Введение к работе
Актуальность темы. Среди антропогенных факторов среды обитания, негативно воздействующих на живые организмы, особое место занимают ионы металлов, за которыми в научной литературе закрепилось название токсичные или тяжелые металлы (ТМ) (Прасад, 2011). Накопление ТМ в почве и воде вынуждает растения приспосабливаться к новым условиям среды. Важную роль в регулировании «взаимоотношений» живого организма и окружающей среды играют липиды клеточных мембран. Состав липидов оказывает влияние на такие важные процессы жизнедеятельности растений, как дыхание, фотосинтез, транспорт питательных веществ, водный режим и т.д. Изучение механизмов устойчивости растений к действию ТМ чаще проводились на травянистых и культивируемых растениях. Работы по изучению устойчивости споровых растений носят единичный характер, что ограничивает развитие прикладных исследований. Следует подчеркнуть, что папоротники представляют огромный интерес в изучении стратегии выживания растительных организмов, поскольку обладают эффективными приспособительными реакциями, выработанными в процессе эволюции. Многие виды папоротников используются в пищевых и лекарственных целях, а также в декоративном оформлении городских территорий. Некоторые папоротники способны связывать токсичные ТМ (Chang et al., 2009). В этой связи, работы экспериментального характера, посвященные исследованию влияния ионов металлов на важнейшие структурно-функциональные показатели высших споровых растений, являются актуальными.
Цель и задачи исследования. Целью работы являлся сравнительный анализ влияния ионов меди, цинка, кадмия и свинца на структурно-функциональные свойства папоротника Matteuccia struthiopteris (L.) Todaro.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
-
Установить характер изменения ростовых процессов папоротника в ответ на воздействие ионов металлов.
-
Выявить особенности накопления и распределения ионов меди, цинка, кадмия и свинца, в разных органах и отдельных частях растений.
-
Изучить влияние ионов металлов на содержание фотосинтетических пигментов в ассимилирующих органах растений.
-
Исследовать особенности изменений структурных и запасных липидов на разных стадиях развития и в разных органах в ответ на действие ионов металлов.
-
Выявить основные типы адаптивных перестроек в липидном компоненте мембран и определить их значение в устойчивости папоротников к действию ионов металлов.
Научная новизна. Впервые исследовано развитие папоротника М. struthiopteris в присутствии ионов меди, цинка, кадмия и свинца. Установлена
способность папоротников успешно прорастать и развиваться при наличии в корнеобитаемой среде ионов указанных металлов в широком диапазоне концентраций. Установлены разные типы стратегий папоротника по характеру накопления металлов - «исключателей» для меди, цинка и свинца и «индикатора» для кадмия; по влиянию на ростовые параметры - усиление (в присутствии меди и кадмия) или замедление (в присутствии цинка и свинца) роста; по влиянию на состав фотосинтетических пигментов и состав липидов биологических мембран.
Теоретическая значимость работы. Полученные результаты вносят существенный вклад в понимание механизмов устойчивости растений к действию ионов металлов, содержащихся в окружающей среде обитания.
Практическая значимость работы. Выявленные особенности накопления ионов металлов разными органами папоротника М. struthiopteris необходимо учитывать при культивировании данного вида в пищевых целях. Установленные структурные и функциональные особенности папоротника позволяют рекомендовать использование данного вида в целях фиторемедиации, а также в декоративных посадках на городских территориях, загрязненных ионами металлов. Положения, выносимые на защиту.
Присутствие в корнеобитаемой среде ионов металлов вызывает изменение процессов роста папоротника и содержания фотосинтетических пигментов.
М. struthiopteris обладает устойчивостью к действию меди, цинка, кадмия и свинца при концентрациях, не превышающих 100 мкМ.
- Действие ТМ на корневую систему растений приводит к изменению
содержания и состава структурных и запасных липидов клетках корневой части и
листового аппарата.
- По характеру М. struthiopteris обладает двумя типами стратегии накопления
ионов металлов в разных органах, реализация которого зависит от природы металла.
Апробация работы. Материалы работы представлены на VII международной научной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений» (Минск, 2011); Всероссийском симпозиуме «Экология мегаполисов: фундаментальные основы и инновационные технологии»; школе молодых ученых по экологической физиологии растений (Москва, 2011); II Всероссийской школе-конференции молодых ученых Уфимского научного центра РАН по физико-химической биологии и биотехнологии «Биомика - наука XXI века» (Уфа, 2011); VII съезде Общества физиологов растений России «Физиология растений -фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» (Нижний Новгород, 2011); молодежной научной конференции «Актуальные проблемы экологии Волжского бассейна» (Тольятти, 2011); международном симпозиуме «Клеточная сигнализация у растений» (Казань, 2011); Всероссийском симпозиуме «Растение и стресс» (Москва, 2010); международной научно-практической конференции «Физические механизмы становления и поддержания функций
организма» (Сухуми, 2010); международной научной конференции «Materials of the Four Russian-Polish School of Young Ecologists» (Тольятти, 2010); на V Любищевских чтениях «Теоретические проблемы эволюции» (Тольятти, 2010); международной научной конференции «Физико-химические механизмы адаптации растений к антропогенному загрязнению в условиях Крайнего Севера» (Апатиты, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (глава 1), материалов и методов исследования (глава 2), результатов и их обсуждения (глава 3), выводов, списка литературы. Библиографический указатель включает 236 источников, из них 144 на иностранных языках. Работа изложена на 137 страницах, содержит 10 таблиц и 25 рисунков.
Декларация личного участия автора. Автором лично осуществлен весь комплекс исследований, обработка и интерпретация фактического материала. Написание текста диссертации осуществлялось автором по плану, согласованному с научным руководителем.
Благодарности. Автор выражает большую признательность за помощь при сборе материала д.б.н., проф. С. В. Саксонову, а также всем сотрудникам лаборатории экологической биохимии за ценные советы, поддержку и помощь в обработке материала
