CC BY
32
Вюник Дтпропетровського унiверситету. Бюлопя, медицина Visnik Dnipropetrovs'kogo universitetu. Seria Biologia, medicina Visnyk of Dnepropetrovsk University. Biology, medicine
Visn. Dnipropetr. Univ. Ser. Biol. Med. 2014. 5(2), 121-124.
ISSN 2310-4155 print ISSN 2312-7295 online
doi:10.15421/021423
www.medicine.dp.ua
УДК 504.054:633.1
Вплив солi марганцю на рослини Triticum aestivum
О.П. Ткач, М.М. Вакерич, В.1. Ншолайчук
Ужгородський нацюнальний утверситет, Ужгород, Украта
Залежно вiд концентраци важкi метали не тшьки токсичт, а навпаки, можуть бути необхiдними елементами для нормального росту та розвитку рослин. Одним iз таких металiв, який одночасно виступае як мiкроелемент, е манган (марганець). Специфiчна потреба у марганц властива для всiх рослин. Доведено участь даного елемента у перебцу низки фiзiолого-бiохiмiчних процесiв у рослинному органiзмi. Манган у рослин вiдiграе важливу роль в окислювально-вщновних реакцшх, виступае як сильний окисник, як кофактор, е необхiдною складовою багатьох ферментш тощо. Нами достджено вплив передпосiвноi обробки водним розчином сульфату марганцю рiзних концентрац1й на розвиток насшня озимоi пшениц сорту Артемвда. У ходi роботи спостершали як шгь бувальну, так i стимулювальну дiю сiрчанокислого мангану на рют i розвиток культури, залежно вщ концентраци. Вивчали такi роскж процеси: схожiсть насiння, висота проростка, вага рослин та iх кореневих систем. Оптимальна концентращя сульфату марганцю для передпосшжи обробки насшня - 0,001-0,01%. Критичною, за яжи спостерцжться фiтотоксична дiя (пригшчення росту, зменшення бiомаси проростка), е концентращя 0,5-1,0% розчину сульфату марганцю для передпосшнм обробки насiння.
Ключоа слова: аутекологш; озима пшениця; важкi метали; фгготоксичтсть
Specific need in manganese is a characteristic feature of all plants. At present time, participation of this element in functioning in a number of processes and structures in the plant organism is proved. Indispensability of manganese as a component of plant metabolism is evidenced by death of plants aged 2-4 weeks at absolute exclusion of manganese nutrient medium, and symptoms of disorders at all levels of metabolism due to lack of this element. As opposed to symptoms of deficiency which are specific for every element, the signs of excess are more or less the same. In conditions of gradual increase of the concentration of ions as factors of influence, gradual manifestation of plant organism depression is observed: growth inhibition, root dying and leaf chlorosis, etc. Foliar feeding of grain crops including winter wheat with manganese is very important because they have a great need for such elements as manganese and copper. Efficiency of the types of foliar feeding is connected with the mechanisms of penetration of manganese into the plant cells. Unlike other metals, manganese can be mobilized by sprouts from seed integument: metal absorption from wheat seeds lasts till the seventh day. That's why, the aim of our work was to investigate the influence of pre-sowing processing of winter wheat seeds with solutions of different concentrations of manganese sulfate for detection of the optimal concentration and studying of phytotoxic influence of the excess manganese action. Vegetation tests were carried out in the laboratory conditions for performing the studies. Winter wheat seeds were steeped into solutions of manganese sulfate in such concentrations as 0.001%, 0.01%, 0.1%, 0.5% and 1%. After that they were couched in multi-component environment (sod-podzol soil). As a control variant, an experiment without treatment was used. The influence of different concentrations on the growth processes such as seed germination, length of the sprout, weight of the plants and their root system was estimated. It was determined that the optimal concentration of manganese sulfate for the pre-sowing processing was equal to 0.001-0.01%. The critical one, at which the phytotoxic action is manifested in growth depression and decrease of sprout biomass, is the use of 0.5-1.0% solution of manganese sulfate for the pre-sowing seed treatment.
