Транспорт и распределение тяжелых металлов и поливалентных катионов в высших растениях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Белорусский государственный университет

Биологический факультет

Курсовая работа

Транспорт и распределение тяжелых металлов и поливалентных катионов в высших растениях

Выполнил:

студент 4 курса 6 группы

биологического факультета БГУ

заочной формы обучения

Ясюченя Диана Васильевна

Научный руководитель:

Соколик Анатолий Иосифович

2010 г.

Содержание:

тяжелый металл поливалентный катион растение

1. Введение

1.1 Общая характеристика тяжелых металлов и поливалентных катионов

1.2 Основные причины токсичности тяжелых металлов и поливалентных катионов

2. Строение высшего растения

2.1 Корень

2.1.1 Апикальная меристема корня

2.1.2 Зона роста

2.1.3 Зона поглощения

2.1.4 Эпидерма

2.1.5 Первичная кора

2.1.6 Центральный цилиндр

2.2 Побег

2.2.1 Строение стебля

2.2.2 Строение листа

3. Транспорт и распределение тяжелых металлов и поливалентных катионов в высших растениях

3.1 Корневая система

3.1.1 Корневой чехлик

3.1.3 Первичная кора

3.1.4 Эндодерма и центральный цилиндр

3.2 Надземная часть растения

3.3 Роль различных тканей растения в транспорте и распределении тяжелых металлов и поливалентных катионов

4. Вывод

Список использованной литературы

1. Введение

1.1 Общая характеристика тяжелых металлов и поливалентных катионов

Изучение воздействия тяжелых металлов на растения и животных привлекает в последнее время все большее внимание в связи с возрастающим загрязнением окружающей среды. К тяжелым металлам относится достаточно большая группа химических элементов, имеющих плотность больше 5 г/см3 и относительную атомную массу более 40 [9, 14]. Тяжелые металлы(Cu, Ni, Со, Pb, Sn, Zn, Cd, Bi, Sb, Hg) относятся к микроэлементам. То есть химическим элементам, присутствующим в организмах в низких концентрациях (обычно тысячные доли процента и ниже). К числу микроэлементов, содержание которых в организме исчисляется тысячными и даже триллионными долями процента, относятся: Fe, Co, Mn, Cu, Mo, Zn, Cd, F, I, Se, Sr, Be, Li и др.

Для микроэлементов характерна высокая биологическая активность , т. е. способность чрезвычайно малых доз их оказывать сильное действие.

Мощное воздействие микроэлементов на физиологические процессы и организме объясняется тем, что они вступают в теснейшую связь с биологически активными органическими веществами -- гормонами, витаминами. Изучена также их связь со многими белками и ферментами. Именно указанными взаимоотношениями и определяются основные пути вовлечения микроэлементов в биологические процессы [14, 15].

1.2 Основные причины токсичности тяжелых металлов и поливалентных катионов

Многие растения аккумулируют металлы в концентрациях, во много раз превышающих концентрацию металлов в почве. Способность растений накапливать тяжелые металлы и быть устойчивыми к их избытку является отражением их индивидуальных особенностей. Связываясь на поверхности клеток или проникая в них, тяжелые металлы могут взаимодействовать с функциональными группами белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и других соединений, а также замещать ионы других металлов, связанные с этими группами. Так, попадая в клетки, они взаимодействуют с SH-группами, инактивируя многие ферменты (Cd, Pb, Zn), Ni преимущественно связывается с N-содержащими лигандами. В результате возникают различные нарушения метаболизма, причем, обычно не ясно, какие из них первичные, а какие являются следствием повреждения других процессов [9, 14]. В литературе тяжелые металлы часто рассматривают как единую группу токсикантов. Однако отдельные металлы четко различаются по физико-химическим свойствам их ионов и токсичности. Металлы по их действию на растения можно условно разделить на три группы: сильнотоксичные (Cu, Tl, Ag), среднетоксичные (Cd, Ni, Hg) и слаботоксичные (Pb, Co, Zn и Sr) [9].

2. Строение высшего растения

Для лучшего понимания процессов транспорта и распределения ионов металлов по растению, необходимо знать общую схему его строения. У высших растений выделяют подземную часть--корень и надземную--побег, состоящий из стебля и листьев.

2.1 Корень

Корень выполняет в растении три важнейшие функции: прикрепляет растение к почве, поглощает из нее воду и минеральные вещества и иногда синтезирует органические вещества. В особых случаях корень превращается в орган, запасающий питательные вещества. Морфологическое строение корня соответствует выполняемым физиологическим функциям. Он ветвится, образуя боковые корни, на которых развивается множество корневых волосков. Большое значение имеет наличие корневого чехлика, облегчающего продвижение корня вглубь, и способность вступать в симбиотические отношения с грибами и бактериями, что улучшает минеральное питание растений. Анатомическое строение корня также тесно связано с выполняемыми им функциями. В молодом корне можно четко проследит наличие следующих ярко выраженных зон (рис. 1):

1. Зона деления клеток, представляющая собой апикальную меристему, прикрытую корневым чехликом;

2. Зона роста, или растяжения, в которой клетки, уже вышедшие за пределы меристемы, находятся в разных стадиях их растяжения в продольном направлении;

3. Зона поглощения веществ и начала дифференциации постоянных тканей: ризодермы, характеризующейся развитием корневых волосков, а также проводящих элементов ксилемы и флоэмы;

4. Зона ветвления, в которой закладываются зачатки боковых корней [1].

Рис. 1 Строение молодого корня.

1- корневой чехлик, 2- зона деления клеток, 3- зона роста клеток, 4- зона корневых волосков, 5- боковые корни [3].

