Рост и онтогенетическая координация роста органов проростка пшеницы озимой в условиях воздействия факторов среды: мониторинг процессов

Сидорович М.М., Кундельчук О.П.

Рост и онтогенетическая координация роста органов проростка пшеницы озимой в условиях воздействия факторов среды: мониторинг процессов биометрический пшеница проросток

Ключевые слова: рост, онтогенетическая координация роста органов проростка, антропогенный фактор среды, биометрические показатели фитотеста

В статье описана возможность использования 6 биометрических параметров проростка пшеницы озимой для создания экспресс методики определения экологической безопасности антропогенного фактора среды. Она содержит фактор-эталон, оказывающий существенное негативное воздействие на живую систему; фактор-эталон, который является практически экологически безопасным для организма, и их характеристику как совокупности изменений показателей роста и координации роста органов проростка пшеницы в процессе его формирования.

Сидорович М.М., Кундельчук О.П.

Ріст та онтогенетична координація росту органів проростка пшениці озимої в умовах впливу факторів середовища: моніторинг процесів

Ключові слова: ріст, онтогенетична координація росту органів проростка, антропогенний фактор середовища, біометричні показники фітотеста.

В даній статті описана можливість використання 6 біометричних параметрів проростка пшениці озимої для створення експрес методики визначення екологічної безпеки антропогенного чинника середовища. Вона містить фактор-еталон, що робить істотний негативний вплив на живу систему; фактор-еталон, який є практично екологічно безпечним для організму, і їх характеристику як сукупності змін показників зростання і координацію росту органів проростка пшениці в процесі його формування.

Рост уровня антропогенной нагрузки на природные экосистемы требует разработки простых в использовании и эффективных по результативности тестовых методик, позволяющих оценить уровень экологической безопасности конкретного антропогенного фактора. Целью настоящего исследования стало создание такой экспресс методики на основе метода фитотестирования. Для этого в ходе работы необходимо было подобрать фактор-эталон, оказывающий существенное негативное воздействие на живую систему, фактор-эталон, который является практически экологически безопасным, а также комплекс показателей, которые позволят дать объективную оценку уровня экологической безопасности тестируемого антропогенного фактора. В качестве таких простых и максимально объективных индикаторов внешнего воздействия нами предложено использовать наряду с общепризнанными ростовыми параметрами также показатели онтогенетической координации роста органов растений. В исследовании последнее понятие охватывает координацию роста основных органов проростка в ходе его формирования. Известно, что ведущим биометрическим индикатором, который характеризует онтогенетическое развитие организма, является отношение длины корня к длине побега (стебля). В современной научной литературе именно этот показатель - надежный параметр влияния факторов окружающей среды на формирующийся растительный организм. Так, изменение показателя отношения длины корня к длине побега было выявлено в ответ на засуху у проростков сосны [15], кукурузы [10] и пшеницы [5,8]. А.Я. Боме и Н.А. Боме показали, что снижение температуры в период прорастания пшеницы яровой существенно влияло на названный показатель [2]. В ответ на стресс NaCl- засоление зарегистрировали изменение отношения длины корня к длине побега у проростков тритикале [8], высокогорных растений Chenopodium quinoa Willd. [13] и сафлоры Carthamus tinctorius L. [9]. Известно, что в природных экосистемах растения выделяют в окружающую среду вещества, которые обладают аллелопатическим эффектом, т.е. они способны влиять на рост соседних растений, замедляя или ускоряя его. Обработка проростков сорняка портулака Portulaca oleraces L. водным экстрактом растений Salvia officinalis L. и полыни белой Artemisia sieberi Bess. для выявления их возможного аллелопатического действия показала: экстракты тестируемых растений влияют на длину корней и побегов портулака, на отношение длины корня к длине побега [12].

