Comprehensive Analysis of Biochemical Adaptations of Balsamic Poplar (Populus balsamifera L.) to Technogenic Stress in Sanitary Protective Plantations

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A comprehensive study of the biochemical adaptations of balsam poplar (Populus balsamifera L.) growing in sanitary protection plantations of the Sterlitamak Industrial Center (SIC) was conducted. A deterioration in the vital condition of balsam poplar under conditions of industrial pollution was established. An increase in the content of gross forms of heavy metals in the soils of the industrial zone was detected, with maximum concentrations in the surface layer (0–20 cm). It was found that an excess of some heavy metals leads to a decrease in the magnesium content in poplar leaves under SIC conditions. In the zone of the highest concentration of toxicants (2–3 km from sources of petrochemical and chemical pollution), an increase in the level of hydrogen peroxide in the leaves by 41.22% was recorded compared to the conditional control zone (10–15 km from the industrial zone). Industrial emissions from city enterprises stimulated oxidative processes in poplar leaves, manifested by an increase in malondialdehyde content (by 33.73%) compared to the conditional control zone. A decrease in flavonol content and catalase activity, an enzyme in the plant antioxidant system, was demonstrated under SIC conditions. Apparently, under stress, plants utilize catalases, flavonols, and other phenolic compounds to reduce the intensification of lipid peroxidation processes. It was found that under SIC pollution, the decrease in flavonols can be compensated for by an increase in anthocyanins. During the active growing season (June-July), a decrease in chlorophyll content was recorded in the leaves of trees in the industrial zone compared to the control zone. It is concluded that technogenic pollution leads to the accumulation of heavy metals in soils, the development of oxidative stress, and the restructuring of the antioxidant system in poplar leaves. A decrease in chlorophyll content can serve as a diagnostic sign of physiological damage to balsam poplars due to exposure to industrial pollution. The detected biochemical changes represent a complex of adaptive responses by plants to industrial stress.

About the authors

R. Kh. Giniyatullin

Ufa Institute of Biology, Ufa Federal Research Centre, Russian Academy of Sciences

Ufa, Russian Federation

R. S. Ivanov

Ufa Institute of Biology, Ufa Federal Research Centre, Russian Academy of Sciences