2.1.1 Апикальная меристема корня

У корня выделяют несколько зон, которые имеют анатомические и функциональные различия. На верхушке органа располагается точка роста, образованная апикальной меристемой. Постоянно растущий корень нуждается в защите этой точки от механического повреждения твердыми частицами почвы. Эту функцию берет на себя корневой чехлик, который имеется у большинства растений, отсутствуя лишь у некоторых водных форм и паразитов. Чехлик образован рыхло расположенными тонкостенными живыми клетками, которые постоянно слущиваются и заменяются новыми. Апикальная меристема у большинства папоротникообразных представлена одной инициальной клеткой, у голосеменных и покрытосеменных имеется группа инициальных клеток, иногда располагающихся в три слоя. Очень важной особенностью апикальной меристемы корня является то, что собственно инициальные клетки в нормальных условиях делятся очень редко, составляя покоящийся центр. Объем меристемы увеличивается за счет их производных. Однако при повреждениях кончика корня, вызванных различными факторами, покоящийся центр активизируется, его клетки активно делятся, способствуя регенерации поврежденных тканей [2, 3].

2.1.2 Зона роста

За зоной деления на расстоянии 1,5- 2 мм от кончика корня располагается зона роста. Она представляет собой участок корня от зоны деления до корневых волосков. В этой зоне клетки перестают делится и растут главным образом в длину путем растяжения [1].

2.1.3 Зона поглощения

За зоной растяжения расположена зона дифференцировки большинства клеток первичных тканей. Здесь развиваются также корневые волоски, вследствие чего эту часть корня называют иногда зоной корневых волосков. Важно отметить, что переход от одной зоны к другой происходит постепенно, без резких границ. Некоторые клетки начинают удлиняться и дифференцироваться еще в зоне клеточных делений, в то время как другие достигают зрелости в зоне растяжения [1,2,3].

На первичной стадии роста корня поперечные и продольные срезы легко позволяют выделить три системы тканей: эпидерму (система покровной ткани), первичную кору (систему основной ткани) и систему проводящих тканей.

2.1.4 Эпидерма

Эпидерма корня (эпиблема) - первичная покровная ткань, она состоит из одного ряда сомкнутых клеток. Эпиблема адсорбирует из почвы воду и минеральные вещества, выполнению этой функции способствуют корневые волоски - трубчатые выросты эпидермальных клеток, существенно увеличивающие поглощающую поверхность органа. Эпидермальные клетки корня, включая те, что несут корневые волоски, являются паренхимными, плотно упакованными. Молодая эпидерма большей частью несет тонкую кутикулу, вследствие чего клеточная оболочка оказывает некоторое сопротивление прохождению сквозь нее воды и минеральных веществ [1,3].

2.1.5 Первичная кора

Первичная кора состоит из паренхимных клеток, число слоев которых сильно варьирует. Наружный слой первичной коры после отмирания корневых волосков и сбрасывания ризодермы дифференцируется в первичную покровную ткань - экзодерму, а из внутреннего слоя развивается эндодерма. Она состоит из одного слоя клеток, опоясывающих центральный цилиндр. Отличительная черта эндодермальных клеток - наличие поясков Каспари. На поперечных срезах корня пояски Каспари видны крайне редко, но обычно хорошо заметны сечения этих поясков на смежных радиальных стенках - пятна Каспари (рис. 2).



Рис. 2 Строение эндодермы.

1- поясок Каспари, 2- продольная радиальная стенка, 3- поперечная стенка [3].

Субериноподобные вещества, из которых состоят пояски Каспари препятствуют свободной диффузии ионов в оболочке, а плотное прилегание к ним плазмалеммы исключает возможность их передвижения в пространстве между нею и оболочкой. В связи с этим транспорт ионов всегда находится под контролем цитоплазмы самой клетки эндодермы [2].

2.1.6 Центральный цилиндр

В центральном цилиндре размещаются проводящие ткани, перемежающиеся паренхимой. При первичном строении флоэма и ксилема располагаются, чередуясь по секторам, а паренхима занимает участки между флоэмой и ксилемой. В связи с тем, что центральный цилиндр в основном слагается из сосудов и ситовидных трубок, его часто называют сосудистым цилиндром, или стелью. Он отграничен от первичной коры одним слоем меристематических клеток - перициклом (рис.3).



Рис. 3 Поперечный срез корня лютика (Ranunculus)

1- эндодерма, 2- перицикл, 3- первичная флоэма, 4- первичная ксилема; фиолетовым цветом обозначена первичная кора [2].

Перицикл - образовательная ткань первичного происхождения со сложной функциональной деятельностью. Он участвует в образовании боковых корней, а также принимает участие в заложении камбия и феллогена (пробкового камбия) [2,3].

2.2 Побег

Вегетативный побег--основной орган высшего растения, главная функция которого воздушное питание. Он состоит из стебля и сидящих на нем листьев.

2.2.1 Строение стебля

Две главные функции стебля--проводящая и опорная. Вещества, синтезируемые в листьях, передвигаются по флоэме стебля к местам потребления, включая растущие листья, сами стебли, корни, развивающиеся цветки, смена и плоды. Выполняемые стеблем функции определяют в нем наличие покровных, хорошо развитых проводящих, механических тканей, а также функционально разной паренхимы. Образовательная ткань в стебле представлена у двудольных растений камбием, который формирует вторичное строение стебля (рис. 4) [2].

Рис. 4 Поперечный срез стебля липы (Tilia americana)(однолетний стебель).

1 - вторичная флоэма, 2 - волокно первичной флоэмы, 3 - эпидерма, 4 - перидерма, 5 - первичная кора, 6 - дилатированный флоэмный луч, 7 - камбий, 8 - вторичная ксилема, 9 - ксилемный луч, 10 - первичная ксилема [2].

