АГРОХИМИЯ, 2014, № 7, с. 45-52
Экотоксикология
УДК 632.122.1:546.815:581.4:575:633.16
ВЛИЯНИЕ НИТРАТА СВИНЦА НА МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАСТЕНИЙ ЯРОВОГО ДВУРЯДНОГО ЯЧМЕНЯ (Hordeum vulgare L.)
© 2014 г. А.В. Дикарев, В.Г. Дикарев, Н.С. Дикарева
Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной радиологии
и агроэкологии РАСХН 249032 Обнинск, Калужская обл., Киевское шоссе, 109 км, Россия E-mail: dikarev.vlad@yandex.ru
Поступила в редакцию 27.11.2013 г.
Изучено влияние загрязнения тяжелым металлом (ТМ) - Pb(NO3)2 - на проростки 3-х сортов ярового ячменя (длину проростка и его корня, количество всхожих семян и сильных проростков). Выделены устойчивые и чувствительные к свинцу сорта. Отмечено возникновение морфологических аномалий проростков. Проведен цитогенетический анализ для уточнения причин формирования таких реакций. Выявлено торможение митоза при максимальных концентрациях свинца, возникновение блокировки пролиферации на поздних стадиях деления клеток. Отмечены высокие частоты мультиполярных митозов, нерасхождений, агглютинаций. Выбрана критическая концентрация свинца, предложены критерии, по которым можно произвести отбор разных сортов этой культуры на устойчивость к этому ТМ.
Ключевые слова: нитрат свинца, морфологические и цитогенетические показатели, яровой дву-рядный ячмень (Hordeum vulgare L.).
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время одной из самых серьезных проблем сельского хозяйства является техногенное загрязнение. Более 1 млн. га сельскохозяйственных угодий России загрязнено особо токсичными элементами (I класс опасности) и 2.3 млн. га - токсичными (II класс опасности) [1]. Весьма негативным следствием этого явления для народного хозяйства оказывается уменьшение продуктивности основных сельскохозяйственных культур и ухудшение их хозяйственно ценных качеств.
Обширной и важной группой таких загрязнителей являются тяжелые металлы (ТМ) - химические элементы, обладающие металлической кристаллической решеткой, с плотностью >5 г/см3. Некоторые ТМ, такие как медь или цинк, являются необходимыми для растений микроэлементами [2]. Однако ряд ТМ, таких как кадмий, свинец или ртуть, биологическая роль которых еще недостаточно выяснена, относится к высокотоксичным ввиду способности реагировать с амино- и суль-фогруппами аминокислот или вызывать окислительный стресс.
Особый интерес представляет свинец, поступающий в окружающую среду в результате сжигания моторного топлива, добычи полезных ископаемых, эксплуатации автономных источников питания и другими путями. При этом, несмотря на то что негативное влияние данного ТМ на растительный организм считается доказанным, все еще не вполне ясны механизмы его воздействия на живые системы [3-7]. Чтобы сохранять во внутренней среде концентрацию питательных элементов в физиологических пределах и минимизировать вредное действие элементов, не имеющих такой ценности, растения, так же как и другие организмы, выработали комплекс гомеостатиче-ских механизмов, контролирующих поглощение, накопление, транспорт и детоксикацию металлов. Примером может служить флора серпентинных почв, богатых свинцом, или произрастающая на территориях, загрязненных свинцом вследствие добычи полиметаллических руд [8]. У обитающих в этих местностях популяций сформировалась под действием отбора гиперустойчивость к данному ТМ [9, 10].
Ввиду проблемы загрязнения агросферы ТМ становится актуальной задача выведения таких
сортов сельскохозяйственных культур, которые обладали бы достаточно высокой устойчивостью к воздействию техногенных поллютан-тов [11, 12]. Существование устойчивых к ТМ разновидностей диких растений указывает на возможность осуществления этой задачи. Удобным объектом для изучения механизмов воздействия свинца на сельскохозяйственные растения, как частного случая общей устойчивости к ТМ, является ячмень. С одной стороны, эта культура хорошо изучена на всех уровнях организации растения: организменном, клеточном, биохимическом, генетическом, с другой - ячмень является важной в хозяйственном отношении зерновой культурой, широко возделываемой во всем мире. Поэтому представляет интерес исследование механизмов формирования устойчивости ячменя к воздействию свинца для успешного решения селекционных задач. Цель работы - определение критической дозы Pb2+ в растворе по морфологическим и цитогенетическим показателям, связанным с существенным угнетением ростовых процессов проростков 3-х сортов ячменя из Мировой коллекции ВИР, а также цитогенетический анализ воздействия свинца на пролиферативную активность клеток апикальной меристемы этих сортов.
Научной новизной данного исследования является разработка методики оценки реакции сельскохозяйственных растений на действие свинца на примере двурядного ячменя с использованием комплекса показателей, позволяющего установить внутривидовую дифференциацию сортов по устойчивости к действию ТМ.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Семена 3-х сортов ярового двурядного ячменя (Hordeum vulgare L.) - Зазерский 85, Челябинский 1 и Горинский (по 100 семян в варианте) - рулонным методом проращивали в сосудах с 200 мл раствора Pb(NO3)2 в течение 7 сут при 20°С, как рекомендовано в [13]. В предварительном эксперименте с сортом Зазерский 85 использовали следующие концентрации ТМ: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 мг РЬ2+/мл. Для остальных сортов использовали концентрации: 0, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5 мг РЬ2+/мл. Наибольшие концентрации были исключены, т. к. данные первого эксперимента показали отсутствие различий по морфологическим показателям при этих дозах. Также были добавлены промежуточные дозы для получения более подробной дозовой зависимости. После окончания проращивания определяли следующие
морфологические показатели: длину проростков и корней, число всхожих семян и количество сильных проростков. Под сильными проростками подразумевали нормально развитые [13], у которых росток занимал не менее половины колеопти-ля, а также имелось как минимум 3 корня длиной от 5 мм и более.
