Введение к работе
Актуальность проблемы
Липиды - один из четырех главных классов биомолекул, которые, наряду с углеводами, белками и нуклеиновыми кислотами, обеспечивают жизнедеятельность всех организмов. Растительные липиды играют важную роль в росте и воспроизводстве, фотосинтезе, определяют ценность ряда этих организмов как пищевого сырья (Васьковский, 1997; Browse et al., 1998; Harwood, 1998; Wallis et al., 2002). Это группа природных веществ крайне разнообразна по структуре, функциям и составу продуктов, образующихся в процессе их метаболизма (Ohlrogge, Browse, 1995; Антонов, 1996; Jaworski, 1997; Benning, 1998; Joyard et al., 1998; Гринштейн, Кост, 2001; Харакоз, 2001; Dormann, Benning, 2002; Hagio et al., 2002).
С экологической точки зрения представляет интерес участие липидов, как одного из главных компонентов биологических мембран, во юаимодействии со средой обитания. Состав липидов клетки и, в особенности, клеточных мембран, является отражением процессов их синтеза и деградации, а также обмена с окружающей средой (Harwood 1994; Kaniuga, 1999; Zielinska et al., 2000; Чиркова, 2002; Тарчевский, 2002; Ветчинникова, 2004).
В последние годы окружающая среда претерпевает значительные изменения (Фелленберг, 1997; Calow, 1998). На современном этапе техногенное влияние на живые организмы становится сравнимым по своим масштабам и значению с такими важнейшими факторами, как температура, свет, вода и другие. (Розенберг и др., 1999; Коршиков, 1996; Янин, 2003, Левич и др., 2004). При этом следует учитывать, что загрязнение окружающей среды становится тем внешним фактором, к которому растение эволюционно не приспособлено (Aziz, Larher, 1998; Calow, 1998; Заварзин, 2001; Духовский и др., 2003; Левич и др., 2004). В связи с этим на всех направлениях научЕіой и хозяйственной деятельности нарастает потребность оценить не только адаптивный потенциал растений, но и их ответные реакции на внешние воздействия. Для того чтобы изучить адаптационный потенциал организмов разного уровня организации, нужно знать, какова реакция организма на отклонение того или иного фактора от экологического оптимума, какие механизмы способствуют приспособлению к изменяющимся условиям среды (Усманов и др., 2001; Кулагин, 2006).
Адаптация - одно из основных биологических явлений, реализующихся на разных уровнях организации живых систем: от молекулярного до биосферного (Чиркова, 2002; Ипатова, 2005). Приспособления к отдельным факторам среды или к комплексу природных условий, проявления их на онтогенетическом и эволюционном уровнях с участием разных механизмов позволяют счи-
тать способность к приспособлению одним из наиболее общих свойств живых существ.
Границы, внутри которых возможно приспособление к окружающим условиям, составляют основу глобального процесса взаимодействия организма и среды и являются «экологическим пределом» процессов жизнедеятельности (Озериюк, 1992; Rama Deli, Prasad, 1999; Larsson et al., 2002; Кузнецов, Дмитриева, 2005).
Изменчивость биохимических параметров в ответ на изменение факторов среды позволяет превентивно регистрировать изменения в обмене веществ, наступающие, как правило, до появления видимых отклонений от нормы. Это дает возможность определять пределы адаптивных возможностей и судить о степени устойчивости и чувствительности организмов (Новицкая, Сурова, 1999; Berglund et al., 2000; Прасад, 2003; Немова, 2005).
В литературе имеются многочисленные данные о качественном и количественном составе липидов различных видов растений (Eichenberger, 1993; Dem-bitsky, 1996; Kunzler, Eichenberger, 1997; Васьковский, 1998; Хотимченко, 2003). Однако роль этого класса соединений в адаптационных процессах недостаточно ясна. В связи с этим концепция данной работы может быть представлена как выяснение участия липидной составляющей клеточного метаболизма различных систематических групп растений в процессе их взаимодействия с факторами внешней среды, в том числе и антропогенного происхождения, а также участия липидов в адаптационных процессах растений разного уровня организации.
Цель и задачи исследования
Целью настоящей работы явилось выявление адаптивной роли различных групп липидов в процессе эволюции, онтогенеза и при кратковременных стрессовых воздействиях на различных представителей царства растений.
В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи:
-
Изучить и провести сравнительный анализ качественного и количественного состава липидов растений, относящихся к разным таксономическим группам Rhodophyta, Phaephyta, Chlorophyta, Charophyta, Psilotophyta, Lycopodiophyta, Equisetophyta, Polypodiophyta, Pinophyta, Magnoliophyta.
-
Исследовать липидный состав различных жизненных форм растений в зависимости от условий их обитания (водные и наземные растения).
-
Оценить сезонную динамику количественного содержания различных групп липидов растений одного вида в различных условиях обитания.
-
В модельных лабораторных и полевых исследованиях выявить зависимость изменения липидных характеристик от воздействующих факторов среды.
5. Выявить закономерности в изменении состава липидов растений в длительных (отдельные стадии филогенеза и онтогенеза) и кратковременных (стрессовых) процессах.
Положения, выносимые на защиту:
-
Качественный и количественный состав липидов растений различных групп является характерным признаком их систематической принадлежности и определяется условиями среды их обитания. Различия в количественном составе исследованных групп липидов растений разных жизненных форм, типов экотопов и в зависимости от сезона вегетации свидетельствуют об адаптивной роли липидов в жизни растений.
-
Содержание бетаинового липида ДГТС является характерным для определенной группы растений и зависит от экзо- и эндогенных факторов.
-
Ионы тяжелых металлов, аккумулируясь в различных органах, как водных, так и наземных растений, воздействуют на их физиолого-биохимические показатели. Направленность и степень воздействия на растения зависит от природы металла, концентрации, продолжительности действия и проявляется в изменении липидного спектра.
-
Повышенное содержание азота, как одного из биогенных элементов, не приводит к существенному изменению состава липидов растений. Недостаток биогенного элемента фосфора вызывает количественные изменения в содержании некоторых групп липидов растений.
Научная новизна
Впервые определен состав липидов 156 видов растений из отделов Rhodo-phyta, Phaephyta, Chlorophyta, Charophyta, Psilotophyta, Lycopodiophyta, Equise-tophyta, Polypodiophyta, Pinophyta, Magnoliophyta. Уточнены литературные данные о присутствии бетаиновых липидов в высших растениях. Впервые показано, что вариабельность количественного уровня липидов, в том числе бетаинового липида ДГТС, меняется не только в зависимости от таксономического положения растений, но и от стадии их развития, условий обитания и при воздействии антропогенных факторов. В результате проведенных исследований выявлены основные группы липидов, наиболее устойчивые и наиболее вариабельные к изменениям условий обитания.
Изучено влияние ряда факторов (температуры, содержания таких макроэлементов, как фосфор и азот) на качественный и количественный состав липидов высших растений.
Впервые проведены систематические исследования влияния ионов металлов (Cu+2, Pb+2, Cd+2, Zn+2, А1+3) на физиологическое (рост и развитие), биохимическое (общие липиды, содержание и качественный состав фосфо- и глико-лштиды, жирных кислот) состояния водных (Potamogeton perfoliatus) и наземных растений {Matteuccia struthiopteris). Показаны особенности аккумуляции
ионов металлов в зависимости от возраста растения и типа ткани. Выявлен характер и направленность изменений липидной компоненты клеток растений при воздействии ионов тяжелых металлов в диапазоне концентраций 1-1000 мкмоль/л.
Теоретическое значение работы
Сравнительный анализ липидов растений различной систематической принадлежности, стадии их развития, а также вариабельность состава липидов в разных условиях обитания позволяет расширить наши представления о закономерностях процессов жизнедеятельности. Результаты проведенных исследований позволяют не только выявить закономерности адаптивной роли липидов различных таксономических групп растений в зависимости от воздействующих факторов внешней среды, но и применить полученные данные в качестве дополнительного критерия в хемотаксономии растений и в биогеохимических исследованиях.
Практическая значимость работы
Выявленные устойчивые и изменчивые компоненты липидного спектра позволяют использовать их в качестве дополнительных критериев при разработке системы оценки уровня устойчивости и адаптивного потенциала растений в условиях антропогенного загрязнения окружающей среды.
Реализация результатов исследования
Результаты исследований используются при чтении спецкурсов в Волжском университете им. В.Н. Татищева (г. Тольятти), ГОУ ВПО «Самарский государственный университет».
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями
Работа выполнена в период 1989-2006 гг. в лабораториях химии природных соединений (1989-1993 гг.) и экологической биохимии (1993-2006 гг.) Института экологии Волжского бассейна РАН. Исследования проводились в рамках следующих НИР: «Разработать количественные методы биоиндикации факторов зафязнения экосистем» (1989-1995 гг.); «Провести поиск и разработать биохимические методики оценки воздействия антропогенных факторов на водоросли, грибы, лишайники» (1989 г.); «Биоиндикация природных и антропогенных процессов в бассейне Средней и Нижней Волги» (1991-1995 гг.); «Биохимические аспекты индикации антропогенного воздействия на организмы различных уровней организации» (Профамма ОБН АН «Проблемы общей биологии и экологии; рациональное использование биологических ресурсов», 2001-2005 гг.); «Структурно-функциональная организация водных экосистем бассейна Средней и Нижней Волги в условиях комплексного воздействия антропогенных факторов» (Государственная регистрация № 0120.0412472), выполняемой по заданию Президиума РАН. Кроме того, работа проводилась при финансовой поддержке фантов РФФИ № 04-04-96506-р «Механизмы устойчивости расте-
ний в условиях антропогенного загрязнения тяжелыми металлами» и № 05-04-52027 «Развитие МТБ для проведения исследований по области знаний 04 в изучении механизмов устойчивости растений в условиях антропогенного загрязнения тяжелыми металлами».
Личный вклад автора
Автором определены цели и задачи, подготовлена программа исследований, осуществлено планирование экспериментов и выбор методов, организация полевых и лабораторных исследований. Сбор материалов и подготовка проб к анализу осуществлялся при непосредственном участии автора. Автором лично выполнена обработка и обобщение результатов.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и докладывались на 5-й Международной конференции по химии и биотехнологии биологически активных природных продуктов (Варна, Болгария, 1989); 15-м Международном конгрессе по биохимии (Иерусалим, Израиль, 1991); на II научно-практической конференции «Экологические и социально-практические проблемы региона Самарской Луки» (Тольятти, 1997); IV съезде Общества физиологов растений (Москва, 1999); 20-м Симпозиуме по липидам Северных стран (1999, Дания); 14-м Международном симпозиуме по липидам растений (Кардифф, Великобритания, 2000); Всероссийской конференции по водным растениям «Гидроботаника 2000» (Борок, 2000); IV республиканской конференции «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан» (Казань, 2000); Международном симпозиуме «Сигнальные системы в растительной клетке» (Москва, 2001); XI международном симпозиуме по биоиндикаторам «Современные проблемы биоиндикации и биомониторинга» (Сыктывкар, Республика Коми, 2001); II съезде биохимического общества (Санкт-Петербург, 2002); 3-м конгрессе Федерации Европейского общества по физиологии растений (Херсонисос, Крит, Греция, 2002); 1-м Европейском симпозиуме по фундаментальным и прикладным аспектам липидов растений (Аахен, Германия, 2003); Международной конференции «Экологические проблемы бассейнов крупных рек - 3» (Тольятти, Россия, 2003); V съезде Общества физиологов растений России (Пенза, 2003); Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы загрязнения водных ресурсов Волжского бассейна, современные методы и пути их решения» (Волгоград, 2004); 16-м Международном симпозиуме по липидам растений (Будапешт, Венгрия, 2004); Международной научной конференции «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики» (Тольятти, 2005); Международной конференции «Современные проблемы водной токсикологии» (Борок, 2005).
Публикации
Количество опубликованных работ составляет 70. По теме диссертации опубликовано 36 работ, из них 20 статей в центральных научных журналах, ре-
комендованных ВАК, 13 статей в международных журналах, 3 статьи в региональных сборниках.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы (586 источников, из которых 336 на иностранных языках), 12 приложений. Работа изложена на 413 страницах, содержит 93 таблицы, 77 рисунков.
