CC BY
50
УДК 582.717:581(571.122):581.132.2
Турбина И.Н., Мантрова М.В., Кравченко И.В.
Сургутский государственный университет E-mail: [email protected]
К ВОПРОСУ ИНТРОДУКЦИИ БАДАНА ТОЛСТОЛИСТНОГО В УСЛОВИЯХ ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА-ЮГРЫ
Резюме. Статья посвящена изучению некоторых аспектов интродукции бадана толстолистного в условиях г. Сургута, а именно, рассматривается динамика содержания фотосинтетических пигментов хлоропластов и тяжелых металлов (Pb, Cu, Cr, Cd) в зеленых листьях бадана на разных этапах сезонного развития.
Содержание зеленых пигментов в листьях варьировалось в течение вегетационного периода в диапазоне от 0,58 до 0,69 мг/г с максимумом накопления в летние месяцы. На протяжении вегетационного периода отмечено постепенное усиление доли хлорофилла «а», уровень которого в 1,5-3,0 раза превысил таковой хлорофилла «б». Содержание желтых пластидных пигментов на протяжении всего периода наблюдений значительно уступало уровню хлорофиллов. Так, в период вегетации отмечается максимальное значение доли каротиноидов равное 0,39 мг/г. Ассимилирующие органы бадана толстолистного участвуют в накоплении хлорофиллов, каротиноидов, а низкие концентрации химических элементов указывают на их основную аккумуляцию в тканях корневой системы.
Таким образом, содержание фотосинтетических пигментов в зеленых листьях бадана толстолистного на протяжении всего периода наблюдений варьировалось с максимумом накопления в период вегетации. Низкие концентрации исследованных тяжелых металлов в зеленых листьях бадана толстолистного на разных этапах сезонного развития находятся на уровне, характерном для незагрязненных мест произрастания. Отмечены также видовые особенности и дифференциация органов растения к накоплению данных элементов.
Ключевые слова: бадан толстолистный, фотосинтетические пигменты, тяжелые металлы, фаза развития.
Бадан толстолистный (Bergenia crassifolia Fritsch.) относится к семейству Камнеломковые (Saxifragaceae), это вечнозеленый травянистый многолетник с мощным мясистым густо ветвящимся корневищем, покрытым остатками старых прилистников и черешков розеточных листьев. Листья все прикорневые, собранные в густую розетку, крупные, длинночерешковые, кожистые. Листовая пластинка широкоэллиптическая, длина до 35 см., ширина до 30 см. Стебель заканчивается крупным густым метельчато-щитковым соцветием с крупными пятимерными цветками. Околоцветник двойной, чашечка зеленая, венчик лилово-розовый. Плод-коробочка. Произрастает в горах на каменистых осыпях, а также в субальпийском и альпийском поясах. Основной ареал - Алтай, Саяны, Прибайкалье, Забайкалье, Республика Тыва. Интересен цикл развития растения. Зеленые листья остаются в течение нескольких вегетационных периодов по два-три года. Обычно они отмирают к концу сентября третьего года. Верхушечная почка после перезимовки остается живой и из нее появляются и развиваются молодые листья. Поэтому на одном растении находятся зеленые листья, красные - ли-
стья третьего-четвертого года, бурые - листья четвертого-пятого года [3], [12]. Известно, что наиболее ценным в фармакопейном отношении является его корневище, но надземные части также используются, но преимущественно в народной медицине. Вместе с тем, в литературе практически отсутствует информация об их биохимическом составе, что и вызвало наш интерес к этому вопросу. Химический состав растений зависит от целого ряда факторов, среди которых выделяют экологические, определяющие геохимическую обстановку произрастания растений, уровни содержания элементов и их формы в питающей среде, и генетические, обуславливающие биохимическую специализацию отдельных семейств, родов и видов [4], [8], [9]. Однако многие химические элементы являются неотъемлемой частью физиологически необходимых живым организмам соединений, поэтому немаловажно располагать информацией об естественных концентрациях элементов в растениях [13].
