ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2015, том 62, № б, с. 854-864
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1
УСТОЙЧИВОСТЬ И НАКОПЛЕНИЕ КАДМИЯ ИСКЛЮЧАТЕЛЕМ Thlaspi arvense И РАЗЛИЧНЫМИ ЭКОТИПАМИ ГИПЕРАККУМУЛЯТОРА
Noccaea caerulescens © 2015 г. И. В. Серегин*, 1, А. Д. Кожевникова*, 1, Н. В. Жуковская*, Х. Схат**
*Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва **Свободный Университет, Амстердам, Нидерланды Поступила в редакцию 19.03.2015 г.
Проведен сравнительный анализ устойчивости к кадмию (Cd) и способности к его накоплению гипераккумулятором Noccaea merulescens F.K. Mey и исключателем Thlaspi arvense L. Пять экотипов N. merulescens [La Calamine (LC, Бельгия), Saint Félix de Palliéres (SF, Франция), Col du Mas de l'Aire (CMA, Франция), Ganges (GA, Франция) с металлоносных почв и Lellingen (LE, Люксембург) с неметаллоносных почв] выращивали на растворе Хогланда (1/2 нормы) в течение 8 недель в присутствии 1, 5, 25 и 50 мкМ Cd(NO3)2, а T. arvense — в присутствии 0.1, 0.2, 1.0 и 5.0 мкМ Cd(NO3)2. Токсическое действие Cd оценивали по изменению сухой массы корней и побегов. Содержание Cd в корнях и побегах определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии и оценивали в мг/кг сухой массы растительного материала и в расчете на корневую систему или побег одного растения. Устойчивость N. caerulescens к Cd была выше, чем у T. arvense, и у разных экотипов N. caerulescens возрастала в ряду GA < CMA < LE < SF « LC. Способность к накоплению Cd в корнях у экотипов N. merulescens возрастала в ряду LC < LE « GA < CMA « SF, в побегах — в ряду LC < LE « GA < < SF < CMA. Снижение накопления биомассы корней у гипераккумулятора N. caerulescens начиналось при более низком содержании в них Cd по сравнению с побегами, в то время как у исключателя T. аrvense прослеживалась обратная закономерность. Таким образом, экотипы гипераккумулятора N. merulescens, обладая более высокой устойчивостью к Cd по сравнению с исключателем T. arvense, существенно отличались между собой не только по способности накапливать тяжелые металлы, но и по устойчивости к ним. Экотип LC c каламиновых почв накапливал меньше Cd и не исключено, что именно поэтому был более устойчив, чем другие экотипы. Экотип SF, также произрастающий на каламиновых почвах, отличался не только высокой устойчивостью к Cd, но и наибольшим его накоплением, что, вероятно, связано с более эффективными механизмами детоксикации Cd. Полученные результаты свидетельствуют о существовании различий в механизмах и причинах устойчивости к Cd у разных экотипов гипераккумулятора N. caerulescens.
Ключевые слова: Noccaea merulescens — Thlaspi arvense — кадмий — рост — устойчивость
DOI: 10.7868/S0015330315050139
ВВЕДЕНИЕ
Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ) в результате хозяйственной деятельности человека является серьезной проблемой во всем мире. Кадмий (Сё) принадлежит к
1 Авторы внесли одинаковый вклад в эту работу.
Сокращения: ТМ — тяжелые металлы; экотипы гипераккумулятора Noccaea mei-u^scens: CMA — Col du Mas de l'Aire, GA — Ganges, LC — La Calamine, LE — Lellingen, MP — Monte Prinzera, PR — Prayon, SF — Saint Félix de Palliéres. Адрес для корреспонденции: Серегин Илья Владимирович. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Факс: 007 (499) 977-80-18; электронная почта: ecolab-ipp@yandex.ru, urtica8127@yandex.ru
наиболее токсичным элементам, оказывающим множественное токсическое действие на растения [1, 2]. В то же время была показана необходимость Сё для морской диатомовой водоросли ТНаШззюзт weissflogii, у которой была обнаружена Сё-зависимая изоформа карбоангидразы [3]. Однако биологическая роль Сё у высших растений пока достоверно не установлена.
Растения способны накапливать ТМ в больших количествах в отдельных тканях и компартментах клеток [4]. Способность к накоплению ТМ и устойчивость к их избытку в тканях растений может существенно различаться у разных видов [5]. Выделяют две контрастные группы растений: ис-ключатели, накапливающие металлы преимуще-
ственно в подземных органах, и аккумуляторы, накапливающие металлы главным образом в надземных органах [6, 7]. Среди последних в настоящее время найдено более 450 видов гипераккумуляторов разных ТМ, из которых только девять видов относятся к гипераккумуляторам Сё, накапливающим более 100 мг Сё на 1 кг сухой массы [8, 9].
Растения-гипераккумуляторы сочетают в себе высокую устойчивость к одному или нескольким металлам и способность накапливать их в побегах, причем содержание металлов в побегах у этих видов часто во много раз превышает содержание металлов в корневой системе исключателей и в окружающей среде [10, 11]. Существует мнение, что гены, определяющие способность к гипераккумуляции и устойчивость, не являются видоспе-цифичными, а скорее по-разному экспрессиру-ются у гипераккумуляторов и исключателей [5, 8]. Известно, что высокая устойчивость к Сё и способность к его накоплению наследуются независимо и являются результатом недавних микроэволюционных процессов [8, 12, 13].
