Научная статья на тему 'Влияние ионов CD+2 и PB+2 на рост и развитие растений пшеницы'

Влияние ионов CD+2 и PB+2 на рост и развитие растений пшеницы Текст научной статьи по специальности «Агробиотехнологии»

CC BY
354
52
Поделиться
Ключевые слова
ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ / РОСТ / РАЗВИТИЕ / ПШЕНИЦА / СВИНЕЦ / КАДМИЙ / ПРЕДОБРАБОТКА / УСТОЙЧИВОСТЬ / HEAVY METALS / GROWTH / DEVELOPMENT / WHEAT / LEAD / CADMIUM / PRECONDITIONING / RESILIENCE

Аннотация научной статьи по агробиотехнологии, автор научной работы — Мазей Н. Г.

Исследовали влияние различных концентраций солей кадмия и свинца на процессы роста и развития проростков пшеницы. Воздействие Pb(NO3)2 и CdBr2 на проростки пшеницы оказало сильное токсическое действие, наблюдалось замедление накопления сырой и сухой массы, уменьшение высоты проростков привело и к замедлению развития. Предобработка проростков пшеницы солями свинца и кадмия в низких концентрациях индуцирует повышение их устойчивости к воздействию металлов и позволяет в дальнейшем переносить без повреждения и с меньшим ингибированием ростовых процессов действие высоких концентраций этих веществ.

Похожие темы научных работ по агробиотехнологии , автор научной работы — Мазей Н. Г.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Impact of Cd+2 and Pb+2 on growth and development of wheat seedlings

Impact of Cd+2 and Pb+2 on growth and development of wheat seedlings

Текст научной работы на тему «Влияние ионов CD+2 и PB+2 на рост и развитие растений пшеницы»

ИЗВЕСТИЯ

ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ № 10 (14)2008

IZ VESTIA

PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA imeni V. G. BELINSKOGO NATURAL SCIENCES № 10 (14)2008

УДК 58.04

ВЛИЯНИЕ ионов CD2 И PB+2 НА РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ

© н. г. МАЗЕЙ

Пензенский государственный педагогический университет им. В. Г. Белинского кафедра ботаники, физиологии и биохимии растений e-mail: yurimazei@mail.ru

Мазей Н. Г. - Влияние ионов CD+2 и PB+2 на рост и развитие растений пшеницы. - Известия ПГПУ им. В. Г. Белинского. 2008. № 10 (14). - С. 33-38. - Исследовали влияние различных концентраций солей кадмия и свинца на процессы роста и развития проростков пшеницы. Воздействие Pb(NO3)2 и CdBr2 на проростки пшеницы оказало сильное токсическое действие, наблюдалось замедление накопления сырой и сухой массы, уменьшение высоты проростков привело и к замедлению развития. Предобработка проростков пшеницы солями свинца и кадмия в низких концентрациях индуцирует повышение их устойчивости к воздействию металлов и позволяет в дальнейшем переносить без повреждения и с меньшим ингибированием ростовых процессов действие высоких концентраций этих веществ.

Ключевые слова: тяжелые металлы, рост, развитие, пшеница, свинец, кадмий, предобработка, устойчивость.

Mazei N.G. - Impact of Cd+2 and Pb+2 on growth and development of wheat seedlings. - Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im.i V. G. Belinskogo. 2008. № 10 (14). P. 33-38. - Impact of different concentrations of cadmium and lead on processes of growth and development of seedlings was investigated. Influence of heavy metals on wheat seedlings appears as strong toxic. Decreasing of biomass accumulation, height of seedlings, and, as a result, delay of development was revealed. Preconditioning of seedlings by low concentrations of metal-ions is induced the resilience to influence of toxicants and allowed to survive in high concentrations of metal-ions.

Keywords: heavy metals, growth, development, wheat, lead, cadmium, preconditioning, resilience.

Проблема загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами становится все более и более актуальной. К тяжелым металлам относится относительно большая группа химических элементов, имеющих плотность больше 5г/см3 и относительную атомную массу более 40. Многие из этих металлов обладают высоким сродством к серосодержащим лигандам и образуют с ними прочные соединения. Поэтому, попадая в клетки, они взаимодействуют с SH-группами, инактивируя многие ферменты. Это вызывает разнообразные нарушения метаболизма клеток, с чем связана высокая токсичность тяжелых металлов. Представление об обязательной токсичности тяжелых металлов является заблуждением, т. к. в эту группу попадают медь, цинк, марганец, железо и другие металлы, которые в небольших количествах необходимы как животным, так и растениям. Среди тяжелых металлов, не относящихся к необходимым питательным элементам, наиболее распространены кадмий (Cd) и свинец (РЬ). Загрязнение среды РЬ и Cd обусловлено в основном четырьмя видами хозяйственной деятельности человека: 1) сжиганием жидкого и твердого топлива, 2) металло-плавильным производством, 3) сбрасыванием сточных вод, в кото-

рых РЬ и Cd содержатся в повышенных количествах и 4) внесением в почву химикатов, в том числе удобрений [4].

В пищевые цепи большая часть Cd и РЬ поступает из растений. Многие растения аккумулируют металлы в концентрациях, во много раз превышающих концентрацию металлов в почве. Способность растений накапливать тяжелые металлы и быть устойчивыми к их избытку является отражением их индивидуальных особенностей [1]. Связываясь на поверхности клеток или проникая в них, Cd2+ и РЬ2+ могут взаимодействовать функциональными группами белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и других соединений, а также замещать ионы других металлов, связанные с этими группами. В результате возникают различные нарушения метаболизма, причем, обычно не ясно, какие из них первичные, а какие являются следствием повреждения других процессов.

Целью настоящей работы явилось изучение влияния различных концентраций солей кадмия и свинца на процессы роста и развития проростков пшеницы, а также проверке гипотезы о том, что предобработка проростков низкими концентрациями солей тяжелых металлов повышает их устойчивость.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

В опытах использовали проростки пшеницы (ТгШсит аевИтт L.) сорта Пирамида, выращенные в течение 3 сут на 1/2 питательного раствора Кнопа (рН 6.2-6.4) при температуре воздуха 22-25 °С, относительной влажности 60-70 %.

Проростки в течение 1, 4 или 7 сут выдерживали на растворах РЬ^Оэ)2 или CdBr2 х 4Н2О в низких концентрациях (0.001-0.005 мМ), а также на дистиллированной воде (контроль). Затем на протяжении 7 сут их подвергали действию тех же солей, но в более высоких концентрациях (0.05-10.00 мМ), которые, вызывают ингибирование ростовых процессов, а при длительных экспозициях - повреждение или гибель растений. Часть проростков выдерживали в течение всего опыта на растворах солей свинца и кадмия в одних и тех же (низких или высоких) концентрациях. Прочие условия эксперимента сохраняли неизменными. Во всех опытах использовали соли тяжелых металлов квалификации «х. ч.», отечественного производства.

Реакцию проростков на действие ионов свинца и кадмия оценивали по изменению накопления их сы-

рой и сухой массы, высоте проростков, а также выживаемости.

В каждом варианте опыта анализировали по 5 проб, составленных из 4 проростков, каждый опыт проводили в 3 повторностях. Полученные данные подвергали статистической обработке. Рассчитывали среднюю арифметическую (М), среднее квадратическое отклонение (8), ошибку репрезентативности средней арифметической (тм). Оценка достоверности разницы проводилась с помощью критерия Стьюдента (;) [6].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Действие ионов РЬ+2 на проростки пшеницы

Воздействие РЬ^Оэ)2 на проростки пшеницы оказало сильное токсическое действие. Уже в возрасте 7 суток (рис. 1) наблюдалось замедление накопления сухой массы проростками пшеницы, подвергнутыми воздействию РЬ^Оэ)2 в различных концентрациях, причем с увеличением концентраций наблюдалось уменьшение накопления сухой массы проростками: при концентрации 0,5 мМ в 2 раза, 1 мМ - в 3,5 раза; 5 мМ - 3,7 раза; 10 мМ - в 10 раз.

0,06

0,05

^ 0,04

св

0

1 0,03

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

х

^ 0,02

0,01

■ контроль

-■0,5мМ - 1мМ

•5мМ

14

возраст, сут

■ - 10мМ

Рис. 1. Влияние растворов РЬ^03)2 на накопление сухой массы проростков пшеницы

0

7

9

Дальнейшее воздействие ионов РЬ+2 в возрасте до 14 сут также препятствовало накоплению сухой массы проростками, практически до полного прекращения прироста массы при действии больших концентраций РЬ^Оэ)2.

Аналогичным образом изменялась сырая масса и высота проростков пшеницы, подвергнутых воздействию ионов РЬ+2 (рис. 2, рис. 3). Замедление накопления сырой и сухой массы, уменьшение высоты проростков привело и к замедлению развития.

Воздействие РЬ^03)2 в концентрации 1 мМ в течение 7 сут на проростки пшеницы (в возрасте 3 сут)

приводило к значительному ингибированию накопления их сырой и сухой массы (рис. 1, рис. 2, табл. 1). При этом резкое торможение роста вплоть до полного его прекращения отмечали независимо от того, в какой момент проростки подвергали действию ионов свинца -перед опытом или через 1, 4 или 7 сут после его начала.

Предобработка проростков нитратом свинца в низкой концентрации (0,001 мМ) в течение 1, 4 или 7 сут приводила к тому, что при последующем действии концентрации 1 мМ сырой вес проростков снижался в меньшей степени (табл. 1), чем в вариантах без предобработки (рис. 1, 2, табл. 1).

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИИ

§ а

з

о

0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

7

9

♦ контроль — • - ■ 0,5мМ -•—5мМ --*--10мМ

14 возраст, сут ■ 1мМ

Рис. 2. Влияние растворов РЬ(ЫО,)2 на накопление сырой массы проростков пшеницы

25 20

15

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

§ 10 Л

и

5

♦ контроль -•—5мМ

9

■0,5мМ ■ 10мМ

14 возраст, сут 1мМ

Рис. 3. Влияние растворов РЬ(ЫО,)2 на высоту проростков пшеницы

Таблица 1

Влияние предобработки РЬ(П03)2 на изменение сухой массы проростков пшеницы при последующем увеличении их концентрации. М ± т, п = 6, * - р > 0.95

0

Продолжительность предобработки проростков или экспозиции на воде, сут Изменение сухой массы за 7 сут, г

Проростки после обработки 1мМ РЬ(П03)2 Проростки после обработки 0,5мМ РЬ(П03)2

После экспозиции на воде После предобработки 0.001мм рь(по3)2 После экспозиции на воде После предобработки 0.001мм рь(по3)2

0 0.0202 ± 0.0005 - 0.0202 ± 0.0005 -

1 0.0171 ± 0.0004 0.0461* ± 0.0007 0.0191 ± 0.0005 0.0384* ± 0.0007

3 0.0225 ± 0.0004 0.0309* ± 0.0005 0.0209 ± 0.0004 0.0313* ± 0.0004

7 0.0211 ± 0.0006 0.0278* ± 0.0004 0.0200 ± 0.0003 0.0301* ± 0.0008

Следует отметить, что сухая масса проростков в вариантах с предобработкой РЬ^Оэ)2 (табл. 1) была практически такой же, как в варианте 0,001 мМ. Величина прироста сухой массы у проростков, предварительно обработанных 0,001 мМ нитратом

свинца в течение 1, 4 и 7 сут, в период последующего действия (7 сут) свинца в высокой концентрации была выше, чем у проростков, подвергавшихся действию только высокой концентрации (табл. 1).

При воздействии РЬ^Оэ)2 в концентрации 10 мМ отмечено еще более резкое подавление накопления сырой и сухой массы проростков пшеницы, чем при 1 мМ, и даже снижение ее уровня по сравнению с вариантом до обработки (обработка через 3 и 7 сут после начала опыта, табл. 2). Использование этой пов-

реждающей концентрации свинца после предобработки проростков в концентрации 0.001 мМ также приводило к тому, что накопление сырой массы проростков подавлялось независимо от продолжительности (1, 3 или 7 сут) предобработки свинцом в низкой концентрации.

Таблица 2

Влияние предобработки РЬ(П03)2 на изменение сырой и сухой массы проростков пшеницы при последующем увеличении концентрации РЬ(П03)2, М ± т, п = 6, * - р > 0.95

Продолжительность предобработки проростков или экспозиции на воде, сут Проростки после обработки 10 мМ РЬ(П03)2

Изменение сырой массы за 7 сут Изменение сухой массы за 7 сут

После экспозиции на воде После предобработки 0.001мм рь(по3)2 После экспозиции на воде После предобработки 0.001мм рь(по3)2

0 0.1345 ± 0.0005 - 0.0202 ± 0.0005 -

1 -0.0549 ± 0.0004 -0.0499* ± 0.0007 0.0009 ± 0.0004 0.0009 ± 0.0007

3 -0.0805 ± 0.0004 -0.0779* ± 0.0005 0.0008 ± 0.0004 0.0009 ± 0.0005

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

7 -0.0801 ± 0.0006 -0.0798* ± 0.0004 0.0009 ± 0.0006 0.0008 ± 0.0004

Так, воздействие свинца в концентрации 10 мМ приводило к полному ингибированию накопления сухой массы независимо от того, помещали ли проростки непосредственно на раствор указанной концентрации или подвергали предобработке в низкой концентрации (табл. 2). Следовательно, при использовании концентрации 10 мМ происходило нарушение водного обмена, что и послужило причиной столь резкого снижения сырой массы проростка.

Кроме того, затормаживался не только рост, но и развитие растений. Если в контроле проростки находились в фазе 2-3-х настоящих листьев, то растения, подвергшиеся обработки растворами солей оставались в фазе 1 настоящего листа.

Действие ионов Cd+2 на проростки пшеницы

Воздействие на проростки пшеницы кадмия в высокой концентрации (0.05 мМ и 5 мМ CdBr2) приводило к прекращению накопления сухой массы (рис. 4).

0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0

7

9

♦ контроль - - » - ■ 0,5мМ — -А- - 5мМ

Рис. 4. Влияние растворов CdBr2 на сухую массу проростков пшеницы

14

возраст, сут

Предобработка проростков этим же соединением в концентрации 0.001 мМ в течение 1, 4 или 7 сут так же, как и в опытах со свинцом, снижала ингиби-рующее действие кадмия в концентрации 0.05 мМ (табл. 3) по сравнению с аналогичным вариантом, но без предобработки. Прирост сухой массы проростков в этом случае был выше, чем в вариантах без предобра-

ботки. Высокая концентрация CdBr2, как и в случае с солями свинца, не способствовала приросту сухой массы проростков после предобработки 0.001мМ CdBr2.

Судя по литературным данным, способность растений противостоять воздействию тяжелых металлов связана с активизацией у них комплекса защитно-приспособительных реакций. В частности, имеются

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ ►►►►►

Таблица 3

Влияние предобработки CdBr2 на изменение сырой и сухой массы проростков пшеницы при последующем увеличении концентрации CdBr2, М ± т, п = 6, * - р > 0.95

Продолжительность предобработки проростков или экспозиции на воде, сут Изменение сухой массы за 7 сут, г

Проростки после обработки 0,5 мМ CdBr2 Проростки после обработки 5мМ CdBr2

После экспозиции на воде После предобработки 0,001мМ CdBr2 После экспозиции на воде После предобработки 0,001мМ CdBr2

0 0.0202 ± 0.0005 - 0.0202 ± 0.0005 -

1 0.0175 ± 0.0004 0.0261* ± 0.0007 0.0007 ± 0.0005 0.0010 ± 0.0007

3 0.0195 ± 0.0004 0.0329* ± 0.0005 0.0009 ± 0.0004 0.0012 ± 0.0004

7 0.0201 ± 0.0006 0.0298* ± 0.0004 0.0004 ± 0.0003 0.0014* ± 0.0008

сведения о том, что под влиянием тяжелых металлов изменяется активность ряда ферментов [7], усиливается синтез металлотионеинов [9] и фитохелатинов [10], накапливаются стрессовые белки, а также свободные аминокислоты [2] и т.д. Однако характер изменений физиолого-биохимических процессов растений при действии возрастающих доз тяжелых металлов и конкретные механизмы адаптации к ним пока не установлены. Воздействие тяжелых металлов в нарастающих концентрациях приводит не только к торможению роста, но и к нарушению водного обмена растений вследствие снижения водоудерживающей способности листьев, а также торможения формирования боковых корешков и корневых волосков [2].

Данные об эффектах возрастающих концентраций тяжелых металлов на растения пока единичны. В частности, о способности растений адаптироваться к токсическому действию кадмия свидетельствуют эксперименты с горохом [3]. Замачивание семян этого вида в течение 7 ч в растворе 3.8 мкМ CdCl2 снижало токсическое действие краткосрочной (30 мин) обработки проростков 25 мкМ CdCl2, проведенной через 48 ч от начала проращивания. Также было показано, что предобработка растений бухарника сульфатом кадмия в концентрации 0.2 мкг/мл приводила к повышению устойчивости корней к последующему действию более высокой концентрации (1 мкг/мл). Сходные результаты получены также при изучении нарастающего воздействия на растения неблагоприятных температур [5] и нарастающего засоления [8].

Таким образом, предобработка проростков пшеницы солями свинца и кадмия в низких концентрациях индуцирует повышение их устойчивости к воздействию металлов и позволяет в дальнейшем переносить без повреждения и с меньшим ингибированием ростовых процессов действие сублетальных концентраций этих химических веществ. Кроме того, уровень устойчивости при нарастающем действии стрессора зависит в определенной степени от режима воздействия (концентрации металла и продолжительности инкубации).

Следовательно, можно отметить, что под влиянием возрастающего действия тяжелых металлов, также

как и некоторых других стрессоров (низкие и высокие температуры, засоление) у растений происходит активизация защитно-приспособительных процессов, в результате чего формируется устойчивость, позволяющая им переносить более высокие концентрации металлов.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ВЫВОДЫ

1. Воздействие РЬ^Оэ)2 на проростки пшеницы оказало сильное токсическое действие, наблюдалось уменьшение накопления сухой массы проростками: при концентрации 0.5 мМ в 2 раза, 1 мМ - в 3.5 раза; 5 мМ - 3.7 раза; 10 мМ - в 10 раз. Замедление накопления сырой и сухой массы, уменьшение высоты проростков привело и к замедлению развития.

2. Предобработка проростков нитратом свинца в низкой концентрации (0.001 мМ) в течение 1, 4 или 7 сут приводила к тому, что при последующем действии концентрации 1 мМ сырой вес проростков снижался в меньшей степени, чем в вариантах без предобработки.

3. При воздействии РЬ^03)2 в концентрации 10 мМ отмечено еще более резкое подавление накопления сырой и сухой массы проростков пшеницы, воздействие этой концентрации свинца после предобработки проростков в концентрации 0.001 мМ также приводило к подавлению накопления сырой и сухой массы проростков независимо от продолжительности (1, 3 или 7 сут) предобработки свинцом в низкой концентрации.

4. Воздействие на проростки пшеницы CdBr2 в высокой концентрации приводило к прекращению накопления сухой массы.

5. Предобработка проростков пшеницы солями свинца и кадмия в низких концентрациях индуцирует повышение их устойчивости к воздействию металлов и позволяет в дальнейшем переносить без повреждения и с меньшим ингибированием ростовых процессов действие высоких концентраций этих веществ.

список ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бингам Ф. Т. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. М.: Мир, 1993. 366 с.

2. Гуральчук Ж. З. Механизмы устойчивости растений к тяжелым металлам // Физиология и биохимия культ. растений. 1994. Т. 26. С. 107-117.

3. Мельничук Ю. П. Влияние ионов кадмия на клеточное деление и рост растений. Киев: Наукова думка, 1990.

4. Прохорова Н. В., Матвеев Н. М., Павловский В. А. Аккумуляция тяжелых металлов дикорастущими и культурными растениями в лесостепном и степном Поволжье. Самара: Самарский университет, 1998. 131 с.

5. Титов А. Ф., Шерудило Е. Г., Боева Н. П. Формирование устойчивости растений в условиях нарастающего температурного стресса // Адаптация, рост и развитие растений / под ред. Дроздова С. Н., Титова А. Ф. Петрозаводск: Карел. НЦ РАН, 1994. С. 46-55.

6. Шмидт В. М. Математические методы в ботанике. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1984. 288 с.

7. Foy С. D., Chaney R. L., White М. С. The physiology of metal toxicity in plants // Ann. Rev. Plant Physiol. 1978. Vol. 29. P. 511-566.

8. Harrington H. М., Aim P. М. Interaction of heat and salt shock in cultured tobacco cells // Plant Physiol. 1988. Vol. 88. P. 618-625.

9. Murphy A., Zhou J., Goldsbrough P. В., Taiz L. Purification and immunological identification of Metallothio-neins 1 and 2 from Arabidopsis thaliana // Plant Physiol. 1997. Vol. 113. P. 1293-1301.

10. SteffensJ. C. The heavy metal-binding peptides of plants // Ann. Rev. Plant Physiol. 1990. Vol. 41. P. 553-575.