Keywords: autecology; winter wheat; heavy metals; Mn; phytotoxicity
Action of manganese salt on Triticum aestivum
E. Tkach, M. Vakerich, V. Nikolaychuk
Uzhgorod National University, Uzghorod, Ukraine
Ужгородський нацюнальний унгверситет, вул. Волошина, 32, Ужгород, 88000, Украта Uzhgorod National University, Voloshyn Str., 32, Uzghorod, 88000, Ukraine Tel.: +38-050-955-44-87. E-mail: [email protected]
Вступ
Важк метали (ВМ) - протоплазматичт токсиканти, отруйшсть яких зростае в Mipy збшьшення атомно! маси елемента. Починаючи з певно! концентрацй, вони галь-мують процес фотосинтезу та зменшують iнгенсивнiсть транспiрацiï рослин. Результатом пригтчення токсикантами фiзiолого-бiохiмiчних процеав е загальне послаб-лення опору рослин до захворювань i шквднишв. Ток-сичний вплив металiв на рослини можна прослщкувати за ïx ростовими показниками. На вiдмiнy ввд симпгомiв нестачi, як1 для кожного елемента специфiчнi, ознаки надлишку бшьш-менш однаковi. В умовах поступового зростання концентрацiï' iонiв у середовищi спосте-рiгаегься поява ознак пригнiчення рослинного органiзмy, що проявляеться у гальмуванш росту, xлорозi листкш, некрозах верх1вок i краïв листкш, вiдмираннi коретв (Foy et al., 1978; Kabata-Pendias and Pendías, 2001; Hall and Williams, 2003; Mel'nychuk et al., 2004; Colangelo, 2006; Hural'chuk, 2006; Vakerych and Níkolaychuk, 2009; Millaleo et al., 2010; Vakerych, 2010; Pinho and Ladeiro, 2012). В умовах Закарпаття проблема вивчення токсично! да та виведення важких металш актуальна у зв'язку з тим, що для регюну характерна досить штенсивна сiльськогосподарська д1яльн1сть, пов'язана з викори-станням велико! кшькосп мшеральних i органiчниx добрив, пестицидш тощо, а також зi специфшою грyнгiв Карпатського регiонy, де еколопчною проблемою залишаеться !х висока кислотн1сть, зумовлена вщсут-нiстю карбонатних сполук, високим вмiстом iонiв вод-ню, алюмшш, марганцю та залiза (Fandalyuk et al., 2004; Matiyeha et al., 2010).
Тому мета нашого дослвдження - виявлення впливу марганцю на ростовi процеси озимо! пшенищ (схож1сть насiння, лiнiйний рют, розвиток коренево! системи та накопичення бiомаси у фазi кyщiння) за збшьшення концентрацiï марганцю шляхом передпоавно! обробки насiння сiрчанокислим марганцем (MnSO45H2O). Ниш марганцевмкт мiкродобрива мають широке застосу-вання. 1з солей марганцю часто застосовуеться водороз-чинний сульфат марганцю, який мiстигь 22,8% марганцю (Morgun et al., 2014).
Важливо виявити д1апазон оптимально! концентрацй' марганцю при марганцевому щдживлент, оскшьки за-лежно ввд конценграцiï важш метали та !х сполуки не тшьки токсичнi, а i, навпаки, необxiднi елеменги для нормального росту та розвитку рослин. Велико! кшькосп марганцю для нормального розвитку потребу-ють злаков^ зокрема, озима пшениця, чим i пояснюеться вибiр об'екта дослвдження (Vlasyuk, 1948; Morgun et al., 2010; Shpaar, 2012; Morhun and Tkachuk, 2001; Hakala et al., 2006; Shenker et al., 2004).
Матерiал i методи дослщжень
Дослвдження проводили в лабораторних умовах. Ви-користовували насiння озимо! пшенищ сорту Артемща, районованого на Закарпат, площi посiвiв якого найбiльшi в регют. Передпосiвнy обробку з викори-станням водних розчинiв MnSO45H2O проводили в та-
ких вщсоткових концентращях: 0,001, 0,01, 0,1, 0,5, 1,0%. Обробка насшня тривала протягом 24 годин. Про-рощували у багатокомпонентному середовищ1 (грунт дерново-щдзолистий). У лаборатори щдтримували постшну температуру +18...+20 °С. Освгтлення - денне. Поливали дистильованою водою ршною мрою для кожного вар1анта дослвду. Схож1сть насшня визначали на 7-му добу. На 12-ту добу проростання у фаз1 кущ1ння проводили вимрювання лшшного росту (висоти рослин), визначали масу рослин i коренево! системи, для цього вiдбирали 20 проросткш i3 кожного варiанта дослвду. Як контроль для порiвняння впливу рiзноi концентрацй сiрчанокислого марганцю брали рослини у варiангi дослвду без обробки. Повторювашсть виконання всiх дослвджень - триразова.
Результати дослвджень оброблен1 за допомогою методш варiацiйноi' статистики. Критерй' показниюв розрахован1 за допомогою сервiсних функцш статистич-ного пакета електронних програм MS Excel. Вiдмiннiсть м1ж вибiрками вважали достовiрною при P < 0,05, ощнювали ix за допомогою ANOVA.
Результати та ix обговорення
Результати вивчення схожосп насiння озимо! пшенищ сорту Артемвда показали (рис. 1), що стимулю-вальними виявились дiючi конценграцi! сiрчанокислого мангану в межах 0,001-0,01%, у разi обробки насшня якими сxожiсть перевищувала контрольний варiант (96,5%). Причиною високо! схожосп може бути активу-вання бiоxiмiчниx процесш у проростаючому насiннi, яке може мати мкце на думку деяких авторiв (Vizir and Klimovickaja, 1964; Vlasyuk and Klimovickaja, 1968; Obrueva, 2003). На погляд шших авторiв (Huang et al., 1993, 1994; Graham et al., 1999; Graham et al., 2003), шдвищення схожосп у варiантi з марганцем спричинене наявнiстю додаткового джерела мшроелемента. У xодi використання вищих дшчих концентрацiй (0,1-1,0%) передпоавна обробка MnSO45H2P мала протилежний (iнгiбувальний) ефект: схожють була нижчою за контрольний варiант. 1з пвдвищенням концентрацй' солей затримусться бубнявiння насшня, спостернасться втрата сxожостi при проникненнi iонiв солей у насшня. Таким чином, дя арчанокислого мангану на процес проростання насшня пшенищ залежить ввд використано! для передпоавно! обробки насшня дшчо! концентрацй.
Визначення довжини надземно! частини 12-добових проросткш показало, що вона, як i сxожiсть, залежить ввд концентрацй сiрчанокислого мангану (рис. 2). Стимулю-вальним вплив виявився у випадку передпоавно! обробки насшня в розчинах iз даапазоном концентращй вiд 0,001% до 0,5% арчанокислого мангану. Застосування вищо! концентрацй мало протилежний (пригшчуваль-ний) ефект, оскшьки довжина пагона була меншою за контрольний варiант. Отже, лшшний рiст проростк1в озимо! пшеницi залежить ввд дiючо! концентрацй сiрчанокислого мангану.
Маса органа чи рослини - показник, що характеризуе ростовi процеси як ввдповвдь на вплив рiзниx умов сере-довища в !х сукупному впливi. Виходячи з цього, ми визначили масу 12-денних проросткш, вирощених за
Висота проростка, см
b а
■3"
lo
а
re
■в -
а
о re
§ О
о i
■в в.
о ге
о н
э? ~
а в
S. ё ■5 2. я и
t¡ В
в а
2 о
2 2
X 2:
2 а
1 В
ts ге
"Ц i
а I
Й ^
2 -в
? а.
я
о
S
к о
Схожсть насшня, %
00 00 чо чо
0.5
0.1
0.01
0.001
Контроль
Maca коренево! систем и, г .
о о о о о >— Ui Сч 00 чо о
0.5
0.1
0.01
0.001
нтроль
á * и
re w
§ -
В "§
я Р
ге а
■в в
ге а
ы ~
9 °
I в
i' 1
В 2:
2: В
О =
о
W о>
~ К
■н- В
* В
il в
л В'
Л д
о я
о
ге В В
и. -е-
в
Í Ё В В а
я
о я с
с 5'
X О
Maca проростка, г
0.5
0.1
0.01
0.001
Контроль
Ei6.iorpa$iHm iIOCII. lanim
Colangelo, E.P., 2006. Put the metal to the petal: Metal uptake and transport throughout plants. Curr. Opin. Plant Biol. 9, 322-330.
Fandalyuk, A.V., Sotmari, M.P., 2004. Optymizatsiya vykorystannya ta okhorony rodyuchosti hruntiv Zakarpattya [Optimization the use and protection of soil fertility Tran-scarpathia]. Okhorona Rodyuchosti Gruntiv [Protection of Soil Fertility]. 1, 80-87 (in Ukrainian).
Foy, C.D., Chaney, R.L., White, M.C., 1978. The physiology of metal toxicity in plants. Ann. Rev. Plant Physiol. 29, 511-566.
Graham, R., Senadhire, D., Beebe, S., Iglesias, C., Monasterio, I., 1999. Breeding for micronutrient density in edible portion of staple food crops: Conventional approaches. Filed Crop. Res. 60, (1-2), 57-80.
Graham, R.D., Stangoulis, C.R., 2003. Trace element uptake and distribution in plants. Am. Soc. Nutr. Sci. 133(5), 1502-1505.
Hakala, M., Rantamaki, S., Puputti, E.M., Tyystjarvi, T., Tyyst-jarvi, E., 2006. Photoingibition of manganese enzymes: Insights into the mechanism of photosystem II photoingibition. J. Exp. Bot. 57(8), 1809-1816.
Hall, J.L., Williams, L.E., 2003.Transition metal transporters in plants. J. Exp. Botany 54(393), 2601-2613.
Huang, C., Webb, M.J., Graham, R.D., 1993. Effects of pH on manganese absorption by barley genotypes in chelate-buffered nutrient solution. Plant nutrition - from genetic engineering to field practice. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. pp. 653-656.
Huang, C., Webb, M.J., Graham, R.D., 1994. Manganese efficiency is expressed in barley growing in soil system but not in solution culture. J. Plant Nutr. 17(1), 83-95.
Hural'chuk, Z.Z., 2006. Fitotoksychnist' vazhkykh metaliv ta sti-ykist' roslyn do yikh diyi [Phytotoxicity of heavy metals and plant resistance to their action]. Logos, Kyiv (in Ukrainian).
Kabata-Pendias, A., Pendias, H., 2001. Trace elements in soils and plants. CRC Press, Boca Raton, FL.
Matiyeha, V.Y., Pasichnyk, O.R., Pokhyl, V.V., Polychko, V.S., 2010. Ekoloho-toksykolohichnyy stan gruntiv na terytoriyi Tyachivs'koho ta Rakhivs'koho rayoniv Zakarpats'koyi oblasti [Ecological and toxicological status of soils in the Tiachiv and Rakhivsky district, Transcarpathian region]. Problemy Ahropromyslovoho Kompleksu Karpat [The Problems of Agroindustrial Complex in Carpathians] 19, 94-102 (in Ukrainian).
Mel'nychuk, D., Hofman, D., Horodn'oho, M., 2004. Yakist' gruntu ta suchasni stratehiyi udobrennya [Soil quality and modern strategies of fertilization]. Aristey, Kiev (in Ukrainian).
Millaleo, R., Reyes-Diaz, M., Ivanov, A.G., Mora, M.L., Al-berdi, M., 2010. Manganese as essential and toxic element for plants: transport, accumulation and resistance mechanisms. J. Soil Sci. Plant Nutr. 10(4), 470-481.
Morhun, V.V., Tkachuk, K.S., 2001. Problemy, stan ta perspek-tyvy rozvytku doslidzhen' z fiziolhiyi zhyvlennya roslyn
[Problems status and prospects of research on the physiology of nutrition of plants]. Fiziolohiya roslyn v Ukrayini na mezhi tysyacholit' [Physiology of plants in Ukraine at the turn of the millennium] 1, 140-151 (in Ukrainian).
Morgun, V.V., Shvartau, V.V., Kirizij, D.A., 2010. Fiziologicheskie osnovy formirovanija vysokoj produktiv-nosti zernovyh zlakov [Physiological basis of the formation of the high productivity of cereals]. Fiziologija i Biohimija Kul'turnyh Rastenij [Physiology and Biochemistry of Cultivated Plants] 42(5), 371-392 (in Russian).
Morhun, V.V., Sanyn, E.V., Shvartau, V.V., 2014. Klub 100 tsentneriv. Suchasni sorty ta systemy zhyvlennya i zakhystu ozymoyi pshenytsi [Modern varieties and feed systems and protection of winter wheat]. Logos, Kyiv (in Ukrainian).
Obrueva, N.V., 2003. Fiziologija prorastanija semjan [Physiology of seed germination]. Reguljacija rosta, razvitija i pro-duktivnosti rastenij [Regulation of growth, development and productivity of plants]. Pravo i jekonomika, Minsk. pp. 9394 (in Russian).
Pinho, S., Ladeiro, B., 2012. Phytotoxicity by lead as heavy metal focus on oxidative stress. Journal of Botany. Article ID 369572.
Shenker, M., Plessner, O.E., Tel-Or, E., 2004. Manganese nutrition effects on tomato growth, chlorophyll concentration and superoxide dismutase activity. J. Plant Physiol. 161(2), 197-202.
Shpaar, D., 2012. Zernovye kul'tury: vyrashhivanie, uborka, hranenie i ispol'zovanie [Cereals: Growing, harvesting, storage and use] Zerno, Kyiv (in Russian).
Vakerych, M.M., 2010. Autoekolohichni doslidzhennya reaktsiyi Avena sativa L. za diyi spoluk kuprumu [Aute-cological study of Avena sativa L. reaction on copper compounds]. Abstract of dissertation (in Ukrainian).
Vakerych, M.M., Nikolaychuk, V.I., 2009. Do vyvchennya vplyvu fitoaktyvnosti midi ta inshykh metaliv na onto-henetychnyy rozvytok roslyn [To study the effect of phyto-activity of copper and other metals to ontogenetic development of plants]. Fiziolohiya Roslyn: Problemy ta Perspek-ty vy Rozvytku [Physiology of Plants: Problems and Evolution Prospect]. Logos, Kyiv 1, 287-305 (in Ukrainian).
Vizir, K.L., Klimovickaja, T.M., 1964. Dejstvie marganca na rost i razvitie rastenij na razlichnyh jetapah ontogeneza [The action of manganese on the growth and development of plants at different stages of ontogenesis]., Naukova Dumka, Kyiv. pp. 29-44 (in Russian).
Vlasyuk, P.A., 1948. Marhanets' u systemi zhyvlennya roslyn [Manganese in the system of power plant] Academy Sciences of the USSR, Kyiv (in Ukrainian).
Vlasyuk, P.A., Klimovickaja, T.M., 1968. Fiziologicheskoe znachenie marganca dlja rosta i razvitija rastenij [The physiological significance of manganese to the growth and development of plants]. Kolos, Moscow (in Russian).
Hadiumna do редкonегii 12.07.2014
