ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 3, с. 432-439
УДК 581.1
ЦИТОКИНИН-ПОДОБНЫЕ ПРЕПАРАТЫ ОСЛАБЛЯЮТ ПОВРЕЖДЕНИЯ РАСТЕНИЙ КУКУРУЗЫ ИОНАМИ ЦИНКА И НИКЕЛЯ
© 2007 г. А. С. Лукаткин*, Н. В. Грачева*, Н. Н. Гришенкова*, П. В. Духовскис**, А. А. Бразайтите**
*Биологический факультет Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева, Саранск **Литовский институт садоводства и овощеводства, Бабтай, Литовская Республика
Поступила в редакцию 29.11.2005 г.
На молодых растениях кукурузы (Zea mays L.), выращенных в водной культуре в присутствии ионов цинка и никеля, исследовали возможность снижения токсического действия тяжелых металлов (ТМ) синтетическими регуляторами роста цитокининового типа - тидиазуроном и кинетином. При действии ТМ наблюдали подавление прорастания семян и роста молодых растений, изменение состояния мембран и активности аскорбатпероксидазы. Синтетические цитокинин-подобные препараты ослабляли негативные эффекты ТМ; степень влияния регуляторов роста зависела от концентрации и действующего иона. Токсическое действие Zn2+ наиболее эффективно снижалось кинетином, а действие Ni2+ - тидиазуроном.
Zea mays - ростовые характеристики - выход электролитов - аскорбатпероксидаза - тяжелые металлы - цинк - никель - тидиазурон - кинетин
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время условия жизни растений ухудшаются в связи с глобальными процессами на Земле как естественного, так и антропогенного происхождения. В связи с этим возрастает потребность в точной оценке адаптивного потенциала растений, которая невозможна без изучения их устойчивости к повреждающим воздействиям.
Одним из стрессоров, действующих на растения, являются тяжелые металлы (ТМ). Серьезность нарастающего "металлического пресса" на биосферу заключается в том, что ТМ надолго входят в круговорот органического вещества. Другое немаловажное обстоятельство - большая скорость и лавинообразный характер поступления ТМ в биосферу. Техногенная миграция ТМ может приводить к нарушению физиологических функций организма и обмена веществ, снижению продуктивности, изменению структуры экосистем и видового разнообразия [1].
Сокращения: АПО - аскорбатпероксидаза; АФК - активированные формы кислорода; КП - коэффициент повреждения; ТМ - тяжелые металлы.
Адрес для корреспонденции: Лукаткин Александр Степанович. 430000 Саранск, ул. Большевистская, 68. Мордовский государственный университет, биологический факультет, кафедра ботаники и физиологии растений. Электронная почта: aslukatkin@yandex.ru
У высших растений некоторые ТМ (в том числе Fe, Си, Zn, № и др.) участвуют во многих физиологических процессах [2, 3]. Однако элементы, редко встречающиеся в земной коре, нередко оказываются токсичными для растений, причем разнообразные эффекты ТМ на метаболизм клетки определяются не только прямым, но и косвенным воздействием [4].
Токсичность разных ТМ для растений неодинакова. Наиболее опасными считаются Сё, Си, РЬ, Сг; их действие на растения достаточно хорошо изучено. В то же время, менее токсичные, но потенциально опасные ТМ - № и Zn - изучены слабее, хотя их действие на рост и физиологические процессы тоже бывает весьма ощутимым [5-10]. Так, избыток никеля снижал митотиче-скую активность в апексе корня кукурузы и нарушал целостность корневых меристем [5], а также ингибировал рост корней и побегов у ряда растений [6-8, 10]. Избыток цинка нарушал поглощение железа и его обмен, снижал интенсивность фотосинтеза и дыхания [2], угнетал рост и накопление сухой массы, уменьшал содержание хлорофилла и каротиноидов, снижал активность нитра-тредуктазы [9].
В настоящее время развивается гипотеза, что избыточные дозы ТМ в клетках растений вызывают окислительный стресс [7, 11]. В клетках растений пшеницы при действии ТМ образуются активированные формы кислорода (АФК) [11]. По-
следующие определяемые АФК процессы зависят от локализации, времени и уровня генерации АФК в ответ на стресс [12], а также от деятельности клеточных систем их инактивации. Среди систем инактивации ведущую роль играет аскорбат [13]. В растительных клетках он является как прямым гасителем H2O2, так и донором электронов для аскорбатпероксидазы (АПО) - ключевого фермента детоксикации H2O2 [14, 15].
Биологически активные вещества могут изменять реакцию растений на стрессоры. Особое место среди них занимают синтетические регуляторы роста. Однако работы, в которых изучали их влияние на растения при действии ТМ, единичны. Например, есть данные о положительном эффекте кинетина на зеленение листьев ячменя в присутствии свинца [16]. Добавление 10 мкг/л ГК снижало негативное влияние кадмия на рост стебля и корней сои [17]. Ранее мы показали положительное влияние тидиазурона на проростки огурца при действии сублетальных концентраций свинца и меди [18]. В то же время, выявлено неоднозначное влияние регуляторов роста на поглощение и распределение в растениях ячменя ТМ и радионуклидов, а также на развитие растений на загрязненной ТМ почве [19].
В настоящее время синтезирован ряд новых соединений, обладающих высокой цитокинино-вой активностью [20]. Можно предположить, что использование подобных регуляторов роста приведет к снижению повреждений, вызванных окислительным стрессом в присутствии ТМ. При этом синтетические препараты, проявляющие высокую цитокининовую активность, могут более эффективно снижать токсическое действие ТМ на молодые растения кукурузы по сравнению с природными цитокининами.
