Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДЕЙСТВИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА РАСТЕНИЯ

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДЕЙСТВИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА РАСТЕНИЯ"



На правах рукописи

/

РИКЕЛЬМЕ ДИАС Хорхе Хосуэ

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДЕЙСТВИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА РАСТЕНИЯ

Специальность 03.00.12 — физиология растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 1999

0.и -7 '

С

Работа вышпныи в лаборатории регуляторов р «.та и ра.-В1.1|я сель^л )хо ¡яйстве.шых растег 1й Московский с^ль скохозяйств^нь зй академии имени К А Тимирязева

На\чный р%човсд,.тель — доктор биолсгичеслих паук П. Б. Курапов.

Официальные оппснснты доктор биолог'ческ IX наук, про фессор Н. И. Новиков, кандидат биологических наук, доцент В. Т. Старикова.

Всд\щее учреждение — Всероссийский научно исследовательский институт сельскохозяйственной биотсхнолога (

Защита состоится < 1999 г

в « № * часов на заседании дис^сртацисч юго <овета Л 120 35 07 в Московской сельскохозяйственной а\адечли имени К А Тимирязева

Адрес 127510, Мссква, Тимирязевская ул 49 Ученый совет МСХА

С диссертацией мс жпо ознакомиться в ЦНБ МСХ\ Автореферат разослан « Л/""» 19^9 г

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат сельскохозяйственных гаук

Н. П. Карсункина

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Всвязи с интенсивной деятельностью человека и бурным развитием промышленности наблюдается значительное увеличение объема химических отходов, сбрасываемых в воздух, воду и на поверхность почвы, которые представляют собой реальную угрозу для живого мира планеты и, в частности, для растений.

'Зто антропогенное явление породило новый, раннее не свойственный растениям вид стресса. Этот вид стрессового воздействия имеет свои особенности. В отличие от таких достаточно хорошо изученных "естественных" стрессовых факторов как засуха, затопление, низкие или высокие температуры, которые носят сравнительно краткосрочный характер и, как правило, не затрагивают весь период вегетации растений, накопление тяжелых металлов в почве происходит постепенно (за исключением достаточно редких крупных разовых выбросов). Стресс, вызванный тяжелыми металлами, носит продолжительный затяжной характер и затрагивает все стадии развития растения от "'семени до семени". Растение' развивается в условиях постоянного и достаточно равномерного экологического давления, имея время на запуск адаптационных н компенсаторных механизмов, одним из которых может быть изменение его гормонального баланса и формирование различных физиолого-биохимических защитных механизмов,

препятствующих поступлению токсичных элементов.

Повышенные концентрации тяжелых мешллов могут приводить к общим малоспецифическим физиологическим и биохимическим ¡изменениям. В качестве наиболее общих проявлений стресса, обусловленного,.избытком тяжелых металлов, выделяются: повреждение мембран, ^изменение активности ферментов, ингибнрованме роста корней. Отмеченные нарушения ведут к целому ряду вторичных эффектов, " таких "как гормональный, дисбаланс, дефицит необходимых химических элементов, ингибирование фотосинтеза, нарушение передвижения фотоассимилятов, изменение водного, режима и другие, которые в свою очередь тормозят рост и снижают эффективность семенного размножения растений.

Растения в первую очередь защищают от внешних воздействий репродуктивные органы, поэтому в нашей работе мы уделили значительное внимание действию тяжелых металлов на пыльцу растений, развитие плода, формирование семян.

Цель и задачи, исследований. Целью настоящей работы являлось изучение реакции растений в условиях "затяжного" стресса, вызванной действием тяжелых металлов. ' • •• •- • ■- ■ •

В задачи исследований входило: ' ' ' .

1. Изучение накопления т яжелых'металлов в растениях томата. , >;

2. Исследование морфологических и физиологических особенностей роста и развития растений под действием тяжелых металлов.

Зч Изучение динамики" гормонального баланса растении томата в условиях "затяжного" стресса 1 ■■

/ ЦЕНТРАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА Моск. с • •. •. ¡двмии

Инв.

4 Ичснис влияния |яжелн\ vician юв на npopiciaiHie и рост пыльцевой трубки в ус ювиях

- действия тяже 1ых мсчаллов н процессе pocia пыльцевом грубки,

- действия тяже 1ых мыал юв п i стадии софевання иы и.цсвого зерна,

- формирования пыльцевого icpiu при постоянном воздействии тяжелых металлов

5 И|ученне влияния 1мже1ы\ металлов на ссмепнмо продуктивность томатов

Научная ношнна. В pa6oic впервые показано чт coi даваемый тлел ими металлами ыитенный cipccc специфическим обра юч меняет юрмонапьный баланс и окашвает в шнние на различные opiama растения, в н>м числе и на репро активные (пылми семя плох)

Показано, что \ растения ф\ нкционнруст несколько юн защиты, препятствующих проникновению и действию тяжелых мыалюв, причем максимальная >ащ>па осущссгвляетси на уровне репродукшвных органов, особенно пыльны, для ноторои установпена повышенная чунсгвитеаышсть к теиствию загрязните icn

Установлено что существует тесная вмичосвязь между прорастанием пыльцевых lepen, длиной пыльцевой трубки, завжыванием и формированием плодов Чем меньше жизнеспособноегь пыльцы, icm меньше продуктивность

Предложен жспресс-мегод аналша качества воды на основе биотестирования с использованием <амеров скорости прорастания пыльцы m vitro

Практическая шачимпсть работы. Peiynbiaibi исследований дополняют современные прс давления о во i действии тяже 1ЫХ металлов на растение, главным обраюм на репродуктивные органы Выявлена роль фитогормонов в формировании алангивных реакций растений на действие тяжелых металлов

Принимая во внимание высокую чувс]вительнос1ь пыльцы к ■агрязнениям мы прс ножилп исло 1ыовать пыльцу в биоло| ичссксм контроле качества воды

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ Апробация работы. Pety тьтаты исследований доложены на научных конференциях молодых ученпх Ml \'А в 1996 и 1998 п и на 111 и IV Международных конференциях «Ретутяторы роста и развития растений» (Москва, 1995, 1997 м )

Структура и объем диссертации. Работа изложена на tfeftстраницах, содержит 29 таблиц рисунков, состоит из введения 3 г 1ав заключения, выводов Список использованной лшерагуры включает 1-^Ь наименований, га них *H(s на иностранных языках

Условия и методика исследований Окспериментальная работа проводилась в 1995 1998 п в л нюраторных и вегетационных опытах в Лаборатории ретутяторов роста и рашития се 1ьскохо)яйственных растений 1 имирнгевской сельскохозяйс! венной 1кадсмии

Объектами исследовании служили: вишня сорта Куивышерская ранняя, слива сорта Ренклод, настурция,-томаты copi a Белый налив.

Вегетационные опыты проводили в сосудах Митчерлиха объемом 6 литров. Сосуд - повторность в зависимости от года -15-40. Субстратом служила дерново-подзолистая почва, перемешанная с равным количеством торфа. Комплексное удобрение вносили в количестве 6 г на сосуд (N 20 %, РгСЬ 37 %, ЮО 12 %). Тяжелые металлы: свинец, цинк и кадмий в виде нитратных солей и медь в виде сульфатных - были внесены в почву раздельно при закладке опыта в дозах, указанных в схемах опыта. В течение всего вегетационного периода влажность почвы поддерживалась весовым методом на уровне (60-70 % от ПВ). В каждом сосуде выращивали по одному растению томата. Семена высевали в чистую почву, рассаду высаживали в возрасте 60 дней.

В период вегетации проводили морфологические наблюдения. В период цветения И 1-е го соцветия измеряли параметры фотосинтеза, содержание хлорофилла и площадь листьев. Образцы для определения фитогормонов и тяжелых металлов отбирали во всех опытах в одно и то же время (10 часов утра) в период цветения. Во время цветения также отбирали пыльцу для определения роста и прорастания пыльцевых зерен.

