CC BY
89
Время науки
The Times of Science
Кузнецов Дмитрий Андреевич Минайчев Владислав Валентинович
Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого
факультет естественных наук (5 курс)
Научный руководитель: Иванищев В. В., д. биологич. наук, профессор
СОДЕРЖАНИЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ПИГМЕНТОВ В ПРОРОСТКАХ PISUM SATIVUM L. В ПРИСУТСТВИИ ИОНОВ NI2+ В СРЕДЕ
Аннотация: изучено влияние широкого диапазона концентраций ионов Ni2+ на образование фотосинтетических пигментов в проростках гороха (Pisum sativum L., сорт Фараон) на раннем этапе онтогенеза. Показано, что присутствие ионов никеля в среде в концентрации более 0,01 мМ приводило к уменьшению соотношения хлорофиллов a/b. Присутствие ионов никеля, даже при минимальной концентрации равной 0,001 мМ, вызывало уменьшение соотношения зеленых и желтых пигментов по сравнению с контролем.
Ключевые слова: горох (Pisum sativum L.), проростки,
фотосинтетические пигменты, никель.
Abstract: In this work was studied the influence of a wide range concentrations of Ni2+ ions on formation of photosynthetic pigments in seedlings of pea (Pisum sativum L., cv. Pharaoh) in early of ontogeny. The presence of Ni2+ ions in medium was shown to decrease a ratio of chlorophylls a/b if the concentration of Ni2+ ions was more than 0.01 mM. The presence of Ni2+ ions provoked reduction of a ratio of green and yellow pigments as compared with control even with the minimal concentration of 0.001 mM.
Keywords: pea (Pisum sativum L.), seedlings, photosynthetic pigments,
nickel.
Исследованию влияния физиологически значимых металлов на разные процессы в растениях посвящено множество работ, в т.ч. обзоров [8; 11; 14; 16]. К основным проявлениям токсического действия тяжелых металлов на растения относятся: нарушение процессов роста и развития морфологических структур [5, с. 195]; усиление процессов свободнорадикального окисления [2, с. 242; 6, с. 607], угнетение процессов фотосинтеза и повреждение фотосинтетического аппарата растений [3, с. 75; 6,
2016
3
Kuznetsov D. A., Mynaichev V. V.
Д. А. Кузнецов, В. В. Минайчев
с. 6о8]. Однако в малых концентрациях многие тяжелые металлы оказываются незаменимыми и относятся к группе микроэлементов, без которых невозможно нормальное протекание многих биохимических и физиологических процессов в организмах [18, с. 441].
Фотосинтез - главный процесс образования органического вещества на планете, что объясняет интерес исследователей к его работе в условиях ухудшающейся экологической обстановки в регионах и мире в целом. Одним из важных показателей состояния и функционирования фотосинтеза является содержание пигментов, обеспечивающих усвоение энергии солнечного света растениями. С другой стороны, до сих пор неизвестно, насколько существенно присутствие того или иного физиологически значимого тяжелого металла для становления фотосинтетического аппарата и поддержания его функционального состояния. Поэтому представляется важным исследовать влияние физиологически значимых тяжелых металлов на накопление основных пигментов на ранних этапах онтогенеза растений.
Ранее нами было показано активирующее влияние низких концентраций и негативное действие высоких концентраций сульфата никеля на морфологические показатели формирующихся проростков гороха в условиях возрастающих концентраций соли в среде [2; 4]. Поэтому в продолжение исследований представляло интерес изучение становления фотосинтетического аппарата путем образования основных пигментов фотосинтеза, необходимых для нормального роста и развития растений, в условиях аналогичного эксперимента.
Объектом исследования служили проростки Pisum sativum L. сорта Фараон, которые стерилизовали в растворе перманганата калия, затем трижды промывали проточной водой и один раз дистиллированной. Растения выращивали в виде водной культуры, используя дистиллированную воду в контрольном варианте и с добавлением соли металла - NiSO4 (какой вариант верен: 0,001 - 1 мМ) в опытных пробах. Использование сульфата никеля в качестве соли обусловлено его дешевизной и доступностью в качестве реактива, а также тем, что сера в составе сульфат иона SO42- является макроэлементом и при
4
№ 1
Время науки
The Times of Science
концентрациях соли, использованных в опыте, не оказывала существенного влияния на формирующиеся проростки.