2.2.2 Строение листа

Листья весьма разнообразны по форме и внутреннему строению. У двудольных они обычно состоят из плоской расширенной части, пластинки, и стеблевидного черешка. Независимо от формы листья покрытосеменных являются специализированными органами фотосинтеза и, как корни и стебли, состоят из систем покровных, основных и проводящих тканей. Покровная ткань листа представлена эпидермой, состоящая из плотно сомкнутых клеток, покрытых кутикулой. Под эпидермой расположен мезофилл. Именно мезофилл--основная ткань листа с крупными межклетниками и многочисленными хлоропластами--наиболее приспособлен для фотосинтеза. Межклеточные пространства связаны с атмосферным воздухом через устьица. Устьица могут встречаться на обеих сторонах листа, но обычно более многочисленны на нижней поверхности. Мезофилл как правило дифференцирован на палисадную и губчатую паренхиму. В первой клетки имеют столбчатую форму, в губчатой паренхиме форма клеток неправильная. Мезофилл густо пронизан многочисленными проводящими пучками, или жилками, у большинства двудольных они образуют разветвленную систему. Жилки содержат ксилему и флоэму, имеющие, как правило, первичное происхождение. Окончания жилок часто содержат только трахеальные элементы, хотя до их концов могут доходить как ксилемные, так и флоэмные элементы. Жилки окружены одним или более слоями компактно расположенных клеток, образующих обкладку проводящего пучка. Благодаря этому проводящие ткани жилок редко граничат с межклетниками мезофилла (рис. 5) [2].



Рис. 5 Поперечный срез листа сирени (Syringa vulgaris)

1 - палисадная паренхима, 2 - склереида, 3 - верхняя эпидерма, 4 - устьице, 5 - губчатая паренхима, 6 - нижняя эпидерма, 7 - проводящий пучок (жилка) [2].

3. Транспорт и распределение тяжелых металлов и поливалентных катионов в высших растениях

Ионы металлов поступают в растение в основном через корневую систему в растворе с водой. Движение воды в корневой волосок или другую клетку начинается с взаимодействия с оболочкой клеток, затем вода может пройти через плазмалемму и транспортироваться из протопласта одной клетки в протопласт другой через плазмодесмы. В этом случае вода движется по симпласту. Однако вода могла бы и не заходить в симпласт, а оставаться в клеточной оболочке и двигаться по ним через ткани корня к центральному цилиндру. Это апопластический путь. Но по апопласту вода может двигаться только до эндодермы (до поясков Каспари). Поэтому путь воды по апопласту тут прекращается. Для дальнейшего передвижения она должна обязательно войти в симпласт.

Необходимость переключения движения воды с апопластного на симпластный путь имеет большое значение, так как процесс движения по живой протоплазме клетка может сама регулировать в отличие от перемещения воды по клеточным стенкам (рис. 6).

По способности к аккумуляции тяжелых металлов выделяют две контрастные группы растений: исключатели, у которых поглощаемые тяжелые металлы задерживаются в корневой системе и практически не поступают в побеги, и гипераккумуляторы, у которых они накапливаются в больших количествах в надземных органах без видимого нарушения метаболизма [5, 7, 8, 9]. Действие тяжелых металлов на рост напрямую зависит от особенностей их тканевого и внутриклеточного распределения, а также от эффективности механизмов детоксикации, которые по-разному могут реализоваться в различных тканях исключателей и аккумуляторов.



Рис. 6 Радиальный транспорт воды

1 - корневой волосок, 2 - ризодерма, 3 - межклетники, 4 - эндодерма, 5 - перицикл, 6 - протоксилема, 7 - метаксилема, 8 - флоэма, 9 - первичная кора; сплошными стрелками обозначены пути прохода растворов по симпласту, пунктирными--по апопласту [1].

Поэтому решение проблемы специфичности и избирательности токсического действия металлов на рост, а также выяснение клеточных механизмов действия тяжелых металлов на отдельные ростовые процессы требует понимания особенностей их передвижения и распределения по органам и тканям в связи со свойствами их ионов [8, 9].

3.1 Корневая система

Большая часть веществ, поступающих в растение, поглощается корневой системой, поэтому в корне наблюдается первичная реакция растения на их воздействие.

3.1.1 Корневой чехлик

Из отслоившихся клеток корневого чехлика образуется слизь, которая может играть роль своеобразного аккумулятора для тех ионов металлов, физико-химические свойства которых определяют их высокое сродство к функциональным группам биополимеров, входящих в состав слизи. Так как в составе слизи преобладают углеводы, то наиболее важными функциональным группами являются карбоксильные и гидроксильные. Наиболее высоким сродством к этим группам облают ионы Pb. Другие катионы тяжелых металлов по уменьшению сродства к уроновым кислотам слизи располагаются в следующем порядке: Pb2+>Cu2+>Cd2+>Zn2+. Понятно, что чем прочнее ионы металлов связываются со слизью, тем медленнее они поступают в корень. Действительно, Pb прочно связывается с материалом слизи и его содержание в клетках ризодермы ниже. Sr связывается с материалом слизи значительно слабее, чем обусловлены его высокая мобильность и быстрое поступление в корень [5, 7, 9].

Поступая в клетки корневого чехлика, тяжелые металлы и Sr распределяются в них достаточно равномерно, если не считать меньшего накопления металлов в клетках центральной зоны чехлика (колумеллы). Ni накапливается преимущественно в протопластах, тогда как остальные изученные металлы - в апопласте.

Распределение тяжелых металлов и Sr по клеткам чехлика может существенно изменяться в зависимости от присутствия других ионов. Так, в присутствии Cа, Pb и Sr были обнаружены только в поверхностных клетках чехлика, а содержание Ni во всех клетках чехлика было существенно ниже, чем в отсутствие Са, что может быть связано с конкуренцией за общие места связывания при поступлении ионов в корень и при их транспорте. Наиболее выражено явление конкуренции у тех металлов, транспорт которых происходит, главным образом, по апопласту (Pb, Sr), так как Са транспортируется преимущественно по оболочкам и играет важнейшую роль в образовании сшивок между молекулами полигалактуроновой кислоты в клеточных оболочках. Влияние Са на содержание металлов в клетках чехлика сильно зависит от его концентрации в среде и от вида растения [9, 10].

3.1.2 Меристема и зона растяжения

Меристема и зона растяжения характеризуются отсутствием полностью дифференцированных тканей. Меристематические клетки имеют первичную клеточную оболочку, обладают относительно крупными ядрами и ядрышками, плотной цитоплазмой, заполненной многочисленными свободными рибосомами, что способствует активным метаболическим процессам, протекающим в этих клетках.