Цель работы - сравнение реакции растений кукурузы (роста, проницаемости мембран, активности АПО) на воздействие ТМ при индукции повышенной устойчивости синтетическим препаратом цитокининового типа - тидиазуроном и аналогом природного цитокинина - кинетином.
МЕТОДИКА
Материалом для работы служили семена и молодые растения кукурузы (Zea mays L., гибрид Коллективный 160 ТВ). В экспериментах использовали синтетический регулятор роста цитокини-новой природы - тидиазурон ^-фенил-(1,3,5-тиа-зол-5-ил)-мочевина) и аналог природного цитоки-нина - кинетин (6-фурфуриламинопурин).
Семена кукурузы замачивали в течение 4 ч в чашках Петри в растворах 10-8 М тидиазурона или 10-6 М кинетина (контроль - дистиллированная вода) при 25°С, затем промывали водопроводной водой и проращивали в течение 7 дней в фак-
торостатной комнате при 25°С, 20-часовом фотопериоде и освещенности 5 клк на воде с добавлением №SO4 • 7Н20 или ZnSO4 • 7Н20 в сублетальных концентрациях 1 и 5 мМ. В проведенных ранее опытах было показано, что эти концентрации ТМ не приводили к гибели, но вызывали нарушения роста и морфологии растений кукурузы [21].
На 7-е сутки определяли всхожесть семян и измеряли ростовые характеристики (длину корня и побега), после чего проростки пересаживали на среду Кнопа и выращивали в рулонах [22] при 20-часовом фотопериоде, температуре 25°С и освещенности 5 клк. На 14- и 21-й дни роста измеряли площадь второго листа. В конце эксперимента (21-й день) определяли сухую массу корней и побегов 10 растений высушиванием при температуре 95-97°С с досушиванием при 105°С.
На 21-й день определяли активность АПО. Для этого 1 г листьев растирали с 10 мл 50 мМ фосфатного буфера, рН 7.6, добавляли 0.3 г поли-винилпирролидона и центрифугировали 10 мин при 8000 g. Реакционная смесь состояла из 50 мкл 0.1 мМ ЭДТА, 50 мкл 0.05 мМ аскорбиновой кислоты, 50 мкл 0.1 мМ Н202, 2.55 мл 50 мМ фосфатного буфера, рН 7.6, и 300 мкл растительного экстракта, полученного после центрифугирования гомогената. Оптическую плотность регистрировали на спектрофотометре СФ-46 при 290 нм против контроля, не содержавшего ферментного экстракта. В качестве меры активности АПО использовали понижение оптической плотности за первые 30 с реакции, при расчете активности использовали коэффициент молярной экстинкции £ = 2.8 мМ-1 см-1 и выражали в ммоль/(г мин) [23].
Состояние мембран определяли в последний день опыта по выходу электролитов из высечек листьев (диаметром 1 см) в дистиллированную воду на кондуктометре 0К-102 ("Radelkis", Венгрия) с платиновым электродом при частоте 3 кГц [24]. Для этого брали 5-6 параллельных усредненных навесок (по 0.5 г) высечек листьев, тщательно промывали их дистиллированной водой для удаления со срезов клеточного сока, обсушивали фильтровальной бумагой, заливали 100 мл дистиллированной воды при комнатной температуре (22°С) и выдерживали в течение 4 ч. Выход электролитов из листовой ткани в дистиллированную воду определяли по изменению электропроводности, вычитая из величины электропроводности вытяжки величину электропроводность дистиллированной воды. Полный выход электролитов определяли по электропроводности той же вытяжки после разрушения мембран кипячением. Результирующий выход электролитов рассчитывали в процентах от полного выхода [24].
Все опыты повторяли три раза, в каждом из них было от 3 до 10 биологических повторностей.
Таблица 1. Влияние ТМ и регуляторов роста на всхожесть семян кукурузы (% от общего количества высаженных семян)
Вариант Н2О 1 мМ 7П2+ 5 мМ 7П2+ 1 мМ №2+ 5 мМ №2+
Контроль 87 ± 2 70 ± 1 68 ± 2 75 ± 3 68 ± 2
Кинетин 95 ± 2 95 ± 2 93 ± 2 93 ± 2 70 ± 1
Тидиазурон 95 ± 1 85 ± 2 76 ± 1 93 ± 2 77 ± 2
Таблица 2. Влияние ТМ и регуляторов роста на ростовые параметры проростков кукурузы на 7-й день (мм)
Вариант Н2О 1 мМ 7П2+ 5 мМ 7П2+ 1 мМ №2+ 5 мМ №2+
Контроль 74 ± 1.3 43 ± 1.2 24 ± 1.8 48 ± 1.3 29 ± 1.1
40 ± 2.1 24 ± 1.0 10 ± 0.1 32 ± 1.2 23 ± 1.2
Кинетин 90 ± 1.7 52 ± 2.6 34 ± 0.6 56 ± 1.8 37 ± 1.9
45 ± 2.5 32 ± 0.6 19 ± 0.1 40 ± 1.1 37 ± 1.0
Тидиазурон 92 ± 1.4 58 ± 1.6 35 ± 0.4 68 ± 2.3 45 ± 1.7
43 ± 1.9 28 ± 1.7 13 ± 0.2 39 ± 1.4 36 ± 1.1
Примечание. В числителе - длина побега, в знаменателе -длина корня.
Статистическую обработку проводили по данным всех опытов по стандартным методикам с использованием программы BЮSTAT.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Всхожесть семян
Всхожесть семян кукурузы при действии сублетальных концентраций ТМ была несколько подавлена (на 12-19% относительно контроля), при этом оба изученных иона ТМ оказали сходное действие (табл. 1). Исследованные препараты ци-токининового действия значительно снижали токсическое дейст
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.