АГРОХИМИЯ, 2015, № 2, с. 70-78
== Экотоксикология
УДК 581.1
ВЛИЯНИЕ КАДМИЯ НА РОСТ РАСТЕНИЙ И СТРУКТУРУ СТЕБЛЯ ЛЬНА-ДОЛГУНЦА
© 2015 г. Е.А. Гончарук1, Е.Н. Баранова2, Е.А. Калашникова3, Н.В. Загоскина1
1Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН 127276 Москва, ул. Ботаническая, 35, Россия E-mail: phenolic2012@yandex.ru 2Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии 127550 Москва, ул. Тимирязевская, 42, Россия 3Российский государственный аграрный университет-МСХА им. К.А. Тимирязева 127550 Москва, ул. Тимирязевская, 49, Россия
Поступила в редакцию 19.03.2014 г.
Изучено влияние кадмия на рост и структуру стебля растений льна-долгунца (Linum usitatissimum L.) сортов Смоленский и Псковский 359. Показано, что присутствие поллютанта в почве способствовало более быстрому онтогенетическому развитию растений, изменению их морфометрических параметров, формы лубяных пучков, "дезориентации" клеток элементарных волоконец и усилению их лигнификации. Электронно-микроскопические исследования выявили увеличение числа диктиосом в цитоплазме клеток стебля и изменение структуры клеточных стенок при действии кадмия.
Ключевые слова: лен-долгунец (Linum usitatissimum L.), кадмий, морфология клетки, лигнин.
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное развитие промышленных комплексов сопровождается поступлением в биосферу различных химических элементов, количество которых во много раз превосходит их естественные концентрации. В этом отношении большую опасность для всех живых организмов, включая и человека, представляют тяжелые металлы (ТМ), обладающие канцерогенными и мутагенными свойствами [1-3]. К числу наиболее опасных эко-токсикантов относится кадмий. Он присутствует в транспортных отходах, топливе, рудных отвалах, удобрениях, что и определяет постепенно увеличивающееся содержание этого металла в окружающей среде [2, 4]. Обладая высокой подвижностью, кадмий активно диффундирует между твердой и жидкой фазами почвы и поступает в растения. В основном он локализируется в корнях и в меньших количествах - стеблях, черешках и главных жилках листьев [5, 6]. Видимыми симптомами повышенного содержания кадмия в растениях являются хлороз листьев, красно-бурая окраска их краев и прожилок, задержка роста и повреждения корневой системы [1, 7]. При его действии возникает также широкий спектр мута-
ций, меняется морфология ядра, структура клеток и тканей растения [8, 9].
Фитотоксичность кадмия проявляется и на метаболическом уровне, а именно, происходят изменения в транспирации и фиксации углекислого газа, фотосинтезе, проницаемости клеточных мембран, активности ряда ферментов [7]. Сообщалось также о замене металлов, входящих в металл-белковые комплексы растительных клеток, на кадмий, что влияло на некоторые биохимические процессы [10].
Нельзя забывать и о том, что в растениях существуют защитные системы, способствующие ослаблению токсического действия этого тяжелого металла за счет выделений из корневых волосков, образования комплексов с лигандами, такими как фитохелатины, накопления их в вакуолях и клеточных стенках [11, 12]. Отмечена защитная роль одного из основных компонентов клеточных стенок растений - лигнина в связывании ионов металла. Следовательно, толерантность растений к действию кадмия - явление сложное и изменчивое, зависящее как от внешних факторов, так и от вида и возраста растения [11, 13]. Например, некоторые водные растения, такие как щитолистник, водный гиацинт, ряска могут поглощать из
водных растворов ряд ТМ без ущерба для роста и развития [14]. Это характерно и для некоторых культурных растений, таких как хрен обыкновенный, горчица индийская, подсолнечник. Известно также, что древесные растения (береза, ива козья, эвкалипт, акация) способны расти на загрязненных почвах, накапливая при этом большую биомассу, благодаря своей "экологической пластичности" [13].
Одной из важнейших исконно российских технических лубоволокнистых культур комплексного использования является лен-долгунец. Продукты его переработки востребованы во многих отраслях промышленности [15]. Лен представляет большой интерес и в качестве объекта по исследованию действия кадмия, поскольку он является растением-аккумулятором в отношении ТМ. Кроме того, качество льняного волокна и его технические характеристики определяются присутствием полимера фенольной природы - лигнина [16].
Несмотря на значительное число работ по изучению влияния ТМ, в том числе и кадмия, на высшие растения [11, 12, 17], до сих пор нет однозначного ответа о механизмах его действия на лубоволокнистые сельскохозяйственные культуры, а именно, различные сорта льна-долгунца.
Цель работы - изучение ответной реакции 2-х сортов льна-долгунца (Псковский 359 и Смоленский) на присутствие кадмия в почве.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом исследования являлись растения двух сортов (Псковский 359 и Смоленский) льна-долгунца (Ьтыт шиаИззгтыт Ь.), семена которых были предоставлены Всероссийским научно-исследовательским институтом льна (г. Торжок, Россия).