Распределение тяжелых металлов и Sr в меристематических тканях имеет свои особенности, которые во многом определяются особенностями строения клеток меристемы. В меристеме корня находится небольшая группа клеток, названная «покоящимся центром». Содержание Cd и Pb в клетках покоящегося центра как правило ниже, чем в окружающих клетках меристемы, в то время как содержание Sr в клетках покоящегося центра и окружающих его клетках заметно не отличалось. До конца неясно, какие особенности строения апопласта клеток покоящегося центра определяют ограниченное поступление в них Cd и Pb. Так как транспорт этих металлов происходит преимущественно по апопласту, предполагается, что структура клеточных оболочек и плазмалеммы этих клеток отличаются от структуры оболочек и плазмалеммы окружающих клеток меристемы, что и снижает поступление этих металлов в покоящийся центр. Однако эти особенности клеточных оболочек клеток покоящегося центра практически не ограничивают поступление Sr, что, по крайней мере отчасти, может определяться более высоким по сравнению со Sr сродством Cd и Pb к материалу оболочек. Не исключено, что апопласт покоящегося центра проницаем для ионов Sr, как он, вероятно, проницаем и для Са, аналогом которого является Sr. В незначительной степени ограничивается поступление в покоящийся центр веществ по симпласту. Содержание Ni в покоящемся центре лишь несколько ниже, чем в окружающих тканях меристемы. Можно полагать, что это связано с меньшим, по сравнению с окружающими клетками, количеством плазмодесм между клетками покоящегося центра и клетками окружающих тканей.

Таким образом, в зонах деления и растяжения отсутствуют физиологические барьеры для радиального передвижения как «апопластических», так и «симпластических» ионов металлов.

3.1.3 Первичная кора

Значительную часть площади поперечного сечения корня занимают клетки коры. Кора значительно увеличивает диаметр и площадь поверхности корня, что может играть важную роль в накоплении тяжелых металлов. Однако распределение разных металлов, в том числе и в клетках коры, существенно различается. Вклад клеток коры в накопление металлов, транспорт которых происходит по апопласту или по симпласту, будет неодинаков. Для ионов, передвигающихся по апопласту (Сd, Pb, Sr), наиболее важную роль будет играть «емкость апопласта» клеток коры, которая включает межклетники, клеточные оболочки и периплазматическое пространство. Для металлов, накапливающихся преимущественно в протопласте (Ni) важна «общая емкость протопласта» клеток коры. Вероятно, чем выше эти показатели для данного вида растений, тем больше металла может накапливаться в соответствующем компартменте. Для «симпластических» ионов важно также то, что основной объем зрелых клеток коры занимает центральная вакуоль, слой цитоплазмы местами не превышает толщины клеточных оболочек, а при созревании клетки цитоплазма разжижается, в результате чего объемное содержание белков и нуклеиновых кислот в цитоплазме оказывается незначительным. Основываясь на этих общих предположениях, сравним вклад апопласта и протопласта в связывании ионов.

Емкость апопласта зависит от объема межклетников и катионобменной способности клеточных оболочек, что в свою очередь зависит как от их состава, так и от сродства ионов металлов к материалу оболочек.

Клеточные оболочки однодольных и двудольных растений отличаются по составу. Клеточные оболочки большинства двудольных и "некоммелиноидных" однодольных содержат примерно равные количества ксилоглюканов и целлюлозы, что является признаками оболочек I типа. Целлюлозо-ксилоглюкановая цепь оболочек I типа погружена в пектиновый матрикс. Размер пор обусловлен частотой и длиной "замковых зон" между цепями пектинов, а также степенью этерификации галактуроновых кислот, длиной арабинанов, галактанов, рамногалактуронана I, а также количеством и димеризацией рамногалактуронана II. Клеточные оболочки II типа, свойственные "коммелиноидным" однодольным, в том числе и злакам, отличаются присутствием вместо ксилоглюкана глюкуроноарабиноксилана. Такие оболочки бедны пектинами и структурными белками, а их поровость определяется расстоянием между боковыми цепями глюкуроноарабиноксилана.

У двудольных растений больше мест связывания для двухвалентных катионов, а следовательно, и выше "аккумулирующая способность" клеточных оболочек. Действительно, при выращивании в присутствии Cd и Pb высокое содержание этих металлов было выявлено в клеточных оболочках целого ряда видов двудольных растений. Однако аналогичные результаты были получены и в опытах с однодольными растениями. По-видимому, сама возможность накопления металлов в апопласте не определяется составом клеточных оболочек, в то время как прочность связывания, безусловно, зависит от количества свободных функциональных групп [9].

Сродство тяжелых металлов к полигалактуроновой кислоте уменьшается в ряду: Pb > Cr > Cu > Ca > Zn . Как результат, Pb связывается с материалом клеточных оболочек сильнее, чем Cd, Zn и Sr, а, следовательно, и скорость его передвижения по апопласту наименьшая. Среди изученных ионов Sr наиболее мобилен. Сравнение констант стабильности ясно показывает, что тяжелые металлы могут успешно конкурировать с Са за места связывания в «замковых зонах» пектинов.

Клеточные оболочки, связывая большое количество металлов, могут ограничивать их поступление в цитоплазму. Связывание металлов в клеточных оболочках, главным образом, клеток коры, можно рассматривать как один из морфофизиологических механизмов детоксикации, направленный на изоляцию металла в метаболически малоактивном компартменте клетки. Многослойную кору растений-исключателей можно рассматривать в качестве ткани-аккумулятора для ионов металлов, обладающих высоким сродством к материалу оболочек и пониженной способностью поступать внутрь клетки (Pb и в меньшей степени - Cd). Кора является тканью-аккумулятором только в том случае, когда экзодерма не выполняет барьерной роли, а эндодерма, напротив, выполняет роль барьера, ограничивающего поступление тяжелых металлов в центральный цилиндр. Если же барьерной роли эндодерма не выполняет и поток ионов в более глубокие ткани корня не ограничен, то и в коре металл будет выявляться, но не накапливаться, как это наблюдается в случае Sr и Zn.

