ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2014, № 5, с. 474-480
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ =
УДК 581.1
УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ Setaria viridis (L.) Beauv. К ВОЗДЕЙСТВИЮ КАДМИЯ
© 2014 г. Н. М. Казнина, А. Ф. Титов, Ю. В. Батова, Г. Ф. Лайдинен
Институт биологии КарНЦ РАН, 185910 Петрозаводск, ул. Пушкинская, 11 E-mail: kaznina@krc.karelia.ru Поступила в редакцию 04.12.2012 г.
Показано, что кадмий вызывает замедление роста побега щетинника зеленого Setaria viridis (L.) Beauv., однако не влияет на рост корня, накопление подземной и надземной биомасс. При анализе воздействия кадмия на водный режим и фотосинтез растений обнаружено его отрицательное влияние на устьичный аппарат, что приводило к снижению интенсивности транспирации и устьичной проводимости. Отмечено, что оводненность тканей, а также скорость фотосинтеза в присутствии кадмия сохранялись на уровне таковых у контрольных растений. Установлена высокая устойчивость щетинника зеленого к воздействию кадмия, которая обеспечивается различными адаптационными механизмами и анатомо-физиологическими особенностями, связанными с его принадлежностью к группе С4-растений.
DOI: 10.7868/S000233291405004X
Кадмий — один из наиболее токсичных тяжелых металлов, который оказывает сильное негативное воздействие на все живые организмы, в том числе и на растения. Замедляя процессы фотосинтеза и дыхания, нарушая водный режим и минеральное питание, кадмий ингибирует рост и развитие растений, снижает их биологическую продуктивность, что помимо прочего может приводить к нарушению естественных растительных сообществ, а у культурных видов — к значительным потерям урожая (Титов и др., 2007; Алексеев, 2008). Поэтому во многих странах ведется активный поиск технологий, позволяющих осуществлять очистку и восстановление почв, содержащих высокие концентрации кадмия. Одна из них — технология фиторемедиации, основанная на выращивании на загрязненных металлом почвах видов растений, способных не только произрастать при повышенных концентрациях кадмия в субстрате, но и накапливать его в своих тканях и органах. При этом важными условиями использования того или иного вида растений в фиторемеди-ации являются быстрые темпы роста и относительно большая биомасса корня и побега (Прасад, 2003; Шоу и др., 2009).
С этой точки зрения особый интерес представляют растения, характеризующиеся С4-типом фотосинтеза (С4-растения), поскольку они благодаря своим анатомо-физиологическим особенностям отличаются не только высокой устойчивостью к целому ряду стресс-факторов (по сравнению с С3-растениями), но и быстрыми темпами роста и высокой продуктивностью (Sage, 2004).
Одним из таких видов является щетинник зеленый — однолетний дикорастущий злак (сем. Poaceae), который, как было установлено нами ранее, обладает высокой устойчивостью к свинцу (Лайдинен и др., 2004) и цинку (Казнина и др., 2009), а также способен накапливать эти металлы в надземных и подземных органах и формировать в течение вегетационного периода довольно большую биомассу. Интерес к этому виду связан еще и с перспективой его использования в качестве модельного объекта для изучения не только молекулярно-генетических аспектов С4-пути фотосинтеза, но и механизмов устойчивости С4-растений к различным абиотическим стрессорам, что, в частности, связано с малым размером его генома (Brutnell et al., 2010; Li, Brut-nell, 2011).
Цель исследования — изучение влияния кадмия на ряд физиологических процессов (рост, водный режим, фотосинтез), а также механизмов, лежащих в основе металлоустойчивости щетинника зеленого.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Влияние кадмия на рост растений щетинника зеленого Setaria viridis (L.) Beauv. изучали в условиях вегетационного опыта. Для этого семена замачивали в чашках Петри и проращивали в темноте при температуре воздуха 20—22°С. На четвертые сутки проклюнувшиеся семена высаживали в вегетационные сосуды с песком, а их полив осуществляли 50%-ным раствором Кно-
Я
t/5 Ü <D
S X
ce
О ft
800
ft л Э о б?
400
(а)
Корень
Лист
а с е
<ч
о
í-ч
о р
1200
X
е
е и
н
ft -Ъ о т
£ О
еь
3 § §1
н
800
400
(б)
j_С
□ 1 □ 2
Корень
Лист
Содержание GSH (а) и ФХ (б) в растениях Setaria viridis после четырехсуточной экспозиции на растворе с кадмием (10 мг/л). 1 — контроль, 2 — опыт.
0
0
па с добавлением микроэлементов. В опытных вариантах в сосуды добавляли кадмий в форме сульфата (10 мг/кг субстрата, что соответствует его средней концентрации в почвах крупных промышленных городов) (Башкин, Касимов, 2004). По достижении растениями фазы трех листьев у контрольных и опытных растений измеряли длину наиболее развитого корня и высоту побега, определяли сырую и сухую биомассы подземных и надземных органов.
Исследование влияния кадмия на водный режим и фотосинтез проводили в лабораторных условиях. Для этого растения выращивали в песчаном субстрате до фазы трех листьев, а затем переносили в условия водной культуры на раствор Кнопа (контроль). В опытном варианте к питательному раствору добавляли 10 мг/л кадмия, что по количеству металла соответствует концентрации, используемой в вегетационном опыте. После четырехсуточной экспозиции у контрольных и опытных растений измеряли площадь листовой пластинки четвертого листа, развернувшегося во время действия кадмия, оценивали состояние устьичного аппарата, измеряли устьичную проводимость и интенсивность транспирации, рассчитывали оводненность тканей. О влиянии кадмия на фотосинтетический аппарат (ФСА) судили по изменению (по отношению к контролю) скорости фотосинтеза, фотохимической активности фотосистемы II (ФС II) и концентрации фотосинтетических пигментов. Помимо этого в корнях и листьях растений определяли содержание восстановленного глутатиона и фитохела-
тинов (ФХ).
