СЕКЦИЯ «ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ»

ВЛИЯНИЕ ПОВЫШЕННЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЦИНКА В СУБСТРАТЕ НА ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАСТЕНИЙ ELYTRIGIA REPENS

А. Д. Рыхлова, студ. 5 курса

Научные руководители – к. б. н., с. н. с. Н. М. Казнина, д. б. н., проф. Е. Ф. Марковская

Повышенное содержание цинка в почвах вследствие активной деятельности промышленных предприятий, внесения большого числа минеральных удобрений и гербицидов является в настоящее время серьезной экологической проблемой в целом ряде регионов мира. В относительно небольших концентрациях цинк необходим растениям, однако повышение его уровня в окружающей среде оказывает сильное негативное влияние на рост и развитие растений, снижает их способность к репродукции, что может приводить к нарушению естественного растительного покрова. В этой связи изучение дикорастущих видов растений, устойчивых к повышенному содержанию цинка в почве, представляет не только теоретический, но и практический интерес с точки зрения их использования в фитостабилизации загрязненных почв. Для эффективного применения этой технологии необходим поиск видов дикорастущей флоры, устойчивых к повышенным концентрациям цинка в почве, и изучение механизмов их металлоустойчивости. Семейство Poaceae представляет в этом отношении большой интерес, поскольку включает в себя виды, способные расти в условиях загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами.

Исходя из вышеизложенного, целью нашего исследования явилось изучение влияния цинка в повышенной концентрации (160 мг/кг субстрата) на ряд физиолого-биохимических процессов и показателей у растений пырея ползучего (Elytrigia repens L.) в связи с возможностью его использования в фиторемедиации загрязненных металлом почв.

Задачи:

1.Определить содержание цинка в органах растений;

2.Исследовать действие цинка на рост и развитие растений;

3.Изучить воздействие цинка на фотосинтетический аппарат расте-

ний;

4.Определить содержание непротеиновых тиолов: глутатиона (GSH) и фитохелатинов (ФХ) в корнях и листьях растений.

389

В вегетационных условиях изучали устойчивость к повышенным концентрациям цинка одного из доминирующих в травянистых фитоценозах Европейского Севера дикорастущих видов злаков – пырея ползучего (Elytrigia repens L.). Для этого семена проращивали в лабораторных условиях в чашках Петри при температуре воздуха 22ºC в течение 7 дней, после чего проростки высаживали в сосуды с песком объемом 1 дм3. В опытных вариантах в сосуды добавляли цинк в концентрации 160 мг/кг субстрата. Спустя 40 дней оценивали устойчивость растений к металлу по изменению (по отношению к контролю) некоторых морфофизиологических показателей, а также определяли содержание в клетках корня и листа непротеиновых тиолов: глутатиона (GSH) и фитохелатинов (ФХ).

Методы исследования:

1.Анализ содержания цинка в органах растений выполняли методом инверсионной вольтамперометрии с использованием полярографа АВС 1.1.

2.Измерение содержания хлорофиллов (a и b) и каротиноидов в листьях растений определяли спектрофотометрическим методом, экстрагируя 80%-ным ацетоном [1].

3.Интенсивность фотосинтеза анализировали с использованием ус-

тановки для исследования СО2-газообмена и концентрации водяных паров HСM-1000.

4.Содержание GSH и ФХ определяли методом ВЭЖХ по методике Снеллера с соавт. [5].

Результаты исследования:

1.Химический анализ накопления цинка в органах растений.

Пырей ползучий относится к видам-исключателям, которые накапливают тяжелые металлы преимущественно в корнях. В наших исследованиях содержание цинка в опытных растениях также оказалось почти в 2,5 раза выше, чем в листе (табл. 1).

Таблица 1

Содержание цинка (мкг/г сырого веса) в органах растений пырея после 40 дней выращивания на субстратах с повышенным содержанием металла (160 мг/кг субстрата)

2. Влияние цинка на рост и развитие растений пырея.

Цинк в концентрации 160 мг/кг субстрата в значительной степени ингибирует рост корня у пырея (табл. 2) . Это связано с тем, что корни

390

являются первым барьером на пути транспорта металлов из почвы в растение, и именно корень берет на себя основную функцию по их аккумуляции и детоксикации [3].

Таблица 2

Влияние цинка на морфометрические показатели растений пырея

*Здесь и в таблицах 3 и 4: различия по отношению к контролю достоверны при р<0,05.

Ингибирующего действия цинка на рост побега не было обнаружено. Наоборот, металл в изученной концентрации стимулирует высоту побега и накопление надземной биомассы. Негативного действия металла на развитие растений не обнаружено, растения как контрольного, так и опытного вариантов находились в фазе кущения и имели пять развернувшихся листьев.

3. Влияние цинка на фотосинтетический аппарат растений. Изучение влияние цинка на фотосинтетический аппарат растений

пырея показало, что в присутствии металла увеличивалось общее содержание зеленых пигментов (табл. 3). При этом наблюдалось возрастание величины отношения chl a/chl b за счет более сильного изменения содержание chl a.

Таблица 3

Влияние цинка на фотосинтетический аппарат растений

391

Однако интенсивность фотосинтеза при этом заметно снижалась (на 20% по сравнению с контролем), что может быть связано с уменьшением числа и размеров устьиц на нижнем эпидермисе листа, замедлением скорости электронного транспорта, снижением активности ферментов темновой фазы [2].

4. Влияние цинка на содержание GSH и ФХ в корнях и листьях ра с- тений пырея.

Устойчивость растений к повышенным концентрациям тяжелых металлов в окружающей среде обеспечивается прежде всего эффективной работой внутриклеточных механизмов детоксикации, среди которых важную роль играет связывание токсичных ионов непротеиновыми тиолами – GSH и фитохелатинами [4].

В наших исследованиях в присутствии цинка заметно снижалось количество GSH в листьях, тогда как в корнях оно, наоборот, увеличив а- лось (табл. 4), что, очевидно, связано с запуском его синтеза, и способствовало повышению устойчивости растений к металлу.

В отличие от GSH, содержание ФХ заметно увеличивалось как в корне, так и в листе растений. Однако поскольку концентрация цинка в корне выше, то и содержание ФХ там оказалось больше, чем в листе.

Выводы:

1. В присутствии цинка (160 мг/кг субстрата) в корнях и листьях пырея ползучего увеличивается содержание металла. При этом большее количество цинка задерживается в корнях.

2. Цинк в изученной концентрации ингибирует рост корня растений, однако не оказывает негативного воздействия на рост побега, а также на развитие растений.

3. В присутствии цинка снижается интенсивность фотосинтеза, вместе с тем несколько повышается содержание зеленых пигментов.

4. В присутствии цинка в клетках корня и листа растений значительно увеличивается содержание фитохелатинов. При этом количество

392

GSH в листьях снижается, очевидно, вследствие расходования его молекул на синтез ФХ, тогда как в корнях – возрастает, свидетельствуя о запуске его биосинтеза.

Таким образом, на основании полученных данных можно сделать вывод о высокой устойчивости пырея ползучего к повышенному уровню цинка в субстрате, которая обеспечивается механизмами, действующими на разных уровнях организации:

•на уровне организма – возрастание числа побегов кущения,

•на уровне органа – увеличение площади листа и содержания зеленых пигментов при некотором снижении скорости фотосинтеза,

•на уровне клетки – повышение содержания фитохелатинов. Результаты исследования позволяют говорить о возможности ис-

пользования пырея ползучего в фито стабилизации почв, загрязненных цинком.

Список литературы

1.Шлык А. А. Определение хлорофиллов и каротиноидов в экстрактах зеленых листьев // Биологические методы в физиологии растений.

М.: Наука, 1971. С. 154–170.

2.Broadley M. R., White P. J., Hammond J. P., Zelko I., Lux A. Zinc in

plants // New phytol. 2007. V. 173. P. 677–702.

3.Chodhary M., Bailey L. D., Grant C. A. Effect of zinc on cadmium conzentracion in the tissue of durum wheat // Can. J. Plan Sci. 1994. V. 74. P. 549–552.

4.Rauser W. E. Structure and function of metal chelators produced by

plants // Cell Biochem. Biophys. 1999. V. 31. P. 19–48.

5. Sneller F. E. S., van Heerwaarden L. M., Koevoets P. L. M., Vooijs R., Schat H., Verkleij A. C. Derivatisation on Phytochelatins from Silene vulgaris, Induced upon Expousure to Arsenate and Cadmium: Composition of Derivatisation with Ellman’s Reagent and Monobrombimane // J. Agric. Food Chem. 2000. V. 48. P. 4014–4019.

393