Емкость апопласта определяется не только связыванием металла материалом клеточных оболочек, но и их поступлением в периплазматическое пространство и накоплением на поверхности протопласта. Действительно, Pb, Sr и Cd были найдены не только в самих клеточных оболочках, но и на поверхности протопласта, что четко демонстрирует характер распределения металлов в плазмолизированных клетках. Более сложная ситуация прослеживается в случае Ni. В плазмолизированных клетках он был обнаружен как внутри протопласта, так и в периплазматическом пространстве. Хотя Ni выявлялся в межклетниках, в самих клеточных оболочках его содержание было низким, что, вероятно, определяется его низким сродством к их материалу [11].

Наряду с клеточными оболочками, играющими роль аккумулятора тяжелых металлов и, таким образом ограничивающими их поступление в клетку, плазмалемма так же играет роль важнейшего клеточного барьера, препятствующего свободному проникновению Cd, Pb и Sr в цитоплазму. Возможность симпластного транспорта для ионов Cd, Pb и Sr ограничена, хотя и не исключена полностью. Накапливаясь на поверхности протопласта, тяжелые металлы вызывают разнообразные нарушения в строении и функционировании плазматической мембраны, в результате чего их поступление в клетки может увеличиваться пассивно. Все эти изменения, наряду с инактивацией мембранных ферментов, могут привести к нарушению ионного гомеостаза в клетке.

Происходит ли накопление металлов в клетках коры корня у растений-гипераккумуляторов? Принимая во внимание, что большинство гипераккумуляторов представляют собой растения с небольшой биомассой и низкой скоростью роста, можно предположить, что аккумулирующая способность корневой системы у таких видов понижена, но взамен этого они обладают более эффективными механизмами транспорта металлов в надземные органы.

Таким образом, для «апопластических» ионов кора является важнейшей тканью-аккумулятором, в то время как для «симпластических» ионов тяжелых металлов ее роль сводится только к передвижению металлов по радиусу корня и накоплению во внутренней коре.

3.1.4 Эндодерма и центральный цилиндр

От коры центральный цилиндр отделен слоем клеток эндодермы, которая часто рассматривается как внутренний слой коры, так как она гистогенетически связана с клетками коры. Характерной особенностью этой ткани является наличие поясков Каспари, которые, которые представляют собой интегральную структуру, а не просто утолщение клеточной оболочки, так как отложения суберина распространяются и на серединную пластинку.

Благодаря своим структурным особенностям, и, в первую очередь, образованию поясков Каспари, эндодерма выполняет несколько функций. С одной стороны, она служит барьером, не пропускающим «апопластические» ионы из коры в центральный цилиндр, а с другой, - работает как «осмотический барьер», защищающий центральный цилиндр от утечки из него веществ. Барьерная роль эндодермы определяется не только наличием суберина в составе поясков Каспари, но и уникальными ультраструктурными особенностями клеток зрелой эндодермы. Согласно данным электронной микроскопии, плазмалемма около пояска Каспари более толстая, имеет более правильные очертания, чем в других местах клетки, и плотно прилегает к клеточной оболочке, что обуславливает сохранение контакта между ними даже в условиях плазмолиза. В результате транспорт ионов по периплазматическому пространству становится невозможным, а клетка получает возможность контролировать поступление ионов в симпласт, а, следовательно, и в центральный цилиндр.

Насколько универсальна барьерная роль эндодермы для разных ионов? Было показано, что Cd, так же как и Pb накапливается главным образом в ризодерме и коре и при нелетальных концентрациях практически не поступает в ткани центрального цилиндра. Иное распределение наблюдалось у Sr. В опытах с проростками кукурузы установили, что содержание Sr в эндодерме было достаточно высоким, причем интенсивное окрашивание, свидетельствующее об его присутствии, было обнаружено в протопластах клеток. Исходя из этого, можно предположить, что транспорт Sr через эндодерму осуществляется по симпласту, как это свойственно ионам Ca, физико-химическим аналогом которого он является.

Поступление Ni в протопласт определяет его распределение по тканям корня, которое отличается от такового для Cd и Pb. Ni уже на вторые сутки инкубации был выявлен во всех тканях корня, включая центральный цилиндр. Отсюда можно сделать вывод, что эндодерма проницаема для ионов, транспортирующихся по протопласту, хотя в интактных корнях нельзя исключить их поступление через апикальный участок корня. При анализе распределения Ni по сравнению с Сd и Pb становится ясно, что он способен поступать в центральный цилиндр через эндодермальный барьер и эта способность проявляется в большей степени у растений-гипераккумуляторов. Особенности транспорта и распределения Ni могут являться одной из причин наличия в природе намного большего числа растений-гипераккумуляторов Ni по сравнению с растениями-аккумуляторами Cd и Pb Необходимо, однако, учитывать, что степень проницаемости эндодермы для ионов Ni невысока. В тканях центрального цилиндра и даже в перицикле содержание Ni было ниже, чем в эндодерме.

Таким образом, эндодерма может служить барьером для Сd и Pb у растений-исключателей разных классов цветковых растений. В то же время, если речь идет о других металлах (Ni, Sr), то барьерная роль эндодермы зависит от путей транспорта металлов по тканям корня, что, в свою очередь, может определяться как физиологическими особенностями растений, так и физико-химическими свойствами ионов.

Функциональная роль клеток перицикла в транспорте ионов, в том числе и тяжелых металлов, изучена мало. Те ионы металлов, которые не проникают через эндодермальный барьер (Сd и Pb), практически не выявляются в клетках перицикла, ионы же, которые поступают через эндодерму по симпласту, выявляются в перицикле. Среди изученных металлов локализация Ni и Sr в перицикле существенно различалась: у проростков кукурузы Ni накапливался в протопластах клеток перицикла, в то время как Sr выявлялся преимущественно в апопласте. Эти данные могут свидетельствовать о том, что Sr, пройдя через эндодерму по симпласту, вновь транспортируется через плазмалемму и выходит в апопласт. Подобный тип транспорта аналогичен транспорту Ca. Можно предположить, что Sr, так же как и Са, поступает в симпласт эндодермальных клеток через Са-каналы и транспортируется через мембрану посредством Са2+-АТФазы или Са2+/Н+ -антипортера в клетках стели на границе с эндодермой [9, 10].

