Введение к работе
Актуальность исследований. Глобальная проблема нехватки пресной воды на Земле в значительной мере усиливается повсеместным антропогенным загрязнением окружающей среды. В связи с этим задача сохранения и очистки естественных и искусственных водоемов становится особенно актуальной. Важная роль в этих процессах принадлежит высшим водным растениям (ВВР) (Якубовский, Мережко, 1982; Зенова и др., 1995; Куриленко, Осмоловская, 2006; Huss, Wehr, 2004), а наиболее перспективные способы решения этой задачи базируются на использовании видов, имеющих высокий адаптационный потенциал. В ряде работ показано, что наряду с популяционными механизмами адаптационные способности отдельных организмов, реализуемые через коррекцию биохимических и физиологических процессов, играют важную роль в поддержании гомеостаза природных систем (Маляревская, 1985; Ратушняк, 2002; Абдуллина, 2006). Представители семейства рясковых, широко распространенные в пресных водоемах с невысокой скоростью течения, часто используются как биоиндикаторы, а также в целях биотестирования водоемов (Ломакин, Ульянова, 1993; Цаценко, Малюга, 1998). Показано, что они весьма перспективны при проведении работ по фиторемедиации (Korner et al, 1998; Cheng et al, 2002; Mkandavir et al, 2004, Zhao et al, 2012). Однако особенности их адаптации к изменению условий окружающей среды, необходимые для разработки наиболее эффективных методов очистки или индикации качества воды, изучены недостаточно.
Цель и задачи исследования. Цель работы: выявление эколого-биохимических особенностей адаптации высшего водного растения вольфии бескорневой (Wolffia arrhiza (L., 1771) Hork. ex Wimmer) к действию абиотических и биотических факторов в различных условиях культивирования.
Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
Изучить физиоло го-биохимические параметры экспериментальной популяции вольфии бескорневой (численность, продуктивность, содержание белка, углеводов, аминокислотный состав и др.) в условиях разной обеспеченности элементами минерального питания.
Исследовать устойчивость вольфии бескорневой к воздействию поллютантов различной природы на примере тяжелых металлов (ТМ), сложных неорганических соединений - люминофоров и антибиотиков.
Определить степень и характер сомаклональной вариабельности на уровне закрепленных фенотипов вольфии бескорневой при ксенобиотической нагрузке.
Исследовать динамику изменения рН среды в процессе культивирования растений.
Изучить возможность совместного культивирования вольфии бескорневой с фитоассоциированными бактериями, реализующими различные типы взаимодействия, на примере Azospirillum brasilense, Agrobacterium tumefaciens, Pseudomonas fluorescens.
Научная новизна. Определены параметры, характеризующие процесс адаптации растения W. arrhiza к изменению условий существования, в том числе к различной обеспеченности элементами минерального питания, соответствующей уровням трофности водоемов. Впервые показано образование стабильных
фенотипически измененных клонов вольфии бескорневой в ответ на действие ксенобиотиков с различными механизмами действия. Разработан оригинальный метод их получения и культивирования. Впервые показан нелинейный характер изменения рН культуральной среды (кондиционирование среды) в процессе развития популяции вольфии бескорневой в нормальных условиях и при ксенобиотической нагрузке. Впервые показано изменение спектра внутриклеточных белков данного растения и экстраклеточных пептидов бактерий при их совместном культивировании.
Научно-практическая значимость. Разработан способ получения аксеничной культуры W. arrhiza, защищенный патентом РФ (RU 2 390 121 СІ МІЖ A01G 7/00). Данная культура может быть использована для решения ряда биотехнологических задач, связанных с получением сверхпродуцентов ценных соединений (белков, полисахаридов, пигментов и других метаболитов), в том числе и для получения фенотипически измененных клонов вольфии с новыми, экологически значимыми свойствами. Полученные результаты могут быть использованы для разработки фиторемедиационных мероприятий путем создания эффективных растительно-бактериальных ценозов. Результаты диссертационной работы используются при преподавании студентам общих и специализированных курсов по экотоксикологии на биологическом факультете Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского.
Апробация работы. Материалы исследований были представлены и обсуждены на: Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты функционирования водных экосистем» (Саратов, 2001); Международной конференции: «International Symposium on Biochemical Interactions of Microorganisms and Plants with Technogenic Environmental Pollutants» (Saratov, 2003); Всероссийской конференции «Молекулярные механизмы взаимодействия микроорганизмов и растений: фундаментальные и прикладные аспекты» (Саратов, 2005); 3-й Региональной школе - конференции молодых ученых «Стратегия взаимодействия микроорганизмов с окружающей средой» (Саратов, 2006); 7-м съезде Общества физиологов растений России «Физиология растений - фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» и Международной научной школе «Инновации в биологии для развития биоиндустрии сельскохозяйственной продукции» (Нижний Новгород, 2011).
Диссертация обсуждена и одобрена на расширенном заседании лаборатории физиологии растительной клетки ИБФРМ РАН, протокол № 2 от 06.03.2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 1 патент и 2 статьи в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ.
Декларация личного участия. Автор принимал непосредственное участие в планировании и проведении экспериментальной части работы, которая проводилась в период с 2001 по 2011 год, самостоятельно осуществлял обработку полученных данных. Доля личного участия автора в подготовке и написании совместных публикаций составляет 50 - 70%.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
1. Вольфия бескорневая при разных уровнях обеспеченности элементами
минерального питания обладает высокой продуктивностью и устойчивостью к
действию органических и минеральных поллютантов, что позволяет ей быстро
адаптироваться к разным условиям трофности и загрязненности среды произрастания.
2. Вольфия бескорневая под действием ксенобиотиков проявляет
сомаклональную вариабельность и формирует несколько закреплённых фенотипов и
пережидающую форму, что является проявлением механизма адаптации и способствует выживанию популяции.
3. Экспериментальная популяция W. arrhiza при совместном культивировании с микроорганизмами A. brasilense, A. tumefaciens, P. fluorescens способна влиять на их рост и вызывать изменение белковых спектров как растения, так и бактерий.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, включает 24 рисунка и 2 таблицы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, четырех глав с изложением полученных результатов и их обсуждения, заключения, выводов и библиографического списка, включающего 234 источника отечественных и зарубежных авторов.
