Известно, что некоторые виды и генотипы обладают большой толерантностью к Zn и большой способностью к селективному поглощению его из почв. Таким образом, по данным Е. А. Софронова (2003), овёс концентрирует цинк и имеет значительные коэффициенты биоаккумуляции его в зерне (от 4.9 до 11.7) и соломе (в большинстве >1.0).
Изменения содержания Zn в среде роста обычно отражаются на составе растений, поэтому растения — хороший индикатор для биогеохимических исследований. Некоторые генотипы, растущие на богатых цинком почвах или в областях с большим его поступлением из атмосферы, могут накапливать экстремально высокие количества этого элемента без видимых симптомов токсикоза. Выносливые виды могут ослаблять действие избыточных концентраций Zn либо путем метаболической адаптации и комплексообразования, либо путем ограничения присутствия элемента в клетках, либо переводя его в нерастворимую форму в запасающих тканях (А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас, 1989).
Большинство растительных видов и генотипов обладает высокой толерантностью к избыточным количествам цинка. Обычные симптомы токсикоза Zn — хлороз, особенно у молодых листьев, и ослабление роста растений.
Цинк не считается сильно фитотоксичным. Предел токсичности Zn зависит как от видовой принадлежности и генотипа растения, так и от стадии развития. Например, есть данные, что 300 мг Zn на 1 кг почвы ядовиты для молодого ячменя, в то время как для овса в начале стадии кущения токсичны примерно 400 мг/кг. В тканях корней, где Zn иммобилизован в стенках клеток или связан в комплексы с неспособными к диффузии протеинами, его критические концентрации гораздо выше (А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас, 1989).
Ренджел (Rengel, цитировано по Alloway, 2004) суммировал различные возможные механизмы улучшения поглощения цинка и его перераспределения в растении:
1) большее равномерное распределение длинных, тонких корней (<0.2 мм в диаметре),
2) характеристические изменения в химии и биологии ризосферы, включая внушительное выделение хелатов – фитосидерофоров,
3) повышенное впитывание, приводящее к увеличению роста аккумуляции цинка,
4) более продуктивная утилизация и компартментализация цинка внутри клеток, тканей и органов, включение повышенной активности углеродной ангидразы и антиокислительных ферментов, поддержание сульфгидрильных групп в корневых клеточных мембранах в истощённом состоянии и различных моделях биосинтеза.
1.2.2 Железо
Железо один из важнейших микроэлементов растений. Оно способно формировать 6 координационных связей с атомами-донорами электронов, такими как азот и кислород (Marschner, 1997). Поэтому оно входит в состав активных центров многих металлопротеинов в виде различных простетических групп, включающих гем и Fe-Sкластеры. Наличие в растениях форм железа с различной валентностью объясняет его участие в основных окислительно-восстановительных реакциях, таких как фотосинтез и дыхание, в составе многих белков хлоропластных и митохондриальных электрон-транспортных цепей. Железо также вовлечено во многие ферментные реакции, необходимые для фиксации азота, синтеза ДНК и растительных гормонов (Briat, 2007).
Хлоропласты - основное место утилизации железа в растениях. В них сосредоточено до 80% от общего железа в листьях (Smith, 1984). В зеленых тканях арабидобсиса 70% от общего железа находится в хлоропластах, а 40% - в тилакоидах (Shikanaietal., 2003). Доказана необходимость железа для биосинтеза хлорофилла (Pushniketal., 1984). В фотосинтезе железо участвует, ассоциируясь с металлопротеинами, в электрон-транспортной цепи тилакоида. Эта ассоциация достигается посредством двух простетических групп: гема и железо-серного кластера.
В электрон-транспортных цепях принимает также участие ферредоксин, относится к группе Fe-Sбелков (Kapazoglouetal., 2002). В таких белках металл координирован в кластеры тиоловыми группами цистеина или неорганической серой. Биосинтез Fe-Sкластеров, как и биосинтез гема, осуществляется в пластидах и митохондриях растений (Briat, 2007). Ферредоксин - кислый гидрофильный белок, содержит два или четыре атома трехвалентного железа и четыре атома серы в качестве лигандов в расчете на один каталитический центр (Рубин, Кренделева, 2003). Ферредоксин - конечный акцептор и переносчик электронов в фотосинтетических электрон-транспортных цепях (Toshiharuetal., 2006). Он входит в состав ферредоксин-НАДФ-редуктазы - компонента электрон-транспортной цепи.
