Орлов Д.С. (отв. ред.) Гуминовые вещества в биосфере

Подождите немного. Документ загружается.

Методом гель-фильтрации установлено, что ГК, прошедшие через

слой минерала, имеют более высокие средние молекулярные массы, так

как максимумы элюации смещены в более высокомолекулярную

область. В электронном микроскопе видны глобулы ГК, находящиеся

раздельно на подложке со средним d 12,9 нм и на каолините — 12,0 нм.

О возможности межпакетного внедрения гумуса в кристаллическую

решетку монтмориллонита выяснено, что молекулы ГК ни в одном

случае из серии опытов (рН варьировали от 3,7 до 9) не проникали

между пакетами минерала. При использовании ФК зафиксировано

изменение rfooi на величину 0,03—0,07 нм в кислой среде (рН 1,5),

что несоизмеримо с размерами самих молекул. Это означает,

что внедрение молекул ФК в межпакетное пространство наб-

людается только в кислой среде, и не полностью молекул, а

лишь их отдельных фрагментов либо низкомолекулярных продуктов

их кислотного гидролиза.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ГУМИНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ

УДК 631. 411.4.001.2:576.3

А.И. Горовая

РОЛЬ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ

ГУМИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ

В АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ К ДЕЙСТВИЮ

ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ И ПЕСТИЦИДОВ

Растущий фон ионизирующей радиации и загрязнение окружающей

среды пестицидами и другими экотоксикантами, обладающими мута-

генным и канцерогенным действием, уже сейчас представляют опасность

для живых организмов и их потомства. В связи с этим весьма

актуальна проблема изучения механизмов действия загрязнителей

биосферы, а также изыскания и научного обоснования применения

экологически чистых природных соединений для защиты организмов

от повреждающего действия экотоксикантов. Перспективны в этом

отношении физиологически активные ГВ, которые, являясь компонен-

тами экосистем, могут иметь большое значение не только в улучшении

состояния отдельных организмов, но и в стабилизации нарушенных

биоценозов.

К настоящему времени достаточно хорошо исследованы генезис и

химический состав ГВ (Драгунов, 1980; Комиссаров, Логинов, 1981;

Орлов и др., 1985), их физиологическое действие и практические

аспекты применения (Христева и др., 1982а, б; Горовая, 1984; Алиев,

1988). Однако природа действия ГВ выяснена еще не полностью.

Согласно гипотезе Л.А. Христевой, физиологический эффект ГВ

обусловлен влиянием их на энергетический метаболизм клетки, что

ведет к активации процессов окислительного и фотосинтетического

фосфорилирования и усилению белоксинтезирующей системы. Другие

исследователи связывают физиологическую активность ГВ с парамаг-

нитными (Комиссаров, Логинов, 1981), электронно-донорно-акцептор-

ными (Бобырь, 1984) или мембранотропными (Баталкин и др., 1982;

Вахмистров и др., 1987) свойствами.

Учитывая определяющую роль внутриклеточных процессов в жизне-

деятельности и адаптации растений к антропогенным факторам,

С А.И. Горовая, 1993

144

главным является вскрытие молекулярных и клеточных механизмов

действия ГВ.

В опытах с различными сельскохозяйственными культурами уста-

новлено, что соли ГК (гуматы натрия, калия и аммония) независимо

от источников их получения (низинный торф Замглайского месторож-

дения, бурый уголь Александрийского бассейна, чернозем обыкно-

венный) в оптимальных концентрациях (50—100 мг/л) оказывают

достоверное стимулирующее действие, особенно в начальную фазу

развития. Наибольшая отзывчивость на ГП отмечалась у представи-

телей семейства пасленовых (томаты), средняя — у злаковых (пшеница,

ячмень, сорго, кукуруза) и низкая — у бобовых (горох) и масличных

(подсолнечник) культур. Кроме того, различные сорта и гибриды

имели также различную чувствительность к ним, а относительный

эффект у почвенных ГК был выше в сравнении с торфяными и

буроугольными (табл. 1). Следовательно, при использовании ГП в

сельском хозяйстве необходимо учитывать не только их свойства,

но и особенности почв и возделываемых культур.

Исследования физиологической активности ГВ в стрессовой ситуа-

ции показали, что они способствуют уменьшению лучевых и химичес-

ких поражений, 50%-ный уровень ингибирования устраняется и

полностью восстанавливается жизнедеятельность растений. По эффек-

тивности действия ГП не уступают витаминам группы В, РР, С и

АТФ (табл. 2), что подтверждает мысль о влиянии их на раститель-

ный организм через усиление системы энергетического обеспечения

клетки. Однако преимуществом ГВ является то, что их действие

реализуется на протяжении всего онтогенеза, включая урожай, и

проявляется в Fi.

Исследование клеточных механизмов наблюдаемых явлений показа-

ло, что как стимуляция, так и нормализация развития поврежденных

растений обусловлены влиянием ГВ на всю совокупность процессов

митотического цикла клеток меристематических тканей. В нормальных

условиях они в 1,5—1,8 раза увеличивают митотический индекс,

не снижая при этом высоких значений пролиферативного пула и не

изменяя нормального распределения клеток по фазам митоза. При

действии высоких доз ионизирующей радиации или пестицидов

(ТМТД, ГХЦГ, фентиурам) ингибирование роста сопровождается

или снижением митотического индекса за счет уменьшения числа

вступающих в митоз клеток, или патологическим возрастанием его за

счет остановки митоза преимущественно в метафазе. В том и другом

случае наблюдаются увеличение встречаемости патологических фигур

митоза и снижение значений пролиферативного пула.

При радиационных поражениях и пролонгированном действии хлор-

органических пестицидов преобладают хромосомные нарушения, тогда

как симтриазины вызывают преимущественно нарушения функций

деления клетки (Горовая, 1988; Горовая, Скворцов, 1989). ГП

способствуют уменьшению как генетических, так и функциональ-

ных нарушений клеточного деления. Кроме того, они нормализуют

временные параметры клеточного цикла, нарушенные действием

10. Гуминовые вещества в биосфере

145

Таблица 1

Влияние гуматов на рост 10-суточных проростков

сельскохозяйственных культур (опыты в водной культуре)

Культура Вариант опыта

Длина корней

Высота

растений

Масса про-

ростков

Культура Вариант опыта

% к контролю

Озимая

Гумат натрия бурого угля:

пшеница

50 мг/л

122,8 103,5

119,4

Безостая-1

100 » 110,5

99,1 101,1

1000 »

44,7

85,9

91,7

Гумат натрия низинного

торфа:

50 мг/л

127,2

125,5 111,1

100 »

124,6 116.7

124,4

1000 .> 79,8 88,5 98,0

Гумат натрия чернозема:

50 мг/л

128,5 118,8

120,0

100?»

132,7 136,2 133,5

1000 » 118,0 109,0

112,2

Томат Киев- Гумат натрия бурого угля:

ский ранний 100 мг/л 146,6 135,0 132,0

Гумат калия бурого угля:

100 мг/л

120,8

118,5 120,7

200 » 137,0 128,0 125,0

Гумат натрия низинного

торфа:

100 мг/л

135,3 107,0

115,0

200 » 142,8 115,0 128,0

Кукуруза Гумат натрия бурого угля:

Краснодар- 100 мг/л 128,6

119,7

120,5

ская-ЗОЗ

Кукуруза

Гумат натрия бурого угля:

ВИР-42

100 мг/л

110,2

112,3 110,0

химических и физических факторов, а в нормальных условиях

способствуют ускорению прохождения клетками митотического цикла,

преимущественно за счет периода G\ (табл. 3).

Исследования молекулярных механизмов действия ГВ, в которых

были использованы цитофотометрические и радиоавтографические

методы, показали, что они положительно влияют на процессы синтеза

ДНК, РНК и белка в нормальных условиях, а при угнетении их

радиационным и химическими факторами способствуют реактивации

указанных жизненно важных процессов (см. рисунок, табл. 4).

Результаты специальных исследований выявили возможность участия

ГВ в процессах репарации радиационно индуцированных однонитевых

разрывов в ДНК (Горовая, Хлызина, 1987) и положительное их

146

Таблица 2

Коэффициент модифицирующего действия

физиологически активных веществ

при лучевом и химическом 50%-ном ингибнроааиии

роста корней

у 15-суточных проростков сельскохозяйственных культур

Вариант опыта Корневой

тест

Гамма-облу-

чение семян

гороха 50 Гр

Обработка семян ячменя пестицидами

Вариант опыта Корневой

тест

Гамма-облу-

чение семян

гороха 50 Гр

Атразин

7 мг/мл

Симазин

10 мг/мл

гхцг

5 мг/мл

Гумат натрия из Длина

1,66

1,95 2,00 2,22

торфа, 50 мг/л Масса

1,91

1,73 1,83 1,54

Гумат натрия из Длина 1,72

1,98

2,00 2,00

бурого угля, Масса

1,85

1,82

1,70

1,80

50 мг/л

Витамин Bi, 10"' м Длина

1.48 2,00

2,00

—

Масса 1,54

1,75

2,00

—

Витамин В

, Ю"

Дайна

1,78

1,90 1,58

—

Масса 1,82

1,56

1,66

—

Витамин Be, 10"' м

Длина

1,48

1,77

2,09

—

Масса

1,64 1,54

1,88

—

Витамин В12, 10"' м Длина 1,82

— — —

Масса

2,00

— — —

Витамин С, Ю

-5

м Длина

1,53 2,00 2,20

—

Масса

1,73 1,86 1,83

—

Витамин РР, 10"' м Длина

1,46 1,80

2,20

—

Масса 1,54

1,53 1,80

—

Янтарная кислота,

Длина

1,98 —

—

Масса

1,91

— —

АТФ, 10"' м Длина

1,98 2,00

2,ПО

—

Масса

2,00 1,55 1,74

—

Цистеин, 10

м Длина

2,00

— — —

Масса

1,98

— — —

влияние на состояние интерфазного ядра и рибосомного аппарата

клетки (Горовая, 1984).

На основании выполненных работ можно сделать заключение, что

стимулирующее действие физиологически активных ГВ обусловлено

активацией процессов синтеза ДНК, РНК и белка, ускорением

прохождения клетками периодов митотического цикла, улучшением

функционального состояния клеточных органелл и повышением мито-

тической и пролиферативной активности в меристематических тканях.

При действии ГП на поврежденные радиацией и пестицидами

растения в клетках меристематических тканей усиливаются репаратив-

ный и репликативный синтезы ДНК, синтезы РНК и белка, устраняют-

ся блоки перехода клеток из одной фазы цикла в другую, восстанавли-

вается ассоциация моносом в полирибосомы, уменьшается число

аберрантных хромосом и нормализуются процессы собственно митоза,

т.е. повышаются адаптационные возможности клеток меристемати-

ческих тканей.

147

Таблица 1

Изменение продолжительности митотического цикла

в клетках корневой меристемы гороха Рамоиский-77

под влиянием гамма-радиации, ГХЦГ и

умята натрия

Фактор

воздействия

Среда выра-

щивания

Длительность периодов цикла, ч

Фактор

воздействия

Среда выра-

щивания

G\ S

Gi М

Вола

12,5 2,5 4,5

4,0

1,5

—

Гумат натрия,

9,5

1,7

3,5 3,0

1,3

50 мг/л

50 Гр

Вола

20,5

7,3

6,0

5,5

1,7

50 Гр

Гумат натрия,

14,0 3,6

5,0

4,0 1,4

50 мг/л

ГХЦГ, Вода

21,0

7,3

5,0 7,0

1,7

1 мг/мл

ГХЦГ

Гумат натрия,

13,0

2,9

4,5

4,0 13,0

1 мг/мл

50 мг/л

Таблица 4

Влияние гамма-радиации, ГХЦГ и физиологически активного гумата натрия

на включение 'Н-тимидина в ядра клеток корневой меристемы

проростков гороха Рамонский-77

Фактор воздей-

ствия

Среда выращи-

вания

Индекс мече-

ных клеток, %

Число зерен се-

ребра в ядре,

шт.

Число зерен серебра в

меченых ядрах ткани

Фактор воздей-

ствия

Среда выращи-

вания

Индекс мече-

ных клеток, %

Число зерен се-

ребра в ядре,

шт.

Вола 27,9±0,8 33,7±3,3

996.0

100,0

Гумат натрия,

50 мг/л

39,2±0,8

41,1±3,5 1611,1

161,7

5 Гр

Вода

12,7±0,6 28,1 ±3,0 356,8 35,8

5 Гр

Гумат натрия,

50 мг/л

26,8±0,7*

41,5±3,4 1112,2

111,6

ГХЦГ,

Вода

15,4±0,6 26,0±3,0

365,7

36,7

1 мг/мл

ГХЦГ,

Гумат натрия, 22,2±0,8* 36±3,5* 812,5 81,6

1 мг/мл 50 мг/л

•Значения со статистически недостоверными отличиями от контроля.

Установление взаимосвязи между внутриклеточными процессами и

онтогенезом позволило ближе подойти к пониманию организменных

адаптаций и теоретическому обоснованию практического применения

ГВ. Результаты вегетационных и полевых опытов, выполненных

совместно с сотрудниками Днепропетровского сельскохозяйственного

института в ВНИИ кукурузы, показали, что ГП в нормальных

условиях стимулируют, а в экстремальных нормализуют рост и разви-

тие растений. При этом они оказывают положительное влияние на

148

Влияние гумята натрия на характер распределения ДНК в клетках корневой мери-

стемы кукурузы ВИР-42 на фоне х-облучения семян (А) и их обработки ГХЦГ (Б)

По оси абсцисс — содержание ДНК, отн. ед.; по оси ординат — частота, %. I,

5 — контроль; 2,6 — гумат натрия, 50 мг/л; 3 — облучение семян 14 Гр; 4 — облучение

семян 14 Гр + гумат натрия, 50 мг/л; 7 — обработка семян ГХЦГ 10 мг/л; 8 — обра-

ботка семян ГХЦГ 10 мг/л + гумат натрия, 50 мг/л

анатомическое строение вегетативных органов, органогенез, функцио-

нальное состояние пыльцы, физиологические процессы и продуктив-

ность растений. Это нашло подтверждение в государственных испы-

таниях ГП в различных климатических зонах страны, в результате чего

они рекомендованы для широкого внедрения в сельскохозяйственное

производство.

149

ЛИТЕРАТУРА

Алиев С Л. Азотфиксаиия и физиологическая активность органического вещества

почв. Новосибирск: Наука, 1988. 144 с.

Баталкин Г.А.. Галушко A.M., Махно Л.Ю., Христева Л.А. О природе действую-

щего начала физиологически активных гуминовых кислот // Тр. Межлунар. симпоз. IV и

II Комис. MTO "Торф, его свойства и перспективы применения". Минск, 1982.

С. 115-117.

Бобырь Л.Ф. Влияние физиологически активных гумусовых веществ на фотосинтети-

ческие процессы у растений: Авгореф. дис. ...канд. биол. наук. Кишинев, 1984. 24 с.

Вахмистров Д.Б.. Зверкова О.А., Дебец ЕЮ.. Мишустина И.Е. Гуминовые

кислоты: Связь между поверхностной активностью и стимуляцией роста растений //

Докл. АН СССР. 1987. Т. 293, № 5. С. 1277-1280.

Горовая А.И. Роль физиологически активных веществ гумусовой природы в

адаптации растений к ионизирующей радиации и пестицидам: Автореф. дис. ...д-ра биол.

наук. Минск. 1984. 45 с.

Горовая А.И. Роль физиологически активных веществ гумусовой природы в

повышении устойчивости растений к действию пестицидов // Биол. науки. 1988 N° 7.

С. 15—16.

Горовая А.И.. Кулик А.Ф. Клеточные механизмы природной и модифицированной

физиологически активными веществами сопротивляемости сельскохозяйственных

растений к попреждаюшему действию пестицидов // Гуминовые удобрения: Теория

и практика их применения. Днепропетровск. 1980. Т. 7. С. 74

—

105.

Горовач А.И., Кулик А.Ф. Особенности белкового метаболизма в клетках культур-

ных растений при воздействии физиологически активных гумусовых веществ на фоне

фитотоксического действия некоторых пестицидов // Там же. 1983. Т. 9. С.

—14.

Горовая А.И., Скворцов А

В Радиомодифинируюшее действие физиологически

активных веществ // Сельскохозяйственная радиобиология: (Межвузов, сб. науч. тр.

Кишинев, с.-х. ин-та). Кишинев, 1989. С. 39- 45.

Горовая ЛИ., Хлызина Н.В Влияние гумусовых препаратов на репарацию

гамма-индупированных олнонитевых разрывов ДНК // Там же. 1987. С. 76—79.

Драгунов С.С. Химическая характеристика гуминовых кислот и их физиологи-

ческая активность // Гуминовые удобрения: Теория и практика их применения.

Днепропетровск, 1980. "Г. 7. С. 5—21.

Комиссаров И.Д., Логинов Л.Ф. Химическая природа и молекулярное строение

гуминовых кислот II Химия гумусовых кислот: Их роль в природе и перспективы

использования в народном хозяйстве: Тез. докл. зональной науч.-техн. конф. Тюмень,

1981. С. 4.

Орлов Д.С.. Лозановская И.Н.. Попов П.Д. Органическое вещество почвы и органи-

ческие удобрения. М.: Колос, 1985. 98 с.

Христева Л.А.. Булгакова МП., Приходько Л.А. и др. Физиологически активные

вещества гумусовой природы как фактор адаптации сельскохозяйственных растений к

гербицидам // Тр. Междунар. симпоз. IV и II Комис. МТО "Торф, его свойства и

перспективы применения". Минск, 1982а. С. 106—110.

Христева Л.А.. Ган В.М.. Галушко A.M. и др. Основные аспекты использования

в растениеводстве физиологически активных веществ гумусовой природы, получаемых

на основе торфа, и экономическая эффективность их применения // Новые процессы и

продукты переработки торфа. Минск: Наука и техника, 1982 б. С. 149—152.

150

УДК 577.352.336+579.6:665.7.032.53

В.М. Мажуль, Ж.В. Прокопова, JI.C. Ивашкевич

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ

ГУМИНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ ИЗ ТОРФА

НА СТРУКТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ МЕМБРАН

И ФУНКЦИОНАЛЬНУЮ АКТИВНОСТЬ ДРОЖЖЕВЫХ КЛЕТОК

В настоящее время путем окислительно-гидролитической деструкции

ГВ торфа получают природные препараты с высокой биологической

активностью. Эти препараты находят применение в сельском хозяйстве,

биотехнологии, ветеринарии и медицине, позволяя увеличить продук-

тивность зерновых и овощных культур, повысить производительность

микробиологических производств и устойчивость организма к забо-

леваниям.

Широкое применение биологически активных соединений из торфа

сдерживается отсутствием знаний механизмов их действия на клетки.

Имеющиеся немногочисленные данные указывают на плазматические

мембраны как на первичную мишень действия ГВ из торфа (Желяева и

др., 1980; Баталкин, 1987). Однако детально данный вопрос остается

неизученным. В связи с этим актуальным и перспективным направле-

нием исследований является изучение на мембранном и клеточном

уровнях механизмов действия биологически активных веществ при-

родного происхождения.

Цель настоящих исследований — изучение с помощью комплекса

биофизических методов механизма действия стимуляторов из торфа

гуминовой природы (оксигумат, гидрогумат) на дрожжевые клетки.

В качестве объекта исследования использованы дрожжевые микро-

организмы Candida utilis, выращиваемые в периодической культуре

на глюкозо-солевой среде Ридер при 28° С, рН 6,5 с непрерывной

аэрацией.

Кинетику затухания триптофановой фосфоресценции при комнатной

температуре (ТФКТ) дрожжевых клеток регистрировали с помощью

компьютерного тау-фосфориметра, позволяющего регистрировать в

миллисекундном диапазоне фосфоресценцию объектов с квантовым

выходом до 10

(Мажуль и др., 1983а, б). Для оценки функциональной

активности дрожжевых клеток использовались методы: потенциометри-

ческий для измерения трансмембранной проницаемости ионов Na

и К\

спектрофотометрический для измерения трансмембранной проницае-

мости внутриклеточных свободных нуклеотидов и полярографический

для измерения внутриклеточного дыхания.

В наших опытах структурное состояние клеточных мембран дрож-

жевых микроорганизмов С. utilis изучали с помощью конформационно-

чувствительного метода измерения кинетики затухания ТФКТ.

Ранее показано, что основным фактором, влияющим на кинети-

151

ческие параметры ТФКТ, является жесткость микроокружения трипто-

фанилов, вследствие чего метод ТФКТ позволяет получать информа-

цию об уровне медленной (миллисекундной) внутримолекулярной

динамики структуры белков. Такая подвижность имеет наиболее

важное функциональное значение, например, для осуществления

белками ферментативного катализа. Существенно, что миллисекундная

ТФКТ клеток определяется в основном белками мембранных структур,

а не растворимыми белками цитоплазмы или матриксов органелл.

Это позволяет изучать структурно-динамические свойства мембранных

белков непосредственно в клетке, без их предварительного выделения

(Мажуль и др., 1980, 1983а, б). Определяемыми параметрами ТФКТ

являлись: время жизни быстро затухающего компонента — тв, время

жизни медленно затухающего компонента — т

, среднее время

жизни — т. Биэкспоненциальный характер кинетических кривых ТФКТ

дрожжевых клеток свидетельствует о существовании не менее двух

центров фосфоресценции, что обусловлено гетерогенностью микро-

окружения триптофанилов мембранных белков (Мажуль и др.,

1980).

В настоящих экспериментах обнаружено, что препараты биостимуля-

торов из торфа (оксигумат и гидрогумат), действуя на дрожжевые

клетки, вызывают в интервале концентраций 0,0001—0,01% выраженное

возрастание времени жизни ТФКТ. При действии оксигумата is

увеличивается в 1,5 раза, т„ — в 1,4 раза, т — в 1,7 раза. Гидрогумат

приводит к увеличению тв в 1,37 раза; т„ — в 1,4 раза, т — в 1,4 раза

(рис. 1, а—в).

Эти результаты свидетельствуют об ограничении уровня внутримоле-

кулярной миллисекундной динамики мембранных белков дрожжевых

микроорганизмов, ^-образный характер зависимостей кинетических

параметров ТФКТ от концентрации препарата указывает на то,

что затормаживание подвижности белковой макроструктуры происхо-

дит в результате кооперативной структурной перестройки мембран.

Для понимания механизма действия стимуляторов из торфа

важно изучить вопрос о глубине изменений функциональной актив-

ности клеток, сопряженных со структурной перестройкой мембран. При

генерализованном характере структурной перестройки следовало ожи-

дать при концентрациях стимулятора, близких к критическим, появления

функциональных сдвигов, которые связаны с работой ферментных

ансамблей, находящихся в различных пространственно разобщенных

мембранных образованиях. Представлялось вероятным прежде всего,

что индуцируемая стимулятором из торфа структурная перестройка

должна затронуть существенным образом функциональную активность

ее цитоплазматической мембраны, и в частности такую важную

функцию, как трансмембранная проницаемость.

В наших исследованиях тестом на проницаемость служил выход

из клеток в наружную среду метаболитов, оцениваемый по поглоще-

нию в ультрафиолетовой части спектра. В качестве показателя скорости

выхода свободных нуклеотидов служила величина /)гбо супернатантов,

полученных при центрифугировании суспензии клеток после 60 мин

экспонирования их в свежей питательной среде.