Изменение жирнокислотного состава хвои лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) и сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) при воздействии техногенных эмиссий в жестких природных условиях

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методом газожидкостной хроматографии выявлены видоспецифические изменения в жирнокислотном составе мембранных липидов хвои лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) и сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в зоне бореальных лесов при хроническом воздействии техногенных эмиссий. Полигоном исследований послужила лесопокрытая территория, подвергающаяся влиянию высокотоксичных эмиссий Братского алюминиевого завода (Иркутская обл., Россия). Исследования проведены на 29 пробных площадях, характеризующихся разным уровнем загрязнения древостоев — от слабого до критического. Показано, что аккумуляция элементов-поллютантов в хвое деревьев приводит к развитию окислительного стресса, сопровождающегося повышением содержания H2O2 (в 1.3–4.5 раза) и малонового диальдегида (в 1.2–3.0 раза). При этом в составе жирных кислот (ЖК) наблюдались видоспецифические изменения: в хвое сосны число ЖК уменьшилось с 27 до 21 с ростом уровня загрязнения деревьев, тогда как у лиственницы увеличилось с 24 до 26. В ответ на загрязнение оба вида демонстрировали повышение доли насыщенных ЖК, причем коэффициент ненасыщенности снизился в 1.6–2.0 раза у лиственницы и в 1.1–1.8 раза у сосны по сравнению с фоновыми значениями. Установлено, что определяющую роль в структурной организации липидов у обоих видов играют ЖК С18 типа, при этом у лиственницы кислоты С20 и С16 типов вносят равный вклад в защиту мембран от повреждений, а у сосны ведущая роль принадлежит кислотам С20 типа. Анализ десатуразных активностей показал, что лиственница характеризуется высокой ω9-десатуразной активностью (образование олеиновой кислоты), в то время как у сосны преобладает ω3-десатуразная система (синтез α-линоленовой кислоты), что отражает различные стратегии адаптации липидного обмена у этих видов. В целом выявленные изменения в жирнокислотном составе хвои свидетельствуют об активации механизмов мембранной стабилизации через увеличение плотности упаковки липидов и снижение их проницаемости, причем L. sibirica продемонстрировала более высокую устойчивость к воздействию поллютантов благодаря эффективным адаптационным механизмам.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. В. Калугина

ФГБУН Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: phytotox@sifibr.irk.ru
Россия, Иркутск

Л. В. Афанасьева

ФГБУН Институт общей и экспериментальной биологии Сибирского отделения Российской академии наук

