CHANGES OF CUTICLE SURFACE LIPIDS OF POPULUS ITALICA AND BETULA PENDULA CAUSED BY POLLUTION

O. M. Zubrovskaya, V. M. Gryshko

Abstract


Arboreal plants intensively accumulate heavy metals, resulting in a corresponding revocation level of physiological processes. The lipid components operate an important role in the formation of plant resistance. Therefore, it was very important to determine the characteristics of lipid peroxidation flow in leaves of arboreal plants, and changes in the composition of cuticle surface lipids at different levels of heavy metal accumulation.

Research objects were Populus italica (Du Roi) Moench and Betula pendula Roth. of second age group, growing on the industrial site РJSC ‘Kryvyi Rig Factory of minium’ (with strong contamination) and in the arboretum of Kryvyi Rig Botanic Garden, National Academy of Science of Ukraine (conventional control). Leaves were taken from the middle of the crown southwest exposure in phase of leaf full separation and 5-10 day of phase finishing point of their growth.

It was shown that P. italica maximally accumulated zinc, content of which was increased in the phase of leaf full separation and on 5-10 day of phase of leaf growth finishing point relative to the control to 12,6 and 23 times respectively. The accumulation level of heavy metals was typically less significant for assimilation organs of B. pendula compared to P. italica. Thus, the content of zinc and lead in the leaves during the study increased only in 2 times towards control. The leaves of B. pendula, unlike P. italica, more intensively accumulated cadmium in the phase of leaf full separation and on 5-10 day of phase finishing point of their growth (it was 6 and 15 times higher relative to control respectively). It was obviously connected to the fact that the surface texture of poplar leaves may cause intense sticking of dust particles containing heavy metals and penetration into the leaves.

The effect of heavy metals in both phases of leaf morphogenesis caused an increase in lipid peroxidation by 40-52% for P. italica and almost by 3 times for B. pendula. Furthermore, we marked special patterns for these species towards changes in the composition of the surface cuticle lipids in their leaves. In P. іtalica we marked decrease of heterogeneity in its composition (not identified triglycerides). In B. pendula we registered greater amount of low molecular weight components (sterols and free fatty acids). The leaves of P. italica were characterized by increased content of phospholipids and diglycerides, while its level was insignificantly decreased in B. pendula. Common specific feature of these species was increasing of sterol ester content in all the phases of leaves morphogenesis.

Key words: Populus italica, Betula pendula, heavy metals, TBK-active products, surface lipids, cuticle.


Full Text:

PDF

References


Антонюк Т.М. Фенольні та ліпідні компоненти різних за акліматизаційною здатністю видів роду Rhododendron L.: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. біол. наук : спеціальність 03.00.12 «Фізіологія рослин» / Т.М. Антонюк. – К., 2011. – 18 с.

Берзеніна О.В. Методи дослідження поверхневих ліпідів рослин / О.В. Берзеніна, Н.І. Штеменко, В.М. Шепеленко // Вісник Дніпропетровського університету. Біологія. Екологія. – 2002. – Вип. 10, Т. 1. – С. 104-108.

Вернигора Е.Г. Эпидермальные структуры интродуцируемых растений в условиях климата южного Приморья: автореф. дис. на соискание уч. степени канд. биол. наук: специальность 03.00.32 «Биологические ресурсы» / Е.Г. Вернигора. – Владивосток, 2009. – 19 c.

Ветчинникова Л.В. Особенности накопления тяжелых металлов в листьях древесных растений на урбанизованных территориях в условиях Севера / Л.В. Ветчинникова, Т.Ю. Кузнецова, А.Ф. Титов // Труды Карельского научного центра РАН. – 2013, № 3. – С. 68–73.

Гиниятуллин Р.Х. Биоконсервация металлов в надземних органах тополя бальзамического в условиях промышленного загрязнения / Р.Х. Гиниятуллин / Вестн. Мос. гос. ун-та леса. Лес. вестн. – 2007. – № 1. – С. 53-56.

Гиниятуллин Р.Х. Экологическая роль березы повислой в ограничении циркуляции металлов в условиях техногенного загрязнения / Р.Х. Гиниятуллин, А.Ю. Кулагин // Известия самарського научного центра РАН. – 2009. – Т. 11, № 1. – С. 223-227.