Отношение длины корня к длине побега эффективно используют не только для оценки уровня ответа растительного организма на действие природных, но антропогенных факторов. Например, экспонирование проростков гороха Vicia faba на растворах, содержащих вытяжку из сточных вод городской свалки (экссудат муниципального шлака), выявило не только нарушение роста растений (длины корней и побегов), но и изменения в значениях показателя координации роста основных органов проростка, что свидетельствовало о токсичности тестируемых растворов [14].

В ряде работ показана динамика отношения длины корня к длине побега при докритическом и критическом уровнях стрессового воздействия на растительный организм. Так, дефицит воды приводит к росту этого отношение у проростков Swietenia macrophylla King: чем более

засушливыми являются условия - тем больше увеличивается длина корней проростков, а длина побегов при этом уменьшается; однако, при критическом уровне недостатка воды, длина корней также снижается [6]. Загрязнение окружающей среды нефтью приводит к замедлению роста в длину и корней, и побегов Leucanthemum vulgare. При этом величина показателя координации роста этих органов увеличивается при концентрации нефти 2,5%-7,5% (w/w), а затем - снижается, при концентрации нефти 10% (w/w) [11].

Анализ приведенных выше работ по онтогенетической координации роста органов пророста в условиях действия разнообразных факторов среды показал, что вопрос мониторинга изменений указанного процесса при формировании нового растительного организма все еще остается открытым. Недостаточно освещены в литературе вопросы описания разновидностей координации органов проростка и их чувствительности к факторам среды, не дана сравнительная характеристика по названному признаку ростовых и координационных процессов в формирующемся растительном организме. В собственных предыдущих исследованиях было показано, что у проростков пшеницы процесс координации роста органов в условиях внешнего воздействия отличается большей стабильностью, чем рост [1,4].

Таким образом, введение в перечень биометрических параметров, используемых при фитотестировании, показателей, которые связаны с разными видами координацией роста органов и отслеживание их динамики в процессе формирования проростка, позволит более точно оценить степень потенциальной опасность антропогенного фактора для живого тест - объекта.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В исследовании для получения проростков - фитотеста - использовали семена пшеницы озимой Triticum aestivum L. Их прорастили по общепринятой методике 2,5 суток при t=26°C на фасованной воде "Малятко" (контроль) и в экспериментальных условиях. Последние охватывали проращивание семян при действии низкой плюсовой температуры (при t = 7-10оС в течение 4 час), на промышленной сточной воде с масло-сырзавода, после суточной обработки семян синтетическим регулятором роста растений - комплексом спирокарбона с янтарной кислотой (СЯ) в концентрациях 10-5 (-5) и 10-4 (-4) моль/дм 3 (Речицкий, Пилипчук, 2010). Таким образом, в исследовании моделировали действие двух разновидностей факторов среды на процесс формирования проростка: абиотического (температурного) и антропогенных (промышленной сточной воды и синтетического регулятора роста растений). Была использована методика визуальных наблюдений и общепринятые биометрические методики. На 1, 1,5, 2 и 2,5 сутки формирования проростка измеряли длину главного корня (Leк), длину колеоптиля (Lu), длину максимально большого придаточного корня (Lдк). На основании первичных данных вычислили значения отношений Lк/Lгк, Lк/Lдк, Lдк/Lгк. Первая группа показателей - ростовые параметры, вторая - параметры 3-х видов онтогенетической координации роста органов проростка Средние значения указанных показателей устанавливали по формуле хср. ± t5, достоверность отличий - с помощью t-критерия на репрезентативных объёмах выборок с р=0,05. Статистическая обработка выполнена с использованием ресурса Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Низкая плюсовая температура. Визуальные наблюдения

зафиксировали незначительную задержку роста проростков только на 1 сутки их формирования (рис. 1).

Рис.1. Проростки Triticum aestivum L. на 1 и 2 сутки проращивания: +t - контрольные температурные условия; -t - экспериментальные температурные условия.

