CC BY
32
Труды ИБВВ РАН, вып. 84(87), 2018
Transactions of IBIW, issue 84(87), 2018
УДК 577.359
ВЛИЯНИЕ ГИПОМАГНИТНЫХ УСЛОВИЙ НА ГРАВИТРОПИЧЕСКУЮ РЕАКЦИЮ СТЕБЛЕЙ ЛЬНА (LINUM BIENNE) И ПЛОДОВИТОСТЬ
ДАФНИЙ (DAPHNIA MAGNA)
А. А. Батракова1, С. И. Сиделев1, В. В. Крылов2
1Яpоcлавcкий государственный университет им. П.Г. Демидова 150057Ярославль, пр. Матросова, 9, e-mail: batrakova_a@mail.ru 2Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН 152742 пос. Борок, Ярославская обл., Некоузскийр-н
Исследовано влияние понижения индукции геомагнитного поля на биологические объекты из различных таксономических групп: Daphnia magna Straus (Branchiopoda: Daphniidae) и Linum bienne Mill. (Dicotyledones: Linaceae). Выяснено, что экспозиция отрезков стеблей льна в гипомагнитных условиях приводило к достоверному ингибированию их гравитропической реакции. Пребывание дафний в гипомагнитных условиях привело к достоверному снижению количества производимого потомства, что можно рассматривать как негативный биологический эффект, вызванный отсутствием геомагнитного поля.
Ключевые слова: лен, дафнии, гипомагнитные условия, геомагнитное поле, гравитропическая рекция, плодовитость.
DOI: 10.24411/0320-3557-2018-10023
ВВЕДЕНИЕ
Эволюция жизни на Земле протекала на фоне геомагнитного поля. Однако воздействие этого абиотического фактора, на растения и животных остается слабоизученным. Исследование влияния гипомагнитных условий на живые организмы может существенно дополнить наши представления о значении геомагнитного поля для биологических объектов. Работы в этом направлении сегодня особенно актуальны, поскольку с развитием технического прогресса организмы чаще сталкиваются с условиями существенного ослабления геомагнитного поля, которые можно обнаружить, например, в метро или в экранированных сооружениях [Binhi, 2002].
В научной литературе можно найти данные о влиянии ослабления геомагнитного поля на ростовые процессы растений. Китайскими учеными были исследованы эффекты влияния гипомагнитных условий на гравитропическую реакцию и прорастание семян у сои Glycine max (L.). Оказалось, что если при прорастании семян корни будут направлены вверх, то угол их изгиба в гипомагнитных условиях будет меньше, чем у корней проростков, ориентированных таким же образом в немодифициро-ванном геомагнитном поле [Mo et al., 2011]. В экспериментах с кукурузой Zea mays L. было установлено, что существенное ослабление геомагнитного поля приводит к значимому увеличению угла изгиба корней и торможению их роста, по сравнению с контролем [Kato, 1990]. Таким образом, гравитропическая реакция у растений разных видов в ответ на экспозицию в одном и том же факторе может быть
разнонаправленной. Установление фактов изменений этого показателя у растений, принадлежащих к другим таксонам, в частности льна Linum bienne Mill., при экспозиции в гипомагнитных условиях представляет определенный интерес.
Известно, также, что при содержании дафний в существенно ослабленном геомагнитном поле их продукционные показатели могут значимо модифицироваться. Экспозиция австралийских рачков Daphnia carinata King в гипомагнитных условиях приводила к значимому снижению размеров производимого потомства относительно контроля при несущественной разнице в количестве новорожденных. Культура Daphnia magna Straus, выделенная из сезонного водоема в Воронежской области, реагировала на ослабление геомагнитного поля снижением числа производимой молоди [Krylov et al., 2013]. Значительную часть жизни дафнии размножаются партеногенетически. Существует вероятность того, что разные ответы на одно и то же воздействие у двух близких видов - это не видовая специфичность, а реакция отдельного клона в условиях ограниченной изменчивости. Для того чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо оценить продукционные показатели у другой линии D. magna в ответ на экспозицию в гипомаг-нитных условиях.
Исходя из вышесказанного, целью работы была оценка влияния гипомагнитных условий на гравитропическую реакцию отрезков стеблей льна L. bienne и продукционные показатели дафний D. magna.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве объектов исследования мы использовали проростки льна L. bienne и синхронизированную культуру D. magna клон Linb1.