Схема вегетационного опыта 1996 г. для изучения влияния разных концентраций тяжедых металлов на растение томата следующая: I) Контроль (без добавления тяжелых металлов), 2) Свинец: на уровне Г1ДК (130 мг/кг почвы), 10 11ДК, 100 ПДК, 3) Цинк: на уровне Г1ДК (35 мг/кг почвы), 10 ПДК, 100 ПДК, 4) Медь: на уровне ПДК (51 мг/кг почвы), 10 ПДК, 100 ПДК, 5) Кадмий: на уровне ПДК (5 мг/кг почвы), 10 ПДК, 100 ПДК. В 1997 - 1998 гг. при изучении влияния тяжелых металлов на растения томата lull поколения использовали только дозы в 10 ПДК.

В 1996 г. для исследования влияния тяжелых металлов на рост пыльцевых трубок побеги вишни ' и сливы, срезанные перед цветением, выдерживали в растворах, содержащих тяжелые металлы (Pb, Zn, Cu и Cd) в концентрациях 1000 мг/л, 100 мг/л и 10 мг/л в течение двух недель.

Влияние загрязнения тяжелыми металлами на рост пыльцевых трубок модельного растения настурции изучали в 1997 г. в условиях in vitro на искусственной питательной среде с добавлением разных концентраций тяжелых металлов: 0,001 мг/л, 0,01 мг/л, 0,1 мг/л, I мг/л, 10 мг/л, 100 мг/л и 1000 мг/л. Контрольные пыльцевые зерна выращивали на пигательной среде на основе дистиллированной воды.

Морфологические изменения проводили согласно методическим указаниям «Практикума по селекции и семеноводству овощных и плодовых культур» (М, 1998). Интенсивность фотосинтеза определяли с помощью нортатиьной сисгемы для измерения фотосинтеза LI-COR 6200. Хлорофилл в листьях томата определяли снектрофотометрическим методом (Практикум по физиологии растений, М;1 1982). Измерение площади листьев проводили с помощью прибора ' LI-COR .Li-300 Area meter. Тяжелые металлы определяли после мокрого озоления (Обухов, Плеханова, 1991) на атомно-адсорбционном спектрофотометре Hitachi Анализ фитогормонов проводили ; по • методике,

разработанной в Лаборатории регуляторов роста н развития с/х растений ТСХА (К)рапов и др., 1991) с помощью иммуноферментнош анализа н биотестов. Влияние тяжелых металлов на прорастание и рост пыльцевой i рубки изучали в условиях'in vitro на искуса нениой питательной среде. Проращивали пыльцу в камере Ван-Тншема по методике Of Г.Паушевой (19X0). Процент жшнеспособных пыльцевых зерен ус1анавливалп по количеству проросших. Причем подчитывали только те пыльцевые терна, у которых пыльцевая трубка длиннее, чем диаметр самою зерна..

Химические анализы проводили в 3-4 повторностях ;ыя не менее чем ipex биологических проб Ошибка методов определения во всех случаях не превышала 20 %. Экспериментальные данные статистически обрабатывались е использованием программ Statgraf, Straz и Excel.

Р1ПУЛМ АТЫ ИССЛЕДОНЛПИЙ

Действие тяжелых металлов на рост и развитие растений Накопление тяжелых металлов в растении томата

Анализ распределения тяжелых металлов на уровнях: кот роль, ПДК, 10 ПДК и 100 ПДК показал, чго поглощение тяжелых металлов растениями зависит от металла и меняется не прямо пропорционально уровню металла в почве (рис. 1). При увеличении концентрации элементов - содержание меди и цинка в растениях возрастает в несколько раз медленнее, чем свинца и кадмия. 11о скорости накопления в растениях томата с ростом концентрации элемента в почве, тяжелые металлы составляют следующий ряд: Cd > 1>Ь > /п > Си.

Рис.).Накопление тяжелых металлов в растении томата но органам в зависимое!н oi доз металла, мкг/г сухой массы (1996 г.)

1400 1200 1000 800 600 400 200 о

* 2500

3 о 2000

i 1500

о

ж

>. и 1000

.1-

* Я 500

0

свинец

П грл ПЬ □ на уров ПДК ;

О 10 ПДК

а юо гщк

450 400 ¿360

Ззоо

■|250 5.200 ¿150. «100 50

корень лист стебель плод

кадмии

корень лист стебель плод

50

□ контроль 45

□ на у|л>ь ПДК- | 2 о лп

О ю пдк- ...!] : ю 35

Я •X 30

* ! О 25

'В >« U -20

■ i: 15

в. Я 10

• Д ■ V| 5

LIk,-ej, 0

медь

; □ КОНТРОЛЬ • ! Она уров ПДК а ю пдк , «100 пдк-

корень лист стебель плод

корень лист стебель плод

Единственный tu »¡ученных металлом, накопление которого в растении увеличивается почти пропорционально унеличенню содержания в. почве, является свинец. Наиболее резко увеличивается накопление Cil при изменении его содержания в почве от контроля до ПДК (в 1880 раз). При дальнейшем увеличении уровня кадмия в почве в 10 раз (ПДК—*10 ПДК) суммарное накопление его возрастает в 1,44 раза и при следующем (10 ПДК—» 100 ПДК) примерно в 5 раз. 11еойходимо также отметить, что кадмий накапливается в

ОСНОВНОМ в ЛИС1ЬЯХ.

Распределение металлов по органам растений зависит от металла и видовых особенностей культур. Как показывают данные, представленные в рисунках 1 и 2. по мере увеличение содержания тяжелых металлов в почве до очень высокого уровня концентрация их в различных органах увеличивается. Но при этом сохраняется соотношение между содержанием металлов в корнях, стеблях, листьях и репродуктивных органах. Анализ содержания тяжелых металлов в репродуктивных органах показал минимальное накопление всех изученных металлов в плодах но сравнению со всеми остальными органами.

Рис. 2. Накопление тяжелых металлов в растении томата по органам при 10 ПДК, м кг/г сухой массы (1У97г.)

450

1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 I 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 j

Органы: 1 - корень, 2 - стебель, 3 - лист под I соцветием, 4 - лист между I и И соцветием, 5 -' лист между II и 111 соцветием, 6 - верхушка, 7 - I соцветие, 8-1! соцветие, 9 - И] соцветие, 10 - плод I соцветия, 11 - плод 11 соцветия, 12 - плод 111 соцветия. . > '

Исходя из тою, что для растения характерно существование нескольких защитных механизмов, препятствующих поступлению тяжелых металлов в-растение, можно предложить следующую схему ответной реакции растений на затяжной стресс, вызванный тяжелыми металлами (рис. 3). v"

В !-ой юпе мтитные мехашнчы растения в шачше ibimfi степени блокируют поступление тяжелых металтов в растите В 11-ои юне начинается активное поступление тяжелых метал юв Тяжетые метал 1Ы распределяются по всему растению В lll-сй зоне вступают в действие защитные механизмы на уровне клеток органа Растение в первую очередь активно защищает репродуктивные opiaiiu (поступлении тяжелых металлов в соцьетие и плоды минимально) В случае откат внешних и внуфенных мечанишов защиты при высоких концентрациях металла вошожна шбель (IV юна) не только оI дельных органов, но и ueiux растении

Рис 3 Схема ответной реакции растений на мгяжной сфссс, иьнванный тяжечыми металлами

При этом в условиях опыта возникает понятие градиента концентрации тяжелых металлов почва/корень, корень/надземная часть, стебсль-лнетья/репродуктивные органы

При превышении порогового градиента зашита 1грорывается, и начинается активное поступление тяжелых металлов в орган Каждый металл имеет свои пороговые градиенты