Email: phytotox@sifibr.irk.ru
Россия, Улан-Удэ

Список литературы

  1. Rozhkov A.S., Mikhailova T.A. The effect of fluorine-containing emissions on conifers. Berlin Heidelberg: Springer — Verlag, 1993. 143 p.
  2. Blokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K.V. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivation stress: a review // Ann. Bot. 2003. V. 91. P. 179–194. https://doi.org/10.1093/aob/mcf118
  3. Wang J., Song L., Gong X., Xu J., Li M. Functions of jasmonic acid in plant regulation and response to abiotic stress // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21: 1446. https://doi.org/10.3390/ijms21041446
  4. Hochacka P.W., Somero G.N. Biochemical adaptation: Mechanism and Process in Physiological Evolution. New York: Oxford University Press. 2002. 480 p.
  5. Sobiecka E., Mroczkowska M., Olejnik T.P. The enzymatic antioxidants activities changes in water plants tissues exposed to chlorpyrifos stress // Antioxidants. 2022. V. 11: 2104. https://doi.org/10.3390/antiox11112104
  6. Нохсоров В.В., Дударева Л.В., Петров К.А. Состав и содержание липидов и их жирных кислот в хвое Pinus sylvestris L. и Picea obovata Ledeb. при закаливании к низкой температуре в условиях криолитозоны Якутии // Физиология растений. 2019. Т. 66. С. 286–294. https://doi.org/10.1134/S0015330319040109
  7. Voronkov A.S., Ivanova T.V., Kumachova T.K. The features of the fatty acid composition of Pyrus L. total lipids are determined by mountain ecosystem conditions // Plant Physiol. Biochim. 2022. V. 170. P. 350–363. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2021.12.021
  8. Taarit M.B., Msaada K., Hosni K., Marzouk B. Changes in fatty acid and essential oil composition of sage (Salvia officinalis L.) leaves under NaCl stress // Food Chem. 2010. V. 119. P. 951–956. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2009.07.055
  9. Капустина И.С., Гурина В.В., Озолина Н.В., Спиридонова Е.В. Особенности жирнокислотного состава липидов вакуолярной мембраны в условиях стресса, вызванного ионами меди // Биологические мембраны. 2024. Т. 41. С. 274–279.
  10. Thabet J., Elleuch J., Martínez, Abdelkafi S., Hernández, Fendri I. Characterization of cellular toxicity induced by sub-lethal inorganic mercury in the marine microalgae Chlorococcum dorsiventrale isolated from a metal-polluted coastal site // Chemosphere. 2023. V. 338: 139391. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2023.139391
  11. Fangmeier A., Kress L.W., Lepper P., Heck W.W. Ozone effects on the fatty composition of loblolly pine needles (Pinus taeda L.) // New Phytol. 1990. V. 115. P. 639–647.
  12. Le Guédard M., Faure O., Bessoule J-J. Early changes in the fatty acid composition of photosynthetic membrane lipids from Populus nigra grown on a metallurgical landfill // Chemosphere. 2012. V. 88. P. 693–698. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2012.03.079
  13. Атлас. Иркутская область (экологические условия развития). Иркутск: Изд-во Института географии СО РАН, 2004. 90 с.
  14. Государственный доклад “О состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2023 году”. Иркутск: ООО “Максима”, 2024. 308 с.
  15. Kalugina O.V., Afanasyeva L.V., Mikhailova T.A., Filinova N.V. Activity of low-molecular weight components of Larix sibirica antioxidant system under exposure to technogenic pollution // Ecotoxicology. 2022. V. 31. P. 1492–1505. https://doi.org/10.1007/s10646-022-02607-6
  16. Awang M.B., Mikhailova T.A., Luangjame J., Carandang W., Mizoue N., Yamamoto K., Sase H., Takahashi A., Hakamata T., Boonpragob K., Insarov G., Tanikawa H., Nakashima A., Totsuka T. Sub manual on forest vegetation monitoring in EANET. Network center for EANET. Acid Deposition and Oxidant Research Center (ADORC). Niigata, 2007.
  17. Brennan T., Frenkel C. Involvement of hydrogen peroxide in the regulation of senescence in pear // Plant Physiol. 1977. V. 59. P. 411–416. https://doi.org/10.1104/pp.59.3.411
  18. Kumar G.N.M., Knowles N.R. Changes in lipid peroxidation and lypolytic and free-radical scavenging enzyme activities during aging and sprouting of potato (Solanum tuberosum) // Plant Physiol. 1993. V. 102. P. 115–124. https://doi.org/10.1104/pp.102.1.115
  19. Christie W.W. Preparation of ester derivatives of fatty acids for chromatographic analysis // Advances in Lipid Methodology 2 / Ed. Christie W.W. Dundee: Oily Press, 1993. № 69: e111.
  20. Christie W.W. The AOCS lipid library: methyl esters of fatty acids // Archive of Mass Spectra. 2010. http://lipidlibrary.aocs.org/ms/arch_me/index.htm
  21. Voronkov A., Ivanova T. Significance of lipid fatty acid composition for resistance to winter conditions in Asplenium scolopendrium // Biology. 2022. V. 11: 507. https://doi.org/10.3390/biology11040507
  22. Donovan R.G., Stewart H.E., Owen S.M., Mackenzie A.R., Hewitt C.N. Development and application of an urban tree air quality score for photochemical pollution episodes using the Birming ham, United Kingdom, area as a case study // Environ. Sci. Technol. 2005. V. 39. P. 6730–6738. https://doi.org/10.1021/es050581y
  23. Wierzbicka A., Dyderski M.K., Kamczyc J., Rączka G., Jagodziński A.M. Responses of soil mite communities (Acari: Oribatida, Mesostigmata) to elemental composition of mosses and pine needles and long-term air pollution in Scots pine (Pinus sylvestris L.) stands // Sci. Total Environ. 2019. V. 691. P. 284–295. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.07.138 2018
  24. Fryzova R., Pohanka M., Martinkova P., Cihlářová H., Brtnicky M., Hladky J., Kynicky J. Oxidative Stress and Heavy Metals in Plants // Reviews of environmental contamination and toxicology / Ed.P. De Voogt. Springer. 2017. V. 245. P. 129–156. https://doi.org/10.1007/398_2017_7
  25. Behrooz A., Vahdati K., Rejali F., Lotfi M., Sarikhani S., Leslie C. Arbuscular mycorrhiza and plant growth-promoting bacteria alleviate drought stress in walnut // Hortic. Sci. 2019. V. 54. P. 1087–1092. https://doi.org/10.21273/HORTSCI13961-19
  26. Pauls K.P., Thompson J.E. Effects of in vitro treatment with ozone on the physical and chemical properties of membranes // Physiol. Plant. 1981. V. 53. P. 255–262.
  27. Макаренко С.П., Коненкина Т.А., Cуворова Г.Г. Сезонные изменения жирнокислотного состава липидов хвои Pinus sylvestris // Физиология растений. 2014. Т. 61. С. 129–134.
  28. Иванова Т.В., Мясоедов Н.А., Пчeлкин В.П., Цыдендамбаев В.Д., Верещагин А.Г. Повышенное содержание жирных кислот с очень длинной цепью в липидах вегетативных органов галофитов // Физиология растений. 2009. Т. 56. С. 871–878.
  29. Жуков А.В. Пальмитиновая кислота и ее роль в строении и функциях мембран растительной клетки // Физиология растений. 2015. Т. 62. С. 751–760.
  30. Gurina V.V., Ozolina N.V., Nesterkina I.S., Semenova N.V., Nurminsky V.N. The Impact of oxiditive stress on fatty acid content of vacuolar membrane lipids in beet root // Proceedings of universities. Applied chemistry and biotechnology. 2016. V. 6. P. 57–64. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2016-6-2-57-64
  31. Anttonen S., Herranen J., Peura P., Kärenlampi L. Fatty acids and ultrastructure of ozone-exposed Aleppo pine (Pinus halepensis Mill.) needles // Environ. Pollut. 1995. V. 87. P. 235–242.
  32. Алаудинова Е.В., Миронов П.В. Липиды меристем лесообразующих хвойных пород Центральной Сибири в условиях низкотемпературной адаптации. 2. Особенности метаболизма жирных кислот фосфолипидов меристем Larix sibirica Ledeb., Picea obovata L. и Pinus sylvestris L. // Химия растительного сырья. 2009. № 2. С. 71–76.
  33. Tan J., Mckenzie C., Potamitis M., Tborburn A.N. The role of short-chain fatty acids in health and disease // Adv. Immunol. 2014. V. 121. P. 91–119. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-800100-4.00003-9
  34. Zemanova V., Pavlik M., Kyjaková P., Pavliková D. Fatty acid profiles of ecotypes of hyperaccumulator Noccaea caerulescens growing under cadmium stress // J. Plant Physiol. 2015. V. 180. P. 27–34. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2015.02.012
  35. Sayanova O., Haslam R., Venegas Caleron M., Napier J.A. Cloning and characterization of unusual fatty acid desaturases from Anemone leveillei: identification of an acyl-coenzyme A C20Δ5-desaturase responsible for the synthesis of sciadonic acid // Plant Physiol. 2007. V. 144. P. 445–467. https://doi.org/10.1104/pp.107. 098202
  36. Kodama H., Hamada T., Horiguchi G., Nishimura M., Iba K. Genetic enhancement of cold tolerance by expression of a gene for chloroplast (omega)-3 fatty acid desaturase in transgenic tobacco // Plant Physiol. 1994. V. 105. P. 601–605. https://doi.org/10.1104/ pp.105.2.601
  37. Wasternack C. Jasmonates: an update on biosynthesis, signal transduction and action in plant stress response, growth and development // Ann. Bot. 2007. V. 100. P. 681–697. https://doi.org/10.1093/aob/mcm079
  38. Ветчинникова Л.В., Татаринова Т.Д., Серебрякова О.С., Перк А.А., Пономарев А.Г., Ильинова М.К., Петрова Н.Е., Васильева И.В. Жирнокислотный состав мембранных липидов в почках березы повислой в зимне-весенний период в условиях криолитозоны // Цитология. 2019. Т. 61. С. 412–424. https://doi.org/10.1134/S0041377119050079
  39. Дёмин И.Н., Дерябин А.Н., Синькевич М.С., Трунова Т.И. Введение гена desАΔ12-ацил-липидной десатуразы цианобактерии повышает устойчивость растений картофеля к окислительному стрессу, вызванному гипотермией // Физиология растений. 2008. Т. 55. С. 710–720.
  40. Лось Д.А. Десатуразы жирных кислот. М.: Научный Мир, 2014. 370 с.
  41. Schultz D.J., Suh M.C., Ohlrogge J.B. Stearoyl-acyl carrier protein and unusual acyl-acyl carrier protein desaturase activities are differentially influenced by ferredoxin // Plant Physiol. 2000. V. 124. P. 681–692. https://doi.org/10.1104/pp.124.2.681
  42. López Alonso D., García-Maroto F., Rodríguez-Ruiz J., Garrido J.A., Vilches M.A. Evolution of the membrane-bound fatty acid desaturases // Biochem. Syst. Ecol. 2003. V. 31. P. 1111–1124. https://doi.org/10.1016/S0305-1978(03)00041-3

