научная статья по теме ТРАНСПОРТ, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ СТРОНЦИЯ НА РОСТ ПРОРОСТКОВ КУКУРУЗЫ Биология

Текст научной статьи на тему «ТРАНСПОРТ, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ СТРОНЦИЯ НА РОСТ ПРОРОСТКОВ КУКУРУЗЫ»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 2, с. 241-248

УДК 581.1

ТРАНСПОРТ, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ СТРОНЦИЯ НА РОСТ ПРОРОСТКОВ КУКУРУЗЫ

© 2004 г. И. В. Серегин, А. Д. Кожевникова

Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва

Поступила в редакцию 18.04.2003 г.

Двухдневные проростки кукурузы (Zea mays L.) инкубировали на растворах Sr(NO3)2 (3 мМ и 35 мкМ). Токсическое действие Sr оценивали по ежесуточному приросту первичного корня за четверо суток после начала экспозиции, по длине корня и побега на седьмые сутки инкубации, а также по длине закончивших рост клеток. Используя родизонат натрия, который дает окрашенный комплекс со Sr, выявили распределение Sr по тканям и органам растений. Локализацию Sr в тканях побега и корня определяли через 2, 24, 48 и 168 ч после начала инкубации. Sr был найден во всех тканях корня уже после первых суток инкубации. Sr накапливался главным образом в апопласте клеток, а его содержание в протопластах было существенно ниже. Свободно проникая через эндодермаль-ный барьер по симпласту, Sr иммобилизовался преимущественно в клеточных оболочках перицик-ла, в результате чего он не оказывал токсического действия на ветвление корня. Sr не влиял на длину закончивших рост клеток и ингибировал рост корня (при концентрации 3 мМ) за счет подавления делений клеток. В побегах Sr был обнаружен в клеточных оболочках ксилемы проводящих пучков колеоптиля, мезокотиля и листьев на вторые сутки инкубации, что свидетельствует о его высокой мобильности. Сделан вывод о том, что транспорт Sr отличается от транспорта таких тяжелых металлов, как Cd, Pb и Ni, и имеет много общего с распределением другого щелочноземельного элемента - кальция, что, возможно, определяется сходством физико-химических свойств их ионов.

Zea mays - гистохимические методы - апопласт - симпласт - стронций - корень - рост - ветвление корня

В связи с возрастающим загрязнением окружающей среды солями металлов, в последнее время все большее внимание уделяется их распределению по тканям и органам растений. Разными методами было установлено, что имеются существенные различия в распределении металлов на тканевом и клеточном уровнях. Так, например, Сё, РЬ [1-5] и Ьа [6, 7] при нелетальных концентрациях накапливались главным образом в апопласте клеток ризодермы и коры, в то время как N1 аккумулировался преимущественно в протопластах клеток всех тканей корня [8-10]. Подобные различия можно объяснить различной способностью металлов проникать через физиологические барьеры, главными из которых являются плазмалемма на клеточном уровне и эндодерма -на тканевом.

Различные механизмы транспорта металлов по тканям корня, а также морфо-функциональ-ные особенности различных видов растений определяют неодинаковое распределение металлов

Адрес для корреспонденции: Серегин Илья Владимирович. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 07(095)977-80-18; электронная почта: ivanov@ippras.ru

по органам растений. Большинство видов растений относится к исключителям, в которых поддерживается низкая концентрация металлов в побегах, несмотря на их высокую концентрацию в окружающей среде [11]. У таких видов содержание металлов в корнях может быть во много раз выше, чем в побегах [12]. Механизмы, ограничивающие поступление металлов в надземные органы растений-исключителей до сих пор до конца не выяснены.

Помимо тяжелых металлов, таких как Сё, РЬ, N1, Си, 2п, широко известными загрязнителями окружающей среды являются некоторые элементы подгруппы Са: Ва и Бг. В земной коре Бг является вторым по распространенности щелочноземельным элементом после Са и образует около 40 минералов, основными из которых являются целестин (8г804) и стронцианит (БгС03) [13]. Кроме того, чрезвычайно актуальной является проблема загрязнения окружающей среды радионуклидами, одним из которых является 90Бг. Несмотря на активное изучение действия радиоактивных изотопов на растения [14], распределение Бг по тканям и органам растений остается практически неизученным. Известно лишь, что Бг является чрезвычайно мобильным металлом и легко поступает в надземные органы в составе ксилемно-

Влияние Бг на длину закончивших рост клеток корня (мкм)

Время инкубации

Вариант 2 сут 7 сут

1-й опыт 2-й опыт 3-й опыт 1-й опыт 2-й опыт 3-й опыт

Контроль 210 ± 3 (120) 223 ± 3 (150) 220 ± 2 (100) 160 ± 3 (80) 173 ± 3 (150) 182 ± 2 (170)

3 мМ Sr(NO3)2 192 ± 3 (120) 236 ± 3 (100) 211 ± 3 (100) 186 ± 3 (100) 186 ± 2 (100) 192 ± 3 (100)

Примечание. В скобках показано число измеренных клеток.

го сока. Однако, транспорт этого металла по флоэме в значительной мере ограничен [15, 16]. По этой причине Бг используется как маркер при изучении транспорта по ксилеме [17].

Задача настоящей работы заключалась в разработке гистохимического метода для определения Бг в тканях и органах растений, а также в выяснении характера транспорта и распределения Бг по тканям корня и побега в зависимости от концентрации металла в среде и времени инкубации.