Выявленные различия распределения Ni и Sr в клетках перицикла определяют различия в накоплении и распределении этих металлов по всем остальным тканям центрального цилиндра. Поступление Ni из клеток перицикла в другие ткани центрального цилиндра ограничено. Причина подобного явления может заключаться в том, что транспорт Ni в центральном цилиндре происходит по симпласту, а большая часть плазмодесм в перицикле расположена в наружных тангентальных стенках клеток на границе с эндодермой и примерно столько же ? в радиальных. Имея мощный “вход” Ni из клеток коры, клетки эндодермы и перицикла структурно имеют значительно меньший “выход”, аккумулируя, таким образом, Ni в протопластах. Конечно, подобное явление было бы невозможным, если бы ионы Ni могли, подобно Sr, проходить через плазмалемму клеток стели и транспортироваться по апопласту.

В отличие от Ni, содержание Sr в клеточных оболочках клеток перицикла и центрального цилиндра уже после двух суток инкубации было приблизительно одинаковым. Следовательно, функциональная роль перицикла как “коллектора” ионов не универсальна для всех элементов, а свойственна, по-видимому, только ионам, передвигающимся по симпласту.

В связи с проблемой гипераккумуляции, важно установить, играет ли перицикл роль коллектора у растений-гипераккумуляторов. Было показано, что даже при инкубации растений Thlaspi caerulescens в течение 1.5 мес. на питательном растворе с высокими концентрациями Ni(NO3)2 (300?400 мкМ) его накопления в перицикле не происходило. Таким образом, в корнях растений-гипераккумуляторов отсутствуют не только барьеры для транспорта Ni, но и, что, возможно, более важно, отсутствуют ткани-аккумуляторы и ткани-“коллекторы” и, как следствие, корневая система не играет барьерной роли, свойственной растениям-исключателям [].

Ультраструктура клеток перицикла, наряду с некоторыми признаками дифференцированных тканей, имеет черты, характерные для меристем. Можно говорить о двойственности функций перицикла. С одной стороны, это ткань, через которую вещества транспортируются к проводящим тканям, а с другой стороны, это меристематическая ткань, специфика которой заключается в способности давать начало боковым корням.

Рис. 7 Проростки конопли после 7 дней инкубации при действии Pb(NO3)2 в концентрации 10-4 М

1-контроль, 2- Pb(NO3)2, 10-4 M [17].

Процесс развития боковых корней чрезвычайно устойчив к действию большинства тяжелых металлов. Даже при очень сильном ингибировании роста главного корня в растворах солей тяжелых металлов боковые корни возникают в то же время, что и у контрольных корней. Более того, многие авторы даже указывают на то, что под воздействием Cd и Pb наблюдалось образование более компактной и разветвленной корневой системы за счет развития дополнительных боковых корней (рис. 7) [6, 7, 17].

Однако причины устойчивости ветвления корней к воздействию тяжелых металлов могут быть различны. С одной стороны Cd и Pb не проникают в перицикл и, следовательно, не могут влиять на развитие боковых корней, с другой, металлы, проникая через эндодермальный барьер, могут впоследствии накапливаться в метаболически малоактивном компартменте - клеточной оболочке. Так происходит в случае сo Sr, что, наряду с его слабой токсичностью, и обуславливает нормальное заложение боковых корней в перицикле.

Уникальным в этом отношении является Ni, для которого клетки перицикла выполняют роль аккумулятора и “кольцевого коллектора”. Накапливаясь в протопласте и обладая высокой цитотоксичностью, Ni, единственный среди изученных металлов, ингибирует ветвление корня.

Ингибирующее действие Ni на образование боковых корней не наблюдалось у растений-гипераккумуляторов, что связано с низким содержанием Ni в клетках перицикла даже при высоких концентрациях соли Ni в растворе. Это может быть связано с тем, что перицикл гипераккумуляторов не играет роли аккумулятора и «коллектора» Ni и не препятствует его поступлению в ксилему.

Паренхимные клетки стелы включают в себя ксилемную паренхиму и паренхиму сердцевины, клетки которых отличаются по своей структуре. Клетки ксилемной паренхимы в корнях кукурузы имеют утолщенные клеточные оболочки, что также отличает их от паренхимы первичной коры. Поступая через эндодермальный барьер, уже через сутки после начала инкубации Sr выявлялся в апопласте клеток всех тканей стелы. Данное явление легко объяснить, если принять во внимание, что прочность связывания Sr с материалом клеточных оболочек невысока. Кроме того, значительная часть металла находится на поверхности клеточных оболочек или в периплазматическом пространстве. В совокупности это может определять высокую мобильность Sr, в результате чего модификация клеточных оболочек паренхимы стелы не ограничивает его передвижение в более глубокие ткани корня, в том числе в клетки сердцевины.

Чтобы проверить, для всех ли ионов металлов апопласт ксилемной паренхимы также проницаем, как для ионов Sr, было изучено распределение Cd и Pb в разрезанных вдоль корнях. У таких корней ветвление корня не ингибировалось в присутствии Cd и Pb, хотя эндодерма уже и не выполняла барьерной функции. Этот факт заставляет предположить, что проницаемость апопласта коры и центрального цилиндра для ионов Cd и Pb различна. При гистохимическом исследовании распределения Cd и Pb в разрезанных вдоль корнях было обнаружено, что Cd и Pb проникали только через 2-3 слоя клеток от поверхности разреза, тогда как по коре они доходили до эндодермы (рис. 8) [6].

Рис. 8 Схема локализации Cd и Pb в разрезанных вдоль корнях, инкубировавшихся в растворах нитратов металлов в течение 3 сут (поперечный срез). Распределение металлов на срезе обозначено черными точками.

Принимая во внимание, что Cd и Pb могут поступать в стелу и проводящие ткани через апекс корня, где отсутствуют физиологические барьеры для передвижения ионов, клетки ксилемной паренхимы можно рассматривать в качестве избирательного, неуниверсального для разных ионов, барьера, ограничивающего их передвижение по апопласту центрального цилиндра.