Email: ivanovirs@mail.ru
Ufa, Russian Federation

References

  1. Samusik E.A., Marchik T.P., Golovaty S.E. Intensity of oxidative processes and activity of the antioxidant system in the leaves of woody plants growing under conditions of technogenic pollution. Sotsial'no-ekologicheskie tekhnologii. 2022. Vol. 12. No. 4. P. 418. (In Russ.) https://doi.org/10.31862/2500-2961-2022-12-4-418
  2. Tyulkova E.G. Influence of technogenic conditions on the content of photosynthetic pigments of woody plants of different age groups. Vestnik Brestskogo gosudarstvennogo universiteta. 2019. No. 1. P. 52. (In Russ.)
  3. Giniyatullin R. Kh., Ivanov R.S. Assessment of the condition of balsam poplar stands (Populus balsamifera L.) and the nature of anthocyanin accumulation in the leaves of healthy and severely weakened trees under conditions of industrial pollution. Agrarnaya Rossiya. 2024. No. 7. P. 29. (In Russ.) https://doi.org/10.30906/1999-5636-2024-7-29-35
  4. Государственный доклад “О состоянии природных ресурсов и окружающей среды Республики Башкортостан в 2022 году”. Уфа, 2023. 318 с.
  5. Negrão S., Schmöckel S.M., Tester M. Evaluating physiological responses of plants to salinity stress // Ann. Bot. 2017. V. 119. P. 1. https://doi.org/10.1093/aob/mcw19
  6. Zagoskina N.V., Nazarenko L.V. Reactive oxygen species and the antioxidant system of plants. Vestnik Moskovskogo gorodskogo pedagogicheskogo universiteta. Seriya: Estestvennye nauki. 2016. No. 2. P. 9. (In Russ.)
  7. Mittler R. Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance // Trends Plant Sci. 2002. V. 7. P. 405. https://doi.org/10.1016/s1360-1385(02)02312-9
  8. Anjum N.A., Sharma P., Gill S.S., Hasanuzzaman M., Khan E.A., Kachhap K., Mohamed A.A., Thangavel P., Devi G.D., Vasudhevan P., Sofo A. Catalase and ascorbate peroxidase — representative H2O2-detoxifying heme enzymes in plants // Environ. Sci. Pollut. Res. 2016. V. 23. P. 19002. https://doi.org/10.1007/s11356-016-7309-6
  9. Bukharina I.L., Gibadullina I.I. Content of photosynthetic pigments in the leaves of small-leaved linden in the urban environment of Naberezhnye Chelny. Lesovedenie. 2021. No. 1. P. 52. (In Russ.)
  10. Rostunov A.A., Konchina T.A. The influence of technogenic pollution on the physiological parameters of woody plant leaves on the example of the city of Arzamas. Izvestiya Irkutskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Biologiya, ekologiya. 2016. Vol. 15. P. 68. (In Russ.)
  11. Удовенко Г.В. Устойчивость растений к абиотическим стрессам // Теоретические основы селекции растений. Т. 2. Санкт-Петербург: ВИР, 1995. С. 293.
  12. Serebryakova N.E. Karaseva M.A., Karasev V.N., Granitsa Yu.V. Diagnostics of the viability of woody plants in Nizhnekamsk by the activity of the catalase enzyme. Rossiyskiy zhurnal prikladnoy ekologii. 2015. No. 4. P. 39. (In Russ.)
  13. Sarsatskaya A.S. Content of photosynthetic pigments in tree species of urban plantings. Vestnik KemGU. Seriya: Biologicheskie, tekhnicheskie nauki i nauki o Zemle. 2017. No. 4. P. 9. (In Russ.) https://doi.org/10.21603/2542-2448-2017-4-9-14
  14. Использование кернов в лесоводственных исследованиях: методические рекомендации // Ленинг. НИИ лесн. хоз-ва. Ленинград: ЛенНИИЛХ, 1988. 43 с.
  15. Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение // Под ред. В.А. Алексеева. Л.: Наука, 1990. 200 с.
  16. Методика количественного химического анализа. Определение As, Cd, Co, Cr, Cu, Hd, Mn, Pb, Sb, Tm (кислотно-растворимые формы) в почвах и донных отложениях атомно-абсорбционным методом. СПб., 2005. 12 с.
  17. Hill S.J., Fisher A.S. Atomic absorption, methods and instrumentation // Encyclopedia of spectroscopy and spectrometry // Ed. J.C. Lindon. Elsevier Publ. 2017. P. 37. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803224-4.00099-6
  18. Kurganova L.N., Veselov A.P., Sinitsyna Yu.V., Elikova E.A. Lipid peroxidation products as possible mediators between the effect of elevated temperature and the development of stress response in plants. Fiziologiya rasteniy. 1999. Vol. 46. p. 218. (In Russ.)
  19. Korolyuk M.A., Ivanova L.I., Mayorova I.G., Tokarev V.E. Method for determining catalase activity. Laboratornoe delo. 1988. No. 1. p. 16. (In Russ.)
  20. Giniyatullin R. Kh. Biogeochemical activity of woody species in the absorption of manganese, cadmium, lead, nickel in the zone of the highest concentration of toxicants of the industrial center and in the conditional control zone. Izvestiya Ufimskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy Akademii nauk. 2025. No. 1. P. 52. (In Russ.) https://doi.org/10.31040/2222-8349-2025-0-1-52-59
  21. Томпсон Л.М., Троу Ф.Р. Почвы и их плодородие. М.: Колос, 1982. 462 с.
  22. Akanova N.I., Kozlova A.V., Mukhina M.T. The role of magnesium in the plant nutrition system. Agrokhimicheskiy vestnik. 2012. No. 6. P. 66. (In Russ.) https://doi.org/10.24412/1029-2551-2021-6-014
  23. Foroughi M., Hoffmanr G., Teicher K., Venter F. Der erklung steigender gaben von blei, cadmium, chrom, nickel oder zink auf Kopfsalat nach kultur in nahrosund. Landwirt. Forschg. 1975. Bd.28, Sonderh.31/2/S. 206.
  24. Устойчивость к тяжелым металлам дикорастущих видов // Под ред. Н.В. Алексеевой-Поповой. Ленинград, 1991. 213 с.
  25. Garifzyanov A.R. Formation of hydrogen peroxide and manifestations of oxidative stress in leaves of woody plants under industrial pollution conditions. Fundamental'nye issledovaniya. 2012. No. 1. P. 151. (In Russ.)
  26. Korshikov I.I., Kotov V.S., Mikhenko I.P., Ignatenko A.A., Chernyshova L.V. Interaction of plants with technogenically polluted environment. Ustoychivost', fitoindikatsiya. Optimizatsiya. Kyiv: Naukova Dumka. 1995. P. 175. (In Russ.)
  27. Dubrovina O.A., Zubkova T.V., Vinogradov D.V., Gogmachadze G.D. Bioaccumulation of heavy metals in needles of prickly spruce (Picea pungens) and western thuja (Thuja occidentalis) and the defense response of plants to environmental stress [Electronic resource]. AgroEcoInfo: Elektronnyy nauchno-proizvodstvennyy zhurnal. 2023. No. 3. https://doi.org/10.51419/202133309
  28. Voskresenskaya O.L., Sarbaeva E.V., Starikova E.A. Changes in the activity of antioxidant enzymes in introduced conifers in an urban environment. Vestnik Ul'yanovskoy gosudarstvennoy sel'skokhozyaystvennoy akademii. 2015. No. 2. p. 56.
  29. Reshetnik G.V., Zadiranova N.S., Serov A.V. Activity of antioxidant enzymes in germinating wheat seeds (Triticum aestivum L.) exposed to lead nitrate. Uchenye zapiski Krymskogo federal'nogo universiteta imeni V.I. Vernadskogo. Seriya: Biologiya. Khimiya. 2017. Vol. 3. p. 37.
  30. Amirjani M.R. Effects of cadmium on wheat growth and some physiological factors // Int. J. Forest Soil Erosion. 2012. V. 2. P. 50.
  31. Farafontov M.G. Bioindicator properties of chlorophyll under conditions of exposure to pollutants of uncertain composition. Ekologiya. 1999. No. 5. P. 76. (In Russ.)
  32. Koltunov E.V. The influence of airborne anthropogenic pollution on the composition and content of phenolic compounds in the needles of Scots pine (Pinus sylvestris L.) under urbanization. Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya. 2019. No. 9. P. 19. (In Russ.)
  33. Marquez-Garcia B., Angeles-Fernandez-Recamales M., Cordoba F. Effects of cadmium on phenolic composition and antioxidant activities of Erica andevalensis // J. Bot. 2012. V. 2012. P. 1. https://doi.org/10.1155/2012/936950
  34. Petukhov A.S., Kremleva T.A., Petukhova G.A., Khritokhin N.A. Antioxidant response of herbaceous plants of various species to environmental pollution with heavy metals. Vestnik Nizhnevartovskogo gosudarstvennogo universiteta. 2024. No. 2. P. 25. (In Russ.) https://doi.org/10.36906/2311-4444/24-2/03
  35. Sereda L.N., Tsvetov N.S., Drogobuzhskaya S.V., Zhirov V.K. Change in the content of total flavonoids in Vaccinium myrtillus in the gradient of technogenic pollution in the central part of the Kola Peninsula. Ekosistemy. 2023. No. 34. P. 163. (In Russ.)
  36. Petukhov A.S., Khritokhin N.A., Petukhova G.A., Kremleva T.A. Phenolic plant protection system under conditions of environmental pollution by heavy metals in Tyumen. Uchenye zapiski Kazanskogo universiteta. Seriya: Estestvennye nauki. 2019. Vol. 161, book I. P. 93. (In Russ.)
  37. Farrant J.M., Willigen C.V., Loffell A., Bartsch S., Whittaker A. An investigation into the role of light during desiccation of three angiosperm resurrection plants // Plant Cell Environ. 2003. V. 26. P. 1275. https://doi.org/10.1046/j.0016-8025.2003.01052.x
  38. Hale K.L., Tufan H.A., Picerking I.J. Anthocyanins facilitate tungsten accumulation in Brassica // Plant Physiol. 2002. V. 116. P. 351. https://doi.org/10.1034/j.1399-3054.2002.1160310.x
  39. Neill S.O., Gould K.S., Kilmartin P.A., Mitchell K.A., Markham K.R. Antioxidant activities of red versus green leaves in Elatostema rugosum // Plant Cell Environ. 2002. V. 25. P. 539. https://doi.org/10.1046/j.1365-3040.2002.00837.x
  40. Chupakhina G.N., Maslenikova R.V., Skrypnik L.N., Besserezhnova M.I. Response of the pigment and antioxidant systems of plants to environmental pollution in Kaliningrad by vehicle emissions. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya. 2012. No. 2. P. 171.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».