CC BY
29
№ 3 (57)
март, 2019 г.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ
ФИЗИОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ РАСТЕНИЙ
ВЛИЯНИЕ КАДМИЯ НА НАКОПЛЕНИЕ ФЕНОЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В ПОБЕГАХ TRITICUM AESTIVUM, ИНОКУЛИРОВАННЫХ ЭНДОФИТНЫМИ БАКТЕРИЯМИ
Курамшина Зиля Мухтаровна
д-р биол. наук, зав. кафедрой биологии Стерлитамакского филиала ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет»,
РФ, г. Стерлитамак E-mail: kuramshina_zilya@mail. ru
Смирнова Юлия Васильевна
канд. биол. наук, преподаватель кафедры биологии Стерлитамакского филиала ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет»,
РФ, г. Стерлитамак E-mail: [email protected]
EFFECT OF CADMIUM ON ACCUMULATION OF PENOL COMPOUNDS IN TRITICUM AESTIVUM SHOOTS, INOCULATED BY ENDOPHITIC BACTERIA
Zilya Kuramshina
Doctor of Biological Sciences, Professor of Biology chair, Sterlitamak branch of the Bashkir State University,
Russian Federation, Sterlitamak
Yulia Smirnova
Candidate of biological sciences, associate professor of Biology chair, Sterlitamak branch of the Bashkir State University,
Russian Federation, Sterlitamak
АННОТАЦИЯ
Показано, что растения пшеницы, инокулированные эндофитными бактериями Bacillus subtilis, обладали большей устойчивостью к кадмию, чем необработанные растения. Содержание фенолов в тканях инокулирован-ных бактериями растений было больше, чем у необработанных.
ABSTRACT
It was shown that wheat plants inoculated by the endophytic bacteria Bacillus subtilis were more resistant to cadmium than untreated plants. The content of phenols in the tissues of plants inoculated by the bacteria was higher than that of untreated plants.
Ключевые слова: тяжелые металлы; кадмий; фенольные соединения; фитостресс.
Keywords: heavy metals; cadmium; phenolic compounds; phytostress.
Введение. Среди неферментативных антиокси-дантов особое внимание привлекают фенольные соединения, которые представляют собой гетерогенную группу вторичных метаболитов растений. В растениях фенольные соединения (ФС) представлены как мономерными (фенилпропаноиды и флава-ноиды и др.), так и полимерными (лигнин) формами. В соответствии со своим химическим разнообразием ФС играют множество важных функций в растениях.
Большинство фенольных веществ важны для защиты растений от травоядных и патогенных микроорганизмов, другие необходимы как структурные компоненты и для привлечения опылителей. Содержания и скорость метаболизма ФС усиливается в растениях при действии на них различных стрессовых факторов окружающей среды [4, С. 524].
Библиографическое описание: Курамшина З.М., Смирнова Ю.В. Влияние кадмия на накопление фенольных соединений в побегах Triticum aestivum, инокулированных эндофитными бактериями // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. 2019. № 3(57). URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/7038
№ 3 (57)
В результате промышленного развития окружающая среда все больше загрязняется тяжелыми металлами. При действии неблагоприятных воздействий на растения происходит образование вредных активных форм кислорода, что приводит к окислительному стрессу. Помимо хорошо изученных анти-оксидантных систем, состоящих из низкомолекулярных антиоксидантов и специфических ферментов, важна роль флавоноидов, фенилопропаноидов и фе-нольных кислот в качестве эффективных антиокси-дантов. При воздействии тяжелых металлов феноль-ные соединения могут выступать как хелаторы, а с другой стороны, ФС могут непосредственно поглощать молекулярные частицы активного кислорода [4, С. 525].
В настоящее время известно, что микроорганизмы, обитающие в ризосфере и растительных тканях, могут повышать устойчивость растений к тяжелым металлам. Одними из таких бактерий являются эндофитные штаммы Bacillus subtilis, которые являются основой биопрепратов.
Целью настоящей работы явилось исследование влияния инокуляции семян клетками эндофитных бактерий Bacillus subtilis 26Д и 11ВМ на содержание ФС в побегах растений Triticum aestivum (сорт Ом-ская-35).
Методика исследований. Объектом исследования служила яровая мягкая пшеница (Triticum aestivum L.) сорта Омская 35. В экспериментах использовали калиброванные семена с всхожестью не менее 90%. Семена пшеницы промывали мыльным раствором и стерилизовали 96%-ым этанолом. Для инокуляции семян использовали 20-часовую культуру бактерий Bacillus subtilis 26Д (ВНИИСХМ, №128) и 11ВМ (ВНИИСХМ, №519), которую выращивали при температуре +37оС на мясо-пептонном агаре. Обработку семян клетками Bacillus subtilis проводили в стерильных условиях, в ламинар-боксе. Для получения бактериального препарата, клетки B. subtilis отмывали 0,001 М раствором KCl, затем концентрацию суспензии доводили до 106 кл./мл по оптической плотности. Семена обрабатывали из расчета 20 мкл на 1 г семян. Семена контрольных растений в том же объеме обрабатывали дистиллированной водой. Затем семена выдерживали до полного подсыхания, использовали для посадки в почву. Растения выращивали в течение 30 суток в выщелоченном черноземе в пластиковых вегетационных сосудах (20 х 20 см). при искусственном освещении (12 кЛк, 16-часовом фотопериод) и температуре 18-20°С. Для имитации загрязнения почвы тяжелым металлом, кадмий вносили в виде раствора соли Cd(NO3)2*6H2O, однократно после посева семян, рассчитывая соответствующую концентрацию ионов металла (10, 200 и 500 мг/кг почвы). Контрольные растения поливали дистиллированной водой. Содержание растворимых ФС определяли согласно методу Фолина и Чокальтеу [3] в модификации Синглетона и Росси [5], основанному на реакции фенолов с солями фосфорноволь-фрамовой и фосфорномолибденовой кислот. Содержание окрашенных соединений оценивали на спектрофотометре UNICO 2800 (США) длине волны
март, 2019 г.
765 нм. Калибровочную кривую строили, используя галловую кислоту. Эксперименты проводили не менее чем в трех биологических повторах. Статистическую обработку результатов проводили с помощью стандартных программ пакета Microsoft Excel. В таблицах данные представлены в виде среднего арифметического значения повторов и стандартного отклонения. Для выявления значимых различий между обработанными и необработанными бактериями растениями использовали t-критерий Стьюдента. Различия между контрольными вариантами и испытываемыми оценивали как достоверные при уровне значимости р<0,05.
Результаты исследований. В ходе проведенных нами экспериментов было выявлено, что инокулиро-ванные бактериями растения пшеницы имели более высокие показатели роста, чем неинокулированные, как при воздействии кадмия, так и в отсутствии металла (табл. 1). Так, при выращивании пшеницы в контрольной (чистой) почве показатели сырой массы побегов обработанных бактериями растений были больше, чем у необработанных на 6 и 9%, соответственно для штаммов 26Д и 11ВМ. Известно, что бактерии, исследуемых штаммов B. subtilis, являются эн-дофитными, способными стимулировать рост растений, повышая в их тканях уровень фитогормо-нов, содержание доступных для растения питательных веществ в ризосфере, подавляя размножение фи-топатогенов и др. [1, С. 177].
Кадмий в концентрациях 10 и 200 мг/кг почвы стимулировал рост побегов пшеницы; повышение содержания металла в среде выращивания приводило к угнетению роста побегов. Данные, приведенные в таблице 1, свидетельствуют о том, что растения пшеницы, инокулированные эндофитными бактериями, обладали большей устойчивостью к кадмию, чем необработанные растения.
У растений пшеницы, обработанных клетками B. subtilis 26Д и 11ВМ при выращивании в почве, не загрязненной кадмием, количественный уровень ФС был ниже, чем у необработанных. Известно, что синтез ФС в тканях растений активируется в ответ на стрессовое воздействие. Меньшее содержание ФС в тканях обработанных бактериями растений и одновременная стимуляция роста по сравнению с необработанными проростками свидетельствует о том, что растения, живущие в сообществе с эндофитом, находятся в более благоприятных условиях произрастания.
В присутствии металла в почве количественный уровень ФС в побегах необработанных растений возрастал. Однако при концентрации ионов кадмия 500 мг/кг почвы наблюдали уменьшение содержания ФС в побегах необработанных бактериями проростков, что может свидетельствовать о нарушениях феноль-ного метаболизма в растениях, вызванных тяжелым металлом.
В побегах растений, обработанных эндофитными штаммами бактерий, изменение содержания ФС подчинялось тем же закономерностям, что и в необработанных растениях. Однако при воздействии кадмия
№ 3 (57)
март, 2019 г.
на растения содержание ФС в тканях инокулирован-ных растений всегда было выше, чем у необработанных растений.
Таблица 1.
Ростовые показатели и содержание фенольных соединений в тканях побегов растений пшеницы в
условиях загрязнения почвы кадмием
Концентрация Cd2+ Вариант Показатели
Сырая масса побегов, мг Концентрация фенольных соединений, мг-экв галловой кислоты / г сухого веса
0 мг/кг Без обработки 142,8±2,1 0,24±0,01
B. subtШs 26Д 152,0±2,5* 0,19±0,02*
B. subtilis 11ВМ 155,0±2,0* 0,18±0,02*
10 мг/кг Без обработки 163,6±3,2 0,27±0,01
B. subtШs 26Д 175,5±4,8* 0,35±0,01 *
B. subtilis 11ВМ 172,1±2,0* 0,33±0,01*
200 мг/кг Без обработки 154,0±2,2 0,19±0,01
B. subtШs 26Д 176,7±3,3 * 0,26±0,01 *
B. subtilis 11ВМ 171,0±1,0* 0,29±0,02*
500 мг/кг Без обработки 123,8±1,9 0,16±0,01
B. subtШs 26Д 137,2±0,8* 0,24±0,01 *
B. subtilis 11ВМ 129,8±1,0* 0,24±0,01 *
* Примечание. Различия между показателями обработанных и необработанных бактериями растений достоверны при Р<0,05
Учитывая то, что ФС могут играть роль эндогенных антиоксидантов, не уступающих по своей анти-оксидантной активности таким соединениям как витамины С и Е [4, с. 524], можно предположить, что более низкая интенсивность окислительного стресса под влиянием тяжелых металлов в тканях растений, живущих в сообществе с эндофитами, показанная нами ранее [2, с. 684], может быть связана не только
с высокой активностью антиоксидантных ферментов, но и с более высоким уровнем ФС.
Вывод. Таким образом, в условиях воздействия кадмия бактеризация семян пшеницы клетками эндо-фитных штаммов B. subtШs способствует более интенсивному росту растений и более эффективной работе фенольного метаболизма.
Список литературы:
1. Егоршина А.А., Хайруллин Р.М., Лукьянцев М.А., Курамшина З.М., Смирнова Ю.В. Фосфат-мобилизующая активность эндофитных штаммов Bacillus subtilis и их влияние на степень микоризации корней пшеницы / Научный журнал Сибирского федерального университета. Красноярск. - 2011. - № 1. - С. 172-182.
2. Курамшина З.М., Смирнова Ю.В., Хайруллин Р.М. Повышение толерантности Triticum aestivum к кадмий-стрессу с помощью эндофитных штаммов Bacillus subtilis // Физиология растений. - 2016. - Т.63. - №5. -С. 679-687.
3. Folin O., Ciocalteu V. On tyrosine and tryptophane determinations in proteins // J. Biol. Chem. - 1927. - Vol. 73 (2). - P. 627-650.
4. Michalak A. Phenolic compounds and their antioxidant activity in plants growing under heavy metal stress // Polish J. of Environ. Stud. - 2006. - Vol. 15 (4). - P. 523-530.
5. Singleton V.L., Rossi J.A. Colorimetry of total phenolics with phosphomolyb-dicphoungstic acid reagent // Am. J. Enol. Vitic. - 1965. - Vol. 16. - P. 144-158.
