CC BY
63
УДК: 574.04:633
РЕАКЦИЯ РАСТЕНИЙ НА СТРЕССЫ НА НАЧАЛЬНЫХ ЭТАПАХ ОНТОГЕНЕЗА
З.М. Алиева, Н.Х. Самедова, А.Г. Юсуфов
Дагестанский государственный университет Россия, 367000, Махачкала, ул. М. Гаджиева, д. 43 а. Е-mail: [email protected]
Поступила 31.03.2011
Изучена всхожесть семян и особенности роста проростков (Phaseolus vulgaris L., Helianthus annuus L. , Zea mays L., Triticum vulgare L., Albizzia julibrissin Durazz., Gleditschia triacanthos L.) при действии буровых растворов и медного купороса. Определены коэффициенты вариации, индексы устойчивости и токсичности, а также толерантность к стрессам процессов роста на ранних этапах онтогенеза. Ключевые слова: стресс, онтогенез, прорастание, устойчивость, фитотоксичность, медный купорос, буровые растворы.
ВВЕДЕНИЕ
Возделывание сельскохозяйственных культур в аридных экосистемах связано с орошением, что нередко приводит к засолению земель. К этому в последние годы в Дагестане прибавились еще такие факторы, как эрозия, переуплотнение, деградация плодородия почв загрязнением солями тяжелых металлов, нефтепродуктами и продуктами их переработки (Баламирзоев и др., 2001). Для отдельных районов Терско-Кумской низменности показано превышение уровня меди в светло-каштановых почвах используемых в сельском хозяйстве. Медный купорос широко используется в сельскохозяйственной практике (при борьбе с болезнями растений) и промышленности (Федоров, Яблоков, 1999; Титов и др., 2007). Строительство нефтяных скважин неизменно приводит к загрязнению почвогрунтов, поверхностных и грунтовых вод отходами бурения. Буровые растворы и отходы бурения имеют крайне сложный и постоянно меняющийся химический состав (Мунгиев и др., 2006), что затрудняет установление их пороговых концентраций для разных видов растений.
Поскольку с каждым годом напряженность подобных воздействий на среду возрастает, возникает необходимость выявления чувствительных растений и этапов их онтогенеза (Zenk, 1996; Smykalova, Zamenikova, 2003). Это имеет и практическое значение, так как показана возможность хозяйственного использования растений для восстановления компонентов экосистем, загрязненных тяжелыми металлами (Прасад, 2003; Prasad, 2003). Особенно актуально проводить диагностику устойчивости растений к таким воздействиям в ранние, наиболее уязвимые этапы их онтогенеза, определяющие
дальнейшую их жизнеспособность. Интегральным результатом перестройки метаболизма у растений при воздействии стрессоров является изменение интенсивности ростовых процессов (Шевелуха, 1987). В связи этим, мы оценивали всхожесть семян и темпы роста проростков ряда культурных растений при действии медного купороса и буровых растворов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ На примере фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris L.), подсолнечника (Helianthus annuus L.), кукурузы (Zea mays L.), пшеницы (Triticum vulgare L.), акации ленкоранской (Albizzia julibrissin L.) и гледичии обыкновенной (Gleditschia triacanthos L.) изучали действие растворов CuSO4 (0.00025 - 0.25% или соответственно 0.01 - 10 мМ) и буровых растворов (1-50%) на всхожесть семян и рост проростков. Буровые растворы представлены широким спектром органических и неорганических материалов, основными из которых являются глинопорошок бентонитовый, сода каустическая NaOH, сода кальцинированная Na2CO3, ксантановая смола, хлорид калия KCl, высоко- и низковязкая целлюлоза, сульфометилированный танин, смесь поверхностно - активных веществ (ПАВ). В процессе освоения скважин отходы бурения могут дополняться такими загрязнителями, как нефть, нефтепродукты и минерализованная пластовая вода (Мунгиев и др., 2006). Для выявления общих закономерностей действия стрессов на растения были выбраны разные случайные объекты. При этом учитывали рекомендации различных методов биотестирования, используя представителей как однодольных (кукуруза, пшеница), и двудольных (фасоль, подсолнечник, акация, гледичия) растений, представителей разных жизненных форм в пределах одного семейства и использование их при озеленении южных регионов (гледичия, акация ленкоранская).