В таблице 1 приведены обобщённые результаты по длине органов проростка. Статистическая обработка полученных данных показала отсутствие существенных изменений длины ведущих органов проростков в условиях действия абиотического фактора, исключения составил рост придаточных корней.

Таблица 1

Динамика ростовых показателей проростков пшеницы озимой во время их формирования в мониторинге кратковременного действия низкой плюсовой температуры

°- значения, достоверные по горизонтали; - значения, достоверные по вертикали

Анализ динамики трёх биометрических показателей, которые характеризуют координацию роста этих органов (см. табл. 2), свидетельствует о том, что достоверные изменения в динамике показателя Lк/Lдк в эксперименте являются более существенными, чем в контроле: он с 1 по 1,5 сутки достоверно отличался от контрольного. Вместе с тем, и в контроле, и в эксперименте с 1 по 2,5 сутки имело место достоверное колебание значений Lк/Lдк, что в конце формирования проростков привело к значительному его уменьшению, по сравнению с 1 сутками проращивания в обоих группах проростков.

Таблица 2

Динамика показателей координации роста органов проростков пшеницы озимой во время их формирования в мониторинге кратковременного действия низкой плюсовой температуры

°- значения, достоверные по горизонтали; - значения, достоверные по вертикали

Таким образом, кратковременное действие низкой плюсовой температуры изменило координацию роста колеоптиля относительно дополнительных корней: колеоптиль затормозил свой рост относительно этого органа проростка. Динамика других биометрических показателей процесса координации (Lк/Lгк и Lдк/Lгк) и контрольных, и экспериментальных групп в ходе формирования проростка была подобной.

Достоверные отличия зарегистрированы только в конце периода проращивания. Визуальные наблюдения и мониторинговое исследование проведенное методом фитотестирования, позволили охарактеризовать действие исследованного абиотического фактора на рост и координацию роста органа проростка пшеницы озимой в процессе его формирования:

1. Кратковременное действие низкой плюсовой температуры не существенно влияет на рост и координацию органов проростка.

2. В указанных условиях только у придаточных корней было выявлено существенного торможение ростовых процессов.

3. Из 3-х разновидностей более чувствительной к действию исследуемого фактора была координация роста колеоптиля относительно придаточных корней. В экспериментальной группе проростков достоверные отличия процесса от контрольного регистрировали только на первых стадиях проращивания.

4. Выявленная незначительная чувствительность исследуемых процессов к низким плюсовым температурам, по-видимому, обусловлена общими адаптационными свойствами пшеницы озимой к действию данного фактора.

Промышленная сточная вода. Визуальные наблюдения на протяжении всего периода экспозиции за действием антропогенного фактора (промышленной сточной воды) на рост и онтогенетическую координацию роста органов проростков пшеницы озимой зафиксировали замедление роста растений экспериментальной группы по сравнению с контрольной. В ней за это время прогрессивно увеличилось количество поврежденных семян (см. рис. 2).

1 сутки 2,5 сутки повреждённые проростки в Е

Рис. 2. Проростки Triticum aestivum L.. на 1 и 2,5 сутки проращивания.

Где: К - контрольные условия, Е - экспериментальные условия проращивания.

Биометрические данные, которые содержит таблица 3, существенно уточняют сказанное выше.

Так, ростовые показатели трех исследованных органов экспериментальных проростков Тг. аestivum демонстрируют достоверное снижение значений по сравнению с контрольными в течение всего периода наблюдения. Полученные результаты свидетельствуют о существенном токсическом воздействии данного антропогенного фактора на этот процесс растительного организма. Анализ динамики показателей, которые отражают координацию роста органов проростков пшеницы озимой в ходе их формирования (см. табл. 4), показал, что контрольные значения Lк/Lдк имели чёткую тенденцию к снижению с 1 по 2 сутки. При этом в интервале с 1,5 до 2 суток наблюдалось почти 2 -кратное их падение. В экспериментальной группе такая тенденция четко не прослеживалась, что совпадало с достоверными отличиями значений ее Lк/Lдк от контрольных.

