CC BY
5
УДК 581.1 DOI: 10.24412/2071-6176-2023-4-105-111
ВЛИЯНИЕ АЦЕТАТА МЕДИ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПРОРОСТКОВ
ГОРОХА СОРТА «МАДРАС»
Д.А. Кузнецов, В.В. Иванищев
Приведены результаты исследования, касающегося показателей формирования проростков гороха сорта «Мадрас» под влиянием ацетата меди. Установлено, что высокие концентрации используемой соли негативно влияют на массу (как сырую, так и сухую) побегов и корней, а также ингибируют их рост в значительной степени. Также выявлено, что низкие концентрации не оказывали положительного эффекта при развитии проростков растения, что может быть связано со спецификой используемой соли. Проведенные исследования доказывают негативное влияние высоких концентраций меди на рост и развитие растений. Вместе с этим наблюдаются морфологические изменения, которые проявляются в укороченности стеблей и корней, уменьшении общей биомассы растений.
Ключевые слова: горох (Pisum sativum L.), ацетат меди, проростки, биомасса, морфологические показатели.
Введение
Микроэлемент медь (Cu) - это 25-й по распространенности химический компонент в земной коре и третий по распространенности в мире [1]. Среди тяжелых металлов медь занимает значимое место, так как одновременно является непосредственным участником физиологических и биохимических процессов в организме растения, и отрицательно влияет на его развитие при повышенных концентрациях в почве или самом растении. Медь проявляет активность вне зависимости от своей степени окисления. Она является неотъемлемым компонентом при фотосинтезе растений, играет важную роль в электрон-транспортной цепи, а так же участвует в метаболизме белков и углеводов. Но все вышеперечисленное происходит только при низких концентрациях данного тяжелого металла в почве или другом субстрате. При высоких концентрациях меди проявляются её токсичные эффекты, которые ведут к нарушению структуры клеток растения, снижению эффективности процессов, протекающих в нем (фотосинтез, дыхание) из-за значительного подавления активности ферментов [2].
Медь поглощается в форме двухвалентного иона или Cu-хелата и, несмотря на низкую подвижность в растениях, может перемещаться из старых листьев в новые. Его концентрация в сухой массе растений невелика и обычно колеблется от 2 до 20 мг/кг. Однако концентрации от 20 до 100 мг/кг токсичны для большинства растений [3].
Загрязнение почвы медью в основном вызвано деятельностью человека, представленной промышленной, горнодобывающей и сельскохозяйственной деятельностью. Интенсивное использование
медьсодержащих агрохимикатов или свиного навоза является основным источником поступления меди в сельскохозяйственные почвы [4].
При высоких уровнях содержания в почве медь снижает поглощение воды и минеральных питательных веществ, способствует окислительному стрессу и влияет на фотосинтез, вызывая снижение роста и продуктивности растений [2, 5].
Изучение влияния различных концентраций ионов меди, на формирование проростков растительных организмов, является важным вопросом, так как большое количество бытовых отходов содержит различные вариации соли меди. Исследования влияния солей меди на показатели роста растительных организмов осуществляется в больших количествах, но исследователи используют крайне небольшой набор концентраций, что не дает возможности выявить специфику воздействия ионов металла, как это показано на примере цинка [6, 7]. Следовательно, цель этой работы состоит в изучении влияния меди на развитие проростков гороха, используя широкий диапазон её концентраций.
Материалы и методы исследования
Объектом исследования стали проростки гороха (Pisum sativum L.) сорта «Мадрас». Семена стерилизовали в растворе перманганата калия в течение 3-4 мин. Затем их промывали проточной и дистиллированной водой. 10 семян гороха помещали в 0,5-литровые пластиковые стаканы на подложку из пенопласта, обвернутого фильтровальной бумагой (для подвода раствора к семенам). В каждый стакан приливали раствор ацетата меди в концентрациях 10-7 М, 10-5 М и 10-3 М или воды (контроль) объемом 50 мл. Растворы меняли дважды во время формирования проростков. Семена проращивали при естественном освещении при температуре 2025 °C. Длину побегов и главного корня, влажную и сухую массу измеряли через 2 недели после начала опыта. Эксперимент проводили в трех биологических повторностях. Статистическую обработку результатов проводили с помощью программы Excel. Результаты представлены как средние величины (P=0,05).
Результаты и их обсуждение
Было исследовано влияние нескольких концентраций ацетата меди на морфологические характеристики побегов проростков гороха. При самой низкой концентрации ацетата меди в среде (10-7 М) длина побега уменьшалась примерно на 3 %, что было аналогично контрольному значению (рис. 1).