Морфологические изменении растений при зшрязненин почв тяжелыми

металлами

Тяжелые металлы вызывают серьешые физиологические и анатомические нарушения в растениях в процессе роста и разнития

В растениях первого поколения наблюдалась некоторая стимуляция роста в вариантах со свинцом и кадмием и некоторое ингибирование в вариантах С медью и цинком Однако рост стебля в конце вегетационного периода достоверно не отличался по вариантам Площадь листьев под влиянием тяжелых металлов снижалась на 20-40° о по сравнению с контролем Отмечена также ранняя закладка первого соцветия Строение листьев не отличалось по вариантам опыта

В растениях второго поколения выращенных из семян полученных на фоне тех же тяжелых металлов наблюдалось более сильное влияние тяжелых металлов на рост и развитие растении (рис 4) На ранних »танах вегетации ослабленные семена |ают с ише растения которые затем .имитируются Во

I - зона полной зашиты

II - юна прорыва зашшы

III - зона частичной »пииты

IV - гибель растения

£

Jw

Концентрация метал и в почве

ь

втором поколении растения испытывают двойное влияние: во первых, действие тяжелых металлов на семена в период формирования и во вторых, влияние тяжелых'металлов, содержащихся в почве, на растения. Влияние на семена проявляется особенно заметно в первые периоды роста и выражается в отставании в росте и развитии опытных растений.

В растениях второго поколения полностью деформировались листья, уменьшалась их площадь, появлялись доли П1-го порядка, отмечалась задержка в цветении на 10-30 дней, увеличение числа цветков в 1-ом соцветии (особенно

Действие тяжелых металлов на физиологические процессы растений.

Содержание хлорофилла и интенсивность фотосинтеза в растениях в зависимости от содержания тяжелых металлов в почве

В результате проведенных исследований было установлено значительное изменение концентрации хлорофилла и интенсивности фотосинтеза в растениях под влиянием тяжелых металлов (таблица 1).

Свинец при дозе 10 ПДК оказывает положительное влияние на содержание хлорофилла и интенсивность фотосинтеза. Цинк и кадмий снижают содержание хлорофилла и интенсивность фотосинтеза. Влияние меди на эти процессы по годам различно: интенсивность: фотосинтеза, снижается, содержание хлорофилла может как и возрастать, так и снижаться.

Общие тенденции по влиянию тяжелых металлов на содержание хлорофилла и интенсивность фотосинтеза у растений второго поколения сохраняются, однако проявление их более глубокое. •

Та мина I Втияние тн/ьеты * металлов! 10 ПДК| на сок.рл<ише члорифьша и i нгенснымси, фопчитча растений

томага _ ____ ___ _

199Ьг " "19981 (И помление)

"J I

Хлорофилл

Варианты

' irpo ь Лист под (соцветием

Чип м I и II соцветячи Чист ме*д\ II и III соцветячи ()чча

1997 г

П

Хлорофилл МГ [ сырою веса

Интсн-сгь фитосиитета

Хлорофилл чг г сьрого веса

Инки-СТЬ фотосиитоа мкмть м"'

ЧГ I СырС'О ь^са

Итен-етъ фщосинтета ммиоть м'!

Сь шец Лист под 1 соцветием

Чист межЛ) I и II соцветиями Лжт m^ajv II и III ацвегиячи С) мча

Цинк Чист пот I соимтием

Лист чежд\ 1 и II к шетиячи Лил чежд) II и III со шинами С)чча

Медь Чист пол I соцве]ием

Лист межд> I и И ацвчиячи Чист ме* 1) II и 111 соцветнячи СЧчча

Кадмий Лист под [соивиием

Лист межд) I и II 'оцветиями Лист мгаду II и III соитиями ()чма

HCP0S

сек - | Ilk - 1 ICk '