Эксперименты с L. bienne
Семена вымачивали в перекиси водорода в течение двух минут, для обеззараживания, затем промывали дистиллированной водой. Проростки выращивали из семян в термостате на влажной марле при 25оС в полной темноте в течение 3-4 суток. Когда стебли льна достигали длины 3-4 см, от апикальной части проростка отрезали фрагмент стебля длиной 2-3 см. Затем, с помощью пинцета отрезки стеблей раскладывали на чашки Петри с фильтровальной бумагой, смоченной 5 мл дистиллированной воды. Во избежание возможного фототропизма, все операции проводили при красном свете. На одну чашку Петри выкладывали по 14-18 отрезков стеблей, при этом положение их базальных концов фиксировали деревянными брусками. Чашки Петри из контрольного варианта в течение 1.5 часов находились в полной темноте в условиях естественного магнитного поля Земли (интенсивность 51.7 мкТл, наклонение 72.05°). Отрезки стеблей из экспериментального варианта в течение 1.5 часов экспонировались в полной темноте в гипомаг-нитных условиях.
Для ослабления геомагнитного поля использовали стакан, изготовленный из двух 1 мм слоёв пермаллоя (прецизионного сплава с магнитно-мягкими свойствами, состоящего из железа и никеля), куда помещали чашки Петри. Измерения величины индукции магнитного поля были выполнены при помощи трёхком-понентного феррозондового магнитометра HB0302A (НПО "ЭНТ", Санкт-Петербург, Россия) непосредственно до и после экспериментов. Индукция магнитного поля внутри стакана составляла 0.1-0.2 мкТл. Эксперименты были выполнены в трёх независимых по-вторностях.
Фиксацию биологического ответа проводили с помощью фотоаппарата Power Shot S110 (Canon, Япония). Фотосьемку проводили при искусственном освещении. Проростки аккуратно выкладывали на темный картон, чтобы угол их изгиба был отчетливо виден. Угол изгиба проростков определяли вручную, с помощью линейки, простого карандаша и транспортира. Для оценки различий между средними значениями угла изгиба проростков в контроле и опыте использовали t-критерий Стью-дента.
Эксперименты с D. magna
Работу выполняли в соответствии со стандартной методикой [Токсикологические методы..., 1999 (Toxicological control..., 1999)]. Молодь, в возрасте не старше 1 суток, отбирали случайным образом и с помощью пипетки помещали в отдельные емкости, заполненные 50 мл отстоянной аэрированной водопроводной воды. В опытах было использовано 30 рачков. Этих дафний разделили случайным образом на 2 группы по 15 особей в каждой. Одна группа являлась контролем и содержалась в естественном геомагнитном поле. Другая группа на протяжении всего эксперимента находилась в гипомагнитных условиях. Для создания гипомагнитных условий были использованы кольца Гельмгольца, подключенные к источникам постоянного тока АКИП-1103 (Manson Eng. Indust. Ltd, Китай). Перед экспериментом при помощи магнитометра НВ0599Б (НПО «ЭНТ», Россия) определялись величина индукции и направление вектора геомагнитного поля в месте проведения экспериментов. Для создания гипомагнитных условий на обмотку двух пар колец Гельм-гольца подавался ток такой силы, чтобы генерируемое магнитное поле было равным по силе, но противоположным по направлению вертикальной и горизонтальной компонентам геомагнитного поля. При этом, за счет суперпозиции, в центре системы двух пар колец Гельмгольца генерируемое постоянное магнитное поле в значительной степени компенсировало геомагнитное.
Эксперименты проводили с 24 апреля по 16 мая 2017 г. Обе группы дафний содержались в одном помещении, где соблюдался оптимальный для развития рачков температурный режим: 21±1°С за исключением двух дней 30 апреля и 1 мая, когда температура понизилась до 17±1°С. Световой режим соответствовал естественному циклу освещенности. В качестве корма для дафний использовали суспензию зеленых водорослей рода Chlorella. Кормление дафний проводили ежедневно.
В контрольных и экспериментальных группах ежедневно учитывали смертность производителей и подсчитывали количество отрожденной молоди для каждой самки. На основе этих данных рассчитывали день появления первого потомства, среднюю плодовитость за время эксперимента и общее количество производимого потомства в контроле и опыте.
опыте оценивали Стьюдента.
Распределение данных соответствовало нормальному, поэтому достоверность различий между средними значениями в контроле и
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Результаты экспериментов с Ь. Ыеиие Гипомагнитные условия значимо влияли на величину гравитропического изгиба у отрезков стеблей льна. Средний угол изгиба фрагментов стеблей в контрольных вариантах составил 20.25±2.05 (здесь и далее данные представлены как среднее ± стандартная ошибка) градусов (п = 48), в экспериментальных - 12.29±1.20 градусов (п = 69). Различия между контролем и опытом были достоверны: г = 3.57, р < 0.001.
при помощи t-критерия
Рис. 1. Угол изгиба отрезков стеблей льна в экспериментальных и контрольных вариантах для каждой повторности опыта.
