close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

147

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
На правах рукописи
РИКЕЛЬМЕ ДИАС Хорхе Хосуэ
ФИЗИОДОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ДЕЙСТВИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
НА РАСТЕНИЯ
Специальность 03.00.12 — физиология растений
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
МОСКВА 1999
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
_
Работа Bbtnoiiitiu в лаборатории
pj^Bt.iiH сель^л )\о шйствепных растег
«,Koxo3HftcTBvHhjft академии имени К А
Научный р%човсд1.тель — доктор
П. Б. Курапов.
регуляторов р >.та и
ifi Посков^к^и с^ль
Тимирязева
биолс гичеслих
на\к
Официальные оппенипы доктор биолог'ческ ix ita\K, про
фессар Н. Н. Новиков, кандидат биологических iiavK, доцент
В. Т. Старикова.
Ведущее учреждение — Всероссийский научно исследовательский институт сельскохозяйственной биитсхнологм i
Защита ссстоьТеЯ < Z •>
1999 г
U^Ot^L
в « 14 •> часов на заседании дисесртацисч юго (овста
Л 120 35 07 в Московской сельскохозяйственной ачадемсШ
имеми К А Тимирязева
Адрес 127510, ,\\ссква. Тимирязевская ул 49 Ученый
совет МСХА
С диссертацией мс жпо ознакомиться в ЦНБ \\СХ\
Автореферат разослан « /J~»
£&&№&*'
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат сельскохозяйственных гаук
1949 г
Н. П. Карсункина
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Вснязи с интенсивной деятельностью человека и
бурным развитием промышленности наблюдается значительное увеличение
объема химических отходов, сбрасываемых в воздух, волу и на поверхность
почвы, которые представляют собой реальную угрозу для живого мира
планеты и, в частности, для растений.
'Зто антропогенное явление породило новый, раннее не свойственный
растениям вид стресса. Этот вид стрессового воздействия имеет свои
особенности. В отличие or таких достаточно хорошо изученных
"естественных" стрессовых факторов как засуха, затопление, низкие или
высокие температуры, которые носят сравнительно краткосрочный характер
и, как правило, не затрагивают весь период вегетации растений, накопление
тяжелых металлов в почве происходит постепенно (за исключением
достаточно редких крупных разовых выбросов). Стресс, вызванный тяжелыми
металлами, носит продолжительный затяжной характер и затрагивает все
стадии развития растения от "семени до семени". Растение' развивается в
условиях постоянного и достаточно равномерного экологического давления,
имея время на запуск адаптационных н компенсаторных механизмов, одним из
которых может быть изменение его гормонального баланса и формирование
различных
физиолого-биохимических
защитных
механизмов,
препятствующих поступлению токсичных элементов.
.
Повышенные концентрации тяжелых MCIUJIJIOH могут приводить к
общим малоспецифическим физиологическим н биохимическим;изменениям.
В качестве наиболее общих проявлений стресса, обусловленного,.избытком
тяжелых металлов, выделяются:
повреждение мембран, изменение
активности ферментов, ипгибирование роста корней. Отмеченные нарушения..
ведут к целому ряду вторичных эффектов, таких как гормональный.
дисбаланс, дефицит необходимых химических элементов, ингибирование
фотосинтеза, нарушение передвижения фотоассимнлятов, изменение водного..
режима и другие, которые в свою очередь тормозят рост и снижают-...
эффективность семенного размножения растений.
Растения в первую очередь защищают от внешних воздействий
репродуктивные органы, поэтому в нашей работе мы уделили значительное
внимание действию тяжелых металлов на пыльцу растений, развитие плода,
формирование семян.
Цель и задачи, исследовании. Целью настоящей работы являлось
изучение реакции растений в условиях "затяжного" стресса, вызванной .
действием тяжелых металлов. '
.•?-•.
..-. .-. = (*.5% | и ) .' u n
В задачи исследований входило:
• '
' " ' '
"'' '';,
1. Изучение накопления тяжелых'металлов в растениях томата. ' . •;
2. Исследование морфологических и физиологических особенностей .;
роста и развития растений под действием тяжелых металлов.
t
3. Изучение динамики" гормонального баланса растении томата в
i
условиях "затяжного" стресса
••• > •* •' '
/ ЦЕНТРАЛЬНАЯ
НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА
Моск. с. • .. •- чдвмии
им. К. А,
Инв. №./
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4
И<\ченис ВЛИЯНИЯ тнлелмч метал юв на iipoptciauiic и рост
пыльцевой грубки H\L ЮВИЯЧ
- действия тяже |ых мечаллов и процессе росы пыльцевом грубки,
- действия тяже тых метал юв и i стадии еофевания иы п.цсвого зерна,
- формирования пыльцевого
icpua при постоянном воздеиствии
тяжелых меюллов
5 Изучение влияния тмже1ых металлов ил семспнмо продуктивность
томатов
Научная ношина. В район, впервые показано чш соiдаваемый
тяжелыми металлами ыите и ный cipccc специфическим оораюм меняет
гормональный баланс и окашвает в шмние на различные opianu растения, в
том числе и на репро активные (пылми семя плох)
Показано, что \ растения фчнкционируег несколько юн защиты,
препятствующих проникновению и действию тяжелых мьылюв, причем
максимальная гашита осуществляется на уровне репродуктивных органов,
особенно пыльны, для которой установпена повышенная чунсгвитетыюсть к
яеиствию затт)язните теи
Установлено что существует тесная вмичоевязь между прорастанием
пыльцевых lepeTi, длиной пыльцевой трубки, завжыванием и формированием
плодов Чем меньше жизнеспособноегь пыльцы, к м меньше продуктивность
Предложен
женресс-мегод аналша
качества
воды
на основе
биотестирования с использованием uiмерок скорости прорастания пыльцы m
vitro
Практическая
1начимпс1ь
работы.
I'eiyibiaibi
исследований
дополняют современные пре плавления о вошействни гяжс iu\ металлов на
растение, главным оораюм на репродуктивные органы
Выявлена роль
фитогормонов в формировании адаптивных реакций растении на действие
тяжелых металлов
Принимая
во
внимание
высокую
чувствительное^
пыльцы к
мгрязнениям мы пре пожили IICIIO 1ыовать пыльцу в биоло| ическем контроле
качества воды
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ
Апробация работы. ГЧмупьтаты исследований доложены на научных
конференциях молодых ученпх МС ЧА в 1996 и 1998 п и на 111 и IV
Международных конференциях «Ретутяторы роста и развития растений»
(Москва, 1995, 1997 ц )
Структура н объем диссертации. Работа изложена на/fe^страницах,
содержи! 29 таблиц 1^ рисунков, состоит из введения 3 г тав заключения,
выводов Список использованной литературы включает T-$t> наименований, из
них *4<г на иностранных языках
Условия н методика исследований
Окспериментальная работа
проводилась в 1995
1998 м в л июраторных и вегетационных опытах в
Лаборатории регучягоров роста и рашития се1ьскохо)яйственных растений
|цмиря1евской сельскохозяйственной 1кадсмии
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Объектами исследонании служили: вишня сорта Куивышерская ранняя,
слива сорта Ренклод, настурция, томаты сорта Белый налив.
Вегетационные омыты проводили в сосудах Митчерлиха объемом 6
литров. Сосуд - повторное! ь в зависимости от года -15-40. Субстратом служила
дерново-подзолистая почва, переметанная с равным количеством торфа.
Комплексное удобрение вносили в количестве 6 г на сосуд (N 20 %, РгО* 37 %,
KiO 12 %). Тяжелые металлы: свинец, цинк и кадмий в виде нитратных солей и
медь в виде сульфатных - были внесены в почву раздельно при "закладке опыта
в дозах, указанных в схемах опыта. I) течение всего вегетационного периода
влажность почвы поддерживалась весовым методом на уровне (60-70 % от ПВ).
В каждом сосуде выращивали по одному растению томата. Семена высевали в
чистую почву, рассаду высаживали в возрасте 60 дней.
В период вегетации проводили морфологические наблюдения. В период
цветения Ш-еге соцветия измеряли параметры фотосинтеза, содержание
хлорофилла и площадь листьев. Образцы для определения фитогормонов и
тяжелых металлов отбирали во всех опытах в одно и то же время (10 часов
утра) в период цветения. Во время цветения также отбирали пыльцу для
определения роста и прорастания пыльцевых зерен.
Схема вегетационного опыта 1996 г. для изучения влияния разных
концентраций тижедых металлов на растение томата следующая: I) Контроль
(без добавления тяжелых металлов). 2) Свинец: на уровне Г1ДК (130 мг/кг
почвы), 10 ИДК, 100 ПДК, 3) Цинк: на уровне ПДК (35 мг/кг почвы), 10 ПДК,
100 ПДК, 4) Медь: на уровне НДК (51 мг/кг почвы), 10 ПДК, 100 ПДК, 5)
Кадмий: на уровне ПДК (5 мг/кг почвы), 10 ПДК, 100 ПДК. В 1997 - 1998 гг.
при изучении влияния тяжелых металлов на растения томата l u l l поколения
использовали только дозы в К) ПДК.
В 1996 г. для исследования влияния тяжелых металлов на рост
пыльцевых трубок побеги вишни' и сливы, срезанные перед цветением,
выдерживали в растворах, содержащих тяжелые металлы (Pb, Zn, Си и Cd) в
концентрациях 1000 мг/л, 100 мг/л и 10 мг/л в течение двух недель.
Влияние загрязнения тяжелыми металлами на рост пыльцевых трубок
модельного растения настурции изучали в 1997 г. в условиях in vitro на
искусственной питательной среде с добавлением разных концентраций
тяжелых металлов: 0,001 мг/л, 0,01 мг/л, 0,1 мг/л, I мг/л, 10 мг/л, 100 мг/л и
1000 мг/л. Контрольные пыльцевые зерна выращивали на питательной среде на
основе дистиллированной воды.
Морфологические изменения проводили согласно методическим
указаниям «Практикума по селекции и семеноводству овощных и плодовых
культур» (М, 1998). Интенсивность фотосинтеза определяли с помощью
портативной сисгемы для' измерения фотосинтеза LI-COR 6200. .Хлорофилл в
листьях томата определяли снектрофотометрическим методом (Практикум по
физиологии растений, М„ 1982). Измерение площади листьев проводили с
помощью прибора'LI-COR.Li-300 Area meter. Тяжелые металлы определяли
после мокрого о юления (Обухов, Плеханова, 1991) на атомно-адсорбционном
?
спектрофотометре Hitachi; Анализ фитогормонов проводили по • методике,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
разработанной в Лаборатории рсгуляюров роста и развития с/х растений ТСХА
(К)рапов и др., 1991) с помощью иммунофсрменшого анализа н биотестов.
Влияние тяжелых металлом пи прорастание и рост пыльцевой i рубки изучали в
условиях"in vitro на искусе*! минной питательной среде. Проращивали пыльцу в
камере
Ван-Тпнтема
по
методике O f Г.Паушевой (19X0).