Таблица 3

Ростовые показатели проростков во время их формирования в мониторинге действия промышленной сточной воды

°- значения, достоверные по горизонтали; - значения, достоверные по вертикали.

Таблица 4

Показатели координации роста органов проростков в период их формирования в мониторинге действия промышленной ^ сточной воды

° - значения, достоверные по горизонтали; - значения, достоверные по вертикали.

Динамика значений другого показателя координации Lдк/Lгк свидетельствовала о том, что он с 1 по 2,5 сутки проращивания в контроле показал резкое 7-кратное увеличение значений против приблизительно 2,5 -кратного в экспериментальной группе. Рост значений этого показателя в эксперименте начался только после 1,5 суток проращивания. Обнаруженные изменения статистически достоверны. Проведенное исследование позволило составить характеристику воздействия одной из разновидностей антропогенного фактора среды на рост и координацию роста органов проростка пшеницы озимой в процессе его формирования:

1. Промышленная сточная вода крайне негативно воздействовала на рост и координацию роста органов проростков в ходе его формирования у Тг. аestivum.

2. Мониторинговое исследование продемонстрировало существенное торможение роста всех основных органов проростка в этот период.

3. Все исследованные разновидности онтогенетической координации роста органов показали высокий уровень чувствительности к действию данного антропогенного фактора во время формирования проростка.

4. Выявленные изменения имели как негативную, так и позитивную направленность в динамике исследуемых показателей этого процесса.

Синтетический стимулятор роста растений. Визуальные наблюдения не обнаружили существенные изменения роста в (-4) группе экспериментальных проростков, в то время как другая группа аналогичных проростков (-5) продемонстрировала некоторое ухудшение роста дополнительных корней и колеоптиля по сравнению с контролем.

1,5 сутки 2,5 сутки

Рис. 3. Проростки Triticum aestivum L.. на 1,5 и 2,5 сутки проращивания.

Где: К - контрольные условия, (-4) - концентрация - 10"4 мол/дм 3 комплекса СБ, (-5) - концентрация 10-5 мол/дм 3 комплекса СЯ

Для конкретизации полученных данных проанализировали динамику биометрических показателей, которые характеризовали рост и координацию роста органов проростков в процессе их формирования после обработки семян двумя концентрациями синтетического комплекса СЯ. Таблицы 5 и 6 содержат такие данные вместе с результатами их статистической обработки.

Как свидетельствуют представленные данные таблицы 5, большая концентрация комплекса СЯ не существенно изменила и показатели роста, и параметры координации роста органов проростка. Для первой группы исключения составляют только 1 сутки: экспериментальные значения Lгк и Lк отличались от аналогичных контрольных. Процесс координации оказался еще более устойчивым, чем рост, к действию данного антропогенного фактора: динамика контрольных и экспериментальных показателей 3-х видов координации была аналогической при формировании проростка. Концентрация комплекса 10-5мол/дм 3 оказала на ростовые процессы и координацию роста органов проростка иное воздействие, чем описанное выше. Как свидетельствует таблица 6, она снизила рост органов по сравнению с контролем, особенно существенно у колеоптеля и придаточных корней. Для координации роста органов зафиксированы достоверные отличия на одном из этапов проращивания по 2 -х параметрам Lк/Lгк и Lк/Lдк.

Таблица 5

Обобщённые данные по динамике роста и координации роста органов проростков пшеницы озимой в мониторинге о действия комплекса спирокарбона с янтарной кислотой в концентрации 10"4 моль/дм 3

°- значения, достоверные по горизонтали; - значения, достоверные по вертикали.

Таблица 6

Обобщённые данные по динамике роста и координации роста органов проростков пшеницы озимой в мониторинге действия комплекса спирокарбона с янтарной кислотой в концентрации 10"5 моль/дм 3

°- значения, достоверные по горизонтали; - значения, достоверные по вертикали.

