Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Южное зауралье - регион с уникальным разнообразием природных условий
1.1. Характеристика района проведения исследований 9
в соответствии с ботанико-географическим районированием
1.2. Экологические условия местообитаний как активаторы адаптивных изменений растений 13
1.2.1. Уровни пространственного распределения химических элементов в почвах Южного (Башкирского) Зауралья 14
1.2.2. Эндемичность местообитаний Южного Зауралья. 28
ГЛАВА 2. Проблемы формирования адаптивного специализированного метаболизма растений
2.1. Пути биосинтеза флавоноидов и возможные точки
формирования разнообразия молекул.
2.1.1. Экологические механизмы регуляции накопления флавоноидов 31
2.1.2. Физиологические аспекты регуляции накопления флавоноидов . 50
2.2. Роль химических элементов, относимых к тяжелым металлам
в регуляции биосинтеза специализированных метаболитов. 75
ГЛАВА 3. Объекты и методы исследования
3.1. Исследуемые виды: ботаническая характеристика и особенности
специализированного обмена. 90
3.1.1.Juniperus sabina L. 91
3.1.2. Achillea nobilis L. и A. millefolium L. 94
3.1.3. Glycyrrhiza korshinskyi Grig. 97 3.1.4 Atriplex patula L. 100
3.1.5 Bassia sedoides (Pallas) Ascherson . 101
3.1.6. Kochia prostrata (L.) Schrad. 102
3.1.7. Artemisia salsoloides Willd 103
3.1.8. Phaseolus vulgaris L. 104
3.1.9. Zea mays L. 106 3.1.10.Kalanchoe pinnata (Lam.) Pers. 107
3.1.11. Triticum aestivum L. 108
3.1.12. Glycine max L. 109
3.2. Методы исследования 110
3.3. Статистическая обработка результатов 114
ГЛАВА 4. Разнообразие флавоноидов в эколого-ценотических условиях южного Зауралья
4.1. Фитоценологические особенности исследованных видов 115
4.2. Пластичность морфофизиологических показателей исследованных видов.
4.2.1. Анализ хроматограмм исследованных видов в условиях Южного Зауралья .
4.2.2.Особенности состава флавоноидов у растений исследованных видов в естественных условиях 134
4.2.3. Изменчивость морфофизиологических показателей растений в культуре
4.2.3.1. Накопление флавоноидов растениями Phaseolus vulgaris. 196
4.2.3.2. Поливариантность механизмов компенсации растениями дефицита элементов минерального питания 198
4.2.3.3. Пластичность корреляционных связей между параметрами 203
4.3 Децентрализованная сеть биосинтеза флавоноидов
4.3.1. Множественный характер адаптивных реакций как результат пластичности метаболизма 211
4.3.2. Функциональная направленность и эквифинальность адаптивных изменений 216
4.4. Адаптивные модификации флавоноидов
4.4.1.Участие отдельных радикалов в формировании антиоксидантных свойств молекул флавоноидов 227
4.4.2 Антиоксидантный статус флавоноидов как интегрированный показатель уровня стрессовой нагрузки 232
ГЛАВА 5. Обоснование создания геохимического резервата на южном зауралье
5.1. Об определении понятия «Эндемизм» 238
5.2.Ландшафтный и геохимический эндемизм Южного Зауралья 238
5.3. Растения - химические эндемики и локальные генетические множества признаков 243
5.4. О создании ООПТ в Южном Зауралье 248
Выводы 250
Литература
- Уровни пространственного распределения химических элементов в почвах Южного (Башкирского) Зауралья
- Физиологические аспекты регуляции накопления флавоноидов
- Bassia sedoides (Pallas) Ascherson
- Анализ хроматограмм исследованных видов в условиях Южного Зауралья
Уровни пространственного распределения химических элементов в почвах Южного (Башкирского) Зауралья
Акъярский степной район (рис.1) Рельеф – пониженные увалисто мелкосопочные равнины. Климат теплый, засушливый. Среднегодовое количество осадков - 270-300 мм. Среднегодовая температура воздуха 1,8 С. Сумма активных температур 2300С. ГТК 0,70. Высота снежного покрова на 10 марта - 30 см. Растительность представлена сухими ковыльными степями (класс Festuco-Brometea Br.-Bl. et Tx. ex So 1947, порядок Helictotricho Stipetalia Toman 1969), которые в настоящее время, большей частью распаханы и деградированы в результате выпаса. Зональная растительность представлена лессинговоковыльными степями ассоциации Scorzonerо austriacaе – Stipetum lessingianae Yamalov ass. nova prov. (Ямалов и др., 2013), которая объединяет бедные настоящие степи с преобладанием Stipa lessingiana. Иногда встречаются галофитные сообщества засоленных местообитаний класса Festuco Puccinellietea So ex Vicherek 1973. Почвенный покров формирует южный подтип чернозема. Район освоен и относительно слабо заселен.