Процент
жшнеспособных пыльцевых черен ус1анавливали но количеству гфоросших.
Причем подчитывали только те пылькеные черна, у которых пыльцевая трубка
длиннее, чем диаметр самого черна..
Химические анализы проводили в 3-4 повторностях для не менее чем
трех биологических проб Ошибка методов определения во всех случаях не
превышала 20 %. Экспериментальные данные статистически обрабатывались е
использованием программ Stalgrat", Straz и Excel.
Р 1 П У Л М А Т Ы ИССЛЕЛОНЛПИЙ
Действие тижелмх металлов на рост и развитие раеюннй
Накопление тяжелых металлов в растении т о м а т
Анализ распределения чижелых металлов на уровнях: к о т роль, П Д К , 10
П Д К и 100 П Д К показа'!, что поглощение тяжелых металлов растениями
зависит от металла и меняется не прямо пропорционально уровню металла в
почве (рис. 1). При увеличении концентрации •)лементов*содержание меди и
цинка в растениях возрастает я несколько раз медленнее, чем свинца и кадмия.
11о скорости накопления в расгениях томата с ростом концентрации элемента в
почве, тяжелые металлы составляют следующий ряд: СМ > 1>Ь > / п > Си. •
Рис. I.Накопление тяжелых металлов в растении томата по органам в
завпеимосш OI доз металла, мкг/г сухой массы (1996 г.)
2500
корень
лист
стебель
плод
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Единственный in щученных металлом, накопление которою в растении
увеличивается почти пропорционально увеличению содержания в. почве,
является свинец. Наиболее резко увеличивается накопление (Л1 при изменении
его содержания в почве от контроля до ПДК (в 1880 раз). При дальнейшем
увеличении уровня кадмия в почве в 10 раз (ПДК—*10 ПДК) суммарное
накопление его возрастает в 1,44 раза и при следующем (10 ПДК—»100 ПДК)
примерно в 5 раз. 11еойходимо также отметить, что кадмий накапливается в
основном в лиаьях.
'
,
. , , _
Распределение металлов по органам растений зависит от металла и
видовых особенностей культур. Как показывают данные, представленные в
рисунках 1 и 2. по мере увеличение содержания тяжелых металлов в почве до
очень высокою уровня концентрация их в различных органах увеличивается.
Но при этом сохраняется соосношение между содержанием металлов в корнях,
стеблях, листьях и репродуктивных органах. Анализ содержания тяжелых
металлов в репродуктивных органах показал минимальное накопление всех
изученных металлов в плодах по сравнению со всеми остальными органами.
Рис. 2. Накопление тяжелых металлов в растении томага по органам при 10
11ДК, мкг/г сухой массы (1У97г.)
700
свинец
£ьоо
о
J 500
1*00
>аоо
|200
JI00
о
50
340
I30
5
w
JUflU
1
О контроль
• 10 ПДК
i
О контроль
• 10 ПДК
л
40
и !
jiiLtd
ЦИНК
й3 5 0
D контроль
• 10ПДК
* 300
о 250
5-200
150
100
50
0
2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12
медь
450
3 400
- -I
rlrlrli
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
кадмий
D контроль^},
• 10 ПДК )•
О
м
ЛДД
1,0
I
1 2 3 4 5 6 7 в 9 10 11 12 i . • 1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 ,
Органы: 1 - корень, 2 • стебель, 3 - лист под I соцветием, 4 - лист между I и II соцветием, 5 - '
лист между II и 111 соцветием, 6 - верхушка, 7 - I соцветие, 8 - 1 ! соцветие, 9 - II] соцветие,
Ю- плод Iсоцветия, II -плод II соцветия, 12 - плод Шсокнстия.
. .
- • .
Исходя из тою, что для растения характерно существование нескольких
защитных механизмов, препятствующих поступлению тяжелых металлов врастение, можно предложить следующую схему ответной реакции растений на
затяжной стресс, вызванный тяжелыми металлами (рис. 3).
.. ' 1,",
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В 1-ой ю п е мтцитные м е х а ш н ч ы растения в ш а ч ш с ш н о й степени
блокируют поступление тяжелых метал ю в в растение В 11-<>и ю н е начинается
активное поступление тяжелых метал ю в Т я ж е т ы е метал 1Ы р а с п р е д е л я ю ! с я п о
всему растению В lll-ей зоне вступают в действие защитные механизмы на
уровне клеток органа Растение в первую очередь активно защищает
репродуктивные о р и п ы (поступление тяжелых металлов в еоцьетие и плоды
минимально)
В случае о т к а т в н е ш н и х и в н у т р е н н и х м е ч а н и ш о в защиты
при высоких концентрациях металла в о ш о ж н а ш б е л ь (IV ючл) не только
оi д е л ь н ы х органов, н о и ueibix растении
Рис 3 Схема ответной реакции растений н а ытяжноП ареее,
металлами
*
вы «ванный
ПГ
I - ю н а полной зашиты
II - ю н а прорыва ш ш ш ы
III - зона частичной t пииты
IV - гибель растения
Концентрация метал к в почве
При этом в условиях опыта возникает понятие градиента концентрации
тяжелых
металлов
почва/корень, корень/налземная
часть,
стебсль,шстья/репродуктивные органы
При превышении порогового градиента зашита 1грорывается, и
начинается активное поступление тяжелых металлов в орган Каждый металл
имеет свои пороговые градиенты
Морфологнческне изменении растений ирн зшрязненнн почв тяжелыми
металлами
Тяжелые
металлы
вызывают
серьешые
физиологические
и
анатомические нарушения в растениях в процессе роста и развития
В растениях первого поколения наблюдалась некоторая стимуляция
роста в вариантах со свинцом и кадмием и некоторое ингибирование в
вариантах С медью и цинком Однако роет стебля в конце вегетационного
периода достоверно не отличался по вариантам Площадь листьев под
влиянием тяжелых металлов снижалась на 20-40° о по сравнению с контролем
Отмечена также ранняя закладка первого соцветия Строение листьев не
отличалось по вариантам опыта
В растениях второго поколения выращенных из семян полученных на
фоне тех же тяжелых металлов наблюдалось более сильное влияние тяжелых
металлов на рост и развитие растении (рис 4) На ранних папах вегетации
ослабленные семена |ают с ыпые растения которые затем адаптируются Во
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
втором поколении растения испытывают двойное влияние: во первых, действие
тяжелых металлов на семена в период формирования и во вторых, влияние
тяжелых'металлов, содержащихся в почве, на растения. Влияние на семена
проявляется особенно заметно в первые периоды роста и выражается в
отставании в росте и развитии опытных растений.
В растениях второго поколения полностью деформировались листья,
уменьшалась их площадь, появлялись доли П1-го порядка, отмечалась задержка
в цветении на 10-30 дней, увеличение числа цветков в 1-ом соцветии (особенно
в вариантах с свинцом, медью и кадмием).
Рис. 4. Динамика роста растений томата II поколения под
влиянием тяжелых металлов (10 ПДК), 1998 г.
15 июня 22 июня 24 июня 30 июня 02 июля 06 июля 10 июля 17 •
дата наблюдения
Действие тяжелых металлов на физиологические процессы растенай.
Содержание хлорофилла и интенсивность фотосинтеза в растениях в
зависимости от содержания тяжелых металлов в почве
В результате проведенных исследований было установлено значительное
изменение концентрации хлорофилла и интенсивности фотосинтеза в растениях
под влиянием тяжелых металлов (таблица 1).
Свинец при дозе 10 ПДК оказывает положительное влияние на
содержание хлорофилла и интенсивность фотосинтеза. Цинк и кадмий снижают
содержание хлорофилла и интенсивность фотосинтеза. Влияние меди на эти
процессы по годам различно: интенсивность: фотосинтеза, снижается,
содержание хлорофилла может как и возрастать, так и снижаться.
Общие тенденции но влиянию тяжелых металлов на содержание
хлорофилла и интенсивность фотосинтеза у растений второго поколения
сохраняются, однако проявление их более глубокое. •
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 Biimnte третьи мегаповгЮ ПДК| насокржлше \.и>рифи.па и 1 нгенснымсафопчитча растений
томата
1
1997 г
199Ь г
1998 г (11 noHOicime)
1
Хлорофилл
мг [ сырою
веса
Варианты
1
irpn ъ Лист под (соцветием
Чип м *д\ I и II соцветячи
Чист ме*д\ II и III соцвегиячи
()мма
132
1 4S
4,17
139
Цинк
Чист п о ! 1соиаС1ием
Лист че*л\ 1 и II к шетаячи
Лил MCAJJ 11 и III со шинами
Кадмий
Чист пол I соцветием
Лист межд> I и II ацвчиями
Чист ме* 1) 11 и 111 соцветиями
С» мча
Лист под Iсоцветием
Лис] мелд) I и И 'оцветиями
Лист мг*лу Ни III со с е т я м и
С)миа
HCP0S
чыисль м ' :
веса
ЧГ Г СьрОГО
192
2 24
2 44
Хлорофилл
чг 1 сырого
мкмтьм'1
кса
«64
831
10 20
6 65
"1
12 10
)( 12
114J
1 18
126
Ишеи-сть
фоюсииюа
Икн-сгь
фоюсинтеи
ммио)ь м"*
ICk "
10 48
28,8
13 83
10 19
182
4,87
28,15
9 89
219
2 34
251
48-
704
1 8)
1,78
2 2U
635
776
902
1297
2 о;
2 47
255
158
2 68
7,25
1 80
18*
196
10«
361
^—з it
3 19
9У1
Л 88
7(0
1 83
4 8S
1 34
1 74
7 37
8 79
1 •>>
1 47
IS7
4,78
161
2 47
23,19
4 09
8 77
5,09
2 69
2 44
6 09
2 30
2Mj
ЦП
202
7 53
У 13
618
178
10 43
23 29
7 63
1 АЬ
3 8*
0 7^
7 67
2,16
541
631
7 27
3,21
24J3
S89
18,99
015
2 76
023
264
V46
105
"
Mejb
.
166
Г)мма
Хлорофилл
сек- '
9 6Ь
8 14
140
Сь шец ЛИСТ под 1 соцветием
Чист ме*Л) I и II соцветиями
Лжт М^АЛУ 11 и 111 uцветнями
Интен-сть
фиюсиитоа
3,49
139
1 37
1 51
4 27
0 85
I 18
118
1
1
195
,
1 50
• •
1
2
?
4ДЗ
0 476
*
'
1' )
4,98
1
148
"
1
:
127
123
1 68
3,64
0 73
1
1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Влияние тяжелых MCUUI.IOR ИХ гормональный баланс растений
томата
Гормональная система растении является одной т
главных
составляющих регуляторных механизмов, обеспечивающих согласованное
функционирование клеток, тканей, органов и растения в целом. Фитогормоны
выполняют также регуляторную функцию в процессах адаптации растений к
внешним воздействиям Практически любое внешнее воздействие приводит к
изменению содержания эндогенных фнтогормонов в растении. Увеличивая или
уменьшая биосинтез отдельных фтогормонов, растение адаптируется к
внешнему воздействию.
В связи с тгим мы изучали изменение содержания свободных ауксинов,
гиббереллинов, цитокининов, абцизовой кислот и этилена в различных
органах растений томатов под воздействием тяжелых металлов (рис. 5).
Проведенные нами исследования показали, что тяжелые металлы влияют
не только на рост и ражитие, но и изменяют уровень фнтогормонов в растениях
томатов.
Биосинтез ауксинов и цитокинимов наиболее чувствителен к действию
тяжелых металлов. Свинец во всех органов растений снижает уровень АБК и
способствует увеличению содержания гормонов-стимуляторов, наличие
которых благоприятно сказывается на ростовых и физиологических процессах
растений, включая стимуляцию прорастания пыльцы и рост пыльцевых трубок.
Сопоставление данных о содержании отдельных эндогенных регуляторов
роста по органам показывает, что количество фитогормонов-стимуляторов
(ауксины, гиббереллины и цитокинины) изменяется по-разному в зависимости
от металла и от органа растения, а фито!ормона-ингибичора (ЛБК) — в
большинстве случаев повышается, особенно при наличии в почве высоких
концентраций кадмия и меди.
.
.
•
.' Известно, что ЛБК в неблагоприятных условиях среды тормозит
ростовые процессы, участвуя в регуляции водного обмена растений,
препятствуя обезвоживанию тканей, способствуя стабилизации клеток. и
стимулируя накопление стрессовых форм белков и пролина. '_>ти изменения
метаболизма растений имеют большое значение для понышения его
устойчивости к действию различных стресс-факторов. Мы предположили, что
отмеченное нами повышение уровня ЛБК связано с адаптивными реакциями
растений на действие тяжелых металлов.
Тяжелые металлы, по степени влияния на гормональный уровень
растений томата,
располагаются
в следующий
последовательности:
Cd > Pb > Zn > Си.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис S Влияние |яже и i\ мегчы юв iu to «.ржание гормопон и растениях
юмага 1W7 i (огноинши к кошролю)
стебель
О кадмии '
Освинец
I
• цинк
• медь
л )
Ж
10
0
НО
П кадмии
Dсвинец
О цинк
• медь
го
лист медцу t и II соцветием
|
П кадмии
50
• свинец
• цинк
30
• медь
го
10
35
J0
П_
;. г
,_лист между П и III соцветием
верхушка
а кадмии
D свинец
СЭцинк
• медь
D кадмии
Освинец
• цинк
• медь
I
D кадмии
•свинец
• цинк
• медь
D кадмии
4 • свинец
• цинк
3 Ямедь
t ЦИТОКИН1ШЫ 2 Лесина ^ Лбсцшовая кисло и
4 I ибберетлины.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
80
С кадмии
III соцветие
70
60
50
40
30
Dсвинец
• L,.1HK
• медь
го
10
о
Влияние IH/KC.IMX мсиллом на прорицание и скириш» росы
пыльцевых ip\nok
Нами изучено в шяние 1яже 1ы\ MCI<UI шн и i роет пыльцы в феч рашых
yciOBiixx, представленных на е\смач (рис 6)
В первом с iviat щупали poei чистой п ы л и т насivpuini на средах с
различной конпешрацнеи свинца В lainioM е iyi it. свинец noeiyn ier в пыльцу
нулем пассивною транспорта и iiapvm tcr роы к ILIOK
Рис 6
О
схема I
Среда
гя*елымн металлами
схема 2
Чистая »_реда
< 1И(.1кллирон шная
схема i
Чис1ля ере ы
(дн^ткплированная вода)
Во втором счучае мы вы ифживали побеги вишни и с швп в 1ечение 2-\
недеаь в воде, со 1сржатеи 1яже1ыс металлы В чтом е 1учае в процессе
со<ревания пыльцы гмже <ые металлы активно двшались по ксилече к цветкам
В связи с тем, что при поступлении воды с тяже 1ыми металлами в срезанные
побеги отсутствует чехашнм
нрепятвуюшии поступлению тяжелых
металлов в растение на границе почва-корень и корень-стебе чь, в данном
случае пыльца наканливае-i 1яжечые метал 1ы в тех частях пы (ьиевого 1ерна,
которые находятся ка стадии формирования а именно в оболочке
В третьем с<учае мы рассматриваем poci пыльцы разных соцветий
юмата, которая в 1ечепис всею периода формирования находится под
влиянием тяжелых металлов и стресса вьнванною (Гимн 1яже.1ымк металлами
По данным о накоплении тяжелых металлов в цветках видно, что
ео игржанис их в peiipoavicniBHbix opiaiiax минимально Однако все
отрицате н.ное влияние IIMIHIKMIW 1ЯЖС1ЫМИ MCLLUJUIMH В период роста и
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
pa пиния растении, отражаемся в пыльце, полому в данном случае мы
рассматриваем рост физиологически неполноценной пыльцы.
Воздействие разных концентраций РЬ на длину пыльцевой трубки
настурции неодинаково. Наличие в среде РЬ в исследуемых концентрациях
вплоть до 10 мг/л не снижало длину пыльцевых трубок (рис. 7), напротив, РЬ
при низких концентрациях (0,001-1,0 мг/л) значительно стимулировал рост
пыльцевых трубок. Диалогичные данные получены П.Л. Ляхым и АИ. Сорокой
(IV96) на древесных растениях. С увеличением концентрации РЬ в среде (100
Mi/.i) наблюдали уменьшение длины ныльценых трубок и даже полное
пнгпбированис их роста (при 1000 MI/.I).