Рис. 1. Влияние разных концентраций ацетата меди на длину побега и
корня проростков гороха
При более высоких концентрациях соли (10-5 и 10-3 М) наблюдалось более значительное сокращение длины побегов - на 6,1 % и 31,3 % соответственно по сравнению с контролем.
Аналогичная картина уменьшения длины главного корня проростков гороха наблюдалась при увеличении концентрации ацетата меди в среде. Снижение этого показателя при минимальной концентрации соли составило около 11,8 %, а при концентрациях 10-5 М и 10-3 М - 17,8 и 38,8 %, соответственно. Эти результаты свидетельствуют о том, что ацетат меди оказывает ингибирующее действие на рост корней при самых высоких концентрациях соли в среде. Это может быть связано с тем, что среда выступает в качестве первоначального барьера для проникновения ионов тяжелых металлов в организм растения. Также можно сделать вывод, что ионы меди в среде оказывают значительное влияние только при высоких концентрациях выше 10-3 М и не оказывают влияния на формирование побегов и корней при низких концентрациях [8].
Схожие результаты исследования, демонстрирующие ингибирую -щий эффект, были получены при изучении влияния меди на растения укропа (Лп^Ииш graveolens L.) [9]. Внесение меди в почву отрицательно сказалось на длине побегов и корней растений, а в конце вегетационного периода авторы наблюдали отставание в росте по сравнению с контролем, которое составило 1,5 раза.
Однако в некоторых работах также описано и стимулирующее воздействие ионов меди на рост растений, а именно: по сравнению с контрольным вариантом (6,12 мг/кг) биомасса несколько повысилась и составила 6,61 мг/кг. Также наблюдалось увеличение количества листьев,
снижение токсичности свинца в присутствии меди, сохранение длины корня и побега по отношению к контролю, чего мы не можем наблюдать при использовании ацетата меди [9].
При изучении влияния меди на Сафлор красильный (СаНкатш Ип^впш L.) другие исследователи делятся аналогичными результатами. После сбора урожая саженцев сафлора было обнаружено, что корни саженцев, обработанных медью в концентрациях 10-5 М, на 61,9 %, 87,3 % (10-й день), и 53,98 %, 81,99 % (20-й день), соответственно, были ниже по сравнению с контролем. Кроме того, было обнаружено, что концентрация меди 10-5 М значительно влияет на длину побегов. Результаты показали, что длина побегов была уменьшена при всех трех обработках на 6,68 %, 13,34 % и 70 % по сравнению с контролем на 10-й день сбора саженцев [10].
Влияние возрастающих концентраций ацетата меди на сырую и сухую массу побегов и корней было изучено, и эти характеристики проростков гороха снижались в течение эксперимента (рис. 2 и 3).
Рис. 2. Влияние разных концентраций ацетата меди на сырую массу
побега и корня проростков гороха
В экспериментах наблюдалось прогрессирующее снижение обоих показателей при увеличении концентрации солей меди в среде. Более того, снижение было более значительным в побегах, чем в корневой системе. При концентрациях солей 10-7 М, 10-5 М и 10-3 М сырая масса побегов снижалась на 32,7 %, 34,6 % и 38,5 % соответственно по сравнению с контролем.
Влияние на сырую массу корневой системы было аналогично изменению значений морфологических параметров (см. рис. 1), которые снижались на 4,7 %, 18,6 % и 23,3 % при концентрациях 10-7 М, 10-5 М и
10-3 М, соответственно. В обоих случаях видно, что ингибирующий эффект остается примерно на одном уровне независимо от концентрации соли меди, а разница между самой высокой и самой низкой концентрациями незначительна.
Рис. 3. Влияние разных концентраций ацетата меди на сухую массу
побега и корня проростков гороха
При изучении показателей сухой массы побегов и корней, можно сделать вывод о том, что разница между показателями побега и корня больше, чем при рассмотрении данных о сырой массе. Разница между сухой массой побега и корня во всех концентрациях, включая контроль, составляет приблизительно 50 %, однако соотношение показателей концентраций между собой обладает схожей зависимостью, что и у сырой массы (наблюдается незначительное снижение показателей от контроля к самой высокой концентрации).
Рассмотрение результатов изучения массы Сафлора красильного, при воздействии на него солью меди (CuSO4•5H2O) дало аналогичные результаты [10].
При исследовании Сафлора красильного было также обнаружено, что вес сухой и сырой массы растений значительно снизился. Данные показывают, что было обнаружено, что масса свежей рассады была снижена на 14,5 %, 37,97 % и 70,88 % у обработанных проростков при уровнях концентрации меди 2,510-5 М, 5-10-5 М и Ы0-4 М, соответственно, на 10-й день сбора проростков по сравнению с контролем. В то же время на 20-й день собирали рассаду, сырая масса которой при обработке 2,510-5 М, была увеличена на 19,88 %. Но при повышенной концентрации (5^10-5 М и Ы0-4 М) было обнаружено, что сырая биомасса значительно снижалась на 24,4 % и 58,8 %, соответственно, по сравнению с контролем.
Было обнаружено, что сухая масса проростков, обработанных медью в концентрации 2,5-10-5 М, увеличилась на 17,14 %, но снизилась на 11,42 % и 28,57 % при увеличении обработки медью (5-10-5 и 10-4 М) по сравнению с контролем [10].
Таким образом, проведенные исследования доказывают негативное влияние высоких концентраций меди на рост и развитие растений. При этом могут наблюдаться морфологические изменения, которые проявляются в укороченности стеблей и корней, уменьшении общей биомассы растений.
Список литературы
1. Karlin K.D., Tyeklar Z. Bioinorganic Chemistry of Copper. Dordrecht: Springer Science & Business Media. 1993. D0I:10.1007/978-94-011-6875-5.
2. Иванищев В.В. Биоаккумуляция, гомеостаз и токсичность меди в растениях // Известия Тульского госуниверситета. Естественные науки. 2020. Вып. 1. С. 33-41.
3. Kabata-Pendias A., Pendias H. Trace Elements in Soils and Plants. 3rd ed. Boca Raton: CRC Press. 2001. P. 413. [Электронный ресурс]. URL: https://www.scirp.org/(S(lz5mqp453edsnp55rrgjct55))/reference/ReferencesPap ers.aspx?ReferenceID=1544363.
4. Copper distribution in European topsoils: an assessment based on LUCAS soil survey / C. Ballabio, P. Panagos, E. Lugato [et al.] // Science of The Total Environment. 2018. V. 636. P. 282-298.
5. Field study of the effects of excess copper on wheat photosynthesis and productivit / M. Moustakas, G. Ouzounidou, L. Symeonidis [et al.] // Soil Science and Plant Nutrition. 1997. V. 43. P. 531-539.
6. Biofortification of Wheat Cultivars to Combat Zinc Deficiency / M.U. Chattha, M.U. Hassan, I. Khan [et al.] // Front. Plant Sci. 2017. V. 8. P. 281.
7. Agronomic biofortification to improve productivity and grain Zn concentration of bread wheat / M.U. Hassan, M.U. Chattha, A. Ullah [et al.] // Int. J. Agric. Biol. 2019. V. 21. P. 615-620.
8. Шаляпин В.В., Онищенко Л.М., Репко Н.В. Влияние меди и кобальта на посевные качества семян пшеницы мягкой озимой // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2023. [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n7vliyanie-medi-i-kobalta-na-posevnye-kachestva-semyan-pshenitsy-myagkoy-ozimoy).
9. Влияние меди и свинца на рост и развитие растений на примере Anethum graveolens L. / И.Н. Семенова, И.Н. Семенова, Г.Ш. Сингизова [и др.] // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 3. URL:
https://science-education.ru/ru/article/view?id=19568 (дата обращения: 27.11.2023)
10. Sanskriti G., Anjani K., Srivastava N. In vitro evaluation of excess copper affecting seedlings and their biochemical characteristics in Carthamus tinctorius L. // Physiol Mol Biol Plants. 2016. V. 22(1). P. 121-129. DOI: 10.1007/s12298-016-0339-1.
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 INFLUENCE OF COPPER ACETATE ON THE FORMATION OF PEA SEEDLINGS OF THE "'MADRAS" VARIETY
D.A. Kuznetsov, V.V. Ivanishchev
The paper presents the results of a study concerning the formation of seedlings of the Madras pea variety under the influence of copper acetate. It has been established that high concentrations of salt used negatively affect the mass (both wet and dry) of shoots and roots, and also inhibit their growth to a significant extent. It was also found that low concentrations do not have a positive effect on the development of plant seedlings, which may be due to the specifics of the salt used. Conducted studies prove the negative effect of high concentrations of copper on the growth and development of plants. At the same time, morphological alterations are observed, which manifest themselves in shortening of stems and roots, and a decrease in the total biomass of plants.
Keywords: pea (Pisum sativum L.), copper acetate, seedlings, biomass, morphological parameters
Kuznetsov Dmitry Andreevich, PhD student, Zavodskaya .3.7@ yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Pedagogical University named after L.N. Tolstoy,
Ivanishchev Viktor Vasilyevich, Doctor of Biological Sciences, Professor, Head of the Department, [email protected], Tula, Tula State Pedagogical University named after L.N. Tolstoy