Ферредоксин может быть восстановителем для целого ряда биохимических процессов, не относящихся к фотосинтезу. Он вовлечен в реакции восстановления нитрата до нитрита и нитрита до аммония в составе ферредоксинзависимой нитрат- и нитритредуктаз (Toshiharuetal., 2006). Эти ферменты используют ферредоксин в качестве донора электрона. Впоследствии в цикле восстановления. катализируемом системой глутаминсинтаза - глутамин-оксоглутарат-аминотрансфераза, образуются аминокислоты, вовлекаемые в синтез белка. Электрон, поступающий с ферредоксина, может также участвовать в восстановлении сульфатов и кислорода (Рубин, Кренделева, 2003).
Железо входит в состав пероксидазы и каталазы, которые задействованы в трансформации пероксида водорода (Passardietal., 2005; Bartosz, 2005). В пероксидазе гемовая часть фермента играет роль активного центра, участвующего в разложении или активации пероксида водорода. Этот фермент катализирует окисление различных веществ (фенолов, ароматических кислот, нитритов) в присутствии пероксида водорода, действующего как акцептор водорода и превращающегося в воду в ходе такой химической реакции. Пероксидазы могут катализировать образование поперечных связей между фенольными компонентами клеточных стенок (Marschner, 1997). Реакции с участием пероксидаз ведут к образованию множества активных форм кислорода, способных влиять на активность различных процессов или участвовать в передаче сигналов (Passardietal., 2005).
Одна из форм аккумуляции железа в растении представлена ферритином, который представляет собой железо- и фосфорсодержащий пептид (Briat, Lobreaux, 1997). Ферритин аккумулируется главным образом в «бесцветных» пластидах, таких как этиопласты и амилопласты, в то время как в зрелых зеленых хлоропластах, где фотосинтетический процесс активен, его концентрация находится на низком уровне (Briat, 2007). Однако распределение железа в листьях зависит от стадия развития. Регулирование синтеза ферритина в к-ченис жизненною цикла подтверждено фактами увеличения его содержания в развивающихся и стареющих листьях (Briat, Lobreaux, 1997). В корнях ферритин может быть вовлечен в модулирование потока железа в верхние части растения через загрузку ксилемы с помощью не описанных в данное время транспортеров (Briat, 2007).
Железо вступает в реакции со свободными радикалами (Briat, 2002). Поэтому накопление и буферность соединений Fe- ключевые элементы защитных механизмов у живых организмов в борьбе с окислительным стрессом. Ферритины играют активную роль в этих механизмах, благодаря их способности запасать большое количество железа в безопасной форме (Harrison, Arosio, 1996).
Железо поступает в растение в основном в восстановленной форме Fe2+(может затем вновь окисляться до Fe3+) yрастений стратегии 1 (двудольные и незлаковые однодольные), либо в виде Fe3+-фитосидерофорного комплекса у растений стратегии II (злаки) (Hell, Stephan, 2003). Поступление в симпласт клеток сопровождается восстановлением Fe3+до Fe2+(Kim, Guerinot, 2007). Предполагают, что подвижность железа в корне зависит от его Fe3+-редуктазной способности, подавляемой при высоких значениях pH в апопласте (Kosegarten, Коуго, 2001). При такой реакции среды концентрация железа в апопласте может увеличиваться до 2000 мкг/г, главным образом за счет аккумуляции в форме Fe3+. Инактивация в апопласте эпидермальных клеток корней вследствие окисления железа может сопровождаться ослаблением его транспорта в побег. Увеличению pH апопласта способствуют повышенные концентрации бикарбоната, характерные для обогащенных карбонатами почв, а также поглощение растениями азота в форме нитрата (Kosegarten, Koyro, 2001).
Поглощенное корнями железо транспортируется в другие органы растения по ксилеме. Попадая в сосуды ксилемы, оно окисляется до Fe3+и далее передвигается в форме Fe-цитратного комплекса (Kochian, 1991, Lopez-Millanetal., 2000; Kim, Guerinot, 2007). В листьях комплексы железа восстанавливаются Fe-хелатредуктазами, связанными с плазматическими мембранами мезофилла (Lopez-Millanetal., 2000). Активность Fe-хелатредуктаз зависит от реакции среды (pH) апопласта, и может снижаться с увеличением значений pH. Этот процесс сопровождается снижением скорости поступления Fe2+ в симпласт и, как следствие, появлением у растений признаков хлороза.