140 9 68 192 9 64 2 о: 2 47

1 32 8 14 2 24 831 2 55 158

1 4S 10 48 2 44 1020 2 68 1 80

4,17 28,8 6 65 28,15 7,25 5

1 39 13 83 219 Т 9 89 3 61 196

I 66 10 19 2 34 902 3 11 1 0«

1 82 12 10 251 1297 3 19 1 83

4,87 if 12 704 31 88 9 91 4 88 '

1 18 11 4J 1 8) 7tlj 1 ■"> I 34

1 26 v 46 1,78 7 37 1 47 1 74

1 05 4 8' 2 2и 8 79 1 87 1 n)

3,49 21,7 2 J 4,78 23,19 5,09 4,98

I 39 635 1 61 4 09 2 69 L_ 148

1 37 7 76 2 47 8 77 2 44 127 I

1 51 6 09 2 30 10 43 2 Mj 7 63 I in 3 8*

4 27 202 6 18 23 29

0 85 7 53 I 78 541 1 4») 0 7^

1 18 У 13 195 631 1 so

1 18 7 67 2,16 7 27 1 27 1 68

3,21 24,33 5,89 18,99 4ДЗ 3,64

015 2 76 023 2 64 j 0 476 0 73

Влияние тяжелых mci&ii.ior их гормональный баланс растений

юмяга

Гормональная система растений является одной из главных составляющих регуляторных механизмов, обеспечивающих согласованное функционирование клеток, тканей, органов и растения в целом. Фитогормоны выполняют также регуляторную функцию в процессах адаптации растений к внешним воздействиям. Практ ически любое внешнее воздействие приводит к изменению содержания эндогенных фитогормонов в растении. Увеличивая или уменьшая биосинтез отдельных фитогормонов, растение адаптируется к внешнему воздействию.

В связи с этим мы изучали изменение содержания свободных ауксинов, гиббереллинов, цитокининов, абцизовой кислот и этилена в различных органах растений томатов под воздействием тяжелых металлов (рис. 5).

Проведенные нами исследования показали, что тяжелые металлы влияют не только на рост и ражитие, но и изменяют уровень фитогормонов в растениях томатов.

Биосинтез ауксинов и цитокининов наиболее чувствителен к действию тяжелых металлов. Свинец во всех органов растений снижает уровень АБК и способствует увеличению содержания гормонов-стимуляторов, наличие которых благоприятно сказывается на ростовых и физиологических процессах растений, включая ст имуляцию прорастания пыльцы и рост пыльцевых трубок.

Сопоставление данных о содержании отдельных эндогенных регуляторов роста по органам показываег, что количество фитогормонов-стимуляторов (ауксины, гиббереллины и цигокинины) изменяется по-разному в зависимости ог металла и от органа растения, а фитогормона-ингибт opa (АБК) — в большинстве случаев повышается, особенно при наличии в почве высоких концентраций кадмия и меди.

Известно, что АБК в неблагоприятных условиях среды тормозит ростовые процессы, участвуя в регуляции водного обмена растений, препятствуя обезвоживанию тканей, способствуя стабилизации клеток. и стимулируя накопление стрессовых форм белков и пролииа. '_>ти изменения метаболизма растений имеюг большое значение для понышения его устойчивости к дейст вию различных ст ресс-факторов. Мы предположили, что отмеченное нами повышение уровня АБК связано с адаптивными реакциями растений на действие тяжелых металлов.

Тяжелые металлы, по степени влияния на гормональный уровень растений томата, располагаются в следующий последовательности: Cd > Pb > Zn > Cu.

Рис ^ Влияние |иже и 1\ метол юв на со ¡ерланне гормонов н растениях тмага I (отношение к контролю)

корень

□ кадмии

□ свинец О цинк ■ медь

£оциетие"

□ кадмии

□ свинец

□ цинк ■ медь

4 )

