Физиология растений, 2022, T. 69, № 4, стр. 386-397

ВВЕДЕНИЕ

Металлофиты часто характеризуются высокой устойчивостью к металлам, содержащимся в почве в местах их произрастания, и некоторые из них обладают способностью к накоплению (гипераккумуляции) этих металлов в побегах [1, 2]. В настоящее время известно около 720 видов гипераккумуляторов более чем из 70 семейств покрытосеменных растений, способных накапливать значительные количества металлов в надземных органах без видимого нарушения метаболизма и ростовых процессов, причем содержание металлов в побегах этих растений может превышать их содержание в почве [3]. Около 75% из известных видов гипераккумуляторов относятся к гипераккумуляторам никеля (Ni), содержание металла в побегах которых превышает 1000 мкг/г сухой массы в естественных условиях произрастания, что намного выше, чем у неаккумуляторов [3]. Облигатные гипераккумуляторы Ni ограничены в своем распространении металлоносными, обычно ультраосновными (серпентиновыми), почвами [4], в то время как факультативные гипераккумуляторы Ni имеют как популяции, произрастающие на ультраосновных почвах, так и популяции, произрастающие на неметаллоносных почвах [5].

Noccaea caerulescens является широко распространенным факультативным гипераккумулятором и рассматривается в качестве подходящего модельного вида для изучения механизмов и генетических аспектов гипераккумуляции в связи с существующими выраженными внутривидовыми отличиями по устойчивости и способности накапливать Ni, кадмий (Cd) и цинк (Zn) при выращивании как в гидропонике [6–14], так и в почве [15]. Несмотря на существующие различия между популяциями, способность накапливать Zn у N. caerulescens характерна для вида в целом, тогда как способность накапливать Cd и Ni зависит от популяции, как в природе, так и в экспериментальных условиях, и у растений некоторых популяций не выявлена [6, 7, 13, 15]. Выделяют три контрастные экологические группы N. caerulescens, которые иногда рассматриваются в качестве экотипов (эдафотипов): каламиновая группа, включающая популяции, произрастающие на каламиновых почвах, богатых Zn, Cd и Pb; серпентиновая группа, к которой принадлежат популяции, произрастающие на ультраосновных (серпентиновых) почвах, богатых Ni, Со, Mg, Mn, Fe и Cr, а также популяции, произрастающие на неметаллоносных почвах [13–15]. Для близкородственного гипераккумулятора Ni Noccaea japonica также существуют популяции, растения которых произрастают на разных типах почв и различаются по устойчивости и способности к накоплению металлов [13, 16].

В природе высокое содержание Cd и Zn в листьях часто наблюдается у представителей каламиновых популяций N. caerulescens, а Ni – у произрастающих на серпентиновой почве, что отчасти подтверждает гипотезу, согласно которой количество накопленного металла зависит от его доступности в среде [13, 14, 17]. Однако при анализе большого числа популяций закономерности могут быть более сложными. При сравнении 22 популяций N. caerulescens, растения которых выращивались в гидропонике, было показано, что растения неметаллоносных популяций часто накапливали больше Zn и меньше Cd, чем растения каламиновых популяций, а растения неметаллоносных популяций часто накапливали больше Ni, чем растения каламиновых и серпентиновых популяций [9]. При сравнении преимущественно иных, чем в работе [9], 28 популяций N. caerulescens при других концентрациях металлов в растворе вариация по содержанию Zn и Ni в побегах между популяциями N. caerulescens внутри каламиновой группы была значительно выше, чем между популяциями внутри групп с других типов почв. Группы популяций N. сaerulescens с разных типов почв в целом незначительно отличались по способности накапливать Ni в побегах. Наибольшая способность накапливать Ni, Zn и Cd была характерна для растений популяции Col du Mas de l’Ayre (СМА, Франция) с каламиновых почв [13]. Полученные данные свидетельствуют, что способность к гипераккумуляции Zn у N. сaerulescens не всегда напрямую зависит от типа почв, на которых произрастают растения данных популяций, и в ряде случаев, по-видимому, могла эволюционировать на неметаллоносных почвах [13, 14, 18, 19]. Повышение устойчивости растений к Zn при заселении каламиновых почв [13, 14, 18, 19] может быть связано с уменьшением способности накапливать Zn как у N. сaerulescens [9, 20], так и у другого гипераккумулятора Zn и Cd, Arabidopsis halleri [19]. Однако именно повышенная способность к связыванию и детоксикации Zn, по-видимому, преимущественно определяет более высокую устойчивость к Zn растений большинства каламиновых популяций N. caerulescens по сравнению с популяциями с неметаллоносных почв [13, 14]. Были обнаружены значительные положительные корреляции между способностью растений N. caerulescens накапливать Zn и Cd, Zn и Ni, а также Cd и Ni, что свидетельствует о существовании общих путей поглощения этих металлов и/или их транспорта по растению [13].

