вероятно, успешно адаптировались к условиям антропогенного загрязнения, что было зарегистрировано по уменьшенному содержанию диеновых конъюгатов и оснований Шиффа. Наибольшее влияние на процесс перекисного окисления липидов оказывает загрязнение от металлургического завода.

About the authors

A. S Petukhov


student

N. A Khritokhin

University State of Tyumen


Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, Professor at the Department of Inorganic and Physical Chemistry

G. A Petukhova

University State of Tyumen


Doctor of Biological Sciences, Associate Professor, Professor at the Department of Ecology and Genetics

References

  1. Башкин В. Н., Касимов Н.С. 2004. Биогеохимия. Москва: Научный мир.
  2. Владимиров Ю. А. 1987. Свободнорадикальное окисление липидов и физические свойства липидного слоя биологических мембран // Биофизика. Т. 32. Вып. 5, 830-844.
  3. Михайлова И. Д., Лукаткин А. С. 2016. Перекисное окисление липидов в растениях огурца и редиса при действии тяжелых металлов // Известия Саратовского ун-та. Новая Серия. Серия Химия. Биология. Экология. T. 16. Вып. 2, 206-211.
  4. Моцик А., Пинский Д. Л. 1991. Загрязняющие вещества в окружающей среде. Пущино-Братислава: PRIRODA.
  5. Осипова Е. С. 2013. Влияние нефтяного загрязнения на биохимические и морфофизиологические показатели растений: Автореф. дис. … канд. биол. наук. Тюмень.
  6. Титов А. Ф., Казнина Н. М., Таланова В. В. 2014. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН.
  7. Фазлиева Э. Р., Киселева И. С. 2011. Биохимические реакции растений tussilago farfara l. из природных местообитаний с разным уровнем техногенного загрязнения на избыток меди в среде // Известия Тульского гос. ун-та. Естественные науки. 3, 246-256.
  8. Чеснокова Н. П., Понукалина Е. В., Бизенкова М. Н. 2007. Механизмы структурной и функциональной дезорганизации биосистем под влиянием свободных радикалов // Фундаментальные ииследования 4, 110-121.
  9. Шведова А. А., Полянский Н. Б. 1992. Метод определения конечных продуктов перекисного окисления липидов в тканях флуоресцирующих шиффовых оснований // Бурлакова Е.Б. (ред.). Исследование синтетических и природных антиоксидантов in vitro и in vivo: Сб. научных статей. Mосква: Наука, 72-73.
  10. Anjum N. A., Sofo A., Scopa A., Roychoudhury A., Gill S. S., Iqbal M., Lukatkin A. S., Pereira E., Duarte A. C., Ahmad I. 2015. Lipids and proteins - major targets of oxidative modifications in abiotic stressed plants // Environmental Science and Pollution Research 22, 4099-4121.
  11. Aydogan S., Erdag B., Yildiz Aktas L. 2017. Bioaccumulation and oxidative stress impact of Pb, Ni, Cu, Cr heavy metals in two bryophyte species, Pleurochaete squarrosa and Timmiella barbuloides // Turkish Journal of Botany 41, 464-475.
  12. Blokhina O., Virolainen E., Fagersted K. V. 2003. Antioxidants, oxidative stress and oxygen deprivation stress: a review // Annals of Botany 91, 2 179-194.
  13. Catala A., Diaz M. 2017. Impact of lipid peroxidation on the physiology and pathophysiology of cell membranes. Lausanne: Frontiers Media.
  14. Emamverdian A., Ding Y., Mokhberdoran F. 2015. Review article heavy metals and some mechanisms of plant defense response // The Scientific World Journal. Vol. 2015, № 4, 3-18.
  15. Markovnikova J., Barancikova G., Dlapa P., Dercova K. 2006. Inorganic contaminants in soil ecosystems // Chemicke listy. Vol. 100, № 6, 424-432.
  16. Moreira I. N., Mourato M. P., Reis R., Martins M. M. 2015. Oxidative Stress Induced by Cadmium and Copper in Brassica rapa Leaves: Indicators of Stress, Oxidative Damage, and Antioxidant Mechanisms // Communications in Soil Science and Plant Analysis 46, 2475-2489.
  17. Skorzynska-Polit E. 2007. Lipid peroxidation on plant cells, its physiological role and changes under heavy metal stress // Acta Societatis Botanicorum Poloniae 74, 49-54.

Statistics

Views

Abstract - 0

Article Metrics

Metrics Loading ...

Refbacks

  • There are currently no refbacks.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies