ОНТОГЕНЕЗ, 2012, том 43, № 5, с. 320-324
= БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ :
УДК 581.151
СТАБИЛЬНОСТЬ РАЗВИТИЯ ЛИСТА PISUM SATIVUM L. ПРИ ДЕЙСТВИИ ФОРМАЛЬДЕГИДА В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ДОЗ
© 2012 г. Е. А. Ерофеева
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского 603950 Нижний Новгород, пр. Гагарина, д. 23 E-mail: ele77785674@yandex.ru Поступила в редакцию 28.03.11 г. Окончательный вариант получен 04.05.11 г.
Изучено влияние формальдегида в широком диапазоне доз на стабильность развития третьего листа гороха посевного (Pisum sativum L.). Стабильность развития листа оценивали по изменению величины направленной асимметрии правого и левого листочков, обусловленному флуктуирующей асимметрией данных морфологических структур. При действии токсиканта на исследованный показатель был выявлен парадоксальный эффект. В минимальных из исследованных концентраций формальдегид нарушал стабильность развития листа, что выражалось в возрастании асимметрии правого и левого листочков. В области средних концентраций токсиканта асимметрия была меньше контрольного уровня, что свидетельствовало об увеличении стабильности развития листа гороха. Максимальные исследованные концентрации формальдегида, близкие к сублетальным, вновь снижали стабильность развития листа гороха и приводили к возрастанию асимметрии его листочков по сравнению с контролем.
Ключевые слова: Pisum sativum L., лист, асимметрия, формальдегид, парадоксальный эффект.
Стабильность развития характеризует способность организма поддерживать траекторию развития в определенных границах (Захаров, 1987). В качестве меры стабильности развития билатеральных морфологических структур растений широко используется флуктуирующая асимметрия, под которой понимают случайные незначительные отклонения от симметричного состояния (Захаров и др., 2001) вследствие стохастично-сти молекулярных процессов, обеспечивающих экспрессию генов (онтогенетического шума) (Leamy, Klingeberg, 2005). Флуктуирующая асимметрия, имеющая ненаследственный характер, наблюдается и на фоне наследственных типов асимметрии, таких как антисимметрия и направленная асимметрия (Захаров, 1987). Известно, что величина флуктуирующей асимметрии возрастает при действии любых средовых стресс-факторов (Захаров и др., 2001; Hoffman, Woods, 2003). В связи с этим флуктуирующая асимметрия листа различных видов растений широко используется для оценки уровня загрязнения окружающей среды (Гелашвили и др., 2004). В то же время в последние годы в области токсикологии накапливается все больше свидетельств о том, что кроме классических монотонных зависимостей "доза—эффект" (S-образных; экспоненциальных), достаточно часто встречаются немонотонные ответы, к которым, в частности, относятся гормезис (Kefford et al., 2008; Calabrese, Blain, 2009) и пара-
доксальные эффекты (Батян и др., 2009). Вопрос о том, могут ли подобные явления наблюдаться при действии различных приоритетных загрязняющих веществ на флуктуирующую асимметрию листа растения, до сих пор остается открытым. В настоящее время одним из приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха и почвы в крупных городах является формальдегид, что обусловлено быстрым ростом автотранспортного парка (Белкина, 2008). В условиях экосистем урбанизированных территорий на растение действует целый комплекс поллютантов, что затрудняет анализ характера влияния отдельных веществ. Для изучение данного вопроса по сравнению с условиями урбоэкосистем более адекватными являются экспериментальные модели.
В связи с этим целью исследования было изучение стабильности развития листа гороха посевного (Pisum sativum L.) по изменению величины направленной асимметрии его листочков, обусловленному флуктуирующей асимметрией данных морфологических структур, при действии формальдегида в широком диапазоне доз в условиях эксперимента.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Семена гороха посевного (Pisum sativum L.) сорта Альбумен в течение 5 суток проращивали на дистиллированной воде. После появления корешка проростки контрольной группы поме-
Рис. 1. Промеры правого и левого листочков третьего листа P. sativum:
1. 1/2 ширины листочка в районе 1/2 длины центральной жилки; 2. угол между центральной жилкой и нижним краем листа; 3. угол между центральной жилкой и первой снизу жилкой второго порядка; 4. угол между центральной жилкой и второй снизу жилкой второго порядка; 5. расстояние между основаниями первой и второй снизу жилок второго порядка.
щали в сосуды с питательным раствором Кнопа (1 мМ Ca(NO3)2; 0.25 мМ KH2PO4; 0.125 мМ MgSO4; 0.25 мМ KNO3) с добавлением микроэлементов по Хоглэнду. В 9 опытных группах питательный раствор кроме выше указанных компонентов содержал формальдегид в концентрации от 0.063 х 10-2 до 0.16 г/л. Соседние концентрации различались в 2 раза. Диапазон концентраций был подобран в предварительных экспериментах таким образом, чтобы максимальные из использованных концентраций формальдегида были близкими к сублетальным — оказывали значительное токсическое действие на процесс роста побега, но не вызывали гибели растений.
В каждой группе P. sativum выращивали в 4 сосудах объемом 250 мл (по 6 растений в 1 сосуде; n = 24). Для предотвращения улетучивания формальдегида сосуды были закрыты крышками с небольшими отверстиями, через которые корешок проростков погружали в раствор. Растения контрольной и опытных групп выращивали на выше описанных растворах в течение 16 суток при температуре 20—22°С и семнадцатичасовом световом дне. Через каждые 4 суток растворы заменяли на свежие.
На семнадцатые сутки определяли асимметрию листочков полностью сформировавшегося третьего листа гороха. Лист P. sativum является сложным и у сорта Альбумен состоит их двух ли-
сточков. Листья P. sativum сразу после сбора сканировали и определяли асимметрию правого и левого листочков. В предварительных экспериментах было установлено, что для листочков P. sativum характерна направленная асимметрия — внутренняя (по отношению к плоскости симметрии листа) сторона каждого листочка всегда меньше наружной. Известно, что изменение величины наследственных типов асимметрии (направленной асимметрии, антисимметрии) билатеральных морфологических структур в популяциях одного вида обусловлены флуктуирующей асимметрией (Захаров, 1987). Кроме того, в предварительных экспериментах были подобраны 5 относительно независимых признаков листочка P. sativum. Корреляция между признаками отсутствовала, либо была слабой (коэффициент корреляции по Спирмену не превышал 0.20 при p < 0.05). Данные признаки использовали для оценки величины асимметрии листочков P. sativum при действии формальдегида (рис. 1).
Измерение признаков электронных изображений листочков гороха проводили с помощью программы Adobe Photoshope CS3. Интегральный показатель асимметрии листочка рассчитывали с помощью алгоритма нормированной разности:
A _ _Ly у ILi ~ Rj
mnуу (L„ + Я,.)'
i = i j = i 1 11
Асимметрия 0.15
0.13
0.11
0.09
0.07
0.05
0.03
* *
□ Левый листочек
□ Правый листочек
*# rii
Ш
гЬп
г*
* rii гЕ
-fl
F±
IF
>
ъ- ъ- ъ-
Формальдегид, г/л
Рис. 2. Влияние формальдегида в широком диапазоне доз на асимметрию правого и левого листочков третьего листа P. sativum (Me ± SMe).
Примечание: * — различия статистически значимы по отношению к асимметрии данного листочка в контрольной группе приp < 0.05; # — различия статистически значимы по отношению к асимметрии левого листочка этой же группы приp < 0.05.
*
*
*
где: Ьу и Щ значение у-го признака у /-го листочка, соответственно, слева и справа от плоскости симметрии (Захаров и др., 2000).
При этом величину флуктуирующей асимметрии листочков, наблюдающуюся на фоне направленной асимметрии, не выделяли. В связи с этим, в дальнейшем в статье используется термин "асимметрия листочка". При этом подразумевается, что различия уровня направленной асимметрии между правыми (или левыми) листочками третьего листа растений разных групп обусловлены величиной их флуктуирующей асимметрии.
Статистическую обработку результатов исследований проводили с помощью программ БИОСТАТИСТИКА 4.03 и ВТАШТГСА 6.0. Для статистического анализа использовали непараметрические тесты Крускала-Уоллиса, Ньюмена-Кейлса и Уилкоксона, поскольку с помощью критерия Шапиро-Уилка было установлено, что выборочное распределение в ряде групп отличалось от нормального. На графиках представлены медианы и их ошибки. При проведении корреляционного анализа рассчитывали непараметрический коэффициент корреляции Спирмена.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ
В наиболее низких из исследованных концентраций (0.063 х 10-2—0.125 х 10-2 г/л) формальдегид вызывал увеличение асимметрии правого и левого листочков P. sativum по сравнению с контрольным уровнем (рис. 2). Однако при дальнейшем возрастании концентрации токсиканта до 0.02—0.04 г/л вместо ожидаемого усугубления нарушения стабильности развития листа P. sativum, напротив, отмечалось уменьшение асимметрии правого и левого листочков на 30—40% по сравнению с аналогичным показателем контрольной группы (рис. 2). И, наконец, в области наиболее высоких из исследованных концентраций (0.08— 0.016 г/л) формальдегид вновь вызывал увеличение асимметрии сначала у левого листочка, затем — у правого (рис. 2).
С помощью корреляционного анализа по Спирмену было установлено, что между асимметрией правого и левого листочков существует сильная положительная корреляция (r = 0.81; p = = 0.010). В то же время в контрольной и одной из опытных групп (0.005 г/л) величины асимметрии правых и левых листочков P. sativum статистически значимо различались.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
Результаты исследования показали, что при увеличении концентрации формальдегида в растворе величина асимметрии правого и левого листочков третьего листа P. sativum изменялась немонотонно. Наблюдалось развитие так называемого парадоксального эффекта. Известно, что проявление парадоксальных эффектов сводится к следующему: по мере уменьшения дозы или концентрации воздействующего яда токсичность его увеличивается, и наоборот: при у
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.