Семена культивировали (при температуре +20-+22°C) в чашках Петри, на фильтровальной бумаге, смоченной указанными растворами (опыт) и дистиллированной водой (контроль). Варианты включали 30-50 семян. Учитывали их всхожесть и энергию прорастания. В части опытов проростки культивировали в пробирках, в схожих для семян условиях. Учитывали изменения роста их корня и надземной части. Опыты проводили в двукратной повторности.
Индекс устойчивости (ИУ) оценивали по длине проростков, измеренной в определенный срок, и находили по формуле, предложенной для оценки солеустойчивости проростков:
У a ■ b
ИУ = У--100
y ■ n
где: а - количество проростков в каждой группе; b - оценка группы в баллах; £ -сумма произведений; у - общее количество семян, взятых для проращивания; n -наивысшая оценка в баллах (Дроздов и др., 1988). В связи с неравномерным прорастанием семян разных объектов в благоприятных условиях, в работе индекс устойчивости рассчитывали по отношению к контрольному варианту.
Индекс токсичности стрессовых факторов (ИТФ) вычисляли по формуле (Кабиров и др., 2000):
итф = -Д0^-
Дконт
где: Доп - средние показатели в опыте; Дконт - средние показатели в контроле.
Результаты опытов обработаны с помощью программы Microsoft Excel и представлены в виде средних арифметических и их стандартных ошибок.
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
По мере повышения концентрации растворов отмечено снижение темпов прорастания и всхожести семян, интенсивность которого зависела как от токсиканта, так и от объекта. Оно наблюдалось даже у семян бобовых растений, которые в силу физиологических особенностей развивают мощное давление набухания и прорастают обычно в широком диапазоне действия внешних факторов. На первые сутки культивирования в контроле проросло 90% семян фасоли, в растворе медного купороса 0.0025 % - почти в два раза меньше, а повышение его концентрации до 0.25 % привело к полному ингибированию процесса. Прорастание семян бобовых растений в растворах медного купороса происходило несколько интенсивнее, чем других культур, при этом семена гледичии прорастали хуже, чем альбиции и фасоли (табл. 1, рис.). Двукратное снижение всхожести семян у кукурузы и пшеницы происходило уже в растворе с концентрацией 0.00025 % CuSO4, подсолнечника - 0.0025 %, а альбиции и гледичии - лишь 0.025%. При этом у гледичии резкое снижение всхожести - с 90 до 10% - происходило при повышении концентрации раствора соли с 0.025 до 0.25 %. В растворе медного купороса с концентрацией 0.025% за 48 ч проросло 75% семян фасоли, гледичии - 55%, а за 72 ч - 80 и 70%. Отрицательное действие буровых растворов на прорастающие семена было значительно менее выраженным, чем медного купороса, токсическое их действие начинало проявляться только при очень высоких концентрациях. Двукратное снижение всхожести семян в растворах буровой смеси также отмечено у объектов при разных концентрациях. Для альбиции, гледичии и кукурузы это была концентрация 10%,
подсолнечника - 20%, а пшеницы - 40%. У фасоли даже при концентрации 50% всходило 79% семян, хотя дальнейший рост проростков был подавлен (рис.).
Интенсивное прорастание семян бобовых отмечено и в условиях почвенного засоления, что связано с их развитой способностью поглощать воду из любых, даже концентрированных растворов. Эта особенность определяется больше физико-химическими механизмами, и не всегда отражает биологическую устойчивость (Дроздов и др., 1988). Поэтому мы провели оценку реакции растений на медный купорос и буровые растворы по комплексу других показателей.
Специфика реакции проростков проявлялась и в изменении линейных параметров их роста. Низкие концентрации обоих токсикантов оказывали некоторый общий положительный эффект (табл. 1, 2). В целом же у всех объектов рост корневой системы находился в большем угнетении, чем надземной части. У акации длина корня в варианте с концентрацией бурового раствора 1% составила 120% по отношению к контролю, а при повышении концентрации (до 50%) снизилась до 20%. У пшеницы эти показатели составили 130 и 5% соответственно. Такая же картина наблюдается и при анализе величины коэффициента вариации (СУ%). Этот показатель увеличивался при культивировании проростков в условиях высоких концентрациях растворов, что отражает дисбаланс их роста и, следовательно, нарушение вариационной кривой. При этом различия между вариантами были менее выражены для надземной части, чем для корней, что также говорит о большей чувствительности корневой системы к стрессам (табл. 1, 2).
