Влияние растворов сульфатов меди (II) и кадмия на удельную активность каталазы проростков амаранта сорта Крепыш и щирицы обыкновенной (запрокинутой)



ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Обязательным свойством любого, в том числе и растительного организма является способность к защите от повреждающих и неблагоприятных факторов среды. Ответные реакции, которые вызваны в организме внешними воздействиями, объединяют терминами "адаптационный синдром", а также не совсем точным, но при этом широко находившимся термином "стресс". В первый раз термин "стресс" в физиологию и психологию ввёл Уолтер Кэннон.

По Селье, стресс − это совокупность всех неспецифических изменений, которые возникают в организме под влиянием разных неблагоприятных и повреждающих факторов. Селье предполагал, что одной из главных отличительных характеристик живых организмов является способность адаптироваться к стрессорам путём "концентрирования усилий", или напряжения [23].

Внешние факторы называются стрессовыми, которые оказывают отрицательное воздействие на растение. Во многих случаях стрессовое воздействие оценивают по его влиянию на выживание растительного организма, процессы роста, ассимиляции углекислоты или элементов минерального питания. Различные виды растений устойчивы (или неустойчивы) к различным стрессовым воздействиям. Таким образом, характер стрессового воздействия зависит от вида растения и от стрессового фактора. Получение устойчивости под воздействием одного из неблагоприятных факторов способно вызывать увеличение устойчивости растительного организма к другим стрессовым воздействиям. Такое явление называется кросс - устойчивостью, или кросс - адаптацией.

По причине прикреплённому образу жизни растения довольно часто подвергаются стрессовым воздействиям. Такое требует комплексной и высокоупорядоченной системы ответных реакций на такие факторы как избыточная или недостаточная освещённость, жара, холод, гипоксия, засуха, повреждения. Растения способны достаточно быстро реагировать на сигналы, которые поступают из окружающей среды, и, адаптируясь к ним,  корректируют программу своего развития.

Растения в значительной мере подвергаются стрессовым воздействиям в естественных условиях. Существуют стрессовые факторы, например высокая или низкая температура воздуха, которые могут действовать в течение нескольких часов. Другие −оказывают на растение неблагоприятное влияние в течение нескольких дней, недель, или месяцев. В частности устойчивость к неблагоприятным условиям среды определяет характер распределения разных видов растений по климатическим зонам. Растения очень редко находятся в оптимальных ситуациях комплекса факторов внешней среды в естественных условиях произрастания, так как постоянно испытывают действие стрессовых факторов разной силы и продолжительности.

Одни действуют в течение короткого времени (порывы ветра, град), а другие — в течение многих дней (затопление, высокая или низкая температура), месяцев и даже лет (повышенная кислотность почвы, заболачивание и др.). При этом достаточно часто растения испытывают влияние комплекса неблагоприятных факторов. Примерами являются: одновременное влияние высокой температуры и дефицита влаги; избыточной влажности, недостатка кислорода и патогенных микроорганизмов.

Все факторы внешней среды, которые действуют на растения, разделяют на две основные группы: биотические и абиотические. Влияние биотических факторов определяется взаимодействием растений с другими живыми организмами. К таким относят возбудителей болезней и вредителей, повреждение травоядными животными, вытаптывание, симбиоз и паразитизм. К абиотические относят факторы неживой природы, такие как температура, свет, влажность, питательные вещества концентрация CO2и другие [21].

Цель − изучить влияние растворов сульфатов меди(II) и кадмия на удельную активность каталазы проростков амаранта сорта Крепыш и щирицы обыкновенной (запрокинутой).

Для достижения данной цели перед нами были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать влияние растворов сульфатов меди(II) и кадмия на  удельную активность каталаз прорастающих семян амаранта.

2. Сравнить влияние стрессоров в зависимости от объектов исследования, концентрации растворов и продолжительности воздействия.

  1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

  1. Амарант

Амарант –это однолетнее растение, которое является семейством амарантовых. Примерами служат:крепыш, щирица, петушиные гребешки, бархатник, кошачий хвост.Растения способны достигать 2-3 м высоты, с толщиной стебля 8-10 см, массой от 3-5 до 30 кг. Соцветие – пышная метелка, длиной до 1,5 м различной плотности и формы. Семена мелкие, разной окраски. Всхожесть могут сохранять до 5 лет. Родиной амаранта является Центральная и Южная Америка. В мире существует 65 родов и около 900 видов амаранта. Всего в России известно 17 видов. Во многих странах мира амарант выращивают в качестве однолетнего овощного растения, которое дает нежную и обильную зелень. Также эта культура способна обеспечивать людей очень богатым урожаем семян. Одной из главных ценностей является амарантовое масло, в состав которого входит сквален С30 – терпеновый углеводород. Кроме использования в пищевых целях, амарант ценится в качестве лекарственного, декоративного и кормового растения. Наиболее распространенным считается амарант обыкновенный, который является сорняком, хотя и применяется как ценное кормовое растение. Амарант, в зависимости от вида, может быть окрашен в зеленый или пурпурно-красный цвет [5].

  1. Биохимический состав амаранта.

    Амарант формирует достаточно большую биомассу листьев, более того имеет исключительный биохимический состав и обладает очень высоким содержанием белка, полным набором незаменимых аминокислот, аскорбиновой кислоты, полифенолов, каротиноидов и других биологически активных добавок (БАД).

    Амарант относят к высокобелковым культурам. Общее содержание белков в семенах различных видов амаранта колеблется от 17,8 до 13,7% . У амаранта наиболее распространены четыре вида белков, основным из которых является альбумин.

    Общее число липидов в семенах амаранта колеблется от 2 до 17% в зависимости от вида.

    В достаточной степени изучен состав углеводов в семенах амаранта. Содержание в которых, способно достигать до 60% от массы семян. В их составе были выявлены в основном сахароза и рафиноза. В значительном количестве в семенах амаранта был обнаружен крахмал, который составляет 69%.

    В 1977 году были представлены результаты исследований флавоноидов в 54 видах амаранта. В результате из надземной части 16 видов амаранта были выявлены три вещества флавиновой природы – кверцетин, трифолин и рутин [7].

    1. Общие представления об устойчивости растений

    Способность растения переносить действие неблагоприятных факторов называется устойчивостью, то есть – это способность растений сохранять постоянство внутренней среды и осуществлять жизненный цикл в условиях действия стрессоров. Это понятие обширно используется в физиологии растений. Как правило, при этом требуется уточнение, в отношении какого фактора устойчиво растение. Можно говорить о жароустойчивости, холодоустойчивости, радиоустойчивости, устойчивости к осмотическому стрессу и т.д. Устойчивость растения испытывают путем его выдерживания в стрессовых условиях, когда напряженность фактора, по отношению к которому испытывается устойчивость, находится у пределов, переносимых организмом [9].

    Благодаря классификации устойчивости по отношению к внешним факторам, действующим на растение, говорят об устойчивости к химическим и физическим воздействиям. В некоторых случаях повреждение организма, которое сопровождается фактором физической природы, опосредуется химическими агентами, образующимися в растении при действии на него физического фактора. Например, действие на растение ионизирующей радиации, ультрафиолетовых лучей, высокой температуры связано с медиаторами химической природы. Устойчивость растения к стрессовому воздействию зависит от фазы онтогенеза. Наиболее устойчивы растения, находящиеся в покое в виде семян, луковиц. Наиболее чувствительны – растения в молодом возрасте, в период появления всходов. Далее по мере роста и развития устойчивость растений постепенно возрастает вплоть до созревания семян. Тем не менее, период формирования гамет также является критическим, так как растения в это время сверхчувствительны к стрессу и реагируют на действие стрессоров снижением продуктивности. Действию стрессовых факторов подвергаются дикорастущие растения, а так же и культурные. Любой экстремальный фактор проявляет отрицательное влияние на рост, накопление биомассы и урожай. Поэтому также иногда говорят об агрономической устойчивости. Такая устойчивость называется способностью у растений давать высокий урожай в неблагоприятных условиях. Степень снижения урожая под влиянием стрессовых условий является показателем устойчивости к ним растений.

    Изучая природу общих механизмов устойчивости к большой группе стрессоров, вызывающих водный дефицит, можно выделить три типа универсальных механизмов:

    1. стресс-индуцированное новообразование макромолекул с защитными свойствами;

    2. синтез совместимых осмолитов с множественными протекторными свойствами;

    3. функционирование антиоксидантных систем.

    Особую роль в устойчивости растений к действию стрессоров играет адаптация (от лат. аdaptatio – приспособление). Понятия адаптация и устойчивость тесно связаны между собой. Тема адаптации – одна из центральных в биологии. В литературе по вопросам адаптации зачастую обсуждаются высокоспециализированные приспособления на физиологическом, морфологическом, поведенческом и других уровнях. Адаптация показывает, с одной стороны, устойчивость биологических систем к условиям среды, а с другой, – процесс приспособления живых организмов к часто изменяющимся условиям среды [27].

    1. Классификация стрессоров

    Растительные организмы в природных условиях почти всегда подвергаются воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды. Способность растений сопротивляться экстремальным условиям произрастания, приспосабливаться к ним и сохранять при этом свой жизненный потенциал - одно из главных условий существования растений. Оно зависит от возможности реализовать защитно-приспособительные механизмы, иными словами адаптироваться к различным стрессовым воздействиям.

    Стрессорный фактор, или стрессор – в значительной степени действующий фактор внешней среды, который способен вызвать в организме повреждение или даже вызвать летальный исход. Если повреждающее действие стрессора превышает защитные возможности организма, то можно говорить об экстремальном факторе.

    Интенсивность (доза) стрессора, приводящая к гибели организма, называется летальной дозой и характеризуется, как − ЛД50, т. е. интенсивностью действующего фактора, при которой гибнет половина растений. В наибольшей степени главными неблагоприятными для растений факторами оказываются засуха, высокие и низкие температуры, избыток воды и солей в почве, недостаток кислорода, присутствие в атмосфере вредных веществ, ультрафиолетовая радиация, ионы тяжелых металлов, фитопатогены. Бывают критические периоды воздействия стрессовых факторов на растения. Обнаружено, что растения более устойчивы в покоящемся состоянии (в виде семян, луковиц, клубней). Наиболее же чувствительны растения в молодом возрасте (период появления всходов, период формирования гамет, во время цветения и плодоношения). Экологический фактор обладает определенными количественными показателями: интенсивность и диапазон действия. В соответствии с рисунком 1.1 действия фактора характеризуются его амплитудой.

    Рисунок ‒ 1.1Схема действия экологического фактора на жизнедеятельность организмов

    1, 2, 3– точки минимума, оптимума и максимума соответственно;

    I, II, III – зоны пессимума, нормы и оптимума соответственно.

    Точка 2 на оси абсцисс, которая обладает наилучшим показателям жизнедеятельности организма, показывает более благоприятную для организма величину воздействующего фактора – это точка оптимума. Для многих организмов выявить оптимальное значение фактора с достаточной точностью чаще всего трудно, в связи с этим принято говорить о зоне оптимума. Крайние участки кривой, показывающие состояние угнетения организмов при резком недостатке или избытке фактора можно называть областями пессимума или стресса. Вблизи критических точек лежат сублетальные величины фактора, а за пределами зоны выживания – летальные.

    1. Стресс у растений. Теория Г. Селье

    У растений, в согласии с теорией Г. Селье, можно выделить три последовательные фазы ответной реакции на воздействие неблагоприятных факторов (рисунок 1.2):

    1. первичная стрессовая реакция (тревога и торможение процессов жизнедеятельности)
    2. Адаптация (стадия резистентности),
    3. Истощение (когда адаптивный потенциал растений слишком мал для того противостояния к влиянию стрессора)

    Рисунок 1.2 − Триада Г. Селье

    Чем меньше при стрессе физиологические функции отклоняются от своей нормы и быстрее функция принимает норму после прекращения воздействия фактора, тем больше устойчивость растения к этому фактору. Несильные и кратковременные изменения внешней среды в неблагоприятную для растений сторону чаще всего не могут привести к существенным нарушениям физиологических процессов у растений. Это обуславливается всем комплексом приспособлений, которые позволяют им сохранять относительное постоянство функции при постоянно изменяющихся условиях среды.

    В результате хозяйственной деятельности человека выявляют новые неблагоприятные факторы, которые растения не  способны переносить. Эти факторы не участвовали в эволюции данного вида. В связи, с чем растения не имеют специфических механизмов формирования устойчивости к ним. В примеры можно привести гербициды, вредные газы, тяжелые металлы и другие ксенобиотики, другими словами, вещества, чужеродные живому организму [3].

    Вфитофизиологии определение «стресс» применяется в нескольких аспектах. В одних случаях «стресс» служит синонимом слову «воздействие» (стрессовое воздействие, стрессовый фактор, стрессовые нагрузки, индуцированный стресс и т.д.), если стресс отражает количественную сторону раздражителя. В других случаях, когда, к примеру, говорят о водном, солевом или окислительном стрессе, то под стрессом считают целый комплекс ответных неспецифических и специфических изменений.

    Обязательным свойством любого живого организма, включая высшие растения, является способность к защите от действия неблагоприятных факторов среды. Эта функция возникла одновременно с появлением первых живых организмов и в ходе дальнейшей эволюции развивалась и совершенствовалась. На каждой стадии развития способность растений к приспособлению к неблагоприятным условиям выражена в различной степени. Эта способность растений относится к глубоким изменением обмена, а также выявляется быстротой и глубиной его изменения без нарушения согласованности между отдельными функциями, посредством чего не нарушается единство организма и среды. Это, в результате, и определяет жизнедеятельность организма и его выносливость [2].

    Для высших растений типичен активный путь адаптации к неблагоприятным факторам среды. Примером является путь адаптации к неблагоприятным условиям водного режима. По причине целому комплексу гидрорегулирующих приспособлений, проявляющихся на любой стадии онтогенеза и отличающихся автоматизмом и динамичностью действия, растения имеют способность противостоять иссушающему действию факторов внешней среды. К таким приспособлениям, всегда направленным на усиление поглощения и снижение испарения воды, относят усиленный рост корневой системы, возрастание водоудерживающей способности, закрывание устьиц и др.

    Динамичное избирательное отношение растительного организма к неблагоприятным, стрессовым условиям внешней среды определяется в его способности к саморегуляции, оптимизации протекающих в нем процессов. Еще одним примером может служить их приспособление к факторам внешней среды, с которыми организм находится в непрерывном взаимодействии на протяжении всего онтогенеза. Сюда принимают устойчивость к недостатку или избытку воды, низким и высоким температурам, недостатку кислорода, засолению и загазованности среды, ионизирующему излучению, инфекциям и др. Все перечисленные неблагоприятные факторы в последнее время чаще всего называют стрессорами, а реакцию организма на любые отклонения от нормы – стрессом.

    Вопрос о природе защитных реакций, которые растение способно противопоставить гибельному влиянию перечисленных выше факторов, а также которые могут позволить организму сохранить нормальный ход процессов развития, включая и функцию самовоспроизведения, изучается на протяжении большого количества времени. По происхождению и характеру действия все экологические факторы разделяют на группу абиотических и группу биотических. К первой относят факторы не живой природы, а ко второй  группу, связанную с влиянием живых существ. Это разделение условно, так как многие абиотические факторы переносят большое влияние жизнедеятельности живых организмов [28].

    1. Адаптация у растений

    Выделяют различные подходы к определению термина «адаптация». Примерами являются:

    1. Адаптация по Кузнецову – это генетически детерминированный процесс формирования защитных систем, который обеспечивает повышение устойчивости и протекание онтогенеза в ранее неблагоприятных для него условиях.
    2. Адаптация по Усманову – совокупность морфологических, физиологических и биохимических первичных приспособительных реакций, представляющих возможность видоспецифического выживания растений при действии вертикальных и горизонтальных биотических связей.

    Адаптация является одним из главных механизмов, который усиливает устойчивость биологической системы в изменившихся условиях существования. Чем лучше организм адаптирован к какому-то фактору, тем он устойчивее к его колебаниям. Адаптация включает в себя все процессы (анатомические, морфологические, физиологические, поведенческие и др.), способствующие повышению устойчивости и выживанию вида [8].

    Выделяют несколько главных стратегий адаптации: эволюционные и онтогенетические:

    1. Эволюционные (филогенетические) адаптации – это адаптации, которые возникают в ходе эволюционного процесса на основе генетических мутаций, отбора и передающиеся по наследству. Системы выживания, сформированные в процессе эволюции, наиболее надежны. Они, чаще всего, функционируют в течение всего онтогенеза в стрессорных, а также в оптимальных условиях. Тем не менее, изменения условий среды, в большинстве случаев, являются слишком быстрыми для возникновения эволюционных приспособлений. В этих случаях растения используют в место постоянных индуцируемые стрессором защитные механизмы. Их формирование генетически предопределено (детерминировано). В образовании таких защитных систем относят изменение дифференциальной экспрессии генов.
    2. Онтогенетические (фенотипические) адаптации - обеспечивают выживание данного организма. Они не связаны с генетическими мутациями и не могут передаваться по наследству. Формирование такого рода адаптаций требует сравнительно много времени, благодаря этому их называют долговременными адаптациями. Так как организмы имеют способность к адаптации, то при адаптации к стрессовому фактору возможно увеличение эластичной и пластичной устойчивости растений к нему [20].

    Эластичная устойчивость является мерой способности организма предупреждать обратимые физико-химические изменения при действии стрессора, а пластичная устойчивость определяется мерой способности организма предупреждать необратимое напряжение, другими словами физико-химические повреждения.

    Адаптация может являться стабильной, благодаря закреплению в процессе эволюции в ряде поколений, или нестабильной, зависящей от стадии развития организма и факторов окружающей среды. Адаптация, которая приводит к возрастанию пластичной устойчивости, предохраняет организм от повреждения стрессором, вызывающим повреждения у неадаптированного организма. Этот тип адаптации называют адаптацией к экстремальным воздействиям фактора среды. Такая адаптация предполагает устойчивость к повреждению при действии стрессового фактора, но если оно продолжается достаточно большое количество времени, то оно может приводить к повреждению и смерти организма. Способность организма жить, расти и размножаться в присутствии стрессового фактора, была названа адаптацией к воздействиям фактора среды.

    Оба пути адаптации включают устойчивость к стрессу. Поэтому в некоторых случаях их еще называют эластичная и пластичная адаптации. В эколого-физиологических исследованиях выделяют толерантность и резистентность организма по отношению к факторам среды. Организм может жить в определенных условиях внешней среды. Абиотические факторы среды имеют минимальные и максимальные значения, за пределами которых организм погибает. Эти значения являются пороговыми, при которых еще возможна жизнь данного конкретного вида. Они определяют нижнюю и верхнюю границы его толерантной зоны. Уровни которой, очень часто выходят за область оптимальных значений. В пределах толерантной зоны, которые обусловлены генотипом, колебания фактора не грозят организму гибелью.

    Организм, чаще всего, не использует все свои потенциальные возможности и функционирует в зоне более узкой, чем это позволяет генотип. За пределами зоны толерантности находится зона резистентности – зона действия летальных уровней воздействия, зона смерти.

    Благодаря этому выделяют приспособления к умеренным воздействиям, другими словами зону толерантности и адаптации к экстремальным воздействия, т.е. зону резистентности. Адаптация в зоне толерантности базируется на изменении метаболизма и энзиматической активности, которое происходит под влиянием изменившейся активности генетического аппарата организма, а также в результате непосредственного влияния на активность метаболизма изменившегося фактора. Только в пределах зоны толерантности работают механизмы физиологической адаптации, которые способствуют проявлению потенциальных возможностей генотипа. В зоне же резистентности организм работает не на нормализацию метаболизма, а на репарацию повреждения и увеличение времени жизни клеток при экстремальных изменениях условий среды [26].

    1. Типы повреждений растений под действием стрессоров

    Если стрессовый фактор действует на растение, то он может вызывать повреждение различными путями:

    1. Стресс может индуцировать прямое пластичное напряжение, вызывающее повреждение. Это можно определить первичным стрессоповреждением, которое выявляется по скорости его появления. Не исключено, что в этом случае растение может погибнуть за очень сжатое время (секунды или минуты). Примерами являются, быстрое замораживание, вызванное низкотемпературным стрессом. Когда цитоплазма замерзает, ледовые кристаллы разрывают плазмалемму, что вызывает резкую потерю полупроницаемости и смерть клетки.

    2. Стресс также вызываает эластичное напряжение, которое не опасно само по себе и является обратимым. Но если оно сохраняется достаточно длительное время, эластичные (обратимые) изменения могут косвенно повышать пластичные (необратимые) изменения, которые приводят к повреждению или смерти растения. Это называется непрямым стрессоповреждением. Оно выявляется по длительной экспозиции (часы и дни) в стрессовых условиях до повреждения. К примеру, когда некоторые растения слишком большое количество времени находятся при низкой температуре, это приводит их к замораживанию. В ряде случаях изменения могут стать преимущественно эластичными, которые выражаются в постепенном замедлении физических и химических процессов у растения, и поэтому могут быть не вредными. В других случаях это замедление может привести к нарушению клеточного метаболизма, которое вызывает недостаток метаболических соединений и продукции токсичных веществ.

    3. Не исключено, что стресс может повреждать растение путем вторичного стресса , а не путем напряжения, которое он вызывает. Примером является высокая температура, которая в ряде случаев может не быть повреждающей сама по себе, но вызывающей дефицит воды, который в свою очередь повреждает растение. Так как вторичный стресс требует, какое-то время для своего проявления, для развития вторичного стрессового повреждения также нужна относительно длительная экспозиция растения в присутствии первичного стрессового фактора.

    Вторичный стресс также может вызывать прямое или непрямое повреждение и давать начало третичному стрессу и т.д. Стрессы, которым могут быть подвержены растительные организмы, делят на два вида:

    1. Стресс лимитирования, который вызван слишком малым снабжением ресурсов (слабый свет или недостаток биогенов).
    2. Разрушительный, дисруптивный стресс, который является результатом повреждения, вызванного неблагоприятными условиями, а также перераспределением ресурсов, для того, чтобы предотвратить возможное повреждение [24].

    1. Ферменты

      1. Активность и классификация ферментов

        Ферменты –белки, которые обладают каталитической функцией при помощи наличия в их структуре активных центров, высокоспецифичных к субстрату – веществу, подвергающемуся ферментативному воздействию. Образуются и функционируют во всех живых организмах (фермент от латинского «fermentum» – «закваска»; энзим от греческого«эн» «в», «внутри»,«зиме» – «закваска»). Образование терминов связано с тем, что изначально ферментативные процессы были открыты и изучены в бродильном производстве [31].

        Ферменты в отличие от неорганических катализаторов довольно часто могут сами участвовать в химических превращениях веществ, при этом образуя промежуточные нестойкие соединения с теми веществами, на которые они воздействуют. Состояние раздробления в коллоидном растворе, где содержатся ферменты, создает огромную поверхность соприкосновения их с веществом, которое подвергается превращению. Ферменты обеспечивают согласованность, а также последовательность реакций обмена веществ.

        По особенностям строения, разделяют однокомпонентные и двухкомпонентные ферменты. Первые состоят целиком из вещества белковой природы. Это ферменты амилаза, пепсин и др. Двухкомпонентные ферменты более распространены, состоят из более крупной части белкового характера (апофермент, или носитель) и более мелкой части из низкомолекулярного специфического вещества небелкового характера (кофермент, или простетическая группа). Ряд ферментов содержит в качестве простетической группы тот или другой витамин (В1, В2, РР и др.) [16].

        Количество того или иного фермента достаточно трудно определяется, в связи с этим при исследованиях чаще всего имеют дело с понятием, которое называется активностью фермента, определяют ее по скорости ферментативного превращения вещества.

        На скорость ферментных реющий в основном влияние оказывают температура и кислотность среды. Для каждого фермента существует оптимальная температура и оптимальное рН среды. Как правило, оптимальная температура находится в пределах 40-50 °C. Ферменты могут действовать при температурах даже ниже 0 °C. При высоких температурах (около 100 °C) ферменты окончательно становятся недеятельными из-за денатурации белкового компонента [22].

        К особенностям ферментов относят специфичность их действия (крахмал осахаривается только амилазой, клетчатка – только цитазой и т. п.). Название фермента чаще всего составляют из названия расщепляемого вещества с добавлением суффикса аза. Например, мальтоза – мальтаза, целлюлоза – целлюлаза. Исключением являются названия только некоторых ферментов: диастаз, инвертаза, пепсин и др.

        Ферменты встреч