Повышение устойчивости Brachycome iberidifolia и Festuca rubra к загрязнению почв ионами меди Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 574.24

ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ BRACHYCOMEIBERIDIFOLIA И FESTUCA RUBRA К ЗАГРЯЗНЕНИЮ ПОЧВ ИОНАМИ МЕДИ

© 2016 И.И. Литвинова1, Е. А. Гладков12, О.В. Гладкова2, Ю.И. Долгих12

1 Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, г. Москва 2 Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)

Статья поступила в редакцию 25.04.2016

Многие травянистые растения, газонные травы и красивоцветущие растения, используемые в городском озеленении, чувствительны к загрязнению почвенного покрова ионами меди. Объектами исследования являлись овсяница красная и брахикома иберисолистная. Разработаны технологии получения растений овсяницы красной и брахикомы иберисолистной, устойчивых к меди. Для получения растений овсяницы, устойчивых к меди, была использована схема селекции, включающая в себя культивирование каллуса на модифицированной среде МС с 150 мг/л меди, регенерация на среде МС с 150 мг/ л меди и укоренение растений на среде МС с 150 мг/ л меди. Для получения устойчивых растений брахикомы иберисолистной была выбрана схема селекции, включающая культивирование каллусов на питательной среде МС с концентрацией меди 20 мг/л в течение 2 пассажей по 26 суток, затем регенерация и укоренение без добавления меди. Большинство полученных регенерантов продемонстрировали повышенную устойчивость к меди. Ключевые слова: овсяница, брахикома, культура клеток, газон, in vitro, клеточная селекция.

Растительность важная часть городской экосистемы, снижающая уровень загрязнения городских экосистем, оздоравливающая окружающую среду. Большое экологическое значение имеет травянистый покров [1]. Однако многие травянистые растения, газонные травы и красивоцветущие растения, используемые в городском озеленении, чувствительны к загрязнению почвенного покрова[2,3]. Среди токсикантов, обладающих высоким уровнем фитотоксичности выделяют тяжелые металлы. Наиболее опасны для растений медь и кадмий, средним уровнем фитотоксичности обладает цинк [2].

Ионы меди существенно снижают декоративные качества растений, поэтому повышение толерантности к меди является важной задачей [4-6]. Для решения данной проблемы можно использовать клеточную селекцию, с помощью которой получают растения устойчивые к различным неблагоприятным экологическим факторам [3,7-9]. Однако, такие работы единичны.

Цель работы - разработка методов клеточной селекции для получения растений овсяницы красной и брахикомы иберисолистной, устойчивых к ионам меди.

Литвинова Илина Игоревна, научный сотрудник лаборатории «Генетика культивируемых клеток». E-mail: [email protected]

Гладков Евгений Александрович, кандидат биологических наук, доцент, доцент кафедры"Биотехнология научный сотрудник лаборатории "Генетика культивируемых клеток". E-mail: [email protected] Гладкова Ольга Викторовна, старший преподаватель. Долгих Юлия Ивановна, профессор, доктор биологических наук.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объекты исследования - овсяница красная и брахикома иберисолистная.

Овсяница красная (Festuca rubra L.) - это низовой многолетний злак, используемый при создании газонов различного назначения. Овсяница устойчива к засухе, долговечна, держится в травостое более 10 лет.

Брахикома иберисолистная (Brachycome iberidifolia Benth.) относится к классу Двудольные, семейства Астровые. Однолетнее растение с многочисленными эффектными соцветиями. Язычковые цветки белые, синие, голубые, фиолетовые или лилово-розовые, расположены в один ряд; трубчатые — мелкие, синие или почти черные. Большое преимущество данного растения - это раннее, обильное, продолжительное цветение (75-90 дней) и сохранение в течение долгого периода декоративных качеств. Брахикома используется не только при создании цветников, но и для оформления мавританских газонов.

Первичный каллус овсяницы красной получали из прорастающих стерильных семян на модифицированной среде Мурасиге-Скуга (МС), содержащей 3 мг/л 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты (2,4-Д), 30 г/л сахарозы, 500 мг/л гидро-лизата казеина и 7 г/л агар-агара. Затем каллус культивировали на среде МС с добавлением 2,4-Д в концентрации 1 мг/л.

Для введения в культуру клеток брахикомы иберисолистной использовали среду МС с добавлением 2 мг/л 2,4-Д в сочетании с 2 мг/л кинетина, 30 г/л сахарозы, 500 мг/л гидролизата казеина и 6 г/л агар-агара [10]. В результатах представлены

Научные сообщения и обзоры

60 50 40 30 20 10 0

10

40

20 30

концентрация ионов меди, мг/л

Рис. 1. Влияние ионов меди на выживаемость каллусов брахикомы иберисолистной, после культивирования в течение 2 пассажей

средние арифметические величины и их стандартные ошибки. Анализ данных проводили с использованием программы Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На основании ранее проведенных исследований действия ионов меди на каллусные ткани овсяницы красной, концентрация меди 150 мг/л была выбрана в качестве селективной. При данной концентрации, несмотря на значительную гибель каллусов, жизнеспособность сохранялось у 40% каллусов, часть выживших каллусов (18%) сохранило способность к регенерации.

Для получения растений овсяницы, устойчивых к меди, была использована схема селекции, включающая в себя культивирование каллуса на модифицированной среде МС с 150 мг/л меди, регенерация на среде МС с 150 мг/ л меди и укоренение растений на среде МС с 150 мг/ л меди. Из 750 каллусов было получено 32 регенеранта в условиях in vitro, 10 растений успешно укоренились в почве. Исследуемые регенеранты продемонстрировали повышенную устойчивость к ионам меди, по сравнению с исходными растениями. Все регенеранты при содержании 150 мг/кг меди росли лучше, чем исходные растения, у четырех регенерантов прирост был как у растений, растущих в почве без меди.

