Механизмы солеустойчивости растений.

Галофиты способны аккумулировать высокие концентрации ионов в тканях, что приводит к сильному падению осмотического потенциала содержимого клеток и позволяет им поглощать воду из концентрированного почвенного раствора. Осмотическое давление тканей листьев, стеблей и корней для большинства галофитов составляет 1,4–4,4 МПа, что часто связано с высокой концентрацией в клетках NаСl и Nа₂SО₄ (Строгонов, 1962). Зафиксированы высокие значения осмотического давления у Atriplex halimus (35,0–70,0 атм), Limonicistrum gugonianum (49,6–53,4 атм), Haloxvlon aphyllum (40,0–60,0 атм).

В ответ на солевой стресс растение реагирует множественными молекулярными, метаболическими и физиологическими реакциями, направленными на синтез защитных макромолекул, формирование протекторных систем и адаптацию организма к новым изменившимся условиям. Молекулярный анализ глобальной экспрессии генома позволил установить, что клетки корня Arabidopsis отвечают на засоление изменением транскрипции 5590 генов. При этом наиболее серьезные события в изменении экспрессии генов наблюдаются в течение первых 3-х часов солевого воздействия. 

Тысячи NaCl-регулируемых генов кодируют ионные транспортеры, белки ионных и водных каналов, транспортные АТФ-азы, необходимые для восстановления нарушенного при засолении градиента водного потенциала в системе почва-растение, сохранения внутриклеточного водного гомеостаза и преодоления индуцированного солью ионного дисбаланса, а также биосинтеза осморегуляторов и полифункциональных стресс-протекторных соединений, включая компоненты антиоксидантной системы. Перечисленные выше гены не могут экспрессироваться без максимально быстрой активации транскрипции генов, кодирующих сенсорные молекулы, транскрипционные факторы и компоненты внутриклеточной передачи стрессорного сигнала.

Восприятие и передача стрессорного сигнала при засолении. Существует предположение, что у растений должно существовать два различных сенсорных белка, воспринимающих осмотический и ионный факторы (Deinlein et аl., 2014). Сенсоры до сих пор не идентифицированы. Роль осмосенсора может выполнять рецепторная гистидикиназа НК1. В качестве второго осмосенсора может выступать механически открываемый Са⁺-канал, поскольку уровень кальция в цитоплазме многократно возрастает, спустя лишь несколько секунд после воздействия соли на клетки корня (Kurusuet аl., 2013).

На роль вторичных мессенджеров солевого стресса могут претендовать Са²+ и АФК. Вторичный мессенджер передает сигнал на кальций-зависимые протеинкиназы (CDPKs) и другие протеазы (CBLs с CIPKs), которые трансдуцируют гиперосмотический сигнал на транскрипционные факторы, регулирующие экспрессию стресс-контролируемых генов (Deinlein et аl., 2014).

Транскрипционные факторы регулируют активность различных стресс-контролируемых генов, продукты которых повышают солетолерантность растений за счёт биосинтеза осмо- и стресс-протекторных соединений, антиоксидантных ферментов и низкомолекулярных органических антиоксидантов, новообразования макромолекул, вовлеченных в поглощение и транспорт неорганических ионов.

Из стресс-регулируемых генов, участвующих в регуляции ионного статуса клетки при засолении, ключевую роль играют два белка, обеспечивающие поддержание низкого уровня ионов натрия в цитоплазме: локализованный на тонопласте Nа+/Н+ ионообменник 1 (NHX1) и локализованный на плазмалемме Nа+М+ антипортер (SALTOVERLY SENSIT1VE1, обозначаемый как SOS или NНX7). Получены данные в пользу того, что эндосомальные транспортные белки, включая NHXs, вовлекаются в развитие солетолерантности за счет регуляции рН органелл и ионного гомеостаза (Yamaguchi et al., 2013).

Существенная роль в осморегуляции и поддержании целостности макромолекул и мембранных структур клетки в условиях засоления принадлежит совместимым осмолитам, экспрессия генов синтеза и деградации которых также носит стресс-зависимый характер.

Накопление стресс-индуцируемых совместимых осмолитов (на примере пролина). При засолении водный потенциал почвенного раствора становится ниже водного потенциала содержимого клеток растений, следствием чего является потеря растением способности использовать воду из окружающей среды и развитие водного дефицита. В этой ситуации адаптивная стратегия растительного организма должна быть направлена на восстановление нормального градиента водного потенциала за счет поглощения неорганических ионов или синтеза низкомолекулярных органических соединений, так называемых совместимых осмолитов. Активное поглощение клетками корня неорганических ионов приводит к их быстрому транспорту в вакуоль, что предотвращает нарушение клеточного метаболизма, но создает новую проблему – нарушение водного равновесия между двумя основными клеточными компартментами цитоплазмой и вакуолью.

Ключевая роль в решении растением проблем осморегуляции в условиях засоления принадлежит совместимым осмолитам, к которым относятся такие органические соединения, как пролин, бетаины, сахара, сахаро-спирты и белки позднего эмбриогенеза (Кузнецов, Шевякова, 1999).