МЕТОДИКА

Обработка растений и оценка токсичности стронция. Семена кукурузы (Zea mays L.) сорта Диамант проращивали на смоченной водопроводной водой фильтровальной бумаге в течение 2 сут в темноте при 27°С. Проростки с длиной первичного корня 15-30 мм пересаживали в вегетационные сосуды объемом 3 л на растворы Sr(NO3)2 (3 мМ и 35 мкМ). Соли вносили однократно. Контролем служила дистиллированная вода. Сосуды выдерживали в факторостате при постоянном освещении, температуре (26°С) и аэрации в течение 7 сут. Токсическое действие Sr оценивали по приросту главного корня за первые - четвертые сутки после начала инкубации, а также по длине корня и побега на седьмые сутки инкубации.

Для анализа избирательности действия Sr на деление и растяжение клеток, на вторые и седьмые сутки готовили серии продольных срезов корня и с помощью микрометрической линейки по стандартной методике определяли длину закончивших рост клеток. Для каждой повторности эксперимента измерено не менее 80 клеток из 45 корней. В таблицах приведены средние значения и их стандартные ошибки.

Гистохимический метод определения стронция. В качестве реагента для гистохимического выявления Sr использовали родизонат натрия, который образует со стронцием (II) окрашенный в красно-бурый цвет комплекс (родизонат стронция) [18]:

Родизонат натрия обладает высокой чувствительностью к ионам Sr. Этот реагент ранее применялся для комплексометрического определения свинца [2, 19, 20]. Наибольшая интенсивность окраски развивается почти сразу после добавления реагента и затем мало меняется в течение четверти часа.

Навеску родизоната натрия (0.02 г) растворяли в 10 мл дистиллированной воды. Реагент готовили непосредственно перед проведением гистохимического анализа, поскольку хранению он не подлежит. Чувствительность метода определяли капельным методом. На предметное стекло наносили растворы Sr(NO3)2 в различных концентрациях и проводили реакцию. Окрашивание было заметно при концентрации соли 10-4 М.

Для определения локализации Sr с помощью безопасной бритвы готовили серии поперечных срезов корня (на разном расстоянии от апекса), колеоптиля, мезокотиля (на разном расстоянии от зерновки) и двух первых листьев (на разном расстоянии от основания). Анализ проводили через 2, 24, 48 ч и 7 сут после начала инкубации. Серии срезов помещали на предметное стекло, на которое наносили 3-4 капли раствора родизоната натрия, покрывали покровным стеклом и рассматривали под микроскопом Amplival ("Carl Zeiss", Германия). О распределении Sr судили по красно-бурому окрашиванию тканей. Микрофотографии получены с помощью видеокамеры JVC TK-C1480E (Япония). Каждый из опытов был повторен не менее двух раз, и повторности дали сходные результаты.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Влияние стронция на рост проростков и образование боковых корней

При обеих изученных концентрациях Sr не вызывал торможения роста корня в первые сутки

Время инкубации, сут

Рис. 1. Влияние Бг на рост корня (п = 7).

1 - контроль; 2 - 8г(Ш3)2 (35 мкМ); 3 - Бг(Ш3)2 (3 мМ).

инкубации. Начиная со вторых суток рост инги-бировался при концентрации 3 мМ и эффект усиливался со временем (рис. 1). При концентрации 35 мкМ 8г(К03)2 не влиял на рост. Общий вид проростков на 4-е сутки инкубации показан на рис. 2.

Бг практически не влиял на длину закончивших рост клеток на вторые и седьмые сутки инкубации (таблица).

Независимо от концентрации, Бг не ингибиро-вал ветвление корня. В присутствии Бг, также как и у контрольных корней, боковые корни появлялись примерно через 50 ч после начала инкубации. Через 4 сут они равномерно располагались по соответствующему участку корня (рис. 2).

Бг практически не ингибировал рост побега. Через 7 сут инкубации длина побега составляла 80 и 90% от контроля при 3 мМ и 35 мкМ, соответственно.

Таким образом, несмотря на ингибирование роста главного корня (при концентрации 3 мМ), Бг не оказывал токсического действия на ветвление корня и на рост побега.

Локализация стронция в корнях и побегах

В контрольных проростках Бг родизонатным методом обнаружен не был.

Корни. Через 2 ч после начала инкубации на растворе нитрата Бг (3 мМ) осадок родизоната Бг был найден в апопласте всех тканей корня. При более низкой концентрации его содержание в тканях было ниже предела определения родизо-натного метода.

После первых суток инкубации, независимо от концентрации, Бг был обнаружен во всех тканях корня. При более высокой концентрации соли Бг (3 мМ) окрашивание было более интенсивным,

Рис. 2. Внешний вид проростков на 4-е сутки инкубации при различных концентрациях 8г(К03)2. 1 - контроль; 2 - 35 мкМ; 3 - 3 мМ.

чем при более низкой (35 мкМ). В клетках ризо-дермы и коры Бг был найден главным образом в клеточных оболочках и межклетниках, в то время как его содержание в протопластах было значительно ниже. В отличие от поверхностных тканей корня, в эндодерме, перицикле и ксилемной паренхиме Бг аккумулировался преимущественно в протопластах клеток. В клетках сердцевины он был обнаружен только в базальном участке корня и н

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.

Показать целиком