О действии алюминия на проростки пшеницы при разных значениях рН среды культивирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

О действии алюминия на проростки пшеницы при разных значениях рн среды культивирования

Б.И. Сынзыныс, О.Г. Никольская, Н.В. Буланова, О.В. Харламова

Аннотация

На основе биотеста «отрезки колеоптилей пшеницы» оценивали фитотоксическое действие ионов алюминия в различных концентрациях и при разных рН среды культивирования на проростки пшеницы. Определяли митотический индекс, а также частоту и спектр аберраций хромосом при действии на проростки пшеницы AlCl3 в зависимости от рН среды.

ABOUT ALUMINIUM EFFECT ON WHEAT SEEDLINGS AT THE VARIOUS pH VALUES OF CULTIVATION MEDIUM

B.I. Synzynys, O.G. Nikol'skaya, N.V. Bulanova, O.V. Kharlamova

S u m m a r y

On basis of the biotest of «piece of wheat coleoptiles» the phytotoxic effect of different concentrations of aluminium ions at the various pH values of cultivation medium on wheat seedlings were estimated. The mitotic index and also the frequency and the spectrum of chromosomal aberrations during the AlCl3 action on wheat seedlings in connection with medium pH were determined. The reduced biomass of wheat seedlings was revealed under the influence of aluminium ions and pH 3,4-6,0. It was shown, that aluminium ions have genotoxic effect caused the formation of genome, chromatid and chromosome aberrations in the cells of apical meristem of roots.

Алюминий (Al) -- наиболее распространенный металл в литосфере и составляет 8,8 % массы земли. В природных водах Al присутствует в ионной, коллоидной и взвешенной формах, образует довольно устойчивые комплексы, в том числе органоминеральные (1). \В последнее десятилетие в значительной степени изменились взгляды на токсичность Al и его ионов (2-4). По мнению Kochian, токсичность Al является главной причиной недобора зерна при возделывании сельскохозяйственных культур на кислых почвах, которые в мире составляют до 40 % всех обрабатываемых земель (2).

Фитотоксичность Al характеризуется быстрым подавлением роста корней с последующим уменьшением усвоения питательных веществ и воды. Однако некоторые растения приспосабливаются к действию Al в фитотоксических концентрациях. При повышении кислотности почвенного раствора нерастворимые формы Al переходят в растворимые, и это способствует резкому повышению его концентрации в воде.

Поскольку растворимость Al определяется рН, то при рН 4,5 в растворе преобладают ионы Al3+, рН от 5,0 до 6,0 -- ионы Al(OH)2+, рН 7,0 -- Al(OH4)-. В почвенном растворе алюминий находится в виде ионов Al3+, Al(OH)2+, Al(OH4)-, и, начиная с определенной концентрации, эти ионы оказывают токсическое действие на многие виды растений, включая сельскохозяйственные (1-5). Концентрация Al в поверхностных водах обычно колеблется в пределах от 10-2 до 10-1 мг/л. Для питьевой воды ПДК Al составляет 0,5 мг/л (Россия) и 0,2 мг/л (США) (4, 6). При рН 4,5 практически весь Al из различных соединений переходит в форму ионов Al3+. В задачу нашей работы входила оценка действия Al на растения на основе биотеста, позволяющего регистрировать присутствие ионов Al, доступных растениям, в концентрациях, сравнимых по величине с ПДК Al для питьевой воды, и при различных значениях рН раствора.

Методика. Семена пшеницы сорта Элит обрабатывали растворами, содержащими AlCl3 в различных концентрациях: 0; 0,05; 0,25; 0,50; 1,00; 1,25; 2,50 и 5,00 мг/л. Для дополнительного контроля использовали растворы AlCl3 и KCl, рН которых составлял 3,4; 4,5; 5,0; 6,0; 7,0 и 8,0 (в исходный раствор добавляли HCl и NaOH). Раствор KCl готовили в такой же концентрации, как и AlCl3. Навески AlCl3 или KCl переносили в мерную колбу и полученный исходный раствор использовали посредством последовательных разбавлений для приготовления градуировочных растворов с доведением рН до требуемых значений. Фитотоксическое действие на растения пшеницы оценивали по приросту отрезков колеоптилей (1, 7, 8).

