CC BY
33
fi 28/2001
I Вестник Ставропольского государственного университета
Ctpmiuj оститов у шсшшй
ОСОБЕННОСТИ ДЕЙСТВИЯ КАДМИЯ НА ВСХОЖЕСТЬ КУЛЬТУРНЫХ ЗЛАКОВ
Е.А. Зуев
THE FEATURES OF CADMIUM EFFECT UPON CULTURED CEREALS GERMINATION
E.A. Zuev
The article describes the effect of cadmUum salts solutions of toxic concentration in germinating meduum upon the germination of soft wheat seeds (Triticum aestivum) and multlserlal barley (Hordeum vulgare).
В статье дано описание особенностей действия токсичных концентраций растворов солей кадмия в среде проращивания на всхожесть семян пшеницы мягкой (Triticum aestivum), ячменя многорядного (Hordeum vulgare).
УДК 581.142
В последнее время в связи с бурным развитием промышленности наблюдается значительное возрастание уровня загрязнения окружающей среды, в частности, тяжелыми металлами. Термин «тяжелые металлы» применяется к металлам либо с плотностью, превышающей 5 г/см&, либо с атомным номером больше 20 [Вагсе1о, РозсИеппбег, 1990 Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989]. Среди химических элементов тяжелые металлы наиболее токсичны и сравнимы по уровню своей опасности с пестицидами.
Повышенные концентрации тяжелых металлов могут приводить к общим, малоспецифическим физиологическим и биохимическим изменениям. Вагсе1о В и РовсЬеп-пебег С3 (1990) выделяют следующие изменения: повреждение мембран, изменение активности ферментов, ингибирование роста корней, торможение роста растений.
Визуальными признаками токсичности тяжелых металлов являются торможение роста побегов и изменение формы листьев, причем под действием разных металлов форма листьев изменяется различным образом. Корневая система растений в этих условиях также приобретает аномальное строение.
Чувствительность растений к любым экстремальным воздействиям особенно высока в раннем возрасте, когда сорбционная емкость протоплазмы еще не велика [Удо-венко, Евдокимов, 1970]. Именно на начальных этапах развития закладываются все особенности морфо-гистологического и биохи-
Зуев А.Е.
«Особенности действия кадмия на всхожесть культурных злаков»
мического строения растения и любое воздействие на этой стадии может привести к нежелательным последствиям. С возрастом растения становятся более толерантными к внезапному избытку тяжелых металлов в среде обитания.
Влияние тяжелых металлов, в частности кадмия, на рост и развитие сельскохозяйственных культур изучалось многими авторами. Первункой Р.И. и Зыриным Н.Г. (1987) установлено, что ингибирование роста растений ячменя при повышенных дозах С6 наблюдается уже в начальные фазы развития.
По данным Ю.П. Мельничука (1984), поступивший в проростки кадмий в концентрации 0,5-103 М в значительной степени угнетает ростовые процессы подземной и надземной частей (в 2-2,3 раза). Более низкие концентрации слабо стимулируют ростовые процессы, при этом проростки пшеницы сорта Безостая-1 более отзывчивы на его включения [Мельничук, 1984].
Установлено, что различные концентрации С6 достоверно не влияют на величину энергии прорастания и всхожести семян пшеницы. Концентрация 25 мкМ способствует повышению этих показателей. Высота 8-дневных проростков изучаемых сортов под воздействием С6804 в 50 мкМ снижается в 3,0-3,5 раза, длина корневой системы в 4-6 раз [Коваль и др., 1985].
В данной работе нами исследовано воздействие различных концентраций соли кадмия на всхожесть семян, таких растений как пшеница мягкая (ТгШсит /иезсепв) сорт Безостая-1 и ячмень многорядный (НоМеит рага11е1ит) сорт Тайна. Кроме того, нами производился подсчет аномальных проростков и количество невсхожих семян.
Семена проращивались в растворах соли кадмия разной концентрации: 1ПДК -8ПДК (ПДК - предельно-допустимая концентрация металла в растворе). ПДК кадмия бралась из учета ПДК для почв, и она равна 0,3 мг/л.
Зерновки были посеяны в чашках Петри, при этом использовалась обеззоленная фильтровальная бумага диаметром 100 мм. В каждую чашку Петри помещали по 200
семян. На каждую концентрацию соли бралось по две чашки Петри.
Семена были смочены растворами соли С6 в каждую чашку по 10 мл жидкости. Две чашки Петри с семенами, по 200 семян в каждой были приняты за контрольные. Эти семена проращивались на дистиллированной воде.
Через два дня утром производили первый учет проросших семян, а затем - ежедневно.
Всхожесть характеризуется количеством семян, нормально проросших за весь период наблюдений (в данном случае 8 дней) при комнатных условиях проращивания.
