Ученые БФУ им. И. Канта совместно с исследователями из Санкт-Петербургского государственного университета и Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН определили ключевые изменения в обмене веществ у растения амаранта, которые помогают ему противостоять токсическому воздействию цинка. Оказалось, что амарант активно накапливает сахара и органические кислоты, которые нейтрализуют вредное влияние тяжелого металла. Полученные данные будут полезны при выведении устойчивых к загрязненным почвам сельскохозяйственных культур. Результаты исследования опубликованы в журнале Plants.
Из-за работы промышленных предприятий, сгорания автомобильного топлива, использования пестицидов и удобрений в сельском хозяйстве в почву попадают тяжелые металлы, один из которых — цинк. Хотя этот элемент в небольших количествах необходим растениям, его избыток приводит к нарушению фотосинтеза, обмена веществ, повреждению клеток и снижению продуктивности. У растений есть различные защитные механизмы, которые помогают избежать повреждения клеток тяжелыми металлами, но они до сих пор недостаточно изучены.
Ученые исследовали механизмы, которые обеспечивают устойчивость к цинку у амаранта (Amaranthus caudatus L.) — растения, хорошо адаптирующегося к неблагоприятным условиям среды, в частности, к очень загрязненным и бедным почвам.
В работе авторы использовали молодые растения амаранта, выращенные в гидропонной культуре — то есть без почвы, в растворе с питательными веществами. Для части растений в питательный раствор на неделю добавляли такую концентрацию цинка, которая по результатам измерений физиологических параметров листьев вызвала умеренный стресс у растений, однако внешне слабо отразилась на их здоровье. Растения, на которые не воздействовали цинком, вошли в контрольную группу.
Спустя неделю эксперимента ученые взяли образцы корней и листьев растений и проанализировали их химический состав. Оказалось, что при обработке цинком амарант увеличивает выработку 83 соединений, среди которых больше всего сахаров (в частности, сахарозы и галактозы) и органических кислот (глюконовой и салициловой). Эти вещества связывают ионы цинка и уберегают растение от окислительного стресса.
Особенно сильные изменения исследователи зафиксировали в корнях: здесь количество глюконовой кислоты выросло в 59 раз, а салициловой — в 27 раз по сравнению с группой контроля. Кроме того, анализ показал, что в ответ на действие металла в корнях амаранта активнее синтезируется галактоза, которая далее может участвовать в пути образования пектинов. Эти полимеры служат структурными компонентами клеточных стенок и способны эффективно связывать ионы цинка, тем самым снижая их доступность для растительных клеток. Такие результаты говорят о том, что эти вещества могут предотвращать перенос металла в надземные части растения.
«Наше исследование показывает, что амарант адаптируется к избытку цинка за счет перестройки обмена веществ. При этом растение не просто накапливает металл в корнях, не давая ему поступать в надземные органы, но и активно нейтрализует его вредное воздействие с помощью сахаров и органических кислот. Эти знания будут полезны для создания сортов сельскохозяйственных культур, устойчивых к загрязненности среды. В дальнейшем мы планируем исследовать изменения, происходящие на уровне протеома (набора белков в клетках) у растений амаранта, обработанных цинком. Это исследование приблизит нас к пониманию молекулярных механизмов, лежащих в основе стрессовых реакций, которые вызваны токсичностью ионов цинка, и будет иметь решающее значение для разработки новых подходов к смягчению вредного воздействия этого металла на физиологию растений и создания эффективных инструментов фитомедиации», — рассказывает Станислав Сухих, доктор технических наук, заведующий лабораторией микроклонального размножения растений БФУ имени Иммануила Канта.
В исследовании для контролируемого выращивания растений и выполнения эксперимента была использована «Уникальная экспериментальная установка искусственного климата» Федерального исследовательского центра «Основы биотехнологии» РАН (Москва).
Исследование проводится в рамках Десятилетия науки и технологий в России.