Для получения проростков по 15 семян помещали в стеклянные сосуды объемом 0,5 л, наливали воду или раствор соли в объеме 0,05 л и проращивали при температуре 20 - 22°С. В ходе формирования растений растворы меняли 2 раза.
Содержание фотосинтетических пигментов в листьях (хлорофиллов а, b и каротиноидов) определяли спектрофотометрически в этанольных экстрактах [10, с. 591]. Определение количества пигментов проводилось на 15-ые сутки после посадки выбранного сорта.
Эксперименты проведены в трех биологических и трех математических повторностях. Результаты экспериментов обработаны статистически с использованием программы MS Excel 2003 (74017-6404842406-57667). На рисунках приведены средние величины. Уровень значимости результатов соответствует Р=0,05.
Содержание фотосинтетических пигментов в проростках Pisum sativum L. в зависимости от концентрации ионов никеля в среде представлено на Рис. 1.
Рис.1. Содержание пигментов в проростках Pisum sativum L. в зависимости от концентрации ионов Ni2+ в среде (мг/г сырой массы). (К - контроль, Fa -хлорофилл а, Fb - хлорофилл b, Fcar - каротиноиды)
Изучение содержания
пигментов в проростках гороха показало, что увеличение концентрации ионов никеля в среде не приводило к определенному направлению изменений в количестве хлорофиллов a и b, а также каротиноидов. Во всех вариантах опыта наблюдалось количественное изменение содержания
пигментов по отношению к контролю
2016
5
Kuznetsov D. A., Mynaichev V. V.
Д. А. Кузнецов, В. В. Минайчев
Увеличение содержания хлорофилла а в проростках гороха наблюдали при концентрациях сульфата никеля в среде равных 0,001 и 0,1 мМ. При концентрация 0,01 и 1 мМ наблюдалось снижение образования данного пигмента.
Содержание хлорофилла b уменьшалось при концентрациях ионов никеля в среде, равных 0,1 и 1 мМ. В отношении хлорофилла b наблюдалось угнетение образования пигмента по сравнению с контролем.
Анализируя содержание каротиноидов в проростках Pisum sativum L можно сделать вывод о том, что синтез желтых пигментов стимулировался при концентрациях соли равных 0,001 и 0,1 мМ, в то время как при концентрациях 0,01 и 1 мМ наблюдали уменьшение количества пигментов.
Из-за разной физиологической роли пигментов в фотосинтетическом процессе было целесообразным определить их соотношение. Установлено, что отношение хлорофилла а к b уменьшалось при концентрациях ионов никеля в среде, равных 0,1 и 1 мМ (рис. 2).
Рис.2. Соотношение зеленых форм хлорофилла a/b в зависимости от концентрации ионов Ni2+ в среде
Отношение содержания зеленых пигментов к каротиноидам снижалось примерно на 30% по сравнению с контролем даже при минимальной концентрации ионов никеля в среде (0,001 мМ) и оставалось в таких же пределах при действии более высоких концентраций ионов металла (рис. 3).
6
№ 1
Время науки
The Times of Science
Рис.3. Соотношение зеленых и желтых пигментов в зависимости от концентрации ионов Ni2+ в среде
Изучение воздействия возрастающих концентраций ионов никеля на пигментный комплекс в проростках гороха показало, что изменение концентрации оказывает неоднозначное влияние на количественное содержание хлорофиллов а и b, а также каротиноидов. При повышении концентрации соли никеля (Ni2+) в растворе соотношения пигментов заметно снижались (рис. 2, 3).
Сравнение с литературными данными показывает, что в проростках вики (Vicia sativa L.) минимальная концентрация хлорида никеля в 0,001 мМ увеличивала содержание общего хлорофилла примерно на 50% [1, с. 153]. Данное исследование имеет аналогичные результаты влияния низких концентраций ионов никеля на содержание хлорофилла в проростках сорта Фараон.
Показано, что высокая концентрация никеля существенно уменьшает содержание хлорофилла, устьичную проводимость и ингибирует фотосинтез [8]. Воздействие никеля при 200 мкM на растения тополя (Populus nigra) существенно уменьшало устьичную проводимость (gs) особенно в развивающихся листьях, где gs уменьшилось с 0,40 до 0,03 моль/(м2*с). Это снижение gs приводило к прямому уменьшению фотосинтеза [8, с. 1598].