Не только разные виды гипераккумуляторов, но и различные экотипы одного и того же вида могут существенно различаться по способности накапливать ТМ и по устойчивости к их токсическому действию [8, 14, 15]. Учитывая, что эко-типы принадлежат к одному и тому же виду, важно понять причины, определяющие их разную устойчивость и способность к накоплению ТМ. Большое внимание уделяется сравнению экоти-пов гипераккумулятора Моееава еавгШвзевт (ранее ТМазр1 савгШезевт), который представлен изолированными популяциями, произрастающими на обогащенных ТМ почвах и способными накапливать N1, Zn и Сё [8, 11]. Показано, что экотип N. саегиШсет с неметаллоносных почв (ЬЕ) накапливал больше Zn, но был менее устойчив к нему по сравнению с экотипами и ЬС, произрастающими на каламиновых почвах, богатых Zn, Сё и РЬ. В то же время экотип МР с серпентиновых почв, обогащенных N1, Со и Сг, отличался не только значительно большей устойчивостью к N1 по сравнению с другими изученными экотипами, но и его наибольшим накоплением в тканях [15].
В Южной Франции был найден экотип ОА, содержание Сё у которого может достигать 3600 мг/кг сухой массы в полевых условиях [16] и до 10000 мг/кг сухой массы в условиях гидропоники [17, 18]. Кадмий требуется для оптимального роста растений этого экотипа, что наряду с увеличением активности карбоангидразы в присутствии Сё (вплоть до 6000 мг Сё/кг сухой массы) позволяет высказать предположение о возможной физиологической роли этого элемента у представителей данной популяции [19, 20]. Так, благодаря высокому содержанию Сё в надземных
органах экотип GА был менее привлекателен для трипсов Frankliniella occidentalis по сравнению с экотипом PR, содержание Cd у которого было существенно ниже [21].
Изучение различий между популяциями гипераккумуляторов представляет интерес не только с точки зрения эволюционных и геоботанических аспектов, но также важно для оценки механизмов транспорта металлов и устойчивости растений к их избытку на физиологическом и молекулярном уровнях. Кроме того, является перспективным сравнение устойчивости и способности к накоплению ТМ разными видами гипераккумуляторов и исключателей, которые могут существенно различаться по этим параметрам не только между собой, но и внутри одной группы растений. Поэтому основной задачей настоящей работы являлся сравнительный анализ устойчивости и способности к накоплению Cd различными экотипами гипераккумулятора N. caerulescens и исключателем Thlaspi arvense, а также сравнение полученных результатов с данными по Ni и Zn, полученными нами в тех же условиях ранее [15].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Выращивание растений и оценка токсического действия кадмия. Семена пяти экотипов гипераккумулятора Noccaea caerulescens F.K. Mey (ранее Thlaspi caerulescens J. & C. Presl): La Calamine (LC, Бельгия), Saint Félix de Palliéres (SF, Франция), Col du Mas de l'Aire (CMA, Франция), Ganges (GA, Франция) с металлоносных почв и Lellingen (LE, Люксембург) с неметаллоносных почв, а также семена исключателя Thlaspi arvense L. проращивали в чашках Петри на смоченной водопроводной водой фильтровальной бумаге в течение двух недель при температуре 20°С в темном термостате. Проростки на стадии семядольных листьев пересаживали в вегетационные сосуды объемом 1 л (по 4 проростка на сосуд) на раствор Хогланда (1/2 нормы) и выращивали в климатической камере при температуре 23°/18°C (день/ночь), 14-часовом световом дне, уровне освещенности — 200 мкмоль/(м2 с), относительной влажности — около 70%.
В состав среды Хогланда входили KNO3 (3 мМ); Ca(NO3)2 (2 мМ); NH4HPO4 (1 мМ); MgSO4 (0.5 мМ); KCl (1 мкМ); H3BO3 (25 мкМ); ZnSO4 (2 мкМ); MnSO4 (2 мкМ); CuSO4 (0.1 мкМ); (NH4)6Mo7O24 (0.1 мкМ); Fe(Na)ЕДТА (20 мкМ). Среду доводили до рН 5.25 с помощью Mes (2 мМ)/КОН [22]. В течение первой недели растения выращивали без дополнительного внесения ОД для их адаптации к условиям водной культуры. В течение последующих 8 недель опытные растения N. œerulescens выращивали в присутствии 1, 5, 25 и 50 мкМ Œ(NO3)2, а T. arvense — в присут-
ствии 0.1, 0.2, 1.0 и 5.0 мкМ Cd(NO3)2. При концентрации 25 мкМ Cd(NO3)2 растения T. arvense погибали, поэтому в дальнейших экспериментах данная концентрация для этого вида не использовалась. Контрольные растения выращивали на среде Хогланда (1/2 нормы) в отсутствие Cd. Питательную среду сменяли еженедельно.
К концу эксперимента во всех вариантах растения имели развитую розетку листьев. Токсическое действие Cd оценивали по изменению сухой массы корней и побегов.
Определение содержания кадмия. Содержание Cd определяли в корнях и побегах. Перед проведением анализа корни последовательно отмывали 20 мМ ЭДТА в течение 10 мин при комнатной температуре, а затем дистиллированной водой. Растительный материал собирали после 8 недель инкубации растений, высушивали в сушильном шкафу до постоянного веса при 80°С в течение 24 ч и затем взвешивали. Высушенные до постоянного веса образцы подвергали мокрому озоле-нию при
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.