Ионообменные характеристики полимеров первичных клеточных стенок высших растений как фактор поглощения небиогенных элементов и возможности их модификации
Установлено значительное влияние облучения в дозе 50 Гр и осмотического шока на физиологическое состояние первичной клеточной стенки (ПКС). Выявлено возрастание ионообменной способности как биомассы растений в целом, так и отдельных ПКС. Показана корреляция между увеличением ионообменной способност...
Збережено в:
| Дата: | 1995 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
1995
|
| Назва видання: | Биополимеры и клетка |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/155689 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Ионообменные характеристики полимеров первичных клеточных стенок высших растений как фактор поглощения небиогенных элементов и возможности их модификации / А.П. Кравец, Н.Б. Гуменная, Л.М Кузьменко, М.М. Ермак // Биополимеры и клетка. — 1995. — Т. 11, № 2. — С. 100-105. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-155689 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1556892019-06-18T01:26:18Z Ионообменные характеристики полимеров первичных клеточных стенок высших растений как фактор поглощения небиогенных элементов и возможности их модификации Кравец, А.П. Гуменная, Н.Б. Кузьменко, Л.М. Ермак, М.М. Установлено значительное влияние облучения в дозе 50 Гр и осмотического шока на физиологическое состояние первичной клеточной стенки (ПКС). Выявлено возрастание ионообменной способности как биомассы растений в целом, так и отдельных ПКС. Показана корреляция между увеличением ионообменной способности и аккумуляцией радионуклидов. Встановлено значний вплив опромінення у дозі 50 Гр та осмотичного шоку на фізіологічний стан первинної клітинної оболонки (ПКО). Виявлено підвищення іонообмінної здатності як біомаси рослин у цілому, так і окремих ПКО. Показано кореляцію між зростанням іонообмінної здатності та акумуляцією радіонуклідів. Osmotic and gamma-radiation stress alterations of state primary cells walls of Pisum sativum have been investigation. Significant increasing cation exchange capacity have been demonstrated. Correlation between levels of cation exchange capacity and radionuclides accumulation have been demonstrated. 1995 Article Ионообменные характеристики полимеров первичных клеточных стенок высших растений как фактор поглощения небиогенных элементов и возможности их модификации / А.П. Кравец, Н.Б. Гуменная, Л.М Кузьменко, М.М. Ермак // Биополимеры и клетка. — 1995. — Т. 11, № 2. — С. 100-105. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0233-7657 DOI: http://dx.doi.org/10.7124/bc.0003E6 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/155689 581.037 ru Биополимеры и клетка Інститут молекулярної біології і генетики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Установлено значительное влияние облучения в дозе 50 Гр и осмотического шока на физиологическое состояние первичной клеточной стенки (ПКС). Выявлено возрастание ионообменной способности как биомассы растений в целом, так и отдельных ПКС. Показана корреляция между увеличением ионообменной способности и аккумуляцией радионуклидов. |
| format |
Article |
| author |
Кравец, А.П. Гуменная, Н.Б. Кузьменко, Л.М. Ермак, М.М. |
| spellingShingle |
Кравец, А.П. Гуменная, Н.Б. Кузьменко, Л.М. Ермак, М.М. Ионообменные характеристики полимеров первичных клеточных стенок высших растений как фактор поглощения небиогенных элементов и возможности их модификации Биополимеры и клетка |
| author_facet |
Кравец, А.П. Гуменная, Н.Б. Кузьменко, Л.М. Ермак, М.М. |
| author_sort |
Кравец, А.П. |
| title |
Ионообменные характеристики полимеров первичных клеточных стенок высших растений как фактор поглощения небиогенных элементов и возможности их модификации |
| title_short |
Ионообменные характеристики полимеров первичных клеточных стенок высших растений как фактор поглощения небиогенных элементов и возможности их модификации |
| title_full |
Ионообменные характеристики полимеров первичных клеточных стенок высших растений как фактор поглощения небиогенных элементов и возможности их модификации |
| title_fullStr |
Ионообменные характеристики полимеров первичных клеточных стенок высших растений как фактор поглощения небиогенных элементов и возможности их модификации |
| title_full_unstemmed |
Ионообменные характеристики полимеров первичных клеточных стенок высших растений как фактор поглощения небиогенных элементов и возможности их модификации |
| title_sort |
ионообменные характеристики полимеров первичных клеточных стенок высших растений как фактор поглощения небиогенных элементов и возможности их модификации |
| publisher |
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України |
| publishDate |
1995 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/155689 |
| citation_txt |
Ионообменные характеристики полимеров первичных клеточных стенок высших растений как фактор поглощения небиогенных элементов и возможности их модификации / А.П. Кравец, Н.Б. Гуменная, Л.М Кузьменко, М.М. Ермак // Биополимеры и клетка. — 1995. — Т. 11, № 2. — С. 100-105. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| series |
Биополимеры и клетка |
| work_keys_str_mv |
AT kravecap ionoobmennyeharakteristikipolimerovpervičnyhkletočnyhstenokvysšihrastenijkakfaktorpogloŝeniânebiogennyhélementovivozmožnostiihmodifikacii AT gumennaânb ionoobmennyeharakteristikipolimerovpervičnyhkletočnyhstenokvysšihrastenijkakfaktorpogloŝeniânebiogennyhélementovivozmožnostiihmodifikacii AT kuzʹmenkolm ionoobmennyeharakteristikipolimerovpervičnyhkletočnyhstenokvysšihrastenijkakfaktorpogloŝeniânebiogennyhélementovivozmožnostiihmodifikacii AT ermakmm ionoobmennyeharakteristikipolimerovpervičnyhkletočnyhstenokvysšihrastenijkakfaktorpogloŝeniânebiogennyhélementovivozmožnostiihmodifikacii |
| first_indexed |
2025-07-14T07:52:29Z |
| last_indexed |
2025-07-14T07:52:29Z |
| _version_ |
1837607996724609024 |
| fulltext |
УДК 581.037
А; П. Кравец, Н. Б. Гуменная, Л. М Кузьменко, М. М. Ермак
ИОНООБМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИМЕРОВ
ПЕРВИЧНЫХ КЛЕТОЧНЫХ СТЕНОК ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ
КАК ФАКТОР ПОГЛОЩЕНИЯ НЕБИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ МОДИФИКАЦИИ *
Установлено значительное влияние облучения в дозе 50 Гр и осмотического шока на
физиологическое состояние первичной клеточной стенки (ПКС). Выявлено возраста
ние ионообменной способности как биомассы растений в целом, так и отдельных ПКС.
Показана корреляция между увеличением ионообменной способности и аккумуляцией
радионуклидов.
Введение. Интерес к изучению механизмов и факторов, определяющих
взаимодействие растительных организмов с минеральным окружением,
выходит далеко за рамки чисто теоретического, поскольку невысокая
избирательность растений является основой загрязнения всех без иск
лючения трофических цепочек человека, неизбежно начинающихся
растением.
Исследования поглощения воды и физиологически значимых макро-
и микроэлементов дали важнейшую информацию и для понимания воз
можных механизмов, обусловливающих поступление и накопление не
биогенных элементов, причем есть основания полагать, что этот же
комплекс факторов определяет и степень избирательности. Согласно
современным представлениям, первый этап поглощения зависит от фи
зико-химических процессов в так называемом свободном Доннановском
пространстве растения, или апопласте, т. е. диффузии с последующим
ковалентным или слабым взаимодействием элемента с компонентами
первичных клеточных стенок (ПКС) [1—3].
Проведенный нами ранее статистический анализ взаимосвязи 12
количественных физиологических параметров и коэффициентов накоп
ления 137Cs и 90Sr для водных растворов этих изотопов на группе из 28
сельскохозяйственных растений показал высокую скоррелированность
накопления радионуклидов и КОЕ, а также содержания полисахаридов
клеточной стенки [4].
Если физико-химический этап является определяющим в накопле
нии небиогенных элементов, то, варьируя химический состав, механи
ческую прочность и, следовательно, КОЕ ПКС можно направленно мо>
дифицировать поглотительную способность растений, тем самым кон
тролируя уровень накопления небиогенных элементов, включая радио
нуклиды.
Важную информацию, необходимую для выяснения этого вопроса,
могло бы дать изучение факторов, заведомо приводящих к перестрой
кам химического состава и КОЕ ПКС, с точки зрения их способности
вызывать изменения (того же знака) и в накоплении радионуклидов,
а факторов, действующих на уровень накопления радионуклидов,— в
отношении перестроек химического состава и КОЕ ПКС.
Настоящая статья посвящена попытке решения такого рода пря
мой и обратной задачи, т. е. исследованию, с одной стороны, эффектив-
* Работа выполнена по проекту 6. 2/4 ГКНТ Украины.
© А. П. КРАВЕЦ, Н. Б. ГУМЕННАЯ, Л. М. КУЗЬМЕНКО, М. М. ЕРМАК, 199-5
1(Й) ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1995. Т. \\. № 2
ности фактора (назовем его фактор 1), a priori влияющего на состоя
ние и ионообменные характеристики ПКС, в отношении накопления
радионуклида 137Cs и, с другой,— действия фактора, усиливающего на
копление радионуклидов (фактор 2), на состояние ПКС.
Среди разнообразных экологических факторов мы остановили свой
выбор на осмотическом шоке (тип 1) и остром облучении (тип 2). Из
вестно, что осмотический шок (концентрации раствора 10~~3—
10~2 моль/л) приводит к изменению биохимического состава и меха
нических свойств ПКС [5]. Выбор второго фактора обусловлен не
только сравнительно легкой дозируемостью, но и имеющимися мно
гочисленными косвенными свидетельствами возможного влияния об
лучения на состояние клеточных стенок, проявляющегося в сниже
нии полегания злаков после предпосевного облучения [6], повышении
устойчивости к пероноспорозу [7] и влияния облучения на прочность
древесины.
Материалы и методы. Исследования проводили на горохе сорта
Юбилейный. Замачивание в течение первых суток проводили в раство
рах NaCl, КО и КН2Р04 в концентраций Ю-2—Ю-3 моль/л. По дости
жении проростками двухнедельного возраста часть растительного ма
териала отбирали, высушивали до суховоздушного состояния и готови
ли препараты для определения КОЕ интактных тканей, вторую часть
материала использовали для выделения клеточных стенок, третью —
для оценки накопления 137Cs из водных растворов.
После замачивания семена облучали в течение 1 ч в дозе 5 Гр.
Выбор именно этой дозы обусловлен тем, что уже установлена ее эф
фективность в повышении устойчивости к пероноспорозу [7], полега
нию [6] и в усилении накопления радионуклидов [8].
Клеточные стенки корней выделяли на двухнедельных растениях
методом Стессарда [9] с использованием 1 %-го раствора тритона
Х-100. Навеска интактных корней (соотношение навески и раствора
1 : 10) замачивается на 5 сут с периодичной (через сутки) сменой ра
створа и проверкой на остаточное белковое загрязнение препарата по
методу Лоури (цит. по [1]). Затем клеточные оболочки1 промывали на
протяжении 1 сут 0,05 н. раствором НО, а в дальнейшем — дистилли
рованной водой до рН = 7.
КОЕ сухой биомассы корней растений и предварительно выделен
ных клеточных стенок оценивали по методу Донцова [10, 11], а также
менее распространенным, но более технически доступным методом Кру
ка [3] в модификации Блемея [12] с использованием рН-метра. По
этому методу определения КОЕ, 100—200 мг высушенных корней пе
реносят в химический стакан, прибавляют 25—50 мл (в зависимости
от величины навески) НО (0,1 моль/л) и выдерживают 15 мин. Затем
кислоту сливают и навеску промывают 7 раз дистиллированной водой.
Затем на навеску выливают 25—50 мл (в зависимости от ее величины)
КО в концентрации 1 моль/л, рН 7, и выдерживают в течение 30 мин.
Количество адсорбированных ионов водорода выявляют, измеряя из
менившуюся величину рН этого же раствора КО. КОЕ выражали в
мг-экв/100 г сухого вещества и рассчитывали по формуле
К О Е = [ (10-*— Ю-7) • V- 100]/т,
где V— объем раствора (л); т — навеска сухого материала: 100 — для
перерасчета на 100 г сухих корней; 7 — значение рН исходного раство
ра КО; х — значение рН раствора после десорбции водородных ионов
в опыте.
Накопление растениями различных вариантов 137Cs происходило из
водных растворов этого изотопа в течение суток. Предварительно (до
введения изотопа) корни растений всех вариантов отмывали так же,
как на начальной стадии подготовки к измерению ионообменной емкос
ти: в течение 15 мин в растворе HCI (0,1 моль/л), а затем дистилли
рованной водой.
ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1995. Т. 11. № 2 101
Для определения кинетики поглощения цезия, т. е. зависимости ве
личины потока в растительных тканях —dCin/dt от внешней концент
рации Cout [13], использовали шесть концентраций смеси 137Cs и 133Cs
в соотношении 1:10.
Данные по оценке значений КОЕ и накопления радионуклида пред
ставлены в виде гистограмм, при этом каждый столбец соответствует
одной повторности, а значимость различий (на уровне 0,95) между се
риями (вариантами опыта) оценивали по /-критерию Стьюдента.
Результаты и обсуждение. Как свидетельствуют полученные ре
зультаты, использованные типы воздействия существенно изменяют об
щую ионообменную емкость биомассы растений (рис. 1, а, б).
і. 1. Изменение КОЕ сухой биомассы растений
-в) и клеточных стенок (в) при стрессе (I, а, б,
-контроль); а: II — 0,001 моль/л КС1, / / / —
31 моль/л NaCl, IV — 0,01 моль/л КС1; б: II —
1 моль/л NaCl, III — 0,01 моль/л КН2Р04, IV —
Гр; в: II — 0,01 моль/л КО, III—0,01 моль/л
/ " а ' ш ^1Г~ КН2Р04, /У-50 Гр
Осмотический шок вызывали при двух концентрациях используемых
солей, и для этих значений наблюдается монотонное возрастание ионо
обменной емкости биомассы, причем наиболее эффективным при оди
наковых концентрациях в этом отношении является NaCl, очевидно, в
силу большей токсичности этого катиона для растительных клеток.
Известно, что именно полимеры клеточных стенок служат барье
ром, в значительной мере снимающим или смягчающим токсическое
действие небиогенных элементов, и существует обратнопропорциональ-
ная зависимость между величиной этого эффекта и ионообменной ем
костью клеточных стенок [12].
Важно отметить, что использование двух солей К+ с более или ме
нее токсичным анионом и полученные одинаковые значения КОЕ для
этих вариантов свидетельствуют об эффективности в формировании ка-
тионообменной емкости именно типа катиона. Мы считаем, что данный
102 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1995. Т. 11. № 2
результат не является тривиальным, поскольку не исключена возмож
ность того, что воздействие токсического аниона также может вызвать
такого рода неспецифические адаптивные биохимические перестройки
ПКС, которые косвенным образом повлияют и на катионообменную
емкость.
Облучение семян в дозе 50 Гр также оказывается эффективным в
отношении повышения ионообменной емкости сухой биомассы растений
(рис. 1,6).
Выделение полимеров клеточной стенки, точнее ее полисахаридно-
го каркаса, и оценка характера изменения его ионообменной емкости
показывают значимое ее повышение при всех выбранных способах воз
действия.
Изменения катионообменной емкости ПКС также весьма значи
тельны при этих видах воздействий (рис. 1, в).
Следующий этап нашего исследования заключался в оценке вли
яния анализируемых факторов на повышение способности растений на
капливать радионуклиды. Как следует из приведенных гистограмм
(рис. 2), заметное увеличение накопления радионуклидов коррелирует
с повышением ионообменной емкости сухой биомассы интактных корней
растений и КОЕ выделенных клеточных стенок.
Изучение кинетики поглощения цезия (рис. 3) показало нетипич
ность аналитического вида зависимости dC\n/dt=F (Cout) в исследован
ном диапазоне концентраций этого элемента. Как известно [1, 13], для
макро- и микроэлементов в области так называемых слабых (менее
10~6 моль/л) растворов эта зависимость имеет вид прямоугольной па-
Рис. % Накопление радионуклидов при стрессе: I — 0,0*1 моль/л КО; II — 0,01 моль/л
NaCI; / / / — 50 Гр; IV — контроль. По оси ординат — удельная активность сырой массы
Рис. 3. Поглощение цезия проростками: 1 — гороха; 2—• кукурузы. По оси ординат —
интенсивность потока; іпо оси абсцисс — внешняя концентрация
раболы, а наблюдаемый в данном случае сигмоидный, близкий к сту
пенчатому, вид, свидетельствующий о кооперативном характере про
цесса, нетипичен. Мы полагаем, что такой характер зависимости объ
ясним, если исходить из положения о ведущей роли в процессе погло
щения первичной клеточной стенки как полифункционального сорбен
та. Помимо разнообразия функциональных групп, обусловливающих
сильное ковалентное связывание металлов, необходимо учитывать слож
ную [2, 14] объемную ячеистую структуру полисахаридного каркаса
апопласта, возможность слабого стерического взаимодействия, обуслов
ленного соответствием диаметра ячеек и гидратированного(ных)
иона (нов). Не исключено, что такое соответствие достижимо лишь
при условии взаимодействия с ячейкой одновременно нескольких
попов, что и проявится в кооперативном характере концентрационной
зависимости.
ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1995. Т. 11. № 2 103
Таким образом, полученные результаты подтверждают наши дан
ные по статистической оценке роли разнообразных физиологических
факторов в накоплении радионуклидов [4] и указывают эффективный
путь к его направленной модификации. Факт определяющей роли ионо
обменной емкости первичных клеточных стенок «скелета» растений в
аккумуляции небиогенных ионов может быть рассмотрен в контексте
различных задач, возникающих при хозяйственном использовании за
грязненных почв.
В частности, для контроля чистоты продуктов питания возмо
жен двоякий подход к учету этой характеристики: при использова
нии биомассы растений в качестве кормов желательно снижение
ее ионообменной емкости, что достигается подбором соответствую
щих видов и сортов кормовых трав; для получения чистых хозяйствен
но ценных частей растений этот показатель, обусловливающий сопро
тивление транспорту элементов-загрязнителей по органам растения,
должен быть достаточно высоким.
О. П. Кравець, Н. Б. Гуменна, Л. М. Кузьмеыко, М. М. Єрмак
ІОНООБМІННІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛІМЕРІВ ПЕРВИННИХ
КЛІТИННИХ ОБОЛОНОК ВИЩИХ РОСЛИН ЯК ФАКТОР ПОГЛИНАННЯ
НЕБІОГЕННИХ ЕЛЕМЕНТІВ І МОЖЛИВІСТЬ IX МОДИФІКАЦІЇ
Р е з ю м е
Встановлено значний вплив опромінення у дозі 50 Гр та осмотичного шоку на фізіо
логічний стан первинної клітинної оболонки (ПКО).
Виявлено підвищення іонообмінної здатності як біомаси рослин у цілому, так і
окремих ПКО. Показано кореляцію між зростанням іонообмінної здатності та акуму
ляцією радіонуклідів.
A. P. Kravetz, N. В. Gumennaya, L. М. Kuzmenko, М. М. Ermak
CATION EXCHANGE CAPACITY
OF PLANTS PRIMARY CELLS WALLS AS FACTOR
OF ACCUMULATION NONBIOGENIC IONES AND ITS MODIFICATION
S u m m a r y
Osmotic and gamma-radiation stress alterations of state primary cells walls of Pisum
sativum have been investigation.
Significant increasing cation exchange capacity have been demonstrated. Corre
lation between levels of cation exchange capacity and radionuclides accumulation have
been demonstrated.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Микроэлементы: поступление, транспорт и физиологические функции в расте
ниях.— Киев :Наук. думка, 1987.— 180 с.
2. Саляев Р. К. Швецова И. В. Адсорбционные свойства изолированных стенок ра
стительной клетки // Физиология растений.— 1969.— № 16.— С. 447—451.
3. Knight А. М., Crooke W. М., Inkson R. Н. Е. Canon-exchange capacities of tissues
of higher and lower plants and their related uronic acid contents // Natu.e.— 1961.—
192.—P. 142—143.
4. Kravetz A. Physiological factors absorption nonbiogenic ions by higher plants //
Physiol. Plain.—1992.—85, N 5.—P. 238—239.
5. Iraki N. M., Bressan R. A., Hasegawa P. M., Carpiia N. C. Alterations of physical
and chemical structure of the primary cell walls of growth-limiied plant cells adap
ted to osmotic stress // Plant Physiol.—1989.—91.—P. 39—47.
6. Палкина Т. А. Эффект радиостимуляции семян озимой пшеницы и устойчивость к
полеганию // Проб л. прикл. радиобиологии растений.— Чернигов, 1990.
7. Дмитриев А. П., Гродзинский Д. М. Влияние ионизирующего излучения на индук
цию защитных реакций и устойчивость лука к болезням // Докл. АН УССР.
Серия Б.— 1986.— № 9.—С. 62—64.
8. Антропогенная радионуклидная аномалия и растения / Под ред. Д. М. Гродзин-
ского.— Киев : Лыбидь, 1991.— 189 с.
104 ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1995. Т. 11. № 2
9. Stassart J. M., Neirinckx L., Dejaegere R. The interactions between monovalent
cations during their adsorption on isolated cell walls and adsorption by intact barley
roots // Ann. bot.— 1981.— 47, N 5.—P. 647—652.
10. Донцов М. Б. Ионообменные свойства корней и их взаимосвязь с минеральным
питанием растений // Агрохимия.— 1976.— № 9.— С. 142—151.
11. Донцов М. Б. Метод вивчення іонообмінної ємності коренів та інших органів
рослин // Доп. АН УРСР. Сер. Б.— 1977.—№ 1.—С. 73—75.
12. Blarney F. P. С. Role of root cation-exchange capacity in differential alluminium
tolerance of litus species // J. Plant Nutr.—1990.—13, N 6.—P. 729—745.
13. Курский M. Д., Костерин С. А., Рыбальченко В. И. Биохимическая кинетика.—
Киев: Вища шк., 1977.—261 с.
14. Микъко Я. А., Лузинов А. С, Воронов П. К. Строение адсорбционных поверхно
стей полимерных пленок поли (мет) акрилатов // Докл. АН Украины.— 1993.—
№ 9 . - С. 148—152.
Ин-т клеточ. биологии и генет. инженерии Получено 25.07.94
НАН Украины, Киев
Ин-т физиологии растений и генетики НАН Украины, Киев
ISSN 0233-7657. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА. 1995. Т. 11. № 2 105
|