Никель вызывал разрушение фотосинтетического аппарата, воздействуя как на эпидермальные ткани, так и на мезофильные клетки [8, с. 1599].
Показано уменьшение количества листьев и содержание хлорофилла в них на 24 и 47% соответственно, при концентрации никеля 0,025 мМ [8,
2016
7
Kuznetsov D. A., Mynaichev V. V.
Д. А. Кузнецов, В. В. Минайчев
с. 1599]. В свежих листьях кукурузы содержание хлорофилла уменьшалось с увеличением концентрации никеля с 20 до 100 мкM. Было показано, что содержание хлорофилла а уменьшилось на 70%, а хлорофилла b -уменьшилось на 50% в пшенице по сравнению с контролем. Однако отсутствовало существенное влияние на содержание хлорофилла в кукурузе при концентрациях никеля 250 и 500 мкM [8, с. 1599].
Присутствие хлорида никеля в среде в концентрации 0,01 мМ и выше ингибировало накопление обеих форм хлорофилла и каротиноидов в проростках черной фасоли (Vigna mungo L.) [15, с. 138]. В листьях других бобовых растений (Phaseolus vulgaris L.) через две недели после обработки сульфатом никеля в концентрации 200 ppm (мг/кг почвы) (0,7 ммоль) наблюдали снижение всех пигментов, но соотношение хлорофиллов при этом не менялось [7, с. 4616].
В проростках ячменя возрастание концентрации никеля в среде (до 0,002 мМ) приводило к увеличению содержания хлорофиллов, вслед за которым следовало его двукратное снижение [9, с. 115]. Содержание каротиноидов недостоверно менялось с уменьшением показателя при концентрации никеля 0,015 мМ и выше. У другого злакового растения Aeluropus littoralis присутствие ионов никеля в среде в концентрациях 0,05 и 0,1 мМ приводило к снижению содержания обеих форм хлорофилла, в то время как содержание каротиноидов возрастало примерно на 10%, а отношение Хл/кар уменьшалось примерно на 20% [13, с. 34]. Присутствие в среде хлорида никеля в широком диапазоне также меняло содержание хлорофилла в проростках пшеницы [12, с. 101]. Увеличение составляло около 50% при 0,01 мМ соли никеля, при 0,1 мМ показатель возвращался к контрольной величине, вслед за этим наблюдали снижение содержания хлорофилла (более чем в 5 раз против контроля при концентрации соли в 1 мМ). Соотношение хлорофиллов a/b также возрастало с последующим снижением: 0,01 мМ увеличение составляло 60%, при 0,1-0,4 мМ
показатель был близок к контролю, после чего наблюдали дальнейшее уменьшение отношения при увеличении содержания соли металла в среде.
Таким образом, низкие концентрации никеля в среде (менее 0,01 мМ), как правило, оказывали стимулирующий эффект на синтез
8
№ 1
Время науки
The Times of Science
хлорофиллов растительным организмом. Дальнейшее повышение концентрации ионов металла приводило к уменьшению количественных показателей зеленых пигментов. При этом соотношение хлорофиллов a/b увеличивалось, что свидетельствует о стрессе, испытываемом проростками в условиях эксперимента [17, с. 160]. Содержание каротиноидов - менее чувствительный признак.
На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что никель в небольших концентрациях (порядка 0,001-0,01 мМ) необходим некоторым растениям для синтеза зеленых пигментов.
Литература:
1. Абрамова ЭА., Иванищев В.В. Содержание фотосинтетических пигментов и аскорбиновой кислоты в проростках вики в присутствии хлорида никеля // Научные ведомости БелГУ. 2012. № 9 (128). Вып. 19. С. 152 - 155.
2. Кузнецов ДА., Минайчев В.В., Сиголаева Т.Е.,Иванищев В.В. Влияние ионов никеля на формирование проростков гороха // Всерос. науч. конф. с междунар. участием, посв. 135-летию со дня рожд. проф. В.Н. Хитрово «Актуальность идей В.Н. Хитрово в исследовании биоразнообразия России» и круглый стол «Продукционный процесс растений и его регуляция» в честь 110-летия со дня рожд. проф. С.И. Ефремова. Сб. статей / под ред. Т.И. Пузиной. Орел, 2014. С. 241-243.