Сравнительный анализ данных 2-х выше приведенных таблиц позволил составить характеристику влияния синтетического стимулятора роста СЯ - антропогенного фактора среды - на рост и координацию органов пшеницы озимой в процессе его формирования:

1. Синтетический регулятор роста растений комплекс спирокарбона с янтарной кислотой в зависимости от концентрации продемонстрировал разную степень негативного воздействия на рост и координацию роста органов проростка в ходе его формирования.

2. Семена, обработанные концентрацией 10-4 моль/дм 3 СЯ формировали проростки, которые по длине и координации роста органов в значительной степени были подобными контрольным. Исключение составила только одна стадия их развития (1 сут.).

3. Мониторинговое исследование действия показало существенное торможение роста колеоптиля и придаточных корней во время формирования проростка при меньшей концентрации комплекса.

4. Онтогенетическая координация роста органов продемонстрировала незначительную чувствительность к действию такой дозы данного антропогенного фактора в процессе формирования проростка.

Далее в исследовании составили сравнительную характеристику действия абиотического и разновидностей антропогенных факторов на рост и онтогенетическую координацию роста органов проростков пшеницы озимой во время их формирования. Ее содержит в схематическом виде таблица 7. Как свидетельствует данная таблица, более высокая концентрация СЯ является фактором, который меньше всего влияет на рост и координацию роста органов. Наибольшее воздействие на процесс формирования проростков оказала промышленная вода: её существенному действию в процессе формирования проростков подверглись и рост, и координация роста органов проростков.

Таблица 7

Сравнительная характеристика действия факторов различной природы на проростки ^ пшеницы озимой во время их формирования

{+} - стимуляция (увеличение), {-} - торможение (уменьшение), {М}- процесса (показателя) в мониторинге формирования проростков пшеницы озимой (мониторинговыми изменениями показателя считали такие, которые имели место на 2-х и более этапах формирования проростка).

Другие исследованные факторы имели промежуточный характер влияния на указанные процессы. Данные в указанной таблице позволяют рассматривать комплекс СЯ в концентрации 10-4 моль/дм 3 как антропогенный фактор с высоким уровнем экологической безопасности, а промышленную сточную воду как фактор среды, оказывающий существенное токсическое воздействие на организм. В целом исследованные факторы по степени возрастания негативного влияния на процессы роста и координации роста органов проростков пшеницы на протяжении их формирования можно проранжировать следующим образом:

Промышленная вода > СЯ 10"5 моль/дм 3 > Низкая +t° > СЯ 10"4 моль/дм 3

Незначительное действие низкой температуры +t° на исследуемые процессы, по-видимому, связано с наличием у пшеницы озимой адаптаций к данному фактору. Установленные существенные различия влияния двух концентраций комплекса СЯ вызвано наличием у него биостимулирующих свойств: близкие концентрации способны оказывать разнонаправленное влияние на процессы у растений. Для исследованного комплекса такие свойства были описаны нами в предыдущих публикациях (Сидорович и др.,2013; Баканча и др.,2015).

Таким образом, в исследовании была создана экспресс-методика определения степени негативного воздействия антропогенных факторов на организм с использованием 6 биометрических параметров, которые характеризуют рост и координацию роста органов проростка пшеницы (фитотеста). Она содержит фактор-эталон, оказывающий существенное негативное воздействие на живую систему (промышленная сточная вода), фактор-эталон, который является практически экологически безопасным (синтетический стимулятор роста растений в концентрации 10-4 моль/дм 3) для организма и их характеристику как совокупности изменений показателей роста и координации роста органов проростка пшеницы озимой в процессе его формирования.

Предметом дальнейших исследований является использование данной методики в скрининге широкого спектра антропогенных факторов среды для выяснения степени их экологической безопасности.