Fig. 1. Gravitropic curvature of flax segments in the experimental and control variants for each replication.
Средние значения углов изгиба фрагментов стеблей и стандартные ошибки для каждой повторности опыта приведены на рисунке 1.
Результаты экспериментов с D.magna
К окончанию эксперимента смертность рачков в контроле составила 6.66%, а в опыте 13.33%. Разница в смертности рачков между контрольным и опытным вариантами менее 10% в пределах погрешности метода [Токсикологические методы..., 1999 (Toxicological control..., 1999)].
В контроле первое потомство появилось в среднем на 8.07±0.27 сутки. В экспериментальной линии первый выводок появился на свет в среднем на 8.13±0.41 сутки. Различия между контролем и опытом по этому показателю были не значимы (t = 0.14, p = 0.89, ni = n2 = 15).
Средняя плодовитость дафний в одном выводке составила 7.73±0.41 новорожденных особей в экспериментальной группе и 9.19±0.40 в контроле. Согласно критерию Стьюдента, различия между контрольной и опытной группой по этому показателю были значимы (t = 2.53, p < 0.05, n1 = 12, n2 = 14). Количество производимого потомства в четырёх первых выводках в эксперименте составило в среднем 30.93±1.64 особей, в контроле 36.5±1.57. Так же, как и в случае со средней плодовитостью, различия между контрольным и экспериментальным вариантом были значимы (t = 2.45, p < 0.05, n1 = 12, n2 = 14).
Эксперименты с L. bienne Исходя из того, что повторности опыта не влияли на исследуемый показатель, можно заключить, что эксперимент выполнен методически корректно.
Мы наблюдали ингибирование грави-тропической реакции в отрезках стеблей льна, что согласуется с эффектом, обнаруженным ранее в экспериментах с соей G. max [Mo et al., 2011] и отличается от реакции кукурузы Z. mays на ослабление геомагнитного поля [Kato, 1990]. Следует сказать, что лен и соя, показавшие однотипный ответ на экспозицию в гипомагнитных условиях, относятся к двудольным растениям, тогда как кукуруза к однодольным.
Гравитропический ответ отрезков стеблей льна на магнитное воздействие регистри-
ОБСУЖДЕНИЕ
ровали ранее в экспериментах с низкочастотными магнитными полями. Экспонирование этого биологического объекта в комбинированном магнитном поле с параметрами резонанса для ионов кальция сопровождалось значимой стимуляцией гравитропической реакции. Экспонирование отрезков стеблей льна в комбинированном магнитном поле с параметрами резонанса для ионов калия приводило к достоверному уменьшению среднего угла гравитропического изгиба [Белова, Леднев, 2000 (Бе1оуа, Ье^еу, 2000)]. По мнению исследователей, модуляция ростовых процессов под влиянием переменных магнитных полей происходит за счет влияния этого фактора на некоторые биохимические процессы с участием протеинкиназы С и кальмодулина [Ье<1пеу, 1991]. При этом биофизическая модель влия-
ния слабых переменных магнитных полей на биосистемы, предложенная В.В. Ледневым, подразумевает наличие геомагнитного поля [Belova, Pancheliuga, 2010]. Вероятно, отсутствие этого фактора в наших экспериментах повлияло на магнитозависимые биохимические процессы, модулирующие гравитропический ответ, тем же образом, что и воздействие комбинированного магнитного поля с параметрами резонанса для ионов калия.
Эксперименты с D. magna
В наших экспериментах воздействие ги-помагнитных условий приводило к сокращению средней плодовитости на одну самку за 22 дня за счет сокращения количества производимого потомства в первом, третьем, четвертом и пятом выводках. Это можно рассматривать как негативный биологический эффект ослабления геомагнитного поля.
Таким образом, наши результаты, полученные с использованием клона Linbl, согласуются с описанным ранее эффектом влияния гипомагнитных условий культуру дафний, выделенную из сезонного водоема в Воронежской области [Krylov et al., 2013]. Сокращение производимого потомства у D. magna можно рассматривать как маркерную реакцию рачков данного вида на ослабление геомагнитного поля.
В естественных условиях сокращение количества и размеров потомства, производимого дафниями, может привести к уменьшению потенциала для освоения окружающей среды [Alekseev, Lampert, 2004]. Это указывает на заметную экологическую роль геомагнитного поля среди других абиотических факторов окружающей среды.
Работа выполнена в рамках государственного задания (тема № АААА-А18-118012690222-4).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Белова Н.А., Леднев В.В. Активация и ингибирование гравитропической реакции растений с помощью слабых комбинированных магнитных полей // Биофизика. 2000. Т. 45. № 6. С. 1102-1106.
Токсикологические методы контроля // Методика определения токсичности воды по смертности и изменению плодовитости дафний. М.: Гос. комитет РФ по охране окружающей среды, 1999. 35 с.
Alekseev V., Lampert W. Maternal effects of photoperiod and food level on life history characteristics of the cladoceran Daphniapulicaria Forbes// Hydrobiologia. 2004. Vol. 526. № 1. P. 225-230.
Belova N.A., Pancheliuga V.A. Lednev's model: theory and experiment // Biophysics. 2010. Vol. 55. № 4. P. 661-674.
Binhi V.N. Magnetobiology: Underlying Physical Problems. London: Academic Press, 2002.
Kato R. Effects of a very low magnetic fields on the gravitropic curvature of Zea roots // Plant Cell Physiol. 1990. Vol. 31. № 4. P. 565-568.
Krylov V.V., Bolotovskaya I.V., Osipova E.A. The response of European Daphnia magna Straus and Australian Daphnia carinata King to changes in geomagnetic field // Electromagn. Biol. Med. 2013. Vol. 32. № 1. P. 30-39.
Lednev V.V. Possible mechanism for the influence of weak magnetic fields on biological systems // Bioelectromagnetics. 1991. Vol. 12. № 2. P. 71-75.
Mo W.C., Zhang Z.J., Liu Y., Zhai G.J., Jiang Y.D., et al. Effects of a hypogeomagnetic field on gravitropism and germination in soybean// Adv. Space Res. 2011. Vol. 47. № 9. P. 1616-1621.
REFERENCES
Alekseev V., Lampert W. Maternal effects of photoperiod and food level on life history characteristics of the cladoceran Daphnia pulicaria Forbes// Hydrobiologia. 2004. Vol. 526. № 1. P. 225-230.
Belova N.A., Lednev V.V. Aktivatsiya i ingibirovaniye gravitropicheskoy reaktsii rasteniy s pomoshch'yu slabykh kombinirovannykh magnitnykh poley [Activation and inhibition of the gravitropic reaction of plants by the weak combined magnetic fields] // Biofizika. 2000. T. 45. № 6. S. 1102-1106. [In Russian]
Belova N.A., Pancheliuga V.A. Lednev's model: theory and experiment // Biophysics. 2010. Vol. 55. № 4. P. 661-674.
Binhi V.N. Magnetobiology: Underlying Physical Problems. London: Academic Press, 2002.
Kato R. Effects of a very low magnetic fields on the gravitropic curvature of Zea roots // Plant Cell Physiol. 1990. Vol. 31. № 4. P. 565-568.
Krylov V.V., Bolotovskaya I.V., Osipova E.A. The response of European Daphnia magna Straus and Australian Daphnia carinata King to changes in geomagnetic field // Electromagn. Biol. Med. 2013. Vol. 32. № 1. P. 30-39.
Lednev V.V. Possible mechanism for the influence of weak magnetic fields on biological systems // Bioelectromagnetics. 1991. Vol. 12. № 2. P. 71-75.
Mo W.C., Zhang Z.J., Liu Y., Zhai G.J., Jiang Y.D., et al. Effects of a hypogeomagnetic field on gravitropism and germination in soybean// Adv. Space Res. 2011. Vol. 47. № 9. P. 1616-1621.
Toxicological control methods. 1999. Metodika opredeleniya toksichnosti vody po smertnosti i izmeneniyu plodovitosti dafnii [Methods of Determining the Toxicity of Water by the Mortality and Fecundity Changes in Daphnids], Moscow: Gos. Komitet RF po Okhrane Okruzhayushchei Sredy. 35 s. [In Russian]
THE INFLUENCE OF HYPOMAGNETIC CONDITIONS ON GRAVITROPIC REACTION IN FLAX STEMS AND FECUNDITY IN DAPHNIA MAGNA
A. A. Batrakova1, S. I. Sidelev1, V. V. Krylov2
1P.G. Demidov Yaroslavl State University, 150057 Yaroslavl, Russia, e-mail: batrakova_a@mail.ru 2Papanin Institute for Biology ofInland Waters Russian Academy of Sciences, 152742 Borok, Yaroslavl oblast, Russia
The effects of the absence of geomagnetic field on biological objects from various taxa (Daphnia magna Straus and Linum bienne Mill.) were studied. It was found out that the exposure of flax stems segments to hypomagnetic conditions led to a significant decrease in the average angle of the gravitropic bending. The influence of hypomagnetic conditions on daphnids led to a significant decrease in the number of produced offspring. This effect could be considered as a negative biological consequence caused by the absence of geomagnetic field.
Keywords: flax, daphnia, hypomagnetic conditions, geomagnetic field, gravitropic reaction, fecundity