3. Лиу Д. Ли Т.Ц., Ян С.Е., Ислам Е., Цзин С.Ф. Влияние свинца на активность ферментов антиоксидантной защиты и ультраструктуру листьев у двух экотипов Sedum Alfredii Hance // Физиология растений. 2008. Т. 55. № 1. С. 73 - 82.
4. Минайчев В.В., Кузнецов ДА., Сиголаева Т.Е., Иванищев В.В. Влияние ионов цинка и никеля на формирование проростков Pisum sativumL. // Известия ТулГУ. Естественные науки. 2015. Вып. 3. С. 292 -304.
5. Савинов А.Б. Интенсивность перекисного окисления липидов у Taraxacum Officinale Wigg. и Vicia Cracca L. в биотопах с разным уровнем загрязнения почв тяжелыми металлами / / Экология. 2007. № 3. С. 191-197.
2016
9
Kuznetsov D. A., Mynaichev V. V.
Д. А. Кузнецов, В. В. Минайчев
6. Серегин И.В. Физиологические аспекты токсического действия кадмия и свинца на высшие растения // Физиология растений. 2001. Т. 48. № 4. С. 606 - 630.
7. Aldoobie N.F., Beltagi M.S. Physiological, biochemical and molecular responses of common bean (Phaseolus vulgaris L.) plants to heavy metals stress // African Journal of Biotechnology. 2013. V. 12(29). P. 4614 - 4622. DOI: 10.5897/AJB2013.12387.
8. Hussain M. B., Ali S., Azam A., Hina S., Ahsan M., Farooq B. A., Bharwana S. A., Gill M. B. Morphological, physiological and biochemical responses of plants to nickel stress: A review // African Journal of Agricultural. 2013. V. 8 (17), P. 1596-1602.
9. Juknys R., Racaite M., Vitkauskaite G., Vencloviene J. The effect of heavy metals on spring barley (Hordeum vulgare L.) // Zemdirbyste-Agriculture. 2009. V. 96 (2). P. 111 - 124.
10. Lichtentaller H.K., Welburn A.R. Determinations of total carotenoids and chlorophylls a and b of leaf extracts in different solvents // Biochem. Soc. Trans. 1983. V. 11. № 6. P. 591 - 592.
11. Lin Y.-F., Aarts M.G.M. The molecular mechanism of zinc and cadmium stress response in plants // Cell. Mol. Life Sci. 2012. V. 69. P. 3187 -3206. - DOI 10.1007/s00018-012-1089-z.
12. Patnaik N., Mohanty M., Satpathy B., Patra H.K. Effect of chelating agents and metal ions on nickel bioavailability and chlorophyll fluorescence response in wheat - An approach for attenuation of Ni stress // Journal of Stress Physiology & Biochemistry. 2012. V. 8 (3). P. 99 - 112.
13. Rastgoo L., Alemzadeh A., Tale A. M., Tazangi S.E., Eslamzadeh T. Effects of copper, nickel and zinc on biochemical parameters and metal accumulation in gouan, Aeluropus littoralis // Plant Knowledge Journal. 2014. V. 3(1). P. 31 - 38.
14. Sengar R.S., Gupta S., Gautam M., Sharma A., Sengar K. Occurrence, uptake, accumulation and physiological responses of nickel in plants and its effects on environment // Res. J. Phytochem. 2008. V. 2 (2). P. 44 - 60.
10
№ 1
Время науки
The Times of Science
15. Singh G., Agnihotri R.K., Reshma R.S., Ahmad M. Effect of lead and nickel toxicity on chlorophyll and proline content of Urd (Vigna mungo L.) seedlings // International Journal of Plant Physiology and Biochemistry. 2012. V. 4(6). P. 136 - 141. - DOI: 10.5897/IJPPB12.005
16. Tsonev T., Lidon F.J.C. Zinc in plants - An overview // Emir. J. Food Agric. 2012. V. 24 (4). P. 322 - 333.
17. Zengin F.K., Munzuroglu O. Effects of some heavy metals on content of chlorophyll, proline and some antioxidant chemicals in bean (Phaseolus vulgaris L.) seedlings // Acta Biologica Cracoviensia. Series Botanica. 2005. V. 47 (2). P. 157 - 164.
18. Zengin F.K. The effects of Co2+ and Zn2+ on the contents of protein, abscisic acid, proline and chlorophyll in bean (Phaseolus vulgaris cv. Strike) seedlings // J. of Environmental Biol. 2006. V. 27 (2). P. 441 - 448.
2016
11
