На правах рукописи

СЕРДЮКОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Действие слабого постоянного магнитного поля

на антиоксидантную систему проростков

редиса

03.01.05 – Физиология и биохимия растений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Москва – 2013

Работа выполнена в группе магнитобиологии растений Федерального го сударственного бюджетного учереждения науки Института физиологии рас тений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, г. Москва.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Новицкий Юрий Иванович доктор биологических наук

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Носов Александр Владимирович, доктор биологических наук, Феде ральное государственное бюджетное учереждение науки Институт физио логии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, лаборато рия физиологии культивируемых клеток, ведущий научный сотрудник Белова Наталья Александровна, доктор биологических наук, Феде ральное государственное бюджетное учереждение науки Институт теоре тической и экспериментальной биофизики, лаборатория биофизики внут риклеточной регуляции, ведущий научный сотрудник

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учереждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Биологический факультет

Защита состоится 26 декабря 2013 г. в 11 часов на заседании совета по защи те докторских и кандидатских диссертаций Д 002.210.01 при Федеральном государственном бюджетном учереждении науки Институте физиологии рас тений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, расположенном по адресу: 127276, Москва, ул. Ботаническая, 35. Факс: (499)977-80-18, e-mail:

[email protected], [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Федерального го сударственного бюджетного учереждения науки Института физиологии рас тений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук.

ноября

Автореферат разослан 22 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. биол. наук., Азаркович Марина Ивановна

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Известно, что за последние несколько веков напряженность геомагнитного поля (ГМП) постепенно снижается /Храмов и др. 1982/. Подобные падения, повышения, а также полные инверсии напря женности происходят уже не в первый раз за историю планеты. Однако до сих пор неизвестно, как влияют эти изменения на биосферу и непосредствен но на живые организмы и, в частности, на растения; является ли измененное магнитное поле стрессовым фактором или нет.

В последнее десятилетие дополнительным стимулом к изучению дей ствия электромагнитных полей на живые организмы является активное ан тропогенное вмешетельство в электромагнитный фон в широком диапазоне от 50 Гц в промышленных и бытовых сетях и электроприборах до гигагерцо вых излучений, на которых основаны современные стандарты средств связи и коммуникации. Проблема предельно допустимого уровня (ПДУ) магнит ных полей стоит как никогда остро, хотя определенные нормативы были и есть, как в нашей стране, так и зарубежом /Adams, Williams 1976/, вопрос об их соответствии современным реалиям остается открытым. Для человека установлен ПДУ (СанПиН 2.2.4.1191-03) не более 10 минут нахождения в постоянном магнитном поле (ПМП) с индукцией 30 мТл или 480 минут в ПМП 10 мТл в течение рабочего дня. Превышение этого уровня влияет на физиологическое состояние и индивидуальные особенности организма /Холо дов, Лебедева, 1992; Григорьев и др., 2005/.

Растения в популяции, как и другие организмы, различаются индиви дуальной чувствительностью к изменению напряженности магнитного по ля. Редис является культурой, чувствительность которой к слабым магнит ным полям, даже столь малым, как геомагнитное, можно наблюдать визуаль но. Проявляется эта чувствительность в виде наличия двух независимых ос новных магнитоориентационных типов, ориентирующих корневые бороздки вдоль магнитного меридиана северо-южный магнитоориентационный тип (СЮ МОТ) и поперек магнитного меридиана западно-восточный магнто ориентационный тип (ЗВ МОТ) /Новицкий, Травкин, 1971/. Помимо разной реакции на МП, эти МОТ различаются по биохимическому составу и реакции на различные факторы окружающей среды /Новицкий и др., 1990/. Совре менные исследования показывают, что изменения магнитного поля влияют на биохимические и морфофизиологические процессы растений /Gallad, Pazur, 2005/, меняют их биохимический состав, при этом меняется не качественный состав веществ, а только их количественные соотношения /Новицкая и др., 2008; Новицкая и др., 2010а/. ПМП модифицирует действие таких факторов, как интенсивность освещения, длина дня, температурный режим, сезон. Мо дифицирующий характер действия слабого ПМП может выступать как опре деляющий ход онтогенеза фактор /Новицкий, 2009; Новицкий, 2010/. Кроме того, чувствительность растений к слабому полю зависит от состояния маг нитосферы Земли /Крылов, 2012/. Все это свидетельствует о том, что слабое магнитное поле является для растений экологически значимым фактором.

Механизмы действия магнитного поля до настоящего времени оконча тельно не установлены. По одной из гипотез, магнитное поле затрагивает работу мембран растительной клетки, меняя соотношение входящих в их со став липидов через процессы их перекисного окисления. Однако, действие слабого ПМП на работу антиоксидантной системы растений практически не изучено.