К числу всхожих относили только те, которые имели нормально развитые проростки.
Ненормально проросшие:
1. Короткие, остановившиеся в росте корешки.
2. Короткая утолщенная почечка.
3. Нет зародышевых корней.
4. Листья, достигающие менее половины колеоптиля.
5. Колеоптиль без зеленых листьев.
К невсхожим отнесли семена:
1. Набухшие, которые к моменту окончательного определения всхожести не проросли, но имеют здоровый вид и при надавливании пинцетом не раздваиваются.
2. Загнившие.
Всхожесть семян определялась в течение всего периода прорастания.
Полученный материал был подвергнут статистической обработке (Магулаев, 1994.)
После проведения эксперимента по проращиванию семян в растворах соли кадмия были получены следующие результаты по частоте всхожести семян.
При исследовании показаний всхожести семян обоих видов растений, можно заметить идентичность в изменениях процента по ходу роста концентрации. При этом идентичной является как всхожесть нормальных проростков, так и аномальных. Кроме того, изменения частоты имеют сложную направленность.
28/2001
|] Вестник Ставропольского государственного университета
Таблица 1
Всхожесть нормальных и аномальных проростков (в %)
Расте \пдк
ния Пр>\ ростки\ 0 1 2 3 4 5 6 7 8
я Нормаль- 96,75± 83,5± 74,5± 77,25± 85,25± 77,5± 62,5± 58,0± 51,5±
я а ные 0,12 1,34 2,23 2,21 1,31 2,19 2,28 2,49 2,53
Ано- 0,0 9,5± 16,25± 12,75± 1,5± 10,5± 15,25± 18,75± 21,75±
мальные 0,98 1,82 1,73 0,60 1,52 1,82 1,92 2,08
- Нормаль- 79,0± 69,5± 53,5± 46,25± 34,75± 26,0± 43,0± 49,25± 38,25±
я о ные 2,20 2,35 2,51 2,52 2,23 2,20 2,48 2,53 2,31
м Ано- 12,75± 17,5± 29,75± 32,25± 42,25± 48,0± 26,5± 12,5± 20,75±
мальные 1,73 1,87 2,25 2,21 2,46 2,51 2,20 1,72 2,01
Частота нормальных проростков с ростом концентрации вначале уменьшается, затем происходит ее рост до определенных пределов (которые нигде не превышают контрольные значения), после этого роста всхожесть опять падает.
У пшеницы от 0 до 2 ПДК - частота падает с 96,75% до 74,5%. Далее, на промежутке 2 -4 ПДК всхожесть повышается до 85,25%; 4-8 ПДК - количество нормальных проростков уменьшается и при концентрации 8 ПДК частота принимает свои наименьшие значения - 51,5%.
Попарное сравнение частот всхожести по полученным результатам показало, что результаты являются высокодостоверными за исключением пар 2-3 ПДК (74,5% и 77,25% соответственно) (р = 0,5223), 6 -7 ПДК (62,5% и 58,0%) (р = 0,8434). Между всхожестью и увеличением концентрации проходит тесная отрицательная корреляция: г =-0,81.
Как уже было сказано, всхожесть нормальных проростков ячменя по своей динамике изменений схожа с всхожестью пшеницы: от 0 до 5 ПДК показания изменяются в сторону уменьшения (79,0% - 26,0%); от 5 до 7 ПДК - увеличиваются до 49,25%; наконец на промежутке 7-8 ПДК - они уменьшаются до 38,25%.
Сравнение частот показало, что разница между значениями практически во всех случаях является высокодостоверной (р = 0,9999), исключение составляет пара концентраций 6-7 ПДК (43,0% и 49,25% соот-
ветственно), здесь р = 0,9749. Рост концентрации кадмия в растворах связан тесной коррелятивной зависимостью с частотой появления нормальных проростков: г = -0,75.
Теперь несколько слов по поводу аномальных проростков пшеницы и ячменя. При одном только взгляде на показания, обнаруживается «зеркальность» этих значений по отношению к данным по нормальным проросткам. То есть, изменения показаний всхожести аномальных проростков, допустим пшеницы, в зеркальном отражении повторяют изменения значений по нормальным проросткам все той же пшеницы. Аналогичные выводы можно сделать и по ячменю. При увеличении концентрации количество нормальных проростков уменьшалось, здесь же, наоборот - количество аномальных проростков растет. Дальнейший рост концентрации вызывает рост частоты всхожести по нормальным и уменьшение ее по аномальным проросткам. Последующее уменьшение показаний по нормальным проросткам ведет за собою увеличение количества аномальных.
У пшеницы, рост ПДК от 0 до 2 вызывает рост всхожести аномальных проростков от 0,0% до 16,25%. Изменение концентрации от 2 до 4 ПДК приводит к уменьшению показаний до 1,5%. Опять, увеличение концентрации с 4 до 8 ПДК - увеличение всхожести до 21,75%.
