CC BY
5
УДК 577.1:581.1 001:10.24412/2071-6176-2024-1-99-105
СОДЕРЖАНИЕ ПИГМЕНТОВ ФОТОСИНТЕЗА В ЛИСТЬЯХ ГОРОХА СОРТА МАДРАС ПРИ РОСТЕ В ПРИСУТСТВИИ
АЦЕТАТА МЕДИ
Д.А. Кузнецов, В.В. Иванищев
Представлены результаты исследования содержания пигментов фотосинтеза в листьях проростков гороха сорта Мадрас, выращенных в присутствии в среде возрастающих концентраций ацетата меди: 10 7 М, 10~5 М и 10~3 М. Установлен инги-бирующий эффект соли при всех ее изученных концентрациях на содержание хлоро-филлов и каротиноидов, причем наиболее значительное снижение наблюдали в отношении каротиноидов, которое достигало 71,4 % относительно контроля.
Ключевые слова: горох (Pisumsativum L.), ацетат меди, фотосинтетические пигменты, хлорофилл а, хлорофилл Ь, каротиноиды.
Введение
Медь является важным микроэлементом, который необходим для здорового роста и развития растений, поскольку ионы этого металла принимают участие в окислительно-восстановительных реакциях, процессе переноса электронов, а также важнейших метаболических процессах, протекающих в растениях [1-3]. Однако в высоких концентрациях медь негативно влияет на фотосинтетический и митохондриальный транспорт электронов, ассимиляцию азота, образование и свойства клеточных стенок, на формирование различныхморфо-биологических и физиологических характеристики растений, таких как линейные размеры органов, накопление сухой биомассы, хлорофилла, содержание воды, баланс макро- и микроэлементов. Токсичность меди зависит не только от концентрации металла и продолжительности воздействия, но и от стадии развития и физиологического состояния растений [4].
Также следует отметить, что известная роль ионов меди в ряде биохимических и физиологических реакций и процессов, предполагает, что низкие концентрации ионов металла должны оказывать стимулирующее влияние на соответствующие реакции и процессы, приводящие к улучшению характеристик и показателей растений, в т.ч. размеров и биомассы. Нехватка ионов меди в среде приводит, в первую очередь, к задержке роста и развития растений, что, в свою очередь, проявляется внешне в виде хлороза или появлении некротических пятен на листьях [5]. Поэтому вполне вероятно следовало ожидать положительного эффекта присутствия низких концентраций ионов этого металла в среде в нашем эксперименте.
Однако проведенные нами исследования на растениях гороха показали, что ацетат меди даже в минимальной концентрации в 10-7 М оказывал вполне осязаемое негативное влияние на длину побега и, особенно, главного корня [6]. При этом наблюдали гораздо более значительное снижение сырой биомассы побега (32,7 %) в сравнении с сырой биомассой корня (4,7 %) [6], что было удивительно и не соответствует известным представлениям о том, что избыток ионов металла, в т.ч. ионов меди, накапливается прежде всего в корнях [5]. Значительное снижение сухой массы органов сформированных проростков также свидетельствовало о негативном влиянии низкой концентрации ацетата меди в среде на эту характеристику растений гороха, что также давало основание говорить о некотором изменении водного режима растений в эксперименте [6].
В продолжение проведенного исследования нами была поставлена задача по оценке состояния фотосинтетического аппарата листьев растений гороха в условиях эксперимента с целью обнаружения взаимосвязей наблюдаемых негативных процессов в формировании морфологических признаков проростков с работой фотосинтеза, энергетическую основу которой обусловливают пигменты - хлорофилл и каротиноиды.
Материалы и методы исследования
Как и в предыдущем исследовании [6] объектом настоящего исследования были проростки гороха сорта Мадрас (Pisumsativum L.), точнее их листья. Растения выращивали, как описано ранее, а именно: при тех же концентрациях ацетата меди в среде: 10-7 М, 10-5 М и 10-3 М. В контрольном варианте присутствовала вода, которую использовали для приготовления растворов ацетата меди. Проростки гороха выращивали при температуре 20-25 °C при естественном освещении.
Для проведения исследования на 14-й день после посадки, нами были взяты образцы листьев для количественного определения пигментов фотосинтеза по известной методике [7]. Пигменты экстрагировали этиловым спиртом, спиртовые вытяжки фильтровали и исследовали методом спектрофотометрии при длинах волн 665, 649 и 470 нм. Для определения содержания пигментов использовали известные формулы [7]. Содержание пигметов выражали в мг на 1 г сырой массы листьев растений гороха посевного.
Эксперименты проводили в трех биологических повторностях, а для статистической обработки результатов исследования использовали статистическую программу Excel. Приведенные результаты являются средними значениями для доверительного уровня вероятности (Р=0,05).
Результаты и их обсуждение
В ходе исследования выявлено, что содержание хлорофилла а было максимальным в листьях гороха контрольного образца, а минимальным -при концентрации соли в среде - 10-3 М. Разница между максимальным и минимальным показателями составила 39 % от максимальной величины (рис. 1). Из результатов исследования можно сделать вывод об ингибирующем влиянии высоких концентраций ацетатамеди на формирование данной формы хлорофилла.
3.85
Контроль 10" 10"
Концентращ]ясалв,М
Рис. 1. Содержание хлорофилла а в листьях гороха сорта Мадрас
Следует отметить, что подобный эффект наблюдался у других растений. Так, исследования, проведенные на трех видах растений, принадлежащих к семейству ИуФосаШасеае (Водокрасовые) и одной экологической группе подводных растений, показали, что присутствие ионов меди негативно сказывалось на содержании этого пигмента [8]. При этом степень снижения составляла 10-80 % в зависимости от вида растения и времени воздействия. В другом исследовании, где объектами служили листья гороха и ячменя, было установлено увеличение содержания хлорофилла в листьях растений гороха сорта «Нут» (асегапеШпт) в присутствии разных концентраций сульфата меди до концентрации 2 ПДК подвижных форм металлав почве [9]. При этом ПДК подвижных форм меди в почве составляет 3 мг/кг почвы, что соответствует (при плотности почвы 2,7 кг/дм3 и переводе на условный объем) примерно 1,3 ■ 10-4 М [10]. В листьях растений ячменя сорта «Оренбургский 16» (ИоМеыт^.^аге Ь.), напротив, авторы не обнаружили стимулирующего эффекта присутствия сульфата меди в среде.
Наименьшее содержание хлорофилла Ь в листьях гороха в наших экспериментах наблюдалось при концентрации 10-3 М ацетата меди и было
на 58,8 % меньше, чем в листья контрольного образца. При этом даже самая низкая концентрация ацетата меди не обеспечивала стимулирующего эффекта, и величина содержания хлорофилла Ь была на 17,6 % меньше, чем у контрольного образца (рис. 2).
1,8 1,7
Контроль 10"7 10 10
Концентр л пня соли, М
Рис. 2. Содержание хлорофилла b в листьях гороха сорта Мадрас
Сравнительный анализ с результатами других авторов показал, что содержание хлорофилла b также менялось в ответ на воздействие ионов меди, однако эти изменения были более умеренными и специфичными для определенных видов. Например, уровень хлорофилла b у растений элодеи (Elodea canadensis Minch.) снизился на 19 % после первых суток воздействия меди. У растений Эгерия густолиственная (Egeriadensa) под воздействием того же металла содержание хлорофилла b уменьшилось на 23 % к третьим суткам эксперимента, а затем наблюдалось незначительное повышение содержания данного пигмента. Важно отметить, что у растений экотипа E. canadensis, которые являются природными, не было отмечено резкого изменения содержания этой формы хлорофилла. В целом, хлорофилл b оказался более стойким к воздействию меди, чем хлорофилл a. Однако суммарное содержание хлорофилла a и b снижалось во всех экспериментах [8].
При проведении исследования содержания хлорофилла в листьях растения Рдест пронзённолистный (Potamogeton perfoliatus L.) [11] было обнаружено, что в течение первых суток наблюдалось снижение общего содержания пигментов при низких концентрациях Cu(NO3)2 - 10-6 и 10-5 М, однако оно увеличивалось при повышенных концентрациях - 10-4 и 10-3 М. Вторые сутки показали, что более низкие концентрации Cu(NO3)2 способствовали увеличению содержания пигментов, в то время как концентрации от 10-5 до 10-3 М приводили к сокращению уровня пигментов в 2-3,5 раза по сравнению с контролем. Наконец, на третьи сутки
наблюдался уровень пигментов, меньший, чем в контрольной группе, при любых испытанных концентрациях Си(КОз)2. Отдельно следует отметить, что в первые сутки инкубации при высоких концентрациях меди в воде происходило увеличение обеих форм хлорофиллов, а на вторые и третьи сутки наблюдалось их снижение [11].
Исследование воздействия ацетата меди на каротиноиды демонстрирует аналогичную предыдущим результатам картину. Наибольшее количество пигментов накапливалось в контрольном образце, в то время как его содержание в образце с максимальной концентрацией соли было меньше на 71,4 % (рис. 3).
