CC BY
5
УДК 574.2:581.1 DOI: 10.24412/2071-6176-2023-1-139-147
ВЛИЯНИЕ АЦЕТАТА СВИНЦА НА МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОБЕГОВ ЯЧМЕНЯ
К.А. Соболева, Д.А. Кузнецов, В.В. Иванищев
Представлены результаты исследования влияния широкого диапазона концентраций ацетата свинца (1-1000 мкМ) на формирование побегов ячменя сорта «Ковчег». Минимальная концентрация соли в среде приводила к уменьшению длины побега на 19%, а корня - на 14%. При концентрации соли, равной 100 мкМ, ингибирующий эффект примерно одинаково влиял на размеры побега и корня (снижение на 34-35% против контроля). Присутствие соли в среде в концентрации 1000 мкМ приводило к снижению длины побегов на 47% и корней - на 64%. Исследование влияния присутствия ацетата свинца на сырую массу органов проростков ячменя в условиях эксперимента показало, что при минимальной концентрации соли сырая масса побегов снижалась на 9%, а корней - на 14%. При средней концентрации соли в среде снижение составило 30% и 43% в отношении побегов и корней, соответственно. Максимальная концентрация соли в среде оказывала максимальный эффект, который составлял 47% и 71% для побегов и корней проростков ячменя, соответственно. Использование результатов об изменении размеров побегов и корней проростков ячменя для определения индекса устойчивости показало, что при средней концентрации соли в среде (100 мкМ) индекс устойчивости корневой системы приближался к 50%, в то время как индекс устойчивости формирования побегов ячменя приближался к этой величине только при максимальной концентрации соли свинца в среде (1000 мкМ). При сравнении с литературными данными по влиянию солей свинца на формировании проростков растений был сделан вывод о том, что ячмень является одной из наиболее устойчивых культур к присутствию ацетата свинца в среде.
Ключевые слова: Hordeum vulgare L., проростки ячменя, ацетат свинца, биомасса, индекс устойчивости.
Введение
Загрязнение среды тяжелыми металлами продолжается на протяжении нескольких десятилетий вследствие не только природных процессов, но и, главным образом, за счет антропогенной деятельности [13]. Возникающая из-за этого «вечная» загрязненность почв ставит не только задачи по фиторемедиации [4, 5], но и по оценке возможности использования подобных земель в сельскохозяйственном или ином обороте [6]. В результате загрязнения среды под угрозой оказываются целые экосистемы и пищевые цепи, ряд из которых включает и человека. Многообразие тяжелых металлов, их концентрация в среде и разная биологическая роль продолжают ставить вопросы по изучению влияния широкого диапазона концентраций металлов на биологические системы и отдельные виды, что важно для определения границ токсичности металлов
в отношении, в первую очередь, растений сельскохозяйственного назначения [7, 8].
Среди тяжелых металлов известны такие, которые играют важное значение в качестве микроэлементов, а также другие, которые могут накапливаться в организме, но не включены в биохимические и физиологические реакции и процессы [9-11]. К подобным металлам относится свинец, избыточное присутствие которого в среде отражается не только на морфо-биологических характеристиках растений, но и нарушает работу биохимических и физиологических реакций и процессов через активизацию окислительного стресса [12, 13]. Среди негативных эффектов воздействия свинца известно, что концентрации в пределах 10-200 мг/кг субстрата снижают показатели всхожести семян, линейных размеров органов растений, их сухой биомассы и пр. [11].
Несмотря на то, что исследование влияния свинца на характеристики растений проводят достаточно давно [14], до сих пор во многих работах авторы используют очень узкие пределы концентраций, что не позволяет обнаруживать особенности воздействия, которые могут иметь место для подобных металлов, как это показано, например, для сульфата алюминия [15]. При этом авторы часто в экспериментах используют те растения, которые имеют важное практическое значение в данном регионе мира [16-18]. Поэтому цель настоящей работы состояла в изучении влияния присутствия ряда концентраций свинца в широком диапазоне на формирование проростков ячменя, являющегося важной сельскохозяйственной культурой нашей страны.