Для цитогенетического анализа семена пшеницы сорта Элит проращивали на фильтровальной бумаге в чашках Петри в исследуемых растворах и контроле в термостате при t = 25 оС в течение 48 ч. Контролем служили семена, подвергнутые -облучению (60Со): доза облучения -- 50 Гр; мощность дозы облучения -- 43 Гр/мин; доза, полученная семенами при спуске--подъеме камеры облучателя, -- 14,7 Гр; время облучения (t50Гр) -- 49,2 с. Этот вариант -облучения использовали в качестве контроля, так как для него имеются достоверные данные в литературе (9). Облученные семена проращивали в чашках Петри спустя 24 ч после облучения. Проростки, достигшие длины 5-10 мм, фиксировали в смеси этанола с уксусной кислотой в соотношении 3:1 при t = 4 оС в течение 2-12 ч. На временных давленых препаратах из апикальной меристемы корней, окрашенных ацетоорсеином, определяли частоту и спектр аберраций хромосом в клетках (10, 11). Для оценки цитогенетического действия Al, а именно нарушения деления клеток, мы использовали также растения традесканции, которая представляет собой удобный объект для изучения мутагенного и тератогенного действия радиации и химических веществ (12).

Статистическую обработку данных проводили по стандартным биометрическим методам; достоверность различия экспериментальных выборок оценивали по критериям Стьюдента и 2 (при n = 10, Р = 0,95).

Рис. 1. Прирост биомассы проростков (а) и длины отрезков колеоптилей (б) пшеницы под влиянием AlCl3 и KCl в концентрации 5 мг/л (10 ПДК) в зависимости от рН среды культивирования: 1 -- контроль (дистиллированная вода); 2 -- AlCl3; 3 -- KCl.

Результаты. Основным показателем экотоксикологического действия алюминия мы выбрали прирост биомассы проростков пшеницы (2, 3, 13). На всхожесть проростков не оказывали влияния как присутствие ионов Al в концентрациях 0-5 мг/л (соответствует 0-10 ПДК для питьевой воды), так и изменение рН растворов от 3,4 до 8,0. Однако и уменьшение, и увеличение рН растворов действовало угнетающе на рост корней и стеблей, а в результате -- на прирост биомассы проростков пшеницы, причем наибольший показатель отмечен при рН 5,0 (рис. 1, а). Присутствие в среде ионов Al в концентрации 5 мг/л в еще большей степени угнетало рост стеблей и корней. Следует отметить тот факт, что достоверные различия по приросту биомассы проростков наблюдались лишь при рН 4,5-6,0 (см. рис. 1, б). При дальнейшем увеличении кислотности или щелочности среды эти различия исчезали, то есть основным фактором подавления роста были ионы водорода.

В работах различных авторов на самых разнообразных растительных объектах (от Allium cepa до Vicia faba) показано, что Al по-разному действует на рост корней и проростков (2, 3). Широко распространено мнение, согласно которому ионы Al подавляют рост корней и пластичность клеточных стенок. Как полагают, клетки корней характеризуются симплазным ростом, поэтому остановка удлинения клеток внешних слоев при одновременном увеличении размеров остальных приводит к разрыву оболочек клеток, прекративших рост. Именно так, по-видимому, и происходит при ограниченном поступлении Al в ткани корня. При достаточно высоких концентрациях Al во внешней среде ионы последнего проникают настолько глубоко, что оставшаяся часть способных к росту клеток не в состоянии разорвать окружающую ее и переставшую расти ткань; при этом удлинение корня прекращается (14). В условиях, в которых был проведен наш эксперимент, концентрация ионов Al в растворе, вероятно, была недостаточно высокой для полного ингибирования роста корня, либо устойчивость пшеницы сорта Элит к действию ионов Al отразилась на скорости поступления Al в растущую зону корня.

