Доклады Российской академии наук. Науки о жизни, 2021, T. 501, № 1, стр. 547-550

Клеточная стенка (КС) – это сложноорганизованная и многофункциональная структура, первая вступающая в контакт с внешним раствором и модифицирующая его состав за счет реакций обмена между ионогенными группами полимеров КС и ионами раствора. Структурные и ионообменные характеристики КС определяют ионный состав среды, которая омывает клеточную мембрану, контролируют перенос растворенных веществ в клетку и влияют на механические и осмотические явления, связанные с ростом клеток [1]. КС является не только сложной, но и динамичной структурой, состав и организация которой могут изменяться в процессе онтогенеза и под действием внешних факторов [2, 3]. Кроме того, реакции ионного обмена в КС клеток корня регулируют поступление веществ в корни растений [4–6], а при повышенной концентрации тяжелых металлов (ТМ) в почвенном растворе КС выступает как первый защитный барьер на пути их поступления в цитоплазму клеток корня, эффективность которого обусловлена ионообменной способностью КС в отношении катионов металлов [5].

Ионообменные свойства КС в отношении двух- и трехвалентных катионов металлов главным образом определяются содержанием деметилированных карбоксильных групп галактуроновой кислоты [4, 7] в составе пектиновых веществ. В то же время и другие компоненты КС (белки, аминокислоты и фенольные соединения) также принимают участие в связывании и накоплении ТМ в апопласте [6, 7]. Однако в литературе имеются лишь ограниченные данные об изменении количества ионогенных групп полимеров КС в условиях избытка ТМ в среде, а влияние совместного присутствия нескольких токсичных металлов на ионообменные свойства КС у злаковых растений никогда ранее не изучалось.

В настоящей работе мы впервые определили ионообменные свойства КС корней и побегов ячменя (Hordeum vulgare L., сорт «Биом») в условиях полиметаллического загрязнения.

Растения выращивали в водной культуре (по 60 растений на сосуд объемом 3 л) в климатической камере (24°С, освещенность 100 мкмоль квантов м^–2 с^–1, 16 ч день) при постоянной аэрации растворов. Контрольные растения выращивали на питательном растворе, содержащем (мкМ): K₂SO₄ – 147.5, KH₂PO₄ – 5, MgSO₄ – 95, NH₄NO₃ – 120, CaCl₂ – 620, Ca(NO₃)₂ – 275, MnSO₄ – 0.5, ZnSO₄ – 0.5, CuSO₄ – 0.2, Na₂MoO₄ – 0.01, NaCl – 10, H₃BO₃ – 1, FeSO₄ – 6, и 2.22 г/л ЭДТА. В опытные сосуды через 7 сут после высадки растений дополнительно вносили растворы ТМ до конечной концентрации: а) опытный вариант с суммарной концентрацией ТМ 65.5 мкМ: Al³⁺ – 10; Mn²⁺ – 25; Cd²⁺ – 1.4; Cu²⁺ – 1; Ni²⁺ – 8; Zn²⁺ – 20; Pb²⁺ – 0.15 мкМ; б) опытный вариант с суммарной концентрацией ТМ 131 мкМ: Al³⁺ – 20; Mn²⁺ – 50; Cd²⁺ – 2.8; Cu²⁺ – 2; Ni²⁺ – 16; Zn²⁺ – 40; Pb²⁺ – 0.3 мкМ. В питательный раствор и для опытных, и для контрольных растений ежедневно вносили раствор KH₂PO₄ из расчета 1 мкмоль на литр среды. Растения выращивали в присутствии ТМ в течение 7 сут, после чего у части растений определяли сырую и сухую массу органов, их оводненность, а оставшиеся использовали для выделения КС (из корней и надземной части) в соответствии с ранее описанной методикой [6]. Исследование ионообменных групп в составе КС проводили методом потенциометрического титрования, как описано ранее [6], при постоянной ионной силе раствора (10 мМ), которую создавали добавлением NaCl. Весовой коэффициент набухания КС (K^КС, г Н₂О/г сухой массы КС) в растворах с рН 4–12 и ионной силой 10 мМ определяли в соответствии с методикой, описанной в [6]. Опыты проводили в 3–6 биологических повторностях для каждой концентрации полиметаллов. Приведены средние значения и их стандартные отклонения или ошибки. Различия считали достоверными при p < 0.05 или р < 0.01.