Индекс токсичности фактора (ИТФ), величина которого обратно пропорциональна степени токсичности действующего вещества, так же выявил общую для всех объектов более высокую чувствительность к токсикантам корней по сравнению с надземной частью. При этом в низких концентрациях растворов медного купороса (0.00025 % или 0.01 мМ), оказывающих стимулирующий эффект на формирование и развитие корней у проростков, в частности, акации, ИТФ составил 2.97. Концентрация 0.0025 % не оказала существенного влияния на рост корней и данный показатель оказался близок к единице (ИТФ = 0.93), тогда как при повышении дозы токсиканта до 0.025 % СиБ04 отмечено резкое ингибирование роста корней по сравнению с контролем.
В целом, имеющие отрицательную связь величины СУ% и ИТФ, рассчитанные для длины корня, позволили определить пороговую концентрацию растворов СиБ04, (вызывающую умеренное снижение жизнеспособности), которая составила 0.0025 %.
Расчеты индекса устойчивости показали, что выраженные различия между объектами начинают проявляться при концентрации 0.0025 - 0.025 % СиБ04, и наиболее низкими являются у пшеницы и альбиции, высокими - у кукурузы и подсолнечника (табл. 4).
Сравнительная оценка чувствительности к стрессам может проводиться по разным показателям: по минимальной концентрации, концентрации токсиканта, снижающей всхожесть семян на 50%, ИТФ, ИУ и CV в растворах высоких концентраций. Результаты таких способов оценки позволяют составить убывающие ряды устойчивости проростков культур для медного купороса и бурового раствора.
ОБСУЖДЕНИЕ
Устойчивость растений к стрессам - сложное биологическое явление, определяемое генетически на клеточном, организменном и популяционном уровнях организации. Она также меняется на разных этапах онтогенеза растений, проявляя ткане- и органоспецифичность. Поэтому изучение устойчивости растений требует комплексного анализа состояний их общей жизнедеятельности от прорастания семян до полного завершения цикла развития индивидуума, что связано с объективными методическими трудностями. Решение этой задачи возможно на одно- двулетних формах с большими затратами.
Наиболее простым подходом для прогнозирования устойчивости к стрессам является оценка всхожести семян и линейных показателей роста проростков. Более чувствителен рост корня, более сильное воздействие оказывал медный купорос. Влияние стрессового фактора достоверно проявляется в изменении величины коэффициента вариации, индекса токсичности и степени влияния фактора на данный параметр. Все это позволяет определить пороговые и летальные концентрации поллютантов для объектов. Ряды чувствительности культур, оцененные по отдельным показателям, не всегда совпадают. Поэтому общую оценку проводили по комплексу показателей чувствительности к стрессам начальных этапов онтогенеза культур.
В целом исследования показали высокую чувствительность корневой системы даже к пороговым концентрациям стрессовых факторов. Это подтверждается величинами индексов токсичности для каждого фактора и индексов устойчивости, а также коэффициента вариации, рассчитанного для линейных параметров роста корней и надземной части у проростков. Всхожесть семян и рост надземной части проявляли значительно большую устойчивость к воздействию обоих стрессоров, что характерно и для других токсикантов (Иванов и др., 2003; Титов и др., 2007). Отрицательное действие буровых растворов на рост корней проявлялось при использовании их в высоких концентрациях. Полученные результаты позволили составить убывающие ряды устойчивости проростков данных культур для медного купороса: кукуруза^ подсолнечник^ фасоль^ альбиция^ пшеница; для бурового раствора: альбиция^
кукуруза^ фасоль^ пшеница^ подсолнечник. Несовпадение этих рядов свидетельствует об особенностях растений, и о различиях в механизмах их реакции на стрессоры.
Приведенные данные свидетельствуют о возможности оценки устойчивости растений к стрессам по изменению комплекса показателей начальных этапов онтогенеза. Этот подход облегчает быструю оценку устойчивости растений к стрессам, а применение его к другим объектам нуждается в дальнейшем изучении.
ВЫВОДЫ
1. Исследования показали высокую чувствительность корневой системы даже к пороговым концентрациям исследованных стрессовых факторов, что подтверждается расчетами индексов токсичности и устойчивости и коэффициентом вариации параметров роста корней у проростков.
2. Всхожесть семян и рост надземной части проявляли значительно большую устойчивость к воздействию обоих стрессоров. Различия между объектами при сравнении прорастания семян были менее выражены, чем при анализе других показателей.
3. Отрицательное действие буровых растворов на рост корней проявлялось при использовании их в высоких концентрациях, а медный купорос оказывал токсическое действие на проростки даже в концентрации 0. 00025 %.
4. Полученные результаты позволили составить убывающие ряды устойчивости проростков этих культур, где несовпадение этих рядов свидетельствует как об индивидуальных особенностях растений, и о различиях в механизмах действия стрессоров.
5. Представленные результаты свидетельствуют о возможности оценки устойчивости растений к стрессам по изменению комплекса показателей начальных этапов онтогенеза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Баламирзоев М.А., Мирзоев Э.М.-Р., Аджиев А.М., Муфараджиев К.Г. 2001. Почвы
Дагестана. Экологические аспекты их рационального использования. Махачкала: ГУ "Дагестанское книжное издательство". 336 с.
Дроздов С.Н., Еремин Г.В. Климашевский Э.Л. 1988. Диагностика чувствительности растений к стрессовым факторам (методическое руководство). 228 с.
Иванов В.Б., Быстрова Е.И., Серегин И.В. 2003. Сравнение влияния тяжелых металлов на рост корня в связи с проблемой специфичности и избирательности их действия // Физиология растений. № 3. С. 445-454.
Кабиров Р.А., Суханова Н.В., Хайбулина Л.С. 2000. Оценка токсичности атмосферного воздуха с помощью микроскопических водорослей // Экология. № 3. С.231-232.
Мунгиев А.А., Алиева З.М., Мунгиева М.А. 2006. К вопросу определения классов опасности буровых отходов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. № 11. .С. 53-59.
Прасад М.Н. 2003. Практическое использование растений для восстановления экосистем, загрязненных тяжелыми металлами //Физиология растений. Т. 50. № 5. С. 764-780.
Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М., Лайдинен Г.Ф. 2007. Устойчивость растений к тяжелым металлам. Петрозаводск: Карельский НЦ РАН. 170 с.
Федоров Л.А., Яблоков А.В. 1999. Пестициды - токсический удар по биосфере и человеку. М.: Наука. 462 с.
Фуксман И.Л., Шляковская Т.А., Канючкова Г.К. 1998. Влияние тяжелых металлов на саженцы сосны обыкновенной // Экология. № 4. С. 227-281.
Чупахина Г.Н., Масленников П.В. 2004. Адаптация растений к нефтяному стрессу // Экология. № 5. С. 30- 35.
Шевелуха В.С. 1987. Рост как показатель адаптивных возможностей растений и посевов и использование его характеристик в селекции и растениеводстве // Регуляция адаптивных реакций сельскохозяйственных растений. Кишинев: Штинница. С. 3-11.
Prasad M.N.V. 2003. Heavy metal stress in plants. From Biomolekules to Ecosystems. Springer - Verlag. 462 p.
Smykalova I., Zamenikova С. 2003. The relationship between salinity and cadmium stress in barley // Biol. Plant. V. 46. № 2. P. 269-273.
Zenk M.H. 1996. Heavy metal detoxication in higher plants - a review // Gene. V. 179. P. 21-30.