При выращивании растений в гидропонике существенные отличия по способности накапливать Ni между растениями разных популяций N. сaerulescens 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. Полученные данные свидетельствуют в пользу предположения о наличии генетически обусловленных различий в способности растений разных популяций N. сaerulescens накапливать Ni [12].

Внутривидовые различия были выявлены не только в накоплении Ni, Zn и Cd, но и в устойчивости растений N. сaerulescens к ним [10–15]. Растения группы популяций с каламиновых почв были значительно более устойчивы к Zn, чем растения групп популяций с неметаллоносных и серпентиновых почв, а растения группы популяций с неметаллоносных почв были немного более устойчивы к Zn, чем растения из серпентиновой группы [13, 15]. Как показали данные корневого теста с использованием серий линейно увеличивающихся концентраций Ni на фоне питательного раствора до полной остановки роста корня, устойчивость к Ni у N. caerulescens была характерна для вида в целом, и существенных различий между группами популяций с разных типов почв выявлено не было. Однако устойчивость растений разных популяций с одного типа почв варьировала, и различия в устойчивости растений к Ni были минимальными между популяциями из серпентиновой группы по сравнению с популяциями из групп с каламиновых и неметаллоносных почв. Однако именно растения популяций Puente Basadre (PB, Испания) и Cira (Ci, Испания), эволюция которых проходила на серпентиновых почвах, обладали самой высокой устойчивостью к Ni [13]. Так как растения популяций с каламиновых почв более устойчивы к Zn и Сd, чем растения с неметаллоносных и серпентиновых почв, в то время как последние более устойчивы к Ni, есть основания полагать, что устойчивость растений к металлам, как и способность к их накоплению генетически предопределена [13, 15], причем устойчивость и способность к накоплению металлов – два независимых явления, которые обусловлены разными генетическими и физиологическими механизмами, по крайней мере, отчасти [21–24].

Несмотря на значительный прогресс в изучении устойчивости и способности растений различных популяций N. caerulescens накапливать металлы, большинство исследований проведено на побегах [13, 15]. Данные по накоплению Ni в корнях ограничены очень небольшим числом популяций [8, 10, 12] или же другим их набором [14], что не позволяет ответить на вопрос, существует ли связь между устойчивостью растений и способностью растений накапливать Ni в корнях, а также насколько велики различия между популяциями в способности растений транспортировать металлы из корней в побеги. Учитывая, что через корневую систему растений поступает основное количество металлов, именно в корнях должны действовать механизмы, определяющие поступление металлов в надземные органы. Поэтому целью настоящей работы является сравнительный анализ способности растений 16 популяций N. caerulescens, произрастающих в естественных условиях на разных типах почв Европы, и близкородственного вида гипераккумулятора Ni Noccaea japonica (популяция Yūbari Mountain с ультраосновных (серпентиновых) почв, Япония) накапливать Ni в корневой системе и транспортировать его в побеги. Важно, что отбор популяций для анализа проводили из числа изученных ранее, на которых проводилась оценка устойчивости к Ni и Zn и способности растений накапливать эти металлы в побегах, а растения выращивали в идентичных условиях [13, 14]. Это позволяет также сравнить полученные для Ni данные с результатами, полученными ранее для Zn [14].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Выращивание растений. Семена гипераккумулятора Noccaea japonica (H.Boissieu) F.K.Mey (ранее Thlaspi japonicum H.Boissieu) (популяция Yūbari Mountain с ультраосновных (серпентиновых) почв, Япония, 43°06′ N, 142°14′ E), а также 16 популяций гипераккумулятора Noccaea сaerulescens F.K. Mey (ранее Thlaspi caerulescens J. & C. Presl), произрастающих в естественных условиях на разных типах почв Европы (Monte Prinzera (MP, Италия, 44°38′ N, 10°05′ E), Puente Basadre (PB, Испания, 42°50′ N, 07°59′ W), Cira (Ci, Испания, 42°46′ N, 08°21′ W) c ультраосновных (серпентиновых) почв; La Calamine (LC, Бельгия, 50°42′ N, 06°00′ E), Prayon (Pr, Бельгия, 50°34′ N, 05°40′ E), Les Avignières (LA, Франция, 43°56′ N, 03°40′ E), Viviez (Vi, Франция, 44°33′ N, 02°13′ E), St-Félix-de-Pallières (SF, Франция, 44°02′ N, 03°56′ E), Le Bleymard (LB, Франция, 44°28′ N, 03°43′ E) c каламиновых почв; Prémanon (Prem, Франция, 46°27′ N, 06°02′ E), St-Baudille (SB, Франция, 43°44′ N, 03°29′ E), Le Coulet (Co, Франция, 43°49′ N, 03°32′ E), Kuopio (Ku, Финляндия, 62°53′ N, 27°38′ E), Krušné Hory (КН, Чехия, 50°42′ N, 13°38′ E), Wilwerwiltz (Wi, Люксембург, 49°59′ N, 05°59′ E), Moravskoslezské (MS, Чехия, 49°26′ N, 18°13′ E) с неметаллоносных почв) получены с растений из природных популяций или растений, выращенных в лабораторных условиях. Семена проращивали на торфяной смеси (Jongkind BV, No. 1, Aлсмер, Нидерланды). Эксперименты проводили в климатической камере (20°C/15°C день/ночь, 14-часовой световой день, освещенность 250 мкмоль/(м² с) ФАР, влажность 75%). Двухнедельные проростки пересаживали в вегетационные сосуды объемом 1 л (по 2 проростка на сосуд) на 0.5 N раствор Хогланда следующего состава: KNO₃ (3 мМ), Ca(NO₃)₂ (2 мМ), NH₄H₂PO₄ (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), FeEDDHA (20 мкМ) в деминерализованной воде. Среду доводили до рН 5.5 с помощью MES (2 мМ)/КОН [13, 14]. Затем растения выращивали на 0.5 N растворе Хогланда в присутствии 1 мкМ NiSO₄ в течение 6 недель. Питательную среду сменяли дважды в неделю. Выращивали по 6 растений каждой популяции (3 вегетационных сосуда по 2 растения в каждом).

Определение содержания никеля. После 6 недель инкубации в присутствии 1 мкМ NiSO₄ собирали корни и побеги изучаемых растений. Корни последовательно отмывали 20 мМ Na₂ЭДТА в течение 10 мин при комнатной температуре, а затем дистиллированной водой. Растительный материал высушивали в сушильном шкафу до постоянного веса при 80°С в течение 48 ч и затем взвешивали. Высушенные до постоянного веса образцы растирали в порошок и 50−100 мг образца подвергали мокрому озолению при 140°С в течение 7 ч в тефлоновых бомбах, добавив к образцам 2 мл смеси 65% HNO₃ и 37% HCl в соотношении 4 : 1. После соответствующего разведения деминерализованной водой проводили количественный анализ содержания Ni по стандартной методике на атомно-абсорбционном спектрофотометре (AAnalist 100, 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. Количественные данные по содержанию металла в корнях и побегах были log-трансформированы и проанализированы с помощью однофакторного дисперсионного анализа с последующим тестом MSR. Данные представлены как средние значения и их стандартные ошибки. Корреляции были проанализированы с помощью коэффициента корреляции Пирсона после log-трансформации данных.

РЕЗУЛЬТАТЫ

К концу эксперимента все проанализированные растения имели развитую розетку листьев. Признаков хлороза и некроза не наблюдалось, так как используемая концентрация NiSO₄ (1 мкМ) не является токсичной для N. japonica и N. сaerulescens.

Наибольшее содержание Ni в корнях наблюдалось у N. japonica. Содержание Ni в побегах N. japonica было существенно ниже, чем в корнях (рис. 1a).

Рис. 1.

Содержание Ni в корнях (1) и побегах (2) (а) и значения фактора транслокации (отношение содержания Ni в побегах к его содержанию в корнях) (б) у гипераккумулятора Noccaea japonica (N.j.) и растений 16 популяций гипераккумулятора Noccaea сaerulescens (N.c.) после 2 недель инкубации на 0.5 N растворе Хогланда с последующей инкубацией в течение 6 недель в присутствии 1 мкМ NiSO₄. Представлены средние значения и их стандартные ошибки. Статистический анализ проведен отдельно для корней и побегов (а), а также для значений фактора транслокации (б). Достоверно различающиеся между собой величины (при Р < 0.05) обозначены разными буквами. Статистически достоверные различия между содержанием Ni в корнях и побегах показаны звездочками: * при Р < 0.05; ** при Р < 0.01; *** при Р < 0.001 (однофакторный дисперсионный анализ).

Содержание Ni в корнях и побегах у растений разных популяций гипераккумулятора N. сaerulescens значительно варьировало (рис. 1а). У растений популяций PB и Сi серпентиновой (ультраосновной) группы, LC, Pr, Vi каламиновой группы, а также Prem, Wi, MS, SB и Co из группы с неметаллоностных почв содержание Ni в корнях было значительно выше, чем в побегах. Противоположная закономерность наблюдалась только у растений популяций МP серпентиновой группы и Ku с неметаллоносной почвы. У растений других популяций с каламиновых почв, а также у растений популяции KH c неметаллоносной почвы достоверных различий в содержании Ni в корнях и побегах найдено не было. Наибольшее содержание Ni в корнях наблюдалось у представителей популяций PB серпентиновой группы и Сo c неметаллоносной почвы, а в побегах – у растений популяции MP серпентиновой группы. Наибольшие различия между популяциями по способности растений накапливать Ni в корнях и побегах наблюдались в каламиновой группе, наименьшие – в серпентиновой группе, хотя необходимо учитывать, что число изученных популяций с серпентиновых почв было меньше (3 популяции из географически удаленных мест), чем число популяций с каламиновых и неметаллоносных почв (6 и 7 популяций, соответственно) (рис. 1а).

Способность растений разных популяций накапливать Ni в корнях в расчете на единицу массы уменьшалась в ряду: PB ≈ Co > SB ≈ Ci ≈ Prem > Vi ≈ ≈ MP > LA > MS > LB ≈ KH ≈ Wi ≈ LC ≈ SF ≈ Ku > Pr, а в побегах – в ряду: MP > Ku > KH > LA > SF > > LB > Vi ≈ Ci > PB ≈ Prem ≈ Wi > Co > SB > MS > > Pr ≈ LC (рис. 1а). Корреляции между содержанием Ni в корнях и побегах у представителей различных популяций N. сaerulescens не было найдено (рис. 2а).

Рис. 2.

Диаграммы корреляций между содержанием Ni в корнях и побегах (а), содержанием Ni в корнях и значением фактора транслокации (б), содержанием Ni и Zn в корнях (в), значениями фактора транслокации Ni и Zn (г), содержанием Ni в корнях и устойчивостью (д), а также значением фактора транслокации и устойчивостью (е) растений Noccaea сaerulescens. Показаны линии регрессии и коэффициент корреляции Пирсона (r) (* при Р < 0.05; ** при Р < 0.01). Данные по устойчивости растений, оцененной по значению концентрации Ni, при которой рост корней полностью ингибировался (EC₁₀₀), а также по накоплению и транслокации Zn взяты из статей [13, 14].

Значение фактора транслокации, то есть отношение содержания Ni в побегах к его содержанию в корнях, у N. japonica существенно не отличалось от представителей двух популяций N. сaerulescens с серпентиновых почв, Сi и PB, но было существенно ниже, чем у растений другой серпентиновой популяции, MP (рис. 1б). У растений разных популяций N. сaerulescens средние значения фактора транслокации колебались в широких пределах. Наибольшие средние значения были получены для растений популяции МР cерпентиновой группы, а также для популяций KH и Ku c неметаллоносных почв. Наименьшие средние значения фактора транслокации наблюдались у растений популяций Pr и LC каламиновой группы. Значения фактора транслокации меньше 1 наблюдались также у растений популяций PB и Ci c серпентиновых почв, Prem, Wi, MS, SB, Co c неметаллоносных почв, а также Vi с каламиновой почвы. В целом значения фактора транслокации уменьшались в ряду: Ku > KH ≈ MP > SF > LB ≈ ≈ LA > Wi > Vi > Ci > Prem > PB > Co ≈ MS > SB > > Pr ≈ LC. Во всех группах растений наблюдался значительный разброс значений фактора транслокации и присутствовали популяции со значением фактора транслокации как больше, так и меньше 1 (рис. 1б). Корреляции между содержанием Ni в корнях и значением фактора транслокации у представителей различных популяций N. сaerulescens найдено не было (рис. 2б).

