Регистрация / Вход
Прислать материал

Определение лабильных форм ионов цинка в тканях растений с помощью флуоресцентных сенсоров

Сведения об участнике
ФИО
Козлов Михаил Александрович
ФИО (на английском языке)
Kozlov Mikhail
Название организации
ФГБУН Институт органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН
Тезисы
Название
Определение лабильных форм ионов цинка в тканях растений с помощью флуоресцентных сенсоров
Название (на английском языке)
Determination of labile forms of zinc ions in plant tissues by fluorescent probes
Соавторы (ФИО, организация, город, страна)
Волкова Юлия Алексеевна, ИОХ РАН, Москва, Россия; Злобин Илья Евгеньевич, ИФР РАН, Москва, Россия; Карташов Александр Валерьевич, ИФР РАН
Соавторы (на английском языке)
Volkova Yulia, ZIOC RAS, Moscow, Russia; Zlobin Ilya, IPP RAS, Moscow, Russia; Kartashov Alexandr, IPP RAS, Moscow, Russia
Содержание

Введение

Тяжелые металлы (ТМ) являются одними из самых опасных загрязнителей городских почв. Обладая высокой химической токсичностью и характеризуясь длительным периодом полуудаления, они представляют опасность не только для человека, но и для растительных организмов.[1] В частности, цинк способен вызывать у растений ингибирование фотосинтеза, нарушение транспорта ассимилятов и минерального питания, изменение водного и гормонального статусов организма и торможение роста.[2] Степень токсического действия цинка на растение определяется той фракцией металла, которая находится в цитоплазме в лабильной и реакционноспособной форме, т.е. либо в виде свободных ионов, либо в виде относительно непрочных растворимых комплексов с низкомолекулярными органическими соединениями, такими как органические кислоты, глутатион и т.д.[3] В связи с этим, при проведении экологического мониторинга зеленых насаждений мегаполиса актуально оценивать не только суммарное содержание цинка в растительных тканях, но и наличие в растениях свободных («подвижных») или непрочно связанных с органическими соединениями ионов Zn2+. Настоящая работа была направлена на разработку эффективного метода оценки степени техногенного загрязнения растений ионами цинка.

Методы

На сегодняшний день единственным известным инструментом для определения временной и пространственной динамики лабильных форм ТМ в живых клетках являются флуоресцентные маркеры – соединения, для которых характерно значительное изменение уровня флуоресценции в результате связывания с ионами металлов.[4] Из числа современных флуоресцентных систем как наиболее подходящие для реализации поставленной цели по своим физико-химическим характеристикам были выбраны красители 4,4-дифтор-4-бор-3а,4а-диазо-s-индаценового ряда (далее - сокращённо BODIPY). Выбор был обусловлен тем фактом, что BODIPY характеризуются высокими значениями коэффициентов поглощения в УФ-диапазоне, острой формой линий в спектрах флуоресценции, относительно высокими значениями квантовых выходов, устойчивостью при физиологических значениях pН, химической инертностью и хорошо предсказуемыми на основании структуры флуоресцентными свойства [5]. При разработке оригинальной флуоресцентной пробы для определения лабильных форм цинка в тканях растений, были использованы общие приемы органического синтеза, ЯМР-спектроскопия, МАСС-спектрометрия, флуориметрия, световая и флуоресцентная микроскопия.

Результаты

На первом этапе выполнения работы была осуществлена сборка 2,6-диэтил-1,3,5,7-тетраметил-4,4-дифтор-4-бор-3a,4a-диазаиндеценового каркаса, содержащего в мезо-положении хлорметильный заместитель 3. Синтез был реализован в две стадии путем конденсации 2,4-диметил-3-этилпиррола 1 с хлорацетилхорилом 2 и последующим комплексообразовании с BF3·Et2O (Схема 1). Для детектирования ионов цинка в молекулу BODIPY 3 по мезо-положению была введена хелатирующая группа - бис(2-пиридилметил)амин, известная как селективный лиганд на ионы цинка,[6] что впервые позволило получить сенсор на цинк ZS-1.

Схема 1. Синтез соединения ZS-1.

Для соединения ZS-1 были изучены основные фотохимические, как в свободном состоянии, так и в виде комплексов с ионами различных металлов (Zn2+, Cu2+,Pb2+, Ni2+, Co2+); показана его селективность по отношению к ионам Zn2+.

Взаимодействие красителя с ионами цинка было исследовано in vitro методом флуориметрического титрования раствора красителя в 100%-м ацетонитриле с использованием раствора трифлата цинка. Обнаружено, что молекулы красителя взаимодействовали с ионами цинка в соотношении 1:1, а уровень флуоресценции молекул красителя при связывании с ионами металла возрастал примерно в 3.2 раза.

После этого краситель был использован для детектирования изменения уровня лабильного цинка в корнях растений, произраставших в условиях избытка цинка. Было обнаружено, что в условиях избыточного содержания цинка в питательной среде значительно возрастало содержание лабильного цинка в клетках ризодермы корня по сравнению с корнями контрольных растений (Рис.1А). Одновременно с этим в условиях избытка цинка отмечалось нарушение целостности мембран клеток ризодермы корня (рис.1Б) и снижение активности внутриклеточных эстераз (рис. 1В), свидетельствовавшее о снижении уровня жизнеспособности клеток корня.

Таким образом, возрастание содержания лабильных форм цинка в тканях приводило к развитию в них повреждающих эффектов избытка цинка.

Заключение

Таким образом, нами был разработан селективный флуоресцентный сенсор для индикации лабильных форм цинка в тканях растений.  Его достоинствами являются, высокое пространственное разрешение, чувствительность и стабильность при физиологических рН, что делает его перспективным инструментом для оценки уровня накопления цинка различными компартментами органов растений и определения роли отдельных тканей в накоплении ионов цинка.

Список литературы

1. Limura R., Ito H., Chino M. Proc. Inst. Sem. Tokyo. 1977. p. 357-364.

2. Ricachenevsky F.K., Menguer P.K., Sperotto R.A., Fett J.P. Plant Sci. 2015, 236, 1-17.

3. А.Ф. Титов, В.В. Таланова, Н.М. Казнина, Г.Ф. Лайдинен. Институт биологии КарНЦ РАН. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. 172 с.

4. JinfuZhao, BryanA. Bertoglioa, MichaelJ. DevinneyJr, KirkE. Dineley, andAlanR. Kay. Anal Biochem.2009, 384, 34–41.

5. H. Kobayashi, M. Ogawa, R. Alford, P.L. Choyke, Y. Urano. New Strategies for Fluorescent Probe Design in Medical Diagnostic Imaging.Chem. Rev.2010, 110, 2620–2640.

6. (a) Hancock, R. D. J. Chem. Educ.1992, 69, 615−621. Steed, J. W., Atwood, J. L. Supromolecular Chemistry; A John Wiley and Sons, Ltd., Publication: New York, 2009; pp 17−22 and 129−140. (b) Mizukami, Sh.; Okada, S.; Kimura, S.; Kikuchi, K. Inorg. Chem.2009, 48, 7630−7638. (c) Goldsmith, Ch. R.; Lippard, S. J. Inorg. Chem.2006, 45, 555−561 (d) Xu, Zh.; Yoon, J.; Spring, D. R. Chem. Soc. Rev.2010, 39, 1996−2006.

Благодарности
Не заполнено