Площадь листа рассчитывали по формуле S = 0.66/^, где / — длина листа, d — ширина листа (Аникиев, Кутузов, 1961). Подсчет числа устьиц, измерение длины замыкающих клеток и ширины устьичной щели проводили на нижнем эпидермисе листа методом отпечатков с использованием светового микроскопа Микмед-2 (ЛОМО, Рос-
сия) и окуляр-микрометра (Жолкевич, Пильщи-кова, 1989). Оводненность тканей определяли по общепринятой методике (Практикум..., 1990), содержание хлорофиллов a и b и каротиноидов в листьях растений —спектрофотометрически, экстрагируя 80%-ным ацетоном (Шлык, 1971). Измерение параметров флуоресценции хлорофилла — квантовую эффективность ФС II (Fv¡Fm) и относительную скорость транспорта электронов (ETR) — осуществляли с помощью флуориметра MINI-PAM (Walz, Германия). Интенсивность фотосинтеза, транспирации и устьичную проводимость анализировали с использованием установки для исследования СО2-газообмена и концентрации водяных паров НСМ-1000 (Walz).
Количество GSH и ФХ определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. После замораживания образцов корней и листьев в жидком азоте, проводили экстракцию GSH и ФХ. Гомогенат центрифугировали при 10 000 об./мин и 4°С. Полученные экстракты подвергали предколоночной дериватизации с мо-нобромбимане (mBBr) (Sigma, США). Разделение GSH и ФХ осуществляли в аналитической колонке Luna 5u С18 (Phenomenex, Германия) согласно методике Снеллер с соавт. (Sneller et al., 2000). Количество GSH и ФХ определяли по стандарту GSH (Sigma). Концентрацию ФХ выражали в нмоль GSH в 1 г сырой массы. Расчет площадей пиков осуществляли с помощью компьютерной программы МультиХром (версия 1.5Х).
Все представленные в статье данные — средние из трех независимых опытов. В таблицах и на рисунке представлены средние значения и их стандартные ошибки. Достоверность различий оценивали с помощью критерия Стьюдента при Р < 0.05.
Таблица 1. Влияние кадмия (10 мг/кг субстрата) на рост растений Setaria viridis
Показатель Контроль Cd2+
Длина наиболее развитого корня, см 8.6 ± 0.4 10.6 ± 1.4*
Биомасса корней, мг
сырая 151.1 ± 20.2 155.2 ± 30
сухая 14.2 ± 0.2 14.8 ± 0.1
Высота побега, см 6.9 ± 0.3 5.7 ± 0.2*
Биомасса побега, мг
сырая 146.4 ± 10 138.2 ± 5.1
сухая 11.2 ± 1.3 10.5 ± 0.8
* Различия с контролем достоверны при P< 0.05, для табл. 1—3.
Таблица 2. Влияние кадмия (10 мг/л) на водный обмен растений Setaria viridis
Показатель Контроль Cd2+
Интенсивность транспирации, мМ/(м2 • с) 0.64 ± 0.04 0.38 ± 0.04*
Число устьиц, шт./мм2 123 ± 4 106.6 ± 2.9*
Длина замыкающих клеток устьиц, мкм 51.4 ± 1.2 40.0 ± 0.7*
Ширина устьичной щели, мкм 13.5 ± 0.4 11.7 ± 0.4*
Устьичная проводимость, мМ/(м2 • с) 30.2 ± 1.59 18.7 ± 1.26*
Оводненность тканей, %
корня 92.9 ± 0.8 93.0 ± 0.4
побега 95.3 ± 0.1 95.5 ± 0.3
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Результаты исследований показали, что кадмий в концентрации 10 мг/кг субстрата не оказывает отрицательного влияния на рост корня щетинника: сырая и сухая биомассы корневой системы опытных растений практически не отличались от контрольных, а длина наиболее развитого корня даже увеличивалась на 23% по сравнению с контролем (табл. 1). В отличие от корня высота побега несколько уменьшалась, но заметных различий в накоплении растениями надземной биомассы при этом не наблюдалось.
Негативное влияние кадмия на устьичной аппарат оказалось гораздо более выраженным. В присутствии металла у растений формировалось меньше устьиц, уменьшались длина замыкающих клеток и ширина устьичной щели. В итоге заметно снижались устьичная проводимость и интенсивность транспирации (соответственно на 38 и 41% по отношению к контролю) (табл. 2). Однако оводненность тканей корня и побега при этом не изменялась.
При изучении влияния кадмия на показатели, характеризующие состояние ФСА, было обнаружено, что в присутствии кадмия у растений уменьшается площадь листовой пластинки, сни-
жается содержание хлорофиллов и каротиноидов (табл. 3). Вместе с тем заметно увеличивается отношение хлорофиллов (а/Ь). При этом показатели активности ФС II (Д,/Дт и ETR), а также интенсивность фотосинтеза сохранялись на уровне контроля.
Исследование также показало, что в присутствии кадмия в клетках корня и листа растений происходит значительное снижение количества GSH, особенно ярко выраженное в листе, и одновременно с этим рез
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.