Цель данной диссертационной работы состоит в выяснении поведе ния основных компонентов антиоксидантной системы проростков редиса под действием слабого постоянного горизонтального магнитного поля и послед ствий его длительного воздействия, в течение всего онтогенеза, на адаптив ные возможности популяции этого растения.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1. Изучить действие слабого горизонтального постоянного магнитного по ля на количественный состав некоторых компонентов неферментатив ной антиоксидантной системы, в частности, пролина, окисленного и вос становленного глутатиона.

2. Изучить действие слабого горизонтального постоянного магнитного по ля на активность ферментов первичной антиоксидантной системы: су пероксиддисмутазу (СОД), каталазу, пероксидазу.

3. Оценить общий уровень интенсивности перекисного окисления липидов (ПОЛ) по интенсивности образования одного из его конечных продук тов малонового диальдегида (МДА).

4. Исследовать действие ПМП на онтогенез растений редиса и формиро вание семян.

Научная новизна. В работе впервые показано, что слабое горизонталь ное постоянное магнитное поле оказывает модифицирующее действие на ра боту основных компонентов антиоксидантной системы. Обнаружено, что ве личина эффекта имеет сложную нелинейную зависимость и характер этой зависимости определяется возрастом проростков и наличием или отсутстви ем у них функционирующего фотосинтетического аппарата. Впервые пока зано действие ПМП различной индукции и совместного действия ПМП и различной освещенности на интенсивность образования МДА. Установлено, что влияние ПМП на ПОЛ носит светозависимый характер. Показано, что выращивание растений в условиях увеличенной индукции ПМП в течение всего жизненного цикла приводит к торможению появления очередных ли стьев, отставанию в прохождении стадий онтогенеза (стрелкование, бутони зация, цветение, плодоношение), а также изменяет структуру урожая семян.

Полученные результаты вносят существенный вклад в магнитобиологические исследования.

Практическая значимость. Выявленные особенности необходимо учи тывать при выращивании растений в регионах, местностях и установках, ПМП в которых отличается от геомагнитного. Полученные данные могут быть использованы в курсах лекций по физиологии растений и экологии.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы представле ны на V Международном конгрессе "Слабые и сверхслабые поля и излуче ния в биологии и медицине"(Санкт-Петербург, 2009), Всероссийском симпо зиуме "Растения и стесс"(Москва, 2010), VII Съезде Общества физиологов растений России (Н.Новгород, 2011), VI Международном конгрессе "Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине"(Санкт-Петербург, 2012), IV Съезде биофизиков России (Н.Новгород, 2012), Всероссийской кон ференции “Инновационные направления современной физиологии растений” (Москва, 2013), X Международной конференции "Cosmos & Biosphere"(Коктебель, Украина, 2013), XIII Делегатском съезде Русского ботанического об щества (Тольятти, 2013).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных ра ботах, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, 1 статья в сборнике и статей в сборниках материалов конференций.

Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положе ния, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубли кованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов прово дилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяю щим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором или при его участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 125 стра ницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, опи сания объектов и методов исследований, результатов, обсуждения, заключе ния и выводов. Работа содержит 5 таблиц и 39 рисунков. Список литературы включает 169 источников, из них 132 на иностранных языках Объектом исследовния служили проростки и растения редиса (Raphanus sativus L. var. radicula D.C.) сорта "Розово-красный с белым кончи ком". Для изучения антиоксидантной системы использовали 1–5 дневные про ростки, выращенные в камере фитотрона ИФР им. К.А. Тимирязева РАН.

Проростки выращивали в чашках Петри на увлажненной фильтровальной бумаге, под которой находился сложенный вчетверо слой марли. Проращива ние осуществляли на дистиллированной воде как в темноте, так и на свету.

“Темновые” проростки находились в чашках, обернутых черной светонепро ницаемой тканью. Длина светового периода для “световых” проростков, соста ляла 14 часов, а освещенность - 1 тыс. лк. Для изучения зависимости накопле ния малонового диальдегида от интенсивности света использовали 5-дневные проростки, проращиваемые в аналогичных условиях. Освещенность в данном случае составляла 1–6 тыс. лк с шагом в 1 тыс.

Опытные растения в ходе эксперимента помещали в две пары колец Гельмгольца диаметром 140 мм, генерирующих слабое горизонтальное по стоянное однородное магнитное поле с индукцией 185, 310, 325, 390, 5001, 620, и 650 мкТл. Контрольные растения находились в геомагнитном поле, индукция которого в месте проведения опыта составляла 35 мкТл, а его век тор был направлен под углом в 73° к горизонту. Векторы горизонтальной составляющей ГМП и искусственного ПМП совпадали.

Для изучения действия слабого ПМП на онтогенез растений, их выра щивали в почве в винипластовых ящиках в оранжерее ИФР РАН при есте ственно возрастающей длине дня, освещенности и температуре (+14 °25 °С) в апреле-мае 2009 г. Опытные растения выращивали в кольцах Гельмгольца диаметром 400 мм, генерирующих постоянное горизонтальное магнитное по ле с индукцией 500 мкТл. Контрольные растения располагались на таком расстоянии от колец Гельмгольца, чтобы инклинатор или буссоль не давали отклонений от первоначального значения при включении установки. Индук ция ГМП в месте расположения контроля составляла примерно 35 мкТл и её вектор был направлен под углом 73° к горизонту. Вектор горизонтальной составляющей ГМП совпадал с вектором горизонтального ПМП.

Определение содержания свободного пролина в проростках ре диса проводили по методике /Bates et al. 1973/.

Определение содержания малонового диальдегида в прорстках редиса проводили по методу, предложенному в работе Лукаткина и Голова новой/1988/.

Определение содержания окисленного и восстановленного глу татиона проводили оптимизированным методом Хиссени и Хильфа /Шалы го и др., 2007/.

Определение активности супероксиддисмутазы проводили по ме тоду, основанному на оценке степени ингибирования образования на свету формазана восстановленной формы нитро-синего тетразолия (НСТ), явля ющимся индикаторной ловушкой, которая усиливает генерацию супероксид ных радикалов в реакции фотоокисления рибофлавина /Beauchamp, Fridovich, 1971/.

Определение активности каталазы. Активность каталазы определя При данной величине инукции изучали зависимость эффекта ПМП на содержание МДА от итен сивности освещения и содержание окисленного и восстановленного глутатиона в проростках редиса ли по изменению содержания перекиси водорода /Kumar, Knowels, 1993/.

Определение активности пероксидазы осуществляли по методу, опи санному в работе Шевяковой и др. /2003/.

Статистическая обработка результатов. Для статистической обра ботки результатов применяли методы, изложенные в работах /Урбах, 1975;

Glantz 2002/. Уровни вероятности альтернативной гипотезы (Р ) рассчиты вали при помощи критерия множественных сравнений Стьюдента. Данный метод применялся для анализа содержания пролина, МДА и активности фер ментов. Для анализа содержания окисленного и восстановленногоглутатиона применяли метод сравнения двух эмпирических распределений по Стюденту.

На графиках приведены средние арифметические значения из трех биологи ческих выборок в трех повторностях (n=9). В барах на всех графиках отоб ражен 95% доверительный интервал. Для оценки уровня вероятности альтер нативной гипотезы (Р ) при анализе образования семян под действием ПМП применяли критерий 2. Во всех случаях различия считались достоверными при (Р) < 0, 05.

Статистическая обработка данных и создание графиков производилось при помощи программного обеспечения R Statistical Software и Gnumeric Spreadsheet.

Важную роль в адаптации механизмов к условиям внешней среды игра ют протекторные соединения, в частности пролин, а также антиоксидантная система, регулирующая содержание активных форм кислорода (АФК) в клет ках. Протекторные соединения защищают биополимеры цитоплазмы (белки, нуклеиновые кислоты и липиды) от неблагоприятного действия стресс-факто ров, а антиоксидантная система не позволяет АФК накапливаться в клетках выше токсического уровня. В связи с этим представлялось важным исследо вать содержание пролина и компонентов антиоксидантной системы, в частно сти, восстановленного и окисленного глутатирна, а также определить актив ность ферментов антиоксидантной системы (СОД, каталазы, пероксидазы) в проростках редиса в условиях действия постоянного магнитного поля. Кроме того, представлялось целесообразным в условиях действия ПМП определить в проростках содержание малонового диальдегида - одного из конечных про дуктов перекисного окисления липидов, происходящего под действием избыт ка АФК.

Действие ПМП на содержание пролина На первые сутки, как в темноте, так и на свету в проростках наблюдалось снижение содержания пролина (Рис. 1) по мере увеличения индукции ПМП.

На 2-е сутки эффект отсутствовал или наблюдалось незначительное увели чение его содержания. На 3–5 сутки при малых величинах индукции ПМП (185–325 мкТл) содержание пролина было ниже контрольных значений. С увеличением индукции ПМП содержание пролина в темноте и на свету воз растало и становилось выше контрольных значений.

Действие ПМП на содержание окисленного и восстановленного глутатиона Содержание окисленного и восстановленного глутатиона в проростках измеряли при индукции ПМП 500 мкТл в течение 5 суток с момента начала проращивания семян.

Содержание восстановленного глутатиона на 1–3 сутки в темновых про ростках под действием ПМП было на 15–25% ниже, чем в контроле (Рис. 2).

На 4-е сутки содержание восстановленного глутатиона становилось выше, чем в контроле ( на 25%). На 5-е сутки ПМП в темноте не оказывало какого либо заметного действия. У световых проростков на 1–3 сутки, в отличие от темновых, увеличение содержания восстановленного глутатиона под дей ствием поля возрастало. При этом эффект ПМП был самым большим на 1-е сутки. Прирост составлял 64% по сравнению с контролем. Стимулирующее действие ПМП на свету в последующие двое суток ослабевало и на 4-е сутки оно полностью исчезало. На 5-е сутки ПМП снова увеличивало содержание восстановленного глутатиона (на 25% по сравнению с контролем).

В темновых проростках ПМП не оказывало влияния на содержание окис ленного глутатиона на 1-е и 4-е сутки (Рис. 3). На 2-е, 3-и и 5-е сутки про исходило увеличение содержания окисленного глутатиона в проростках на 236%, 33% и 18%, соответственно. У световых проростков наблюдали увели чение содержания окисленного глутатиона на 1-2 сутки (на 50% и 85% выше контрольных значений, соответственно). На 3-и сутки увеличение содержа ния глутатиона было менее значительным, оно составило 15% по сравнению с контролем. На 4-е и 5-е сутки ПМП практически не оказывало действия.

Таким образом, слабое ПМП по-разному влияло на содержание окисленного и восстановленного глутатиона в темновых и световых проростках в зависи мости от их возраста и, соответственно, продолжительности действия ПМП.

Действие ПМП на накопление малонового диальдегида Низкие величины индукции ПМП (185–390 мкТл) вызывали увеличение содержания МДА в проростках. Это наблюдалось в темновых и световых проростков всех возрастов, однако в 1-е сутки эффект ПМП не был статисти чески достоверным (Рис. 4). При высоких индукциях ПМП (620–650 мкТл) происходило снижение содержания МДА в проростках до более низких зна чений, чем в контроле. Снижение наблюдалось на 1-е, 2-е, 3-и и 5-е сутки и было особенно ярко выражено на 2-е и 3-и сутки.

Поскольку генерация АФК в растениях и последующее за нею ПОЛ неразрывно связна с работой фотосинтетического аппарата и условиями осве щения, представлялос особенный интерес изучение совместного действия раз мкмоль/ г воздушно-сухой массы Рис. 1. Содержание пролина в темновых (заштрихованные столбцы) и световых (светлые столбцы) проростках при действии ПМП с индукцией 185–650 мкТл в течение 5 суток с момента начала проращивания семян. Контроль (ГМП) 35 мкТл.

Рис. 2. Содержание восстановленного глутатиона в темновых и световых проростках при действии ПМП с индукцией 500 мкТл в течение 5 суток с момента начала проращивания семян. Контроль (ГМП) 35 мкТл.

нмоль г сухой массы Рис. 3. Содержание окисленного глутатиона в темновых (заштрихованные столбцы) и световых (светлые столбцы) проростках при действии ПМП с индукцией 500 мкТл в течение 5 суток с момента начала проращивания семян. Контроль (ГМП) 35 мкТл.

нмоль/ г воздушно-сухой массы Рис. 4. Содержание МДА в темновых (заштрихованные столбцы) и световых (светлые столбцы) проростках при действии ПМП с индукцией 500 мкТл в течение 5 суток с момента начала проращивания семян. Контроль (ГМП) 35 мкТл.

личной освещенности и ПМП на содержание одного из конечных продуктов ПОЛ малонового диальдегида. Данные о совместном действии ПМП с ин дукцией 500 мкТл и освещения в диапазоне 1–6 клк на накопление МДА показывают, что повышение освещенности в 6 раз не вызывало однозначной направленности изменения ПОЛ между контролем и опытом. Максимальное накопление МДА на свету наблюдали при освещенности 2000 лк в контро ле и 3000 лк в ПМП. В противоположность световому варианту, где ПМП неоднозначно действовало на содержание МДА, в темноте содержание МДА под действием поля увеличивалось. В целом, независимо от интенсивности света в пределах 2000–6000 лк среднее содержание МДА в контроле и ПМП оказалось выше, чем в темноте, а их отношение (С/Т) было несколько выше в контроле, чем в ПМП.

Действие ПМП на активность супероксиддисмутазы При малых величинах индукции ПМП (185-325 мкТл) активность СОД повышалась в световых и темновых проростках на 3-и и 4-е сутки (Рис. 5). В остальных вариантах эксперимента эффекты ПМП не проявлялись или были малозаметны. При более высоких (390–650 мкТл) величинах индукции ПМП наблюдалось снижение активности фермента на 3-и и 4-е сутки у темновых и световых проростков, а также у темновых проростков на 2-е сутки. На 5-е сутки при малых значениях индукции ПМП (185-325 мкТл) в темновых проростках снижалась активность СОД, а при бльших (390–650 мкТл) о повышалась.

Действие ПМП на активность каталазы Изменения в активности каталазы (Рис. 6) в ответ на действие ПМП отличались волнообразным характером. Так, в темновых проростках на 1-е сутки минимальная активность наблюдалась при 310–325 мкТл. На вторые сутки минимум сместился к 185–325 мкТл. На 3-и сутки, минимум приходил ся на контроль и ближайшую к контролю точку 185 мкТл. На 4-е сутки начала формироваться новая "волна"с минимумом при 650 мкТл, который на 5-е сутки сместился к 185-390 мкТл. Аналогичные эффекты ПМП наблю дались и в световых проростках. Пик активности каталазы через сутки дей ствия ПМП приходился на 650 мкТл, на 2-е сутки пик сместился к 620 мкТл, а на 3-и к 185 мкТл. При этом при 620 мкТл сформировался второй пик, переместившийся на 4-е сутки к 310 мкТл.

Действие ПМП на активность пероксидазы Под действием ПМП с малыми величинами индукции (185-325 мкТл) у темновых проростков со 2-х по 5-е сутки в целом наблюдалось повышение активности пероксидазы (Рис. 7). При высоких значениях индукции ПМП ак тивность фермента не превышала контрольные значиния. Аналогичная тен денция наблюдалась и у световых проростков. Исключение составил резуль тат, полученный на 4-е сутки.

отн. ед./г воздушно-сухой массы Рис. 5. Активность СОД в темновых (заштрихованные столбцы) и световых (светлые столбцы) проростках при действии ПМП с индукцией 185–650 мкТл в течение 5 суток с момента начала проращивания семян. Контроль (ГМП) 35 мкТл.

мкмоль/(мин г воздушно-сухой массы) Рис. 6. Активность каталазы в темновых (заштрихованные столбцы) и световых (светлые столбцы) проростках при действии ПМП с индукцией 185–650 мкТл в течение 5 суток с момента начала проращивания семян. Контроль (ГМП) 35 мкТл.

ммоль/(мин г воздушно-сухой массы) Рис. 7. Активность пероксидазы в темновых (заштрихованные столбцы) и световых (светлые столбцы) проростках при действии ПМП с индукцией 185–650 мкТл в течение 5 суток с момента начала проращивания семян. Контроль (ГМП) 35 мкТл.

Влияние постоянного магнитного поля на прохождение стадий онтогенеза и структуру урожая семян.

Количество растений (шт) Рис. 8. Динамика прохождения стадий онтогенеза у растений редиса в ПМП и ГМП (в пересчете на 100 растений) Наиболее объективным показа телем физиологического состояния растения и его приспособленности к неблагоприятным факторам окружа ющей среды являются данные о про хождении стадий онтогенеза, массы его вегетативных и генеративных ор ганов, а также данные о структуре урожая.

В связи с этим исследовали вли яние слабого ПМП на развитие рас тений редиса в течение всего онто генеза от прорастания семян, образо СЮ ГМП СЮ ПМП ЗВ ГМП ЗВ ПМП вания очередных листьев, стрелкова Незрелые Зрелые ния, бутонизации цветения до фор мирования полноценных семян у СЮ Рис. 9. Влияние ПМП на количество семян в и ЗВ МОТ редиса. К моменту появле стручках редиса различных МОТ в пересчете ния 9-го очередного листа растения начинали переходить к стрелкованию и различия между опытом и контролем становились более выраженными (Рис. 8). Отставание в развитии происходи ло на стадии стрелкования (максимум 23–28 апреля, запоздывание на 35–40% от контроля), бутонизации ( запоздывание на 40–70% от контроля 8–16 мая) и цветения (запоздывание на 40–55% 16–22 мая). У СЮ МОТ ПМП уменьшало массу и количество зрелых семян, что приводило к более чем двукратному уменьшению их общего числа и массы (Рис. 9). У ЗВ МОТ ПМП увеличивало общее число зрелых семян на 20%. Количество незрелых семян у СЮ МОТ под действием ПМП увеличилось на 30% при неизменившейся их массе. У ЗВ МОТ ПМП слабо влияло на количество и массу незрелых семян и лишь незначительно снизило общее количество и массу незрелых семян. Общее ко личество семян под действием ПМП осталось неизменным как у СЮ МОТ, так и у ЗВ МОТ, однако у СЮ МОТ средняя масса одного семни уменьши лась (за счет снижения таковой у незрелых семян). Таким образом, слабое постоянное магнитное поле действовало по-разному, иногда противополож ным образом на количество и массу зрелых и незрелых семян, образующихся в стручках СЮ и ЗВ МОТ редиса.

Анализируя полученные данные, можно выделить ряд закономерностей.

В первую очередь наблюдается обратная корреляция между изменением кон центрации пролина и МДА. При снижении содержания пролина при малых величинах индукции ПМП происходило увеличение концентрации МДА, в то время как при больших величинах индукции высокое содержание пролина на блюдалось одновременно со снижением уровня МДА до уровня контроля и ниже.

Таблица 1. Действие слабого постоянного магнитного поля с индукцией 500 мкТл на от ношение содержания окисленного глутатиона к восстановленному

ГМП ПМП ГМП ПМП

Несмотря на отсутствие определенной тенденции в изменении содержа ния окисленного и восстановленного глутатиона под действием магнитного поля, в темноте, во всех случаях, отношение содержания окисленного глу татиона к восстановленному было выше, чем на свету (Табл. 1). Это свиде тельствует о том, что в темновых проростках в ПМП происходит увеличение той части глутатионового пула, которая не выполняет непосредственных ан тиоксидантных функций и, в целом, приводит к снижению эффективности работы этого звена антиоксидантной системы.

Для того, чтобы оценить характер действия ПМП на световые проростки в сравнении с темновыми, удобно воспользоваться показателем С/Т отно шением изучаемого параметра в световых проростках к таковому в темновых.

Анализируя таким способом активность антиоксидантных ферментов (Рис.

10) в проростках, выращенных при разной индукции ПМП, мы выявили ряд тенденций.

Минимальные значения отношения С/Т для активности супероксиддис мутазы на первые сутки приходились на 310 и 620 мкТл. На 2-е и 3-и сутки они смещались к меньшим значениям индукции 35 и 325 мкТл. На 4-е сутки один из минимумов выходил за пределы используемого в эксперимен те диапазона индукций, а оставшийся смещался к меньшей величине мкТл.

Аналогичным образом ПМП действовало и на отношение С/Т активно сти каталазы. На 1-е сутки помимо минимума в контроле, наблюдался ми нимум при 620 мкТл. На 2-е сутки этот минимум смещался к 390 мкТл, на 3-и сутки к 325 мкТл, а на 4-е он обнаруживался при величине индукции равной индукции геомагнитного поля.

Таким же образом изменялось отношение С/Т активности пероксидазы.

Минимум этой величины на 1-е сутки наблюдался при 620 мкТл, на 2-е сутки при 390 мкТл, на 3-и сутки при 310 и на 4-е сутки при 185 мкТл.

Такой скачок в соотношении во всех случаях обуславливается в первую очередь снижением активности на свету как по сравнению с таковой в тем ноте, так и по сравнению с соседними “световыми” значениями. Т.е. в све товых проростках под действием ПМП с определенной величиной индукции происходит срабатывание некоего триггерра, которое вызывает резкое сниже ние активности ферментов по сравнению с таковой, обусловленной прочими внешними факторами. Причем характер срабатывания этого триггера носит дозовую зависимость при более высоких значениях индукции срабатыва ние происходило раньше, а более низким индукциям требовался более долгий промежуток времени для проявления этого эффекта.

Примечательно, что данный эффект действия ПМП проявлялся уже на 1-е сутки. Учитывая, что к этому моменту только начинается наклевывание семян, можно предположить, что качественные различия между световым и темновым вариантами еще отсутствуют. Под качественными различиями мы понимаем наличие веществ или структур, отличающих их друг от друга.

Рис. 10. Отношение С/Т для активности ферментов при действии ПМП с индукцией 185–650 мкТл.

Исходя из этого, можно предполо жить, что подобная реакция связана с механизмами и процессами рецеп ции света, например, через фитохро мы и криптохромы. Для последних теоретически обоснована /Solovyov et al., 2007/ и показана /Ahmad et al., 2007/ чувствительность к действию ПМП.

Помимо данного эффекта, ПМП в широком диапазоне индукций вы зывает и другие разнообразные, от личные от контроля реакции как антиоксидантов, так и в активно сти антиоксидантных ферментов. На Рис. 11. Зависимость вероятности S-T-пере данный момент существует несколь ходов (Р) от величины индукции магнитного ко гипотез о механизме действия поля (B). B0 величина индукции магнитно ПМП на живые организмы, способ го поля равная СТВ-константе ных объяснить высокую изменчи вость реакции компонентов антиоксидантной системы на магнитное поле.

В модели, предложенной Аристарховым /2003/, магнитное поле влия ет на вероятность рекомбинации радикальных пар и, соответственно, может менять эффективность работы ферментов, в катализе которых присутству ют стадии с участием свободных радикалов. Величина эффекта определя ется константой сверхтонкого взаимодействия (СТВ-константой), индивиду альной для каждого радикала и являющейся величиной индукции ПМП, при которой вероятность рекомбинации радикалной пары максимальна. Для дан ного механизма теоретически предсказывается экстремальная зависимость эффектов в полях, сравнимых по величине индукции с локальным полем СТВ (рис.11). Соответственно, величина биологического эффекта также мо жет иметь подобную экстремальную зависимость.

Активность антиоксидантного фермента или концентрация низкомолеку лярного аниоксиданта является суммарным ответом, опосредованным через системы внутриклеточной регуляции и сигнализации. Поэтому “ответствен ными” за происходящие изменения могут быть сразу несколько реакций с участием разных свободных радикалов и, соответственно, с разными СТВ константами, определяющими эффективную величину индукции. При этом стоит учитывать и свободнорадикальные реакции, катализируемые самими антиоксидантными ферментами.

Рис. 12. Условная схема действия ПМП различной индукции на биологический эффект (по Аристархову). K1, K2, K3 СТВ-константы для радикалов R1, R2, R3, соответственно.

Пунктирной линией обозначен суммарный биоэффект. Ось абсцисс индукция ПМП, ось ординат величина эффекта.

Таким образом, сложное и нелинейное поведение компонентов антиокси дантной системы является результатом суперпозиции сразу нескольких эф фектов магнитного поля на свободнорадикалные реакции со своими СТВ-кон стантами (Рис. 12).

Однако, СТВ-константы, на данный момент, известны лишь для неболь шого количества простых неорганических свободных радикалов. И поэтому установить конкретныые свободнорадикальные реакции, являющиеся причи ной этих изменений, не представляется возможным.

Другой причиной лабильности компонентов антиоксидантной системы может являться совместное действие используемого нами ПМП с фоновым электромагнитным излучением окружающей среды как естественного, так и антропогенного происхождения. Механизм такого совместного действия опи сывается резонансными моделями, например, моделью ион-параметрического резонанса /Lednev, 1991/. Значения биологически эффективных частот для переменной составляющей поля определяется следующим выражением:

резонансная частота переменной компоненты; (Герц); q заряд иона (Кулон); m масса иона (килограмм); BDC магнитная индукция постоян ной компоненты (Тесла); n целое число, равное 1, 2, 3....

Из выражения видно, что для каждого иона и для каждой конкретной величины индукции ПМП может существовать своя биологически эффектив ная частота. Кроме того, спектр фонового электромагнитного излучения до вольно широк, а биологический эффект может быть обусловлен изменением поведения сразу нескольких биологически важных ионов (Ca2+, K+, Mg2+, H+, а также кофакторов антиоксидантных ферментов).

Рис. 13. Условная схема действия ПМП различной индукции на биологический эффект (по Ледневу). I1, I2 резонансы для первого иона, J1, J2 резонансы для второго иона.

Пунктирной линией обозначен суммарный биоэффект. Ось абсцисс индукция ПМП, ось ординат величина эффекта.

Учитывая это, можно предположить, что лабильность реакции антиок сидантной системы является результатом суперпозиции нескольких резонанс ных эффектов дествия МП на различные ионы (Рис. 13).

Определенную трудность в изучении эффекта МП составляет то, что оно не проявляет выраженного летального действия, что не позволяет опре делить некие “зоны комфорта”, а также однозначно отметить позитивное или негативное действие поля. Несмотря на нелетальный характер действия по ля, слабое ПМП, модифицируя ответ антиоксидантной системы на другие стрессовые факторы, может играть решающую роль в процессе выживания растений на ранних этапах развития. Действие ПМП в течение всего жиз ненного цикла растений приводит к значительному изменению структуры урожая, которая выражается в том, что часть популяции получает преиму щества в репродуктивной функции по сравнению с остальными растениями.

Например, увеличение количества семян отмечено у ЗВ МОТ в 2009 г в от личие от СЮ МОТ, у которого количество зрелых семян уменьшалось.

В отличии от многих других факторов (радиация, действие тяжелых металлов, высоких температур и др.), МП не обладает однозначной прямой зависимостью “доза-эффект”. Разнонаправленный характер такого действия как проистекает из ряда теоретических выкладок по возможным механизмам действия МП, так и подтверждается экспериментально.

Наблюдаемые нами эффекты вероятнее всего вызваны не только самим МП непосредственно, но и являются физиологической реакцией, опосредо ванной через системы сигнализации и регуляции растения. В рамках такого подхода представляет интерес экологический аспект - оценка адаптивных спо псобностей растения и возможность их модификации под действием МП.

Таким образом, действие МП зависит не только от характеристик самого поля (индукция, направление, градиент), но и от физиологического статуса растений: реакция световых и темновых проростков различалась, так же как и у проростков разного возраста, что, по-видимому, связано с наличием или отсутствием, появлением или исчезновением тех или иных структур, являю щихся мишенью действия магнитного поля.

1. Слабое горизонтальное ПМП в диапазоне 185–650 мкТл изменяло ак тивность антиоксидантных ферментов и количественное соотношенеие компонентов неферментативной антиоксидантной системы проростков редиса по сравнению с ГМП.

2. Реакция антиоксидантной системы на действие слабого постоянного магнитного поля зависит от возраста проростков редиса, что связано с появлением или исчезновением в процессе развития проростка струк тур, являющихся мишенью магнитного поля. Эта реакция отличается у темновых (этиолированных) и световых проростков, что связано с их различиями в организации и регуляции метаболизма.

3. Показано, что, несмотря на противоречивый характер действия на ди намику содержания МДА на свету в диапазоне 1–6 клк и в темноте, от ношение содержания МДА на свету к его содержанию в темноте (С/Т) в ПМП ниже, чем в контроле. В пределах применявшегося в исследова ниях диапазона интенсивностей света не было обнаружено явной зави симости накопления МДА от освещенности.

