Вплив антропогенного навантаження на функціонування глутатіонової системи у насінні представників роду Acer L

Зміст Вступ

1. Стан антиоксидантної системи рослин в умовах техногенного навантаження

1.1 Основні джерела антропогенного забруднення довкілля

1.2 Фізіологічні зміни в рослинах за впливу полютантів

1.3 Вплив важких металів на фізіолого-біохімічні процесси рослин

1.4 Функціонування та роль антиоксидантної системи рослин

1.4.1 Структура та властивості глутатіону

1.4.2 Функції глутатіон-залежних ферментів

1.5 Фізіолого-біохімічні особливості насіння

1.5.1 Ортодоксальне насіння

1.5.2 Рекальцітрантне насіння

2. Матеріал і методи досліджень

2.1 Об'єкти досліджень

2.2 Методи досліджень

2.3 Статистична обробка

3. Фізико-географічна характеристика району досліджень

4. Стан глутатіонової системи в насінні представників роду acerl. за дії антропогенного навантаження

4.1 Зміни вмісту глутатіону в насінні представників роду AcerL. за умов антропогенного забруднення

4.2 Стан активності глутатіон-редуктази у насінні A. pseudoplatanusтаA. platanoides за впливу антропогенного забруднення

4.3 Зміни активності глутатіон-пероксидази у насінні A. pseudoplatanusтаA. platanoides за впливу антропогенного забруднення .

4.4 Активність глутатіону-S-трансферази у насінні A. pseudoplatanus та A. platanoides за впливу антропогенного забруднення

Висновки Перелік посилань Додатки

Вступ Антропогенне навантаження становить важливу проблему для м. Дніпропетровськ, у якому промислові підприємства і перенасичений транспортний потік постачають у навколишнє середовище велику кількість різноманітних забруднювальних речовин. Серед них такі сполуки, як: важкі метали, пил, сполуки азоту, сірка та похідні фенолу тощо. Токсичні викиди з року в рік потрапляють у повітря, воду, ґрунт. Накопичувачем аерополютантів, поряд з ґрунтом, є рослинність, яка зазнає впливу різноманітних чинників середовища і є інтегральним показникам стану довкілля [10; 31; 91]. Окремі інгредієнти викидів можуть впливати на рослини одночасно чи послідовно, у різних співвідношеннях та через різні відрізки часу. Використання рослин як біоіндикаторів антропогенного забруднення природного середовища дає змогу оцінити екологічний вплив окремих хімічних речовин за фізіологічними і біохімічними показниками [10; 12; 93]. Системний підхід до вивчення стійкості рослин також передбачає виявлення впливу полютантів на генеративну функцію рослин, в першу чергу, на життєздатність й інші властивості насіння.

Адаптація рослин до антропогенного забруднення потребує участі захисних механізмів на різних рівнях організації. На клітинному рівні вона реалізується шляхом активації фізіолого-біохімічних процесів. До ефективних ланок метаболічного захисту належить глутатіонова система, активність якої визначається вмістом відновленого глутатіону (GSH) у рослинних клітинах й індукується впливом різноманітних чинників.

Оцінка функціонального стану деревних рослин потребує дослідження всіх етапів онтогенезу, проте на сьогодні майже не вивчено вплив полютантів на стан антиоксидантної системи в репродуктивних органахкленів, хоча показано, що за умов техногенного навантаження зменшуються показники насіннєвої продуктивності представників роду Acer L., змінюються морфометричні, фізіолого-біохімічні та цитогенетичні характеристики їх генеративних органів.

Зважаючи на все вижевикладене, мета роботи — з’ясування закономірностей впливу антропогенного навантаження на функціонування глутатіонової системи у насінні представників роду Acer L. Для дослідження обрано поширені у фітоценозах міста Дніпропетровськ види Acer platanoides L. та Acer pseudoplatanus L., які є контрастними за толерантістю до висихання.

Відповідно до мети перед дослідженням поставлено наступні завдання:

1. Проаналізувати вплив антропогенного забруднення на вміст відновленого глутатіону в насінніA. platanoides та A. pseudoplatanus.

2. Дослідити зміни вмісту глутатіон-S-трансферази та глутатіон-пероксидази в насінні дослідних об'єктів за дії промислових емісій та викидів автотранспорту.

3. З’ясувати зміни активності глутатіон-редуктази в насінні A. platanoides та A. pseudoplatanus в умовах техногенного пресу.

4. Встановити закономірності відгуки глутатіонової захисної системи за антропогенних факторів

5. Виявити найбільш інформативні тест-об'єкти та тест-параметри для фітоіндикації забруднення навколишнього середовища та стану рослин роду Acerу техногенних зонах.

1. Стан антиоксидантної системи рослин в умовах техногенного навантаження

1.1 Основні джерела антропогенного забруднення довкілля Промисловий комплекс за інтенсивністю впливу на довкілля посідає провідне місце. Головними причинами цієї першості є: недосконалі технології виробництва, надмірна концентрація — як територіальна, так і в межах одного підприємства, брак надійних природозахисних споруд.

За характером впливу на довкілля вирізняють такі комплекси: паливно-енергетичний, металургійний, хімічний, будівельний.

Паливно-енергетичний комплекс є найбільшим забруднювачем на Землі не тільки через недосконалі технології та відсутність очищення викидів, а й через надзвичайне поширення його об'єктів. Рівень економіки у XX ст. визначився і рівнем споживання палива та електроенергії. Комплекс екологічних проблем виникає і в галузях паливної промисловості, і в електроенергетичних [29; 62]. Так, якщо видобуток вугілля здійснюється підземним способом, то це призводить до утворення великої кількості поверхневих і побіжних порід, шахтних вод тощо. Більша частина твердих відходів складується у відвали, які охоплюють величезні площі, порушуючи природний ландшафт, забруднюючи поверхневі і підземні води. Відвали породи в основному розміщуються поблизу населених пунктів, а це посилює їхній вплив на довкілля. За даними Макіївського інженерно-будівельного інституту відвали вугільних шахт міст Донецька і Макіївки вкрили територію площею понад 900 га. У відвалах цього промислового району накопичено понад 230 млн. м³ породи, щорічно додається ще 16 млн. м³.

Великим забруднювачем є й нафтогазовий комплекс. На всіх його стадіях (видобуток нафти, виділення попутних газів і води, збереження, транспортування, переробка) відбувається забруднення атмосфери, ґрунтів, водних об'єктів нафтою і нафтопродуктами (фенолом, бензолом, толуолом, етиловим ефіром тощо). Районам, де здійснюється видобуток нафти, властиве забруднення водойм, оскільки нафта і нафтопродукти можуть знаходитися як у вигляді поверхневої плівки або емульсії, так і в розчиненому вигляді. Наявність у воді цих забруднювачів згубно відбивається на її якості. Негативний вплив нафтопродуктів позначається і на рибному господарстві: навіть незначні домішки нафтопродуктів у водоймах надають рибі неприємного присмаку і запаху, а у великій кількості призводять до її загибелі. Під час термічної обробки вуглеводневих сполук виділяються канцерогенні речовини, які забруднюють довкілля.

Для організації матеріального виробництва людина використовує енергію, яку вона виробляє з викопного палива, та добуває з природних джерел. Кількість енергії, що виробляється в світі, невпинно зростає одночасно із зростанням потреб людини [8; 35]. В 70-х роках XX ст. кількість споживаної енергії подвоювалась упродовж 15 років, у 80-х роках — 10 років, тоді як останнє подвоєння чисельності населення відбулося впродовж 50 років. Отже, виробництво енергії відбувається випереджаючими темпами. Нині енергію добувають різними шляхами. У 1980 р. 70% світової кількості енергії вироблено спалюванням нафти і газу, 20% -вугілля, 3% - гідроелектростанціями, 2% - атомними електростанціями. Решта 5% припадає на нетрадиційні джерела енергії.

Вплив теплоелектростанцій. Теплові електростанції працюють на: твердому паливі (вугілля, торф, сланці), рідкому паливі (мазут), газоподібному (природний газ). Всі види палива містять сполуки сульфуру: від 3−7% у вугіллі до 0,05% у природному газі. Тому найпоширенішими забруднювачами є оксиди сульфуру, нітрогену, дрібнодисперсний пил, чадний і вуглекислий гази. Продуктами згорання твердого палива є: зола та жужіль, уловлювання, складування і зберігання яких вимагає великих затрат, оскільки з господарського використання вилучаються земельні ресурси. За кордоном використання золи і жужелю становить: у США — 20%, у Франції - 72%, Фінляндії - 84%. Відходи ТЕС є сировиною для будівельних матеріалів — бетонних блоків, панелей, шляхового покриття, силікатної цегли. Працюючі ТЕС забруднюють біосферу радіоактивними речовинами в обсягах, які перевищують можливі радіоактивні викиди атомних електростанцій за нормальної експлуатації [12; 35].

Гідравлічні електростанції традиційно вважають екологічно чистими. Проте будівництво дамб на річці обумовлює зміну властивостей екосистем ріки. З проточної системи ріка перетворюється на ланцюг водосховищ, де змінюються всі фізичні, хімічні, біологічні властивості. Це вже зовсім інша екосистема [31; 50]. Донні та зважені наноси, що надходять з басейну ріки і раніше служили добривом для заплавних земель, тепер здебільшого затримуються у водосховищах і відкладаються на дні, забруднюючи воду. До того ж мільйони тонн землі щорічно завалюються з берегів у воду, через що каламутність її збільшується у 100 разів [12; 35; 29].

Будівництво ГЕС на гірських, бурхливих річках приводить до менших змін в екосистемі ріки. Спорудження ж їх на рівнинах, та ще й на великих річках породжує цілий ряд як економічних, так і екологічних проблем. Часто економічні збитки від вилучення земель на багато років із сільськогосподарського виробництва в десятки разів перевищують прибутки від виробництва електроенергії електростанцією. Значних економічних збитків зазнає і рибне господарство річки [12; 29].

Приблизно ¼ усіх країн світу має на своїй території атомні реактори [5; 60]. Аналізи, проведені після аварій на Трі-Майл-Айленд (США) і Чорнобильській АЕС, де використовувалися зовсім різні типи реакторів, показали, що ці аварії сталися через дві й чотири тисячі реакторів-років відповідно. Проте ці аварії показали, що ризик є і ця проблема заслуговує на увагу. В Україні переважають реактори типу ВВЕР-440, ВВЕР-1000 і РБМК. У 1986 р. у Відні на нараді експертів МАГАТЕ відзначалося, що за міжнародним стандартом реактори РБМК із 19 обов’язкових параметрів відповідають тільки одному [7; 16].

У кожному 1000-мегаватному реакторі міститься стільки радіоактивного матеріалу, скільки могло б утворитися після вибуху тисячі бомб, подібних до хіросімських. «Проплавлення» (за якого ядерне розплавлене паливо, а також залізобетонні конструкції, що його оточують, перегріваються і плавляться) може викинути радіоактивний вміст реактора в атмосферу, позбавивши при цьому життя понад 50 тис. людей і, забруднивши тисячі квадратних миль землі.