При этом воздействие тяжелых металлов может происходить из-за
изменения проницаемости мембран вследствие поступления тяжелых металлов
имеете с водой и пыльцевое зерно н их накопления в диктиосомах
(рис. 6,
схема I). •
Рис. 7. Влияние свинца на скорость роста пыльцевых
трубок настурции, 1996 г.
~Т
-•- контроль
• РЬ 1000 мг/л
•А-РЫ00 мг/л :I
«-РЬ 10 мг/л
«- РЬ 0,1 мг/л
•
,
т
40 мин
80 мин
.100 мин
120 мин
140 мин
время
И условиях загрязнения тяжелыми металлами жизнеспособность пыльцы
иишни и сливы также снижается, п чем выше накопление, гем более низок
уровень прорастания пыльцы.
Изменение длины пыльцевой трубки под влиянием тяжелых металлов у
впиши и сливы было сходным (рис. 8 и 9). Действие низких концентраций
тяжелых металлов на длину пыльцевых трубок в большинстве случаев
находилось на уровне кош роля. С увеличением концентрации тяжелых
металлов в растворах наблюдается подавление росга пыльцевых трубок,
особенно это касается вариантов с 7я и Ph.
U процессе роста пыльцевых iрубок в вариантах с Си, /п и РЬ (100 и
1000 мг/л) на первых этапах выращивания пыльцы наблюдались различные
аномалии: изгибы, шюпорообразное закручивание, вздутия. Спустя 180 мин.
после посева пыльцы в этих вариантах происходило разрушение апекса
пыльцевой трубки, начинающееся с образования буффа и последующим его
разрывом. Спустя 24 часа после посева пыльцы наблюдалось очень интересное
явление: оставшиеся жизнеспособные пыльцевые зерна интенсивно росли,
доходя в большинстве случаен до уровня контроля, и н.отдельных случаях
отмечалось стимулирование роста пыльцевых трубок.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис в Влияние тяжелых
металлов на скорость роста
пыльцевых трубок сливы
1996г
в
7
- контроль
-РЬ 1000 мг/л
-РЬ 100 мг/л
-РЬ Юмг/п
-Zn 100 мг;п
-2п 10 мг/л
ь
120 мин
180 мим ^40 мим
время
24 4dCa
Рис 9 Влияние тяжелых
металлов ил скорость роста
пыльцевых труЬок вишни,
1996Г
контроль
— РЬ 1000 мг/п
-»-Р& 100 ыг/п
—•—f'D 10 мг;п
"-Z 1 1000 мг/п
-*— Zn че0 мол
•- Zn 10 мг/л
1 ГО мин 1 НО мин
время
Мы предпоплаем чи> |яжсше мегалии находились » мембранах
пи м.цы которые
инывуя н начссгве аккум\ mpviouuix MU'IJJI юн систем,
мш у г представлять LOOOH U IIIII Ш (лшпныч ML\uHiiiMoi< IU)LcranoBjieime
pot,ij пы1ьцевы\ ipvoiik Mtpti омрс IL ICIIIIOC время ылможнп мроисхочило изia нымыпания ( 1И()к||\ inn) I H * I . 1ЫХ MciajijiOH H IIIII.IIL'I).II\K> i-pi-Ду (рис 6
l,\L\1d2)
lip» mviLimii |агяжио1о стресса HUIIUIIIIOIO гяжс IIJMII металлами на
upopaciaHne и рост пи н.ш.ш.1\ TpvCou соцветии гомата нами было показано
что пыльца является V.IMOFI ч^негтги. ihtiuit частьк» расiсини к »лрнчнению
Гяжепые мста.11ы на уровне ИДК 1(1 \\J\K и 100 ПДК чклывалн paiHoe
действие на длину пмльцевых i рубок (рис 10) При коп цеп i рации металлов на
vpoeiie П Д К не оiмечено иметною влияния при 10 11ДК уже имеются
рамичия в росте по вариашам и при 100 ПДК мы наблюдали полное
иш ибирование роста пыльцевых трубок
При прорастании пыльцы томатов выращенных на фоне высоких
концентрации тяжечыч метал юн так*е как в случаях с пы |ьнон нишни и
еливы наблюдаются раишчные аномалии
Ингибирование роста пыльцевых грубок продолжа.юеь до конца
наблюдения, что говорит не- только ч накоплении 1яже1Ых металлов внутри
пыльцевого iepna, но и о влиянии тяже >ыч металлов на процессы, енжалные с
обраюванием ПЫ1ЬЦЫ (рис f> схема ')
В растениях вюрого ноко leiiiiii прорастание пыльцы и роег пыльцевых
трубок гакже существенно pat шчамлен по нарнашам опыта (рис 11)
Наибольший иш ибируннции )ффект выяв ien в e i p i i u i r i x e /п и Cd (на
11-ом и Ш-м соцветиях)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 10. Влияние разных концентраций тяжелых металлов на скорость
роста пыльцевых трубок гомата, 1996 г.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
,
«. I
I
Рис II В шяшк. гял|_ 1ы\ металлов! 10 11ДЮ mi скориць росы
l
пылышвыч ip>ooK|)jCTeiiii!i IOMUIU И пчко ICIIHH IV<s i
I соцветие
—•— контроль
-e-PD
-*-Zn
90 мин
115 мин
140 мин
165 мин
190 мин
215 мин
240 мин
265 мин
215 мин
240 мин
265 мин
215 мин
240 мин
265 мин
время
II соцветие
90 мин
115 мин
140 мин
165 мин 190 мин
время
III соцветие
90 мин
115 мин
140 мин
165 мин 190 мин
время
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Медь положительно влияла па роет пыльцевых трубок томата. На 1-ом
и 11-ом соцветиях она заметно стимулировала рост пыльцевых трубок, и на
111-м соцветии длина пыльцевых трубок находилась на уровне контроля.