Глухов О.З. Фітоіндикація металопресингу в антропогенно трансформованому середовищі / О.З. Глухов, А.І. Сафонов, Н.А. Хижняк. – Донецьк: Норд-Пресс, 2006. – 360 с.

Гришко В.М. Важкі метали: надходження в ґрунти, транслокація у рослинах та екологічна небезпека / [В.М. Гришко, Д.В. Сищиков, О.М. Піскова, О.В. Данильчук, Н.В. Машталер]. – Донецьк: «Донбас», 2012. – 303 с.

Гришко В.М. Процеси пероксидного окиснення ліпідів та зміни кількісного і якісного складу поверхневих ліпідів у Populus italica (Du Roi) Moench, Populus deltoides Marsh. та Aesculus hippocastanum L. за різного рівня забруднення важкими металами / В.М. Гришко, О.М. Піскова // Доповіді Національної академії наук України. – 2012. – № 8. – С. 123-130.

Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований) / Б.А. Доспехов. – М.: Агропромиздат, 1985. – 351 с.

Камышников В.С. Справочник по клинико-биохимической лабораторной диагностике: в 2 т. / В.С. Камышников. – Минск: Беларусь, 2000. – Т. 2. – 207 с.

Кейтс М. Техника липидологии / М. Кейтс; [пер. с англ. В.А. Вавера]. – М.: Мир, 1975. – 156 с.

Коршиков И.И. Адаптация растений к условиям техногенно загрязненной среды / И.И. Коршиков. – К.: Наук. думка, 1996. – 238 с.

Копылова Л.В. Накопление тяжелых металлов в древесных растениях на урбанизованных территориях восточного Забайкалья: автореф. диссертации на соискание уч. степени канд. биол. наук: специальность 03.02.08 «Экология» / Л.В. Копылова. – Улан-Уде., 2012. – 23 с.

Кузнецова Т.Ю. Влияние тяжелых металлов на некоторые физиолого-биохимические показатели растений рода Betula L.: автореф. дис. на соискание уч. cтепени канд. биол. наук: специальность 03.00.04. «Биохимия» / Т.Ю. Кузнецова. – Петрозаводск, 2009. – 20 с.

Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. – М.: Б.и., 1989. – 62 с.

Мокров И.В. Биоиндикационное значение флуктуирующей асимметрии листовой пластинки березы повислой (Betula pendula Roth.) в рекреационных зонах крупного промышленного центра и на особо охраняемой природной территории (на примере Нижегородской области): автореф. дис. На соискание уч. степени канд. биол. наук: специальность 03.00.16 «Экология» / И.В. Мокров. – Н. Новгород, 2005. – 24 с.

Новицкая Г.В. Липидный состав листьев в связи с холодостойкостью растений томатов / Г.В. Новицкая, Т.А. Суворова, Т.И. Трунова // Физиология растений. – 2000. – Т. 47. – С. 829-835.

Степанок В.В. Влияние сочетания соединений тяжелых металлов на урожай сельскохозяйственных культур и поступление тяжелых металлов в растения / В.В. Степанок // Агрохимия. – 2000. – № 1. – С. 74-80.

Таран Н.Ю. Ліпіди рослин: Наукове видання / Н.Ю. Таран, О.І. Косик, О.А. Оканенко, Л.М. Бацманова. – К.: Ленвіт, 2006. – 104 с.: іл. – Бібліогр.: С. 85-103.

Таран Н.Ю. Вторинний оксидний стрес як елемент загальної адаптивної відповіді рослин на дію несприятливих факторів довкілля / Н.Ю. Таран, О.А. Оканенко, Л.М. Бацманова, М.М. Мусієнко // Физиология и биохимия культурных растений. – 2004. – Вип. 36, № 1. – С. 3-14.

López-Pérez L. Changes in plasma membrane lipids, aquaporins and proton pump of broccoli roots, as an adaptation mechanism to salinity / L. López-Pérez, M. Del C. Martínez-Ballesta, Ch. Maurel, M. Carvajal // Phytochemistry. – 2009. – V. 70. – P. 492–500.

Clemens S. Toxic metal accumulation, responses to exposure and mechanisms of tolerance in plants / S. Clemens // Biochimie. – 2006. – V. 88. – P. 1707-1719.

Greenberg Ch.S. Rapid single step membrane proteine assay / Greenberg Ch.S., Gaddock Rh.R. // Clin. Chem. – 1982. – V. 28, № 7. – Р. 1726-1728.

Gulz P.-G. Pflanzliche epicuticularischen Lipiden / P.-G. Gulz, R.B.N. Prasad, E. Muller // Zeitschrift für Naturforschung. C, Journal of biosciences. – 1992. – V. 20. – P. 68-71.

Hernandez L.E. Modification of the root plasma membrane lipid composition of cadmiumtreated Pisum sativum / L.E. Hernandez, D.T. Cooke. // Journal of Experimental Botany. – 1997. – V. 48, № 312. – Р. 1375-1381.

Jetter R. Chemical Composition of the Prunus laurocerasus Leaf Surface. Dynamic Changes of the Epicuticular Wax Film during Leaf Development / R. Jetter, S. Schaffer // Plant Physiology. – 2001. – V. 126. – P. 1725–1737.

Kraemer U. Subcellular localization and speciation of nickel in hyperaccumulator and non-accumulator Thlaspi species / U. Kraemer, I.J. Pickering, R.C. Prince, I. Raskin, D.E. Salt // Plant Physiol. – 2000. – V. 122, № 4. – P. 1343-1353.

Kunst L. Biosynthesis and secretion of plant cuticular wax / L. Kunst, A.L. Samuels // Prog. Lipid Res., 2003. – V. 42. – P. 51-80.

Shtemenko N.I. Liposomal forms of rhenium cluster compounds: enhancement of biological activity / N.I. Shtemenko, O.V. Berzenina, D.E. Yegorova, A.V. Shtemenko // Chemistry and biodiversity. – 2008. – V. 5. – P. 1660-1667.

Tomlinson H. Lipid peroxidation, a result of injury in bean leaves exposed to ozone / H. Tomlinson, S. Rich // Phytopathology. – 1970. – V. 60. – P. 1531-1532.

REFERENCES

Antonyuk, T.M. (2011). Phododendron L. species with various potential of acclimatization and their phenol and lipid components. Thesis of doctorial dissertation. Kiev.

Berzenina, O.V., Shtemenko, N.I., Shepelenko, V.M. (2002). Research methods for plant surface lipids. Bulletin of Dnepropetrovsk University. Biology. Ecology. 10(1), 104-108.

Vernigora, Ye.G. (2009). Epidermal structure of introduced plants in the south Primorye climatic conditions. Thesis of Doctoral Dissertation. Vladivostok.

Vetchinnikova, L.V., Kuznetsova, T.Yu., Titov, A.F. (2013). Accumulation pattern of heavy metals in leaves of tree plants in North urban area. Transactions of Karelia Scientific Center. 3, 68–73.

Giniyatullin, R.Kh. (2007). Biological conservation of the metals in surface vegetative organs of balsam poplar under industrial pollution. Bulletin of Moscow State Forest Institute. 1, 53-56.

Giniyatullin, R.Kh., Kulagin, A.Yu. (2009). Ecological role of drooping birch in the limitaion of metal circulation under industrial pollition. Transactions of samara Scientific Center. 11 (1), 223-227.

Glukhov, O.Z., Safonov, A.I., Khizhnyak, N.A. (2006). Phytoindication of metal plessure in industrial-transformed environment. Donetsk: Nord-Press.

Gryshko, V.M., Syshchykov, D.V., Piskova, O.M., Danyl’chuk, O.V., Mashtaler, N.M. (2012). Heavy metals: inflow into the soils, plant translocation and ecological hazards. Donetsk: Donbas.

Gryshko, V.M., Piskova, O.M. (2012). Lipid peroxide oxidation and changes in quintuty and quality of surface lipids of Populus italica (Du Roi) Moench, Populus deltoides Marsh. and Aesculus hippocastanum L. at various level of heavy metals pollution. Reports of National Academy of Sciences of Ukraine. 8, 123-130.

Dospekhov, B.A. (1985). Filed experiment methodic with statistial proccessing. Moscow: Agropromizdat.

Kamyshnikov, V.S. (2000). Reference on clinic and treatment laboratory diagnostics. Minsk: Belarus.

Keyts, M. (1975). Lipidology technique. Moscow: Mir.

Korshykov, I.I. (1996). Plant adaptation to the industrial pollution. Kiev: Naukova dumka.

Kopylova, L.V. (2012). Heavy metals accumulation in tree plants in urban area of Eastern Trans-Baikal. Thesis of Doctoral Dissertation. Ulan-Ude.

Kuznetsova, T.Yu. (2009). Impact of heavy metals on some physiological and biochemical characteristics of genera Betula L. Thesis of Doctoral Dissertation. Petrozavodsk.

Determination of heavy metals in agriculture soils and plant cultivation products. Manual. (1989). Moscow.

Mokrov, I.V. (2005). Fluctuated asymmetry of leaves of drooping birch (Betula pendula Roth.) and its bioindication importance in the recreational area of large industrial city and on protected areas (the case of Nizhegorodskaia oblast). Thesis of Doctoral dissertation. Nizhniy Novgorod.

Novitskaya, G.V., Suvorova, T.A., Trunova, T.I. (2000). Leaf lipid composition and cold tolerance of tomatoes. Plant physiology. 47, 829-835.

Stepanok, V.V. (2000). Combined influence and inflow pattern of heavy metals on agriculture crops. Agrochemistry. 1, 74-80.

Taran, N.Yu., Kosyk, O.I., Okanenko, O.A., Batsmanova, L.M. (2006). Plant lipids. Kiev: Lenvit.

Taran, N.Yu., Okanenko, O.A., Batsmanova, L.M., Musienko, M.M. (2004). Secondary oxide stress as plant common adaptation towards negative environment. Physiology and Biochemistry of Cultivated Plants. 36(1), 3-14.

López-Pérez, L., Martínez-Ballesta, M. Del C., Maurel, Ch., Carvajal, M. (2009). Changes in plasma membrane lipids, aquaporins and proton pump of broccoli roots, as an adaptation mechanism to salinity. Phytochemistry. 70, 492–500.

Clemens, S. (2006). Toxic metal accumulation, responses to exposure and mechanisms of tolerance in plants. Biochimie. 88, 1707-1719.

Greenberg, Ch.S. Gaddock, Rh.R. (1982). Rapid single step membrane proteine assay. 28 (7), 1726-1728.

Gulz, P.-G., Prasad, R.B.N., Muller, E. (1992). Pflanzliche epicuticularischen Lipiden. Zeitschrift für Naturforschung. C, Journal of biosciences. 20, 68-71.

Hernandez, L.E., Cooke, D.T. (1997). Modification of the root plasma membrane lipid composition of cadmiumtreated Pisum sativum. Journal of Experimental Botany. 48 (312), 1375-1381.

Jetter, R., Schaffer, S. (2001). Chemical Composition of the Prunus laurocerasus Leaf Surface. Dynamic Changes of the Epicuticular Wax Film during Leaf Development. Plant Physiology. 126, 1725–1737.

Kraemer, U., Pickering, I.J., Prince, R.C., Raskin, I., Salt, D.E. (2000). Subcellular localization and speciation of nickel in hyperaccumulator and non-accumulator Thlaspi species. Plant Physiol. 122 (4), 1343-1353.

Kunst, L., Samuels, A.L. (2003). Biosynthesis and secretion of plant cuticular wax. Prog. Lipid Res. 42, 51-80.

Shtemenko, N.I., Berzenina, O.V., Yegorova, D.E., Shtemenko, A.V. (2008). Liposomal forms of rhenium cluster compounds: enhancement of biological activity. Chemistry and Biodiversity. 5, 1660-1667.

Tomlinson, H., Rich, S. (1970). Lipid peroxidation, a result of injury in bean leaves exposed to ozone. Phytopathology. 60, 1531-1532.




DOI: http://dx.doi.org/10.15421/20144_23

Article Metrics

Metrics Loading ...

Metrics powered by PLOS ALM

Refbacks

  • There are currently no refbacks.




Since April 2018 Journal changed the editorial policy and starts to be published exclusively in English, and changed its main site into www.ujecology.com

 

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

© 2017 Ukrainian Journal of Ecology. ISSN 2520-2138