Під час катастрофи на ЧАЕС 25 квітня 1986 р. стався найбільший механічний вибух, еквівалентний викидові після великого атомного вибуху. Навіть у радіусі понад 1500 км у деяких регіонах радіоактивні опади перевищили рівень, зафіксований під час атмосферних випробувань ядерної зброї. Попри те, що під час аварії загинув тільки 31 чоловік, віддалені наслідки чорнобильської катастрофи дадуться взнаки приблизно 28 тис. випадків ракових захворювань у всьому світі, причому половина з них — поза межами України, Білорусії та Росії. В усьому світі понад 700 млн. осіб живуть у радіусі 160 км від ядерних станцій [3; 5].

Кожний ядерний реактор виробляє приблизно 215−230 кг плутонію. Період його напіврозпаду — 24 000 років. У природних умовах він існує в дуже незначних концентраціях. Це одна з найбільш небезпечних для живого організму токсичних речовин: поглинання одного його мікрограма може виявитися смертельним. Крім того, це основна речовина для виробництва атомних бомб. Кожний реактор виробляє його в такій кількості, що її достатньо для виробництва 40 бомб.

Не можна не брати до уваги забруднення біосфери малими дозами радіації. Щодоби з реактора просочуються канцерогенні та мутагенні матеріали. Вони підвищують фоновий рівень радіації, вплив її здійснюється постійно, збільшуючи ризик появи ракових і генетичних захворювань.

Атомна енергетика та виробництво ядерної зброї - два основні джерела радіаційного забруднення. Вони ведуть до утворення сотень радіоактивних елементів, що починають забруднювати харчові ланцюги. Радіоактивний матеріал потрапляє до рік, озер, океанів, де його поглинають риби, вводячи у свої біохімічні системи, підвищуючи його концентрацію у своїх тілах в тисячу разів. Забруднена вода і ґрунт усмоктується рослинами, концентруючи в них токсичні речовини. Це, в свою чергу, призводить до забруднення молока і м’яса, оскільки забрудненою травою живиться худоба.

Важливою проблемою атомної енергетики є поховання радіоактивних відходів. Кожний реактор виробляє тисячі тонн таких відходів, деякі з них лишаються небезпечними впродовж 500 тис. років. Кожна АЕС рано чи пізно сама перетворюється на радіоактивні відходи: вік її експлуатації - 20−30 років, бо вона стає надто радіоактивною для того, щоб продовжувати її експлуатацію або ремонтувати. Після цього її необхідно демонтувати або поховати весь комплекс під тоннами землі [29; 62].

Металургійний комплекс є одним з найбільших забруднювачів біосфери в багатьох країнах світу. В Україні його розвиток зумовив різке погіршення екологічної ситуації в трьох районах — Донбасі, Придніпров'ї, Приазов'ї. На підприємства чорної металургії припадає близько 15% всіх промислових викидів в атмосферу пилу, до 10% викидів оксидів сульфуру, 15% загального обсягу споживання води. До цього слід додати величезну кількість твердих відходів [29; 62].

Сучасний металургійний завод на 1 млн. т. виплавленої сталі викидає в довкілля: 800 тис. т шлаків, 100 тис. т. пилу, 30 тис. т. оксидів карбону, 8 тис. т. оксидів сульфуру, 50 тис. т. сполук флуору, 3 тис. т. оксидів нітрогену.

У галузях кольорової металургії утворюється велика кількість твердих відходів: у більшості галузей на отримання однієї тонни металу витрачається 100−200 тонн руди. Відходи часто відзначаються великою токсичністю так як містять сполуки сульфуру, арсену, стибію, селену. Великі проблеми створюють і скиди стічних вод: в них спостерігається висока концентрація хлоридів, сульфатів. Виробництво металевого алюмінію супроводжується утворенням сполук флуору, які згубно впливають на тканину кісток та зубів. Найважливішім напрямом науково-технічного прогресу є впровадження в металургійній галузі маловідходних технологій, які дозволять не лише зменшити забруднення довкілля, а й підвищити ефективність металургійного виробництва [5; 29].

Хімічна промисловість теж є джерелом істотного забруднення довкілля. Номенклатура продукції, що її випускає хімічна промисловість розвинених країн, є вельми різноманітною. У світі використовується понад 300 тис. т хімічних речовин і щорічно до них додається 1−2 тис. нових. 50 речовин виробляються в кількостях, що перевищують 1 млн. т на рік, а 1500 речовин — 500 т на рік. Донині в довкілля надійшло близько 3 млн. нових речовин і сполук, які не властиві біосфері; серед них є надзвичайно шкідливі для нормального функціонування живої клітини.

Хімічна промисловість належить до галузей, які споживають велику кількість сировини, води та енергії. Вона вирізняється складними багатостадійними процесами. Під час виробництва утворюється велика кількість побічної продукції, яка поки що не завжди може бути використана як вторинні ресурси, а накопичується у вигляді відходів. У багатьох випадках відходи вимагають повного знищення через їхню надмірну токсичність. Найбільшу кількість твердих відходів дають виробництва мінеральних добрив, сірчаної кислоти, виробництво гумових виробів, пластмас, нафтопереробка.

Основним напрямом природоохоронної діяльності в хімічній промисловості є боротьба із забрудненням довкілля способом удосконалення існуючих і розроблення нових технологічних процесів.

1.2 Фізіологічні зміни в рослинах за впливом полютантів Високий рівень надходження важких металів спричиняє істотні порушення обміну речовин та пригнічення ростових процесів, що викликає зниження продуктивності рослин. Серед великої кількості речовин, що потрапляють до навколишнього середовища, особливе місце посідають важкі метали. Найпоширеніше джерело забруднення — автотранспорт, вихлопні гази якого дають основну масу свинцю, кадмію, міді, цинку [2; 26].

Хоча деякі з важких металів у низьких концентраціях — життєво важливі компоненти рослинної клітини, необхідні для проходження процесів метаболізму, у високих концентраціях вони спричинюють багато фізіологічних та біохімічних порушень. Проте в конкретних умовах рослини можуть проявляти певну резистентність і адаптивність до дії полютантів.

Адаптація рослин до токсичного впливу забруднювачів можлива лише у вузькому діапазоні концентрацій і в умовах зовнішнього середовища, коли природні фактори не створюють додаткових стресових ситуацій.

Токсичними, залежно від граничних концентрацій, можуть бути будь-які речовини, у тому числі й життєво необхідні. Так, мідь та цинк належать до мікроелементів, однак підвищення їх концентрацій у клітині зумовлює генерацію оксидантного стресу. Вміст пігментів та їх стан визначають розвиток і активність фотосинтетичного апарату, а також продуктивність, життєздатність і стійкість рослин [11; 25; 27].

Також є техногенне забруднення яке робить негативний вплив на екосистеми, але по-різному, що пов’язане з істотним різноманітністю забруднювачів, інтенсивністю їх навантаження і грунтово-кліматичними умовами району впливу.

Роль рослин у формуванні екосистем особливо важлива при хімічному і техногенному забрудненні навколишнього середовища. Підвищений вміст у грунті та повітрі хімічних і Техногенне речовин призводить до загибелі рослин, зниження фітомаси, приросту, продуктивності, формуванню аномальних биоморф, скороченню термінів вегетації, змінам кількісного складу хімічних елементів рослин, зміни видового складу, скорочення числа видів і ін.

Техногенні емісії впливають на величину накопичення пластідних пігментів і їх співвідношення. У деяких видів спостерігається тенденція до формування в цих умовах ксероморфної структури листа, яка характеризується підвищеним вмістом хлорофілу в асиміляційному апараті, в інших, навпаки, мезоморфному з пониженим вмістом хлорофілу.

При підвищеному вмісті металів і важких металів у грунті та повітряному просторі рослини починаю акумулювати їх у вегетативних та генеративних органах. Рослини різних видів по-різному реагують на збільшення токсичних речовин. Проте зі збільшенням токсичного навантаження видові відмінності в накопиченні хімічних елементів в тканинах більшості видів рослин закономірно зменшуються.

В умовах токсичної дії забруднювачів в рослинних організмах протікають пристосувальні реакції.

В умовах промислового забруднення повітря деревним листопадним видам притаманне скорочення терміну життя листя і прискорення циклу сезонного розвитку. Рослини в більшості випадків знижують продуктивність. У деревних рослин це може виражатися в зниженні приросту [27], зменшенні пилку, погіршенні його властивостей, а також у зниженні плодоношення і якості насіння. Гальмуються ростові процеси, значно змінюється розвиток рослин: зсувається цвітіння, скорочується вегетаційний період, відбувається передчасний листопад, зміну інших фенофаз. Так, забруднення повітря етиленом, ацетоном, метаном обумовлювало у багатьох деревних рослин зміщення фенофаз, особливо в осінній період, і викликало більш раннє одеревіння пагонів.

Нафта негативно впливає на ріст, метаболізм і розвиток рослин, істотно гальмує початок цвітіння і плодоношення.

Рослини, що виростають в умовах забруднення SO₂ атмосфери, для здійснення фотосинтезу більш вимогливі до водозабезпечення, тобто на одиницю продукції вони витрачають більше води.

Постійна присутність в атмосфері промислових регіонів фітотоксичних домішок призводить до потреби формування у рослин такої структури листка, яка дозволяє зберегти відносну рівновагу фотосинтетичного апарату, в процесі адаптації беруть участь багато параметрів, проте провідною ланкою слід вважати зміну фотоактивних поверхонь, регульованою або числом хлоропластів, або їх розмірами, а отже, і концентрацією пігментів у фотосинтетичних мембранах. Зниження вмісту зелених пігментів в основному супроводжувалося гальмуванням біосинтезу і накопиченням хлорофілу b. Змінюється і співвідношення хлорофілу a до b.

Під впливом токсичних газів листкова пластинка в більшій чи меншій мірі зневоднюється. Оводненність листя рослин, які ростуть в умовах високої забрудненості повітря, зазвичай на 10−15% нижче в порівнянні з рослинами, які перебувають у чистій атмосфері.

В умовах забруднення атмосфери промисловими викидами толерантність рослин забезпечують поряд з іншими ті особливості будови всіх тканин листка, які перешкоджають проникненню і поширенню в них газів, а саме ксероморфність, що виявляється в потовщенні епідермісу, посиленні його кутикулою і восковим нальотом, опушенням, щільному розташуванні внутрішніх тканин листка, що скорочує рівень їх вентиляції.

На забруднених ділянках діоксид сірки, «давить» на крони особин з південно-західного боку, якби підсилює дію світла, формуючи тенденцію до зменшення листової пластинки з південного боку крони, тобто до ксероморфності листка.

Негативний вплив важких металів на рослинний покрив можна розглядати як в плані їх фітотоксичності, так і в плані міграції цих елементів на більш високі трофічні рівні екосистем.

