Действие кадмия на рост и элементный состав растений фасоли в условиях разной обеспеченности кальцием Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 58!.133.1

Н. Г. Осмоловская, Е. М. Лукашева, Е. О. Смирнова

Вестник СПбГУ. Сер. 3, 2006, вып. 2

ДЕЙСТВИЕ КАДМИЯ

НА РОСТ И ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ РАСТЕНИЙ ФАСОЛИ В УСЛОВИЯХ РАЗНОЙ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ КАЛЬЦИЕМ

Введение. Кадмий является одним из наиболее опасных и широко распространенных загрязнителей природной среды, который обладает значительно большим спектром повреждающего действия на растительный организм [1, 3, 6, 13]. Фитотоксическое действие кадмия наблюдается при его концентрациях в среде свыше 1 мкмоль/л [5, 13] и внешне проявляется в торможении роста побегов и корней, скручивании и хлорозе листьев [4-6]. Показано, что Cd, подобно другим тяжелым металлам, влияет на разные стороны жизнедеятельности растений, включая процессы фотосинтеза, дыхания, работу ферментных систем, транспорт воды, продукцию активных форм кислорода [2, 5, 7-9]. При этом за отдельными исключениями [8, 16] весьма мало изученным остается вопрос о характере действия кадмия на процессы минерального обмена, в частности, на поступление и распределение минеральных катионов в растениях. Более того, до настоящего времени не решен вопрос о формах и механизмах поступления самого кадмия в растения. Дискуссионными остаются представления о возможности участия в поглощении кадмия транспортеров других, необходимых растению элементов, в частности железа, цинка [10, 14, 15] или кальция [9, 10, 12, 15]. В этой связи несомненную актуальность приобретает вопрос о возможной роли факторов минерального питания в проявлениях токсического действия кадмия на растительный организм, что особенно важно применительно к выращиванию сельскохозяйственных культур.

Цель настоящего исследования - изучение действия кадмия на рост и основные показатели обмена минеральных катионов в корнях и надземных органах растений фасоли при разных уровнях содержания кальция в питательной среде.

Материалы и методы исследования. Объектом исследования служили растения фасоли спаржевой Phaseolus vulgaris L. сорта Сакса без волокна 615. Растения выращивали в водной культуре в условиях фитостата с применением дуговых ртутных ламп ДРЛ-400. Фотопериод день/ночь составлял 14/10 ч, температура поддерживалась на уровне 24/18 °С. Питательной средой для выращивания растений служил раствор, содержащий основные минеральные катионы (Ю, Са2+, Mg:\ Na+) и анионы (NOj , С! , S04 , Н:Р04 ) в концентрации 2,5 мг-экв/л, с добавлением микроэлементов (мкмоль/л): Ре -90; Мп - 7; Zn-0,7; Си -0,8.

Семена фасоли предварительно замачивали на 4 ч в слабом растворе КМп04, затем высаживали в гравий и проращивали в световой установке, используя для полива дистилированную воду. В возрасте двух недель проростки фасоли пересаживали в гидропонные сосуды объемом 3 л, заполненные питательным раствором, по три растения на сосуд, и помещали в фитотрон в те же световые и микроклиматические условия, что и ранее. Аэрацию раствора в сосудах осуществляли автоматически с помощью микрокомпрессорной системы. При достижении растениями возраста 21 суток их переводили в опытный режим питания. Время экспозиции 7 суток. В качестве источника кадмия в опытах использовали CdS04 в концентрациях 10 и 30 мкмоль/л. Дополнительный кальций в питательный раствор вносили в виде СаСЬ в концентрации 10 ммоль/л.

По окончании опыта растения разделяли на органы (корни, стебли, семядольные листья, нижние и верхние листья). Материал взвешивали и фиксировали в термостате при 105 °С в течение 1 ч, а затем доводили до абсолютно сухого веса при 60 °С и измельчали.

Для дальнейших анализов использовали измельченные пробы корней, нижних и верхних листьев, озоленные в смеси концентрированных азотной и хлорной кислот (4:1) и разведенные водой (1:10), а также водные экстракты корней (1:20). Содержание кадмия в пробах определяли на атомно-

С Н. Г. Осмоловская, Е. М. Лукашева, Е. О. Смирнова, 2006

абсорбционном спектрофотометре AAS-3 (при содействии ЭУНЦ НИИ Земной Коры СПбГУ), калия и кальция - на пламенном фотометре FLAPHO-4 фирмы Carl Zeiss. Полученные данные обрабатывались статистически с использованием программы Excel ХР Professional.

Результаты исследований и их обсуждение. Анализ внешних параметров растений показал, что внесение в питательный раствор кадмия в концентрациях 10 и 30 мкмоль/л на фоне низкого (1,25 ммоль/л) содержания кальция в среде привело к заметному ослаблению роста растений, которое проявилось прежде всего в торможении формирования сухой биомассы корней и молодых верхних листьев (рис. 1). Нарушения в развитии корней, буроватая окраска, ослизнсние, сокращение количества и уменьшение диаметра боковых корней были сильнее выражены при большей концентрации кадмия. В отношении побега отмечено уменьшение размеров листовой пластинки, признаки хлороза, сокращение количества пазушных почек и отсутствие перехода растений к цветению.

s

X

а>

н

о

го

а.

го

о

о

го

ю

а;

ГО

х

>.

О

Я корни Ц нижн. лист. □ верх. лист.

К2 Cd10 Cd30 Ca 11 ммоль/л

K1 Cd10 Cd30 Ca 1 ммоль/л

Рис. I. Влияние содержания Сё (мкмоль/л) и Са (ммоль/л) в среде на формирование биомассы растений фасоли.

К1, К2 - контроль (то же для рис. 3, 4).

Увеличение уровня кальция в среде с 1 до 11 ммоль/л привело к частичному (но не полному) устранению отставания растений в росте, увеличению их биомассы (см. рис. 1), снижению ослизнененности корней, наметился переход некоторых растений к цветению. Исходя из полученных данных, можно заключить, что негативное влияние кадмия на растения фасоли проявляется в первую очередь в отношении развития корневой системы, что могло отразиться и на поглотительной способности ее корней.

Анализ распределения кадмия в органах фасоли показал, что основное количество поступившего металла сосредоточено в корнях растений, где его аккумуляция зависела от внешней концентрации Cd и достигала величины 1650 мкг/г сухой биомассы при содержании Сё в среде 30 мкмоль/л (рис. 2, А). Уровень кадмия в листьях оказался на два порядка ниже и не превышал 20 мкг/г (рис. 2, Б). Таким образом, корни у фасоли достаточно успешно выполняли барьерную функцию по отношению к переносу кадмия в надземную часть растений.

Повышение дозы кальция в среде привело к значительному, до 4 раз снижению аккумуляции кадмия в корнях фасоли (см. рис. 2, А) и одновременно снизило поступление кадмия в верхние листья, тогда как его содержание в нижних листьях в варианте с концен-

трацией Сс1 30 мкмоль/л при внесении дополнительного кальция, напротив, несколько возросло (см. рис. 2, Б). В целом можно заключить, что Са оказал определенное протекторное действие в отношении аккумуляции Сс1 у растений фасоли.

А

СсЙО СсПзО ' СсЛО с5зо Са 1 ммоль/л Са 11 ммоль/л

6

Са 1 ммсль/л Са 11 ммоль/л

ш нижние

листья

верхние

листья

Рис. 2. Влияние концентраций Сс1 и Са в среде на аккумуляцию Сё в органах растений фасоли (.4 - корни, Б - листья).

Анализ данных, полученных при исследовании влиянии кадмия на содержание и распределение в растениях минеральных катионов - калия и кальция - показал, что на фоне умеренной обеспеченности кальцием (1 ммоль/л) кадмий уже в концентрации 10 мкмоль/л снижал содержание калия в корнях, а при его концентрации 30 мкмоль/л уровень калия в корнях снижался, более чем в 3,5 раза по отношению к контролю (рис. 3). Одновременно с этим содержание калия в листьях увеличивалось. Поскольку количественно калий в клетке сосредоточен преимущественно в вакуоли [11], отмеченный факт его «утечки» из корней указывает па сокращение вакуолярных пулов калия в клетках корней, ню может быть связано как с деполяризацией клеточных мембран под действием С<3, так и с нарушением их целостности [13].

Иной характер имели изменения в накоплении растениями кальция. Аккумуляция этого катиона в корнях при внесении кадмия в раствор с низкой дозой кальция увеличилась до 2 раз и более по отношению к контролю, тогда как его уровни в верхних листьях, напротив, снизились (рис. 4), что дает основание предполагать возможность торможения кадмием оттока кальция из корней в надземные органы. Учитывая разнонаправленность действия кадмия на аккумуляцию К и Са в корнях фасоли, можно предположить, что увеличение со-

держания Са в корнях может отчасти носить компенсаторный характер, обусловленный функциональным замещением калия кальцием при формировании пулов катионов в вакуоли. С другой стороны, сопоставление данных по содержанию общего и водорастворимого кальция в корнях свидетельствует, что наблюдаемое возрастание его общего содержания в присутствии кадмия определялось повышением уровня связанного кальция (данные не приводятся), который может быть представлен как кальцием клеточных стенок, так и оксала-том кальция. Учитывая, что кадмий снижает темпы транспирации [2, 13], а кальций перемещается по органам растений с водным потоком, отмеченное перераспределение последнего в растении может быть следствием ослабления транспирации. При условии использования повышенных доз кальция в растворе существенным оказалось увеличение его общего содержания в корнях, а также усиление его транспорта в надземную часть растений (рис. 4).

л

и

о

го

5

о

з:

ю

>5

О

х

>4

и

о

о

-О

с;

о

5

5

160

120

п-----1----г

К1 СсИО СсШ Са 1 ммоль/л

I корни

I нижние листья □ верхние листья

К2 СсИО Сс!30 Са 11 ммоль/л

Рис. 3. Влияние концентраций Сс1 и Са в среде на содержание К в растениях фасоли.

_о

о

о

аз

5

о

5

Ю

О

X

>.

и

о

о

л

ц

о

5

5

со

а

Я корни

Ш нижние листья □ верхние листья

К1 СсИО Сс130 К2 СсИО СсШ Са 1 ммоль/л Са 11 ммоль/л

Рис. 4. Влияние концентраций Сй и Са в среде на содержание Са в растениях фасоли.

Таким образом, проведенное исследование свидетельствует, что начальные этапы Сс1-стресса у растений фасоли сопряжены с аккумуляцией кадмия на уровне корневой системы и резким снижением содержания калия в корнях. Эти нарушения проявляются в большей степени при недостаточной обеспеченности растений кальцием и могут быть отчасти сняты путем повышения уровня кальция в питательной среде. Механизм протектор-

ного действия кальция требует специального исследования, однако, основываясь на предположении об использовании кадмием Са2+каналов [9, 10, 12, 15], представляется вероятным, что отмеченный эффект обусловлен ингибированием кальцием поступления Cd:- в растения при участии Са24-транспортирующих систем и снижением уровня его токсического действия на функциональное состояние клеточных мембран.

Статья рекомендована проф. С. С. Медведевым.

Summary

Osmolovskaya N. G.. Lukasheva E. М., Smirnova E. O. The effect of Cd on the growth and element content of bean plants under various Ca supply.

The influence of 10 and 30 pM Cd on the growth and К/Ca content in bean plants is studied under various Ca supply (1,25 and 11,25 mM) in water culture. Cd was mainly accumulated in the roots where its level was diminished with the increase of Ca supply. An essential drop in К content takes place in the roots of Cd treated plants that is accompanied by the retention of Ca in the roots and the restriction of its transport to leaves. The disturbances in K/Ca metabolism are prevented to a great extent by improving in Ca supply. The results obtained suggest that Ca protective effect can be evidence of Cd taken up via Ca transport systems in bean plants.

Литература

1. Алексеева-Попова H. В. Клеточно-молекулярные механизмы устойчивости растений к тяжелым металлам // Устойчивость к тяжелым металлам дикорастущих видов. Л., 1991. С. 5-15. 2. Веселов Д. С.. Фахрисламов Р. Г. Влияние кадмия на поглощение ионов, транспирацию и содержание цитокининов в проростках пшеницы // Агрохимия. 1999. № 10. С. 78-81. 3. Ильин В. Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. Новосибирск, 1991. 4. Казнина Н. М. Влияние свинца и кадмия на рост, развитие и некоторые другие физиологические процессы однолетних злаков (ранние этапы онтогенеза): Антореф. канл. лис. Петрозаводск, 2003. 23 с. 5. Таланова В. В., Титов А. Ф.. Боева И. П. Влияние возрастающих концентраций тяжелых металлов на рост проростков ячменя и пшеницы /У Физиология растений. 2001. Т. 48, № 1. С. 1 19-123. 6. ФеникС. И,. Трофимяк Т. Б.. Блюм Я. Б. Механизмы формирования устойчивости к тяжелым металлам // Успехи современной биологии. 1995. Т. 3. С. 261-275. 7. Briat J.-F., Lebrun М. Plant responses to metal toxicity // C. R. Acad. Sci. 1999. Vol. 322, N 1. P. 43-54. 8. Brune A.. Dietz К.-I. A comparative analysis of element composition of roots and leaves of barley seedlings grown in the presence of toxic cadmium, molybdenum, nickel, and zinc concentrations // J. Plant Nutr. 1995. Vol. 18, N 4. P. 853-868. 9. Clemens S.. Antosiewicz D. М.. Ward J. М., Schachtman D. P.. Schrosdsr J. !. The plant cDNA LCT! mediates the uptake of calcium and cadmium in yeast // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998. Vol. 95. P. 12043-12048. 10. Clemens S. Molecular mechanisms of plants metal tolerance and homeostasis // Planta. 2001. Vol. 212, N4. P. 475-486. 11. Leigh R. A. Potassium homeostasis and membrane transport // J. Plant Nutr. Soil Sci. 2001. Vol. 164, N2. P. 193-198. 12.PunshonT.. Neal A. L.. Jackson B. P. Cadmium // Trace and ultratrace elements in plants and soil / Ed. by I. Shtangeeva. Southampton; Boston. 2004. P. 171-208. 13.Sanila di Toppi L., Gabrielli R. Response to cadmium in higher plants /V Environmental and Experimental Botany. 1999. Vol. 41. P. 105-130. 14. Siedlecka A. Some aspects of interactions between heavy metals and plant mineral nutrients // Acta Soc. Botan. Pol. 1995. Vol. 64, N 3. P. 265 -272. 15. Thomine S.. Wang R., Ward J. М.. Crawford N. М., Schrocder J. /. Cadmium and iron transport by members of a plant metal transporter family in Arabidopsis with homology to Nramp genes // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2000. Vol. 97, N 9. P. 4991-^1996. 16. Zornoza P.. Vazquez S.. Esteban E., Fernandez-Pascital М.. Carpena R. Cadmium-stress in nodulated white lupin: strategirs to avoid toxicity .// Plant Physiol. Biochem. 2002. Vol. 40, N 12. P. 1003-1009.

Статья посту пила в редакцию 1 декабря 2005 г.