Одним из вариантов обьяснеиия тгого явления может быть адаптация
растений томата к тяжелым металлам.
Эксперименты, проведенные с пыльцой, показали, что тяжелые
металлы оказывают влияние на прорастание пыльцевых черен и рост
пыльцевых трубок а, следовательно, на оплодотворение и на эффективность
семенного размножения растении. Под влиянием тяжелых металлов
снижалось завязывание семян томата и число семян на 1 плод. Растения,
выращенные в условиях загрязнения, были малосемейными. Свинец и
кадмий отрицательно влияли на формирование плодов. На третьем
сопиепш в варианте с кадмием получены мелкие плоды.
Результаты
проведенного
нами
исследования
еще
раз
продемонстрировали отрицательное влияние высоких доз тяжелых
металлов на растения второю поколения (таблица 2).
Таблица 2. Влияние тяжелых металлов (10 ПДК) на жизнеспособность
пыльны и завязывание плодов томата 11-ого поколения, 1998 г
1&ЫН1Ы- '
ванне, i
Прорастяние liu.ll.цевых
«pen, °
ЧИСЛО
ЧИСЛО
Киме)). ! семян
1
Массм
1000
CCMHII-
Средняя
масса
ПЛОДА,
2,71
2,03»
2,34*
2,29*
2Д9*
71,5
73,3
Г
г
I соцветие
62^ Т 4,65
3 3 , 8 » _• ~ 5 , %
' 57,5 " Г 6,50~
33,1* 1^7,30
48/7* Т 5,75
II соцветие
: Кон «роль
.Свинец
Цинк
Медь __
Кадмнй
I
25,8
26,9
J0,8*
9,03
- t- i
4,48
3,37*"
5,64*'
3,29*
1,04*
" 45^2 Г 4,97
108,7
i~"i
36,8 Г~
103,2_
38,8* '"'["'
"38,6»
"36,4*
5,70
79,7*
. 66^5*""]
60,8
54,4*
"l 6,25
111 соцветие
' Свинец
I Цинк
[ Мель
'Кадмий ^
26,
21,4
_12.0*
5,56"
"б',22
2,06*
5,45
42,1 . [ ' 5"б0
26;2 •"" 10,2
'2,0*
28,5*
13.0
I 9 7 , 6 " Т " 2,27 J
~ 67,5* "Т_" 1,62*
116,0
1,89»
0ll] J.?6*_
7,22
К74~
•18,7Q" 0J9_
То,
О
* - различия существенны при 95 % уровне значимости.
33,0
43,8
16,5'
54,9»
26,9
15,10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В присутствии тяжелых металлов отмечается снижение процента
завязывания плодом томата, уменьшение числа семян на I плод и средней
массы плода. Максимальный иш ибируший °м|>фскт на жизнеспособность
пыльцевых зерен, завязывание и продуктивность томата окачивают кадмий и
цинк. При этом следует укакиь, что на Ш-ем соцветии наличие цинка в среде
привело к формированию бессемянных плодов. I! этом же варианте отмечается
и шпкий процент прораоания пыльцекых черен, минимальная длина
пыльцевых трубок, а также самый шпкий процент завязывания плодов. Таким образом, существует. зесная взаимосвязь между прорастанием
пыльцевых зерен, длиной пыльцевой iрубки и завязыванием и формированием
плодов. Чем меньше жизнеспособное! ь пыльцы, тем меньше продуктивность.
Состояние пыльцы как пока>агель загрязнения тяжелыми металлами.
Анализ литературных и собственных данных но изучению действия
тяжелых металлов на рост in vilro пыльцы настурции, шшши, сливы и томата,
показал, что наличие за/т>я жителей в среде сказывается на жизнеспособности
пыльцы, скорости роста и длине пыльцевой трубки.
Принимая во внимание высокую чувствительность пыльцы по
литературным данным и результатам наших исследований, мы провели серию
опытов по использованию пыльцы в биологическом контроле качества воды.
На основании этих исследовании разработан экспресс-метод определения
содержания загрязнителей неорганическою и органического характера в воде.
В качестве тест-объекта выбрали пыльцу настурции. Пыльца этого растения
обладает высокой чувствительностью к загрязнителям, хорошо хранится ц
доступна.
В 1997 году для определения чистоты поды, используя пыльцу как
показатель загрязнения, мы анализировали образцы воды, взятые из реки Днепр
и Каховского водохранилища в пределах Херсонской области.
Метод биотесгировання мнлястся очень чунстнтельным и надежным для
валовой оценки качества, воды. Из-за короткого времени анализа и низких
затрат можно рекомендован, ci о для анализов больших количеств проб воды.
Данные по прорастанию пыльцы хорошо коррелируют с анализом воды,
проведённым физико-химическими методами.
Заключение
Покачано, что тяжелые металлы отрицательно влияю! на основные
физиологические процессы в растениях и, в частности, на формирование
репродуктивных
органов (пыльца,, семя, плод). Тяжелые
металлы
специфическим образом изменяют интенсивность фотосинтеза, содержание
хлорофилла и гормональный баланс растений.. . .
.. . •
Анализ накопления тяжелых металлов в растениях, .томата показал
существование, нескольких защитных .механизмов: на уровне почва/корень;
корень/стебель-лист: стебель-лиет/репродуктивные органы.
..
