Физиология растений, 2020, T. 67, № 2, стр. 168-176

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важных задач современной экологической физиологии растений является изучение механизмов, определяющих способность растений к избирательному накоплению металлов. По существующей в настоящее время классификации выделяют две контрастных группы растений: исключатели, у которых металлы накапливаются главным образом в корневой системе, и аккумуляторы, у которых они накапливаются преимущественно в надземных органах [1]. Среди аккумуляторов выделяют особую группу растений гипераккумуляторов. К гипераккумуляторам относят виды растений, содержание цинка (Zn) и марганца (Mn) у которых превышает 1%; содержание никеля (Ni), кобальта (Co), меди (Cu) и селена (Se) превышает 0.1%, а кадмия (Сd) и мышьяка (As) превышает 0.01% от сухой массы побегов [2]. Всего в настоящее время известно около 500 видов гипераккумуляторов, большинство из которых принадлежит к гипераккумуляторам Ni, относящимся к семействам Asteraceae, Brassicaceae, Buxaceae, Euphorbiaceae, Flacourtiaceae, Rubiaceae, Violaceae и способным накапливать в побегах более 1000 мг Ni/кг сухой массы [2–4].

Растения гипераккумуляторы сочетают в себе высокую устойчивость к одному или нескольким металлам и способность накапливать их в побегах, причем содержание металлов в побегах у этих видов часто во много раз превышает содержание металлов в корневой системе исключателей и в окружающей среде [2, 4]. Предполагается, что устойчивость к металлам и способность к гипераккумуляции находятся под независимым генетическим контролем [3, 5, 6] и гены, определяющие способность к гипераккумуляции и устойчивость, не являются видоспецифичными, а скорее по-разному экспрессируются у гипераккумуляторов и исключателей [3, 7].

Способность к накоплению металлов в побегах растений неоднократно возникала в процессе эволюции не только в разных семействах покрытосеменных растений [8], но и у разных триб и родов внутри одного семейства. Так, например, в семействе Brassicaceae, которое наиболее богато видами гипераккумуляторами, способность к накоплению Ni возникала, по крайней мере, шесть раз, а способность к гипераккумуляции Zn – по крайней мере, трижды [4]. К этому семейству относится гипераккумулятор Noccaea сaerulescens (ранее Thlaspi caerulescens), который рассматривается в качестве модельного объекта при изучении феномена гипераккумуляции [6, 9–11] и широко используется при изучении физиологических, генетических, экологических и эволюционных аспектов этого явления [3, 4, 7]. Несмотря на монофилетическое происхождение всех представителей секции Noccaea [10], способность разных видов гипераккумуляторов из этого рода накапливать Ni, Zn и Cd может существенно различаться, с чем во многом может быть связана различная их устойчивость к металлам [4, 12]. Noccaea goesingensis является гипераккумулятором Ni, Noccaea praecox – гипераккумулятором Zn, а Noccaea сaerulescens способна накапливать три металла: Ni, Zn и Cd, что является редким случаем у видов металлофитной флоры [3, 4].

Не только разные виды гипераккумуляторов, но и различные экотипы одного и того же гипераккумулятора могут существенно различаться по способности накапливать металлы и по устойчивости к их токсическому действию [6, 13–19]. Учитывая, что экотипы принадлежат к одному и тому же виду, важно понять причины, определяющие их разную устойчивость и способность к накоплению металлов. Во многом подобные различия могут быть связаны с эволюцией разных популяций одного вида гипераккумулятора на разных типах почв [20]. Наибольшее содержание Cd и Zn в естественных условиях часто наблюдается у популяций с каламиновых почв, богатых Zn, Cd и Pb, а Ni – у популяций с серпентиновых почв, богатых Ni, Со и Cr [6]. Ранее нами в экспериментах на гидропонике показано, что растения N. caerulescens экотипа Lellingen (LЕ) c неметаллоносных почв накапливали больше Zn, но были менее устойчивы по сравнению с растениями экотипов Saint Félix de Palliéres (SF) и La Calamine (LC), произрастающими на каламиновых почвах. В то же время растения экотипа Monte Prinzera (MP) с серпентиновых почв отличались не только значительно большей устойчивостью к Ni по сравнению с другими изученными экотипами, но и наибольшим его накоплением [18]. Растения экотипа LС, как и в случае Ni и Zn, накапливали меньше Cd и, возможно, отчасти, поэтому были более устойчивы к нему по сравнению с другими экотипами. Растения экотипа SF, также произрастающие на каламиновых почвах, отличались не только высокой устойчивостью к Cd, но и наибольшим его накоплением что, вероятно, связано с более эффективными механизмами детоксикации Cd [19]. Полученные результаты свидетельствуют о существовании различий в механизмах и причинах устойчивости к металлам у растений разных экотипов N. caerulescens, а высокая корреляция между содержанием Ni и Zn у растений N. сaerulescens [6, 21] подтверждает гипотезу о неспецифичности путей поступления этих металлов в растение.