4. Несмотря на отсутствие определенной тенденции в действии ПМП на содержание окисленного и восстановленного глутатиона, поле увеличи вает отношение окисленного глутатиона к восстановленному в темноте и уменьшает на свету, что свидетельствует об уменьшении рабочего пу ла глутатиона в темноте и его увеличении на свету.

5. При длительном воздействии, в течение всего онтогенеза, ПМП тормо зило образование очередных листьев и прохождение стадий онтогенеза у растений редиса (стрелкование, бутонизация, цветение, плодоноше ние) и изменяло структуру урожая семян количество зрелых семян у СЮ МОТ уменьшалось вдвое, тогда как у ЗВ МОТ их количество увеличилось на 20%.

6. Биологический эффект магнитного поля на антиоксидантную систему является результатом сложного наложения многих разнонаправленных процессов. Они включают в себя как непосредственное физическое дей ствие ПМП, идущее, вероятно, по нескольким механизмам, так и физио логический ответ растения, опосредованный через системы внутрикле точной сигнализации и регуляции, включая компенсационные реакции, направленные на восстановление гомеостаза.

7. Слабое ПМП является для растений экологически значимым фактором, модифицирущим ответ антиоксидантной системы на другие стрессовые факторы, что может играть решающую роль в выживании растений на ранних этапах развития, и приводить к изменению стркутуры урожая при длительных экспозициях.

Список публикаций 1. Новицкий Ю. И., Новицкая Г. В., Сердюков Ю. А. и др. Действие слабого постоянного магнитного поля на перекисное окисление липидов пророст ков редиса // Организация и регуляция физиолого-биохимических про цессов / Под ред. А. Т. Епринцева. Воронеж: Центрально-черноземное книжное изд-во, 2010. Т. 12. С. 19–27.

2. Сердюков Ю. А., Новицкий Ю. И. Действие слабого постоянного маг нитного поля на активность антиоксидантных ферментов у проростков редиса. // Физиология растений. 2013. Т. 60. С. 66–74.

3. Новицкий Ю. И., Новицкая Г. В., Молоканов Д. Р., Сердюков Ю. А. Раз витие вегетативных и генеративных органов у магнитоориентационных типов редиса в слабом постоянном магнитном поле // Экология. 2014.

(В печати).

4. Новицкий Ю. И., Новицкая Г. В., Сердюков Ю. А. и др. Действие слабого постоянного магнитного поля на перекисное окисление липидов пророст ков редиса // Биофизика. 2014. (В печати).

5. Сердюков Ю. А., Новицкий Ю. И. Динамика содержания пролина в про растающих семенах редиса под действием слабого постоянного магнит ного поля. // Тезисы докладов Международного Конгресса Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине. Санкт-Петер бург, Россия: 2009. С. 90.

6. Сердюков Ю. А., Новицкий Ю. И. Некоторые закономерности действия слабого постоянного магнитного поля на антиоксидантную систему про ростков редиса. // Тезисы докладов Всероссийского симпозиума Расте ние и стресс. Москва, Россия: 2010. С. 317–318.

7. Новицкий Ю. И., Сердюков Ю. А. Зависимость содержания пролина и МДА в проростках редиса от напряженности слабого постоянного магнит ного поля. // VII Съезд Общества физиологов растений России (тезисы докладов). Нижний Новгород, Россия: 2011. С. 626–627.

8. Сердюков Ю. А., Новицкий Ю. И. Действие слабого постоянного маг нитного поля на антиоксидантные ферменты 5-дневных проростков реди са. // Тезисы докладов Международного Конгресса Слабые и сверхсла бые поля и излучения в биологии и медицине. Санкт-Петербург, Россия:

2012. С. 60.

9. Сердюков Ю. А., Новицкий Ю. И. Зависимость активности антиокси дантных ферментов проростков редиса от величины индукции слабого постоянного магнитного поля. // IV Съезд биофизиков России (тезисы докладов). Нижний Новгород, Россия: 2012. С. 207.

10. Сердюков Ю. А., Новицкий Ю. И. Действие слабого постоянного маг нитного поля на активность антиоксидантных ферментов проростков ре диса // Всероссийская конференция “Инновационные направления совре менной физиологии растений” (тезисы докладов). Москва: 2013. С. 237.

11. Сердюков Ю. А., Новицкий Ю. И. Действие слабого постоянного магнит ного поля на антиоксидантную систему проростков редиса. // X Между народная конференция "Космос и биосфера"(тезисы докладов). Кокте бель, Украина: 2013. С. 118–119.

12. Новицкий Ю. И., Новицкая Г. В., Сердюков Ю. А. и др. Действие слабого постоянного магнитного поля на развитие вегетативных и генеративных органов магнитоориентационных типов редиса // XIII Делегатский съезд Русского ботанического общества. Т. 3. Тольятти: 2013. С. 234–235.