При различиях в транспорте разных ионов по апопласту стелы, транспорт по симпласту ничем не ограничен. Ni, проходя через эндодермальный барьер, поступал во все ткани стелы. Его содержание в протопластах клеток стелы было ниже, чем в эндодерме и перицикле, что определяется аккумулирующей ролью последних.

Ведущая роль в дальнем транспорте ионов по ксилеме отводится сосудам метаксилемы. Основным принципом в организации тканей стелы корня является пространственное разделение флоэмы и ксилемы при непосредственном контакте каждой из этих тканей с перициклом. Cd и Pb в незначительных количествах выявлялись в проводящих тканях корня и побега, особенно при отсутствии ионов-конкурентов в среде, что еще раз свидетельствует о существовании в апикальном участке корня «обходного» пути поступления этих металлов в стелу. Sr уже через двое суток накапливался во всех тканях побега, что свидетельствует об отсутствии барьеров на пути его передвижения. Содержание Ni в надземных органах исключателей было незначительным. Одной из причин подобного ограниченного поступления Ni в побеги может являться его накопление в областях перфораций между члениками сосудов метаксилемы. Не исключена также задержка тяжелых металлов у растений-исключателей в зоне перехода между корнем и побегом, где происходит перестройка тканей, в том числе и проводящих тканей.

Большой интерес представляет возможность транспорта тяжелых металлов по флоэме. Sr, как и Ni, обнаруживались во флоэмных элементах, однако, в отличие от Ni, Sr по-видимому не обладает возможностью перемещения по флоэме, либо эта способность ограничена.

Таким образом, у растений-исключателей низкое содержание металлов в надземных органах определяется барьерной функцией корневой системы. Для Cd и Pb эта функция определяется барьерной ролью эндодермы, в то время как для металлов, проходящих через эндодермальный барьер (Ni), могут функционировать иные морфофизиологические барьеры на уровне корня, например накопление в местах перфораций. Все перечисленные барьеры, однако, не универсальны для всех металлов. В отличие от исключателей, у гипераккумуляторов функциональные барьеры на уровне корня и побега отсутствуют.

3.2 Надземная часть растения

Распределение различных металлов в побегах имеет свои особенности. С одной стороны, это зависит от физико-химических свойств их ионов; с другой стороны, ? во многом определяется принадлежностью растений к типу исключателей или гипераккумуляторов.

Как и в корне, в побеге Sr передвигается по апопласту, для чего в проростках кукурузы не существует каких-либо специальных барьеров. Не наблюдается также преимущественного накопления Sr в отдельных тканях, что свидетельствует об одинаковой проницаемости апопласта клеток разных тканей побега и об отсутствии тканей с выраженными Sr-аккумулирующими свойствами.

В силу различных причин, уже рассмотренных выше, Сd, Pb и Ni поступают в надземные органы растений-исключателей в ограниченном количестве. В побегах эти металлы были обнаружены в проводящих тканях, эпидермисе, а в случае Ni ? и в клетках эндодермы. Выявление металлов в покровной ткани может быть результатом их накопления в участках, где заканчивается транспирационный ток.

Иные закономерности распределения металлов можно проследить у растений-гипераккумуляторов, что особенно четко проявляется в случае Ni. В то время как у растений-исключателей тканями-аккумуляторами Ni являются отдельные ткани корня, у растений-гипераккумуляторов сходную роль играет эпидермис стебля и листа, в клетках которого наблюдается накопление Ni.

Функциональная роль отдельных клеток эпидермиса в накоплении Ni различна. В одних случаях Ni был выявлен в основном в побочных клетках эпидермиса листа, в то время как в замыкающих клетках устьиц и длинных основных клетках эпидермиса он отсутствовал. Согласно другим данным, вытянутые основные клетки эпидермиса листьев содержали больше металла, чем мелкие клетки вокруг устьичного комплекса и замыкающие клетки.

Несмотря на выявленные различия в характере накопления Ni в эпидермисе у разных растений-гипераккумуляторов, были выявлены абсолютно одинаковые закономерности. Во-первых, Ni накапливался преимущественно в крупных клетках эпидермиса стебля, черешка листа и водозапасающих клетках эпидермиса листовой пластинки, основная часть объема которых занята центральной вакуолью. Во-вторых, клетки нижнего и верхнего эпидермиса листа четко различались по способности накапливать Ni: в нижнем эпидермисе эти клетки аккумулировали больше металла, чем те же клетки верхнего эпидермиса.

Само по себе существование подобных «емкостных» клеток в покровной ткани не определяет способность гипераккумуляторов накапливать Ni в надземных органах, их существование является необходимой предпосылкой, определяющей способность к гипераккумуляции, которая проявляется только при отсутствии барьерной функции корневой системы и неограниченном поступлении металла в побег.

Можно ожидать, что если бы накопление Ni в эпидерме определялось бы только явлением транспирации, то наибольшее содержание Ni было бы обнаружено в клетках устьичного аппарата. Вероятно, у гипераккумуляторов существует механизм, посредством которого Ni закачивается в «емкостные» клетки, хотя о его металлоспецифичности судить пока рано. Накопление в водозапасающих клетках эпидермы листовой пластинки было показано также для Cd и Zn, хотя содержание Zn в замыкающих клетках устьиц на единицу площади клетки было выше, чем в водозапасающих.

Анализируя полученные данные можно заключить, что все изученные металлы, за исключением Sr и Zn, не способны в какой-либо значительной степени проходить через плазмалемму клеток обкладки пучка и поступать в мезофилл. Именно эта особенность обуславливает поступление Cd, Pb и Ni в клетки эпидермы листа. Накопление Ni в эпидермальных клетках гипераккумуляторов может иметь приспособительное значение[8, 9].

3.3 Роль различных тканей растения в транспорте и распределении тяжелых металлов и поливалентных катионов

Проведенный анализ имеющихся сведений о транспорте и распределении тяжелых металлов в различных тканях растений показывает, что разные ткани, с одной стороны, могут выполнять неодинаковую функциональную роль в отношении разных металлов, а с другой стороны, эти ткани по-разному функционируют у растений-исключателей и растений-гипераккумуляторов. Все ткани по выполняемым функциям можно разделить на несколько групп (табл. 1).