Сухая масса корней и надземной части, а также их оводненность и массовая доля КС в корнях и побегах растений ячменя достоверно не различались по отношению к контролю ни при 65.5 мкМ, ни при 131 мкМ ТМ в среде (р < 0.01, табл. 1), причем различий не наблюдалось и между вариантами обработки с разной концентрацией ТМ (р < 0.01, табл. 1). Эти данные свидетельствуют о том, что воздействие полиметаллических загрязнений в указанных концентрациях не приводит к ингибированию роста растений и не нарушает их водный обмен.

Водный режим в КС регулируется через набухание ее полимерного матрикса, которое изменяется под влиянием состава внешней среды. Способность к набуханию – это свойство полимерного материала, определяемое его строением и составом. Результаты показывают, что коэффициент набухания КС (K^КС), изолированных из корней и надземных частей растений ячменя, увеличивается с рН раствора. С увеличением рН от 4 до 9 этот параметр возрастал от 2.5 до 4.0 и от 2.5 до 5.5 г H₂O/г сухой массы КС в корнях и в побегах соответственно. Существенные отличия в набухании были обнаружены между КС корней и побегов: у последних значение этого показателя было в 1.4–1.5 раза выше вне зависимости от среды выращивания.

Во всех вариантах при рН > 10.8 катионообменная способность КС достигала максимальных значений (${\text{S}}_{{\text{о}}}^{{{\text{кат}}}}$, табл. 2), которые характеризуют общее количество катионообменных групп, имеющихся в полимерной структуре КС. Следует отметить, что в КС как побегов, так и корней были обнаружены и анионообменные группы, но их содержание не превышало 20 мкмоль/г сухой массы КС, что соответствует известным данным [4, 6].

Так же, как и в КС других видов растений [6], в КС, изолированных и из корней, и из побегов ячменя, обнаружено три типа катионообменных групп (табл. 2): карбоксильные группы полигалактуроновой (ПГК) и гидроксикоричных (ГКК) кислот, и фенольные ОН-группы. Последние не принимают участия в ионообменных реакциях, так как значение рК_а этих групп (9.66 ± 0.17 ед. рН) лежит за пределами физиологической области рН.

Полученные в работе значения рК_а ионообменных групп в составе КС (${\text{pK}}_{{\text{a}}}^{{{\text{ПГК}}}}$ = 4.35 ± 0.61; ${\text{pK}}_{{\text{a}}}^{{{\text{ГКК}}}}$ = 7.27 ± 0.15; ${\text{pK}}_{{\text{a}}}^{{{\text{ФГ}}}}$ = 9.66 ± 0.17) свидетельствуют о том, что их качественный состав одинаков в КС корней и надземной части, тогда как количество групп каждого типа (S_i, табл. 2) значительно различается между органами растений. Так, в побегах содержание карбоксильных групп ПГК в КС больше, чем в корнях в 3 раза (контрольные растения) и 4 раза (обработанные ТМ растения), карбоксильных групп ГКК – в 1.6 раза (независимо от среды выращивания), фенольных ОН-групп – примерно в 2 раза. Данный факт объясняет различие в величине коэффициента набухания для КС побегов и корней: более высокое содержание всех типов катионообменных групп в побегах приводит к увеличению содержания электроотрицательного элемента кислорода, что, в свою очередь, увеличивает степень гидратации полимеров КС.