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Аккумулирующая способность хвои Larix sibirica (а) и Pinus sylvestris (б) при разных уровнях загрязнения эмиссиями БрАЗа. *ТМ — сумма Be, Cd, Ce, Co, Cr, Cu, Fe, La, Mn, Mo, Na, Ni, V, Pb, Y, Zn; **ЛМ — сумма Ba, Li, Al, Sc.

Скачать (275KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изменение содержания H2O2 (1, 2) и МДА (3, 4) в хвое Larix sibirica (1, 3) и Pinus sylvestris (2, 4) при разных уровнях загрязнения эмиссиями БрАЗа: 1 — содержание H2O2 в хвое L. sibirica; 2 — содержание H2O2 в хвое P. Sylvestris; 3 — содержание МДА в хвое L. sibirica; 4 — содержание МДА в хвое P. sylvestris. Разными буквами в одном ряду отмечены достоверные различия (Р ≤ 0.05), где a > b > c > d.

Скачать (191KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Содержание насыщенных жирных кислот в составе суммарных липидов хвои Larix sibirica (а) и Pinus sylvestris (б) при разных уровнях загрязнения эмиссиями БрАЗа: 1 — C12:0-a; 2 — C14:0; 3 — C15:0; 4 — C16:0; 5 — C17:0-a; 6 — C17:0; 7 — C18:0; 8 — C20:0; 9 — C22:0; 10 — C23:0.

Скачать (283KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Содержание основных групп ненасыщенных жирных кислот в составе суммарных липидов хвои Larix sibirica (а) и Pinus sylvestris (б) при разных уровнях загрязнения эмиссиями БрАЗа: 1 — Σ С16; 2 — Σ С18; 3 — Σ С20.

Скачать (313KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Соотношение (в % от суммы всех идентифицированных жирных кислот) олеиновой (С18:1ω9), линолевой (С18:2ω6) и α-линоленовой (С18:3ω3) кислот в суммарных липидах хвои Larix sibirica и Pinus sylvestris при разных уровнях загрязнения эмиссиями БрАЗа.

Скачать (228KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025