Таблица 1. Роль тканей корня и побега в поглощении, передвижении и распределении Сd, Pb, Sr, и Ni у растений-исключателей и аккумуляторов [19].

Орган	Металл Ткань	Cd(1)	Pb(1)	Sr(1)	Ni(1)	Ni(2)
Корень	Ризодерма
	Наружная кора
	Внутренняя кора
	Эндодерма
	Перицикл
	Ксилема
	Флоэма
	Паренхима стелы
	Меристема
Побег	Эпидерма
	Мезофилл
	Ксилема
	Флоэма

-ткань, участвующая в поглощении, -ткань-аккумулятор, -ткань в которой металл выявляется, но не накапливается, -ткань, выполняющая барьерную роль, -ткань-коллектор, -проводящие ткани, участвующие в дальнем транспорте, -ткань, в которой металл накапливается только в отсутствии ионов-конкуренов, - содержание металла в ткани незначительно или он в ней отсутствует. (1)-растение-исключатель, (2)-растение-гипераккумулятор.

Принадлежность растений к гипераккумуляторам либо к исключателям определяется не только структурно-функциональными, но также физиологическими и биохимическими особенностями тканей и клеток корня. К структурно-функциональным особенностям гипераккумуляторов можно отнести отсутствие как барьерных тканей, так и тканей аккумуляторов и коллекторов, вследствие чего их корневая система не выполняет барьерной функции и металлы беспрепятственно поступают в ксилему, а следовательно, и в надземные органы растений. Кроме того, способность растений накапливать тяжелые металлы в надземных органах может определяться более эффективными системами поглощения ионов, устойчивых к действию тяжелых металлов, а также более эффективными механизмами детоксикации металлов направленных на поддержание гомеостаза [9].

4. Вывод

В данной работе были рассмотрены основные принципы транспорта и распределения ионов тяжелых металлов и поливалентных катионов в высших растениях, в зависимости от их принадлежности к двум разным группам: исключателей либо гипераккумуляторов. Была также выяснена роль различных тканей в проведении и накоплении тяжелых металлов. Изучение этих вопросов имеет важное значение для понимания механизмов адаптации и устойчивости растений к тяжелым металлам.

Список использованной литературы:

1. Лотова Л.И. Морфология и анатомия высших растений, Москва, 2001г.

2. Рейвн П., Эверт Р., Айкхорн С. Современная ботаника. Т.1 , Мир, 1990г.

3. Тутаюк В.Х. Анатомия и морфология растений, Москва «Высшая школа», 1980г.

4. Кожевникова А.Д., Серегин И.В., Быстрова Е.И., Беляева А.И., Катаева М.Н., Иванов В.Б. Влияние нитратов свинца, никеля и стронция на деление и растяжение клеток корня кукурузы // Физиология растений. 2009. Т. 56. C. 268-277.

5. Серегин И.В., Иванов В.Б. Гистохимические методы изучения распределении кадмия и свинца в растениях // Физиология растений. 1997. Т. 44. C. 915-921.

6. Серегин И.В., Иванов В.Б. Является ли барьерная функция эндодермы единственной причиной устойчивости ветвления корней к солям тяжелых металлов // Физиология растений 1997. Т. 44. C. 922-925.

7. Серегин И.В., Иванов В.Б. Передвижение ионов кадмия и свинца по тканям корня // Физиология растений. 1998. Т. 45. C. 899-905.

8. Серегин И.В., Кожевникова А.Д., Давыдова М.А., Быстрова Е.И., Schat Н., Иванов В.Б. Роль тканей корня и побега растений исключателей и гипераккумуляторов в транспорте и накоплении никеля // Доклады Академии наук. 2007. Т. 415. N. 3. C. 422-424.

9. Серегин И.В., Кожевникова А.Д. Роль тканей корня и побега в транспорте и накоплении кадмия, свинца, никеля и стронция // Физиология растений. 2008. Т. 55. С. 3-26.

10. Серегин И.В., Кожевникова А.Д. Усиление накопления и ростингибирующего действия никеля и свинца на проростки амаранта в присутствии кальция // Физиология растений. 2009. Т. 56. С. 92-96.

11. Серегин И.В., Пехов В.М., Иванов В.Б. Использование плазмолиза для выяснения локализации свинца в корневых клетках // Физиология растений. 2002. Т. 49. С. 317-319.

12. Демченко Н.П., Калимова И.Б. Динамика роста, пролиферация и дифференциация клеток корней пшеницы под воздействием никеля в высокой концентрации //Физиология растений. 2008.

13. Колесниченко В.В. Изучение влияния разных концентраций кадмия на этиолированные проростки пшеницы (Triticum aestivum L.) и рапса (Brassica napus)// Journal of Stress Physiology and Biochemistry. 2009.Vol. 5, No. 1-2. С. 16-31.

14. Мазей Н. Г. Влияние ионов Cd2+ и Pb2+ на рост и развитие растений пшеницы //Известия ПГПУ. 2008. N. 10. C. 33-38.

15. Рахманкулова З.Ф., Федяев В.В., Абдуллина О.А., Усманов И.Ю. Формирование адаптационных механизмов у пшеницы и кукурузы к повышенному содержанию цинка // Вестник Башкирского университета. 2008. Т. 13. №1 С. 43-46

16. Сибгатуллина М. Ш. Аккумуляция металлов дикорастущими луговыми растениями различных типов экологических стратегий // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2008. №3. С. 121-128.

17. Солдатова Н. А., Хрянин В. Н. влияние соли свинца на ростовые процессы у растений Cannabis sativa L. //Известия ПГПУ.2008. N. 6. С. 215-218.

18. Солдатова Н. А., Хрянин В. Н. Влияние солей тяжелых металлов на фитогормональный статус и проявление пола у растений конопли посевной//Физиология растений. 2009.

19. Серегин И. В., Распределение тяжелых металлов в растениях и их действие на рост// Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук, Москва--2009.

Размещено на Allbest.ru