АГРОХИМИЯ, 2014, № 12, с. 55-60
УДК 582.232:581.1:633.16:631.421.2:632.122.2
влияние ЦиАноБАКтЕрии Nostoc linckia нА Показатели
жизнедеятельности растений ячменя, выращенных в модельных опытах в присутствии метилфосфоновой кислоты
© 2014 г. Е.в. Коваль1, с.Ю. огородникова1' 2
1Вятский государственный гуманитарный университет 610002 Киров, ул. Красноармейская, 26, Россия 2Институт биологии Коми НЦ Уральского отделения РАН 167982 Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28, Россия E-mail: svetao_05@mail.ru
Поступила в редакцию 30.08.2014 г.
Изучено влияние обработки семян цианобактерией Nostoc linckia (ЦБ) на показатели жизнедеятельности растений ячменя, выращенных в присутствии метилфосфоновой кислоты (0.5 и 1 мМ). Цианобактериальная обработка семян индуцировала процессы антиоксидантной защиты в растительных клетках. Отмечено торможение процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) в корнях растений, выращенных в присутствии метилфосфоновой кислоты (МФК). Предварительная инокуляция семян ЦБ не снижала негативного действия МФК на рост корней.
Чувствительность листьев к действию ЦБ и МФК была меньше, чем корней. Обработка семян ЦБ, наряду с накоплением малонового диальдегида (МДА), приводила к возрастанию содержания каротиноидов и антоцианов в листьях, что свидетельствовало об активации окислительных процессов в растительных клетках. МФК 1 мМ вызывала торможение линейного роста побегов, цианобактериальная инокуляция семян не снижала токсического действия МФК.
Ключевые слова: метилфосфоновая кислота, ячмень, Nostoc linckia, перекисное окисление липидов, хлорофиллы, каротиноиды, антоцианы, рост растений.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема загрязнения метилфосфонатами актуальна для регионов, где их используют в хозяйственной деятельности. Потенциальными источниками поступления метилфосфонатов являются предприятия, ведущие синтез данных соединений, а также объекты по уничтожению фосфорорганических веществ (пестицидов, фосфорсодержащих отравляющих веществ и т. д.).
Метилфосфоновая кислота (МФК) - фосфор-органическое соединение, образуется в результате гидролиза фосфорсодержащих отравляющих веществ и является их универсальным маркером. МФК устойчива в природных условиях и сохраняется в почве десятилетиями [1]. Даже в малых концентрациях МФК вызывает нарушение жизнедеятельности растений [2, 3], оказывает влияние на почвенную микрофлору [4, 5]. Для МФК и ее производных - метилфосфонатов характерно наличие химически стабильной углерод-фос-
форной (С-Р) связи, устойчивой к химическому гидролизу и тепловому разрушению, а также к фотолизу [6].
Имеются сведения о способности микроорганизмов использовать метилфосфонаты в качестве источника фосфора [6]. Есть организмы, способные расщеплять С-Р связь, к ним относятся про-кариотные микроорганизмы и некоторые низшие эукариоты [5]. Показано, что ряд цианобактерий устойчив к действию фосфорорганических токсикантов [7].
Цианобактерии (ЦБ) - древнейшая морфологически разнообразная группа грамотрицательных прокариот, которые обладают разнообразными физиологическими особенностями [8], благодаря чему способны адаптироваться к экстремальным условиям. Не случайно в химически загрязненных почвах отмечен феномен цианофитизации альго-циано-бактериальных комплексов [9, 10]. Доказано, что некоторые виды ЦБ не только устойчивы к неблагоприятным условиям, но и способны при
этом оптимизировать существование растений, обеспечивая их доступными формами азота и переводя токсиканты в недоступные для корней формы [11]. Данная способность реализуется за счет физиологических особенностей ЦБ, а также за счет наличия бактерий-спутников, способствующих этому процессу [9, 12]. Интересны ЦБ в качестве потенциальных деструкторов загрязнителей или как компонент в системе растение-ЦБ-загрязненный субстрат, повышающий устойчивость растений к токсиканту.
Nostoc linckia - гетероцистная ЦБ, склонна к азотфиксации [8]. Для ЦБ N. linckia характерна высокая сорбционная активность по отношению к ионам меди и никеля. Показано, что предварительная обработка семян горчицы N. linckia приводила к усилению фиторемедиационных способностей растения, что проявилось в усиленном извлечении ионов меди растением из почвы [13]. N. linckia оказывает ростстимулирующий эффект на растения пшеницы и обладает миколитичес-кой активностью в отношении патогенных грибов Fusarium culmorum и Fusarium nivale [14]. Данные характеристики N. linckia повлияли на выбор объекта исследования.
Цель работы - изучение влияния ЦБ N. linckia на показатели жизнедеятельности растений ячменя, выращенных в модельных опытах в присутствии МФК.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом исследования были растения ячменя сорта Новичок. Культура ЦБ для опытов была взята из музея фототрофных микроорганизмов кафедры биологии растений, селекции и семеноводства, микробиологии Вятской ГСХА. Возраст культуры - 2.5 мес., титр - 4.6 х 107 кл./мл.
Семена ячменя проращивали в чашках Петри на дистиллированной воде в присутствии ЦБ N. linckia и без них. Семисуточные проростки ячменя пересаживали в сосуды на водную среду, в качестве которой использовали питательный раствор Кнопа (контроль) и растворы МФК, приготовленные на растворе Кнопа (0.5 мМ и 1 мМ).
Изучали влияние обработки растений ЦБ на функциональный статус растений, выращенных в присутствии МФК, по изменению линейного роста органов растения и по биохимическим показателям: интенсивности перекисного окисления липидов (ПОЛ), содержанию пластидных пигментов и накоплению антоциановых пигментов.
Для изучения влияния МФК на ростовые процессы отбирали по 30 растений каждого варианта, разделяли по органам, измеряли длину корней и побегов.
Активность ПОЛ оценивали фотометрическим методом по накоплению в клетках одного из конечных продуктов этого процесса - малонового диальдегида (МДА) (X = 532 нм) [15].
Антоцианы экстрагировали из листьев 1%-ным раствором соляной кислоты. Количественное определение антоцианов проводили фотометрическим методом при длине волны 510 нм. Для внесения поправок на содержание зеленых пигментов определяли оптическую плотность полученных экстрактов при 657 нм. Содержание суммы анто-цианов рассчитывали по цианидин-3,5-диглико-зиду [16].
Содержание фотосинтетических пигментов в листьях ячменя определяли фотометрическим методом в ацетоновой вытяжке (X = 662, 644 нм - хло-рофиллы а и б; X = 440.5 нм - каротиноиды) [17].
Измерения оптической плотности растворов проводили на спектрофотометре Specol-1300 (Германия).
Для приготовления растворов использовали метилфосфоновую кислоту фирмы Lancaster (Англия), содержащую 98% действующего вещества.
Полученные данные обрабатывали с использованием стандартных статистических методов [18] и пакета программ Excel. В таблицах приведены средние арифметические величины и их стандартное отклонение.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Изучали влияние МФК на жизнедеятельность растений, которые выращивали с инокуляцией и без инокуляции ЦБ.
МФК вызывала снижение интенсивности процессов ПОЛ в корнях опытных растений (рис. 1). С ростом концентрации МФК в среде выращивания накопление МДА в клетках корней ячменя уменьшалось. Цианобактериальная обработка семян также индуцировала снижение интенсивности процессов ПОЛ в корнях ячменя. В вариантах, где была проведена инокуляция семян ЦБ, содержание МДА в корнях был достоверно меньше, чем в растениях, семена которых не обрабатывали ЦБ. Инокуляция семян ЦБ также вызывала снижение интенсивности процессов ПОЛ в корнях растений, выращенных в присутствии МФК. Ранее подобные эффекты отмечали в опытах с обработкой семян ЦБ Nostoc muscorum [19].
ВЛИЯНИЕ ЦИАНОБАКТЕРИИ Nostoc ¡тсИа.
57
30.00
25.00
" 20.00
| 15.00 £
2 10.00
5.00
6 0.00
I
I
о
+ VI
о
+ о
Вариант, концентрация МФК, мМ
Рис. 1. Влияние метилфосфоновой кислоты и ЦБ N. ¡тсЫа на содержание малонового диальдегида в корнях ячменя.
Чувствительность листьев ячменя к действию МФК и ЦБ была меньше, чем корней. В варианте с МФК (0.5 мМ) отмечали снижение накопления МДА - продукта ПОЛ в листьях на 20% от контроля (рис. 2). МФК в большей концентрации 1 мМ также вызывала снижение активности ПОЛ, но в меньшей степени. Обработка семян ЦБ, напротив, индуцировала процессы ПОЛ в листьях ячменя. Наиболее четко данная особенность проявилась в варианте с растениями, выращенными в присутствии МФК высокой концентрации (1 мМ). Интенсивность процессов ПОЛ в листьях растений в варианте с предварительной обработкой ЦБ и действием 1 мМ МФК была больше, чем при действии 1 мМ МФК.
Снижение накопления МДА в растительных клетках при действии низких концентраций МФК отмечено и ранее, причем уменьшение интенсивности ПОЛ сопровождалось значительной активацией антиоксидантного фермента пероксидазы [20]. По-видимому, снижение уровня МДА в вариантах с 0.5 и 1 мМ МФК связано с активацией антиоксидантных ферментов, а предварительная инокуляция семян ЦБ индуцировала систему антиоксидантной защиты в клетках ячменя. Наиболее сильно это проявлялось в корнях ячменя, в листьях цианобактериальная обработка не вызывала снижения интенсивности ПОЛ, что, возможно, связано с различиями механизмов защиты в клетках гетеротрофных и фототрофных тканей растений ячменя.
Было изучено влияние МФК и цианобактери-альной обработки на содержание веществ с ан-тиоксидантными свойствами в листьях ячменя. Каротиноиды - пластидные пигменты, которые
выполняют протекторную функцию в клетке, взаимодействуя с органическими радикалами жирных кислот; в этом случае они действуют не как доноры водорода, а в качестве "ловушек" радикалов [21].
Наряду с активацией процессов ПОЛ обработка семян ЦБ приводила к возрастанию содержания каротиноидов в листьях, что свидетельствовало об активации антиоксидантной системы в растительных клетках (рис. 3). Значительное увеличение (в 1.5 раза) содержания каротиноидов в листьях вызывала МФК (0.5 мМ). В листьях ячменя, выращенного в присутствии 0.5 мМ МФК, также отмечали возрастание содержания антоцианов в 1.3 раза по сравнению с контролем. Выявлена обратная зависимость между содержанием веществ с антиоксидантными с
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.