Аминокислота пролин является одним их универсальных совместимых осмолитов в высших растениях, содержание которого многократно возрастает при действии абиотических факторов, инициирующих развитие у растений водного дефицита. Пролин хорошо растворим в воде и обладает не только гидрофильной, но и гидрофобной частью. Образовавшиеся полимеры ведут себя как гидрофильные коллоиды. По этой причине пролин не изменяет конформацию белков и не вступает во внутриклеточные гидрофобные взаимодействия, что приводит к их денатурации, а связывается только с поверхностью гидрофобными остатками. Свойства пролиновых агрегатов не изменяются при уменьшении водного потенциала клеточного сока и увеличении концентрации солей (Кузнецов, Шевякова, 1999).

Анализ экспрессии генов показал, что аккумуляция пролина в ответ на засоление достигается за счет активации транскрипции ключевого гена биосинтеза пролина 1-пирролин-5-карбоксилат-синтетазы с одновременным ингибированием экспрессии гена пролиндегидрогеназы (РОН), отвечающего за его деградацию. На этапе восстановления, напротив, падает скорость биосинтеза пролина и возрастает интенсивность его катаболизма.

В высших растениях пролин синтезируется двумя различными путями – глугаматным и орнитиновым. В нормальных физиологических условиях функционируют оба эти пути, тогда как при стрессе пролин синтезируется преимущественно из глутаминовой кислоты

Основным предшественником синтеза пролина является L-глутаминовая кислота, которая сначала превращается в полуальдегид глутаминовой кислоты, затем спонтанно циклизуется в пирролин-5-карбоксилат под действием P5CS. Второе превращение пирролин-5-карбоксилата в пролин катализирует пирролин-5-карбоксилат редуктаза (P5CR). Путь синтеза пролина происходит в цитозоле. Деградация пролина до глутамата происходит в митохондриях под действием пролиндегидрогеназы (РОН) и пирролин-5-карбоксилат дегидрогеназы (Р5СОН)

Транспорт пролина осуществляется двумя переносчиками в митохондриях. В течение десятков лет в мире господствовала точка зрения, согласно которой пролин выполняет исключительно осморегуляторную функцию. Однако дальнейшие исследования показали, что пролин обладает полифункциональным стресс-защитным эффектом (Кузнецов, Шевякова, 2009;). Пролин, помимо осморегуляторной, выполняет роль «химического» шаперона, стабилизируя белки и мембранные структуры в стрессорных условиях, и антиоксиданта, являясь скавенджером АФК. Он вовлекается в регуляцию экспрессии стресс-контролируемых генов, поддержание клеточного pH-стата. На этапе восстановления он является энергетическим субстратом, источником углерода и азота (Кузнецов, Шевякова, 1999). На стадии выхода из состояния стресса пролин регулирует клеточную пролиферацию и клеточную смерть.

На примере четырех видов галофитов семейства Сhenopodiaceae, (Южный Урал) с разными стратегиями солеустойчивости выявлена роль протекторных соединений (пролина и флавоноидов) в зависимости от накопления ионов Na⁺ и K⁺ в побегах растений. Наибольшую роль в адаптации к засолению пролин играет у вида Atriplex tatarica, с зависимым от содержания натрия в почве соленакоплением в побегах, произрастающего при небольшом засолении. Наиболее солеустойчивым из изученных галофитов видом с независимым от содержания натрия в почве соленакоплением в побегах является Atriplexverrucifera. У него в качестве стрессового маркера также может быть использован пролин. У видов Bassia sedoides, Atriplex verrucifera, Kochia prostrate, с независимым от уровня засоления почвы соленакоплением в побегах, большую или разнозначную роль в протекторных механизмах играли флавоноиды, концентрация которых положительно коррелировала с содержанием K⁺ (Рахманкулова и др., 2015).

У растений ячменя (Hordeum vulgare), выращенного на 150 мМ растворе NaCl происходило подавление роста и развития их корневой системы. В верхушечной ткани листа, прошедшей период адаптации к NaCl, наблюдалось незначительное снижение общей активности нитратредуктазы, существенное снижение содержания белка и параллельное увеличение содержания 5-аминолевулиновой кислоты, хлорофиллов, гема, каротиноидов, пролина и активности ¹-пирролин-5-карбоксилатсинтетазы. В условиях солезависимого подавления ассимиляции азота источником для синтеза дополнительных количеств 5-аминолевулиновой кислоты и пролина является преимущественное поступление глутаминовой кислоты в эти метаболические системы за счет подавления ростовых процессов, требующих интенсивного белкового синтеза. Субстратная активация нитратредуктазы с помощью КNO₃ в условиях засоления сопровождалась преимущественным использованием ассимилированного азота в синтезе пролина и белковых аминокислот, что обеспечивало дополнительную защиту клеток растений от избыточного засоления и усиление ростовых процессов (Аверина и др., 2010).

Окислительный стресс и накопление низкомолекулярных фенольных соединений с антиоксидантными свойствами. Растения отвечают на засоление генерацией активных форм кислорода (АФК), таких как: супероксид, пероксид водорода, гидроксил-радикал и синглетный кислород. АФК крайне реакционно-способны. Они вызывают нарушение клеточного метаболизма, в основе которого лежит перекисное окисление липидов мембран, повреждение белков и нуклеиновых кислот. Интенсивная генерация АФК в растениях при засолении может быть обусловлена осмотическим стрессом, который вызывает развитие водного дефицита и ингибирование многих физиологических процессов, включая, прежде всего, процессы фотосинтеза и дыхания. Подобный же эффект может быть достигнут за счет токсического воздействия избыточного содержания неорганических ионов на клеточный метаболизм. Существуют два пути нейтрализации АФК: 1) с помощью целого ряда антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутаза, аскорбатпероксидаза, монодигидроаскорбатредуктаза, дигидроаскорбатредуктаза, глугатионредуктаза, каталаза, глугатионпероксидаза, ферритин, NАDРН-оксидаза и альтернативная оксидаза) и 2) с помощью низкомолекулярных органических соединений, обладающих антиоксидантными свойствами (аскорбиновая кислота, глутатион, токоферол, мелатонин, сахара, пролин, полиамины, низкомолекулярные фенолы, включая флавоноиды, и др.).

В ответ на засоление имеет место более интенсивная аккумуляция флавоноидов в растениях по сравнению с общими низкомолекулярными фенольными соединениями. Уровень аккумуляции низкомолекулярных фенольных соединений в определенной степени зависит от интенсивности солевого воздействия. Как следует из результатов Kim et al. (2008), краткосрочная обработка (2 дня) растений салата высокой концентрацией NaCl (до 1000 мМ NaCl) сопровождалась снижением содержания фенольных соединений, тогда как долговременное воздействие (15 дней) умеренной концентрации NaCl (до 200 мМ) не оказывало существенного влияния на уровень фенолов. Близкие данные были получены на лекарственных растениях (например, розмарин, черный тмин, мята и базилик), многие из которых имеют высокий конститутивный уровень фенольных соединений, согласно которым при воздействии на растения розмарина (Rosmarinus officinalis) 50 и 100 мМ NaCl антиоксидантная активность и общее содержание фенольных соединений увеличивались, но при повышении концентрации NaCl до 150 мМ происходило незначительное снижение содержания общих фенолов.

Способность растений отвечать на солевой стресс накоплением низкомолекулярных фенольных соединений слабо зависит от уровня конститутивной солеустойчивости вида, а определяется, скорее, спецификой генотипа. Согласно экспериментальным данным, полученным на 2-х сортах пшеницы – солеустойчивом и чувствительном, – было показано, что в растениях солеустойчивого сорта накопление фенольных соединений происходило с увеличением концентрации соли в среде, тогда как в неустойчивом сорте содержание фенолов оставалось постоянным или несколько снижалось. Напротив, 3-х недельный солевой стресс (100 мМ NaCl) не влиял на содержание общих фенолов и флавоноидов в листьях солеустойчивой линии люцерны, тогда как в неустойчивой линии наблюдалось снижение содержания этих соединений. В солеустойчивых мангровых растениях Aegiceras cornicu l atum, выращенных на гидропонике, содержание фенольных соединений через 30 дней солевой обработки увеличивалось в 2 раза. Для галофитов Ruppia т ariti те было обнаружено, что при увеличении степени засоления содержание флавоноидов не изменялось в первые 7 дней, значительно снижалось в последующие 7 дней, после чего существенно увеличилось, достигая максимального значения на 21 день. Наконец, накопление фенольных соединений в ответ на солевой стресс характеризуется органоспецифичностью и зависит от стадии развития организма. При воздействии 40 мМ NaCl уровень синаповой кислоты в соцветиях брокколи увеличивался, тогда как в листьях, напротив, наблюдалось его 30 % снижение. В растениях горького миндаля при солевом стрессе общее содержание фенольных соединений было выше в корнях, чем в листьях, а у растений перца в красных плодах уровень фенольных соединений возрастал, тогда как в зеленых не изменялся или незначительно снижался.

Установлена роль холина в корнях галофита Suaedaaltissima и глицинбетаина в листьях в поддержании осмотического баланса в цитоплазме клеток при засолении. Холин синтезируется в основном в корнях и с транспирационным током поступает в листья, где используется как субстрат для синтеза глицинбетаина. Содержание этих веществ возрастает при увеличении концентрации NaCl в среде выращивания (Хайлова и др., 2014).

У проростков кукурузы (Zea mays.) сорта Воронежская-76, подвергнутых засолению, обнаружили, что в клетках мезофилла значения индикаторных показателей развития стрессовой реакции (содержание пролина и лактата, активность пероксидазы) были более высокими, по сравнению с обкладкой. При кратковременном воздействии хлорида натрия (150 мМ) основные реакции общего адаптационного синдрома локализованы в клетках мезофильной ткани. При засолении отмечали значительные перестройки изоферментного спектра основных ферментов малатдегидрогеназной (МДГ) системы, обуславливающие энергизацию клеток, синтез восстановительных эквивалентов, поддержание осмотического баланса и функционирование цикла Хетча-Слэйка. Наблюдаемые в стрессовых условиях концентрационные колебания некоторых интермедиатов, а также изменения в работе ферментов МДГ-системы позволяют предположить индукцию в тканях кукурузы при засолении дополнительного метаболического пути, связанного с синтезом и транспортировкой аспартата (Епринцев и др., 2011)

На примере топинамбура Helianthus tuberosus (Ху, Лиу, 2008), и шелковицы Morus alba (Ахмад и др., 2010) выявлены различия в уровне стресс-индуцированных изменений активности ферментов антиоксидантной защиты, перекисного окисления липидов, содержания пролина и глицинбетаина и активности ферментов, участвующих в метаболизме пролина, стабильности мембран, скорости видимого фотосинтеза, газообмена и содержания хлорофилла в листьях на уровне сорта.

У полыней Artemisia lerchiana и A. pauciflora установили высокую устойчивость к NaCl и способностью поддерживать высокий уровень оводненности органов при сниженном в условиях засоления росте. Основной вклад в осмотическое давление в клетках органов создавали ионы Na⁺, K⁺, Cl^-, моно-, ди- и трисахариды, а также маннит и глицерин. Высокое содержание Na⁺ и Cl^- в органах полыней наблюдали даже в отсутствие засоления, что предполагает наличие у них способности поглощать эти ионы из разбавленных растворов NaCl и накапливать их в клетках. При засолении среды содержание Na⁺ и Cl^- в корнях и листьях еще более возрастало. Сделано заключение, что способность полыней поглощать и накапливать неорганические ионы обеспечивает поддержание высокого осмотического давления и, следовательно, низкого водного потенциала в клетках в условиях засухи и засоления. При засолении снижалось содержание моносахаридов, что сопровождалось увеличением содержания трисахарида рафинозы. Предполагается, что растворимые углеводы и многоатомные спирты у полыней наряду с осморегуляторной выполняют еще и протекторную функцию. Более высокое осмотическое давление в клетках корней, чем в клетках листьев у всех исследованных нами растений поддерживалось в основном благодаря градиентному распределению K⁺ и Cl^- в этих органах (Орлова и др., 2009).

На примере Plantago major выявлены особенности функционирования антиоксидантной системы (супероксиддисмутаза, три формы пероксидазы и каталаза, полиамины) корней и листьев. Корни в условиях засоления обладают, в отличие от надземных органов, более высокой активностью антиоксидантной системы, которая защищает растения от повреждающего действия окислительного стресса, обеспечивая, тем самым, выживание данного вида в условиях солевого стресса (Радюкина и др., 2009).

Аккумуляция ионов натрия и калия в растении при засолении. Ионный состав цитоплазмы клеток корня, в котором содержание К⁺ преобладает над содержанием Na⁺ и Cl¯, определяется функционированием локализованных в плазмалемме и тонопласте ион-транспортирующих белков. Значительная часть ионов, передвигающаяся в радиальном направлении корня, достигнув эндодермы из-за поясков Каспари пересекает плазмалемму и входит в цитоплазму этих клеток, однако наличие обходных путей (пропускные клетки энтодермы и незрелые ткани кончика корня) позволяет ионам продвигаться и через апопласт. При высокой интенсивности транспирации апопластный путь играет заметную роль в транспорте Na⁺ и Cl¯. В этом случае ионы движутся с массовым потоком воды и растворенных веществ по градиенту гидростатического давления (гидравлический поток). При низкой интенсивности транспирации движение Na⁺ и Cl¯ осуществляется преимущественно от клетки к клетке. В этот путь движения ионов вовлечены ионные каналы, переносчики и ион-транспортирующие АТФазы. 

Для транспорта ионов в растении очень важен этап загрузки ионами ксилемы. Функцию загрузки выполняет плазматическая мембрана паренхимных клеток, окружающих ксилему. Показано, что у гликофитов в норме основным по массе катионом, транспортируемым в ксилему, является К⁺, а перенос К⁺ из клеток обкладки в ксилему осуществляется через активируемые при деполяризации плазматической мембраны выходные К⁺-каналы. У галофитов, а так же при высокой солености среды и у гликофитов из транспортируемых в ксилему катионов доминирует Na⁺. Засоление вызывает накопление в растениях ионов солей до повреждающих концентраций. При низких концентрациях соли в окружающей среде накопление Na⁺ у галофитов зачастую бывает выше, чем у гликофитов. Установлено, что концентрация Na⁺ у галофитов ниже в растущих тканях, чем в прекративших рост, что подразумевает общую с гликофитами необходимость защиты метаболически активных клеток от Na⁺. Листья более уязвимы к избытку Na⁺, чем корни. Корни, как правило, поддерживают довольно постоянным уровень NaCl в течение длительного времени и могут регулировать его содержание, экспортируя соль в почву или в побеги. Na⁺ транспортируется в побеги в быстро движущемся транспирационном потоке по ксилеме, но может быть возвращен к корням через флоэму. Имеется ряд доказательств экстенсивной рециркуляции Na⁺ из побегов к корням, хотя транспорт Na⁺ в значительной степени однонаправлен и приводит к накоплению Na⁺ в листьях (Tester, Davenport, 2003).

Ион натрия может входить в клетки через специальные каналы, функционирование которых зависит от концентрации в окружающей среде ионов K⁺: при низких внешних концентрациях калия ион Na⁺ может войти в корни через специальные калиевые каналы, а при более высоких концентрациях – через неселективные катионные каналы. Na⁺ также может поступать в клетку с помощью специальных калиевых транспортеров (KUP/HAK/KT), LCT транспортеров и HKT транспортеров, а также каналов, которые активируются глутаматом (Maser et al., 2002; Deinlein et al., 2014). Некоторые каналы, через которые входят ионы Na⁺ (особенно неселективные ионные каналы), могут блокироваться ионами Ca²⁺, тогда поток Na⁺ внутрь растений перекрывается. Третий путь для поступления Na⁺ в растения – «вход» в корень через апопласт. Растения риса с высоким содержанием Na⁺ имеют интенсивный поток воды через апопласт. Наиболее вероятно, что большинство Na⁺ поступает в растения риса не через мембраны, а через "щели" в эндодерме. Это может произойти в точке ветвления корня, кончика корня или поглощение может быть связано с внутренней проницаемостью интактной зрелой эндодермы. Степень вклада этого апопластического потока к общему притоку Na⁺ в растение четко зависит от вида. Этот поток Na⁺ у риса примерно в десять раз больше, чем у пшеницы.

