Влияние кофеина на всхожесть семян и развитие проростков Fagopyrum Esculentum M. и Linum Usitatissimum L.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЛИЯНИЕ КОФЕИНА НА ВСХОЖЕСТЬ СЕМЯН И РАЗВИТИЕ ПРОРОСТКОВ FAGOPYRUM ESCULENTUM M. И LINUM USITATISSIMUM L.

Гордеева И.В.,

Белышева Г.М.

Кофеин (1, 3, 7-триметилксантин), представляющий собой пуриновый алкалоид класса ксантинов, является широко известным стимулятором активности центральной нервной системы, входящим в состав разнообразных напитков и фармацевтических препаратов [1], [2]. Поскольку содержащие кофеин напитки, такие как кофе, чай, какао и пр., относятся к числу наиболее популярных во многих экономически развитых государств мира, то изучение воздействия данного соединения на различные виды живых организмов привлекает пристальное внимание исследователей уже на протяжении нескольких последних десятилетий [3-10]. Было установлено, в частности, что кофеин уже при субмиллимолярных концентрациях оказывает целый ряд физиологических эффектов, включая неселективное ингибирование фосфодиэстеразы, приводящее к повышению уровня циклического аденозинмонофосфата (цАМФ), активирование окисления жирных кислот, снижение внутриклеточной концентрации ионов калия путем гиперполяризации мембран, а также выступая в качестве антагониста аденозиновых рецепторов [2], [5]. Кроме того, известно, что кофеин играет важную роль в развитии резистентности организмов к бактериальным инвазиям путем повышения концентрации некоторых видов иммунопотентных клеток и усиления активности лизоцима, а также способен снижать летальный эффект ионизирующего излучения и усиливать ингибирующее воздействие таких антибактериальных агентов, как пенициллин и тетрациклин [1], [5].

На онтогенетическом уровне влияние кофеина наиболее изучено на примерах высших животных (в первую очередь млекопитающих) и микроорганизмов. Показано, что в первом случае данное соединение при длительном приеме в малых дозах способно вызывать серьезные проблемы со здоровьем, такие как повышение уровня адреналина, иррегулярная мышечная активность, сердечная аритмия и остеопороз [8], [10]. В случае микроорганизмов был выявлен однозначный ингибирующий эффект кофеина на рост и развитие колоний как бактериальных, так и дрожжевых культур, который зависел не только от концентрации вещества, но и от видовой принадлежности изучаемых объектов [4], [5], [11]. Однако воздействие кофеина на растительные клетки и организм в целом известно в меньшей степени. Ситуация осложняется тем, что само соединение относится к числу аллелопатических веществ - вторичных метаболитов, вырабатываемых целым рядом высших цветковых растений и способных обеспечивать последним ряд конкурентных преимуществ. Первая работа, посвященная изучению влияния кофеина на наиболее распространенные культурные растения, датируется еще началом ХХ века, а ее автор (F. Ransom) выявил однозначный негативный эффект данного соединения на ранние стадии онтогенеза всех экспериментальных видов, кроме Tropaeolum majus [12]. Аналогично A. Tanti и соавторы обнаруживают, что кофеин оказывает угнетающее воздействие на всхожесть семян и развитие проростков Borella hispida, усиливающийся по мере нарастания концентрации этого вещества [13]. Другие авторы (O. Montes и соавторы, M. Jadhav и соавторы) установили стимулирующее воздействие кофеина на ранние стадии развития некоторых видов семейств Solanaceae и Fabaceae[14], [15]. Очевидно, что в случае высших растений зависимость «доза-эффект» развития организмов от концентрации кофеина не является столь однозначной, как для животных и бактерий и во многом обусловлена видовой принадлежностью исследуемых объектов.

Настоящая работа посвящена исследованию влияния кофеина на всхожесть и ранние стадии онтогенеза двудольных растений, относящихся к различным семействам: гречихи посевной (Fagopyrum esculentum M.) и льна посевного (Linum usitatissimum L.) - зерновых и технических культур, широко распространенных в ряде регионов Российской Федерации. Представленный эксперимент производили в течение февраля-мая 2017 г. в лабораторных условиях в шестикратной повторности. Семена исследуемых растений культивировали в чашках Петри между листами фильтровальной бумаги (в чашку помещали по 20 семян гречихи или 30 семян льна), в которые вносили водный раствор кофеина в количестве 5 мл концентраций 0, 025%, 0, 05% и 0, 10% (по три чашки для каждой концентрации). Культивирование осуществляли при комнатной температуре (22-24 ⁰С) в течение 120 часов. Итоговую всхожесть определяли по завершении эксперимента и рассчитывали согласно стандартной методике [16]. Кроме того, регулярно, начиная со вторых суток культивирования, оценивали длину главного корешка, гипокотиля и массу проростков. Обработку результатов эксперимента производили с оценкой средних арифметических значений каждого из показателей по всем выборкам, на основании t-критерия оценивали достоверность различий между контролем и экспериментальными выборками.

На рис.1 отражены результаты определения итоговой всхожести проростков к завершению эксперимента. Как следует из представленных данных, кофеин начиная с концентрации 0, 05% оказывал негативный эффект на всхожесть семян гречихи; в то же время для льна посевного данная концентрация не являлась критической, более того, при низких концентрациях кофеина наблюдали даже незначительный положительный эффект для всхожести семян L. usitatissimum(96, 7% по сравнению с 93, 3% в контроле), который однако мог находиться в пределах экспериментальной погрешности. Четкий негативный эффект от воздействия данного вещества на прорастание семян начинает фиксироваться при концентрации 0, 10%, когда всхожесть семян льна составляет уже 87, 2%. Отметим, что в контрольных условиях всхожесть семян гречихи превышала во всех случаях аналогичный показатель для льна посевного, однако в дальнейшем по мере нарастания концентрации раствора кофеина картина изменяется (рис.1), хотя общая тенденция к незначительному снижению всхожести остается во всех экспериментальных выборках.

Рис.1 - Влияние кофеина на всхожесть семян гречихи посевной и льна посевного

Для сравнения влияния конкретных веществ на рост и развитие растений, относящихся к различным или одному виду, недостаточно оценить только всхожесть семян, но необходимо учесть также динамику изменения основных морфометрических показателей роста - длины надземной (гипокотиля), подземной (корневой) частей растений, соотношение этих показателей, а также массу проростков. В табл.1 объединены средние значения морфометрических параметров проростков гречихи посевной, а в табл.2 - проростков льна посевного по всем повторностям эксперимента через 72 ч и 120 ч культивирования. Результаты, отраженные в табл.1, демонстрируют, что, как и в случае со всхожестью семян, раствор кофеина всех использованных концентраций негативно влияет на оцениваемые величины, хотя масса проростков менее чувствительна к воздействию миллимолярного раствора, нежели другие ростовые показатели. Более того, отрицательный эффект от воздействия кофеина в большей степени сказывается на развитии подземного органа проростков F. esculentum, что согласуется с литературными данными: кофеин в первую очередь нарушает процессы митотического цикла в корневой меристеме [15]. Это подтверждается постепенным изменением соотношения длин главного корешка и гипокотиля в пользу второй величины по мере нарастания концентрации кофеина. Отметим также, что ингибирующее воздействие кофеина наиболее отчетливо фиксировалось на самых ранних стадиях развития проростков (экспозиция 72 часа), в дальнейшем эффект постепенно нивелировался.

Таблица 1 - Влияние кофеина на развитие проростков гречихи посевной

Примечание: ±, % - отклонение экспериментальных данных от контроля * - статистически достоверное различие между выборкой и контролем Р<0, 05.

Таблица 2 - Влияние кофеина на развитие проростков льна посевного

Примечание: ±, % - отклонение экспериментальных данных от контроля * - статистически достоверное различие между выборкой и контролем Р<0, 05; ** - Р< 0, 01

Данные, представленные в табл.2, свидетельствуют, что воздействие кофеина на развитие проростков L. usitatissimum также носит отрицательный характер, но по динамике изменения параметров существенно отличается от такового для F. esculentum. В первом случае через 72 ч культивирования средние значения длины гипокотиля во всех подвергшихся воздействию кофеина выборках достоверно не отличались от таковых в контроле, тогда как в случае льна посевного достоверный ингибирующий эффект данного соединения проявлялся уже в случае его минимальной концентрации (0, 025%) и эта тенденция сохранялась на протяжении всего эксперимента. Кроме того, у L. usitatissimum длина гипокотиля по мере нарастания концентрации кофеина уменьшается не в меньшей, а даже в несколько большей степени, нежели длина главного корня, что позволяет предположить, что для этого вида характерна равная чувствительность клеток надземной и подземной части растения к воздействию кофеина. Данный тезис подтверждается тем, что соотношение длина корня: длина гипокотиля у льна посевного в отличие от гречихи достоверно не изменяется по сравнению с контролем на протяжении всего эксперимента. Что касается влияния кофеина на массу проростков, то картина, представленная в табл.2, практически не отличается от данных табл.1: отрицательный эффект от воздействия соединения начинает проявляться только через 120 ч культивирования и при максимальной из использованных концентраций вещества - 0, 10%; во всех прочих случаях достоверных различий между экспериментальными выборками и контролем выявлено не было - сокращение продольных размеров проростков компенсировалось увеличением диаметра побега.

Результаты проведенного исследования позволяют сделать вывод об однозначно негативном воздействии кофеина (1, 3, 7-триметилксантина) на ранние стадии развития обоих исследуемых видов - Fagopyrum esculentum M. и Linum usitatissimum L., которое проявляется в уменьшении длины надземной части и корневой системы, выявляющемся уже в течение третьих-пятых суток эксперимента при минимальной концентрации данного соединения - 0, 025% и возрастающем по мере увеличения последней. Масса проростков во всех случаях эксперимента демонстрирует гораздо меньшую зависимость от наличия кофеина в водных растворах: достоверное снижение массы и для проростков льна посевного, и для проростков гречихи было зафиксировано лишь через 120 часов эксперимента при концентрации кофеина 0, 10%. Одновременно были выявлены особенности реакции проростков на кофеин, обусловленные видовой принадлежностью исследованных растений. У F. esculentum обратно пропорциональная зависимость между концентрацией вещества и морфометрическими параметрами в наибольшей степени наблюдалась для длины главного корня, что свидетельствует о большей чувствительности корневой меристемы к кофеину. В то же время у L. usitatissimum данное соединение оказывало достоверное ингибирующее воздействие на развитие гипокотиля, длина которого сокращалась уже в случае применения минимальных доз кофеина. Всхожесть семян была в меньшей степени подвержена воздействию этого вещества: незначительное снижение показателя начинает фиксироваться лишь при обработке выборок раствором кофеина максимальной концентрации - 0, 10%. В целом, проведенный эксперимент свидетельствует о достаточно высокой чувствительности F. esculentum и L. usitatissimum к кофеину в лабораторных условиях при длительном воздействии, которая, однако, носит видоспецифичный характер.

кофеин гречиха всхожесть посевной

Список литературы / References

1. Dash S. Inhibitory effect of caffeine on growth of various bacterial strains / S. Dash, S. Gummadi // Research Journal of Microbiology.- 2008.- Vol. 3 (6).- P.457-465.

2. Pesta D. The effect of caffeine, nicotine, ethanol, and tetrahydrocannabinol on exercise performance / D. Pesta, S. Angadi, M. Burtscher // Nutrition & Metabolism.- 2013.- Vol. 10(71).- URL: www.nutritionandmetabolism.com/content/10/71.

3. Nath J. Effects of caffeine and methylxanthines on the development and metabolism of sea urchin eggs / J. Nath, L. Rebhun // The Journal of Cell Biology.- 1976.- Vol.68.- P.440-450.

4. Gaul J. Caffeine and its effect on bacteria growth / J. Gaul, K. Donegan // The Journal of Biological Sciences.- 2015.- Vol. 1.- P.4-8.

5. Ramanaviciene A. Anti-bacterial effect of caffeine on Escherichia coli and Pseudomonas fluorescens / A. Ramanaviciene, V. Mostovojus, I. Bachmatova // Acta Medica Lituanica.- 2003.- Vol. 10.- No. 4.- P.185-188.

6. Raj C. Effect of naturally occurring xanthines on bacteria / C. Raj, S. Dhala // Applied Microbiology.- 1965.- Vol. 13.- No. 3.- P.432-436.

7. Zelensky A. Caffeine suppresses homologous recombination through interference with RAD51-mediated joint molecule formation / A. Zelensky, H. Sanchez, D. Ristic // Nucleic Acids Research.- 2013.- Vol. 41.- P. 6475-6489.

8. Simitha J. Effect of caffeine on morphological characteristics and biomass concentration of various microorganisms / J. Simitha, S. Rajapriya // International Journal of Recent Scientific Research.- 2015.- Vol. 6.- P.5621-5624.

9. Valster A. Caffeine inhibition of cytokinesis: effect on phragmoplast cytoskeleton in living Tradeskantia stamen hair cells / A. Valster, P. Hepler // Protoplasma.- 1997.- Vol. 197.- P. 155-166.

10. Agomuo E. Effect of caffeine on some selected biochemical parameters using rat model / E. Agomuo, M. Duru, B. Amadi // Hindawi. Advanced in Biology.- 2017.- URL: https://doi.org/10.1155/2017/9303276.

11. Hu L. Effect of caffeine concentration and incubation time on the cell concentration of wild-type Saccharomyces cerevisiae / L. Hu, T. Jeong, J. Kim // The Expedition.- 2016.- Vol. 6.- URL: http://ojs.library.ubc.ca/index.php/expedition/article/view/189116.

12. Ransom F. The effect of caffeine upon the germination and growth of seeds / F. Ransom // Bio-chemical Journal.- 1911.- Vol.12.- P.151-155.

13. Tanti A. Allelopathic potential of caffeine as growth and germination inhibitor to popular tea weed, Boreria hispida L. / A. Tanti, P. Bhattacharyya, S. Sandilya // Current Life Science.- 2016. - Vol. 2 (4).- P. 114-117.

14. Montes O. Doses of caffeine on the development and performance of pepper crops under greenhouse / O. Montes, F. Dianez, F. Camacho // Horticultura Brasileira.- 2014.- Vol.32.- No.4.- P.398-403.

15. Jadhav M. Study on effect of caffeine on growth of Vigna radiatа L. / M. Jadhav, N. Taur, S. Sapkal and others // International Journal of Advanced Research.- 2016.- Vol.4.- No.3.- P. 596-602.

16. ГОСТ 12038-84 Семена сельскохозяйственных культур: методы определения всхожести.- М.: Стандартинформ, 2011.- 64 с.

Размещено на Allbest.ru