В опубликованных ранее многочисленных работах, обобщенных в обзорах [2–4, 7, 12, 22–24], анализ содержания металлов обычно проводили либо у растений, произрастающих в естественных условиях обитания, либо у растений, выращенных в лабораторных условиях после длительной инкубации в присутствии солей металлов. Несмотря на достаточно большой объем полученных разными авторами данных, остается неясным, во-первых, насколько быстро гипераккумуляторы могут накапливать металлы и, во-вторых, сохраняются ли различия между экотипами при краткосрочной и длительной инкубации растений в присутствии металлов. Решение этих вопросов необходимо для подтверждения гипотезы о конститутивной способности растений различных экотипов одного вида гипераккумулятора накапливать отдельные металлы. Поэтому основной задачей настоящей работы являлся сравнительный анализ способности к накоплению Ni растениями различных экотипов гипераккумулятора N. сaerulescens и исключателем Thlaspi arvense – широко распространенным рудеральным видом из семейства Brassicaceae – при краткосрочной и длительной инкубации растений в присутствии разных концентраций соли Ni (25 и 250 мкМ).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Выращивание растений. Семена гипераккумулятора Noccaea сaerulescens F.K. Mey (ранее Thlaspi caerulescens J. & C. Presl) экотипов La Calamine (LC, Бельгия) и Saint Félix de Palliéres (SF, Франция) были собраны с растений, произрастающих на богатых Zn, Cd и Pb каламиновых почвах, экотипа Monte Prinzera (MP, Италия) − с растений, произрастающих на богатых Ni, Со и Cr серпентиновых почвах, а экотипа Lellingen (LE, Люксембург) − с растений, произрастающих на неметаллоносных почвах. Семена гипераккумулятора Noccaea сaerulescens F.K. Mey и исключателя Thlaspi arvense L. проращивали в чашках Петри на смоченной водопроводной водой фильтровальной бумаге в течение двух недель при температуре 20°С в темном термостате. Проростки пересаживали в вегетационные сосуды объемом 1 л (по 4 проростка на сосуд) на 0.5 N раствора Хогланда и выращивали в течение 8 нед. в климатической камере (23/18°C день/ночь, 14-часовой световой день). В качестве среды Хогланда использовали следующие концентрации солей: KNO₃ (3 мМ); Ca(NO₃)₂ (2 мМ); NH₄HPO₄ (1 мМ); MgSO₄ (0.5 мМ); KCl (1 мкМ); H₃BO₃ (25 мкМ); ZnSO₄ (2 мкМ); MnSO₄ (2 мкМ); CuSO₄ (0.1 мкМ); (NH₄)₆Mo₇O₂₄ (0.1 мкМ); Fe(Na)ЕДТА (20 мкМ). Среду доводили до рН 5.25 с помощью MES (2 мМ)/КОН [18]. Питательную среду сменяли еженедельно. Растения выращивали в присутствии 25 мкМ Ni(NO₃)₂ (N. сaerulescens и T. arvense) и 250 мкМ Ni(NO₃)₂ (N. сaerulescens) в течение 8 нед. Контрольные растения выращивали на 0.5 N среды Хогланда в отсутствие Ni. Часть контрольных растений N. caerulescens и T. arvense на 8 нед. выращивания переносили на 0.5 N среды Хогланда с добавлением Ni(NO₃)₂ в концентрациях 25 или 250 мкМ и инкубировали в течение 1, 2 или 3 суток. Концентрации соли Ni были подобраны в предыдущих экспериментах при выращивании растений в аналогичных условиях [18].

Определение содержания никеля. Содержание Ni определяли в корнях, черешках листьев и в листовых пластинках. Перед проведением анализа корни последовательно отмывали 20 мМ ЭДТА в течение 10 мин при комнатной температуре, а затем дистиллированной водой. Растительный материал собирали после 8 недель инкубации растений, высушивали в сушильном шкафу до постоянного веса при 80°С в течение 24 ч и затем взвешивали. Высушенные до постоянного веса образцы подвергали мокрому озолению при 140°С в течение 7 ч в тефлоновых бомбах, добавив к образцам смесь 65% HNO₃ и 37% HCl в соотношении 4 : 1. Количественный анализ проводили по стандартной методике на атомно-абсорбционном спектрофотометре Perkin Elmer 1100В (Perkin Elmer, Нидерланды). Анализ проведен в трех независимых аналитических повторностях. На основании полученных данных был вычислен фактор транслокации – отношение содержания Ni в побегах к его содержанию в корнях.

Статистическая обработка данных. Эксперименты были проведены в трех независимых повторностях. Каждая повторность включала три растения на вариант. Количественные данные были обработаны с помощью однофакторного дисперсионного анализа. Данные представлены как средние значения и их стандартные ошибки.

РЕЗУЛЬТАТЫ

К концу эксперимента во всех вариантах опыта растения имели развитую розетку листьев. Признаков хлороза и некроза не наблюдалось.

При краткосрочной инкубации содержание Ni на единицу массы в корнях и побегах N. сaerulescens в большинстве случаев существенно не различалось (рис. 1а–1в, 2а–2в), а у растений экотипа LE через 2–3 сут инкубации при 25 мкМ Ni(NO₃)₂ (рис. 1б, 1в) и у растений экотипов SF и LC через 1–2 сут инкубации при 250 мкМ Ni(NO₃)₂ (рис. 2a, 2б) оно было даже выше в корнях, чем в побегах.

Рис. 1.

Содержание Ni (мг/кг сухой массы) в корнях (1), черешках листьев (2) и листовых пластинках (3) исключателя Thlaspi arvense (Т.а.) и четырех экотипов гипераккумулятора Noccaea сaerulescens (N.c.) (MP, LE, SF, LC) после 1 (а), 2 (б), 3 (в) сут и 8 нед. (г) инкубации на 0.5 N раствора Хогланда с добавлением Ni(NO₃)₂ в концентрации 25 мкМ. Достоверно различающиеся между собой значения содержания Ni при P < 0.05 обозначены разными буквами (однофакторный дисперсионный анализ). Анализ проведен отдельно для корней, черешков листьев и листовых пластинок. Статистически достоверные различия между содержанием Ni в корнях и листьях показаны звездочками: * при P < 0.05; ** при P < 0.01; *** при P < 0.001 (однофакторный дисперсионный анализ).

Рис. 2.

Содержание Ni (мг/кг сухой массы) в корнях (1), черешках листьев (2) и листовых пластинках (3) исключателя Thlaspi arvense (Т.а.) и четырех экотипов гипераккумулятора Noccaea сaerulescens (N.c.) (MP, LE, SF, LC) после 1 (а), 2 (б), 3 (в) сут и 8 нед. (N. сaerulescens) (г) инкубации на 0.5 N раствора Хогланда с добавлением Ni(NO₃)₂ в концентрации 250 мкМ. Достоверно различающиеся между собой значения содержания Ni при P < 0.05 обозначены разными буквами (однофакторный дисперсионный анализ). Анализ проведен отдельно для корней, черешков листьев и листовых пластинок. Статистически достоверные различия между содержанием Ni в корнях и листьях показаны звездочками: * при P < 0.05; ** при P < 0.01; *** при P < 0.001 (однофакторный дисперсионный анализ).

При низкой концентрации Ni в среде содержание металла в корнях растений экотипа LC через 2–3 сут было ниже, чем у исключателя T. arvense, а содержание Ni в побегах этих растений практически не различалось (рис. 1б–1в). В то же время у растений других изученных экотипов содержание металла как в корнях, так и в побегах было существенно выше по сравнению с T. arvense (рис. 1а–1в), за исключением растений экотипа SF, у которого содержание Ni в корнях на 2–3 сут инкубации практически не отличалось от содержания металла в корнях T. arvense. При высокой концентрации различия в содержании Ni в корнях были незначительны, в то время как содержание Ni в побегах у растений всех экотипов гипераккумулятора было существенно выше, чем у исключателя (рис. 2а–2в). Содержание Ni на единицу массы в листовых пластинках в большинстве случаев было ниже, чем в черешках, однако достоверных различий не было обнаружено у растений экотипа MP через 1–3 сут инкубации при обеих концентрациях Ni (рис. 1а–1в, 2а–2в), а также у растений LC на 3 сут и растений SF на 2–3 сут инкубации в присутствии 25 мкМ Ni(NO₃)₂ (рис. 1б, 1в). При длительной инкубации содержание Ni в листовых пластинках N. сaerulescens было выше, чем в черешках и корнях (рис. 1г, 2г).

При обеих концентрациях (25 и 250 мкМ Ni(NO₃)₂) к 3 сут инкубации у исключателя и гипераккумулятора наблюдалось увеличение содержания Ni как в корнях, так и в побегах по сравнению с 1 сутками инкубации (рис. 1а–1в, 2а–2в). Исключением являются растения экотипа LC, у которых при концентрации 25 мкМ Ni(NO₃)₂ содержание металла на единицу массы в корнях и черешках практически не изменялось, а в листовых пластинках увеличивалось (рис. 1а–1в).

Фактор транслокации, то есть отношение содержания Ni в побегах к его содержанию в корнях, при кратковременной инкубации был достоверно больше единицы только у растений N. сaerulescens экотипа MP, в природе произрастающих на серпентиновых почвах, богатых Ni (рис. 3). Для растений N. сaerulescens остальных экотипов, произрастающих как на каламиновых почвах, богатых Zn, Cd и Pb (SF и LC), так и на неметаллоносных почвах (LE), фактор транслокации Ni был ниже единицы, но был выше, чем у исключателя T. arvense, за исключением растений SF и LC на 2 сут инкубации при 250 мкМ Ni(NO₃)₂. При длительной инкубации значения фактора транслокации Ni существенно возрастали для растений всех экотипов и, в особенности, для экотипа LC. Через 8 нед. инкубации фактор транслокации Ni был больше единицы для растений всех изученных экотипов N. сaerulescens и уменьшался в ряду: MP ≈ LC > LE ≥ SF. Наименьшие значения фактора транслокации во всех вариантах эксперимента были характерны для исключателя T. arvense (рис. 3).

Рис. 3.

Отношение содержания Ni в побегах к его содержанию в корнях (фактор транслокации) у исключателя Thlaspi arvense (Т.а.) и четырех экотипов гипераккумулятора Noccaea сaerulescens (N.c.) (MP, LE, SF, LC) после 1 (1), 2 (2), 3 (3) суток и 8 нед. (4) инкубации на 0.5 N раствора Хогланда с добавлением Ni(NO₃)₂ в концентрациях 25 (а) и 250 (б) мкМ. В присутствии 250 мкМ Ni(NO₃)₂ в течение 8 нед. выращивали только растения гипераккумулятора N. сaerulescens, так как для исключателя Ni в данной концентрации при длительной инкубации оказывал токсическое действие. Достоверно различающиеся между собой значения фактора транслокации при P < 0.05 обозначены разными буквами (однофакторный дисперсионный анализ). Анализ проведен отдельно для каждой временной точки.

Полученные данные свидетельствуют о существовании значительных различий в скорости и способности к накоплению Ni уже в первые дни инкубации не только между исключателем и гипераккумулятором, но и между растениями разных экотипов одного вида гипераккумулятора. Как при краткосрочной, так и при длительной инкубации наибольшее содержание Ni наблюдали у растений экотипа MP (рис. 1, 2). Уже через 3 сут при 250 мкМ Ni(NO₃)₂ содержание металла в побегах и корнях растений этого экотипа превышало 1000 мг/кг сухой массы (рис. 2в). У растений экотипа МР наблюдалось также наиболее значительное увеличение накопления металла со временем при краткосрочной инкубации (рис. 1а–1в, 2а–2в). Для растений N. сaerulescens разных экотипов в целом способность к накоплению Ni возрастала в следующем порядке: LC < SF < LE < MP, хотя, как следует из данных статистического анализа, незначительные изменения могут наблюдаться в зависимости от времени инкубации и концентрации Ni в растворе (рис. 1, 2).

ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты наших исследований, полученные в этой и других работах [15, 16, 18, 19], а также данные других авторов [6, 13, 14, 17] ясно свидетельствуют, что не только исключатели и гипераккумуляторы, но и растения разных экотипов одного вида гипераккумулятора могут существенно различаться по способности накапливать металлы. Растения всех экотипов N. сaerulescens способны накапливать Zn, тогда как к гипераккумуляции Ni способны в большей степени растения экотипов, эволюция которых проходила на серпентиновых почвах, богатых Ni, Со и Cr [6, 18, 25]. Содержание Ni у растений экотипа MP, в природе произрастающего на серпентиновых почвах, было существенно выше, чем у растений экотипов SF и LC, произрастающих на каламиновых почвах, богатых Zn, Cd и Pb (рис. 1, 2). Полученные данные подтверждают гипотезу о том, что способность растений разных экотипов накапливать отдельные металлы сформировалась в процессе длительной эволюции на определенном типе почв [20] и зависит от количества доступного металла в почве [6]. Кроме того, MP является единственным из изученных нами экотипов, у которого наблюдается стимуляция роста при невысокой концентрации Ni [18]. Именно со стимуляцией роста при низкой концентрации Ni в растворе может быть связано уменьшение содержания Ni в расчете на единицу сухой массы у растений экотипа МР при длительной инкубации по сравнению с кратковременной.

Содержание Ni у растений экотипа LE с неметаллоносных почв было часто ниже, чем у растений экотипа МP, но выше, чем у растений экотипов LC и SF с каламиновых почв. Однако через 8 нед. инкубации при низких концентрациях Ni в среде, его содержание у представителей популяции с неметаллоносных почв было даже незначительно выше, чем у растений с каламиновых или серпентиновых почв (рис. 1, 2). Несмотря на способность растений с неметаллоносных почв накапливать Ni при низких концентрациях металла в среде, устойчивость к токсическому действию Ni у них ниже, что подтверждается и более ранними наблюдениями [6, 18].

Содержание металла в растениях, выращенных на гидропонике, может быть выше, чем у растений, произрастающих в естественных условиях, даже при одинаковом количестве доступного металла. Например, растения N. сaerulescens с каламиновых и неметаллоносных почв, выращенные на гидропонике, накапливали сходные количества Zn, но содержание в них металла было в три раза больше, чем в растениях, произрастающих в почве [6]. Это определяется гетерогенностью почвы, неравномерным распределением металла по почвенному профилю, а также иным соотношением макро- и микроэлементов. В то же время при сходном содержании Zn в побегах N. сaerulescens, распределение металла по тканям было одинаковым, что дает возможность экстраполировать полученные в лаборатории данные на растения из природных популяций [26]. Поэтому правомерно сравнивать только данные по накоплению металлов, полученные в идентичных условиях. Вследствие этого сравнивать данные разных авторов бывает затруднительно. В наших экспериментах способность к накоплению Ni у растений разных экотипов N. сaerulescens возрастала в следующем ряду: LC < SF < LE < MP (рис. 1, 2), что в целом согласуется с данными, полученными в идентичных условиях ранее при длительной инкубации растений в присутствии Ni при других концентрациях Ni(NO₃)₂ в растворе [18]. Сходство полученных рядов при разных концентрациях металла в растворе свидетельствует о слабой зависимости способности растений разных экотипов накапливать Ni от концентрации металла в растворе. Однако при высоких концентрациях этот порядок может меняться из-за токсического действия металла.

Значения фактора транслокации у растений экотипа МР превышало единицу уже через сутки после начала инкубации, тогда как у растений остальных экотипов этого не наблюдалось и через 3 сут инкубации (рис. 3). Учитывая, что фактор транслокации показывает отношение содержания металла в побегах к его содержанию в корнях, можно заключить, что растения экотипа с серпентиновых почв обладает высокой эффективностью транспортных систем, определяющих эффективное поступление Ni в надземные органы растения уже в первые часы инкубации. У растений других экотипов эта способность реализуется позже во времени и к 8 нед. растения всех экотипов гипераккумулятора N. сaerulescens имеют фактор транслокации больше единицы (рис. 3). В этой связи представляют интерес растения экотипа LC с каламиновых почв. У растений этого экотипа практически не наблюдалось накопления Ni в течение первых суток инкубации (рис. 1), что свидетельствует о низкой скорости поглощения металла, тогда как через 8 нед. инкубации значения фактора транслокации у LC и МР практически не различались (рис. 3). Причины этого явления пока не ясны. Однако очевидно, что значения фактора транслокации не только различаются для растений разных экотипов, но и могут меняться со временем и в зависимости от концентрации металла в растворе, что подтверждается данными других исследователей [17]. Исключатели имеют значительно более низкие значения фактора транслокации за счет более эффективных механизмов связывания и детоксикации металла в корнях, главным образом в результате накопления Ni в вакуолях клеток коры корня [15, 22].

Физиологические механизмы, определяющие феномен гипераккумуляции и обеспечивающие различную способность растений разных видов и экотипов накапливать металлы, в настоящее время активно изучаются. Однако, по сравнению с Zn и Cd, механизмы, участвующие в поглощении и транспорте Ni, остаются малоизученными. Известно, что гипераккумуляторы характеризуются: 1) более эффективным поглощением ионов металлов; 2) большей мобильностью металлов по тканям корня в результате менее эффективного, по сравнению с исключателями, транспорта металлов в вакуоли клеток корня; 3) повышенной скоростью загрузки металлов в ксилему и 4) эффективными механизмами детоксикации металлов в вакуолях клеток надземных органов, что в совокупности направлено на поддержание гомеостаза [22].

Сравнительный анализ способности растений разных экотипов N. сaerulescens накапливать Ni и Zn выявил сходные закономерности [18]. Универсальность выявленных для разных металлов закономерностей свидетельствует в пользу существования неспецифических путей поступления и транспорта металлов у растений. Предполагается, что транспорт Ni у N. сaerulescens может осуществляться с помощью неспецифических транспортеров Zn или Fe, причем транспортеры Zn обеспечивают более эффективное поступление Ni в клетку, чем транспортеры Fe [11], чем может определяться высокая корреляция между накоплением Ni и Zn у растений N. сaerulescens [6, 21]. Уровень экспрессии генов ZIP 10 и IRT1, кодирующих белки, участвующие в транспорте Zn и Fe, соответственно, существенно возрастал при действии Ni, что, наряду с увеличением поступления Ni при дефиците Zn и Fe, также подтверждает высказанную точку зрения о существовании неспецифических механизмов поступления и транспорта металлов [11].

Выявленные между экотипами различия по способности накапливать Ni могут быть следствием разного уровня экспрессии генов, кодирующих транспортеры металлов [4]. Повышенный уровень экспрессии генов ZNT1 и ZNT2, кодирующих транспортеры, расположенные на плазматической мембране и участвующие в поступлении Ni в клетки листа, наблюдался у растений экотипа MP, растущих как в природной популяции, так и на гидропонике, что может определять их способность накапливать Ni [17]. Уровень экспрессии гена ZTP1, который кодирует транспортер, участвующий в транспорте Zn из цитоплазмы в люмен органелл или из клетки и относящийся к СDF семейству, был, напротив, выше у растений экотипов N. сaerulescens с каламиновых почв по сравнению с экотипами с серпентиновых почв [13], с чем, возможно, связано различное накопление Zn у этих растений.

Важную роль в транспорте металлов играют органические хелаторы: гистидин (для Ni, Zn) и никотианамин (для Ni, Zn) [7, 15, 16, 23]. Как показали наши исследования, предобработка гистидином стимулировала загрузку Ni и Zn в ксилему только у гипераккумулятора N. caerulescens, но не у исключателя T. arvense. Более высокая скорость загрузки Ni и Zn в сосуды ксилемы N. caerulescens связана с более высоким эндогенным содержанием свободного гистидина в корнях N. caerulescens по сравнению с T. arvense [15, 16]. Конститутивно повышенное содержание гистидина в корнях и менее эффективный транспорт комплексов Ni и Zn с гистидином в вакуоли клеток корня у N. caerulescens по сравнению с исключателем T. arvense позволяет предположить, что образование комплексов Ni и Zn с гистидином предотвращает их поступление в вакуоли клеток корня N. caerulescens и обеспечивает более эффективную загрузку металлов в сосуды ксилемы [15, 16]. Несмотря на существенные различия в способности накапливать металлы и по устойчивости к ним, растения разных экотипов N. caerulescens существенно не различались по эндогенному содержанию гистидина в корнях и побегах [15]. Поэтому повышенный эндогенный уровень гистидина в корнях связан с механизмами, определяющими феномен гипераккумуляции, но не объясняет различий в устойчивости и способности к накоплению металлов, выявленные у растений разных экотипов одного вида гипераккумулятора.