Материалы и методы исследования
Объект настоящего исследования - проростки ячменя обыкновенного (Hordeum vulgare L.) сорта «Ковчег».
Семена ячменя стерилизовали путем обработки раствором перманганата калия в течение нескольких минут. Далее их промывали проточной и дистиллированной водой. По 15 семян ячменя помещали на подложку в пластиковый стакан объемом 0.25 л. В каждый стакан приливали раствор ацетата свинца в концентрациях 0,001 мМ, 0,1 мМ и 1 мМ (на основе питательной смеси Кноппа) или воды (контроль) объемом 50 мл. В ходе формирования проростков растворы дважды меняли.
Семена проращивали при температуре 20-23 оС при естественном освещении. На 14-ые сутки инкубации измеряли длину побега и главного корня, а также их сырую массу. Эксперименты проведены в трех биологических повторностях. Статистическую обработку результатов исследования проводили с помощью статистической программы Excel. Приведенные результаты представляют собой средние величины (Р=0,05).
Обсуждение результатов
Исследование влияния ряда концентраций ацетата свинца на морфологические характеристики побегов проростков ячменя показали следующую картину (рис. 1).
16,0 14,0 12,0
§ 10,0
¡3 8,0 к
« 6,0
4,0 2,0 0,0
15,2
□ Побег □ Корень
12,3
10,9
9,4
10,0
7,1
Контроль
8,0
3,9
10-3
10-6 10-4
Концентрация, М
Рис. 1. Влияние разных концентраций ацетата свинца на длину побега
и корня проростков ячменя
Присутствие даже минимальной концентрации соли свинца в среде приводило к уменьшению длины побега примерно на 19%. При высоких концентрациях соли (10-4 и 10-3 М) наблюдали более значительное снижение длины побега на 34% и 47%, соответственно, против контрольного варианта.
Аналогичную картину уменьшения длины корней проростков ячменя наблюдали при возрастающей концентрации ацетата свинца в среде. Снижение этой характеристики при минимальной концентрации соли составило примерно 14%, в то время как при концентрациях 10-4 М и 10-3 М снижение составило 35%, 64% соответственно.
Полученные результаты указывают на более сильное ингибирую-щее действие ацетата свинца в отношении роста корня при наибольшей концентрации соли в среде, что может быть обусловлено тем, что он является первым барьером на пути поступления ионов тяжелого металла в растение. Большее ингибирующее действие минимальной концентрации соли на длину побегов растений ячменя можно объяснить тем, что низкая концентрация соли свинца не способствует включению механизмов его нейтрализации, вследствие чего ионы металла проникают в побег,
оказывая влияние на биохимические (метаболические) процессы, важные для формирования линейных размеров побега [19, 20].
Литературные данные показывают, что на стадии второго листа проростков, выращенных из семян кустарника ятрофы ядовитой (Jatropha curcas L.), авторы наблюдали постепенное снижение длины побега на 24% (при 25 мкМ ацетата свинца) против контроля, и примерно на 76% при максимальной концентрации соли в среде, равной 125 мкМ [11]. Сравнение с соответствующими концентрациями соли в среде (100 мкМ) показало, что у ятрофы снижение длины побегов при этой концентрации составляло примерно 60%, т.е. было существенно больше, чем в наших экспериментах на проростках ячменя (только 34%) (рис. 1).
Исследование влияния ацетата свинца на формирование корней проростков семян ятрофы показало, что в пределах концентраций 25-125 мкМ ингибирование составляло от 10% до 85% [11]. В наших экспериментах в точке совпадения используемой концентрации соли (100 мкМ) ингибирующий эффект составлял 35% против 74% для проростков ятрофы. Учитывая совокупные результаты по влиянию разных концентраций соли свинца можно говорить о большей устойчивости растений ячменя к исследуемому фактору.
О влиянии ацетата свинца на торможение ростовых процессов формирования проростков представителя семейства Бобовые - маша (бобы мунг) (Vigna radiata) сообщали ранее в работе [14] без приведения конкретных данных. Эти же авторы ссылаются на ряд более ранних работ других авторов без оценки степени влияния соли свинца на ростовые процессы. При этом негативное влияние ионов свинца показано также для растений родов лук, ячмень, кукуруза и др.
Результаты аналогичных исследований также представлены в работе [17] на примере формирования проростков растений придорожных сорняков Ambrosia artemisiifolia, а также почвопокровных бобовых (Coronilla varia L., Lotus corniculatus и Trifolium arvense).
Результаты исследования влияния хлорида свинца в диапазоне концентраций 250-2000 ppm (0,9-7,2 мМ) на морфологические характеристики проростков ряда сортов риса (Oryza sativa L.) представлены в работе [16]. Показано существенно разное влияние на длину формируемого побега, величина которого снижалась для разных сортов на 23-66%, в то время как длина корней в этом диапазоне концентраций соли свинца уменьшалась более резко, достигая примерно 40-60% от контроля уже при минимальной концентрации соли в 250 ppm, и, практически приближаясь к нулю, при концентрации в 1000 ppm.
Исследование влияния концентраций ионов свинца в почве в диапазоне 0,25-1 г/кг (0,9-3,6 мМ) на формирование проростков растений райграса пастбищного (плевел многолетний, Lolium perenne L. species) -потенциального биоаккумулятора этого металла показало, что с
увеличением концентрации ионов в среде ингибирующее действие на длину корней достигало 30-80%, в то время как длина побегов уменьшалась на 38-80% [18]. То есть ячмень в этом аспекте оказывается также более устойчивой культурой.
Изучение влияния возрастающей концентрации ацетата свинца на сырую массу побега и сырую массу корня показало уменьшение этих характеристик проростков ячменя в условиях эксперимента (рис. 2).
3,5 3,0
и 2,5
<й о
£ 2,0
§ 1,5 Л
Л
О
1,0
0,5
0,0
3,0
0,7
Контроль
□ Побег □ Корень
2,6
0,6
10-6
2,1
0,4
п
10-4
1,6
0,2
10-3
Концетрация, М
Рис. 2. Влияние разных концентраций ацетата свинца на сырую массу
побега и корня проростков ячменя
В ходе проведенного исследования, обнаружено, что с увеличением концентрации соли в среде наблюдали постепенное снижение обоих показателей. Снижение сырой массы побегов составило 9%, 30% и 47% против контроля при концентрациях соли 10-6 М, 10-4 М и 10-3 М, соответственно. Влияние на сырую массу корневой системы было выше, как и в случае изменения величины морфологических параметров (рис. 1), и снижение составило 14%, 43%, 71% при концентрациях 10-6 М, 10-4 М и 10-3 М, соответственно.
Сравнение с имеющимися результатами других авторов показало, что исследование влияния ацетата свинца на сырую массу проростков маша (У1^па гаШМа) в диапазоне концентраций соли свинца 0,01 - 2 мМ приводило к снижению сырой массы побегов, которая составила 69% от контроля, в то время как сырая масса корня уменьшилась примерно вдвое и составила 48% от контроля [14]. Поэтому можно сказать, что проростки маша более устойчивы к присутствию ацетата свинца в среде по этому показателю, чем проростки растений ячменя.
Полученные нами результаты позволяют рассчитать индекс устойчивости, используя данные об изменении длины корня и побега исследуемого объекта в соответствии с методическим подходом, предложенным в работе [11]. Было установлено, что ионы свинца уже при средней концентрации (0,1 мМ) снижали индекс устойчивости корневой системы, приближающийся к 50%, в то время как индекс устойчивости формирования побегов ячменя приближался к этой величине только при максимальной концентрации соли свинца в среде (рис. 3).
100
90 80
70
К н о о
£ 60
50
« О
О 40
о И
и «
К
К
30
20
10
86,0 85,7
□ Побег □ Корень
70,0
57,1
10-6 10-4
Концентрация, М
53,3
28,6
10-3
0
Рис. 3. Влияние разных концентраций ацетата свинца на индекс
устойчивости
Такие результаты вполне объяснимы тем, что тяжелые металлы попадают в побег через корневую систему, где они могут быть частично связаны специальными белками или нейтрализованы другим образом [8, 18, 21, 22]. Полученные нами результаты близки к данным, полученным для проростков растений райграса [11].
Таким образом, исследование показало, что проростки ячменя относятся к наиболее устойчивыми среди изученных растений в пределах широкого диапазона концентраций ацетата свинца в среде.
Список литературы
1. Иванищев В.В. Новые аспекты в изучении адаптации растений к воздействию металлов // Тульский экологический бюллетень. Тула: Гриф и К. 2007. С. 274-277.
2. Иванищев В.В. Никель в окружающей среде и его влияние на растения // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2021. Вып. 2. С. 38-53.
3. Иванищев В.В. Цинк в природе и его значение для растений // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2022. Вып. 2. С. 35-49. DOI 10.46689/2218-5194-2022-2-1-35-49.
4. Comparative analysis of the seed germination of pakchoi and its phytoremediation efficacy combined with chemical amendment in four polluted soils / Li C., Yu F., Li Y. [et al.] // Int J Phytoremediation. 2020. V. 22(11). P. 1156-1167. doi: 10.1080/15226514.2020.1741508. https://pubmed.ncbi.nlm.nih. gov/32202138/
5. Influences of Heavy Metals and Salt on Seed Germination and Seedling Characteristics of Halophyte Halogeton glomeratus/ Yao L., Wang J., Li B. [et al.] // Bull Environ Contam Toxicol. 2021. V. 106(3). P. 545-556. doi: 10.1007/s00128-021-03130-w. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33638675/
6. Effect of heavy metals on seed germination and seedling development of Nama aff. stenophylla collected on the slope of a mine tailing dump / Yanez-Espinosa L., Briones-Gallardo R., FloresJ. [et al.] // Int J Phytoremediation. 2020. V. 22(14). P. 1448-1461. doi: 10.1080/15226514.2020.1781782. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32603186/
7. Prasad M.N.V. Heavy metal stress in plants: from biomolecules to ecosystems. 2nd Edn. 2010.
8. Ivanishchev V.V., Abramova E.A. Accumulation of nickel ions in seedlings of Vicia sativa L. and manifestations of oxidative stress // Environ Sci Pollut Res. 2015. V. 22 (10). P. 7897-7905. DOI 10.1007/s11356-015-4173-8.
9. Wierzbicka M., Obidzinska J. The effect of lead on seed imbibition and germination in different plant species // Plant Science. 1998. V.137(2). P. 155-171.
10. Osaki M.T., Watanabe T., Tadano T. Beneficial effect of aluminum on growth of plants adapted to low pH soils // Soil Sci. Plant Nutr. 1997.V.43. P.551-563. DOI: 10.1080/00380768.1997.10414782.
11. Shourie A. Effect of Cadmium and Lead Stress on Seed Germination and Seedling Growth of Jatropha curcas L. // Biosciences Biotechnology Research Asia. 2022. V. 19 (3). DOI : http://dx.doi.org/10.13005/bbra/3019
12. Гарифзянов А.Р., Иванищев В.В., Жуков Н.Н. Образование и физиологические реакции активных форм кислорода в клетках растений // Современные проблемы науки и образования. 2011. № 2. 21 с. URL: www.science-education.ru/96-4600 (дата обращения: 02.09.2011).
13. Колупаев Ю.Е. Активные формы кислорода в растениях при действии стрессоров: образование и возможные функции // Вестник Харьковского национального аграрного университета. Сер. Биология. 2007. Т. 3. № 12. С. 6-26.
14. Effect of Lead on Seed Germination, Seedling Growth, Chlorophyll Content and Nitrate Reductase Activity in Mung Bean (Vigna radiata) / Sengar R.S., Gautam M., Garg S.K. [et al.] // Research Journal of Phytochemistry. 2008. V. 2. P. 61-68. URL: https://scialert.net/abstract/?doi=rjphyto.2008.61.68
15. Иванищев В.В., Архипова А.Э.Влияние разных концентраций сульфата алюминия на формирование проростков гороха // Бутлеровские сообщения. 2022. Т. 72. № 12. C. 162-169. DOI: 10.37952/R0I-jbc-01/22-72-12-162.
16. Effects of Lead Toxicity on Plant Growth and Biochemical Attributes of Different Rice (Oryza sativa L.) Varieties / Awan S., Jabeen M., Imran Q.M. [et al.] // Journal of Bio-Molecular Sciences (JBMS). 2015. V. 3(1). P. 44-55.
17. Bae J., Benoit D.L., A.K. Watson. Effect of heavy metals on seed germination and seedling growth of common ragweed and roadside ground cover legumes // Environ Pollut. 2016. V. 213. P. 112-118. doi: 10.1016/j.envpol.2015.11.041. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26882164/.
18. Effects of lead ions on germination, initial growth, and physiological characteristics of Lolium perenne L. species and its bioaccumulation potential / Gholinejad B., Khashij S., Ghorbani F. [et al.] // Environ Sci Pollut Res. 2020. V. 27. P. 11155-11163.DOI 10.1007/s11356-019-06766-8
Thapa D., Srivastava H.S., Ormond D.I. Physiological and biochemical effects of lead on higher plants // Vegetos. 1988. V. 1. P. 107-119.
19. Van Assche F., Clijsters H. Effect of metals on enzyme activity in plants // Plant Cell. Environ. 1990. V. 13 (3). P. 195-206. http://dx.doi.org/10.1111/j.1365-3040.1990.tb01304.x
20. Хелдт Г.-В. Биохимия растений. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2011. 471 с.
21. Иванищев В.В. Биоаккумуляция, гомеостаз и токсичность меди в растениях // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2020. Вып. 1. С. 33-41.
Соболева Карина Андреевна, студент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Кузнецов Дмитрий Андреевич, ассистент, [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
INFLUENCE OF LEAD ACETATE ON MORPHOLOGICAL CHARACTERISTICS OF BARLEY SHOOTS
K.A. Soboleva, D.A. Kuznetsov, V.V. Ivanishchev
The paper presents the results of a study of the effect of a wide range of lead acetate concentrations (1-1000 ¡jM) on the formation of barley shoots of the Kovcheg variety. The minimum salt concentration in the medium led to a decrease in the length of the shoot by 19%, and the length of the root, by 14%. At a salt concentration of 100 jM, the inhibitory effect had approximately the same effect on the size of the shoot and root (a decrease of 3435% versus control). The presence of salt in the medium at a concentration of 1000 jM led to a decrease in the length of shoots by 47% and roots, by 64%. The study of the effect of the presence of lead acetate on the wet weight of the organs of barley seedlings under experimental conditions showed that at a minimum salt concentration, the fresh weight of the shoots decreased by 9%, and the wet weight of the roots, by 14%. With an average salt concentration in the medium, the reduction was 30% and 43% for shoots and roots, respectively. The maximum salt concentration in the medium had the maximum effect, which was 47% and 71% for shoots and roots of barley seedlings, respectively. Using the results on alterations in the size of shoots and roots of barley seedlings to determine the resistance index showed that at an average salt concentration in the medium (100 jM), the root system resistance index approached 50%, while the resistance index of barley shoot formation approached this value only at the maximum concentration of lead salt in the medium (1000 ^M). Comparison with the literature data on the effect of lead salts on the formation of plant seedlings concluded that barley is one of the most resistant crops to the presence of lead acetate in the medium.
Key words: Hordeum vulgare L., barley seedlings, lead acetate, biomass, resistance
index.
Soboleva Karina Andreevna, student, [email protected], Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Kuznetsov Dmitry Andreevich, assistant, [email protected], Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Ivanishchev Viktor Vasilyevich, Doctor of Biology, Professor, Head of the Department, avdey_VV@mail. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University
