Научная статья на тему 'Изменение активности антиоксидантных ферментов в онтогенезе бархатцев прямостоячих в условиях городской среды'

Изменение активности антиоксидантных ферментов в онтогенезе бархатцев прямостоячих в условиях городской среды Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
823
111
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
АНТИОКСИДАНТНЫЕ ФЕРМЕНТЫ / БАРХАТЦЫ ПРЯМОСТОЯЧИЕ / ЗАГРЯЗНЕНИЕ / ОНТОГЕНЕЗ / ANTIOXIDANT FERMENTS / MARIGOLDS / POLLUTION / ONTOGENESIS

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Ягдарова Ольга Аркадьевна, Воскресенская Ольга Леонидовна

В условиях городской среды на разных этапах онтогенеза в вегетативных органах бархатцев прямостоячих ( Tagetes erecta L.) определяли активность ферментов пероксидазы и каталазы. Максимальное значение активности пероксидазы приходилось на генеративный период у растений, произрастающих в промышленной зоне; для каталазы была характерна иная тенденция – наибольшая активность её была у ювенильных и имматурных растений, произрастающих в пригородной зоне.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Ягдарова Ольга Аркадьевна, Воскресенская Ольга Леонидовна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

CHANGES OF ANTIOXIDANT FERMENTS IN THE MARIGOLDS ONTOGENESIS UNDER THE CONDITIONS OF URBAN ENVIRONMENT

The activity of peroxidase and catalase ferments in the vegetative organs of Marigolds ( Tagetes erecta L.) at different stages of ontogenesis under the conditions of urban environment has been determined. The highest value of peroxidase activity was observed in plants of the generative period, growing in the industrial zone; the catalase was characterized by another tendency – its highest activity was observed in juvenile and immature plants growing in the suburban zone.

Текст научной работы на тему «Изменение активности антиоксидантных ферментов в онтогенезе бархатцев прямостоячих в условиях городской среды»

Изменение активности антиоксидантных ферментов в онтогенезе бархатцев прямостоячих в условиях городской среды*

О.А. Ягдарова, аспирантка, О.Л. Воскресенская, д.б.н., профессор, Марийский ГУ

В условиях урбанизированной среды зелёные насаждения выполняют огромную роль как средообразующий компонент, что выражается в поглощении и осаждении пыли, создании микроклимата, защите от шума, выделении кислорода. В настоящее время сильно возрос интерес к декоративным однолетникам, эта группа декоративных растений занимает одно из ведущих мест в озеленении города Йошкар-Олы. Тем не менее изучение однолетних декоративных растений в эколого-физиологическом аспекте остаётся малоизученным. В связи с этим особый интерес представляет физиологическая оценка отдельных этапов онтогенетических состояний, изучение которых даёт возможность в целом оценить полноту протекания процессов роста и развития растений. Использование физиологических подходов при изучении онтогенеза обусловлено тем, что именно эффективность энергетических и метаболических процессов определяет конкурентоспособность вида, интенсивность его развития. В задачу нашего исследования входил комплексный подход изучения активности некоторых ферментативных антиоксидантов в ассимилирующих органах у бархатцев прямостоячих в условиях антропогенной нагрузки.

Объекты и методы. Объектами исследования служили однолетние декоративные растения, наиболее часто используемые в озеленении города Йошкар-Олы, - бархатцы прямостоячие,

или африканские (Tagetes erecta L.), представитель семейства сложноцветных (Compositae). Нами было выделено три периода (латентный, пре-генеративный и генеративный) и, как показано на рисунке 1, семь онтогенетических состояний (se, p, j, im, v, gi, g2, g3) [1]. Для определения ферментов в работе использовались особи пре-генеративного (ювенильные, имматурные и виргинильные растения) и генеративного (молодые генеративные, средневозрастные и старые генеративные растения) периодов.

На территории г. Йошкар-Олы были выбраны различные по степени антропогенной нагрузки районы: пригородная зона — п. Руэм (контрольный район исследования), селитебная зона — ул. Я. Эшпая, 155, промышленная зона — ОКТБ «Кристалл». Выбор районов основывался на данных химического анализа атмосферного воздуха и почвы, которые были проведены на базе маргеомониторинга и на основе данных «Ежегодного доклада о состоянии окружающей среды Республики Марий Эл за 2010 год» [2].

Определение активности фермента перок-сидазы (КФ 1.11.1.7.) проводили колориметрическим методом с бензидином [3]; активность каталазы (КФ 1.11.1.6) определяли газометрическим методом с использованием каталазника [4]. Полученные данные подвергались стандартному статистическому анализу с использованием программы STATISTICA 6.0. Достоверность различий обсуждалась при 5-процентном уровне значимости.