1.3 Вплив важких металів на фізіолого-біохімічні процеси рослин Для більшої частини живих організмів необхідні майже 80 елементів, частина яких являється важкими металами. Кожен з них відіграє важливу роль і в рослинному організмі. Вони з білками можуть утворювати ферменти, являються комплексоутворювачами і т.д. Наприклад, марганець має здатність змінювати валентність і тому бере участь в реакціях окислення-відновлення в процесах фотосистеми ІІ, сприяє проходженню темнової фази фотосинтезу і т.д. Мідь входить до складу ферментів, що забезпечують процеси дихання (аскорбіноксидази, поліфенолоксидази), до пластоціаніну, який входить до фотосистеми 1, утворює комплекси з ДНК. Молібден входить до складу ферментів нітрогеназного комплексу, нітратредуктази, яка перетворює нітрати в нітрити, ксантиноксидази. Молібден стимулює синтез вітаміну С. Кобальт входить до складу вітаміну В₁₂, який є кофактором ферментів метилування. Він відповідає за утворення тироксину. Цинк накопичується в нормі до 60 мг/кг сухої речовини. Входить до складу багатьох ферментів: пептидаз, карбоангідрази, алкогольдегідрогенази, лактатдегідрогенази, глутаматдегідрогенази.Залізо комплекси з вітамінами, білками, вуглеводами, підвищує каталітичну функцію ферментів у тисячі разів.

Молібден особливо важливий для бобових рослин; він концентрується в бульбочках бобових, сприяє їх утворенню та росту і стимулює фіксацію бульбочкових бактерій атмосферного азоту. Входячи до складу ферменту нітраторедуктази (що є за своєю будовою молібдофлавопротеіном), молібден відновлює нітрати у вищих і нижчих рослин і стимулює синтез білка в них. Тому в умовах нестачі молібдену в рослинах накопичуються нітрати, одночасно зменшуються азотистая розчинна фракція і рівень азотистої білкової фракції.

Зважаючи на високу вартість молібденових солей рекомендують застосування передпосівної обробки насіння -0,8 г / л. При цьому методі потреба в молібденових солях зменшується у сотні разів. Для позакореневого живлення потреба в молібдати амонію становить 600 л 0,03−0,05-відсоткового розчину на 1 га.

Марганець знаходиться в грунтах в середньому у кількості 0,085%. Однак в окремих випадках при високому загальному змісті марганцю в грунтах кількість засвоюваних його форм, які переходять в солянокислий або сольову форму, може бути явно недостатньо. У середньому розчинна частина Мn в грунті становить 1 -10% від загального його вмісту. Кисла реакція грунту (при рН нижче 6,0) сприяє засвоєнню рослинами Мn ^{2 +;} слаболужна реакція (рН вище 7,5) стимулює утворення гідрату Мn (ОН) _2, важко засвоюваного рослинами. Рухливість марганцю в орному шарі також визначається буферність грунтів по відношенню до кислот, що залежить від суми обмінних основ (переважно Са і Mg) у них. При високій буферності грунтів рухливість Мn^{2 +} зменшується. При низькій буферної ємності грунтів рухливість марганцю вище. Марганець мобілізує фосфорну кислоту грунту. Цілий ряд грунтових мікроорганізмів, що беруть участь у засвоєнні рослинами атмосферного азоту, посилюють свою активність під впливом марганцю. Середній вміст марганцю в рослинах 0,001%. Марганець служить каталізатором процесів дихання рослин, бере участь у процесі фотосинтезу.

Виходячи з високого окислювально-відновленного потенціалу марганцю можна думати, що марганець відіграє таку ж роль для рослинних клітин, як залізо — для тварин. Марганець входить до складу або є активатором ряду ферментативних систем; регулює відношення Fe ^{2 +} — Fe ^{3 +,} тим самим впливаючи на окислювально-відновні процеси, що відбуваються за допомогою заліза. Марганець посилює гідролітичні процеси, в результаті чого зростає кількість амінокислот, сприяє просуванню асимілятів, що утворюються в процесі фотосинтезу від листя до коренів та іншим органам.

Марганець при нітратному харчуванні рослин поводиться як відновник, тоді як при аміачному — як окислювач. Завдяки цьому за допомогою марганцю можна впливати на процеси сахарообразування і синтезу білків.Сприятливий вплив марганцю на ріст і розвиток рослин очевидно; так, І.В. Мічурін помітив, що у гібридних сіянців мигдалю під впливом марганцю термін першого плодоношення прискорюється на 6 років. Цей факт став першим описаним в літературі випадком чудового прискорення росту і дозрівання рослин під впливом мікроелементів.

При нестачі марганцю в грунтах (низький вміст яких несприятливих умовах для засвоєння його рослинами) виникають захворювання рослин, що характеризуються загалом появою на листі рослин хлоротичних плям, які в подальшому переходять у вогнища некрозу (відмирання). Зазвичай при цьому захворюванні відбувається затримка росту рослин і їх загибель. У різних видів рослин захворювання марганцевої недостатністю має свої специфічні прояви та отримало відповідні назви.

Явище недостатності марганцю у рослин у вигляді наведених вище специфічних захворювань спостерігається при значному дефіциті марганцю в грунтах, однак і при відносному нестачі рухомого марганцю можуть спостерігатися «стерті» форми недостатності, які проявляються у затримці росту, зменшення врожайності і т. п. Збагачення рослин марганцем веде до поліпшення росту, плодоношення дерев і врожайності багатьох культур, що знайшло практичне використання. Як добрива застосовують видходи марганцеворудної промисловості, відходи виробництва сірчаної кислоти та ін. Марганцеві відходи мають перевагу перед чистими марганцевими солями: вони використовуються рослинами поступово і діють більш ефективно. Доза добрив залежить від джерела отримання відходів і від виду рослин. Внесення марганцевих відходів у грунт у якості добрив позитивно позначається на врожайності цукрових буряків, озимої пшениці, кукурудзи, картоплі, овочевих культур та інших культур, зменшує полегаемость рослин. Крім звичайного внесення марганцевих добрив у грунт, застосовують і інші методи використання марганцю, при яких виключаються несприятливі умови засвоюваності марганцю з грунтів.

Надлишок марганцю, так само як і його недолік, несприятливо позначається нарослинах, та стимулюють значні морфологічні зміни у рослин, які ростуть на багатих грунтах марганцем

Існують рослини, здатні в значній мірі накопичувати марганець; такі рослини називають манганофілами. Концентраторами марганцю є жовтець золотистий, полин лікарська, деякі папороті, сосна, береза, пасльонові. Рослини-манганофіли активно витягають марганець з грунтів. Якщо рослини-манганофіли виростають на грунтах з малим вмістом легко засвоюється марганцю, то вони особливо страждають від його нестачі. Так, на чорноземі, бідному доступним марганцем, можуть рости тільки такі рослини-манганофіли, як береза, яка мобілізує марганець своїми кислими кореневими виділеннями.

Кобальту біосфері переважно розсіюється, проте на ділянках, де є рослини — концентратори кобальту, утворюються кобальтові родовища. У верхній частині земної кори спостерігається різка диференціація кобальту — в глинах і сланцях в середньому міститься 2.10 ^-3% кобальту, в пісковиках 3.10 ^-5,у вапняках 1.10 ^-5. Найбільш бідні кобальтом піщані грунти лісових районів. У поверхневих водах його мало, у Світовому океані його лише 5.10 ^-8%. Постійно присутній в тканинах рослин, кобальт бере участь в обмінних процесах. Концентрація кобальту в рослинах пасовищ і лугів в середньому становить 2,2 · 10 ^-5 -4,5 · 10 ^-5% на суху речовину. Здатність до накопичення цього елементу у бобових вище, ніж у злакових та овочевих рослин.

Кобальт бере участь у ферментних системах бульбочкових бактерій, які здійснюють фіксацію атмосферного азоту; стимулює зростання, розвиток і продуктивність бобових і рослин ряду інших родин. У мікродозах кобальт є необхідним елементом для нормальної життєдіяльності багатьох рослин і тварин. Разом з тим підвищені концентрації сполук кобальту є токсичними. Крім чистих хімічних сполук кобальту, в якості добрив можуть бути також використані продукти переробки шлаків нікелевого виробництва і колчеданних недогарків.

Вміст нікелю в грунтах становить 0,004%, в природних поверхневих водах — 34%. У рослинах в середньому міститься 0,5% на живу вагу (в залежності від виду рослини, місцевості, грунту, клімату та ін.) Рослини в районі нікелевих родовищ можуть нагромаджувати в собі значні кількості нікелю. При цьому спостерігаються явища ендемічного захворювання рослин, наприклад потворні форми айстр, що може бути біологічним і видовим індикатором в пошуках нікелевих родовищ. Морфологічно змінені анемони у збагачених нікелем біогеохімічних провінціях концентрують нікель у 30-кратному розмірі; підвищений вміст нікелю у грунтових розчинах і в грунтах Південного Уралу, збагачених нікелем в 50-кратному розмірі, є причиною появи потворних форм у сон-трави (родина Лютикові) і грудниці (родина Складноцвіті). Критичні значення концентрації нікелю в поживному розчині-1, 5 мг / кг і в сухій масі ячменю, вирощеного на такому середовищі - 26 мг / кг. Токсичний рівень цього елемента в листках рослин починається з перевищення 1,0 мг / кг сухої маси.

Типові симптоми пошкоджуючої токсичної дії нікелю: хлороз, поява жовтого забарвлення з наступним некрозом, припинення росту коренів і появи молодих пагонів або паростків, деформація частин рослини, незвичайна плямистість, в деяких випадках — загибель всієї рослини.

Важкі метали відносяться до мікроелементів, тобто хімічних елементів, присутніх в організмах в низьких концентраціях (звичайно тисячні частки відсотка і нижче). Хімічні елементи, які, входячи до складу організмів рослин, тварин і людини, беруть участь у процесах обміну речовин і володіють вираженою біологічною роллю. Потужне вплив мікроелементів на фізіологічні процеси і організмі пояснюється тим, що вони вступають в найтісніший зв’язок з біологічно активними органічними речовинами — гормонами, вітамінами. Вивчено також їх зв’язок з багатьма білками і ферментами.

Мікроелементам, незважаючи на їх малий кількісний вміст в організмах, належить значна біологічна роль. Крім загального сприятливого впливу на процеси росту і розвитку, встановлено специфічний вплив ряду мікроелементів на найважливіші фізіологічні процеси, наприклад, фотосинтез у рослин. Багато металів, переважно мікроелементи, проявляють яскраво виражену каталітичну дію в живому організмі, особливо тоді, коли вони вступають у взаємодію з органічними речовинами, що містять азот. Максимальну каталітичну активність метали набувають, утворюючи сполуки з білками. Саме така будова властива ферментам. Крім значного підвищення активності, роль білкового компонента полягає у наданні ферментам специфічності дії. Під час взаємодії мікроелементів з білковими компонентами ферментів утворюються метало ензими.

1.4 Функціонування та роль антиоксидантної системи рослин Різноманітні стресові впливи, яких зазнають материнські деревні рослини внаслідок дії природних і антропогенних чинників, викликають зміни фізіолого-біохімічних процесів у насінні [84], зокрема, індукують відповідні реакції захисних метаболічних систем насіння на вплив полютантів. Відомо, що ефективний антиоксидантний захист рослин за дії токсикантів різного походження забезпечує глутатіон-залежна система.