0,25 ш ¡5 1 °'2 3 й 0,15 О & t од 1 0,05 0,28 1
ода
0,11 1
0,03 ■
Контроль 10"" Концентрация соля 1С"3
Рис. 3. Содержание каротиноидов в листьях гороха сорта Мадрас
В отличие от предыдущих показателей, разница между контролем и самой низкой концентрацией соли является наиболее значительной, что составляет 35,7 %. Следовательно, ингибирование ферментативных путей синтеза каротиноидов ионами меди проявляется более эффективно (рис. 3). Исследование воздействия соли меди на накопление каротиноидов в листьях растений семейства Hydrocaritaceae показало, что содержание каротиноидов, как и хлорофиллов, снижалось по отношению к контролю более чем на 50 %, начиная с первых суток воздействия для E. canadensis и для E. densa и с 3 суток - для Hydrilla verticillata [8]. Содержание каротиноидов в листьях растения Potamogeton perfoliatus L. [11] снижались в 2,2 раза при высокой концентрации Cu(NO3)2, равной 10-3 моль/л. Это указывает на значительные негативные изменения, вызванные воздействием больших концентраций меди.
Таким образом, в ходе выполнения исследований установлено, что водорастворимая форма ионов меди в виде ацетатной соли даже в
минимальной концентрации (10-7 М) ингибирует образование фотосинтетических пигментов в листьях гороха посевного сорта Мадрас.
Список литературы
1. Michalak A. Phenolic compounds and their antioxidant activity in plants growing under heavy metal stress // Pol. J. Environ. Stud. 2006. V. 15. P. 523-530.
2. Festa R.A., Thiele D.J. Copper: An essential metal in biology // Curr. Biol. 2011. V. 21. P. 877-883. doi: 10.1016/j.cub.2011.09.040.
3. Copper stress induces antioxidant responses and accumulation of sugars and phytochelatins in Antarctic Colobanthusquitensis (Kunth) Bartl. / R.A. Contreras, M. Pizarro, H. Köhler [et al.] // Biol. Res. 2018. V. 51. P. 4856. doi: 10.1186/s40659-018-0197-0.
4. Peroxidase activity and total phenol content in citrus cuttings treated with different copper sources / T.P.A. Merlin, G.P.P. Lima, S. Leonel [et al.] // Afr. J. Bot. 2012. V. 83. P. 159-164. doi: 10.1016/j.sajb.2012.08.002.
5. Иванищев В.В. Биоаккумуляция, гомеостаз и токсичность меди в растениях // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2020. Вып. 1. С. 33-41.
6. Кузнецов Д.А., Иванищев В.В. Влияние ацетата меди на формирование проростков гороха сорта Мадрас // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2023. Вып. 4. С. 105111. DOI: 10.24412/2071-6176-2023-4-105-111.
7. Lichtenthaller 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.
8. Влияние ионов меди и кадмия на пигментный комплекс водных растений семейства HYDROCHARITACEAE / А.А. Косицына, О.Н. Макурина, В.Н. Нестеров [и др.] // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2010. Т. 12. № 1. С. 156-161.
9. Кушнарева О.П., Перекрестова Е.Н. Влияние различных концентраций солей меди и свинца на содержание хлорофилла и содержание углерода в листьях растений // Вестник Оренбургского государственного университета. 2015. № 10(185). C. 294-297.
10. Тяжелые металлы в почвах [Электронный ресурс]. URL: https://gidrogel.ru/ecol/hv met.htm (дата обращения: 10 февраля 2024 г.).
11. Розенцвет О.А., Мурзаева С.В., Гущина И.А. Аккумуляция меди и ее влияние на метаболизм белков, липидов и фотосинтетических пигментов в листьях Potamogeton perfoliatus L. // Известия Самарского научного центра РАН. 2003. Т. 5. № 2. С. 305-311.
Кузнецов Дмитрий Андреевич, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Иванищев Виктор Васильевич, д-р биол. наук, профессор, зав. кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого
THE CONTENT OF PHOTOSYNTHETIC PIGMENTS IN LEAVES OF MADRAS PEAS IN THE PRESENCE OF COPPER ACETATE
D.A. Kuznetsov, V.V. Ivanishchev
The paper presents the results of a study of the content ofphotosynthesis pigments in the leaves of pea seedlings of the Madras variety, grown in the presence of increasing concentrations of copper acetate in the medium: 10-7 M, 10-5 M and 10-3 M. The inhibitory effect of salt was established for all its studied concentrations on the content of chlorophylls and carotenoids. It was shown that the highest concentration of copper acetate in the medium had the greatest effect, with the most significant decrease observed in carotenoids, which reached 71,4% relative to the control.
Key words: pea (Pisum sativum L.), copper acetate, photosynthetic pigments, chlorophyll a, chlorophyll b, carotenoids.
Kuznetsov Dmitry Andreevich, PhD student, Zavodskaya.3.7@ yandex.ru, Russia, Tula,Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Ivanishchev Viktor Vasilyevich, Doctor of Biological Sciences, Professor, Head of the Department, [email protected], Russia,Tula, Tula StateLev Tolstoy Pedagogical University