В загрузке Zn и Cd в ксилему участвует АТФаза P-типа НМА4, локализованная на плазмалемме, высокий уровень экспрессии генов которой достигается за счет увеличения числа их копий у гипераккумуляторов [4, 5, 27, 28]. Число копий одного и того же гена может различаться не только у разных видов [5, 29], но и у разных экотипов одного и того же вида [30]. Уровень экспрессии гена NcHMA4 у растений экотипа Puente Basadre (PB) гипераккумулятора N. caerulescens, произрастающего на богатых Ni серпентиновых почвах, был ниже по сравнению с экотипами Prayon (Pr), SF и Saint Laurent le Minier (SLM) (ранее Ganges), произрастающими на богатых Zn каламиновых почвах. Это коррелирует с наличием четырех копий гена NcHMA4 у растений экотипов SLM и SF, трех копий у растений экотипа Pr и только двух копий – у растений экотипа PB [30]. Кроме того, у растений экотипа LC, произрастающего на каламиновых почвах, при действии Ni уровень экспрессии гена HMA4 был выше, чем у растений экотипа MP с серпентиновых почв [17]. Однако при сходном уровне экспрессии генов НМА4 способность к накоплению Zn и Cd растениями отдельных экотипов N. caerulescens может различаться. Поэтому высокий уровень экспрессии генов, кодирующих транспортеры металлов, не является единственной причиной, определяющей способность к гипераккумуляции. Механизм загрузки Ni или комплексов Ni в ксилему еще предстоит выяснить. Однако, очевидно, что мультипликация генов, кодирующих транспортеры металлов – важнейший микроэволюционный процесс, определяющий феномен гипераккумуляции.

Способность к накоплению металлов растениями различных экотипов гипераккумулятора N. сaerulescens проявлялась начиная с первых суток инкубации и практически не менялась со временем. Это подтверждает точку зрения, что представители разных экотипов обладают конститутивной, генетически обусловленной способностью накапливать металлы, которая и реализуется через очень короткий промежуток времени. Именно эта способность позволяет растениям с серпентиновых почв накопить более 1000 мг/кг сухой массы уже на 3 сут инкубации (рис. 1в, 2в). Однако, по-видимому, это не исключает существования и индуцибельных механизмов. Подтверждением этого является изменение уровня экспрессии ряда генов при действии Ni [17]. Так, например, у контрольных растений экотипов LC и MP найдена высокая конститутивная экспрессия генов NRAMP3, NRAMP4, кодирующих вакуолярные транспортеры, а также НМА4, а уровень экспрессии ZNT1 и ZNT2 был выше у LC по сравнению с МР. При действии 10 мкМ Ni в течение месяца у MP наблюдалась индукция экспрессии генов ZNT1, ZNT2 и NRAMP 4, а у LC – только НМА4 [17]. Однако насколько быстро могут происходить эти изменения и могут ли они проявляться через сутки после начала инкубации, играя заметную роль в накоплении металлов, остается неизвестным. Можно полагать, что при кратковременной инкубации ведущий вклад вносят имеющиеся у растений гипераккумуляторов конститутивные механизмы, определяющие феномен гипераккумуляции.

Таким образом, растения разных экотипов гипераккумулятора N. сaerulescens существенно отличаются между собой по способности накапливать Ni, причем эти отличия проявляются уже в первые дни инкубации в присутствии Ni и в значительной степени не зависят ни от времени инкубации, ни от концентрации металла в растворе. Однако, несмотря на очевидный прогресс в данной области науки, мы еще очень мало знаем о механизмах, определяющих избирательное накопление металлов в корнях исключателей и побегах гипераккумуляторов, а также различную способность растений разных экотипов одного вида накапливать металлы. Данное направление исследований активно развивается в современной иономике и экологической физиологии растений и является перспективным направлением будущих исследований.

Авторы выражают глубокую благодарность В.Б. Иванову за критическое обсуждение полученных результатов.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (№ 19-04-00369), а также Международной научной программы LOCOMET.

Авторы Кожевникова А.Д. и Серегин И.В. внесли одинаковый вклад в эту работу.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей и животных в качестве объектов исследований.