В российских регионах с развитой промышленностью и сельскохозяйственным производством, существует опасность загрязнения агроэкосистем. Одними из основных и самых опасных загрязнителей экосистем являются тяжелые металлы (ТМ). Токсическое действие ТМ на растения обусловлено в первую очередь нарушением ионного гомеостаза, водного баланса, функционирования ферментных систем и цитоскелета, что приводит к множественным нарушениям метаболизма.

Растения ведут прикрепленный образ жизни, поэтому для выживания на почвах с повышенной концентрацией ТМ им необходимо развивать специализированные механизмы устойчивости. Внутриклеточные защитные механизмы широко изучаются и освещены в достаточном количестве обзоров [2,5]. В тоже время, внеклеточным механизмам защиты растений от ТМ уделяется значительно меньше внимания. Именно клеточная стенка является первой структурой растительной клетки, взаимодействующей с окружающей средой. В связи с этим ряд авторов считает, что именно клеточная стенка играет одну из ключевых ролей в защите растений от ТМ, обусловленную их высокой катионообменной способностью [1,3]

Другим механизмом защиты растений от ТМ является выделение корнями лигандов, связывающих металлы в почвенном растворе, таких как цитрат, малат, некоторые аминокислоты [4,6]. Несмотря на то, что имеется большое количество исследований о влиянии органических лигандов на накопление и доступность ТМ, тонкие механизмы этих явлений до сих пор не установлены.

В связи с этим целью данной работы было изучение влияния лигандов (гистидина и глутамина) на адсорбцию ионов меди клеточными стенками растений вики посевной (Vicia sativa L.).

В данной работе проведено сравнительное исследование поглощения ионов меди корнями транспирирующих растений и изолированными из корней и побегов клеточными стенками (КС) при разных концентрациях гистидина или глутамина в присутствии 10 и 100 мкМ меди в среде. В опытах с гистидином (His) использовались концентрации 0,5 мМ и 1 мМ, с глутамином (Gln) – 1 мМ и 5 мМ. В соответствии с результатами, с увеличением концентрации Cu2+ в растворе выращивания, её содержание в корнях и побегах так же росло. Эффекты His и Gln выражаются в снижении поступления металла в растение. 1 мМ His, в присутствии 100 мкМ меди в среде, достоверно снижает поступление металла в корень в 4,3 раза. Максимальная концентрация Gln (5 мМ) в присутствии 100 мкМ металла снижение составило 86,6% по отношению к варианту без лиганда.

В случае с изолированными клеточными стенками наблюдалась схожая тенденция к увеличению сорбции металла по мере увеличения концентрации меди в среде. В условиях 10 мкМ меди His не оказывал влияния на адсорбцию меди КС корней. Добавление 5 mM Gln, в свою очередь, усиливало адсорбцию меди на 13% по отношению к варианту без лиганда. В присутствии 100 mkM меди в среде, добавление аминокислот снижало адсорбцию на 16% в вариантах с Gln и на 25% в вариантах с 1 мМ His, гистидин 0.5 mM не оказывал влияния. В случае с клеточной стенкой побегов, лиганды не оказывали влияние на адсорбцию ионов меди в расчете на грамм сухой массы побега.

При обработке растворами CuCl2 концентрации 10 мкМ и в отсутствии лигандов, КС корней адсорбирует в 2 раза больше ионов металла, чем поглощается транспирирующим растением. По мере увеличение концентрации лигандов в растворе разница между содержанием меди в корне и адсорбцией изолированной КС корня увеличивается. При максимальных концентрациях гистидина и глутамина адсорбция изолированными КС корней в 4,4 и в 13,4 раз больше внутренней концентрации меди в корнях опытных растений в расчете на грамм сухой массы корня

Таким образом, исследованные лиганды снижают поглощение меди интактными растениями. При этом не оказывая влияния на адсорбцию ионов меди изолированными КС корней, которая, в свою очередь, превосходит в несколько раз эндогенную концентрацию металла в опытных корнях. Полученные результаты дают основание полагать, что: 1) КС является основным местом депонирования ТМ в растении; 2) исследованные лиганды способствуют ограничению поглощения ионов меди транспирирующими растениями, не оказывая влияния на сорбционную способность клеточных стенок.

Список литературы:

1. Krzesłowska M. The cell wall in plant cell response to trace metals: polysaccharide remodeling and its role in defense strategy // Acta Physiologiae Plantarum. 2011. Vol. 33. P. 35–51.

2. Migocka M, Malas K. Plant Responses to Copper: Molecular and Regulatory Mechanisms of Copper Uptake, Distribution and Accumulation in Plants. In: Hossain MA, Kamiya T, Burritt DJ, Phan Tran L-S, Fujiwara T, Plant Micronutrient Use Efficiency. Academic Press, 2018, Pages 71-86, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-812104-7.00005-8.

3. Meychik N., Nikolaeva Yu., Kushunina M. 2021. The significance of ion-exchange properties of plant root cell walls for nutrient and water uptake by plants. Plant Physiology and Biochemistry 166: 140-147. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2021.05.048

4. Tsednee M, Yang SC, Lee DC, Yeh KC. Root-secreted nicotianamine from Arabidopsis halleri facilitates zinc hypertolerance by regulating zinc bioavailability. Plant Physiol. 2014 Oct;166(2):839-52. doi: 10.1104/pp.114.241224

5. Viehweger, K. (2014) How plants cope with heavy metals. Botanical Studies, 55, 35.

6. Yang Y.-Y., Jung J.-Y., Song W.-Y., Suh H.-S., Lee Y. 2000a. Identification of rice varieties with high tolerance or sensitivity to lead and characterization of the mechanism of tolerance. Plant Physiology 124: 1019–1026. https://doi.org/10.1104/pp.124.3.1019

Russian regions with developed industry and agricultural production are in danger of agroecosystem pollution. The usual and most dangerous pollutants of ecosystems are heavy metals (HM). The toxic effect of HMs on plants is primarily due to the disruption of ion homeostasis, water balance, the functioning of enzyme systems and the cytoskeleton, which leads to multiple metabolic disorders.

Because of its lifestyle, to survive on soil with high metal concentrations, plants have to develop several specialized resistance mechanisms. Intracellular defence mechanisms are widely studied and covered in a sufficient number of reviews [2,5]. At the same time, much less attention is given to the extracellular mechanisms of plant defence against HMs. The cell wall is the first structure of the plant cell interacting with the environment. In this regard, several authors believe that cell wall plays key roles in protecting plants from HMs, due to their high cation exchange capacity [1,3].

Another mechanism of plant defence against HMs is the release of root exudates containing ligands, which can chelate metals in soil solution, such as citrate, malate, and some amino acids [4,6]. Although there are numerous studies on the effect of organic ligands on the accumulation and availability of HMs, the subtle mechanisms of these phenomena have not yet been established.

In this regard, the purpose of this work is to study the effect of ligands (histidine and glutamine) on the adsorption of copper ions by the cell walls of plants of vetch (Vicia sativa L.).

In this work, a comparative study of the absorption of copper ions by the roots of intact plants and cell walls (CW) isolated from roots and shoots at different concentrations of histidine (His) or glutamine (Gln) in the presence of 10 and 100 µM copper in the solution was carried out. In experiments with His, concentrations of 0.5 mM and 1 mM were used; glutamine Gln concentrations of 1 mM and 5 mM were used. According to the results, with an increase in the concentration of Cu2+ in the growing solution, its content in the roots and shoots also increased. His and Gln decreased the intake of metal into the plant. 1 mM His, in the presence of 100 μM copper, significantly reduces the supply of metal to the root by 4.3 times. 5 mM Gln in the presence of 100 μM of the metal decreased by 86.6% to the variant without the ligand.

In the case of isolated cell walls, a similar tendency was observed to increase metal sorption as the concentration of copper in the medium increased. Under conditions of 10 µM copper, His did not affect the adsorption of copper by root CW. The addition of 5 mM Gln, on the contrary, increased copper adsorption by 13% relative to the ligand-free variant. In the presence of 100 mM copper in the solution, the addition of amino acids reduced adsorption by 16% in the variants with Gln and by 25% in the variants with 1 mM His, 0.5 mM His had no effect. In the case of the cell wall of the shoots, the ligands did not affect the adsorption of copper ions per gram dry weight of the shoot.

When treated with solutions of CuCl2 at a concentration of 10 μM and in the absence of ligands, the root CW adsorbs 2 times more metal ions than is absorbed by the transpiring plant. As the concentration of ligands in the solution increases, the difference between the copper content in the root and the adsorption of isolated root CW increases. At the maximum concentration of His and Gln, the adsorption of CW is 4.4 and 13.4 times higher than the internal concentration of copper in the roots of experimental plants per gram of root dry weight.

Thus, the studied ligands reduce the uptake of copper by intact plants. At the same time, it does not affect the adsorption of copper ions by isolated root CW, which, in turn, exceeds by several times the endogenous concentration of the metal in the experimental roots. The obtained results give grounds to believe that: 1) CW is the main site of HM deposition in the plant; 2) the studied ligands limit the intake of copper ions by intact plants without affecting the adsorption capacity of cell walls.

References:

1. Krzesłowska M. The cell wall in plant cell response to trace metals: polysaccharide remodeling and its role in defense strategy // Acta Physiologiae Plantarum. 2011. Vol. 33. P. 35–51.

2. Migocka M, Malas K. Plant Responses to Copper: Molecular and Regulatory Mechanisms of Copper Uptake, Distribution and Accumulation in Plants. In: Hossain MA, Kamiya T, Burritt DJ, Phan Tran L-S, Fujiwara T, Plant Micronutrient Use Efficiency. Academic Press, 2018, Pages 71-86, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-812104-7.00005-8.

3. Meychik N., Nikolaeva Yu., Kushunina M. 2021. The significance of ion-exchange properties of plant root cell walls for nutrient and water uptake by plants. Plant Physiology and Biochemistry 166: 140-147. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2021.05.048

4. Tsednee M, Yang SC, Lee DC, Yeh KC. Root-secreted nicotianamine from Arabidopsis halleri facilitates zinc hypertolerance by regulating zinc bioavailability. Plant Physiol. 2014 Oct;166(2):839-52. doi: 10.1104/pp.114.241224

5. Viehweger, K. (2014) How plants cope with heavy metals. Botanical Studies, 55, 35.

6. Yang Y.-Y., Jung J.-Y., Song W.-Y., Suh H.-S., Lee Y. 2000a. Identification of rice varieties with high tolerance or sensitivity to lead and characterization of the mechanism of tolerance. Plant Physiology 124: 1019–1026. https://doi.org/10.1104/pp.124.3.1019