Достоверность разницы между частотами почти во всех случаях является высо-
ЗуевА.Е. ЯН
«Особенности действия кадмия на всхожесть культурных злаков» | ■ ^
кой, исключая два варианта: 6-7 ПДК (15,25% и 18,75%) (р = 0,5648), 7 - 8 ПДК (18,75% и 21,75%) (р = 0,4843).
Аномальные проростки ячменя появляются с большей частотой по ходу роста концентрации от 0 до 5 ПДК с 12,75% вплоть до 48,0%. Далее, с 5 до 7 ПДК - спад значений к 12,5%. Рост ПДК 7-8 приводит к росту всхожести: 12,5% - 20,75%.
Во всех случаях разница в значениях всхожести высокодостоверна, исключение составляет пара 2-3 ПДК (29,75% и 32,25% соответственно) (р = 0,4039).
Уменьшение количества аномальных проростков и увеличение нормальных при воздействии определенными концентрациями С6 объясняется включением на этих этапах у растений защитных механизмов, работающих на клеточном уровне. Дальнейший рост концентрации приводит к отказу этих механизмов и соответственно - уменьшению частоты нормальных проростков.
Почему всхожесть нормальных и аномальных проростков носит «зеркальный» характер? «Зеркальность» изменений частоты аномальных проро стков, как уже было замечено, вплотную связана с изменениями всхожести нормальных. То есть, количество аномальных проростков увеличивается за счет уменьшения количества нормальных, и наоборот - количество нормальных при
включении защитных механизмов растения увеличивается за счет аномальных.
Перейдем теперь к учету невсхожих семян растений. Полученные данные приведены таблице2.
Эти данные показывают, что количество невсхожих семян увеличивается при росте концентрации растворов во всех случаях, у каждого вида растений, независимо, культурное оно, либо дикорастущее. Таким образом, тяжелый металл кадмий выступает как ингибитор прорастания семян, и увеличение его концентрации всегда отрицательно влияет на всхожесть последних.
Изменение количества невсхожих семян при росте градиента концентрации не во всех случаях является достоверным. Но между изменением концентрации и ростом частоты существует тесная корреляция: г(пшеницы) = 0,72; г(ячменя) = 0,84. Таким образом, можно сделать вывод, что кадмий является ингибитором ростовых процессов семян, начиная уже с концентрации 1 ПДК и, дальнейшее увеличение концентрации угнетает всхожесть, приводит к увеличению количества невсхожих семян. Кроме того, отмечено включение, при определенных концентрациях растворов тяжелого металла, защитных механизмов, способствующих увеличению всхожести нормальных проростков за счет уменьшения количества аномальных.
Таблица!
Учет невсхожих семян (в %).
\ ПДК
Рас-Х. 0 1 2 3 4 5 6 7 8
тения \
ее Я я я 3,25± 7,0± 9,25± 10,0± 13,25± 12,0± 22,25± 23,25± 26,75±
= 0,12 1,27 1,50 1,01 1,78 1,70 2,11 2,15 2,18
П
Я 8,25± 13,0± 16,75± 21,5± 23,0± 26,0± 30,5± 38,25± 41,0±
<6 В" к 1,32 1,75 1,81 2,06 2,14 2,18 2,20 2,28 2,34
am 28/2001
црц]ц| Вестник Ставропольского государственного университета
ЛИТЕРАТУРА
1. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. — М.: Мир, 1989. — 439 с.
2. Коваль В.Т., Захариева З.Е., Швец Г.А. Роль кадмия и кинетика в начальных этапах развития озимой пшеницы // Биология и агротехника полевых культур в условиях интенсивного сельскохозяйственного производства: Сборник научных трудов. — Одесса: ОСХИ, 1985. — С. 93-95.
3. Первунка Р.И., Зырин Н.Г., Малахов С.Г. Показатели загрязнения систем почва-сельскохозяйственные растения кадмием: Труды НИИ Экспер. Метеорологии. — М.: Гидрометео-издат, 1987. —Вып. 14. — С. 60-65.
4. Сливинская Р.Б. Возможные причины анатомических нарушений у растений под действием тяжелых металлов // Современные проблемы экологии анатомии растений. - Владивосток, 1991. - С. 147-148.
5. Barcelo J., Poschenrieder Ch. Plant water relation as affected by heavy metal stress: a review // J. PlantNutr., 1990. - 13. -X1. -P. 1-37.
6. Wood J. M. Biological cycles for toxic elements in the environment //Science, 1974. - X 4129. - P. 1049-1059.
j j j
Зуев Евгений Александрович, аспирант Ставропольского государственного университета.