1.4.1 Структура та властивості глутатіону Глутатіон являє собою багатофункціональний трипептид, знайдений в рослинах і тваринах. Це основний небілковий низькомолекулярний тіол, в більшості організмів (рис. 1.4.1−1.4.2).

Рис. 1.4.1. Структурна формула глутатіону Рис. 1.4.2. Трьохмірна модель молекули глутатіону

Глутатіон бере участь у різноманітних процесах детоксикації, транспорту і метаболізму. Відомо, що він є донором відновлюючих еквівалентів в глутатіон — аскорбонатному циклі (цикл Halliwell Asada). У ході цього процессу відновлена форма глутатіону окислюється для того, щоб відновити дегідроаскарбат (який перетворюється в аскорбат). Перетворення окисненої форми глутатіону в його відновлену форму каталізує глутатіонредуктаза (ГР, КФ 1.8.1.7).

Глутатіон також бере участь у прямій детоксикації пероксиду. У ході цієї реакції відновлений глутатіон (GSH) взаємодіє з пероксидом водню (або іншим органічним пероксидом) з утворенням води, або води та спирту, і димера глутатіону (GSSG).

Ключова роль глутатіону полягає в здатності підтримувати сульфгідрильні группи внутрішньоклітинних білків у правильному стані окислення. Співвідношення TG/GSSGє дуже важливим для гомеостазу клітин і свідчить про здатність рослин протистояти окисному стресу.

Деякі автори [32; 39; 48; 61] припускають, що окислювально-відновний стан глутатіону можна використовувати в якості цінного маркера стресу при вивченні екофізіології рослин.

Глутатіон відповідає за детоксикацію потенційно небезпечних молекул, таких як пестициди, або важкі метали. Кон’югація може відбуватися спонтанно або в присутності GST. Показано велике значення GSTв детоксикації багатьох гербіцидів. Крім того деякі автори припускають, що GST грає важливу роль в процесах фіторимідіації.

Глутатіон також залучається до метаболізму різних сполук, включаючи ароматичні органічні молекули, що відповідають за колір, смак, і аромат, запасні форми відновленої сірки і т.д. Глутатіон не є незамінною речовиною та може синтезуватися з амінокислот L-цистеїну, та L-глутаміновой кислоти і гліцину. Біосинтез відбувається в дві ATP-залежні стадії. На першій стадії синтезується гамма-глутамілцистеїн з L-глутаматом і цистеїном ферментом гаммаглутамілцистеїн синтетазою (або глутаматцистеїн лигазою). Ця реакція є лімітоючою в синтезі глутатіону. На другій стадії фермент глутатіон сінтетаза приєднує залишок гліцину до С-кінцевої групи гама-глутамілцистеїна.

Глутатіон бере участь в синтезі лейкотриєнів і є учасником ферменту глутатіонпероксидази. Як частина глиоксалазної ферментативної системи глутатіон бере участь у реакції детоксифекації метилглиоксаля, токсичного побічного продукту метаболізму. Глиоксалаза перетворює метилгліоксаль, і відновлений глутатіон в лактоілглутатіон. Глеоксалаза гідролізує лактоілглутатіон на глутатіон і лактат. Глутатіон є субстратом реакції кон’югування і відновлення, що каталізується глутатіон-s-трансферазою в цитозолі, мікросомах і в мітохондріях.

1.4.2 Функції глутатіон-залежних ферментів Система глутатіону включає в себе три глутатіонзалежних ферменти: глутатіон-пероксидази (GPX), глутатіон-редуктазу (GR), глутатіон-трансферазу (GST).Центральний метаболіт системи — трипептидглутатіон (GSH) глутамілцистеїнілглицин.

GSH-глутатіон відновлений володіє власною антиоксидантною активністю і виступає в ролі кофактора антиоксидантних ферментів, донора водню, метаболіту і субстрату з ферментами системи, а також з супероксиддисмутазою і каталазою, а також ферментів, що містять тіоловую групу. Глутатіон постійно утворюється в печінці і виділяється в кров, звідки надходить до всіх тканин, крім еритроцитів. Виділяється глутатіон відновлений в жовч. Він бере участь у синтезі білків і нуклеїнових кислот; захищає від активних форм кисню, відновлює та ізомеризує дисульфідні зв’язки, впливає на активність ферментів та інших білків, підтримує функції мембран, виконує деякі коферментні функції, бере участь в обміні ейкозаноїдів; є резервом цистеїну; бере участь у метаболізмі ксенобіотиків; підвищує резистентність клітин до шкідливих впливів; впливає на проліферацію.

Система GSH-глутатіону бере участь в транспорті амінокислот, впливає на функції ниркових мембран і резистентність клітин. Вважають, що система GSH-глутатіону — один із захисних механізмів проти старіння організму.

Глутатіон-пероксидаза каталізує реакції, у яких фермент відновлює пероксид водню до води, а також відновлення органічних гідропероксидів (RООН) до гидроксипроизводних, і в результаті переходить в окислену дисульфідну форму GS-SG :

2GSН + Н₂0₂ = GS-SG + Н₂0

2GSH + RООН = GS-SG + ROН +Н₂0

Глутатіон-редуктаза — флавопротеїн з простетичною групою флавинадениндинуклеотидом, складається з двох ідентичних субодиниць. Глутатіонредуктаза каталізує реакцію відновлення глутатіону з окисленої його форми GS-SG, а всі інші ферменти глутатіонсинтетаз використовують його:

2NADPH + GS-SH = 2NADPH + 2 GSH

Глутатіон-трансфераза (КФ 2.5.1.18) — родина мультифункціональних білків, які використовують GSH для метаболізму гідрофобних речовин. Гомоабо гетеродімери, з молекулярною масою 43−57 кДа, кожна субодиниця має свій незалежний активний центр, який у свою чергу містить два субцентри G і H. Перший взаємодіє з глутатіоном (містить sh-групу, гістидин і аргінін); H субцентр зв’язує гідрофобний субстрат, в ньому міститься гліцин. Глутатіон-трансфераза каталізує реакцію:

RX + GSH = HX + GS-SG

Розрізняють глутатіон-трансферази, які взаємодіють з катіонами (у печінці, кишечнику, нирках) і аніонами (головний мозок, селезінка, легені, плацента, еритроцити). Залежно від субстратної специфічності також розрізняють глутатіон-трансферазу, яка взаємодіє з епоксидами, алкенами, алкілами, алканами, арілами, ентеротоксинами.

Максимальна концентрація глутатіон-трансферази знайдена в печінці при оптимумі рН=7,5. В основному глутатіон-трансферази локалізовані у цитозолі і ендоплазматичному ритікулумі, але зустрічається в ядрах та мітохондріях. Ця група ферментів здійснює детоксикацію різних ксенобіотиків або їх мікросомальних метаболітов шляхом трансформації, а також детоксикації пероксидів. Глутатіон-трансферази грають важливу роль в ендогенному метаболізмі: вони зв’язують і транспортують лейкотрієн С4, жовчні кислоти, білірубін, захищають організм від окислювального стресу шляхом відновлення гидропероксидов жирних кислот і нуклеотидів. Глутатіон-трансферази беруть участь в утворенні і метаболізмі гормонів (лейкотрієнів, простагландінів, естрогену).

Глутатіон-трансфераза має 11 ізоформ, здійснює 4 основних типа реакцій;

1) Приєднання до субстрату повної молекули глутатіону:

R + GSH = HRSG

2) Нукліофільне заміщення:

RX + GSH = HX + SG

3) Відновлення органічних пероксидів (гідропероксидів жирних кислот, кумена) до відповідних спиртів:

2GSH + ROOH = ROH + GS-SG + H₂O

Цю активність глутатіон-трансферази розглядають як неселенову глутатіон-пероксидаза.

4) Ізомеризація (стероїдів, простагландінів). В реакціях першого та другого типа утворюються тіоефіри (кон'югати), а глутатіон втрачається. У реакціях третього типа утворюється GS-SG (окислений глутатіон), який відновлюється глутатіон-редуктазою. У реакціях четвертого типові GSH не використовується і працюють як кофермент.

1.5 Фізіолого-біохімічні особливості насіння

Насіння — основний рослинний репродукційний матеріал як у дикій природі, так і в культурі. Тому інтродукція будь-яких рослин базується переважно на насіннєвому розмноженні, за винятком тих, що не дають насіння чи здатні тільки до вегетативного розмноження. У процесі еволюції насіння набуло ряду властивостей, які дають йому можливість зберігати життєздатність до того часу, доки не настануть сприятливі для проростання і утворення нових рослин умови.

Однією з таких особливостей є здатність різко змінювати інтенсивність метаболізму від процесів формування зародка та інших частин насінини і відкладення запасних речовин до гідролізу цих речовин і використання їх на ріст зародка при проростанні. Дослідження проростання насіння певною мірою забезпечує успіх рослинництва, в тому числі інтродукції, але саме труднощі з насінництвом часто затримують процес введення нових корисних рослин в культуру.

Насіння рослин характеризується цілим рядом морфологічних, біохімічних і фізіологічних особливостей, серед яких вирізняється його фізіологічна неординарність, тобто різноманіття вимог до умов проростання, різний термін настання його фізіологічної зрілості.

Широкий діапазон умов, що необхідні для проростання насіння, сприяє ефективному використанню території, виживанню та співіснуванню різних видів рослин. Для дикорослих видів фізіологічна різноякісність насіння є цінним пристосуванням, за допомогою якого реалізується генетичний потенціал виду, його збереження і поширення.

Особливості проростання насіння дикорослих видів рослин на даний час вивчені недостатньо. Для насіння більшості рослин, ареали яких розташовані в помірних широтах, властивий більш або менш тривалий період спокою, завдяки якому утворюються грунтові насіннєві банки, здатні забезпечити резерв для відтворення потомства протягом кількох років. Спокій насіння є однією з складових різноякісності насіння і зумовлений рядом причин, серед яких — фізіолого-біохімічний стан і рівень морфологічного розвитку зародка [46; 55].

До фізіологічних (біологічних) властивостей насіннєвих мас відносять інтенсивність дихання, здатність до проростання та енергію проростання насіння. Ці властивості визначають стан насіннєвої маси під час зберігання і напрямок використання насіння.

Інтенсивність дихання суттєво впливає на процес зберігання насіння та його якість. Якість насіння буде тим вищою, чим нижча його інтенсивність дихання, яка в першу чергу залежить від вологості насіння. Чим вища вологість, тим вища інтенсивність дихання і нижчий її температурний оптимум.

Інтенсивність дихання насіннєвих мас залежить не лише від дихання самого насіння, а від дихання мікроорганізмів, що заселяють поверхню насіння та домішок. Висока інтенсивність дихання супроводжується виділенням тепла, збільшенням температури насіння та активності ферментів, що спричиняє високу швидкість окиснювальних процесів і в кінці кінців може викликати самозігрівання насіння.

Найбільш оптимальним методом запобігання високій інтенсивності дихання є зберігання насіння в сухому стані.

Проростання насіння відбувається за сприятливих умов. Проростанню насіння передує набрякання — збільшення розмірів внаслідок поглинання певної кількості води. Швидкість набрякання та кількість поглинутої води залежать від віку насіння: чим воно молодше, тим швидше набрякає й більше поглинає води.

1.5.1 Ортодоксальне насіння Процес зневоднення розглядається як необхідна подія життєвого циклу у видів, які продукують так зване ортодоксальне насіння. Під час розвитку ортодоксального насіння на материнській рослині в ньому відбувається втрата води, що збігається з набуванням зародками стійкості до зневоднення. Зазвичай втрачається понад 80% води, в результаті активність метаболічних процесів різко знижується, а насіння переходить у стан спокою [20; 61]. Дуже важливий той факт, що разом зі стійкістю до зневоднення насіння набуває неспецифічну стійкість і до інших стрессорів навколишнього середовища.

1.5.2 Рекальцітрантне насіння Поняття «рекальцітрантність» (в перекладі «непослушность») стало використовуватися з 1980 р. відносно зрілого насіння, яке гине при висиханні, на відміну від звичайного, стійкого до висихання ортодоксального насіння. Вже в період дозрівання обидва типи насіння помітно різняться за водним статусом. Під час дозрівання обидва види насіння поступово втрачають воду, при цьому ортодоксальне насіння в кінці періоду дозрівання висихає до вологості близько 10%.У такому стані воно може зберігатися багато років, не втрачаючи життєздатності. Така властивість ортодоксального насіння отримало назву «стійкість до висихання». На відміну від нього, втрата води рекальцітрантним насінням призводить до втрати схожості і загибелі - тому його вважають чутливим до висихання.

Вивчення фізіології рекальцитрантного насіння досі було зосереджено на природі його чутливості до висихання[27; 74], тобто на його принципову відмінність від ортодоксального насіння. Встановлено, що причиною загибелі при висиханні є недостатня активність антиоксидантного захисту [89], що призводить до накопичення активних форм кисню в токсичних концентраціях. Однак практично ніким не вивчалася сама фізіологія рекальцитрантності, пов’язана, у першу чергу, з підтриманням високої оводненості і життєздатності.

Рекальцітрантність насіння найбільше поширена в районах з помірно-вологим тропічним кліматом, особливо в так званих дощових лісах. Там зріле насіння відразу падає у вологий грунт і не відчуває нестачі вологи, що дозволяє йому тут же прорости. З цієї причини насінини не мають стійкості до висихання. Їх рекальцітрантність дозволяє їм успішно скоротити період часу між дозріванням і проростанням, що сприяє швидкому відновленню виду. Рекальцітрантне насіння характерне також і для рослин субтропіків, а також для місць зростання з сезонними змінами клімату, з високою вологістю в період дозрівання і проростання насіння.

2. Матеріал і методи досліджень

2.1 Об'єкти досліджень Досліджувані нами рослини належать до відділу Квіткові, або Покритонасінні (Magnoliophyta, або Angiospermae), класу Магноліопсиди, або Дводольні (Magnoliopsida, або Dicotyledones), родини Кленові (Aceraceae), роду Клен (Acer L.).

Клен несправжньоплатановий, або явір (A. pseudoplatanus L.), — струнке дерево до 40 м заввишки, діаметром до 12 м, з густою, гарною, шатровидною кроною у поодиноких екземплярів, широкоциліндричною — у насадженнях. Стовбур з попелясто-сірою корою, яка розтріскується і відшаровується великими шматками у старих екземплярів, подібно до платану оголюючи молоду кору світло-сірого або рожевого кольору, внаслідок чого стовбур стає дуже декоративним. Пагони голі, світлі, буро-жовті.

Рис. 2.1.1. Acer pseudoplatanus L.

Листки 3−5-лопатеві, до 17 см, зверху темно-зелені, тьмяні, голі, знизу сизуваті або білуваті, іноді пурпурово-червоні, з неглибокими, загостреними, крупнозубчастими лопатями. Суцвіття — вузькі, багатоквіткові кисті до 16 см завдовжки. Тривалість цвітіння 10−15 днів.

Росте швидко, але повільніше клена гостролистого. Погано мириться з сухими і надмірно вологими грунтами, не переносить засолення, досить тіньовитривалий і теплолюбний.

Форми ефектніше виглядають на освітлених ділянках. Завдяки потужному зростанню, ефектною овальної кроні і жовто-зеленому листі красивої форми, довго зберігає своє забарвлення, належить до групи високодекоративних порід для групових, рядових і одиночних посадок. У культурі дуже давно.

Насіння зберігають у щільно закупорених судинах або в пластикових запаяних пакетах в неопалюваному приміщенні. При цьому схожість зберігається 2 роки. Лабораторна схожість насіння 85%, ґрунтова — 75%. Насіння висівають відразу ж після збору (сходи з’являються навесні наступного року) або стратифікують спочатку в торфі 45 днів при — 3 °C, а потім під снігом протягом 45 днів. Глибина загортання 4−5 див. Клен псевдоплатановий чудовий своєю стійкістю до вітру, міським забруднень і солі, що робить його популярним для вирощування в містах, уздовж доріг, посипати сіллю взимку, і на морському узбережжі.

Клен гостролистий, або клен платановидний (Acer platanoides L.), — дерево висотою до 25−30 метрів з розлогою густою кроною. Стрижневий корінь відносно невеликий, але бічні корені поширюються досить далеко. Потужний стовбур покритий сіро-бурою корою. Листя клена розташовані на тонких черешках, мають добре прокреслені жилки і, як правило, 5 лопастей, які закінчуються загостреними частками. Зеленувато-жовті квітки, зібрані в щитковидні суцвіття на кінцях гілок, можуть бути як роздільностатевими, так і обох статей, причому на одному і тому ж дереві.

Нектарники в квітках рясно випромінюють солодку рідину. Цвіте клен до розпускання листя або під час нього. Плід — подвійна крилатка, яка ділиться на два односемянних плодики з великими крилами. У вересні крилатка розпадається і плодики розносяться вітром. У дикій природі клен гостролистий розмножується насіннєвим шляхом, але, незважаючи на те, що насіння проростає навесні, більша частина сходів гине. У перші роки життя клен гостролистий росте досить швидко, максимальної своєї висоти досягає до 50−60 років. Плодоносить він з 17 років, а середня тривалість життя дерева становить 150−200 років.

Рис. 2.1.2. Acer platanoides L.

Клен гостролистий поширений в основному в Євразії. На півночі ареал його поширення обмежений скандинавськими країнами, на півдні - північною межею Ірану, на сході - Уральським хребтом. На Україні і в Росії він росте лише в широколистяних або змішаних лісах, а також у лісостеповій зоні. Клен частіше росте по сусідству з дубом і ясеном, часто його висаджують у міських парках і скверах, в полезахисних лісових смугах. Дерево не боїться затінення і холодів, але відчутно до стану грунту і воліє вологі і родючі землі.

Клен гостролистий у стародавніх вважався добрим деревом, з ним пов’язано безліч прикмет — його висаджували на щастя чи для залучення любові. Перші згадки про застосування клена як лікарської рослини датуються 16−17 століттям. Для лікування використовували не тільки кору, листя, плоди і квітки клена, але і кленовий сік, який мав славу смачного і корисного напою. Також кленовим соком змащували рани і виразки. Віник з клена вважався одним з атрибутів знахарських лазень.

Деревина клена дуже міцна, в той же час вона добре піддається обробці і легко полірується. З неї виготовляють спортивний інвентар, меблі, господарське начиння, струнні музичні інструменти, фанеру. Кленові дрова НЕ коптять і дають багато тепла. З листя отримують чорний і жовтий фарбники для вовни. Медоносні властивості цієї рослини вище всяких похвал — з солодкого кленового нектару бджоли роблять високоякісний світлий мед, причому з одного дерева здорова бджолина сім'я може заготовити до 10 кг меду. З кленового соку готують сироп. Гілки і листя клена із задоволенням поїдає худоба.

Згідно з проведеними нещодавно дослідженнями, клен здатний затримувати в повітрі суспензії важких металів і пари бензолу[28]. Тому ця рослину доцільно висаджувати в міських умовах, з метою поліпшення екологічної ситуації.

У кленовому соку міститься цукор і каучук. У листі клена виявлені вуглеводи, каротиноїди, альдегіди, фенолкарбонові і органічні кислоти, вітаміни С і Е, дубильні речовини, ліпіди і ненасичені жирні кислоти.

Насіння клена знаходиться у глибокому ендогенному спокої, викликаномунаявністю в насінні інгібіторів росту, тому перед весняним посівом насіння стратифікуютьза температури 0−3°С протягом 2−3 місяців. За 5−7 °С тривалість холодової стратифікації зростає. Тому для швидкого подолання дії інгібіторів, стимулювання проростання насіння і наступного росту сіянців використовують фізіологічно активні речовини — стимулятори росту.

2.2 Методи досліджень Збирання насіння проводили у вересні 2014 р. на чотирьох пробних ділянках із модельних дерев віком 20−30 років з гілок п’ятого порядку галуження нижньої та середньої частин крони на північній стороні.

Методика визначення активності глутатіон-S-трансферази Активність глутатіон-S-трансферази (GSТ) [EC 2.5.18] визначали за.

Субстратом служив 2,4-динітрохлорбензол (ДНХБ).

Рослинний матеріал (0,2 г сирої ваги) розтирали у фарфоровій ступці з 1 мл натрій-фосфатного буферу (рН 8,0), центрифугували протягом 20 хв при 16 000 об/хв., у супернатанті визначали активність GSТ.

Реакційну суміш, яка містить 1 мл фосфатного буфера (рН 8,0), 0,1 мл розчину відновленого глутатіона й 0,2 мл зразка, витримували в ультратермостаті 10 хвилин при 30? С.

Ферментативну реакцію ініціювали додаванням 0,1 мл 0,02 М розчину ДНХБ і на КФК-2МП реєстрували зміни оптичної густини розчину при довжині хвилі 340 нм протягом 4 хв.

Каталітичну активність ферменту виражали в мкмоль ДНХБ, перетвореного за 1 секунду (мккатал).

Розрахунок каталітичної активності проводили за формулою:

A=,

де ДЕ — зміна оптичної густини реакційної суміші за час вимірювання;

V_заг. — загальний об'єм реакційної суміші, мл;

V_проби — об'єм супернатанту, взятого для аналізу, мл;

l — товщина кювети, 0,3 см;

t — час вимірювання, 240 сек;

k — коефіцієнт молярної екстинкції ДНХБ, 9,6 мкмоль^-1••см^-1.

Методика визначення активності глутатіон-редуктази (GR)

Визначення активності глутатіон-редуктази (GR, EC 1.6.4.2) проводили за методом.

Рослинний матеріал (0,1 г сирої ваги) розтирали у фарфоровій ступці з 1 мл натрій-фосфатного буферу (рН 8,0), центрифугували протягом 20 хв при 16 000 об/хв., у супернатанті визначали активність GR.

Реакційну суміш, яка містила 1 мл 0,1 М фосфатного буферу (рН 8,0), 0,1 мл 1 мМ розчину ЕДТА, 0,3 мл розчину окисленого глутатіону (GSSG) та 0,2 мл розчину NADPH, витримували у термостаті протягом 10 хвилин при 37? С. Реакцію починали додаванням 0,2 мл проби і реєстрували зменшення концентрації NADPH у кюветі спектрофотометра при довжині хвилі 340 нм. Каталітичну активність ферменту виражали у наномоль NADPH, переробленого за 1 сек (нанокатал).

Розрахунок каталітичної активності проводили за формулою:

A=,

де ДЕ — зміна оптичної густини реакційної суміші за час вимірювання;

V_заг. — загальний об'єм реакційної суміші, мл;

V_проби — об'єм супернатанту, взятого для аналізу, мл;

l — товщина кювети, 0,3 см;

t — час вимірювання, 240 сек;

k — коефіцієнт молярної екстинкції NADPH, 6,22 мкмоль^-1••см^-1.

Методика визначення активності глутатіон-пероксидази (GPX)

Визначення активності глутатіон-пероксидази (GPX, EC 1.11.1.9) проводили за методом.

Рослинний матеріал (0,2 г сирої маси) розтирали у фарфоровій ступці з 1 мл натрій-фосфатного буферу (рН 7,4), центрифугували протягом 20 хв. при 16 000 об/хв., у супернатанті визначали активність GPX.

Реакційну суміш, яка містила 1,2 мл 0,1 М фосфатного буферу (рН 7,4), 0,2 мл 1 мМ розчину ЕДТА, та 0,1 мл 4 мМ розчину NADPH, 2 мл 10 мМGSH, 0,2 мл зразка витримували у термостаті протягом 10 хвилин при 30? С. Реакцію починали додаванням 0,2 мл 2,5 мМ розчину перекису водню і реєстрували зменшення концентрації NADPH у кюветі спектрофотометра при довжині хвилі 340 нм. Каталітичну активність ферменту виражали у наномоль NADPH, переробленого за 1 сек (нанокатал).

Розрахунок каталітичної активності проводили за формулою:

A=,

де ДЕ — зміна оптичної густини реакційної суміші за час вимірювання;

V_заг. — загальний об'єм реакційної суміші, мл;

V_проби — об'єм супернатанту, взятого для аналізу, мл;

l — товщина кювети, 0,3 см;

t — час вимірювання, 240 сек;

k — коефіцієнт молярної екстинкції NADPH, 6,22 мкмоль^-1••см^-1.

Методика визначення відновленого глутатіону Вміст відновленого глутатіону (GSH) визначали згідно з за реакцією SH-групи глутатіону з 5,5-дитіо-біс (2-нітробензойною) кислотою (реактив Елмана). У результаті реакції утворюється 5-дитіо-2-нітробензойний аніон, який має інтенсивний жовтий колір, на чому й засновано кількісне вимірювання SH-груп у клітинних екстрактах.

Вміст SH-груп вимірювали за калібрувальним графіком (рис. 2.2.1), побудованим з розчинами відновленого глутатіону у таких концентраціях: 10, 25, 50, 75 та 100 нМ/мл.

Рослинний матеріал (0,5 г сирої ваги) розтирали у середовищі виділення (0,1 М трис-HCl буфер, рН 7,8, з додаванням 1 мМ хлориду магнію та 0,3 мМ Трилону Б), центрифугували протягом 20 хв. при 15 000 g, надосадову рідину брали для подальшої обробки.

Небілкову розчинну фракцію отримували шляхом осадження розчинних білків із надосадової рідини за допомогою 50% трихлороцтової кислоти (ТХУ): до 3 мл зразка додавали 2,4 мл дистильованої води та 0,6 мл ТХУ, перемішували, витримували 15 хв. та центрифугували протягом 20 хв. при 15 000 g, супернатант брали для визначення небілкових толових сполук.

Реакційна суміш для визначення містила 2 мл 0,1 М трис-HCl буфер, рН 7,8, та 1 мл супернатанту (контрольна проба містила 3 мл вказаного буферу). Вимірювали оптичну густину (А₀) на фотоелектроколориметрі КФК-2МП при довжині хвилі 400 нм у кюветах товщиною 0,5 см проти контролю. До проб додавали 0,05 мл реактиву Елмана, проби інкубували протягом 1 години при 37? С, після чого знов вимірювали оптичну густину (А₁). Для розрахунків використовували різницю (А₁ -А₀=А) та дані калібрувального графіку, вміст SH-груп виражали в нмоль GSH/г наважки.

Рис. 2.2.1. Калібрувальний графік для визначення вмісту відновленого глутатіону

2. Стандартне відхилення обчислювали за формулами:

; ;

S — стандартне відхилення;

— - відхилення варіації від середнього арифметичного.

3. Статистичну помилку розраховували за формулами:

для n<30;

для n>30,

де m — помилка вибіркового середнього.

4. Коефіцієнт Ст’юдента обчислювали за формулою:

.

5. Достовірність результатів визначали за таблицею Ст’юдента — якщо

то дані достовірні[15; 57; 59].

3. Фізико-географічна характеристика району досліджень Дослідження впливу техногенного забруднення на стан глутатіонової системи у деревних рослин A. platanoidesта A. pseudoplatanus проводили на чотирьох пробних ділянкахконтрольній та трьох дослідних, розміщених на урбатехногенних територіях м. Дніпропетровськ:

№ 1 -умовно чиста зона — Ботанічний сад Дніпропетровського національного університету імені Олеся Гончара, де, за даними міської санепідемстанції, концентрації забруднювачів не перевищують ГДК;

№ 2 -зелена зона, розташована на території, прилеглій до пр. Кірова з інтенсивним автомобільним рухом, який є джерелом важких металів.

№ 3 -штучний фітоценоз, прилеглий до вул. Героїв Сталінграду з інтенсивним автомобільним рухом і забруднений важкими металами.

№ 4 -зелена зона ВАТ «Інтерпайп Нижньодніпровський трубопрокатний завод» і ВАТ «Дніпрометиз», яка прилягає допр. Правди з інтенсивним автомобільним рухом. Основні забруднювачі - токсичні гази та важкі метали. Лісорослинні умови, характеристики деревостану, структура і склад насаджень в дослідній і контрольній зонах були подібними.

Необхідно підкреслити, що в умовах степової зони лісова рослинність зустрічається дуже рідко внаслідок географічної невідповідності лісів умовам існування. Природні ліси у степу приурочені, головним чином, до балок і долин річок, де краща зволоженість ґрунтів та менша їх мінералізованість. Штучні ж ліси знаходяться не лише в умовах географічної, але часто й екологічної невідповідності біогеоценозів, що створюються, умовам їх існування.

Не зважаючи на це, створення лісів у межах степової зони України можливе за правильного підбору лісоутворювальних порід, які б підходили до конкретних умов середовища існування, в результаті чого покращуються рослинні умови на користь лісу і тоді він перебуває в умовах своєї екологічної відповідності. Географічна ж невідповідність спостерігається лише в надто посушливі роки, коли кількість опадів різко зменшується, а рівень ґрунтових вод знижується.

Більша частина лісів Дніпропетровської області має штучне походження і виконує санітарно-гігієнічні, захисні, водой ґрунтово-охоронні та інші функції. Штучних лісонасаджень в області понад 125 тис. га, з них понад 50 тис. га належать до санітарно-гігієнічних і оздоровчих: це міські ліси, зелені зони навколо населених пунктів, джерел водопостачання, лікувальних закладів, промислових підприємств у межах санітарно-захисних зон.

Кліматичні умови фізико-географічного району недостатньо сприятливі для вирощування багатьох деревно-чагарникових і трав’янистих рослин з інших флористичних областей. Клімат району характеризується як помірно континентальний, посушливий. Середня температура найбільш холодного місяця (січня) становить -5,7 °С. Середній річний температурний мінімум, що визначає стан зимівлі багатьох теплолюбних рослин, становить −23…−25 °С, а абсолютний мінімум досягає -38 °С. Зима малосніжна, періоди морозів чергуються із тривалими відлигами, які можуть спричинити несвоєчасне пробудження ростової активності, розпускання листових і квіткових бруньок рослин-інтродуцентів і ушкодження їх морозами. Відзначаються осінні й весняні заморозки, які згубно впливають на деякі рослини, особливо молоді. Літо: спекотне, часті суховії. Середня температура найтеплішого місяця (липня) становить +22 °С, максимальна досягає +37…+40 °С. За рік у середньому випадає 410−490 мм опадів, при цьому на теплий період року припадає до 65% загальної кількості опадів (300−350 мм), найчастіше у вигляді короткочасних злив. В окремі роки тривалий бездощовий період супроводжується повітряною посухою, що нерідко призводить до ґрунтової посухи.

За даними клімадіаграм, наведених на рис. 3.1, в період проведення дослідження спостерігалося істотне підвищення температури атмосферного повітря навесні і на початку літа та суттєве зниження температури у вересні - жовтні порівняно зі спостереженнями клімату в період з 1991 по 2014 рр., а саме — відхилення від норм в межах від -5,4°С до + 3,0°С (залежно від місяця), що значно вплинуло на стан глутатіонової системив насінні деревних рослин як у контрольній зоні, так і на дослідних ділянках. Кількість опадів у червні - липні та у вересні - жовтні різко зменшилась — на 28% порівняно з минулими роками.

А — температурна крива Б — крива змін кількості опадів Рис. 3.1. Клімадіаграми за даними метеоцентру м. Дніпропетровськ (2014 р.)

Таким чином, під час польового дослідження для існування рослин склалося екстремальне сполучення погодних умов — високих температур і значної посухи. Оскільки таке поєднання абіотичних факторів середовища спостерігалося і в районах пр. Кірова, вул. Героїв Сталінграду, пр. Правди м. Дніпропетровськ, а такожу районі Ботанічного саду ДНУ, всі відмінності в значеннях біохімічних показників між контрольними та дослідними рослинами зумовлені лише дією антропогенного навантаження.

4. Стан глутатіонової системи в насінні представників роду Acerl за дії антропогенного навантаження

4.1 Зміни вмісту глутатіону в насінні представників роду AcerL за умов антропогенного забруднення Стресорні впливи, яких зазнають деревні рослини, позначаються на властивостях насіння [83], зокрема активують у ньому клітинні захисні механізми. Глутатіон-залежна система за дії полютантів була активована у насінні гіркокаштану звичайного та деяких представників роду Acer. За толерантністю до висихання під час дозрівання насіння вищих рослин поділяють на ортодоксальне, яке висихає без утрати схожості [72], та рекальцитрантне, яке за низького вмісту вологи втрачає життєздатність і погано зберігається [76; 87]. Функціонування циклу глутатіону за впливу полютантів досліджували в насінні толерантного до висихання виду A. platanoidesта нетолерантного A. pseudoplatanus.

Як показали наші дослідження, за хронічної дії на рослини антропогенного забруднення вміст відновленого глутатіону в насінні A. platanoidesбув суттєво нижчим порівняно зі значенням цього показника у рослин умовно чистої зони (рис. 4.1.1). Найнижчий рівень глутатіону спостерігався у моніторинговій точці 4, де він складав 33,9% від контрольної величини. Дещо вище значення даного параметра встановлено для рослин ділянки № 2 (42,4% від контролю), а найменше зниження вмісту глутатіону в насінніA. Platanoides (48,8%) відзначено для моніторингової точки 3.

Аналіз рис. 4.2.2 свідчить про те, що в насінні A. pseudoplatanus за дії аерогенних полютантів виявлено збереження вмісту GSH порівняно з контролем (96,1% у моніторинговій точці 2) або навіть зростання кількості глутатіону в тканинах зародка, яке має місце у рослин ділянок 3 і 4 (на 17,8 та 45,1% відповідно відносно контрольного значення). Оскільки нетолерантне до висихання насіння при дозріванні зберігає високий рівень метаболічної активності [72; 73; 80; 86], то вплив полютантів, ймовірно, спричинив інтенсифікацію процесів накопичення GSH у насінні A. pseudoplatanus.

Рис. 4.1.1. Вплив антропогенного забруднення на вміст відновленого глутатіону (GSH, мкг/г сирої ваги) в насінні A. platanoides. Моніторингові точки:№ 1 — контроль, № 2 -пр. Кирова, № 3-вул. Г. Сталінграду, № 4-пр. Правди Як видно з рис. 4.1.1−4.1.2, насіннядосліджених нами видів кленів значно різниться за вмістом GSH. Так, в умовах чистої зони концентрація глутатіону в насінні A. platanoidesв 6,9 разів перевищувала значення цього показника уA. pseudoplatanus. Відомо [16;75;80], що толерантність насіння до висихання обумовлюється більш високим рівнем антиоксидантів, тому різниця вмісту GSH вказує на участь відновленого глутатіону у реалізації двома видамикленів різних екологічних стратегій збереження насіння після дозрівання й опадання з материнських рослин.

Однак в забруднених зонах (додаток 1) у цих деревних порід спостерігалися протилежні тенденції в накопиченні глутатіону в тканинах насіння: у першого виду вміст GSH за дії техногенезу падає, а у другого — зростає, або практично не змінюється. Оскільки рослини дослідних ділянок зазнають найбільшого впливу антропогенних забруднювачів, тканини їх вегетативних і генеративних органів повинні адаптуватися до підвищеного рівня окиснювальних речовин, які з’являються внаслідок інтенсифікації пероксидного окиснення ненасичених жирних кислот клітинних мембран. Зафіксований нами низький рівень глутатіону в насінні A. platanoides може свідчити про слабку стійкість цього виду до процесів деструкції, які виникаютьу тканинах насіння за дії аерополютантів.Збільшення ж вмісту антиоксиданту в насінні A. pseudoplatanus, яке спостерігалося нами в моніторингових точках 3 і 4, ймовірно, пов’язане з підвищенням антиоксидантного захисту клітин до дії забруднювальних речовин, оскільки відновлений глутатіон є стабілізатором окисно-відновного гомеостазу клітин і рослинного організму в цілому та показником його відновлювальної та загально-фізіологічної активності.

Рис. 4.1.2. Вплив антропогенного забруднення на вміст відновленого глутатіону (GSH, мкг/г сирої ваги) в насінні A. pseudoplatanus. Моніторингові точки: № 1 — контроль, № 2 — пр. Кирова, № 3 — вул. Г. Сталінграду, № 4 — пр. Правди Таким чином, за дії аерополютантів вміст глутатіону в насінні A. platanoidesзначно знижується в усіх моніторингових точках, що свідчить про чутливість цього виду до забруднення важкими металами та токсичними газами.

4.2 Стан активності глутатіон-редуктази у насінні A. pseudoplatanusта A. platanoides за впливу антропогенного забруднення

Глутатіон-редуктаза — широко поширений флавоновий фермент, який підтримує високу внутрішньоклітинну концентрацію відновленої форми глутатіону. Здатність рослинних організмів до активації процесів відновлення окисненого глутатіону відіграє важливу роль у процесах підтримання пулу відновленого глутатіону та функціонування всього глутатіонового циклу за дії різних чинників.

Підвищення вмісту GSH обумовлено індукцією процесу його біосинтезу або відновлення окисленого глутатіону за участю GR. За контрольних умов активність GR у насінні A. platanoides в 1,5 рази перевищувала рівень активності ферменту у насінні A. pseudoplatanus (додаток 2), що узгоджується із закономірністю, встановленою для вмісту GSH у насінні двох видів.

Рис. 4.2.1. Вплив антропогенного забруднення на активність глутатіон-редуктази (GR, нкатал/г сирої ваги) в насінні A. platanoides. Моніторингові точки: № 1 — контроль, № 2 — пр. Кирова, № 3 — вул. Г. Сталінграду, № 4 — пр. Правди

Як видно з рис. 4.2.1, вплив полютантів спричинив зниження активності GR у насінні A. platanoides на 22−50% від контролю. Таке уповільнення процесу відновлення окисленого глутатіону супроводжувалось зниженням вмісту GSH.

Рис. 4.2.2. Вплив антропогенного забруднення на активність глутатіон-редуктази (GR, нкатал/г сирої ваги) в насінні A. pseudoplatanus. Моніторингові точки: № 1 — контроль, № 2 — пр. Кирова, № 3 — вул. Г. Сталінграду, № 4 — пр. Правди Навпроти, у насінні A. pseudoplatanus за дії полютантів активність GR зростала на 15−47% від контролю, що забезпечило зростання вмісту GSH. Отже, індукована полютантами активність GR у насінні A. pseudoplatanus перевищувала показники дляA. platanoides в 1,6−1,9 рази.

Таким чином, отримані нами результати свідчили про стимуляцію активності глутатіон-редуктази внасіні клену гостролистого та клену псевдоплатанового із антропогенно забруднених територій міста. Рівень ферментативної активності був різним на дослідних ділянках, які знаходились у різних районах міста. Забрудненість середовища на дослідних ділянках носила комплексний характер і визначалась як промисловими викидами, так і викидами автотранспорту.

4.3 Зміни активності глутатіон пероксидази у насінні A. Pseudoplatanusта A. platanoides за впливу антропогенного забруднення Глутатіон-пероксидази — ферменти, які у рослинних клітинах відновлюють пероксид водню та низькомолекулярні органічні пероксиди за рахунок окиснення відновленого глутатіону. Ензим є дуже чутливим навіть до низьких концентрацій пероксиду водню, тому його активація свідчить про процеси знешкодження токсиканту.

Активність GPX за контрольних умов у насінні A. pseudoplatanusв 2,3 рази перевищувала показник для A. platanoides (рис. 4.3.1−4.3.2, додаток 3).

Рис. 4.3.1. Вплив антропогенного забруднення на активність глутатіон-пероксидази (GРХ, нкатал/г сирої ваги) в насінні A. platanoides. Моніторингові точки: № 1 — контроль, № 2 — пр. Кирова, № 3 — вул. Г. Сталінграду, № 4 — пр. Правди Відомо, що функціонування глутатіон-пероксидази забезпечує знешкодження перекису водню, накопичення якого у рослинних клітинах викликає токсичний ефект. При цьому слід зазначити, що глутатіон-пероксидаза дуже специфічна до перекису водню, і реагує навіть на його незначні кількості у рослинах. Крім того, цей фермент бере участь у знешкодженні органічних пероксидів, накопичення яких є наслідком окисного стресу рослинних клітин.

При дослідженні глутатіон-пераксидази у насінні A. pseudoplatanus та A. platanoides було з`ясовоно, що активність GPX за контрольних умов у насінні A. pseudoplatanus в 2,3 рази перевищувала цей показник для A. platanoides. Активність GPX у насінні A. platanoides на забруднених моніторингових точках була наближена до контрольного рівня, що вказувало на відсутність змін у процесах відновлення пероксидів за участю GPX.

Рис. 4.3.2. Вплив антропогенного забруднення на активність глутатіон-пероксидази (GРХ, нкатал/г сирої ваги) в насінні A. pseudoplatanus. Моніторингові точки: № 1 — контроль, № 2 — пр. Кирова, № 3 — вул. Г. Сталінграду, № 4 — пр. Правди Активність GPX у насінні A. platanoidesу моніторингових точках була наближена до контрольного рівня, що вказувало на відсутність змін у процесах відновлення пероксидів за участю GPX. У той же час у насінні A. pseudoplatanus із забруднених зон активність GPX на 98−179% перебільшувала контрольний рівень, що свідчить про значну інтенсифікацію процесів антиоксидантного захисту в насінні.

4.4 Активність глутатіону-S-трансферази у насінні A. pseudoplatanus та A. platanoides за впливу антропогенного забруднення Відомо, що стійкість рослинних організмів до несприятливих чинників середовища, у тому числі до антропогенного забруднення, визначається комплексом фізіолого-біохімічних властивостей рослин [60; 68], які забезпечують як знешкодження токсикантів, так і відновлення клітинного гомеостазу після стресового впливу.

У рослинних клітинах функціонують складні та багатокомпонентні системи знешкодження токсичних молекул, яке відбувається у декілька етапів. На одному з внутрішньоклітинних шляхів детоксикації завдяки ферменту глутатіон-S-трансферазі до молекули токсиканта приєднується відновлений глутатіон, після чого такий кон’югат переноситься у вакуолю і там блокується.

Відтак, високий вихідний рівень активності глутатіон-S-трансферази або ж збільшення її активності під впливом чинників свідчать про здатність рослинного організму до знешкодження токсикантів і пристосування до умов середовища.

Установлено, що активність GST у насінні A. pseudoplatanusв умовах контрольної зони у 5,1 рази перевищувала цей показник для A. platanoides (рис. 4.4.1−4.4.2). У насінні обох видів кленів із забруднених точок активність GST значно перевищувала контрольний рівень, що вказує на посилення процесів метаболічної деградації полютантів у клітинах насіння. Пояснення може полягати у тому, що глутатіон-S-трансферази — це велика родина ферментів, для яких існує понад 3000 субстратів, кожен з яких здатен індукувати зростання глутатіон-трансферазної активності. При цьому може відбуватися експресія синтезу як існуючих молекулярних форм ферменту, так і нових.

Відомо, що у рослинних клітинах глутатіон-S-трансферази здійснюють знешкодження токсикантів, які належать до найрізноманітніших хімічних класів [30], і рівень активності ферменту має дозові залежності, принаймні за дії важких металів.

Рис. 4.4.1. Вплив антропогенного забруднення на активністьглутатіон-S-трансферази (GSТ, нкатал/г сирої ваги) в насінні A. platanoides. Моніторингові точки: № 1 — контроль, № 2 — пр. Кирова, № 3 — вул. Г. Сталінграду, № 4 — пр. Правди Рис. 4.4.2. Вплив антропогенного забруднення на активність глутатіон-S-трансферази (GSТ, нкатал/г сирої ваги) в насінні A. pseudoplatanus. Моніторингові точки: № 1 — контроль, № 2 — пр. Кирова, № 3 — вул. Г. Сталінграду, № 4 — пр. Правди

Отже, перебіг реакцій за участю GPX та GST передбачає витрати пулу GSH, внаслідок чого у насінні A. platanoides контрольний рівень відновленого глутатіону за дії полютантів помітно знижувався, як і активність GR. У той же час у насінні A. pseudoplatanus з низьким контрольним рівнем GSH за дії полютантів було активовано процес відновлення окисненого глутатіону за участю GR.

Вказані закономірності підтверджує кореляційний аналіз індукованих полютантами метаболічних змін, який виявив позитивний зв’язок вмісту GSH з активністю GR (r=0,94) та негативну кореляцію з активністю GST (r= - 0,96) у насінні A. platanoides. У насінні ж A. Pseudoplatanus виявлено позитивну кореляцію змін вмісту GSH з активністю GST (r=0,88) та GPX (r = 0,79).

Таким чином, нами установлено видову специфічність рівня накопичення глутатіону та глутатіон-залежних ферментів у насінні деревних рослин як в умовно чистому фітоценозі, так і в антропогенно забруднених штучних лісових екосистемах. У насінні з обома типами толерантності виявлено активацію процесів метаболічного знешкодження полютантів. Відзначені закономірності вказують на ключову роль циклу глутатіону в системі реакцій на вплив полютантів у контрастних за толерантністю до висихання типів насіння та на його участь у реалізації різних стратегій адаптації A. platanoides і A. pseudoplatanus до умов антропогенного забруднення середовища.

Висновки

1. Установлено видову специфічність рівня накопичення глутатіону та глутатіон-залежних ферментів у насінні представників роду Acer як в умовно чистому фітоценозі, так і в антропогенно забруднених штучних лісових екосистемах. Встановлені закономірності вказують на ключову роль циклу глутатіону в системі реакцій на вплив полютантів у контрастних за толерантністю до висихання типів насіння та на його участь у реалізації різних стратегій адаптації A. platanoides і A. pseudoplatanus до умов антропогенного забруднення.

2. За дії аерополютантів вміст глутатіону в насінні A. platanoides значно знижується в усіх моніторингових точках, що свідчить про чутливість цього виду до забруднення важкими металами та токсичними газами. Підвищення кількості GSH у насінні A. pseudoplatanus порівняно з контролем є адаптивною реакцією рослин цього виду до умов антропогенного навантаження.

3. В умовах хронічної дії полікомпонентного забруднення середовища на досліджені види кленів активність глутатіон-редуктази в насінні A. platanoidesзначно зменшується, а у A. pseudoplatanus — суттєво зростає порівняно зі значенням цього показника у рослин умовно чистої зони, що свідчить про інтенсифікацію процесів антиоксидантного захисту в тканинах насіння цієї деревної породи.

4. Важкі метали (залізо, манган, цинк, ртуть, хром) та токсичні гази (SO₂, NO₂) викликають підвищення активності глутатіон-пероксидази в насінні стійкого до полютантів виду A. pseudoplatanusв усіх моніторнгових точках. Активність ферменту в насінні чутливого виду A. Platanoides зростає лише в моніторинговій точці 2, у рослин інших дослідних ділянок практично не змінюється відносно контрольного рівня GR.

5. Виявлено посилення каталітичної активності глутатіон-S-трансферази у насінні A. platanoidesі A. pseudoplatanusіз забруднених зонвідносно рівня активності ферменту у рослин контрольної ділянки, що відображає активацію внутрішньоклітинних процесів знешкодження молекул токсикантів за участю GST.

6. На основі отриманих результатів нами запропоновано декілька чутливих біохімічних показників насіння представників роду Acer, які можна використовувати як інформативні тест-параметри для фітоіндикації забруднення навколишнього середовища токсичними газами та важкими металами, а також стану рослинності у промисловій зоні міста: вміст глутатіону і активність глутатіон-редуктази (тест-об'єкт A. platanoides).

рослина глутатіон фермент насіння

Перелік посилань

1. Алексеев В. А. Особенности описания древостоев в условиях атмосферного загрязнения//Взаимодействие лесных экосистем и атмосферных загрязнителей. Ч.1. — Таллин: АН ЭССР, 1982. — с. 97−115.

2. Алексеев Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. — Л.: Агропромиздат, 1987. — 142 с.

3. Анисимова Г. М., Лянгузова И. В., Шамров И. И. Влияние условий загрязнения окружающей среды на репродукцию расстений // Эмбиология цветковых расстений. Терминология и концепции. Т. 3. / Под ред. Батыгиной Т. Б. — СПб.: Мир и семья, 2000. — С. 532−536.

4. Антипов, В.Г. Стійкість деревних рослин до промислових газів / В. Г. Антипов. — Мінськ: Наука і техніка, 1979 — 216 с.

5. Арманд А. Д., Ведюшкин М. А., Тарко А. М. Модель воздействияпромышленныхзагрязнений на лесной биоценоз//Влияниепромышленных предприятий на окружающую среду.- М.: Наука, 1987. С.291−296.

6. Безель В. С., Жуйкова Т. В. Химическое загрязнение среды: участие травянистой растительности в биогенных циклах химических элементов // Экология. 2007. № 4. С. 259 — 267.

7. Беляева Л. В., Николаевский B.C. Биоиндикация загрязнения атмосферного воздуха и состояние древесных растений // Научные труды Московского лесотехнического института. — 1989. — Вып. 222. — С. 36−47.

8. Белякова Т. М., Гусейнов А. Н. Техногенное изменениесухостепных ландшафтовпод влиянием предприятий черной и цветной металлургии// Влияние промышленных предприятий на окружающую среду. — М.: Наука, 1987. — с.119−127.

9. Бессонова В. П. Методи фіто індикації в оцінці екологічного стану довкілля: Навч. посібник. — Запоріжжя: ЗДУ, 2001. — 196 с.

10. Бессонова В. П. Пасивний моніторинг забруднення середовища важкими металами з використанням рослин // Український ботанічний журнал. — 1991. — Т. 48, № 2. — C. 77−80.

11. Бессонова В. П., Юсыпива Т. И. Семенное возобновление древесных растений и промышленные поллютанты (SO2 и NO2). — Запорожье: ЗГУ, 2001. — 193 с.

12. Войчик М. Физиологические и ультраструктурные ответы растений арабидопсиса на избыток меди и изменение уровня восстановленного глутатиона [Текст] /М. Войчик, Б. Павликовская-Павлега, А. Тукиендорф // Физиология растений. — 2009. — Т. 56, № 6. — С. 906−916.

13. Гетко Н. В. Структурные и функциональные особенности ассимиляционного аппарата растений в техногенных условиях: Автореф. дис.. докт. биол. наук. Свердловск, 1991. — 42 с.

14. Глотов Н. В., Животовский Л. А., Хованов Н. Н., Хромов-Борисов Н. Н. Биометрия. — Л.: Ленинградский ун-т, 1982. — 263 с.

15. Грицай З. В. Биоэкологические исследовани генеративного развити представителей рода Acer в услових промышленного загрзнени (приоритетные загрзнители SO₂ и NO₂). — Дис… канд. биол. наук. — Днепропетровск, 1997. — 224с.

16. Грицай З. В. Динамика содержания аскорбиновой кислоты и глутатиона в семенах и околоплодниках представителей видаAcer в условиях промышленных эмиссий / З. В. Грицай // Деп. в ГНТБ Украины, № 2112 УК — 95, 1995. — 11 с.

17. Гришко В. Н., Сыщиков Д. В. К методике определения содержания тиоловых групп (восстановленной формы глутатиона) в растениях // Вісник Дніпропетровського університету. Серія Біологія. Екологія. — 2002. — Вип. 10, Т. 1. — С. 190−193.

18. Гришко В. Н., Сыщиков Д. В. Функционирование глутатионзависимой антиоксидантной системы и устойчивость растений при действии тяжелых металлов и фтора. — К.: Наукова думка, 2012. 239 с.

19. Гуральчук Ж. З. Механизмы устойчивости растений к тяжелым металлам // Физиология и биохимия культ. растений. — 1994. — Т. 26, № 2. — С. 107−117.

20. Гудвин Т., Мерсер Э.

Введение

в биохимию растений, т.1. — М.: Мир, 1986. — С. 387

21. Долгова Л. Г. Вміст глутатіону відновленого як показник стійкості рослин-інтродуцентів роду Rosaceaea [Текст] / Л. Г. Долгова, М. В. Самойлова // Вісник Дніпропетровського національного університету. Біологія. Екологія. — 2009. — Вип. 17, том 2. — С. 41−45.

22. Диксон М., Уэбб Э. Ферменты, т.1. — М.: Мир, 1982. — С. 331−333, 292−294

23. Дурмишидзе, С. В. Биотрасформация ксенобиотиков в растениях [Текст] / С. В. Дурмишидзе, Т. В. Девдариани, Х. А. Кахниашвили. — АН ГССР, Институт биохимии растений. — Тбилиси: Мецниереба, 1988. — 287 с.

24. Ильин В. Б. К оценке массопотока тяжелых металлов в системе почва — сельскохозяйственная культура // Агрохимия. — 2006. — № 3. — С. 52−65.

25. Ильинский А. В. Биологическая очистка почв, загрязненных тяжелыми металлами // Агрохим. вестн. — 2003. — № 5. — С. 30−32.

26. Илькун Г. М. Газоустойчивость растений. -К.: Наук. думка, 1971.-146 с

27. Schmieden U., Schneider S., Wild A. Glutathione status and glutathione reductase activity in spruce needles of healthy and damaged trees at two mountain sites // Environmental Pollution. 1993. Vol. 82, № 3. P. 239−244.

28. Sluchyk L. An estimation of the urban system’s mutagenic background using Populus berolinensis Dipp. // Visnik of L’viv Univ. Biology series. 2005. Vol. 39. P. 66−70.

29. Tweddle J.C., Dickie J.B., Baskin C.C., Baskin J.M. 2003. Ecological aspects of seed desiccation sensitivity. Journal of Ecology 91: 294−304.

30. Yadava S.K. Heavy metals toxicity in plants: An overview on the role of glutathione and phytochelatins in heavy metal stress tolerance of plants // South African Journal of Botany. — 2010. V. 76. Is. 2. — P. 167−179.

Додаток 1

Вміст відновленого глутатіону (мкг/г сирої ваги) у насінні рослин роду Acer

Примітка. * Розбіжності між вибірками достовірні при р?0,05

Додаток 2

Активність глутатіон-редуктази (GR, нкатал/г сирої ваги) у насінні рослин роду Acer

Примітка. * Розбіжності між вибірками достовірні при р?0,05

Додаток 3

Активність глутатіон-пероксидази (GРХ, нкатал/г сирої ваги) у насінні рослин роду Acer

Примітка. * Розбіжності між вибірками достовірні при р?0,05

Додаток 4

Активність глутатіон-S-трансферази (GST, нкатал/г сирої ваги) у насінні рослин роду Acer

Примітка. * Розбіжності між вибірками достовірні при р?0,05

Додаток 5

Середні концентрації забруднювачів (мг/м³)