Рис. 1 - Онтогенез Tagetes erecta L; Примечание: онтогенетические состояния: p - проросток; j - ювенильное растение; im - имматурное растение; v - виргинильное растение; g1 - молодое генеративное растение; g2 - средневозрастное генеративное растение

* Работа поддержана федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы. Номер соглашения:14.В37.21.1111. по теме «Экологические аспекты функционального состояния растений в условиях городской среды».

Результаты исследований. Наиболее часто при изучении устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды учитывается активность антиоксидантных железосодержащих ферментов, которые принимают участие в регуляции метаболизма в ходе онтогенеза и играют особую роль для растений в обеспечении быстрой приспособляемости к постоянно меняющимся условиям окружающей среды. Среди ферментов антиоксидантной системы особая роль отводится пероксидазе: она довольно чувствительна к комплексу загрязняющих атмосферу веществ и возрастание её активности может свидетельствовать о проявлении защитных реакций растений к неблагоприятным условиям, поэтому изменение содержания железосодержащего фермента в тканях может служить в качестве биоиндикатора развития устойчивости вида.

В результате исследований активности перок-сидазы в листьях бархатцев прямостоячих, произрастающих в различных по степени загрязнения атмосферного воздуха районах города, выявлены статистически значимые различия между особями разных онтогенетических состояний. Так, в ходе онтогенеза T. erecta наблюдалось увеличение активности пероксидазы при переходе от преге-неративного к генеративному периоду развития растений в селитебной и промышленной зонах (рис. 2). Действие антропогенных факторов (повышенное содержание пыли, оксидов азота и серы) привело к усилению активности фермента при переходе из одного онтогенетического состояния в другое.

В пригородной зоне активность данного железосодержащего фермента проявлялась несколько иначе: в прегенеративном периоде наблюдалось также некоторое увеличение данного показателя, однако при переходе особей в генеративный период (g1) происходило постепенное снижение активности пероксидазы.

Растения на разных этапах жизненного цикла обладают различной пластичностью. При этом наиболее велика морфологическая и физиологическая изменчивость признаков и процессов на самых ранних этапах индивидуального развития — слабее в зрелом возрасте и крайне незначительно в период старения организма или органов.

По данным В.С. Николаевского, одно из проявлений защитных реакций тканей в условиях промышленного загрязнения атмосферы — усиление анаэробного дыхания и возрастание активности терминальных оксидаз [5].

У особей в прегенеративном периоде максимальное значение активности пероксидазы приходилось на виргинильные особи, произрастающие в промышленной зоне (2,3 мкмоль/г • мин.-1), что в 4,5 раза выше по сравнению с пригородной зоной (р<0,05). Для данного онтогенетического состояния наблюдалось довольно широкое варьирование значений активности пероксидазы. При переходе особей в генеративный период активность фермента снижалась, что было характерно для всех районов исследования. Пик активности приходился на средневозрастные генеративные особи (4,2 мкмоль/г • мин.-1), что было в 2 раза выше по сравнению с растениями селитебной зоны и в 11 раз выше по сравнению с особями, произрастающими в пригородной зоне (р<0,05). По мере старения растений ^3) наблюдалось также дальнейшее снижение активности фермента.

Таким образом, наиболее высокий уровень активности пероксидазы, достоверно отличающийся от других онтогенетических состояний, был обнаружен в средневозрастном онтогенетическом состоянии у растений, произрастающих в районе с антропогенным загрязнением. Наши результаты согласуются с данными других авторов [6], которые отмечают, что максимальная

ш пригородная зона и селитебная зона ш промышленная зона Рис. 2 - Активность пероксидазы в онтогенезе бархатцев прямостоячих в условиях городской среды

25

і-Ч

І

'_н I.V

о

10

5

О

прегенеративныи период генеративный период

а пригородная зона и селитебная зона ^ промышленная зона Рис. 3 - Активность каталазы в онтогенезе у видов в условиях городской среды

активность фермента совпадает с периодом наиболее интенсивных метаболических процессов, происходящих во время цветения и плодоношения. Подобная картина изменений активности данного фермента говорит о сложных процессах адаптации, протекающих в растениях, поэтому она имеет свою специфику в каждую фазу развития и для каждого вида.

Важная роль в обмене веществ отводится и каталазе, которая является одним из самых активных ферментов в природе, обладающих рекордными скоростями работы; она также участвует в процессах адаптации организма к стресс-факторам. При изучении каталазы нами было выявлено, что данный фермент проявлял неодинаковую активность как в процессе онтогенетического развития, так и в зависимости от районов исследования. Статистически достоверное уменьшение активности обнаружено только у особей в прегенеративном периоде (р<0,05). Анализ онтогенеза T. erecta показал, что особи в ювенильном (18,7 мкмоль О2/г-мин.) и им-матурном (18,1 мкмоль О2/г-мин) состояниях обладали наиболее высокой активностью ката-лазы, а по мере старения растений активность фермента ослабевала (рис. 3).

У бархатцев прямостоячих, выращенных в селитебной и промышленной зонах, происходило снижение данного показателя по мере прохождения онтогенеза. Для имматурного онтогенетического состояния растений наблюдалось довольно широкое варьирование значений активности каталазы: в селитебной зоне показатель снижался в 2 раза, а в промышленной — в 5,5 раза (р<0,05). Таким образом, с повышением уровня загрязнения городской среды наблюдалось снижение активности каталазы.

В.С. Николаевский также указывает, что в результате загрязнения окружающей среды данный антиоксидантный фермент в значительной мере снижает свою активность. Возможно,

такое изменение активности каталазы говорит о сложных процессах адаптации [5].

Изменение активности каталазы во многом связано с биологическими особенностями вида и в некотором роде является показателем реакции растительного организма на комплекс экологических воздействий [7]. Большинство растений обладают пониженной активностью фермента на неблагоприятных участках произрастания, и, чем выше устойчивость вида к загрязняющим веществам, тем более высока стабильность действия этого энзима [8].

Таким образом, одним из механизмов адаптации растений к антропогенным факторам городской среды является изменение активности ряда ферментативных компонентов антиоксидантной защиты на протяжении всего онтогенеза. У бархатцев прямостоячих в прегенеративном периоде максимальное значение активности перокси-дазы приходилось на виргинильные особи, а в генеративном периоде — на средневозрастные генеративные растения, произрастающие в промышленной зоне. Для каталазы была характерна иная тенденция — наибольшая активность её была у особей ювенильного и имматурного онтогенетических состояний в пригородной зоне.

Итак, при увеличении антропогенного загрязнения происходило усиление активности пероксидазы и снижение активности каталазы. Возможно, что повышение активности одного железосодержащего фермента — пероксидазы сопровождается ингибированием активности другого железосодержащего фермента — каталазы. Это рассматривается как естественный механизм защиты от неблагоприятных условий, направленный на сохранение чувствительных к отрицательным воздействиям внутриклеточных компонентов.

Характер изменения активности ферментативных компонентов антиоксидантных систем при воздействии антропогенных загрязнителей

может определять степень адаптационных способностей растений, что вносит определённый вклад в изучение механизмов экологической устойчивости растений в урбофитоценозах и даёт более общую картину в изучении взаимодействия различных факторов среды на разных этапах онтогенеза и в различных условиях произрастания.

Литература

1. Ягдарова O.A. Онтогенез бархатцев прямостоячих, или африканских (Tagetes erecta L.) // Онтогенетический атлас: научное издание. Йошкар-Ола: МарГУ, 2011. Т. 6. С. 38—43.

2. Ежегодный доклад о состоянии окружающей среды Республики Марий Эл за 2010 год. Йошкар-Ола: Департамент

экологической безопасности, природопользования и защиты населения Республики Марий Эл, 2011. 190 с.

3. Бояркин А.Н. Быстрый метод определения активности пероксидазы // Биохимия. 1951. Т. 16. Вып. 4. С. 352—355.

4. Prasad K.V.S.K., Saradhi P.P., Shamiila P. Concerted Action of Antioxidant Enzymes and Curtailed Growth under Zinc Toxicity in Brassica juncea // Environ. Exp. Bot. 1999. Vol. 42. P. 1-10.

5. Николаевский B.C. Экологическая оценка загрязнения среды и состояния наземных экосистем методами фитоиндикации. М.: Изд-во МГУЛ, 1998. 193 с.

6. ЖуковаJI.А., ВоскресенскаяO.JL, Грошева Н.П. Морфологические и физиолого-биохимические особенности онтогенеза календулы лекарственной (Calendula officinalis L.) в посевах разной плотности // Экология. 1996. № 2. С. 104—110.

7. Тарчевский И.А. Сигнальные системы клеток растений. М.: Наука, 2002. 294 с.

8. Чиркова Т.В. Физиологические основы устойчивости растений. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2002. 244 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.