Фотосинтетическая продуктивность растений в значительной степени определяется уровнем накопления в ассимилирующих органах пигментов хлоропластов, поэтому
представляется целесообразным исследовать параметры накопления фотосинтезирующих пигментов и тяжелых металлов в листьях бадана толстолистного на разных этапах сезонного развития.
Цель работы
Изучение содержания фотосинтетических пигментов хлоропластов и тяжелых металлов (РЬ, Си, Сг, Cd) в зеленых листьях бадана толстолистного на разных этапах сезонного развития.
Задачи
- определить и сравнить содержание фотосинтетических пигментов (хлорофиллы «а» и «б», каротиноиды) у бадана толстолистного в период вегетации в фазах: бутонизация, цветение, плодоношение, вегетация;
- рассмотреть уровень концентрации элементов (РЬ, Си, Сг, Cd) в зеленых листьях бадана толстолистного и выявить факторы, влияющие на их накопление в растении.
Материалы и методы
Объекты исследования - зеленые листья бадана толстолистного, срезанные с растений в разные фенофазы сезонного развития (бутонизация, цветение, плодоношение, вегетация) [10]. Проводили анализ фенофаз с подсчетом количества дней от всходов до начала цветения, длительности цветения и роста. Биометрические замеры (высота растения; число цветков в соцветии; длина, ширина и число листьев) проводили у 10-20 растений. Посевные качества семян определяли по методике М. С. Зориной и С. П. Кабанова [6].
Исследование содержания пигментов и тяжелых металлов проводили в научной лаборатории биохимии и комплексного мониторинга загрязнения окружающей среды НИИ экологии Севера СурГУ.
Содержание фотосинтетических пигментов определяли в 3-кратной биологической повтор-ности на спектрофотометре СФ - 56 по методике А.Т. Мокроносова [11]. Наличие пигментов рассчитывали в мг/г сухого вещества.
Определение химических элементов выполнено методом атомной абсорбции на спектрометре МГА - 915 МД [5]. Содержание подвижных форм тяжелых металлов в ассимилирующих органах бадана приводится в мг/кг сухого вещества.
Результаты и их обсуждение
Биологической особенностью бадана толстолистного является его раннее цветение, которое наступает во второй декаде мая. Продолжительность периода от начала весенней вегетации до начала цветения составляет в среднем 14-16 дней, а от бутонизации до цветения соответственно 8-10 дней. Длительность цветения составляет 25-28 дней (табл. 1), массового цветения - 12-15 дней, от начала цветения до массового созревания семян проходит в среднем 50-60 дней. Семена вытянутые, морщинистые, черного цвета. Длина семян 0,2-0,3, ширина 0,1 см. Средняя масса 1000 шт. семян составляет 0,19 гр.
Содержание зеленых пигментов в листьях варьировалось в течение вегетационного периода в диапазоне от 0,58 до 0,69 мг/г с максимумом накопления в летние месяцы (табл. 2). На протяжении вегетационного периода отмечено постепенное усиление доли хлорофилла «а», уровень которого в 1,5-3,0 раза превысил таковой хлорофилла «б», о чем свидетельствовало соответствующее изменение соотношения этих групп зеленых пигментов в период наблюдений. Для хлорофилла «б» было характерно увеличение накопления в первой половине сезона, сменившееся незначительным снижением к концу вегетации. Содержание желтых пластидных пигментов на протяжении всего
Таблица 1. Средние биометрические показатели вегетативных и генеративных органов и характеристика продолжительности цветения Bergenia crassifolia Fritsch. В Сургуте
Высота, см Лист Длина цветочной стрелки, см Число цветков на один генеративный побег, шт. Число дней
число, шт. длина см ширина см 1
30,4± 1,1 10,3±1,4 16,1± 0,3 12,4 ± 0,3 58,5 ± 3,6 32,0 ± 4,5 25-28
1- продолжительность цветения
VII Всероссийская научно-практическая конференция
периода наблюдений значительно уступало уровню хлорофиллов. Так, в период вегетации отмечается максимальное значение доли каро-тиноидов равное 0,39 мг/г.
Таким образом, содержание фотосинтетических пигментов в зеленых листьях бадана толстолистного на протяжении всего периода наблюдений варьировалось с максимумом накопления в период вегетации.
Рассмотрим уровень концентрации РЬ, Си, Сг, Cd в ассимилирующих органах бадана толстолистного на разных этапах сезонного развития. Результаты исследования представлены в таблице 3.
Высокое содержание свинца вызывает нарушения метаболизма у растений. Основным симптомом действия свинца является торможение роста и угнетение накопления биомассы. Естественные уровни содержаний свинца в растениях из незагрязненных и безрудных областей находятся в пределах 0,1-10,0 мг/кг сухой массы при средней концентрации 4,1 мг/ кг [7]. Во всех исследуемых образцах содержание элемента не превышает 1 мг/кг.
Биохимические функции меди очень многообразны. Она присутствует в составе многих ферментов, комплексных соединений, играет важную роль в процессах фотосинтеза, дыхания, влияет на проницаемость сосудов ксилемы, контролирует образование ДНК и РНК. Дефицит элемента тормозит репродуцирование растений. по данным М. Я. Школьника [14],
в зависимости от природных условий среднее содержание меди в растениях находится в пределах 6,3-8,7 мг/кг сухого вещества. Накопление элемента в большинстве исследуемых образцов колеблется от 0,058 до 0,128 мг/кг сухого вещества, с максимумом в период цветения. Возможно, это объясняется универсальностью Cu как активного центра ряда ферментов.
Анализ литературных данных свидетельствует о незначительной биологической роли хрома, как микроэлемента, в жизни растений [1], [2], [8]. Нетоксичные концентрации хрома могут вызвать некоторую стимуляцию физиологических процессов, в то время как высокие - существенно ингибируют все ростовые процессы. Согласно данным D. E. Baker [15], нормальное содержание хрома в листьях растений составляет 0,1-0,5 мг/кг сухой массы и предположительно максимальное - 2 мг/кг сухой массы. В целом концентрация Cr вписывается в диапазон нормальных содержаний, при которых нет нарушений метаболических функций у растений.
Кадмий не является физиологически важным элементом для растений, которые, однако, легко его поглощают. Видимые симптомы, вызванные повышенным содержанием кадмия в растениях - это задержка роста, повреждение корневой системы, хлороз листьев.
Средняя концентрация Cd в травах составляет 0,007- 0,27 мг/кг сухой массы [9]. Отмечен низкий уровень элемента в течение всего
Таблица 2. Содержание пигментов хлоропластов в листьях Bergenia crassifolia Fritsch. на разных этапах сезонного развития, мг/г
Дата отбора проб Фаза развития Хлорофиллы Каротиноиды
а б а+б а/б
14.05 бутонизация 0,42 0,16 0,58 2,63 0,11
25.05 цветение 0,44 0,16 0,60 2,75 0,11
10.06 плодоношение 0,52 0,17 0,69 3,06 0,14
13.07 вегетация 0,55 0,14 0,69 3,93 0,39
28.08 конец вегетации 0,48 0,11 0,59 4,36 0,31
Таблица 3. Содержание подвижных форм тяжелых металлов в листьях Bergenia crassifolia Fritsch. на разных этапах сезонного развития, мг/кг
Дата отбора проб Фаза развития Pb Cu Cr Cd
14.05 бутонизация 0,0015 0,058 0,0023 0,0001
25.05 цветение 0,0019 0,128 0,0017 0,0001
10.06 плодоношение 0,0008 0,112 0,0013 0,0001
13.07 вегетация 0,0009 0,093 0,0012 0,0001
28.08 конец вегетации 0,0005 0,065 0,0005 0,0001
вегетационного периода, что показывает о его незначительном содержании в почвах данного региона.
Подводя итог вышеизложенному, следует отметить, что ассимилирующие органы бадана толстолистного участвуют в накоплении хлоро-филлов, каротиноидов, а низкие концентрации химических элементов указывают на их основную аккумуляцию в тканях корневой системы.
Выводы
1. Содержание зеленых пигментов в листьях варьировалась в течение вегетационного периода в диапазоне от 0,58 до 0,69 мг/г с макси-
мумом накопления в фазы плодоношения и вегетации при минимуме в период бутонизации.
2. Желтые пластидные пигменты на протяжении всего периода наблюдений уступали в 5-8 раз количеству хлорофиллов, с максимальным значением 0,39 мг/г в период вегетации.
3. Низкие концентрации исследованных тяжелых металлов в зеленых листьях бадана толстолистного на разных этапах сезонного развития находятся на уровне, характерном для незагрязненных мест произрастания. Отмечены также видовые особенности и дифференциация органов растения к накоплению данных элементов.
20.09.2015
Список литературы:
1. Алексеев, Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях/ Ю.В. Алексеев - Л.: Агропромиздат, 1987. - 142 с.
2. Бессонова, В. П. Накопление хрома в растениях и его токсичность/ В. П. Бессонова, О. Е. Иванченко // Питание, биоиндикация, экология - Запорожье: ЗНУ 2011.- Вып.16.№2.- С.35-52.
3. Гаммерман, А. Ф. Дикорастущие лекарственные растения СССР / А. Ф. Гаммерман, И. И. Гром - М.: Медицина, 1976. - С. 104-106.
4. Гринкевич, Н. И. Геохимическая эволюция лекарственных растений-новое направление в фармакогнозии / Н. И. Гринкевич, М. Н. Баландина // Фармация.-1982. - Т.31. - №3.- С.17-19.
5. ГОСТ 30178-96. Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов, М.: Стан-дартинформ, 2010. - 10 с.
6. Зорина, М.С. Определение семенной продуктивности и качества семян интродуцентов / М.С. Зорина, С.П. Кабанов // Методики интродукционных исследований в Казахстане. Алма-Ата, 1987. С. 75- 85.
7. Ильин, В. Б.Тяжелые металлы в системе почва-растение / В. Б. Ильин - Н.: Наука, 1991. - 151 с.
8. Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас - М.: Мир, 1989. - 439 с.
9. Ковальский, А. Л. Биогеохимия растений / А. Л. Ковальский. - Н.: Наука. Сиб. отд., 1991. - 288 с.
10. Методика фенологических наблюдений в ботанических садах СССР / Совет ботан. Садов СССР. - М.: ГБС АН ССР, 1975. -27 с.
11. Мокроносов, А. Т. Малый практикум по физиологии растений: учеб. пособие для вузов / А. Т. Мокроносов. Изд. 9-е перераб. и доп. — М.: Изд-во МГУ, 1994. - 184 с.
12. Растительные ресурсы СССР.- С.-Пб.: Наука, 1991.- Т.6.-200 с.
13. Физиология растительных организмов и роль металлов/ под ред. Н.М. Чернавской.- М.: Изд-во МГУ 1988. - 157 с.
14. Школьник, М. Я. Микроэлементы в жизни растений / М.Я. Школьник - Л., 1974.- 342 с.
15. Baker D. E. Chemical monitoring of soil for environmental anality and animal and human health / D.E. Baker, Chesnin // Advances in Agronomy. - 1975. - 27. - P. 306-360.
Сведения об авторах:
Турбина Ирина Николаевна, директор Учебно-научного центра растениеводства научно-исследовательского института экологии Севера Сургутского государственного университета, кандидат биологических наук, 030201
e-mail: [email protected]
Мантрова Мария Викторовна, младший научный сотрудник Учебно-научного центра растениеводства научно-исследовательского института экологии Севера Сургутского государственного университета, 03.02.08
тел.: 8(3462)763162, e-mail: [email protected]
Кравченко Инесса Вячеславовна, ведущий научный сотрудник научной лаборатории биохимии и комплексного мониторинга окружающей среды научно-исследовательского института экологии Севера Сургутского государственного университета, кандидат биологических наук, 03.02.08 тел.: 8(3462)763094, e-mail: [email protected]