Цитогенетический анализ клеток апикальной меристемы корней был выполнен с использованием анафазного метода на проростках сорта Зазерский 85 [14, 15]. Семена проращивали рулонным методом в растворах Pb(NO3)2 с концентрациями 0, 1, 2, 3, 4, 5 мг/мл. Корни длиной 10 мм на стадии 1-го митоза фиксировали в модифицированном фиксаторе Карнуа (смесь этанола и ледяной уксусной кислоты в соотношении 3 : 1). Временны е давленые препараты апикальной меристемы корней проростков окрашивали ацетоорсеином и анализировали при увеличении 40*10 на микроскопе Nikon Eclipse E200 (Япония). В каждом варианте анализировали 6-7 тыс. ана-телофаз. Учитывали частоту (%) следующих цитогенети-ческих нарушений: мостов, фрагментов, отставания хромосом, мультиполярных митозов. Для оценки пролиферативной активности клеток апикальных меристем рассчитывали митотический индекс для 12 препаратов; суммарно анализировали 1-1.5 тыс. клеток в варианте. Достоверность полученных результатов оценивали путем расчета оптимального объема выборки, дисперсии, стандартных ошибок и отклонения, доверительного интервала с помощью пакета программ MS Excel. Для оценки достоверности полученных результатов использовали критерий Манна-Уитни [16].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Длина корней проростков у всех сортов резко уменьшалась (рис. 1а) уже при концентрации 1 мг РЬ2+/мл. У сорта Зазерский 85 концентрация свинца, при которой длина проростка сокращалась наполовину, составила 2 мг/мл для ростков и 1 мг/мл - для корней, у сорта Челябинский 1 - 2.5 и 1 мг/мл, у сорта Горинский - 3.5 и 1.5 мг/мл соответственно. Таким образом, по этим показателям самым устойчивым оказался сорт Горинский, самым чувствительным - Зазерский 85.
Начиная с дозы 4 мг РЬ2+/мл, зафиксировано практически полное угнетение роста корней всех сортов. Снижение длины ростков было выражено существенно меньше (рис. 1б), при концентрации 1 мг РЬ2+/мл у более устойчивых сортов Челябинский 1 и Горинский отмечена достоверная (р = 0.01) стимуляция роста. Аналогичные данные
■ Зазерский ■
(а)
■ Челябинский
Горинский
3 4 5 РЬ2"1", мг/мл
■ Зазерский ■
(б)
■ Челябинский
(в)
Зазерский -*- Челябинский д Горинский
4 5 РЬ2+, мг/мл
(г)
■ Зазерский -*- Челябинский ' Горинский
3 4 5 РЬ2+, мг/мл
Рис. 1. Влияние разных концентраций свинца на проростки 3-х сортов ярового ячменя: корни (а), проростки (б), число сильных проростков (в), количество всхожих семян (г).
об эффекте стимуляции прорастания семян льна при действии свинца приведены в работе [17]. Начиная с дозы 2 мг РЪ2+/мл, происходило подавление роста ростков по сравнению с контролем. Аналогичные эффекты действия свинца на проростки ячменя описаны в [18].
Достоверное уменьшение количества сильных проростков отмечено, начиная с концентраций 2.5-3.0 мг РЪ2+/мл (рис. 1в, г). При более низких концентрациях этот показатель изменялся мало, достоверно превышая контроль при дозе 1.5 мг РЪ2+/мл у сорта Горинский. При повышении дозы сверх 2.5-3 мг РЪ2+/мл количество сильных проростков начинало быстро уменьшаться. У чувствительного сорта Зазерский 85 этот показатель снижался, достигая минимума при 4 мг РЪ2+/мл. Дальнейшее увеличение дозы свинца вызывало необъяснимые резкие изменения этого показателя в диапазоне доз 4-9 мг РЪ2+/мл. При усреднении этих результатов величина этого показателя после концентрации 4 мг РЪ2+/мл почвы выходила на плато. У сортов Челябинский 1 и Горинский
изменения показателя были больше выражены в диапазоне доз до 3 мг РЪ2+/мл, дальнейшее увеличение концентрации свинца приводило также к стабильному уменьшению числа сильных проростков и выходу дозовых кривых на плато, начиная с концентрации 4 мг РЪ2+/мл.
Показатель "число всхожих семян" оказался наименее чувствительным к действию свинца для всех 3-х сортов. При росте концентрации РЪ2+ он менялся довольно слабо до концентрации 2-2.5 мг РЪ2+/мл, имея незначительные изменения на уровне контроля или даже несколько его превышая. Однако при дальнейшем увеличении концентрации свинца в диапазоне 2.5-5 мг РЪ2+/мл была отмечена дифференциация сортов по
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.