ОБСУЖДЕНИЕ

Наибольшей способностью накапливать Ni в побегах из изученных нами популяций отличались растения популяции MP N. caerulescens, произрастающие в естественных условиях на ультраосновной (серпентиновой) почве Италии (рис. 1а). На первый взгляд, полученные данные подтверждают гипотезы, согласно которым развитие способности накапливать металл зависит от его доступности в среде [17], так как серпентиновые почвы богаты Ni, а различия в способности к специфическому накоплению металлов среди популяций N. caerulescens предопределены генетически [15]. Однако примечательно, что растения популяций Ku и КН с неметаллоносных почв Финляндии и Чехии, соответственно, и популяции LA c каламиновой почвы во Франции также имели относительно высокую способность аккумулировать Ni в побегах (рис. 1а), несмотря на его низкое содержание в почве в естественной среде их произрастания. Более того, как показали наши более ранние исследования, проведенные в идентичных условиях, способность накапливать Ni в побегах у растений популяции CMA с каламиновой почвы была более чем в два раза выше, чем у растений популяции MP с серпентиновой почвы [13]. Принято считать, что способность к гипераккумуляции Ni возникла, по-видимому, на серпентиновых почвах, а способность к гипераккумуляции Cd и Zn могла эволюционировать либо на каламиновых почвах, либо, что более вероятно, на неметаллоносных почвах с последующим заселением металлоносных почв и повышением устойчивости растений. Популяции факультативных металлофитов-гипераккумуляторов с металлоносных почв, по крайней мере, гипераккумуляторов Zn/Cd, обычно более устойчивы к Zn и Cd, чем популяции того же вида с неметаллоносных почв [18, 19]. Однако полученные данные свидетельствуют в пользу того, что способность растений накапливать металлы, в отличие от устойчивости к ним, не всегда коррелирует с содержанием соответствующих металлов в почве в среде их обитания [25].

Существует несколько гипотез относительно того, в чем селективное преимущество способности растений накапливать металлы в природе. Согласно гипотезе “защиты”, повышенный уровень содержания металлов в тканях побега способствует защите от растительноядных животных и патогенов, благодаря чему снижается необходимость тратить большие количества энергии, азота и углерода на биосинтез защитных органических соединений [обобщено в обзорах 26, 27]. Например, развитие патогенного штамма Xanthomonas campestris pv. сampestris не происходило в растениях гипераккумулятора Ni Streptanthus polygaloides, а рост паразитического гриба Erysiphe polygoni и некротрофного гриба Alternaria brassicola ингибировался [28].

Растения серпентиновой популяции N. japonica, а также популяций серпентиновой группы N. caerulescens (MP, PB, Ci) накапливали не только большое количество Ni (рис. 1а), но и отличались высокой способностью накапливать Zn [13, 14], а растения популяции CМА помимо Ni и Zn накапливали также наибольшее количество Cd в побегах [13]. В естественных условиях произрастания способность растений одновременно накапливать несколько металлов может давать определенные преимущества в защите от поедания. Например, у гипераккумулятора Cd и Zn A. halleri способность к накоплению Cd могла возникнуть в ответ на развитие устойчивости травоядных животных к Zn, тем более что Сd токсичнее Zn [29]. Кроме того, даже небольшие количества металлов могут вносить значительный вклад в токсичность смеси, даже когда металлы находятся в концентрациях ниже их пороговых значений токсичности при их раздельном действии [30]. Можно предположить, что высокая способность к накоплению Zn у растений в популяциях N. caerulescens с серпентиновых почв и Ni у растений ряда популяций (LA, SF, LB) с каламиновых почв (рис. 1а) могла развиться в ответ на устойчивость к Ni и Zn, соответственно, у местных видов травоядных или паразитов. Можно утверждать, что в природе концентрации Zn в листьях растений популяций серпентиновой группы и Ni в листьях растений каламиновой группы часто остаются намного ниже пороговой величины, характерной для гипераккумуляторов в природе [6] из-за относительно низкого содержания Zn в серпентиновых почвах и Ni в каламиновых почвах, соответственно. Однако возможно, что даже это относительно низкое содержание Zn и Ni в листьях у растений серпентиновой и каламиновой групп, растущих в естественных условиях, соответственно, в сочетании с накоплением преобладающих элементов, присутствующих в почве, вносит существенный вклад в защиту растений от травоядных или паразитов [13, 14]. Конечно, эти способности также могут быть просто унаследованными от предков, эволюционировавших на других типах почв.

Можно предположить, что способность к одновременному накоплению нескольких элементов растениями является результатом общих путей поступления металлов в растения или их транспорта в побеги [обобщено в обзоре 31]. Высокая положительная корреляция между содержанием Ni и Zn, Zn и Cd, а также Ni и Cd в побегах N. caerulescens [13] также подтверждает существование слабо специфических механизмов транспорта этих металлов. Было также показано, что поглощение Ni в присутствии эквимолярных концентраций Zn в питательном растворе существенно снижалось у растений N. caerulescens популяций MP и PB c cерпентиновых почв, а также SF и Durfort (Du, Франция) c каламиновых почв, тогда как Ni не влиял на поглощение Zn, что предполагает поглощение Ni в основном посредством транспортеров Zn у растений этих популяций [32]. Предпочтительное поглощение Zn перед Ni у N. caerulescens согласуется с результатами полевых исследований [9]. Учитывая эти данные, можно предположить, что способность к накоплению Ni у N. caerulescens является всего лишь побочным продуктом характерного для вида в целом механизма гипераккумуляции Zn, по крайней мере, в той мере, в какой это касается поглощения корнями.

Разные популяции N. caerulescens существенно различались по способности накапливать металлы в корнях и побегах. В то время как способность накапливать Zn характерна у N. caerulescens для вида в целом [13, 14], способность накапливать Ni в побегах у растений бельгийских популяций LC и Pr (рис. 1а), а также Plombières (Pl, Бельгия) и Lanеstosa (La, Испания) с каламиновых почв не выявлена [13]. Одним из неспецифических транспортеров, участвующих в поглощении металлов является IRT1, который участвует в транспорте через плазмалемму в цитоплазму не только двухвалентных ионов Fe, Zn, Сo, Mn, Cd [33–35], но и Ni [36, 37]. При действии Ni наблюдалась индукция экспрессии гена IRT1 в корнях Arabidopsis thaliana [36, 37] и N. caerulescens [38]. У растений двух бельгийских каламиновых популяций LC и Pr, лишенных способности к гипераккумуляции не только Ni (рис. 1а), но и Cd [13] и обладающих относительно низкой способностью к накоплению Zn, наблюдается синтез нефункциональной, вероятно, укороченной формы белка IRT1 [обобщено в обзоре 31; 35, 39]. В этой связи необходимо заметить, что у растений популяции LC, в отличие от MP, PB, SF и Du, Zn не оказывал заметного влияния на поглощение Ni [32]. Однако у популяции La (Испания) c каламиновой почвы, также не обладающей способностью к гипераккумуляции Cd и Ni, наблюдалась относительно высокая способность к накоплению Zn, из чего можно предположить, что у растений этой популяции существует по крайней мере еще один транспортер, участвующий в поглощении Zn и обладающий более низким сродством к Ni [13, 14]. О существовании общих путей поступления Ni и Zn в корневые системы растений свидетельствует достоверная корреляция между способностью накапливать Ni и Zn в корнях (рис. 2в).

Так как накопление Ni не изменялось в присутствии Zn и Cd у LC, но подавлялось этими металлами у растений популяций Lellingen (Le), St-Laurent-le-Minier (SLM, ранее Ganges) и MP, стало возможным предположить, что накопление Ni определяется менее специфичной системой поглощения, которая участвует в поглощении Zn и Cd у Lе, MP и SLM [7]. Участие в поглощении Ni транспортеров с низким сродством к Zn было подтверждено у N. caerulescens в более поздних исследованиях, а также продемонстрировано у гипераккумулятора Ni Odontarrhena muralis (Alyssum murale) и у неаккумуляторов Thlaspi arvense [40] и Triticum aestivum [41]. Одним из кандидатов, который может участвовать в транспорте Ni, является транспортер с низким сродством ZIP10 [38], однако различия между популяциями на уровне экспрессии генов транспортеров металлов, участвующих в их поглощении, изучены еще крайне недостаточно.

Значения фактора транслокации существенно различались между растениями разных популяций во всех трех группах N. caerulescens (рис. 1б). Принимая во внимание, что корреляции между содержанием Ni в корнях и побегах у представителей различных популяций N. сaerulescens не найдено (рис. 2а), становится очевидным, что должны существовать внутривидовые различия в транспорте Ni из корней в побеги. Примечательно, что у растений популяций N. caerulescens серпентиновой группы, за исключением MP, а также у серпентиновой популяции N. japonica содержание Ni в корнях было выше, чем в побегах. Они обладали средней эффективностью транслокации Ni в побеги, в то время как наибольшие значения фактора транслокации были обнаружены не только у растений серпентиновой популяции MP, но и у растений популяций KH и Ku с неметаллоносных почв (рис. 1б). Наименьшей способностью транспортировать Ni из корней в побеги обладали растения бельгийских каламиновых популяций LC и Рr (рис. 1б), а следовательно, очень низкая способность растений этих популяций к накоплению Ni в побегах определяется не только низкой интенсивностью поглощения металла, но и низкой эффективностью его транспорта из корней в побеги. Фактически, растения этих популяций проявляли себя скорее как исключатели с коэффициентом транслокации Ni около 0.1 (рис. 1б). Отсутствие корреляции между содержанием Ni в корнях и фактором транслокации Ni (рис. 2б) свидетельствует о том, что количество транспортируемого металла напрямую не зависит от его содержания в корневой системе. Таким образом, можно предположить, что у растений из популяций LC и Pr отсутствует именно способность к гипертранслокации Ni, тогда как способность к транслокации Cd и Zn поддерживается на уровне, свойственном для гипераккумуляторов [11, 14, 42].

Высокая способность растений гипераккумуляторов транспортировать Ni и Zn из корней в побеги может определяться высоким уровнем низкомолекулярных цитоплазматических хелаторов, таких как гистидин и никотианамин, в корнях этих видов [обобщено в обзоре 31]. При инкубации выделенных из корней везикул тонопласта в среде, содержащей Ni или Zn в сочетании с гистидином, поступление в них металлов значительно ингибировалось у N. caerulescens, но не у близкородственного неаккумулятора Thlaspi arvense [8, 43]. Учитывая конститутивно высокий эндогенный уровень гистидина в корнях N. caerulescens [8] и низкое содержание Ni и Zn в протопластах клеток коры корня [8, 43], можно предположить, что связывание металлов с гистидином в цитозоле ограничивает их поступление в вакуоли клеток коры корня, облегчая их радиальный транспорт по направлению к ксилеме [обобщено в обзоре 31]. Однако следует отметить, что, несмотря на существенные различия в способности накапливать Ni (рис. 1а) и Zn [9, 10, 13–15, 43], растения разных популяций N. caerulescens (Lе, LC, SF, MP) достоверно не различались по эндогенному содержанию гистидина в корнях и побегах [8]. Это свидетельствует о том, что межпопуляционные различия по способности растений накапливать Ni и Zn, по всей видимости, не определяются различным содержанием свободного гистидина в корнях. В этом отношении нельзя исключать потенциальную роль никотианамина, хотя данные по межпопуляционным различиям эндогенного содержания никотианамина в корнях нам неизвестны.

Существенный вклад в механизмы гипераккумуляции вносит эффективность загрузки металлов в сосуды ксилемы. Показано, что АТФазы P_1B-типа HMA4 и HMA2 участвуют в загрузке Zn и Cd в сосуды ксилемы из клеток перицикла и ксилемной паренхимы [обобщено в обзоре 31]. Можно предположить, что причинами разной эффективности загрузки металлов в ксилему у растений разных популяций могут быть либо различия в локализации транспортеров на мембране, либо разный уровень экспрессии генов, кодирующих эти белки, что показано в случае НМА4 [42]. Уровень экспрессии NcHMA4 у растений PB N. caerulescens, был ниже по сравнению с Pr, SF и SLM, что связано с наличием четырех копий NcHMA4 у SLM и SF, трех копий у Pr и только двух копий у PB [42]. Однако уровень экспрессии NcHMA4 не полностью согласуется со способностью растений накапливать Zn [14], что позволяет рассматривать этот механизм только в качестве одной из возможных причин внутривидовых различий у N. caerulescens в накоплении Zn и, возможно, Cd. Механизм загрузки Ni в ксилему нам пока не известен. Но очевидно, что транспорт Ni и Zn в побеги происходит различными путями, о чем косвенно свидетельствует отсутствие корреляции между значениями факторов транслокации Ni и Zn (рис. 2г).

Очевидно, что гипераккумуляторы должны быть устойчивы к действию металлов, которые они накапливают. При этом механизмы, определяющие устойчивость к металлам, должны были возникнуть в процессе эволюции раньше или параллельно со способностью к аккумуляции [44]. Данные корневого теста, в котором растения последовательно инкубировали на растворах с возрастающими концентрациями Ni и отмечали минимальную концентрацию, при которой рост останавливался (EC₁₀₀), показали, что устойчивость к Ni у N. caerulescens в целом видоспецифична и намного выше, чем у неметаллофитов, хотя растения разных популяций гипеаккумулятора могут отличаться по устойчивости [13]. Межпопуляционные различия в устойчивости растений к Ni были минимальными внутри группы растений с серпентиновых почв по сравнению группами популяций с каламиновых и неметаллоносных почв. Наибольшая устойчивость к Ni была характерная для растений популяций PB и Ci, эволюция которых проходила на серпентиновых почвах [13].

Корреляции между накоплением Ni в побегах и устойчивостью растений к Ni не было обнаружено [13]. Отсутствие корреляции между устойчивостью и способностью растений накапливать Ni, по крайней мере, частично может служить косвенным подтверждением существующей точки зрения о независимом генетическом контроле устойчивости и способности к накоплению металлов [21–24]. Так как для анализа устойчивости использовался корневой тест [13], то в настоящей работе нами был проведен анализ взаимосвязи между устойчивостью растений разных популяций N. caerulescens к Ni и их способностью накапливать Ni в корнях (рис. 2д) и транспортировать Ni в побеги, выраженной через фактор транслокации (рис. 2е). Анализ показал наличие значительной положительной корреляции только между способностью накапливать Ni в корнях и устойчивостью растений к Ni (рис. 2д), что свидетельствует о том, что между устойчивостью растений Ni, оцененной по корневому тесту, и накоплением Ni в корнях может существовать определенная связь. В этой связи важно заметить, что у наиболее устойчивых к Ni растений популяций PB и Ci N. caerulescens, а также у несколько менее устойчивых растений N. japonica [13], наблюдалось наибольшее накопление металла в корнях (рис. 1а), что может быть связано с высокой эффективностью механизмов детоксикации Ni в корнях. У растений популяции MP, устойчивость которых была немного ниже по сравнению PB и Ci [13], наблюдалось не только высокое содержание Ni в корнях, но и очень интенсивная его транслокация в побеги, где у гипераккумуляторов происходит детоксикация Ni путем его накопления в вакуолях клеток, преимущественно покровной ткани [обобщено в обзоре 45]. Однако очевидно, что существующие различия в устойчивости к Ni между популяциями не связаны непосредственно с различиями в эффективности транслокации Ni, поскольку не было найдено корреляции между значениями фактора транслокации и устойчивостью растений к Ni (рис. 2е), из чего следует, что различия в устойчивости должны в значительной степени определяться различной способностью связывать Ni в корнях. Примечательно, что в отличие от Ni, в случае Zn обнаружена отрицательная корреляция между способностью накапливать Zn в корнях и устойчивостью растений к Zn [14], что может свидетельствовать о том, что устойчивость в данном случае определяется скорее не эффективными механизмами детоксикации Zn в корнях, а способностью устойчивых к Zn растений поддерживать относительно низкое содержание металла в корнях благодаря ограниченному поглощению Zn или эффективному его транспорту в побеги. Причины различий в стратегии устойчивости растений к Ni и Zn пока не ясны. В любом случае, по-видимому, растения N. caerulescens не способны эффективно связывать Zn в корнях, что подтверждается полной потерей устойчивости к Zn при подавлении экспрессии гена HMA4 у A. halleri [23].

Таким образом, накопление Ni в корнях варьирует у разных популяций и не коррелирует с накоплением Ni в побегах. Однако накопление Ni в корнях положительно коррелирует с устойчивостью растений к Ni, оцененной по ингибированию роста корня. Высокая устойчивость к Ni растений популяций с серпентиновых почв, по-видимому, объясняется высокой эффективностью детоксикации Ni в корнях, но напрямую не связана с эффективностью его транслокации из корней в побеги.

Авторы выражают благодарность Mark Aarts, Mathilde Mousset, Thibault Sterckeman, Celestino Quintela-Sabarís, Petra Kidd, Oihana Barrutía и Sylvain Merlot за предоставление семян N. caerulescens, Takafumi Mizuno за предоставление семян N. japonica, and Rudo Verweij, Rob Broekman, Richard van Logtestijn, Riet Vooijs, и Sandy Goette за техническую помощь.

Исследования, проведенные на растениях Noccaea caerulescens, выполнены за счет средств Российского научного фонда (проект № 21-14-00028, https://rscf.ru/project/21-14-00028/). Исследования, проведенные на растениях Noccaea japonica, выполнены в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № 121040800153-1).

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

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