Таблица 1. Всхожесть семян (в %) разных растений при культивировании в растворах CuSO4 и буровой смеси
Вариант 1 2 3 4 5 6
CuSO4 (%)
контроль 100 100 100 100 100 100
0.00025 100 100 50 40 100 95
0.0025 93 100 50 20 60 85
0.0250 90 90 45 15 32 80
0.2500 73 0 40 2 0 60
Буровая смесь (%)
контроль 100 100 93 100 100 100
1 86 60 73 100 100 100
10 53 40 63 100 92 100
20 46 30 66 98 47 90
50 26 0 55 30 10 70
Примечание. Обозначение объектов: альбиция, гледичия, кукуруза, пшеница, подсолнечник, фасоль (1 - 6)
Таблица 2. Влияние растворов CuSO4 на рост корня и надземной части у проростков разных растений (15 суток опыта)
Вариант (%) Длина корня Длина проростков
мм CV% ИТФ мм CV% ИТФ
фасоль
0 38.6±4.2 31.2 55.3±5.6 28.8
0.00025 68.8±5.9 24.3 1.78 113.0±15.4 33.4 2.04
0.0025 42.0±3.4 23.3 1.08 71.3±5.2 20.9 1.28
0.025 12.6±4.1 81.3 0.32 39.1±4.8 30.1 0.70
подсолнечник
0 23.0±0.4 25.0 25.5±0.5 29.7
0.00025 16.2±0.2 17.6 0.70 45.0±0.8 28.4 1.76
0.0025 8.4±0.7 26.9 0.36 17.6±1.5 31.5 0.68
0.0250 5.9±0.3 40.5 0.25 8.5±0.3 36.7 0.33
пшеница
0 52.5±10.6 57.5 80.5±9.0 31.9
0.00025 57.4±7.2 35.9 1.09 82.2±7.7 23.1 1.02
0.0025 16.8±4.1 65.4 0.32 47.8±6.5 36.1 0.59
0.0250 3.3±1.7 128.2 0.06 34.2±4.4 31.9 0.42
альбиция
0 15.0±2.9 44.4 37.4±2.2 13.7
0.00025 44.6±3.3 7.3 2.97 51.0±2.5 12.2 1.36
0.0025 14.0±0.7 12.6 0.93 41.5±2.5 15.0 1.10
0.0250 4.4±0.6 25.9 0.29 17.0±2.0 26.3 0.45
Примечание. Здесь и далее: CV% - коэффициент вариации,
ИТФ - индекс токсичности фактора
Таблица 3. Влияние бурового раствора на рост корня и надземной части у проростков разных растений (10 суток опыта)
Концентрация бурового раствора, % Длина корня Длина проростков
мм СУ% ИТФ мм СУ% ИТФ
фасоль
0 26.2±2.3 35.0 28.7±2.6 35.9
1 34.7±1.5 17.4 1.32 44.2±2.2 19.7 1.54
10 33.4±2.1 23.8 1.27 26.4±1.5 22.5 0.91
20 15.4±0.3 83.4 0.58 21.7±1.2 10.2 0.75
подсолнечник
0 22.3±0.1 25.5 36.5±0.2 10.5
1 26.6±0.4 12.8 1.19 48.3±0.5 7.3 1.12
10 20.0±0.2 20.4 0.17 30.1±0.8 9.1 0.82
20 6.4±0.1 29.6 0.28 15.6±0.6 15.0 0.42
пшеница
0 60.8±3.7 19.8 46.3±1.4 9.9
1 78.2±2.8 11.4 1.28 61.9±1.0 5.4 1.13
10 70.8±2.8 12.8 1.16 55.2±1.2 6.8 1.19
20 20.3±0.8 12.7 0.13 37.9±0.9 7.9 0.81
альбиция
0 15.0±3.8 51.3 36.7±2.8 15.4
1 23.0±3.3 29.4 1.53 35.2±4.5 25.6 0.95
10 22.7±4.4 38.8 1.51 26.2±1.7 13.3 0.71
20 16.7±3.2 38.8 1.11 20.5±3.3 32.4 0.55
Таблица 4.Индексы устойчивости проростков при загрязнении среды Table 4.Indexes of stability of seedlings at pollution of environment
Варианты Объекты
фасоль пшеница кукуруза подсолнечник альбиция
CuSO4,%
0.00025 0.96 1.00 1.05 0.95 0.82
0.0025 0.75 0.58 0.90 0.88 0.82
0.0250 0.73 0.57 0.83 0.81 0.66
0.2500 0.62 0.53 0.78 0.68 0.50
Буровой раствор,%
1 0.78 0.88 0.89 0.70 1.02
10 0.65 0.67 0.91 0.88 0.96
20 0.65 0.66 0.86 0.63 1.02
50 0.56 0.50 0.74 0.47 0.86
Подписи к рисунку
Рис. Динамика прорастания семян фасоли (I) и гледичии (II) в растворах медного купороса (А) и буровой смеси (Б)
А (I)
B (I)
120 100 80 60 40 20 0
0,01 0,1 1
10 мМ
дни
120 100 80 60 40 20 0
вода 1
дни
2 3
А (II)
B(II)
1
4
5
1
2
3
4
5
Рис.