Каллусы брахикомы оказались намного чувствительнее овсяницы красной к ионам меди. Ингибирующее действие проявлялось в первом пассаже через 10-14 суток от начала опыта, при культивировании каллусов на питательной среде с добавлением меди в концентрации 10 мг/л. Часть каллусов приобретала желтую или коричневую окраску. При увеличении концентрации ионов меди токсическое действие значительно усиливалось, например, при содержании меди 40 мг/л большая часть каллусов погибала. Выжившие клетки теряли морфогенную активность, становились менее плотными, оводненными.

Для отбора устойчивых клонов брахикомы была выбрана селективная концентрации меди

20 мг/л. При данной концентрации выживает 32% каллусов, после культивирования в течение 2 пассажей (рис. 1). Для получения устойчивых растений брахикомы иберисолистной была выбрана схема селекции включающая - культивирование каллусов на питательной среде МС с концентрацией меди 20 мг/л в течение 2 пассажей по 26 суток, затем регенерация и укоренение без добавления меди. В результате проведенной селекции было получено 27 растений брахикомы иберисолистной, из них 12 высажено в открытый грунт. Большинство полученных регенерантов продемонстрировали повышенную устойчивость к концентрации меди 20 и 30 мг/л в водных растворах и в почвенных условиях к 30 мг/кг, в отличие от контрольных растений.

Таким образом, с помощью клеточной селекции удалось повысить толерантность брахикомы иберисолистной и овсяницы красной к повышенному содержанию ионов меди в почвенном покрове городов. Полученные растения овсяницы красной переносят высокий уровень загрязнения медью, брахикомы иберисолистной - средний

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Котляр М. Я. Экологические особенности озеленения населенных пунктов западного Забайкалья: дис. ... канд. биол. наук. Улан-Удэ, 2009. 160 с.

2. GladkovE. A. Zinc as the environmental factor of urban ecosystems // Ecology, Environment and Conservation. 2016, №1. P.439-442.

3. Gladkov E.A., Dolgikh Y.I., Gladkova O.V. Increasing ecological valence plants to lead // Ecology, Environment and Conservation. 2016, № 1. P. 443-446.

4. Доклад о состоянии окружающей среды в городе Москве в 2012 году. Департамент природопользования и охраны окружающей среды города Москвы. 2013. URL: http://www.mosecom.ru/reports/2012/ report2012.pdf (дата обращения 20.03.2016).

5. Попова Л.Ф. Химическое загрязнение урбоэкоси-стемы. Монография, Архангельск, 2013.

6. Использование новых методов очистки урбанизированных почв от тяжелых металлов/ Савич В.И.,

Белопухов С.Л., Никиточкин Д.Н., Филиппова А.В. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2013. № 6 (44). С. 203-205

7. Zinc-induced changes in morphophysiological and biochemical parameters in Artemisia annua /Khudsar T., Mahmooduzzafar, IqbalM., Sairam R.K. // Biol. Plant. 2004. V. 48, № 2. P. 255-260.

8. Cadmium resistance in tobacco plants expressing the musi gene./ Y.-N. Kim, J.-S. Kim, S.-G. Seo, Y. Lee, S.-W. Baek, I.-S. Kim, H.-S. Yoon, K.-R. Kim, S.-H. Kim,K.-H.

Kim // Plant Biotechnology Rep. 2011. № 5. P. 323-329

9. Somatic embryogenesis of the heavy metal accumulator Prosopis laevigata / L. Buendia-Gonzalez, M. E. Estrada-Zuniga, J. Orozco-VillafUerte, F. Cruz-Sosa, E. J. Vernon-Carter // Plant Cell Tiss. Organ Cult., 2012, № 108. P. 287-296

10. Литвинова И.И., Гладков Е.А. Введение в культуру клеток растений, используемых в качестве кормовых, лекарственных и декоративных, для получения стрессоустойчивых форм // Сельскохозяйственная биология. 2012. № 4. С. 94-99.

INCREASED RESISTANCE BRACHYCOMEIBERIDIFOLIA AND FESTUCA RUBRA TO SOIL COPPER IONS

© 2016 I.I. Litvinova1, E.A. Gladkov2, O.V. Gladkova2, Y.I. Dolgih2

1 Timiryazev Institute of Plant Physiology, Russian Academy of Sciences, Moscow 2 Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Many lawn grasses and flowering plants used in city landscaping, are sensitive to pollution of soil copper ions. The objects of study were Festuca rubra and Brachycome iberidifolia. The technologies for the production of plants Festuca rubra and Brachycome iberidifolia resistant copper. For Festuca rubra plants resistant to copper was used selection scheme comprising culturing callus on MS modified medium with 150 mg / l of copper, regeneration on MS medium with 150 mg / l of copper and rooting plants on MS medium with 150 mg / l copper. For Brachycome iberidifolia were used selection scheme comprising culturing callus on MS medium with a copper concentration of 20 mg / l for 26 days, 2 passages, and then rooting regeneration without addition of copper. Most derived regenerants showed increased resistance to copper. Keywords: festuca, brachycome, cell culture, lawn, in vitro, cell selection.

Ilina Litvinova, Research Laboratory "Thegenetics of cultured

cells". E-mail: [email protected];

Evgeny Gladkov, Candidate ofBiological, Associate Professor,

Department of "Biotechnology", "Genetics of Cultured Cells"

Research Laboratory. E-mail: [email protected]

Olga Gladkova Victorovna, Senior Lecturer.

Julia Dolgikh, Professor, Doctor ofBiological.