Сибайский степной район. (рис.1) Рельеф – широковолнисто увалистые равнины. Растительность представлена преимущественно настоящими разнотравно-ковыльными степями (класс Festuco-Brometea Br.-Bl. et Tx. ex So 1947, порядок Helictotricho-Stipetalia Toman 1969) и их антропогенными вариантами (класс Polygono-Artemisietea austriacae, Mirkin et al. in Ishbirdin et al. 1988). Наиболее распространенными зональными степями в районе являются залесско-ковыльные степи ассоциации Amorio montanae Stipetum zalesskii Yamalov ass. nova prov. (Ямалов, 2011).
Климат теплый, засушливый. Среднегодовое количество осадков - 350-270 мм. Среднегодовая температура воздуха 1,8 С. Сумма активных температур 2000-2200 С. ГТК 0,85. Высота снежного покрова на 10 марта - 30 см. Преобладают обыкновенные черноземы. Район хорошо освоен и густо заселен. 1.2. Экологические условия местообитаний как активаторы адаптивных изменений растений.
Известно, что природная среда Южного (Башкирского) Зауралья формировалась под влиянием нескольких планетарных и специфичных региональных процессов. Прежде всего, это сложность образования геологической структуры горных хребтов Урала и Зауральского пенеплена, сложенных породами возрастом от архея до современности. Переходный характер ландшафтов от горных к равнинным определяет особенности выветривания и, следовательно, горизонтального переноса частиц почв и подпочвенных пород с ветром или грунтовыми водами (Семенова, 2013). К другим факторам относятся: наличие нескольких геохимических провинций, богатых многообразием химических элементов и различающихся по составу и концентрациям этих элементов; климат, во многом определяемый «барьерной тенью» Урала; особенности исторического формирования флоры и растительности. В большинстве случаев эти процессы влияют на элементы территории относительно независимо друг от друга (Семенова и др., 2012; Суюндуков и др., 2013). В целом Южный Урал сложился, как уникальный регион, эндемичный по многим почвенным параметрам. Эта эндемичность существенно увеличивается в результате микромозаичного перераспределения химических веществ по элементам ландшафтов. Сформировалось множество местообитаний с уникальными комбинациями химических элементов и хаотичным соотношением концентраций этих элементов (Опекунов, Опекунова, 2013).
Можно выделить три уровня пространственной организации этой почвенной мозаичности. Первый уровень – это уровень геохимических провинций с масштабом изменчивости химического состава на уровне десятков и сотен километров (Опекунов, Опекунова, 2013). Второй уровень – уровень перераспределения химических элементов в результате крупномасштабных долгосрочных процессов выветривания и эрозии: перемещения почвенных масс, содержащих соли металлов, под влиянием водной и ветровой эрозии и их последующее перераспределения по ландшафтным градиентам (Суюндуков и др., 2013). Масштаб изменчивости состава химических элементов на этом уровне – километры (Семенова и др., 2012). Третий уровень – уровень микрофлуктуаций химического состава почвенных местообитаний на расстояниях в десятки и сотни метров. В отдельных случаях резкие изменения состава химических элементов почв могут наблюдаться на расстояниях в несколько метров. Этот уровень с позиций комплексного анализа химического состава почв до настоящего времени практически не рассматривался.