С точки зрения ионообменной способности КС корней слабо отвечают на присутствие в питательной среде полиметаллических загрязнений. Другая ситуация в этих условиях наблюдается для КС, изолированных из надземной части. В ответ на воздействие ТМ происходит увеличение количества как обоих типов карбоксильных групп, так и фенольных ОН-групп в 1.3–1.4 раза по отношению к контролю (табл. 2).

Известно, что у бобовых растений содержание карбоксильных групп ПГК в КС стеблей вдвое выше, чем в КС корней [8]. У исследованных же нами растений ячменя различия достигают четырех раз. Чтобы подтвердить эти данные, был применен еще один метод, основанный на том, что при рН < 4 в ионообменных реакциях с Cu²⁺ участвуют только карбоксильные группы ПГК [9]. После 72 ч инкубации в 131 мкМ растворе CuCl₂ (рН 4.0 ± 0.2) в КС, изолированных из корней ячменя, содержалось 22.03 ± 2.84 мкмоль Cu/г сухой массы КС, а в КС надземной части – 33.77 ± ± 0.84 мкмоль Cu/г сухой массы КС, вне зависимости от среды, на которой были выращены растения. Поскольку КС, выделенные из корней, связали меньше Cu²⁺, можно заключить, что содержание деметилированных пектинов в них значительно ниже по сравнению с КС побегов.

Известно, что в ответ на металл-стресс растения могут реализовывать три стратегии изменения состава КС клеток корня и ее ионообменной способности. Первая из них, обнаруженная большей частью у чувствительных к воздействию ТМ сортов и видов растений, заключается в увеличении массовой доли деметилированных пектинов в КС корней при воздействии таких металлов, как Pb, Cd и Cu [10, 11]. Вторая, напротив, состоит в уменьшении массовой доли деметилированных пектинов в КС в ответ на избыток ТМ в среде [10, 12]. В данном случае формирование “металл-исключающих” КС препятствует накоплению ТМ в апопласте и, вероятно, также ограничивает симпластное поглощение металла клетками корня [10]. Третья стратегия изменения состава КС обусловлена усилением в равной мере биосинтеза всех компонентов КС, в том числе и пектинов с такой же степенью метилирования, как у контрольных растений. Такой ответ на воздействие повышенных концентраций ионов меди был выявлен у бобовых [13].

В настоящее время считается, что основную роль в связывании ТМ играют карбоксильные группы остатков уроновых кислот в составе пектинов [7]. Полученные нами данные о содержании таких групп в КС корней ячменя (табл. 2) свидетельствуют о том, что металл-связывающая способность КС корней, как и ее массовая доля (табл. 1), не изменяются при обработке полиметаллами, и, следовательно, можно заключить, что модификации состава КС в корнях ячменя не происходит при воздействии ТМ на растения ни в “высокой” (131 мкМ), ни в “низкой” (65.5 мкМ) концентрациях.

Напротив, полученные данные о содержании карбоксильных групп ПГК в КС, выделенных из надземной части растений ячменя, позволяют предположить, что в ответ на воздействие ТМ происходит модификация пектиновых полимеров путем их деметилирования, так содержание карбоксильных групп ПГК возрастает в 1.4 раза (табл. 2), а массовая доля КС в побегах не изменяется по отношению к контролю (табл. 1).

Увеличение содержания фенольных ОН-групп в КС и корней, и побегов ячменя в ответ на действие ТМ может быть обусловлено лигнификацией вторичной КС, так как такой ответ был обнаружен при воздействии других неблагоприятных факторов внешней среды, таких как засуха, пониженные температуры, засоление [14] и дефицит азота в среде [15].

Таким образом, нами впервые показано, что при воздействии ТМ на растения может происходить не только модификация КС корней, как было известно ранее, но и модификация КС побегов, которая заключается в деметилировании пектинов с целью увеличения ионообменной способности КС. Можно предположить, что такой ответ связан с механизмами поступления ТМ в растения ячменя. Вероятно, вследствие небольшого содержания карбоксильных групп ПГК в КС корней, ионы металлов поступают в надземную часть, где накапливаются и инактивируются, в том числе, и в КС.