Процессы поступления ионов Na⁺ в растение и его распределение по растению обычно строго контролируются. Этот контроль включает: 1) регуляцию доставки Na⁺ в побеги (начальный вход в эпидермальные и кортикальные клетки корня, баланс между притоком и оттоком; загрузка в ксилему; выгрузка из ксилемы перед достижением побегов и хранение их, например, в пробковых клетках); 2) рециркуляцию из побега во флоэму; 3) распределение в конкретных частях побега (например, старых листьях); 4) секрецию на поверхность листа; 5) контроль транспирации. Любые или все из этих механизмов могут работать в определенных условиях (Tester, Davenport, 2003).

Ключевая проблема, которую решает растение при засолении, заключается в поддержании низкой внутриклеточной концентрации ионов натрия. Важнейшую роль в этом процессе играют два белка. Один из них локализован на тонопласте Na⁺/H⁺ NHX1. Он обеспечивает детоксикацию ионов натрия путем секвестрации их в вакуоль. Второй белок локализован на плазмалемме и представляет собой Na⁺/H⁺ антипортер (NHX7). Получены данные в пользу того, что эндосомальные транспортные белки NHX-типа вовлекаются в развитие солетолерантности за счет регуляции ионного гомеостаза (Yamaguchi et al., 2013). 

Отдельные компоненты системы гомеостатирования ионного и водного статуса у растений в условиях засоления подвержены гормональной регуляции (Deinlein et al., 2014).

На примере Carthamus tinctorius установлена положительная роль микоризы в условиях солевого стресса. У микоризных растений выявлена более высокая устойчивость к солевому стрессу и лучший рост. Вес стебля и корня, высота растений, число листьев, число боковых побегов, а также площадь листьев у растений с микоризой превышали эти показатели у растений без микоризы, как у контрольных растений, так и у подвергнутых солевому стрессу. Содержание P, Zn, Fe, Ca, K, Cu и N у микоризных растений было выше, чем у растений без микоризы в контроле, при низком и среднем засолении, тогда как содержание Na в наземных частях микоризных растений было ниже (Аббаспур, 2010).

На примере растений подсолнечника (Helianthus annuus) показано, что транспорт вызывающих солевой стресс растворов NaCl к апикальной меристеме и репродуктивным органам происходит в виде “уравновешенного” раствора со сниженной в несколько раз концентрацией натрия в нем и с замедленной скоростью ксилемного потока. Обсуждаются механизмы наблюдаемых феноменов солерезистентности гликофитов, главные из которых могут быть связаны с осмозависимыми реакциями живых клеток стебля и с процессами ионного обмена между содержимым сосудов и клетками (Захарин, Паничкин, 2009).

Роль фитогормонов в формировании механизмов устойчивости. Фитогормоны представляют собой разнородную группу регуляторов роста растений, обнаруженных в малых количествах. В настоящее время накоплены сведения о том, что практически все фитогормоны участвуют в адаптации растений при солевом стрессе. Концентрация одних фитогормонов увеличивается при засолении (абсцизовая кислота, жасмонаты), уровень других (цитокинины, ауксины) снижается. Снижение концентрации индуцирует изменения большого количества регуляторных и функциональных генов, повышающих устойчивость растений к засолению и водному дефициту. Это гены, кодирующие транскрипционные факторы, кальциевые рецепторы, белки теплового шока, гликозилтрансферазы.

АБК – ключевой клеточный сигнал, опосредующий экспрессию ряда генов, чувствительных к засолению и водному дефициту. Защитный эффект при засолении абсцизинов, салицилатов, жасмоновой кислоты, связан с увеличением содержания фотосинтетических пигментов, концентрации пролина, снижения в побеге содержания ионов Na⁺ и Cl^¯. Защитный эффект других фитогормонов (гиббереллина, индолил-3-уксусной кислоты) обусловлен снижением концентрации пролина, уменьшением устьичного сопротивления, что позволяет растением использовать воду при засолении.

Солеустойчивость растений удавалось повысить, применив прием закаливания (Удовенко, 1977). Для этого набухшие семена различных растений выдерживали в течение часа в 3%-ном растворе хлористого натрия. Растения, выросшие из таких семян, характеризуются более низкой интенсивностью метаболизма, но являются более устойчивыми к засолению. Перспективным из агротехнических методов считается использование фитомелиорантов. Но в настоящее время для выведения солеустойчивых сортов культурных растений, наряду с методами классической генетики и клеточной селекции развиваются методы генной инженерии позволяющие повысить устойчивость растений к избыточному засолению путем переноса в их геном чужеродных генов отвечающих за солеустойчивость.

