CC BY
20
УДК 581.1
DOI: 10.24412/1728-323X-2021-2-19-22
ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОРОСТКОВ ПШЕНИЦЫ К КОМБИНИРОВАННОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
Е. А. Ерофеева, доктор биологических наук,
профессор, ele77785674@yandex.ru,
М. Д. Кузнецов, аспирант, maxim2895@mail.ru,
A. Б. Савинов, кандидат биологических наук, доцент, sabcor@mail.ru,
B. П. Юнина, старший преподаватель, ecocenter_nngu@mail.ru,
М. В. Сидоренко, кандидат биологических
наук, доцент, eco_smv@mail.ru,
Н. И. Зазнобина, кандидат биологических
наук, доцент, nzaznobina@mail.ru,
В. А. Басуров, кандидат биологических наук,
доцент, basurov@mail.ru,
Д. А. Новожилов, аспирант,
deninovozhilo@yandex.ru,
А. А. Нижегородцев, кандидат биологических наук, доцент, ecotoxnn@yandex.ru, Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского (ННГУ), Н. Новгород, Россия
Закономерности реакций растений на комбинированное воздействие тяжелых металлов (ТМ) изучены недостаточно, особенно при воздействии более чем двух поллютантов. В связи с этим целью исследования являлось изучение комбинированного воздействия свинца, меди и цинка на физиолого-биохимические показатели проростков пшеницы (ТгШсит aestivum Ь.) в условиях модельного эксперимента. ТМ во всех изученных концентрациях вызывали значительное уменьшение линейных размеров побега и корневой системы проростков. Интенсивность перекисного окисления липидов возрастала во всех опытных группах и была в 2,6 раза выше, чем в контроле при максимальной концентрации ТМ. Соответственно, нарушение перекис-ного гомеостаза сопровождалось увеличением активности пероксидаз. Содержание общего белка при трех наибольших концентрациях было статистически значимо выше контрольного уровня. В то же время нами не было отмечено ухудшения состояния фотосинтетического аппарата проростков пшеницы. Напротив, содержание хлорофиллов и каротиноидов во всех опытных группах было выше контрольных значений. Таким образом, фотосинтетический аппарат проростков пшеницы является наиболее устойчивым к комбинированному действию ТМ среди изученных в данном исследовании показателей. Интенсивность ПОЛ, общая пероксидазная активность, содержание общего белка изменяются линейно относительно контроля при возрастании токсической нагрузки. В связи с этим данные показатели могут быть использованы для оценки токсичности почв, загрязненных ТМ, наряду с традиционно используемыми для этих целей показателями роста и всхожести семян.
Введение. Тяжелые металлы (ТМ) являются одними из наиболее распространенных загрязнителей почв, в том числе придорожных территорий, как в условиях городов, так и в почвах сельскохозяйственных угодий вблизи автомагистралей и вследствие применения минеральных удобрений, содержащих ТМ как примеси [1, 2]. В придорожных зонах достаточно часто отмечается превышение нормативов для таких поллютантов, как свинец, цинк и медь, что обусловлено поступлением этих металлов в результате работы автотранспортных средств и их способностью эффективно аккумулироваться в почвах [3, 4].
Растения ведут прикрепленный образ жизни и наиболее часто подвергаются воздействию металлического загрязнения почв. Как правило, тяжелые металлы оказывают не изолированное, а комбинированное воздействие, поскольку часто наблюдается превышение нормативов для нескольких тяжелых м еталлов [1, 5]. Тем не менее, закономерности реакций физиологических показателей растений на комбинированное воздействие тяжелых металлов изучены недостаточно, особенно при воздействии более чем двух поллютантов. Это касается и таких опасных загрязнителей, как свинец, медь и цинк.
В связи с этим целью исследования являлось изучение комбинированного воздействия свинца, меди и цинка на физиоло-го-биохимические показатели проростков пшеницы в сравнительном плане в условиях модельного эксперимента, позволяющего исключить влияние неучтенных факторов на растения.
Материалы и методы. Объектами изучения являлись проростки пшеницы мягкой (Triticum aestivum Linnaeus, 1753) сорта Московская 59. Выбор максимальных концентраций ТМ (цинка, меди и свинца) осуществляли в предварительных исследованиях таким образом, чтобы они находились в сублетальном диапазоне, то есть нарушали рост, но не являлись летальными. Для приготовления растворов использовали нитраты свинца, цинка и ме-
The regularities of plant responses to the combined effects of heavy metals (HM) have not been sufficiently studied, especially when exposed to more than two pollutants. In this regard, the aim of the study was to investigate the combined effects of lead, copper and zinc on the physiological and biochemical traits of wheat seedlings (Triticum aestivum L.) in a model experiment. HM in all the studied concentrations caused a significant decrease in the linear size of the shoot and the root system of the seedlings. The intensity of lipid peroxidation increased in all experimental groups and was 2.6 times higher than in the control group at the maximum concentration of HM. Accordingly, the disruption of peroxide homeostasis was accompanied by an increase in the activity of peroxidases. The total protein content at three highest concentrations was statistically significantly higher than the control level. At the same time, we did not observe any deterioration of the photosynthetic apparatus of wheat seedlings. On the contrary, the content of chlorophylls and carotenoids in all experimental groups was higher than the control values. Thus, the photosynthetic apparatus of wheat seedlings is the most resistant to the combined action of TM among the studied indicators. The lipid peroxidation intensity, total peroxidase activity, and total protein content change linearly relative to the control with increasing toxic load. Thus, these indicators can be used to assess the toxicity of soils polluted with HM, along with the traditionally used indicators of growth and germination.
Ключевые слова: T. aestivum L., тяжелые металлы, рост, липопероксидация, пероксидазы, общий белок, хлорофиллы, каротиноиды.
Keywords: T. aestivum L., heavy metals, growth, lipid peroxidation, peroxidases, total protein, chlorophylls, carotenoids.
ди. Соотношение ТМ в растворе (в пересчете на металлы) соответствовало соотношению концентраций цинка, меди и свинца в загрязненных почвах г. Нижнего Новгорода [5].
В эксперименте было 8 опытных групп и 1 контрольная. В каждой группе в 10 прозрачных пластиковых контейнерах объемом 500 мл на 1 слой фильтровальной бумаги помещали 70 семян. В опытных группах в контейнеры наливали по 15 мл растворов солей тяжелых металлов. При максимальном содержании ТМ в растворе концентрация свинца составляла 152 мг/л, меди — 104 мг/л, цинка — 484 мг/л. В контейнеры контрольных групп наливали по 10 мл дистиллированной воды. Контейнеры закрывали прозрачными крышками и помещали на стеллаж с фито-лампами при температуре +20—22 °С и продолжительностью светового дня 17 ч. Каждые два дня добавляли растворы в одинаковом объеме в контейнеры опытных групп и дистиллированную воду в контроль. Через семь суток проводили измерение показателей. Максимальную длину корневой системы (длину подземной части проростка) и высоту побега (длину надземной части проростка) измеряли с точностью до 1 мм (n = 30). Под максимальной длиной корневой системы понимали линейный размер наиболее длинных корней у проростков T. aestivum. Содержание хлорофиллов и каротиноидов определяли согласно общепринятой методике, для экстрагирования пигментов использовали 80 % ацетон [6]. Активность гваякол-зависимых пероксидаз ( общая пе-роксидазная активность) была оценена по Ridge I. и Osborn D. J.
[7]. Содержание общего белка определяли по методике Bradford
[8]. Интенсивность перекисного окисления липидов определяли по содержанию малонового диальдегида (МДА) [9].
Статистический анализ результатов исследований проводили с помощью программ Microsoft Excel, БИОСТАТИСТИКА 4.03, используя непараметрический аналог однофакторного дисперсионного анализа критерий Крускала — Уоллеса, а также U-кри-терий Манна — Уитни с поправкой Бонферрони для множественных парных сравнений.
Результаты и их обсуждение. ТМ во всех изученных концентрациях вызывали значительное уменьшение линейных размеров побега и корневой системы проростков. Максимальная концентрация токсикантов снижала длину корневой системы в 44 раза, а высоту побега в три раза по сравнению с контролем (табл. 1).
Аналогично отмечался токсический эффект для интенсивности ПОЛ. Содержание МДА возрастало во всех опытных группах и было в 2,6 раза выше, чем в контроле при максимальной концентрации ТМ (табл. 1). Соответственно, нарушение перекисно-го гомеостаза сопровождалось увеличением активности перокси-даз при воздействии трех наиболее высоких концентраций ТМ и было в два раза выше относительно контрольного уровня при наиболее высокой концентрации ТМ (табл. 1). Однако наименьшая из изученных концентраций ТМ снижала уровень пероксидаз-ной активности (табл. 1). Содержание общего белка при трех наибольших концентрациях было статистически значимо выше контрольного уровня, что может быть связано с активацией биосинтеза защитных белков при стрессе, вызванном ТМ (антиок-сидантные ферменты, стрессовые белки и др.) [10].
В то же время нами не было отмечено ухудшения состояния фотосинтетического аппарата проростков пшеницы. Напротив, содержание хлорофиллов и каротиноидов во всех опытных груп-
20
№ 2, 2021
Примечание: А — РЬ — 152 мг/л, Си — 104 мг/л, 2п — 484 мг/л.
* — статистически значимые различия по отношению к данному показателю у растений контрольной группы (медиана ± ошибка; п = 10).
Таблица 1
Комбинированное воздействие свинца, цинка и меди на физиолого-биохимические показатели
проростков пшеницы
Показатели Экспериментальные группы
Контроль (нет ТМ) A/8 A/4 A/2 A
Хлорофилл а, мг/г сырой ткани 0,501 ± 0,016 0,761 ± 0,029* 0,831 ± 0,020* 0,874 ± 0,023* 0,820 ± 0,048*
листа
Хлорофилл Ь, мг/г сырой ткани 0,113 ± 0,004 0,165 ± 0,007* 0,196 ± 0,006* 0,195 ± 0,006* 0,173 ± 0,012*
листа
Хл а/Хл Ь 4,50 ± 0,062 4,57 ± 0,086* 4,40 ± 0,088* 4,41 t 0,100* 4,73 t 0,101*
Каротиноиды, мг/г сырой ткани 0,178 ± 0,004 0,217 ± 0,006* 0,218 ± 0,004* 0,225 ± 0,004* 0,216 ± 0,008*
листа
МДА, нМ/г сырой ткани лист 6,18 ± 1,15 10,32 ± 0,90* 10,57 ± 0,94* 16,88 ± 1,17* 17,70 ± 0,60*
Общая пероксидазная активность 191,36 ± 7,56 147,84 ± 8,61* 209,76 ± 9,16* 270,08 ± 6,84* 382,32 ± 10,19*
Общий белок, мг/г сырой ткани 0,89 ± 0,02 0,89 ± 0,04 0,98 ± 0,03* 1,07 ± 0,02* 1,23 ± 0,01*
листа
Высота надземной части про- 150,0 ± 2,9 112,5 ± 3,0* 86,0 ± 1,9* 74,0 ± 2,5* 565 ± 1,7*
ростка, мм
Длина подземной части про- 66,0 t 4,8 11,5 ± 1,0* 8,0 ± 1,0* 5,0 ± 0,3* 1,5 ± 0,2*
ростка, мм
пах было выше контрольных значений (табл. 1). Ранее нами было показано, что уровень фотосинтетических пигментов у проростков пшеницы м о-жет возрастать относительно контроля даже при сублетальных концентрациях поллютантов [11].
Заключение. Таким образом, фотосинтетический аппарат проростков пшеницы является наиболее устойчивым к комбинированному воздействию ТМ среди изученных в данном исследова-
нии показателей. Интенсивность ПОЛ, общая пероксидазная активность, содержание общего белка изменяются линейно относительно контроля при возрастании токсической нагрузки. В связи с этим данные показатели могут быть использованы для оценки токсичности почв, загрязненных ТМ, наряду с традиционно используемыми для этих целей показателями роста и всхожести семян.
Библиографический список
1. Титов А. Ф., Казнина Н. М., Таланова В. В. Тяжелые металлы и растения. — Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2014. — 194 с.
2. Xu Y., Liang X., Xu Y., Qin X., Huang Q., Wang L., Sun Y. Remediation of heavy metal-polluted agricultural soils using clay minerals // Pedosphere. — 2017. — Vol. 27 (2). — P. 193—204.
3. Денисов В. Н., Рогалев В. А. Проблемы экологизации автомобильного транспорта. — СПб.: МАНЭБ, 2005. — 312 с.
4. Водяницкий Ю. Н. Тяжелые металлы и металлоиды в почвах. — М.: ГНУ Почвенный институт им. В. В. Докучаева РАСХН, 2008. — 164 с.
5. Savinov A. B., Nikitin Yu. D., Erofeeva E. A. Morphological variability and biochemical parameters of leaves in cenopopu-lations of Aegopodium podagraria L. (Apiаceae, Apiales) under various levels of soil contamination by heavy metals // Biology Bulletin. — 2019. — Vol. 46 (10). — P. 1347—1352.
6. Lichtenthaler H. K. Chlorophyll and carotenoids: pigments of photosynthetic biomembranes. // Methods Enzymol. — 1987. — Vol. 148. — P. 331—382.
7. Ridge I., Osborne D. J. Role peroxidase when hydroxyprolin-rich protein in plant cell wall is increased by ethylene // Nature New Biol. — 1971. — Vol. 229. — P. 205—208.
8. Bradford M. A rapid and sensitive method for quantification of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding // Anal. Biochem. — 1976. — Vol. 72. — P. 248—254.
9. Heath R. L., Packer L. Photoperoxidation in isolated chloroplasts 1. Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidatoin // Arch. Biochem. Biophys. — 1968. — Vol. 125. — P. 189—198.
10. Erofeeva E. A. Hormesis and paradoxical effects of drooping birch (Betula pendula Roth) parameters under motor traffic pollution // Dose Response. — 2015. — Vol. 13 (2). — P. 1—12.
11. Erofeeva E. A. Hormesis and paradoxical effects of wheat seedling (Triticum aestivum L.) parameters upon exposure to different pollutants in a wide range of doses // Dose Response. — 2014. — Vol. 12. — P. 121—135.
ECOLOGICAL AND PHYSIOLOGICAL REGULARITIES OF THE STABILITY OF WHEAT SEEDLING RESISTANCE TO THE COMBINED EFFECTS OF HEAVY METALS
E. A. Erofeeva, Ph. D. (Biology), Dr. Habil, Full Professor, N. Novgorod State University, ele77785674@yandex.ru,
N. Novgorod, Russia;
M. D. Kuznetsov, Post-graduate student, N. Novgorod State University, maxim2895@mail.ru, N. Novgorod, Russia;
A. B. Savinov, Ph. D. (Biology), Associate Professor, N. Novgorod State University, sabcor@mail.ru, N. Novgorod, Russia;
V. P. Yunina, Senior Teacher, N. Novgorod State University, ecocenter_nngu@mail.ru, N. Novgorod, Russia;
M. V. Sidorenko, Ph. D. (Biology), Associate Professor, N. Novgorod State University, eco_smv@mail.ru, N. Novgorod, Russia;
N. I. Zaznobina, Ph. D. (Biology), Associate Professor, N. Novgorod State University, nzaznobina@mail.ru, N. Novgorod, Russia;
V. A. Basurov, Ph. D. (Biology), Associate Professor, N. Novgorod State University, basurov@mail.ru, N. Novgorod, Russia;
D. A. Novozhilov, Post-graduate student, N. Novgorod State University, deninovozhilo@yandex.ru, N. Novgorod, Russia;
A. A. Nizhegorodtsev, Ph. D. (Biology), Associate Professor, N. Novgorod State University, ecotoxnn@yandex.ru,
N. Novgorod, Russia;
References
1. Titov A. F., Kaznina N. M., Talanova V. V. Tyazhyoliye metalli i rasteniya [Heavy metals and plants]. Petrozavodsk, Karelian research center RAN Publ., 2014. 194 p. [in Russian].
2. Xu Y., Liang X., Xu Y., Qin X., Huang Q., Wang L., Sun Y. Remediation of heavy metal-polluted agricultural soils using clay minerals. Pedosphere. 2017. Vol. 27 (2). P. 193—204.
3. Denisov V. N., Rogalev V. A. Problemi ekologizatsii avtomobilnogo transporta [Problems of road transport ecologization]. SPb., MANEB Publ., 2005. 312 p. [in Russian].
4. Vodyanitskiy Y. N. Tyazhyoliye metalli i metalloidi v pochvah [Heavy metals and metalloids in soils]. Moscow, GNU Soil Institute named V. V. Dokuchayev RASHN Publ., 2008. 164 p. [in Russian].
5. Savinov A. B., Nikitin Yu. D., Erofeeva E. A. Morphological variability and biochemical parameters of leaves in cenopopu-lations of Aegopodium podagraria L. (Apiаceae, Apiales) under various levels of soil contamination by heavy metals. Biology Bulletin. 2019. Vol. 46 (10). P. 1347—1352.
6. Lichtenthaler H. K. Chlorophyll and carotenoids: pigments of photosynthetic biomembranes. Methods Enzymol. 1987. Vol. 148. P. 331—382.
7. Ridge I., Osborne D. J. Role peroxidase when hydroxyprolin-rich protein in plant cell wall is increased by ethylene. Nature New Biol. 1971. Vol. 229. P. 205—208.
8. Bradford M. A rapid and sensitive method for quantification of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal. Biochem. 1976. Vol. 72. P. 248—254.
9. Heath R. L., Packer L. Photoperoxidation in isolated chloroplasts 1. Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation. Arch. Biochem. Biophys. 1968. Vol. 125. P. 189—198.
10. Erofeeva E. A. Hormesis and paradoxical effects of drooping birch (Betulapendula Roth) parameters under motor traffic pollution. Dose Response. 2015. Vol. 13 (2). P. 1—12.
11. Erofeeva E. A. Hormesis and paradoxical effects of wheat seedling (Triticum aestivum L.) parameters upon exposure to different pollutants in a wide range of doses. Dose Response. 2014. Vol. 12. P. 121—135.
22
№ 2, 2021