Многокомпонентный природный комплекс химических элементов оказывает разнонаправленные воздействия на морфогенетические и физиолого-биохимические системы растений. Поскольку большинство химических элементов региона (тяжелые металлы и другие элементы) активно влияют на живые системы, изменения функциональных особенностей растений носят адаптивный характер. Оценку степени эндемичности местообитаний по содержанию химических элементов в почвах и проводили по Golovin, еt.аl., (2004), И.Н. Семеновой (2013).
Физиологические аспекты регуляции накопления флавоноидов
Итак, концентрации химических элементов меняются в пределах действия закона толерантности Либиха-Шелфорда (Усманов и др., 2001). Для каждого вида растений, в силу его экологической индивидуальности, эти границы видоспецифичны. Однако, учитывая богатый флористический состав экосистем Южного Зауралья, является очевидным, что к таким режимам смогло адаптироваться большое число видов растений.
Сложный геологический фон перехода от горной складчатости к Зауральскому пенеплену системы древних осадочно-вулканогенных пород палеозоя насыщен многочисленными месторождениями полиметаллов, медноколчеданными, марганцевыми, цинковыми, никелевыми, хромовыми с преобладанием золота, и другими рудами и другими полезными ископаемыми (яшма, порфирит, гранит, родонит, горный хрусталь и мн. др.). Территория Южного (Башкирского) Зауралья характеризуется высокой мозаичностью содержания многообразных химических элементов в почвах (Суюндуков и др., 2013). Это определяется тремя основными причинами: 1) наличием нескольких, различающихся по составу, геохимических провинций на относительно небольшой территории Южного Зауралья; 2) перемещением металлосодержащих субстратов по элементам ландшафтов в результате естественных (водной и ветровой) эрозионных процессов; 3) усилением распространения металлов в результате деятельности объектов горнорудной промышленности при освоении, добыче, переработке, транспортировке сырья, хранении продукции и отходов.
Независимость формирования спектров элементов. Концентрация любого элемента меняется независимо от других элементов. Это определяется совокупностью многих факторов: содержанием их в почвообразующих породах, физико-химическими характеристиками почв в конкретных местообитаниях, подвижностью элементов в почвах, особенностями эрозии почв на участках с различными исходными концентрациями, различными антропогенными факторами. В реальной жизни далеко не всегда можно проследить все причины, которые сформировали то или иное содержание каждого элемента в конкретном местообитании. Поэтому в конкретных местообитаниях причины того или иного распределения отдельных элементов воспринимаются как стохастические.
Содержание металлов в почвах контролируется всем комплексом физико-химических процессов выветривания, эрозии, биогенной и антропогенной миграции химических элементов. В целом под влиянием процессов разной природы в Башкирском Зауралье складывается система эндемичных, по признакам содержания химических элементов, местообитаний.
Число биологически – значимых осей гиперпространства экологических ниш. Если применить простой арифметический анализ возможных комбинаций избыточных, нормальных и дефицитных содержаний нескольких химических элементов, то можно предположить возможность существования большого числа ниш с различающимися характеристиками. В нашем случае мы рассмотрели изменения по 15 химическим элементам (табл. 1). Если редуцировать содержание каждого физиологически значимого химического элемента к двум градациям: «норма» – «вне нормы», то можно определить минимальное потенциальное число ниш как 215-степени вариантов концентрационных сочетаний. Каждое из таких сочетаний обладает специфическим набором ингибирующих и стимулирующих свойств, воздействующих на физиолого-биохимические процессы в растениях. Итак, в геосистемах Южного (Башкирского) Зауралья формируются многомерные экологические ниши, где содержание каждого физиологически активного элемента меняется от минимальных до максимальных значений выживания в границах закона толерантности Либиха-Шефорда для разных видов. Различия в концентрациях каждого элемента происходит в стохастическом режиме и независимо от других факторов – осей ниши. У растений, выживающих в таких условиях, должен формироваться специфический адаптивный потенциал, приспособленный к непредсказуемым комбинациям жизненно важных факторов среды. Оценка особенности формирования такой конструкции адаптивного потенциала явилась нашей следующей задачей. О целесообразности создания резервата по охране уникальных почвенных экологических ниш в Южном Зауралье
Вопрос о необходимости создания особо охраняемой территории (ООПТ) в Южном Зауралье ставился неоднократно. На основании флористической и синтаксономической уникальности растительности создание ООПТ было предложено в районе хребта Ирендык (Янтурин и др., 1991; Янтурин, 2004). Крупномасштабный анализ степей Евразии был проведен группой японских исследователей под руководством Т. Накамура (2004, 2005, 2007, 2008). Ими было показано, что западная и восточная части степного пояса подверглись существенным антропогенным изменениям: если восточная часть степей подверглась пастбищной дегрессии, то западная часть практически вся распахана. В силу этого как на востоке, так и на западе не сохранилось типичных для этих мест степных участков (Усманов и др., 1989; Янтурин,2004).
По мнению Т. Накамуры, степные участки хребта Ирендык и прилегающие зауральские степи, включая степи историко-культурного заповедника Аркаим в Челябинской области – самые богатые в мире по видовому разнообразию: на 100 м2 участках им описано до 100 и более видов, включая представителей «Красной книги Башкортостана».
Bassia sedoides (Pallas) Ascherson
Этот путь объединяет в себе не только образование фенольных соединений, но и синтез ароматических аминокислот – фенилаланина, тирозина и триптофана (Lister, Lancaster, 1996; Медведев, 2004). Этот процесс катализируется ключевым ферментом вторичного метаболизма – фенилаланин-аммоний-лиазой (ФАЛ, 4.31.24/4.31.25). Именно ФАЛ и является своеобразной «развилкой» между первичным и вторичным метаболизмами.
Кроме того, известно, что биосинтез флавоноидов невозможен без использования веществ-макроэргов - АТФ и NADPH (Медведев, 2004, Winkel-Shirley,2004; Тюкавкина, 2008). Важнейшую роль в метаболизме флавонидов играет Ацетил-СоА и его производные, выступая в качестве строительного материала при биосинтезе у флавоноидов кольца В. Также установлено, что на последних стадиях биосинтеза некоторых флавонолов, например, кверцетина, в качестве вспомогательного метаболита используется -кето-глутаровая кислота (Lukacin, 2003). И наконец, связь между основным метаболизмом и метаболизмом флавоноидов становится наиболее тесной на последних этапах их биосинтеза - этапах образования соответствующих гликозидов, которые составляют подавляющее большинство от перечня этих соединений (Тюкавкина, 2008). Регуляция растениями качественного состава флавоноидов. Под изменениями в качественном составе подразумевается появление или исчезновение отдельных соединений или целых классов веществ.
Применительно к способности растений регулировать качественный состав накапливаемых соединений выявлены следующие особенности:
1.) Теоретических ограничений у списка синтезируемых растениями метаболитов очень немного. Но для большинства классов метаболитов справедливо правило – теоретически возможное количество различных вариантов их молекул на много порядков превышает реально выявленное (Тюкавкина, 2008).
2) Все вышесказанное справедливо, применительно и к специализированным метаболитам. Самыми пластичными классами, очевидно, следует считать терпеноиды, фенольные соединения и их гликозиды – обширные классы веществ, насчитывающие по несколько десятков тысяч соединений, среди которых выявлены как уникальные, так и повсеместно встречающиеся. Например, известное к настоящему времени число одних только флавоноидных соединений не поддается точной оценке, но составляет несколько десятков, а может быть и сотен тысяч соединений. При этом на содержание биологически активных соединений исследовано только около 10% известных видов растений В то же время подсчитано, что теоретически возможное количество этих соединений исчисляется миллионами (Тюкавкина,2008), и существуют многочисленные примеры, когда у отдельных видов растений биосинтез фенольных соединений кардинально меняется. Причиной изменения состава накапливаемых соединений и одним из эффективных механизмов влияния на эти изменения может быть серьезное вмешательство в экспрессию растительного генома.
3) Показано, что внутри каждого вида растений различия химического состава могут быть значительными, являясь результатом как индивидуальных различий, так и различий в экологических условиях. Считается, что это может привести к образованию «химических таксонов и рас», которые будут различаться между собой по химическому составу, но такая химическая дифференциация не будет коррелировать с дифференциацией по морфологическим признакам (Высочина, 2007)
Таким образом, регуляция растениями в естественных условиях обитания качественного состава флавоноидов в принципе возможна. Растения при этом могут задействовать следующие основные регуляторные механизмы: 1.модификацию экспрессии генома, 2. кардинальную перестройку работы ферментных систем. Модификация экспрессии генома.
В некоторых работах было показано, что когда у трансгенных растений Arabidopsis thaliana, был заблокирован ген фермента HCT (шикимат-О-гидроксициннамоил-трансферазы, 2.3.1.133), являющегося ключевым в биосинтезе лигнина, это привело к перераспределению метаболических потоков в сторону синтеза флавоноидов через усиление активности альтернативного фермента - халкон-синтазы (CHS, 2.3.1.74). В результате этого в растениях существенно возросло содержание некоторых флавонолов, антоцианов и их производных (Besseau, et al., 2007). Другими исследователями при работе с мутантными формами арабидопсиса было открыто регулирующее действие на гены халконсинтазы и других ферментов следующих факторов: цитокининов, криптохрома -1, фитохрома-А, низких температур, причем в этой работе было высказано предположение, что регуляция осуществляется через некий общий для этих ферментов механизм (Wade, et al., 2003).
Аналогичным образом была продемонстрирована возможность регулирования биосинтеза антоцианов в созревающих плодах клубники (Griesser, et.al., 2008). Чуть ранее японские коллеги (Kodan, et. al, 2002) изучили возможность управления фенольным метаболизмом у густоцветной сосны (Pinus densiflora) путем регулирования экспрессии генов, кодирующих стильбен-синтазу (STS) и халкон-синтазу (СHS, рис.7, 8). Таким образом, установлено, что биосинтез основных классов флавоноидов проходит через стадию образования молекулы P-кумароила-коэнзима А (рис 8).
Анализ хроматограмм исследованных видов в условиях Южного Зауралья
Тяжёлые металлы (далее - ТМ) — это группа химических элементов со свойствами металлов (в том числе и полуметаллы) и значительным атомным весом либо плотностью. Известно порядка сорока различных определений термина «тяжелые металлы», и невозможно указать на одно из них, как наиболее принятое. В данной главе используется наиболее общий список этих веществ (Weast, 1984; Мур,1987).
Известно, что в жизни растений ТМ играют двоякую роль. Некоторые ТМ, являясь микроэлементами, в небольших количествах для растений просто необходимы (Медведев,2004). В этот перечень входят, кобальт, марганец, медь, молибден, цинк. Известно множество видов растений, способных произрастать на почвах с повышенным содержанием ионов тяжелых металлов и являющихся аккумуляторами и гипераккумуляторами. Эти растения характеризуются, как правило, низкой скоростью роста и накопления биомассы (Datta, 2004). Гипераккумуляция растениями характерна для ионов марганца (Fernando, 2009), никеля (Kupper, et.al, 2001; Freeman J. L., et al., 2005), кадмия (Cosio C, et al, 2005) и цинка (Mijovilovich A., et al, 2009).
Однако именно токсический эффект от повышенного содержания тяжелых металлов, среди других видов абиотических стрессов у растений в последнее время обсуждается особенно активно (Таланова и др.,2001; Титов и др.,2007; Mijovilovich, et al, 2009; Гончарук, Загоскина, 2009; Кислицына, 2012). ТМ в соответствующих концентрациях являются сильными стресс-факторами и одними из главных природных токсикантов, с которыми растения сталкиваются либо в своих естественных местах обитания, либо в связи с усиливающимся антропогенным воздействием на окружающую среду. Известно, что чувствительность растений к ионам отдельного тяжелого металла зависит не только от механизма его токсического действия, но довольно часто определяется также качественным и количественным составом других соединений, что лишний раз демонстрирует проявление закона совместного действия факторов Митчерлиха-Бауле (Усманов,2001). Так было установлено, что для ионов кадмия, меди и никеля существует общий трансмембранный переносчик, активность которого снижается ионами калия, кальция и магния ( Schtzendbel, Polle, 2001; Кожевникова и др., 2007). Установлено, что при этом важное значение имеют события, происходящие в ризосфере - характер распределения ионов между растением и почвой и активность микроорганизмов ( Schtzendbel, Polle, 2001).