Семена льна высевали в пластиковые сосуды (по 50 шт./сосуд), вмещавшие 5 кг воздушно-сухой дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы и выращивали в теплице РГАУ-МСХА. В опытных вариантах при набивке сосудов вносили кадмий (в виде нитрата) в концентрации 15 мг Сё/кг почвы, подобранной нами на более ранних этапах эксперимента.
Измерение высоты растений льна-долгунца и определение сырой массы надземной части проводили в онтогенетические фазы "елочка" и "быстрого роста".
Для изучения морфологии использовали срезы свежезамороженных тканей стебля льна-долгунца
(толщина 1 мкм), полученные с помощью микро-тома-криостата (Россия). Их окрашивали малахитовым зеленым и толлуидиновым синим [18]. Для определения локализации лигнина использовали реакцию с флороглюцином [19]. Препараты просматривали и фотографировали с помощью светового микроскопа (Ergavall, Германия).
Для изучения структуры стеблей льна-долгунца фрагменты его срединной части (полутонкие толщиной 2-3 мкм для световой и тонкие 400500 А° для электронной микроскопии ) фиксировали 2.5%-ным раствором глутарового альдегида, приготовленным на 0.1 М Na-фосфатном буфере (рН 7.4) с добавлением сахарозы (0.15 мг/мл). Далее материал фиксировали в 1%-ном растворе OsO4, обезвоживали и заливали в эпоксидную смолу (смесь Эпон-Аралдит) по стандартной методике [20]. Срезы получали с помощью ультрамикротома LKB III (Швеция). Мезо структурный анализ проводили на полутонких срезах с использованием фазового контраста на световом микроскопе Olimpus (США). Для изучения ультраструктуры клеток использовали ультратонкие срезы, которые контрастировали насыщенным раствором уранилацетата и цитратом свинца и просматривали на электронном микроскопе Н-300 (Hitachi, Япония).
Опыт проводили в 3-х аналитических и 5-ти биологических повторностях. Результаты экспериментов статистически обработаны с использованием программ Straz и Excel. В таблице представлены среднеарифметические величины определений и их стандартные отклонения.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Использованные в работе сорта льна-долгунца отличались по своим характеристикам. Сорт Псковский 359 - среднеспелый, высокоурожайный, устойчив к полеганию, сильно поражается ржавчиной и в меньшей степени фузариозом и по-лиспорозом [21]. Сорт Смоленский - позднеспелый, высокоурожайный, устойчив к полеганию, ржавчиной поражается средне, а остальными патогенами - в слабой степени. Сорт высоковолокнистый, с удовлетворительными прядильными свойствами волокна [21, 22].
Выращивание этих растений в условиях вегетационного опыта показало, что для сорта Смоленский характерен более интенсивный рост надземной части, по сравнению с сортом Псковский 359 (рис. 1, таблица). Следовательно, они отличаются по своим физиолого-биохимическим характеристикам, что, возможно, проявится и в их реакции
(а)
Рис. 1. Растения льна-долгунца сортов Псковский 359 (а) и сутствии кадмия (Сё).
на действие кадмия. О том, что существует сорто-специфичность ответов сельскохозяйственных культур на стрессовые воздействия сообщалось в литературе [22, 23].
Для растений льна-долгунца, растущих в почве с кадмием, отмечено снижение высоты стебля, а также накопления биомассы (рис. 1, табл. 1). В большей степени эти изменения проявлялись у сорта Смоленский. Следует также отметить, что на ранних этапах их роста в присутствии кадмия существенных биометрических изменений не наблюдали. Например, в онтогенетической фазе "елочка" оба сорта имели по 7-8 пар нормально развитых листьев, расположенных на стебле по спирали поочередно. У них преобладал линейный рост стебля, а его высота и средняя масса растений контрольных и опытных вариантов практически не отличались (данные не приведены).
За фазой "елочки" следует фаза "быстрого роста", во время которой происходит активное фор-
к са
Смоленский (б) в фазе быстрого роста в контроле (К) и в при-
мирование тканей и максимальный прирост стебля [21]. В этот период наблюдали отличия между растениями контрольных и опытных вариантов (рис. 1). У растений, выращенных в присутствии кадмия, формировались боковые побеги, что не характерно для растений льна культурного. Кроме того, начиная с фазы "быстрого роста", их онтогенетическое развитие проходило на 2-3 недели быстрее по сравнению с контрольными вариантами. Это выражалось в смещении онтогенетических фаз в опыте по сравнению с контролем (таблица). Все это свидетельствовало о том, что кадмий влиял на рост и развитие растений льна-долгунца, как это было отмечено и другими исследователями [7, 10].
Основной продукт переработки льна-долгунца - волокно. Его прядильные свойства зависят от анатомической структуры стебля, а также биохимических особенностей самого растения [15, 22]. В связи с этим важной задачей являлось изучение
Морфофизиологические характеристики растений двух сортов льна-долгунца, выращенных в контрольных условиях (К) и в присутствии кадмия (Сё)
Сорт Вариант Фаза онтогенеза Высота*, см Сырая масса*, г
Псковский-359 К быстрого роста -бутонизации 59.7±1.5 11.5±0.3
Сё цветение 54.3±1.1 10.
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.