Изучение действия тяжелых металлов на вакуолярную мембрану Beta vulgaris L.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-26-00208

НазваниеИзучение действия тяжелых металлов на вакуолярную мембрану Beta vulgaris L.

Руководитель Спиридонова Екатерина Владимировна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук , Иркутская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-102 - Агрономия

Ключевые слова Вакуоль, протонные помпы, транспорт, липиды, фиторемедиация, медь, свинец, стресс, регуляция

Код ГРНТИ34.15.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время, решением проблемы устойчивости растений к действию тяжелых металлов занимаются многие ученых разных стран. Загрязнение тяжелыми металлами окружающей среды в результате протекания ряда природных процессов и антропогенного воздействия оказывает негативное влияние на рост и развитие растений. При возделывании сельскохозяйственных культур они напрямую влияют на качество продукции и в последствии на здоровье человека. Среди большого количества работ посвященных изучению этой проблемы часть связана с установлением механизмов регулирования транспортных систем на мембране вакуоли. Благодаря одной из своих функций эта органеллы способна изолировать сахара, органические кислоты и ионы солей. Белки переносчики осуществляют перенос ионов тяжелых металлов через вакуолярную мембрану, которые для работы используют энергию трансмембранного потенциала, генерируемого протонными помпами (Н(+)-АТФазой и Н(+)-пирофосфатазой). В настоящее время больше уделено внимание изучению действия кадмия и цинка. Роль других видов тяжелых металлов на функционирование транспортных систем и на липиды вакуолярной мембраны, пока недостаточно определена. Свинец является одним из основных тяжелых металлов, загрязняющих территории вокруг промышленных центров. В то время как поступление меди в почву и воду происходит в процессе использования пестицидов при возделывании сельскохозяйственных культур. Цель предстоящего исследования связана с изучением механизмов регуляторного действия свинца и меди на работу протонных помп и липидов вакуолярной мембраны. Для достижения поставленной цели будут изучены условия стресса, вызванного действием различных концентраций свинца и меди на разных уровнях организации растений (клеточные мембраны, ткани). Чтобы изучить реакцию протонных помп вакуолярной мембраны на действие тяжелых металлов будет проведено определение их гидролитической и транспортной активности. Как было показано ранее, работа транспортных систем напрямую зависит от липидного окружения. Для выявления изменений, вызванных в липидном составе вакуолярной мембраны будет проведено определение их общего содержания и состава жирных кислот. Полученные экспериментальные данные позволят оценить степень и механизмы воздействия ионов свинца и меди на функционирование Н(+)-АТФазы, Н(+)-пирофосфатазы и липидов вакуолярной мембраны. Кроме того, результаты проведенного исследования помогут внести вклад в разработку стратегий устойчивости растений к действию тяжелых металлов и улучшить, тем самым, методы фиторемедиации загрязненных территорий.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Спиридонова Е.В., Капустина И.С., Гурина В.В., Семёнова Н.В., Озолина Н.В. Изучение влияния ионов меди на состав фитостеринов вакуолярной мембраны Beta vulgaris L. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология., №1, том 14, с. 90-98 (год публикации - 2024)
10.21285/achb.902

2. Капустина И.С., Гурина В.В., Озолина Н.В., Спиридонова Е.В. Особенности жирнокислотного состава липидов вакуолярной мембраны в условиях стресса, вызванного медью Биологические мембраны, №3, том 41, с. 275-280 (год публикации - 2024)
10.31857/S0233475524030096

3. Капустина И.С., Спиридонова Е.В., Озолина Н.В., Третьякова А.В., Гурина В.В. Component composition of tonoplast sterol fractions under conditions of stress caused by copper ions Russian Journal of Plant Physiology, Vol. 71:95 (год публикации - 2024)
10.1134/S1021443724606062

4. Спиридонова Е.В., Гурина В.В., Озолина Н.В., Капустина И.С. H+-pyrophosphatase vacuolar membrane under lead ion-induced stress RUSSIAN JOURNAL OF PLANT PHYSIOLOGY, Vol. 71:172 (год публикации - 2024)
10.1134/S1021443724606888

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках проекта по изучению действия тяжелых металлов (ТМ) на вакуолярную мембрану Beta vulgaris L. проводилась работа по исследованию влияния ионов меди и свинца на разных уровнях организации растения. На уровне тканей, для характеристики стрессового воздействия, вызванного изучаемыми ТМ, определяли содержание АФК. Установлено, что в присутствии ионов меди (100 и 500 мкМ) и ионов свинца (1 и 2 мМ) отмечается увеличение генерации АФК, связанное с развитием условий окислительного стресса. На уровне вакуолярных мембран (тонопласта) проводилось изучение транспортной и гидролитической активности протонных помп (Н(+)-АТФазы и Н(+)-пирофосфатазы) и состава мембранных липидов. Н(+)-АТФаза и Н(+)-пирофосфатаза тонопласта генерируют электрохимический градиент, необходимый для работы белков переносчиков, которые осуществляют перенос ионов ТМ через вакуолярную мембрану. Показано, что концентрации ионов меди от 0,1 мкМ до 100 мкМ, включительно, не оказывают влияние на транспортную активность Н(+)-пирофосфатазы. Концентрации ионов меди свыше 500 мкМ ингибируют работу фермента. Изучение транспортной активности Н(+)-АТФазы показало стимулирование работы фермента в присутствии 1 и 2 мМ ионов меди на 22 и 106% соответственно, по сравнению с контролем. Таким образом, установлено, что только Н(+)-АТФаза задействована в процессах транспорта ионов меди через вакуолярную мембрану. Анализ транспортной активности Н(+)-АТФазы и Н(+)-пирофосфатазы в присутствии ионов свинца показал различия в работе ферментов. Показано, что Н(+)-пирофосфатаза значительно увеличивала свою активность в присутствии 1 мМ ионов свинца на 23,8% по сравнению с контролем. В то время как, транспортная активность Н(+)-АТФазы повышалась в присутствии ионов свинца в концентрации от 0,1 до 500 мкМ включительно. Максимальный уровень активности фермента отмечен при 1 мкМ ионов свинца, превышающий контрольные значения на 26,7%. Концентрации ионов свинца свыше 1 мМ приводит к ингибированию процессов транспорта обеих протонных помп. Полученные результаты указывают на участие обоих исследуемых ферментов в процессе транспорта ионов свинца через вакуолярную мембрану. Проведена оценка уровня гидролитической активности Н(+)-АТФазы в присутствии ионов меди и свинца. В условиях стресса, вызванного действием ионов меди отмечено увеличение уровня гидролиза субстрата в концентрациях ионов металла от 0,1 до 100 мкМ и 1 мМ. Максимального уровня активности АТФ-зависимый фермент достигал при 100 мкМ (на 47,8% больше контроля). Изучение влияния ионов свинца показало стимулирование активности Н(+)-АТФазы концентрациями металла от 200 мкМ. Сопоставление уровней транспортной и гидролитической активности Н(+)-АТФазы тонопласта показало различия в работе фермента, которое зависело от вида металла и его концентрации. Данное обстоятельство может быть связано с конформационными изменениями в структуре фермента, регулируя, таким образом, его работу. Кроме того, проводилось изучение качественного и количественного состава липидов тонопласта п присутствии ионов меди и свинца. Установлено, что качественный состав в присутствии изучаемых ТМ не изменяется. Однако, показано, изменения количественного содержания липидов. В ответ на действие ионов меди в концентрации 100 мкМ среди фосфолипидов (ФЛ), обнаружено высокое содержание фосфатидной кислоты (ФК), а в присутствии500 мкМ фосфатидилхолина (ФХ) и фосфатидилэтаноламина (ФЭ). В ответ на действие обеих концентраций ионов меди было установлено значительное повышение суммы гликолипидов (ГП). В составе нейтральных липидов (НЛ) при 100 мкМ ионов меди доминируют стерины (СТ) и свободные жирные кислоты (ЖК). Действие ионов свинца на липидный состав тонопласта проявилось в увеличении суммы ФЛ как при 1 мМ, так и при 2 мМ металла. В обоих вариантах опята доминировала ФК. В присутствии 2 мМ ионов свинца обнаружено увеличение содержания сфинголипидов (СЛ) и гликолипидов ( ГЛ).Среди НЛ в присутствии 1 мМ преобладают СТ. Таким образом, согласно полученным результатам, оба исследуемых металла на стадии начала развития условий окислительного стресса (100 мкМ для ионов меди и 1 мМ для ионов свинца) вызывают повышение общей суммы изученных липидов. Однако характер изменений по классам, определенных липидов, отличается. Повышение концентрации металлов до хорошо выраженных условий стресса (500 мкМ для ионов меди и 2 мМ для ионов свинца) приводит к снижению суммы всех определенных классов липидов по сравнению с началом стрессового воздействия.

Публикации