В то же время установлено, что чувствительность растений к отдельным типам ионов тяжелых металлов может формироваться достаточно независимо. Так, было показано, что усиление чувствительности растений ярутки к кадмию никак не сказывается на их чувствительности к цинку (Freeman J. L., et al., 2005), а растения-гипераккумуляторы цинка способны повреждаться избыточными концентрациями меди ( Schtzendbel, Polle, 2001).
Известно три основных механизма токсического действия ТМ: 1) Непосредственная инициация образования в клетках активных форм кислорода. Эта способность определяется тем, как соотносятся между собой окислительно-восстановительные потенциалы (редокс- потенциалы) ионов металлов и клеточной среды. В клетках аэробных организмов эта величина изменяется обычно в диапазоне от -420 до + 800 мВ. Тяжелые металлы, чей редокс-потенциал находится ниже этих пределов, не способны сами непосредственно инициировать оксидативный стресс ( Schtzendbel, Polle, 2001). Основные редокс-активные металлы имеют следующие значения этого показателя (таб. 7): 2) Образование устойчивых связей с входящими в состав органических молекул атомами кислорода, азота и серы. Это приводит к снижению растворимости, стабильности и, как следствие, активности соответствующих соединений, например из-за нарушения дисульфидных связей в белках ( Schtzendbel, Polle, 2001). 3) Замена металлов в металл-содержащих ферментах. Известно, что кадмий, кобальт, никель и цинк способны заменять магний в составе рибулозо бифосфат-карбоксилазы/оксигеназы, в результате чего резко снижается ее активность. Замена кальция на кадмий при образовании комплекса с кальмодулином также способна привести к ингибированию активности некоторых ферментных систем ( Schtzendbel, Polle, 2001).
Таким образом токсичность того или иного тяжелого металла для того или иного вида растения определяется следующими факторами: 1) Эколого-физиологической особенностью вида. В настоящее время cчитается, что по отношению к отдельным тяжелым металлам растения разных видов могут выступать как: аккумуляторы и гипераккумуляторы. У этих растений содержание ионов тяжелых металлов в растениях многократно превышает их содержание в почве. Растения имеют конститутивные механизмы устойчивости к отдельным тяжелым металлам, что и позволяет им аккумулировать токсичные элементы в метаболически инертных органах и органеллах или включать их в хелаты и тем самым переводить в физиологически безопасные формы. К данной группе относятся растения, накапливающие металлы главным образом в надземных органах как при низком, так и высоком содержании их в почве индикаторы — содержание тяжелых металлов в растениях соответствует таковому в почве или ином субстрате; исключатели - в побегах этих растений поддерживается низкая концентрация металлов, несмотря на высокую концентрацию в окружающей среде. В этом случае барьерную функцию выполняет корень (Демидчик и др., 2001; Титов и др., 2007).
2) Характером взаимодействия поглощаемых ионов в почве и в самом растении. При этом чувствительность растения к одному иону-токсиканту может как зависеть, так и не зависеть от концентрации в почве других ионов.
3) Непосредственно механизмами токсического действия отдельного иона. Ион ТМ может сам непосредственно инициировать образование перекисных соединений, или его токсическое действие может быть связано с инактивацией или неправильной работой клеточных метаболитов.
4) Возрастом растения, подверженного воздействию ионов тяжелого металла. Установлено, что возрастная динамика накопления тяжелых металлов растениями видоспецифична (Титов и др., 2007).
Похожие диссертации на Особенности состава флавоноидов популяций растений как проявление адаптаций в геохимических условиях Южного Зауралья