Как установлено, при рН 4,5-6,0 ионы Al замедляют рост стебля пшеницы (2, 3). Мы проверили это предположение, применив биотест «отрезки колеоптилей пшеницы» для оценки влияния Al на степень растяжения и деление клеток. Этот биотест (разработан в Обнинском НПО «Тайфун» в 1993 году для контроля загрязнений среды тяжелыми металлами) позволяет определить общую фитотоксичность химического элемента, его соединений или смеси различных элементов. Дополнительным контролем служил KCl в эквимолярной концентрации, который не подавляет прирост отрезков колеоптилей. При концентрации Al в среде культивирования 5 мг/л прирост отрезков колеоптилей был примерно в 2 раза меньше при рН 3,4-6,0, чем в контроле (см. рис. 1, б). Ионы К и Cl при тех же значениях рН не оказывали угнетающего действия на рост колеоптилей, а при рН 7,0, наоборот, наблюдалось увеличение прироста последних по сравнению с контролем.

Рис. 2. Митотический индекс (%) клеток апикальной меристемы корней пшеницы в зависимости от концентрации ионов Al при рН среды культивирования 5,5 (а) и в зависимости от рН среды при концентрации ионов Al 0,5 мг/л (1 ПДК) (б).

Уменьшение прироста биомассы растений пшеницы (а в условиях агроэкосистем и продуктивности), видимо, отчасти обусловлено действием Al на растяжение клеток стебля (2, 3). Другая возможная причина негативного влияния Al -- ингибирующее действие на деление клеток меристемы корней. Для проверки этого предположения мы исследовали при разных рН среды влияние AlCl3 в различных концентрациях на митотический индекс клеток апикальной меристемы корней пшеницы (рис. 2, а).

Наиболее существенное снижение митотического индекса (с 8,71 до 7,1 %) наблюдалось при концентрации ионов Al 0,05 мг/л (0,1 ПДК); до концентрации последних 0,5 мг/л (1 ПДК) происходило равномерное уменьшение числа делящихся клеток. При увеличении концентрации ионов Al до 1 мг/л митотический индекс снизился в 2 раза (3,94 % против 8,71 % в контроле), а начиная с концентрации 1,25 мг/л (2,5 ПДК) -- стабилизировался. Следовательно, поступление ионов Al в клетки и ткани апикальной меристемы корней пшеницы характеризуется двухфазностью, причем продолжительность первой фазы зависит от концентрации AlCl3 в растворе (3, 6, 14).

Достоверно значимое снижение митотического индекса происходило при концентрации ионов Al 0,5 мг/л (1 ПДК), которая и была выбрана нами для оценки влияния на этот показатель рН раствора (см. рис. 2, б). Выявлена лишь тенденция к уменьшению митотического индекса при снижении или повышении рН соответственно до 3,4 и 8,0.

С целью выявления причин снижения митотического индекса мы провели цитогенетический анализ клеток апикальной меристемы корней с помощью анафазного метода (7, 11). Частота аберрантных клеток достоверно увеличивалась по сравнению с контролем, начиная с концентрации ионов Al 0,25 мг/л, и достигала максимума при таковой 0,5 мг/л (1 ПДК) (рис. 3, а). Аберрации были представлены в основном геномными (51,7 %) и хроматидными (41,5 %) нарушениями; на долю хромосомных аберраций приходилось 6,8 %. При дальнейшем увеличении концентрации ионов Al частота аберрантных клеток снижалась до 3,2 % и далее практически не изменялась. Обращает на себя внимание тот факт, что доля аберрантных клеток достигала максимума при невысоких концентрациях ионов Al. По-видимому, основной мишенью действия Al при концентрации в растворе 0,5 мг/л было ядро клетки. При повышении же концентрации ионов Al в растворе с 1,25 до 5 мг/л деление клеток было, вероятно, в значительной степени подавлено, что не позволяло зарегистрировать аберрации, которые могли бы возникнуть.

Рис. 3. Частота аберрантных клеток (%) в апикальной меристеме корней пшеницы в зависимости от концентрации ионов Al при рН среды культивирования 5,5 (а) и в зависимости от рН среды при концентрации ионов Al 0,5 мг/л (1 ПДК) (б).

Представляло интерес проанализировать частоту аберрантных клеток в зависимости от рН раствора, содержащего ионы Al в концентрации 0,5 мг/л (1 ПДК). Частота аберрантных клеток при увеличении рН от 3,4 до 5,0 снижалась, от 5,0 до 6,0 -- оставалась постоянной, от 6,0 до 8,0 -- вновь снижалась (см. рис. 3, б). При выпадении «кислотных дождей», когда в окружающую среду выделяется большее количество ионов Al из различных соединений, частота аберрантных клеток в корнях пшеницы должна существенно возрастать. Следовательно, наряду с подавлением процесса растяжения клеток растений пшеницы Al тормозит деление клеток меристемы корней и вызывает хромосомные аберрации.

При культивировании соцветий традесканции в дистиллированной воде частота репродуктивно неполноценных волосков тычиночных нитей составляла около 3 %, а при концентрации в растворе AlCl3 0,5 и 5,0 мг/л -- соответственно 10 и 16 %. Аномалий в развитии волосков тычиночных нитей в условиях этого эксперимента не обнаружено. Таким образом, по данным проведенных нами исследований алюминий обладает как фитотоксическим, так и генотоксическим действием. Токсичность алюминия зависит как от концентрации ионов, так и от рН почвенной среды. При этом основным визуальным признаком повреждения растений при избытке ионов алюминия в среде является подавление роста корней, сопровождающееся нарушениями морфологии и физиологии поглощающих органов. Токсический эффект под влиянием кислотности раствора (ионы Н+) гораздо меньше по сравнению с таковым, обусловленным подвижными ионами алюминия.

Присутствующие в растворе ионы алюминия, вызывают снижение биомассы растений. Применение биотестов для оценки устойчивости растений к подвижным соединениям алюминия позволит увеличить количество методов и способов борьбы с токсичностью, идентифицировать наиболее устойчивые формы, а также целенаправленно конструировать сорта сельскохозяйственных культур, толерантные к ионам алюминия.

фитотоксический алюминий культивирование пшеница

Литература

1. Т у л у п о в П.Е., Л а п и н а Н.Ф., Л а с т о ч к и н а Л.А. и др. Загрязнение атмосферы и почвы. М., 1991: 41-50.

2. M a J.F. Role of organic acids in detoxification of aluminum in higher plants. Plant Cell. Physiol., 2000, 41(4): 383-390.

3. K o c h i a n L. Cellular mechanisms of aluminum toxicity and resistance in plants. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol., 1995, 46: 237-280.

4. Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I-IV групп /Под ред. В.А. Филова. Л., 1988: 209-227.

5. V a n G e s t e l C.A.M. Scientific basis for extrapolating results from soil ecotoxicity test to field conditions and the use of bioassays. In: Ecological risk assessment of contaminants in soil. Ecol. Ser. /Eds. N.M. Van Straalem, H. Jkke. London, 1997, 5: 25-50.

6. Toxicological profile for aluminum U.S. department of health and human services. Agency for toxic substances and disease registry. Atlanta, 1997.

7. П а у ш е в а З.П. Практикум по цитологии растений. М., 1988.

8. Е г о р о в а Е.И., Б е л о л и п е ц к а я В.И. Биотестирование и биоиндикация окружающей среды. Уч. пос. Обнинск, 2000.

9. Руководство по краткосрочным тестам для определения мутагенной активности. Сер. Гигиенические критерии охраны окружающей среды. ВОЗ, Женева, 1991.

10. Биотест: интегральная оценка здоровья экосистем и отдельных видов /Под ред. Д.М. Кларка, В.М. Захарова. М., 1993.

11. Г е р а с ь к и н С.А., З я б л и ц к а я Е.Я., У д а л о в а А.А. Закономерности индукции -излучением структурных мутаций в корневой меристеме проростков семян гексаплоидной пшеницы. Радиационная биология. Радиоэкология, 1995, 35, 2: 137-149.

12. С п э р р о у А.Х., Ш е й р е р Л.А. Возникновение соматических мутаций в Tradescantia под действием химических мутагенов ЭМС и ДБЭ и специфических загрязнителей атмосферы O3, SO2, NO2, N2O. В сб.: Генетические критерии загрязнения окружающей среды /Под ред. Н.П. Дубинина М., 1975: 275-295.

13. A r d u i n i I., K e t t n e r C., G o d b o l d D.L. e.a. pH influences on root growth and nutrient uptake of Pinus pinaster seedlings. Chemospere, 1998, 36: 733-738.

14. К л и м а ш е в с к и й Е.А., Д е д о в В.М. О локализации механизма ингибирующего рост действия Al3+ в растягивающихся клеточных стенках. Физиол. раст., 1975, 22, 6: 1183-1190.

Размещено на Allbest.ru