Биологический факультет СПбГУ

Группа «Ионный гомеостаз и механизмы устойчивости растений к тяжелым металлам»


Состав: доц., к.б.н. Осмоловская Н.Г. – руководитель, н.с., к.б.н., Попова Н.Ф., н.с. Кучаева Л.Н., магистрант 1 года из КНР Лю Жуй (специализация «Экологическая физиология растений», профиль «Минеральный обмен в растениях»), магистрант 1 года из Вьетнама Ву Вьет Зунг (специализация «Экологическая физиология растений», профиль «Минеральный обмен в растениях»), магистрант 1 года Богомазова М.В. (специализация «Экология»).

Основным предметом проводимых в группе научных исследований является изучение функциональной роли органических кислот в механизмах формирования ионного гомеостаза и устойчивости растений к действию тяжелых металлов. Устойчивость растений к токсическому действию тяжелых металлов (ТМ) определяется совместным действием ряда механизмов, среди которых особая роль принадлежит механизмам ТМ гомеостаза, обеспечивающим минимизацию повреждающего действия ТМ путем поддержания низких концентраций ионных форм ТМ в цитозоле растительных клеток. В основе ионного ТМ гомеостаза лежит согласованное действие механизмов ограничения притока ионов ТМ в клетку, их хелатирования в цитозоле и секвестирования ионов и/или ТМ комплексов в метаболически неактивные компартменты (вакуоль). Среди потенциальных хелаторов ТМ принципиальный интерес представляют органические кислоты, участие которых в обеспечении устойчивости растений к действию ТМ может осуществляться как через формирование внутриклеточных, так и экстраклеточных комплексов с ионами ТМ, при этом вопрос о биодоступности последних для поглощающих систем растений остается нерешенным.

Задачи группы:

Исследование особенностей поглощения тяжелых металлов - Cd, Zn, Cu, Pb и их аккумуляции в органах и тканях растений в зависимости от формы и содержания металлов во внешней среде;

Исследование влияния тяжелых металлов на ростовые процессы, минеральный обмен и формирование ионного гомеостаза в органах растений;

Исследование воздействия тяжелых металлов на пулы органических кислот в корнях и надземных органах растений;

Анализ участия органических кислот (цитрат, малат, оксалат и др.) в процессах экстра- и интраклеточного хелатирования, транспорта и аккумуляции ионов тяжелых металлов в растениях;

Сравнительный анализ устойчивости исследуемых растений к действию Cd, Zn, Cu, Pb и оценка их фиторемедиационного потенциала в условиях загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами.

Основные объекты исследования – растения-гликофиты разной таксономической принадлежности, различающиеся типом обмена органических кислот: фасоль Phaseolus vulgaris L., амарант Amaranthus cruentus L., рапс Brassica napus L., а также декоративные растения – бархатцы Tagetes patula, календула Calendula officinalis, цинерария Cineraria maritime.

Основной метод исследования – модельная гидропонная культура растений. Эксперименты выполняются на вегетирующих 3-8-недельных растениях, выращиваемых на питательных растворах в условиях оранжереи Ботанического сада СПбГУ и в лаборатории биологии развития растений в Петергофе. Аналитические методы исследования - атомно-абсорбционный (AAS-3, AA-7000, количественный анализ содержания тяжелых металлов в органах растений), хромато-масс-спектрометрический (Хроматограф-масс-спектрометр Agilent Technologies, анализ содержания органических кислот в растениях и корневых экссудатах), спектрофотометрический (анализ содержания минеральных ионов K+, Ca2+, Mg2+, Na+, PO42-, SO42-- в растениях), потенциометрический (анализ содержания K+, NO3- и других минеральных ионов с использованием ионоселективных электродов), гистохимический (анализ распределения металлов в тканях растений).

Ключевые результаты: нами было установлено, что продуктивность гликофитных растений во многом детерминирована параметрами ионного гомеостаза в клетках листа. Выявлено наличие корреляционной зависимости между общей продуктивностью растения и соотношением минеральных и органических анионов в листьях, что описывается кривой с максимумом в области отношения, составляющего 0,3-0,7 для разных видов растений (Осмоловская, 1989). Показана стимулирующая роль нитратных источников азота в формировании пулов органических кислот в листьях растений, представленных у фасоли преимущественно растворимыми формами цитрата и малата (Осмоловская, 1998), а у амаранта - пулами растворимого и нерастворимого оксалата, играющими ведущую роль в процессах ионного гомеостатирования в клетках листа (Осмоловская, и др., 2007; Попова, 2009). Установлено, что при воздействии Cd растения фасоли, рапса и амаранта проявляют стратегию эксклюдеров, аккумулируя до 90% поглощенного металла в корнях, что сопровождается нарушениями K/Ca баланса, утечкой калия из корней и надземных органов и снижением содержания органических кислот в листьях. Получены доказательства присутствия органических кислот в корневых экссудатах и возрастания пула нерастворимого оксалата в корнях амаранта под влиянием Cd, что рассматривается как свидетельство вовлечения этой кислоты в процессы детоксикации Cd через индукцию оттока оксалата из листьев в корни с возможной экскрецией для обеспечения эндо- и экзогенного связывания ионов ТМ и ограничения их поступления в растения. Установлены видоспецифические различия в действии экзогенно вносимых органических кислот и синтетических хелаторов на поступление ТМ в растения, которые выражаются в ингибировании поглощения Cd у амаранта в ряду цитрат > малат> оксалат и стимуляции в ряду ЭДТА > сукцинат, тогда как у фасоли выявлена противоположная зависимость, что ставит вопрос об углубленном исследовании биодоступности ионов ТМ и лиганд-метальных комплексов и их участия в механизмах ТМ гомеостаза и формировании устойчивости растений к действию ТМ.

Результаты выполненных в группе научных исследований представлены в успешно защищенной кандидатской диссертации Поповой Н.Ф. (2009) «Роль оксалата в формировании ионного гомеостаза в листьях Amaranthus cruentus L.», в магистерских диссертациях Лукояновой Е.М. (2006) «Роль состава среды выращивания в процессах аккумуляции кадмия и его воздействия на растения фасоли Phaseolus vilgaris L.» и Кудряшевой З.К.(2009) «Исследование устойчивости растений амаранта Amaranthus cruentus L. к действию кадмия» и ВКР бакалавра Лю Жуй (2010) «Исследование устойчивости растений рапса ярового Brassica napus к действию цинка и кадмия». В настоящее время в группе по данной тематике выполняются 2 магистерских диссертации: Лю Жуй «Исследование физиологических механизмов устойчивости растений рапса к действию цинка и кадмия» (Рук. - доцент, к.б.н. Н.Г.Осмоловская), Ву Вьет Зунг «Роль органических кислот в механизмах устойчивости растений амаранта к действию кадмия» (Рук- доцент, к.б.н. Н.Г.Осмоловская, н.с., к.б.н. Н.Ф.Попова).

Исследования в области механизмов устойчивости декоративных растений к действию ТМ (Cd, Cu, Zn, Pb) и их фиторемедиационного потенциала осуществляются в рамках выполнения тем ВКР бакалавров и магистерских диссертаций. По этой тематике успешно защищены дипломная работа Кузиной О.Н. (2008) «Изучение аккумуляции тяжелых металлов декоративными растениями и перспективность их использования в целях фиторемедиации», ВКР Дэн Кэ (2009) «Исследование накопления Cu и Zn растениями Tagetes patula в водной культуре» и магистерская диссертация Самута В.Ю.(2010) «Оценка фиторемедиационного потенциала растений Tagetes patula в условиях загрязнения городских почв тяжелыми металлами».

В настоящее время выполняется магистерская диссертация Богомазовой М.В. «Оценка устойчивости растений Calendula officinalis в условиях загрязнения городских почв тяжелыми металлами»

Основные публикации:



© Биологический факультет СПбГУ, 2006-2011