Введение к работе
з
Актуальность темы. Загрязнение воды, воздуха, выпадение кислотных осадков, деградация почвы, увеличение интенсивности потока ультрафиолетовой радиации и как следствие общее нарушение экологического равновесия привели к тому, что живые организмы все в большей мере подвергаются прессингу широкого спектра экстремальных факторов среды. Исходя из вышеуказанного ясно, что помимо вопросов коррекции состояния окружающей среды, актуальной становиться и проблема повышения устойчивости организмов к этим экологическим факторам. Прикладная, на первый взгляд, проблема поиска методов защиты имеет и фундаментальный аспект. Более глубокое понимание механизмов толерантности к внешним воздействиям, характерных для организмов и экосистем, необходимо для прогнозирования последствий и их предупреждения, что особенно важно в связи с проблемой возможного увеличения генетического груза в условиях нарастающего антропогенного прессинга на природные популяции.
Общим следствием влияния большинства абиотических факторов (Polle and Rennenberg, 1993), в том числе таких широко распространенных как тяжелые металлы (Flora et al., 2008; Liu et al., 2009) и ультрафиолетовое излучение (Kovacs et al., 2009), на организмы является увеличение внутриклеточной концентрации активных форм кислорода (АФК). Поэтому, одна из возможных мер, снижения негативного действия этих факторов на организмы, может быть реализована через систему природных антиоксидантов, уменьшающих внутриклеточные концентрации АФК.
Одними из таких антиоксидантов со свойствами экологических протекторов могут быть продукты деградации пуринов, в частности, аллантоин и мочевая кислота. Так, в серии опубликованных ранее работ (Ames et al., 1981; Гуськов и др., 2002; 2004), сообщалось об обнаружении способности аллантоина и урата подавлять развитие деструктивных процессов, индуцируемых активными формами кислорода. Так же была показана способность аллантоина снижать уровень аберраций хромосом (Гуськов, 2004), что немаловажно для обеспечения защиты от воздействия экстремальных факторов, зачастую обладающих мутагенным эффектом. Активные формы кислорода могут также либо непосредственно индуцировать мутации, либо изменять чувствительность клеток к другим мутагенам (Guetens et al., 2002).
Способность урата защищать нуклеиновые кислоты широко применяется на практике, это вещество входит в состав пропитки наиболее популярного «инструмента» консервации ДНК - FTA-карт.
Цель и задачи исследования. Целью работы является эколого-генетическая оценка защитного эффекта аллантоина и мочевой кислоты в условиях окислительного стресса.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
Исследовать действие тяжелых металлов на растения подсолнечника и горчицы и определить уровень устойчивости к этому воздействию в присутствии природных антиоксидантов аллантоина и мочевой кислоты.
Исследовать влияние аллантоина и урата на действие окислительного стресса, индуцированного гипербарической оксигенацией (ГБО), на подсолнечник Helianthus annum L. и горчицу Brassicajuncea Czern.
Изучить при помощи бактериальных биосенсоров действие длинноволнового спектра ультрафиолета (300-400 нм), характерного для солнечного света у земной поверхности, и определить наиболее эффективные концентрации аллантоина и мочевой кислоты, супрессирующие его мутагенный эффект.
Исследовать антимутагенную и супероксидустраняющую активности аллантоина и мочевой кислоты с помощью бактериальных биосенсоров и опытов in vitro.
Провести сравнительный анализ влияния тяжелых металлов и протекторных свойств аллантоина и мочевой кислоты на внеядерные мутанты подсолнечника.
Научная новизна полученных результатов. Впервые проведен сравнительный анализ устойчивости растений к воздействию тяжёлых металлов в присутствии природных антиоксидантов - аллантоина и урата. Исследовано воздействие ультрафиолета с длиной волны 300-400 нм на бактериальной модели и определена зависимость величины антимутагенной активности аллантоина от его концентрации. Предложена экспериментально обоснованная модель протекторных свойств аллантоина и урата от рассмотренных экологических факторов. Впервые исследовано влияние ядра и
цитоплазматических генов на устойчивость растений подсолнечника Helianthus annuus L. к действию тяжелых металлов.
Практическая значимость работы. Полученные результаты позволят расширить и систематизировать современные представления о влиянии таких абиотических факторов как тяжелые металлы и ультрафиолетовое излучение. Выявленный фотопротекторный эффект аллантоина может быть использован для повышения эффективности солнцезащитных смесей.
Информация о повышении устойчивости растений к действию тяжёлых металлов в присутствии аллантоина и урата может быть использована в биотехнологическом процессе получения новых форм - аккумуляторов тяжелых металлов для фиторемедиации загрязненных почв.
Материалы диссертации включены в состав учебных материалов для занятий студентов биолого-почвенного факультета Южного федерального университета по специальным курсам кафедры генетики и могут быть использованы в учебном процессе в других вузах.
Основные положения, выносимые на защиту:
Пуриновые катаболиты - урат и аллантоин являются эффективными протекторами от действия тяжелых металлов на растения.
Аллантоин подавляет мутагенный эффект ультрафиолета с длиной волны 300-400 нм.
Аллантоин и урат снижают негативное действие окислительного стресса на растения.
Внеядерные мутации подсолнечника приводят к повышению устойчивости растений к действию тяжелых металлов.
Апробация работы. Результаты исследования и основные положения диссертации были представлены и обсуждены на Международной конференции «International interdisciplinary workshop and scientific discussion club IW+SDC06» (Bangkok - Pattaya, Thailand, 2006); Международной научно-практической конференция «Вавиловские чтения - 2007» (Саратов, 2007); III Международной научно-практической конференции «Урбоэкосистемы. Проблемы и перспективы развития» (Ишим, 2008); Международном научно-практическом симпозиуме «Свободнорадикальная медицина и антиоксидантная терапия» (Волгоград, 2008); IV Международной научной конференции «Факторы экспериментальной эволюции организмов» (Крым, 2008); XV
6
Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы биологии и
экологии» (Сыктывкар, 2008); Международной научно-практической
конференции «Современная экология - наука XXI века». (Рязань, 2008); П
Международной научно-практической конференции «Проблемы биологии,
экологии, географии, образования: история и современность» (СПб., 2008); IV
съезде Российского общества биохимиков и молекулярных биологов
(Новосибирск, 2008); П-м Санкт-Петербургском международном
экологическом форуме «Окружающая среда и здоровье человека» (Санкт-Петербург, 2008); II всероссийском с международным участием конгрессе «Симбиоз Россия 2009» (Пермь, 2009).
Публикация материалов исследования. По теме диссертации опубликовано 18 работ, объёмом 2,9 п.л., из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК, получен один патент. Доля участия автора в публикациях составляет 80% (2,3 п.л.).
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, результатов собственных исследований, заключения, выводов, списка литературы. Работа изложена на 131 странице, содержит 17 рисунков и 33 таблицы. Список цитируемой литературы включает 169 источника, из них 146 на иностранных языках.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и образования РФ (гранты «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)» № 2.1.1/5628 и № 2.1.1/4947).