Установлена способность брассиностероидов повышать устойчивость растений рапса (Brassica napus) к солевому стрессу. Засоление подавляло рост растений в высоту, сокращало в 2,0–2,5 раза листовую поверхность, уменьшало сырую и сухую массу растений, снижало оводненность тканей, а также содержание хлорофиллов а и b на 26–31% и в 2,0 раза соответственно. На действие NaCl растения реагировали развитием окислительного стресса, падением осмотического потенциала клеточного содержимого, аккумуляцией пролина и низкомолекулярных фенольных соединений, увеличением эндогенного содержания стероидных гормонов. Добавление брассиностероидов в питательную среду при солевом стрессе оказывало выраженный защитный эффект: полностью восстанавливался рост стебля, увеличивалась ассимилирующая поверхность растений, в значительной степени восстанавливалась сырая и сухая масса, снималось ингибирующее действие NaCl на фотосинтетические пигменты. Брассиностероиды тормозили развитие NaCl-зависимого перекисного окисления липидов и повышали осмотический потенциал клеточного содержимого листьев. Протекторный эффект брассиностероидов в условиях солевого стресса связан с его антиоксидантным действием, которое обусловлено гормон-индуцируемой аккумуляцией пролина и низкомолекулярных фенольных соединений, а также со способностью регулировать водный статус за счет поддержания внутриклеточного ионного гомеостаза (Ефимова и др., 2014).

Установлено влияние экзогенной АБК на физиологические параметры, содержание полиаминов (ПА) и пролина (Про) у растений гликофита фасоли Phaseolus vulgaris при адаптации к солевому стрессу. Cолевой стресс (100 мМ NaCl) вызывал повышение пула эндогенной АБК в корнях и листьях проростков фасоли, в 14 раз увеличивал содержание пролина, приводил к резкому снижению уровня свободных полиаминов (путресцина, спермидина, спермина и кадаверина) и накоплению содержания 1,3-диаминопропана – продукта окисления высокомолекулярных полиаминов. Обработка растений фасоли экзогенной АБК снижала негативное действие солевого стресса, что проявлялось в поддержании интенсивности роста растений, стимуляции накопления хлорофиллов и каротиноидов, стабилизации водного и Na⁺-баланса. После обработки проростков АБК отмечали ингибирование NaCl-индуцированного накопления пролина и эндогенной АБК и восстановление уровня путресцина и спермидина. Одновременно с этим в проростках наблюдали снижение содержания 1,3-диаминопропана, малонового диальдегида и активности супероксиддисмутазы, что свидетельствовало об ослаблении окислительного стресса одной из возможных причин солезащитного действия АБК. Подавление экзогенной АБК накопления пролина и стимуляция содержания полиаминов при солевом стрессе указывает на роль АБК в регуляции двух биосинтетических путей – образования пролина и полиаминов, которые используют единый предшественник глутамат и выполняют важную защитную роль при стрессе у растений (Шевякова и др., 2013).

Исследовали влияние экзогенной АБК на содержание пролина, полиаминов и цитокининов у 6-недельных проростков факультативного галофита хрустальной травки (Mesembryanthemum crystallinum) при солевом стрессе в условиях фитотрона. Засоление тормозило накопление биомассы растений, снижало оводненность тканей и содержание хлорофилла. Это сопровождалось повышением в листьях уровней пролина и ионов натрия. АБК в условиях засоления способствовала аккумуляции биомассы и сохранению фотосинтетических пигментов, снижала интенсивность окислительного стресса и уровень индуцированной NaCl аккумуляции пролина, снижала содержание зеатина, зеатинрибозида и повышала уровень зеатин-О-глюкозида в корнях, а изопентениладенозина и изопентениладенина в листьях. Протекторная роль АБК в условиях засоления может быть реализована за счет снижения окислительного стресса через регуляцию метаболизма полиаминов, пролина и цитокининов (Шевякова и др., 2013).

Изучены качественный и количественный состав жирных кислот липидов вегетативных органов галофита Suaeda altissima, выращенного при разных концентрациях NaCl в питательном растворе. При концентрации NaCl в среде 250 мМ содержание липидов в надземных органах растений в расчете на сырую массу было более, чем в 2,5 раза выше, чем при выращивании при 1 или 750 мМ NaCl, тогда как в корнях имела место обратная картина. Это может быть связано с процессами, лежащими в основе солеустойчивости S. altissima (Цыдендамбаев и др., 2013).

Адаптации на уровне фотосинтетического аппарата. Подавляющее большинство галофитов принадлежит к растениям с С4-типом фотосинтеза. Мезоструктура листа С₄-растений состоит из хлорофиллоносных тканей в виде крупных толстостенных клеток вокруг сосудистых пучков, которые, в свою очередь, окружены одним или несколькими слоями рыхлоприлегающих мезофильных клеток.

У суккулентных галофитов распространён САМ-тип фотосинтеза (Crassulaeceam acid metabolism) с обратной суточной функцией устьиц, которые отличаются суккулентным отрастанием ассимилирующих органов и фиксируют СО₂ в ночное время. Семейство маревых, к которому относится большинство галофитов, занимает первое место среди двудольных и второе место после злаков по типу С₄-фотосинтеза. В этом семействе обнаружено 250 видов из 31 рода с С₄-типом фотосинтеза (Пьянков, Мокроносов, 1993).

У листьев С4-маревых, видимо 4 типа кранц-анатомии (сальсолоидный, кохиоидный, сведоидный и атриплексоидный).

Общей отличительной особенностью ферментного статуса С₄-маревых галофитов является повышенная активность аспартатаминотрансферазы (АТТ) по сравнению с соответствующими группами злаков с кранц-синдромом. В пределах НАД-МЭ и НАДФ-МЭ-типов выявлены группы видов, значительно различающихся по активности ферментов цикла дикарбоновых кислот (Пьянков, Мокроносов, 1993).

Согласно В.И. Пьянкова и А.Т. Мокроносова (1993) маревые галофиты с С₄-типом фотосинтеза представляют собой стресс-толерантный тип растений. Оказалось, что экологическая роль галофитов в аридных экосистемах возрастает по мере ухудшения эдафического режима. В то же время, эта группа маревых галофитов неоднородна по своим экологическим свойствам. Из 33 С₄-видов маревых, включающих НАДФ-МЭ и НАД-МЭ-формы в разных аридных местообитаниях, было показано, что в наиболее благоприятных условиях (пески и супесчаные почвы) встречались преимущественно НАДФ-МЭ-виды с сальсолоидным и кохиоидным типом кранц-анатомии. Местообитания с экстремальными эдафическими условиями (засоленные такыры, гипсовые пустыни, пухлые и мокрые солончаки) заселены исключительно НАД-МЭ-видами, среди которых встречались все структурные типы коронарного синдрома маревых галофитов, но преобладали растения с сальсолоидной и сведоидной анатомией. По мере ухудшения экологических условий наблюдались закономерные изменения встречаемости биохимических типов растений галофитов в направлении НАДФ-МЭ -> НАДФ и НАД-МЭ НАД-МЭ.

Такой тип фотосинтеза у галофитов обеспечивает нормальное протекание процесса синтеза органических веществ всегда с положительным балансом в условиях постоянного доминирования экстремальных факторов, вызванных высокими температурами, сухостью аридного климата и засоленностью почвы.

Из всего этого следует, что общая эволюционная линия в адаптации галофитов по градиенту аридности и засоленности выражается в изменении соотношения типа фотосинтеза в экосистемах в направлении С₃ – С₄ – САМ.

Свободные экологические ниши явились местами концентрации растений, имеющих отклонения метаболизма и структуры фотосинтетического аппарата от нормы. Полезные для растений свойства (повышенная активность ФЕП-карбоксилазы, развитие хондриома, перемещение РБФ-карбоксилазы в клетке обкладки и защита ее от кислорода) были закреплены отбором, и их интеграция привела к формированию С₄-синдрома, который являлся преадаптацией и основой для освоения широкого спектра экологических ниш и формирования видового и экотипического разнообразия галофитов.

Важным приспособительным свойством галофитов, в частности саксаула черного (Haloxylon aphyllum) к экстремальным условиям (аридности и засоленности среды) является изменение фиксации СО₂ в процессе онтогенетического их развития. Установлено, что в процессе роста и развития саксаула черного происходит изменение фиксации СО₂ от С₃ у зародыша до С₄ у ассимилирующих зеленых побегов и метаболической связи между энзимами НАД-МЭ и НАДФ-МЭ у растений С₄. Явление функционирования С₃ и С₄ пути фотосинтеза в одном растении дает основание для заключения о существовании галофитов с двумя типами фотосинтеза.

Растения С₄ с субтипом НАД-МЭ у маревых более устойчивы к стрессам, чем виды с субтипом энзима НАДФ-МЭ. Поэтому галофиты с субтипом энзима НАД-МЭ доминируют среди пустынной растительности. Способность галофитов оперировать двумя путями фотосинтеза С₄ может обеспечить высокую конкурентоспособность и занимает обширный ряд экологических эдафических условий.

Галоморфные черты ФА проявляются прежде всего в образовании крупных клеток мезофилла. Эта черта – галлосуккулентность листьев – не раз демонстрировалась в экспериментах с увеличением засоления, неоднократно была описана у различных групп галофитов. Утолщение листа при галоморфозе происходит не в результате увеличения массы ассимиляционного субстрата, а благодаря увеличению объема цитоплазмы и вакуолей в клетках хлоренхимы и увеличению водоносной ткани. Хлоропласты лишь немного крупнее. Больший объем клеток листа при сохранении числа хлоропластов приводит к разреживанию пластидного аппарата клетки и листа. В остальном ФА галофитов как растений открытых местообитаний проявляет гелиофильные черты.

Важной адаптивной морфологической особенностью галофитов является микрофилия и афилия, которые коррелируют с развитием значительного числа пазушных почек. Последние построены весьма своеобразно, они имеют слаборазвитые защитные чешуи, малое число зачаточных листьев, в пазухе которых заложены почки, которые в свою очередь имеют пазушные бугорки. В целом анатомо-морфологические особенности галофитов ориентированы на уменьшение расхода влаги листьями и побегами. Как правило, листья и побеги галофитов покрыты защитным восковым налётом, они опушены серым цветом. Другой адаптивный признак, обуславливающий уменьшение потерь воды в результате редукции листовой поверхности или полного сбрасывания листьев или части побегов в сухой сезон года.

Действие солей вызывает значительные изменения в метаболизме пластидных и внепластидных пигментов. Изменение пигментного аппарата обусловлено особенностями обмена веществ и различной степенью солеустойчивости.

У одних видов (красной периллы), сильнее других страдающих от токсического действия солей, даже при низкой их концентрации в среде (2,9 атм) не только подавляется накопление пигментов, но происходит их разрушение. У других (краснокочанная и белокочанная капуста, конские бобы) даже при более высокой степени засоления субстрата (4,2–11,3 атм) наблюдается накопление пигментов. У хлопчатника – факультативного галофита – в условиях засоления (4,2 атм) содержание хлорофилла и каротиноидов остается почти на уровне контроля.

Следует отметить, что снижение содержания зеленых и желтых пигментов у более солеустойчивых растений наступает при относительно высоких концентрациях солей в среде. Их пигментный аппарат обладает большей устойчивостью к действию солей, из-за более прочных связей хлорофилла с белково-липоидной стромой хлоропластов. У галофитов в условиях засоления в процессе приспособления изменяются свойства липопротеидного комплекса и образуется устойчивые к действию солей белки.

Влияние качества засоления проявляется на метаболизме хлорофилла и каротиноидов, особенно при действии более высоких концентраций солей. Наиболее резкое снижение содержания пигментов происходит под влиянием хлористого натрия. В присутствии сульфатов (0,3–0,4%) в растениях создаются условия, благоприятные для синтеза фосфороорганических соединений. Ионы SО₄^2¯ способствуют усилению синтеза белковых соединений и повышают содержание сульфгидрильных соединений (например, глютатиона); последнее указывает на повышение уровня энергетических процессов и окислительно-восстановительного потенциала в клетке. Под влиянием сернокислого натрия увеличивается количество серусодержащих протеинов в хлоропластах; при нормальной микроструктуре последних это обеспечивает стабильность накопления пигментов и в условиях более сильного засоления.

Не исключено, что более значительное накопление каротиноидов особенно на сульфатном фоне, повышает сопротивляемость растений токсическому действию солей. Очевидно, поэтому солевое отравление при изоосмотических концентрациях солей наступает раньше у растений, подвергавшихся действию хлоридного засоления, чем сульфатного.

При солевом отравлении наблюдается более интенсивный распад хлорофилла а по сравнению с хлорофиллом b, что говорит о большей лабильности хлорофилла а.

Стабильность хлорофилла b в случае солевого отравления растений должна быть обусловлена более прочной связью этого пигмента со стромой хлоропластов; она может осуществляться через альдегидную группу этого пигмента или, возможно, в связи с качественно иным белком.

Накопление желтых пигментов у растений под действием солей в большинстве случаев происходит вследствие окисленных форм – ксантофиллов. При этом более резко возрастает содержание виолоксантина, особенно у растений на сульфатном фоне. Можно отметить относительную стабильность каротина и лабильность виолоксантина по сравнению с другими каротиноидами. Возможно, что накопление каротиноидов связано с повышением активности окислительно-восстановительных процессов в тканях растений.

Повышение содержания хлорофилла и каротиноидов у растений в условиях засоления может быть связано с накоплением продуктов окисления углеводов – органических кислот цикла Кребса, продуктов гидролиза белков (глицин, пролин и др.), необходимых для синтеза этих пигментов. Благоприятным условием для усиления биосинтеза пигментов является также и повышение у растений под влиянием солей активности окислительных ферментов.

Не исключена возможность, что увеличение содержания зеленых пигментов, особенно хлорофилла а, связано с тем, что рН клеточного сока, обычно наблюдаемый у растений при засолении, близок к нейтральному, а также вследствие образования натриевых комплексов кадаверина и путресцина. Эти комплексы могут активировать биосинтез хлорофилла по аналогии с трилоном Б (натриевая соль этилендиаминотетроацетата); их действие более эффективно при рН 7,2.

Снижение содержания пигментов в листьях несолеустойчивых и солеотравленных растений вызывается ингибирующим действием ионов солей на ферменты, ответственные за биосинтез этих соединений. При действии солей на растение подавляется активность железосодержащих ферментов. Это вызывает инактивацию биосинтеза хлорофилла.

Уменьшение размеров и числа хлоропластов у растений при засолении, нарушение их внутренней организации говорит о подавлении синтеза белковой стромы, что в свою очередь отрицательно сказывается на биосинтезе и накоплении пигментов.

Резкие изменения наблюдаются у растений при засолении и в содержании внепластидных пигментов типа антоцианов. В этих условиях у растений значительно возрастает содержание антоцианов и лейкоантоцианов. Новообразование антоцианов происходит даже у таких растений, как белокочанная капуста, очевидно, за счет окисления лейкоантоцианов.

Промежуточные продукты метаболизма (органические кислоты, аминокислоты и др.), накопление которых при засолении отмечают некоторые авторы, могут служить исходными веществами для синтеза вторичных соединений, в том числе антоцианов и лейкоантоцианов. Подавление синтеза белка способствует накоплению антоцианов и каротиноидов.

Повышение содержания антоцианов как промежуточных катализаторов в окислительном метаболизме способствует активации окислительных процессов и повышает энергетический уровень у растений при засолении. Использование в биосинтезе антоцианов и лейкоантоцианов таких промежуточных продуктов метаболизма, как аминокислоты – фенилаланин, тирозин и, возможно, ароматические кислоты, – может предотвратить чрезмерное накопление последних, при высокой концентрации оказывающих токсическое действие на растение. Накопление антоцианов может также способствовать обезвреживанию токсических веществ за счет гликолизации агликонов, обладающих токсическим действием.

Возможно, что значительное накопление антоцианов, подобно дубильным веществам, повышает и сопротивляемость растений к токсическому действию солей (Строганов и др., 1970).

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: