10УДК 57
Калмыкова Влада Владиславовна Kalmykova Vlada Vladislavovna
Ученица 11 класса Student of the 11th grade, Бирюкова Наталья Викторовна Biryukova Natalia Viktorovna
Научный руководитель, директор, преподаватель
Scientific adviser, director, teacher ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет) Ресурсный центр «Медицинский Сеченовский Предуниверсарий» First Moscow State Medical University Sechenov Ministry of Health of Russia (Sechenov University) Resource center "Medical Sechenovskiy Preuniversity"
ИССЛЕДОВАНИЕ АНТИСТРЕССОВЫХ СВОЙСТВ СЕЛЕНСОДЕРЖАЩИХ СОЛЕЙ ПРИ СТРЕССЕ, ВЫЗВАННОМ ДЕЙСТВИЕМ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА ЗЕРНОВЫЕ КУЛЬТУРЫ
STUDY OF ANTISTRESS PROPERTIES OF SELENIUM-CONTAINING SALTS WITH THE STRESS CAUSED BY HEAVY METALS ON CROPS
Аннотация. В настоящей статье изучена специфичность разного отклика сортов ячменя и пшеницы на соли свинца и кадмия.
Abstract: This article is devoted to the study of the specificity of different responses of barley and wheat varieties to lead and cadmium salts.
Ключевые слова. зерновые культуры, стресс, антистрессовые свойства, селенсодержащие соли, тяжелые металлы.
Key words: grain crops, stress, anti-stress properties, selenium-containing salts, heavy metals.
При стрессах, вызванных разными раздражителями, в живых клетках в большом количестве образуются радикалы в больших количествах образуются [1]. Свободные радикалы — это частицы, несущие неспаренные электроны; они всегда присутствуют в молекулах в небольших концентрациях. Но с развитием стресса их концентрация увеличивается в несколько раз и радикалы начинают активно взаимодействовать с клеточными структурами [2]. В первую очередь радикалы атакуют клеточные мембраны. Нарушается их работа, а затем происходят сбои в функционирование клеток, тканей, органов и даже организма. Распространение радикалов можно контролировать с помощью селенсодержащих препаратов, подавляющих разрушительное действие частиц радикалов [3]. Ионы селена способны связывать радикалы в клетке, а значит, предотвращают развитие свободно радикальных реакций. Почти до конца 20 века считалось, что микроэлемент селен играет второстепенную роль в жизни растений. В 1997 году ученый Пензенской аграрной академии, химик-органик А. Ф. Блинохватов выдвинул теорию о роли селена для растений [4]. Он предлагал, что селен способен предотвращать окислительное разрушение клеточных
мембран при воздействии стрессового фактора. Следует отметить, что растения обладают очень выраженной сортовой специфичностью [5]. Организмы внутри одного вида могут обладать внутривидовой специфичностью, а значит, для них нужно подобрать разные методы обработки. Поскольку мы живем в крупном мегаполисе, проблема тяжелых металлов в почве играет особую роль для сельскохозяйственных растениях [6].
Экспериментальная часть: В нашей работе был использован метод моделирования. Для воссоздания стрессовых условий семена обработали растворами уксуснокислого свинца - (СН3СОО)2РЬ в концентрации 50 мг/л (РЬ), сульфата кадмия - ЭСё (Б04) 8Н20 - 3 мг/л (Cd), селената натрия Na2SeO4 - 2 мг/л (7, 9,11) [7].
Перед замачиванием семена были обработаны 3% раствором перекиси водорода Н202 [8] далее были пророщены в чашках Петри между фильтровальной бумагой, сложенной слоями и увлажненной растворами металлов. В течение трех суток семена стояли в темноте, затем растения выращивались 14 дней при температуре 20-22оС и фотопериоде 14/10 часов (использовались люминесцентные лампы ЛБ-40) в стойке для проращивания [8].
Рис. 1. Создание стрессовых условий
ЯЧМЕНЬ тиениЦА
Рис. 2. Ячмень и пшеница
Схема эксперимента выглядела следующим образом:
1. вода - контроль;
2. селен;
3. свинец;
4. кадмий;
5. селен + свинец;
6. селен + кадмий.
По всхожести семян и по изменениям морфометрических показателей корней и проростков определяли устойчивость растений к металлам [9].
Результаты и обсуждение: О способности селена выступать в качестве рост регулирующего компонента при стрессе, вызванном действием ТМ на растение, можно судить по степени влияния селена на ранние этапы онтогенеза пшеницы и ячменя в лабораторных условиях [10].
Важными показателями, характеризующими влияние на ранние этапы онтогенеза, являются: всхожесть семян, энергия прорастания, длина и масса для корней и первичных проростков [11].
В эксперименте была проведена оценка влияние солей свинца, кадмия и селена [12] на ростовые процессы зерновых культур на начальных этапах онтогенеза.
В исследовании было установлено, что самое негативное воздействие на всхожесть семян разных видов и сортов зерновых культур оказывал кадмий. Именно этот металл снижал всхожесть семян озимой пшеницы на 31,2 % и ячменя - на 17,1% в среднем по сортам по сравнению с контролем, функцию которого выполняла вода. Всхожесть семян снижалась на - 6,2 и 4,1% соответственно (рис. 3).
мя
К Рь
Рис. 3. Действие металлов на семена пшеницы и ячменя
Na2SeO4 увеличивал всхожесть семян на пять процентов у семян ячменя, однако не оказывал влияния семена пшеницы. Его совместное внесение с кадмием и свинцом снижало ингибирующее действие тяжелых металлов на лабораторную всхожесть семян культур пшеницы и ячменя. (рис.4).
Рис. 4. Действие кадмия и селена на семена пшеницы (1) и ячменя (2) (3-х дневные растения)
Развитие корневой системы растений является определяющим фактором нормального хода онтогенеза растения, а также степени устойчивости сорта на изменение условия среды [13].
Рис. 5. Влияние тяжелых металлов и селена на рост первичной корневой системы 14-ти дневных растений ячменя
В результате проведенной работы было установлено, что устойчивость озимых зерновых культур на начальных этапах онтогенеза зависит от способности клеток корня выдержать действие раздражающего фактора [6] (рис. 5). Эта информация была подтверждена в некоторых литературных источниках [14].
Было выявлено, что оба иона тяжелых металлов оказывали подавляющее действие на рост и развитие корневой системы [3]. Кадмий оказался более токсичен и в большей степени оказывал влияние на формирование корней, как пшеницы, так и ячменя. Длина корней сокращалась от кадмия в среднем на 24,8 %, от свинца, на 22,1% у пшеницы, на 12,6 и 9,7% у ячменя (табл. 1, 2).
ШВА
ое + Сс1
Таблица 1. Влияние тяжелых металлов и селена на рост первичной _корневой системы 14-ти дневных растений пшеницы_
Сорта Варианты
Контроль Se Pb Cd Se+Pb Se+Cd НСР, %
Длина корней, см
Московская 40 3,93 4,18 3,09 3,12 4,19 3,82 0,17
Немчиновская 17 3,60 3,66 2,85 2,79 3,12 3,59 0,15
Немчиновская 24 3,87 3,91 3,02 2,87 3,81 4,04 0,15
В среднем 3,80 3,92 2,98 2,93 3,71 3,82
Масса г/100 корней
Московская 40 1,04 1,01 0,88 0,84 0,01 0,97 0,01
Немчиновская 17 0,97 0,97 0,82 0,84 0,98 0,97 0,01
Немчиновская 24 0,97 0,98 0,83 0,83 1,01 0,97 0,07
В среднем 1,00 0,99 0,85 0,84 1,00 0,97
Число корней, шт.
Московская 40 5,20 5,51 3,76 4.04 5,48 4,91 0,16
Немчиновская 17 4,34 4,90 3,20 3,73 4,34 5,20 0,13
Немчиновская 24 5,20 6,67 4,04 3,75 5,20 5,48 0,26
В среднем 4,90 5,69 3,66 3,84 5,00 5,20
Обработка семян селеном привела к увеличению число корней пшеницы в среднем на 17,4%. У ячменя это показатель оказался несколько снижен (табл. 2).
Таблица 2. Влияние тяжелых металлов и селена на рост первичной _корневой системы 14-ти дневных растений ячменя_
Сорта Варианты
Н2О Se Pb Cd Se+Pb Se+Cd НСР, %
Длина корней, см
Ерема Труженик Ларец 7,22 6,08 6,64 7,28 5,99 6,60 6,72 5,52 5,98 6,68 5,15 5,83 7,91 6,35 6,95 7,16 6,10 6,01 0,28 0,21 0,28
В среднем 6,65 6,62 6,07 5,88 7,08 6,46
VIII Международная научно-практическая конференция _Продолжение таблицы 2
Масса корней, г/100 растений
Ерема 1,11 1,07 0,99 0,96 1,33 1,29 0,07
Труженик 1,21 1,10 0,92 0,90 1,49 1,19 0,07
Ларец 1,19 1,05 0,95 0,93 1,38 1,17 0,09
В среднем 1,17 1,07 0,96 0,93 1,40 1,22
Число корней, шт.
Ерема 5,61 5,00 4,80 4,68 6,16 6,03 0,18
Труженик 4,22 4,14 4,01 3,97 5,38 5,61 0,13
Ларец 3,52 5,31 4,40 4,41 4,91 4,91 0,16
В среднем 4,45 4,82 4,41 4,36 5,48 4,46
Оценить степень негативного влияния на развитие первичной корневой системы озимых зерновых культур от представленных элементов можно расположив их в следующей последовательности: Cd>Pb>Se [8].
Стоит сказать о том, что в ходе эксперимента выяснили, что появились генетические особенности сорта под действием ТМ: под действием Cd изменилась длина корней, по сравнению с контрольным образцом, которая изменялась в меньшую сторону по сортам в представленной последовательности: Московская 40, Немчиновская 17, Немчиновская 24.
Na2SeO4 практически не оказал заметного влияния на длину корней у сортов Немчиновская 24 и Немчиновская 17, но под действием селенита увеличивалась длина корней у сорта Московская 40 на 7,2%.
Стоит отметить неравномерно распределено действие тяжелых металлов на корнях сорта ячменя. Наибольшее воздействие ионами металлов было оказано на образование корней у сорта Ерема (табл. 2). Ингибирование роста корней, по сравнению с контролем у сорта Ерема от селена составило - 12,2%, от свинца -на 15,2%, от кадмия - 17,6%. У сорта Ларец можно обратить внимание на следующее: от солей свинца снижение было только на 4,1%, кадмия на 3,7%. Обработка Na2SeO4 способствовала увеличению количества зародышевых корней на 17,5% по сравнению с контрольным образцом в воде. Вместе с тем, у сорта Ерема происходило большее уменьшение длины корней от кадмия, чем у других сортов ячменя.
Негативное действие солей тяжелых металлов на рост и развитие корневой системы высших растений объясняется тем, [15] что при прорастании семени нарушается целостность семенной кожуры, и это приводит к попаданию ионов тяжелых металлов в ткани зародыша и нарушению роста растения после прорастания семени [16]. Также нарушается газообмен корней, что плохо сказывается на развитии растений.
Для продуктивности озимых зерновых культур [5] большое значение имеет не только количество корней и скорость их нарастания, но и площадь поглощающей поверхности корневой системы [17].
В ходе исследования установлено, что под действием соли селена доля рабочей поверхности в общей адсорбирующей поверхности корней пшеницы и ячменя увеличивалась.
Таблица 3. Влияние тяжелых металлов и селена на массу первичной корневой системы 14-ти дневных растений, г /100 корней озимой пшеницы
и ячменя
Сорта Варианты
контроль Se Pb Cd Se+Pb Se+Cd НСР, %
Яровая пшеница
Московская 40 1,04 1,03 0,88 0,88 1,03 1,03 0,01
Немчиновская 17 1,02 1,02 0,82 0,88 1,01 1,03 0,01
Немчиновская 24 1,02 1,03 0,79 0,83 1,03 1,03 0,02
В среднем 1,03 1,03 0,83 0,86 1,02 1,03
Ячмень
Ерема 1,11 1,07 0,99 0,96 1,33 1,29 0,07
Труженик 1,22 1,10 0,92 0,90 1,49 1,19 0,07
Ларец 1,19 1,05 0,95 0,94 1,38 1,19 0,09
В среднем 1,18 1,07 0,96 0,93 1,40 1,22
Na2SeO4 увеличивал рабочую поверхность корневой системы 14-ти дневных проростков у пшеницы в среднем на 14,9%, у ячменя на 6,9%.
Отмечены изменения ростовых процессов у развивающихся растений [13]. Присутствие в растворе свинца и кадмия уменьшило длину и массу ростков, как ячменя, так и пшеницы. И в этом случае генетические особенности сорта сказывались на результате (табл. 4, 5).
Таблица 4. Влияние тяжелых металлов и селена на ростки 14-ти дневных __растений озимой пшеницы_
Сорта Варианты
Контроль Se Pb Cd Se+Pb Se+Cd НСР, %
Длина ростков, см
Московская 40 11,96 14,94 12,71 8,40 11,88 11,93 0,18
Немчиновская 17 12,38 14,86 11,17 9,47 12,35 12,26 0,15
Немчиновская 24 13,05 11,41 11,84 10,16 11,90 12,59 0,20
Масса ростков, г /100 растений
Московская 40 1,18 1,03 0,99 0,87 1,14 1,03 0,01
Немчиновская 17 1,13 1,02 0,94 0,87 1,12 1,03 0,11
Немчиновская 24 1,24 1,03 0,95 0,83 1,04 1,03 0,07
Применение Na2SeO4 незначительно уменьшало длину ростков у всех сортов ячменя, кроме сорта Труженик, у пшеницы - только у сорта Немчиновская 57, и увеличивало её у сортов Московская 56 и Московская 39 на 25-20% соответственно по сравнению с контролем.
Удалось заметить увеличение биомассы при использовании селената натрия у растений пшеницы в среднем в 1,42 раза по сравнению с контролем, при этом 58,2% её приходилось на корневую систему растения.
Таблица 5. Влияние тяжелых металлов и селена на ростки 14-ти дневных __растений ячменя_
Сорта Варианты
Н2О Se Pb Cd Se+Pb Se+Cd НСР, %
Длина ростка, см
Ерема 7,22 7,28 6,68 6,72 7,92 7,97 0,29
Труженик 6,07 5,99 5,52 5,61 6,35 6,56 0,21
Ларец 6,65 6,60 5,97 5,95 6,95 6,91 0,29
Масса ростков, гр
Ерема 1,11 1,71 0,99 0,96 1,33 1,29 0,06
Труженик 1,22 1,10 0,92 0,90 1,49 1,42 0,06
Ларец 1,19 1,05 0,95 0,93 1,38 1,42 0,08
При совместном использовании солей селена с солями кадмия, происходило увеличение корневой биомассы растений в среднем по сортам в 1,32 раза, свинцом 1,25 раза - по сравнению с биомассой при одностороннем использовании металлов [18].
Сделав анализ проделанной исследовательской работы пришли к следующим выводам:
Выводы:
1. Тяжелые металлы оказывают негативное влияние на онтогенез растений, снижая всхожесть семян и ингибируя дальнейшее развитие проростков.
2. Установлены экологические сортовые различия отзывчивости озимой пшеницы и ячменя на загрязнение растений солями свинца и кадмия. Устойчивыми к действию ионов тяжелых металлов оказались: сорт озимой пшеницы Московская 40 и ячменя - Труженик, а неустойчивыми - сорт Немчиновская 24 и Ерема.
3. Совместное использование ионов селена и тяжелых металлов приводило к понижению показателей стресса, вызванного влиянием последних, что может показывать защитную функцию ионной формы селена в растениях.
4. Селенаты в виде растворов с концентрацией 10-4 М могут быть использованы для понижения стрессовой нагрузки на сельхозпродукции ячменя и пшеницы от негативного воздействия ионов ТМ и их загрязнении агроценозов.
Библиографический список:
1. Флоринский М.А. Селен в окружающей среде/ М.А. Флоринский, Е.В. Седова// Агрохимия. - 1992. - № 5. С. 122-129.
2. Черных Н.А. Экотоксикологические аспекты загрязнения почв тяжелыми металлами / Н.А. Черных, Н.А. Милащенко, В.Ф. Ладонин. - М.: Агропромиздат, 1999. С. 176.
3. Wrona M. The influence of selenium compounds on the permeability of wheat callus cell plasma membranes in the presence of camdmium ions / M. Wrona, A. Sieprawska, W. Tejchman, M. Filek // Acta Physiologiae Plantarum - 2007 - 29: P. 122-122.
4. Блинохватов А.Ф. Селен в биосфере / А.Ф. Блинохватов, Г.В. Денисова, Д.Ю. Ильин и др; под ред. А.Ф. Блинохватова. - Пенза: РИО ПГСХА, 2001. С. 324.
5. Terry N. Selenium in higher plants / N. Terry, A.M. Zayed, M.P. De Souza, A. S. Tarun // Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology - 2000 - 51: P. 401-432
6. Голубкина Н.А. Селен в питании: растения, животные, человек / Н.А. Голубкина, Т.Т. Папазян. - М.: Печатный город, 2006. С. 254.
7. Третьяков Н.Н. Практикум по физиологии растений / Н.Н. Третьяков. -М.: Колос, 1982. С. 187-193.
8. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства - издание 2-е, переработанное и дополненное - М.: Министерство сельского хозяйства Российской Федерации -1992. С. 61
9. Авцын А.П. Микроэлементозы человека: экология, классификация, органопатология / А.П. Авцын и др. - М.: Медицина, 1991. С. 496.
10. Yuan J. Selenium treatment mitigates the effect of lead exposure in Coleus blumei benth / J. Yuan, M. Hu, Z. Zhou // J. Environ. Anal. Toxicol. - 2013 - 3: P. 191.
11. Потатуева Ю.В. Влияние кадмия на урожай сельскохозяйственных культур и накопление этого элемента в почвах и растениях / Ю.В. Потатуева // Агрохимия. - 1998. - № 3. С. 53-61.
12. Xue T. Antioxidative and growth-promoting effect of selenium in senescing lettuce / T. Xue, H. Hartikainen, V. Piironen // Plant and Soil - 2001 - 237: P. 55-61
13. Xue T. Antioxidation of selenium in the higher plants / T. Xue, S.F. Hou, J.A. Tan, G.D. Liu //Chinese Science Bulletin - 1993 -38: P. 274-277
14. Чиркова Т.В. Физиологические основы устойчивости растений / Т.В. Чиркова. - СПб: Санкт-Петербургский ун-т, 2002. С. 244
15. Хелдт Г.В. Биохимия растений/Г.В. Хелдт. М.: БИНОМ, 2011. С. 372.
16. Tinggi U. Essentiality and toxicity of selenium and its status in Australia: a review // Toxicology Letters - 2003 - 137: P. 103-11.
17. Черных Н.А. Физиологические основы устойчивости растений: монография / Н.А. Черных, Т.В. Чиркова. - СПб: Санкт-Петербургский ГУ, 2002. С. 244.
18. Terashima I. Leaf Functional Anatomy in Relation to Photosynthesis /I.Terashima, T.Y. Hanba, D. Tholen, U. Niinemets //Plant Physiology January 2011. - Vol. 155: Р. 108-116.