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Впервые изучено влияние различных копнен фаций тяжелых металлов на
формирование, созревание пыльцы, прорастание и рост пыльцевом трубки.
Высокие концентрации тяжелых металлов приводят к снижению
процента завязывании, средней массы плода и уменьшению числа семян.
Псвязи с тем, <iio наиболее чувствительным органом к действию тяжелых
меюллов является пыльца. Обоснована возможность использования пыльцы в
биологическом кош роле качества воды, разработан •жсиресс-тест на
загрязнители в воде. Метод является очень чувствительным, простым, быстрым
и надежным. V.ix> можно рекомендовать для анализа большого количества проб
воды.
Выводы
1. Детально изучено поступление тяжелых металлов в органы томата при
liupaiiuiuuiniif растении на почвах, загрязненных высокими дозами меди,
цинка, кадмия и свинца. Выявлена специфика накопления этих тяжелых
металлов и растениях. Обосновано наличие трех основных защитных зон
при
поступлении тяжелых
металлов
в растение:
почва/корень;
корень/надземная часть; стебель, листья/репродуктивные органы.
2. Морфологические изменения указывают на то, что все изученные нами
тяжелые металлы оказывают влияние на рост растений, площадь и строение
листьев, а характер ного влияния различен ;и>я разных металлов. Особенно
сильно л и различия проявляются у растений второго поколения,
выращенных из семян полученных на фоне тех же тяжелых металлов. В
растениях второго поколения отмечена полная дезорганизация их
структуры.
3. Показано, что тяжелые металлы оказывают неоднозначное воздействие на
содержание хлорофилла и шггенсивноегь фотосинтеза. Характер этого
воздействия определяется как характером металла, так и с ю концентрацией.
4 Детально изучен уровень фнтогормонов в растениях томата при затяжном
стрессе, вызванном действием тяжелых металлов. Показано, что в этих
условиях формируется специфический гормональный баланс, существенно
отличный от характерного для кратковременного стресса.
Тяжелые металлы по степени влияние на трмональный баланс растений
юмата располагаются в следующей последовательности: Cd>Pb>Zn>Cu.
5. 11роанализировано поведение репродуктивных органов (пыльца, завязь,
плод) при деист нпп тяжелых металлов. В опытах на вишне, сливе, настурции
и томате установлена прямая зависимость между концентрацией тяжелых
металлов и жизнеспособностью пыльцы. В условиях загрязнения тяжелыми
металлами прорастание пыльцы в большинстве случаев снижается, что в
свою очередь понижает завязываемость и продуктивность томата.
6 Высокая чувствительность пыльцы к различным загрязнителям позволила
Предложить оригинальный'и эффективный экспресс-метод биологической
оценки качества воды. Отог тест был использован при оценке качества воды
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в Каховеком водохранилище и Днепре в нре te ia\ \л.рсоиекои области,
(аводеких стоков и по швкм\ код рисовых чскои
Данные биотеста еоннадаю! е pet) ногатами фи«ико-чимическотанолта
Список paGoi, опубликованных no теме (нссершиии:
1 Бойценнж Л И , Калашников Д В , Риксчьме Хорхе Kypaimn I I Б
Гормональная регуляция процессов оплодотворения // Теч докл III
международно!! конференции «Peiy шторы роста и раииггии растений»
М , 1995. е Ч-|(1
2 Рикельме Хорхе, Фи т н а О Н . К-моев I I Л К)р.нюв П Ь Метод
б>ю1сстироиа11ия при majiiuc ьачеегяа по 1ынных под // let докл II
межвузовским конф OptxoHo-iyeBo, !9*>Л ^ 10-11
3 Ьойценкж Л И Калашников Д В , 1'ике |ьме Хорхе, Курапов П Б
Влияние фи1Ичс(.кн\ химических и гормональных i[)aiciopoB на рост
пыльцевых ф\оок Hacivpuini in vitro// Док мды 1СХЛ 14V6, выи 267,
е 26-40
4 Ьойценюк Л И , Калашников Д В , Рикечьме Хорхе
Нпняние
фиторсму 1яК1|)он на нскыроны (слепне и урожаи вишни и фечиха //
Нче-юводстно 1496 N 4, с 20
s Бойценюк Л И , Рикь «ьме Хорхе. Куранов 11 Ь , Калашников Д В
Влияние фнююрмонов
на формирование шюдов перекрестно
опыляемых кульгур /' Гет докл IV международной конференции
«1'егулягоры роста и р а ж т и и растений» М . 1997, с 1^2-133
6 Ьойценкж Л И
Рикс н>ме Хорхе, Калашников Л В В {аимовлияние
пыльцевых iepi.ii при прорастании на фоне раишчных фнююрмонов //
l e i докл IV международной конференции «I'ei> 1ягоры роста и
развития раоенпи» М 1997, е 264
7 Рикельме Хорче Ьойценюк Л И , Куранов l i b . Киоск Н А , Филина
О Н Влияние ]яже1ы\ металлов на качес1во пыльцы // l e i докл IV
международной конференции «Регу 1яторы роста и рашитпя рас1сний»
М , 1997, с 274
8 Рикельме Хорм.-, Куранов I I Ь Сальникова! И , С н \ ш е в а Л Г Влияние
тяжелых металлов на iормональный баланс еоциегии юмата еорта
Ьелый налив // Те) док i V международной конференции «Регуляторы
роста и развишм растений» М , 1999, с ^
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Обгеч
1 25 п л
Заказ 432
Типография Издательства МСХА
127530, Москва И 550 Тимирязевская v i , 44
Тираж 1JI)
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
816 Кб
Теги
147
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа