Метаболизм миуроэлементов в растениях

 

Известно, что различные  грибы способны накапливать высокие  концентрации легкорастворимых и/или  легколетучих элементов, таких, как  Hg, Se, Cd, Cu и Zn. Верхний критический уровень содержаний элемента равен наименьшей концентрации его в тканях, при которой возникают токсические эффекты. Макникол и Бекетт провели обработку большого числа опубликованных данных с целью оценки критических уровней по 30 элементам, из числа которых наиболее охвачены Al, As, Cd, Cu, Li, Mn, Ni, Se, Zn. Полученные этими авторами значения верхних критических уровней содержаний для каждого элемента  весьма непостоянны, что отражает, с одной стороны, влияние взаимодействия с другими элементами, а с другой – увеличение сопротивляемости растений к высоким содержаниям элементов в тканях.

 

Механизмы сопротивляемости растений действию микроэлементов были предметом многих детальных исследований, которые показали, что может наблюдаться  как высокоспецифичная, так и  групповая толерантность к металлам. Выделяются внешние факторы. Такие, как низкая растворимость и низкая подвижность катионов в окружающей корни растений среде, а также антагонистическое действие ионов металлов. Истинная толерантность, однако, связанна с внутренними факторами. Она не представляет собой некий единый механизм, а включает в себя несколько метаболических процессов:

 

селективное поглощение ионов;

 

пониженную проницаемость  мембран или другие различия в  их структуре и функциях;

 

иммобилизацию ионов в  корнях, листьях и семенах;

 

удаление ионов из метаболических процессов путём отложения (образования  запасов) в фиксированных и/или  нерастворимых формах в различных  органах и органеллах;

 

изменение характера метаболизма  – усиление  действия энзиматических систем, которые подвергаются ингибированию, возрастание содержания антагонистических метаболитов или восстановление метаболических цепей за счёт пропуска ингибированной позиции;

 

адаптацию к замещению  физиологического элемента токсичным в энзиме;

 

удаление ионов из растений при вымывании через листья, соковыделении, сбрасывании листьев и выделении через корни.

 

Некоторыми авторами приведены  доказательства того, что толерантные  растения могут стимулироваться  в своём развитии повышенным количеством  металлов, что свидетельствует об их физиологической потребности  в избытке определённых металлов по сравнению с основными генотипами или видами растений. Однако в физиологии толерантности к металлам многие моменты ещё не ясны. Устойчивость растений к повышенным содержаниям  микроэлементов и их способность  накапливать предельно высокие  концентрации микроэлементов могут  представлять большую опасность  для здоровья людей, так как допускают  проникновение загрязнений в  пищевые цепи.

 

 

 

Взаимодействие

 

 

 

Сбалансированность химического  состава живых организмов – основное условие их нормального роста  и развития. Взаимодействие химических элементов имеет такое же значение для физиологии растений, как явления  дефицита и токсичности. Взаимодействие между химическими может быть антагонистическим или синергическим, и его несбалансированные реакции могут служить причиной химических стрессов у растений.

 

Антагонизм возникает, когда  совместное физиологическое действие одного или более элементов меньше суммы действия элементов, взятых по отдельности, а синергизм – когда  совместное действие больше. Такие  взаимодействия можно связать со способностью одного элемента ингибировать или стимулировать поглощение других элементов растениями. Все эти реакции весьма переменчивы. Они могут происходить внутри клеток, на поверхности мембран, а также в среде, окружающей корни растений. Процессы взаимодействия контролируются многими факторами, и их механизмы ещё плохо изучены, хотя некоторые данные всё же меняются.

 

Взаимодействия между  макро- и микроэлементами, сведённые  в таблице 3, ясно показывают, что  Ca, P и Mg – главные антагонистические элементы в отношении поглощения и метаболизма многих микроэлементов. Однако для антагонистических пар элементов наблюдались иногда синергические эффекты, что связанно, вероятно, со специфическими реакциями у отдельных или видов растений.

 

Таблица 3.      Взаимодействие между макро- и микроэлементами  в растениях.

Макроэлемент 

Антагонизм с микроэлементами 

Синергизм

 

Ca 

Al, Ba, B, Be, Cd, Co, Cr, Cs, Cu, F, Fe, Li, Mn, Ni, Pb, Sr, Zn 

Cu, Mn, Zn

 

Mg 

Al, Be, Ba, Cr, Mn, F, Zn, Niа, Coа, Cuа, Feа 

Al, Zn

 

P 

Al, As, B, Be, Cd, Cr, Cu, F, Fe, Hg, Mo, Mn, Ni, Rb, Se, Si, Sr, Zn 

Al, B, Cu, F, Fe, Mo, Mn, Zn

 

K 

Al, B, Hg, Cd, Cr, F, Mn, Mo, Rb 

-

 

S 

As, Ba, Fe, Mo, Pb, Se 

Fб, Fe

 

N 

B, F, Сu 

B, Cu, Fe, Mo

 

Cl 

Br, I 

 

 

а Данные для микроорганизмов. б Совместное загрязнение вызывает существенные повреждения растений.

 

 

Антагонистические  эффекты  чаще всего реализуются двумя  способами: макрокомпонент может ингибировать поглощение микроэлемента, или, наоборот, микроэлемент ингибирует поглощение макрокомпонента. Эти реакции наблюдаются особенно часто для фосфатов, но были обнаружены также для других макрокомпонентов питания, потребление и метаболическая активность которых ингибировались  рядом элементов.

 

Для практического применения наиболее важно антагонистическое  действие Ca и Р на такие опасные для здоровья человека тяжёлые металлы, как Be, Cd, Pb и Ni. Примечательно, что, хотя антагонистическое действие свинца и кальция на многие микрокатионы и микроанионы часто рассматривается в литературе, об антагонистическом действии Mg на микроэлементы имеются только случайные работы.

 

Взаимодействия между  микроэлементами, наблюдающиеся в  самих растениях, также показывают насколько сложны эти процессы, так как они могут быть то антагонистическими, то синергическими. Иногда они проявляются в метаболизме более чем двух элементов. Наибольшее  число антагонистических реакций наблюдалось для Fe, Mn, Cu и Zn, которые, очевидно, являются ключевыми элементами в физиологии растений. Функции этих элементов связанны с процессами поглощения и с энзиматическими реакциями. Среди остальных микроэлементов в антагонистических отношениях к этой четвёрке часто оказываются Cr, Mo, и Se.

 

Синергическое взаимодействие между микроэлементами обычно не наблюдается. Синергизм Сd с такими микроэлементами, как Pb, Fe, и Ni, может быть артефактом, возникающим вследствие разрушения физиологических барьеров под действием стресса, вызванного избыточными концентрациями тяжёлых металлов. Кроме того, некоторые реакции, происходящие в среде, окружающей корни, и влияющие на потребление микроэлементов корнями, по-видимому, не связаны непосредственно с метаболическими взаимодействиями, однако эти два типа реакций нелегко различить.

 

 

 

Список использованной литературы

Краткая химическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1967.

Оганесян Э. Т. Руководство  по химии поступающим в вузы. М.: Высшая школа, 1991.

Советский энциклопедический  словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983.

Физический энциклопедический  словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983.

Химический энциклопедический  словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983.

Что мы знаем о химии? Под  ред. Ю. Н. Кукушкина. М.: Высшая школа, 1993.