ао .о 10 о

но 70 Ы) 50

40

30 го 10 о

стебель

□ свинец |

□ цинк 1

■ медь

п п п 1 ■ Пи 1

лист мея^ду < и Н соцветием |

□ кадмии I

□ свинец

□ цинк I

д.л

1медь

35 30 ¿ь 20 15 10 5 0

лист между П и III соцветием ь0

□ кадмии 50

□ свинец

□ цинк <о ■ медь

□ кадмии

□ свинец

□ цинк ■ медь

I соцветие

верхушка

□ кадмии

□ свинец

□ цинк ■ медь

' □кадмии 1 | 4 □свинец □ цинк 3 Ямедь

I цитокинннм 2 Ауксина * Лбсцшовая кислота 4 I ибберетлины, * Чшлен

80 70 60 50 40 30

го 10

о

п

III соцветие

п

□ кадмии |

□ свинец Пи,инк

■ медь

л ■»

Влияние 1НЖС.1ЫХ чиа.имш im прорастание н CKiipmu. рисы IIM.IMItMlMX iptniik

Нами изучено » шяние тнже 1ы\ метал шн и i рост пыльцы в грех рашых условиях, представленных на схемах (рис 6)

В первом с iv4jc туча-Hi poci чистой пылты HdcivpmiH на средах с

рамшчной концентрацией eu......а В танном с туч ic свинец iiociyn ier в пыльцу

нулем пассивною транспорта и napviii ter poci к теток

Во втором случае мы вы юрживали побеги вишни и с тивн в 1ечение 2-х недеть в воде, со тержлцен тяже 1Ые металлы В чтом с тучае в процессе со<реваиия пыльцы гяже 1ые металлы активно двшались по ксилече к цветкам В связи с тем, что при поступлении воды с тяже 1ыми металлами в срезанные побеги отсутствует чехантм препятствующим поступлению тяжелых металлов в растение на границе почва-корень и корень-стебель, в данном случае пыльца накапливает тяжелые метал ил н ге\ частях пы тьцевого юрна, которые находятся на стадии формирования а именно в оболочке

В третьем с ту чае мы рассматриваем рост пыльцы рашых соцветий юмата, которая в цчшис всею периода формирования находится под влиянием тяжелых металлов и стресса вы {ванною »гимн 1яже.1ыми металлами По данным о накоплении тяжелых металлов в цветках видно, что со игржание их в репродуктивных ор!анах минимально Однако все отрицате и.ное влияние вышитое тяжеплми металлами в период роста и

Рис 6

схема I

Среда с тяжелыми металлами

схема 2

Чистая ».реда

( 1И1, I lV.llMjl.lH t! ( м ми tu > '1.1 )

схема J

Чиоля сре la (дж/гнллированмая вода)

развития растений, отражаемся в пыльце, полому в лаймом. случае мы рассматриваем рост физиологически неполноценной пыльцы.

Воздействие разных концентраций РЬ на длину пыльцевой трубки настурции неодинаково. Наличие в среде РЬ в исследуемых концентрациях вплоть до 10 мг/л не снижало длину пыльцевых трубок (рис. 7), напротив, РЬ при низких концентрациях (0,001-1,0 мг/л) значительно стимулировал рост пыльцевых трубок. Аналогичные данные получены U.A. Ляхым и А.И. Сорокой (1996) на древесных растениях. С увеличением концентрации РЬ в среде (100 мг/л) наблюдалн уменьшение длины ныльценых трубок и даже полное ннгибированис их роста (при 1000 мт/л).

При этом воздействие тяжелых металлов может происходить из-за изменения проницаемости мембран вследствие поступления тяжелых металлов имеете с водой в пыльцевое зерно и их накопления и диктиосом&ч (рис. 6, схема I). ■

Рис. 7. Влияние свинца на скорость роста пыльцевых

20 мин 40 мин 60 мин 80 мин .100 мин 120 мин 140 мин

время

И условиях загрязнения тяжелыми металлами жизнеспособность пыльцы вишни и сливы также снижается, и чем выше накопление, гем более низок уровень прорастания пыльцы.

Изменение длины пыльцевой трубки иод влиянием тяжелых металлов у вишни и сливы было сходным (рис. 8 и 9). Действие низких концентраций тяжелых металлов на длину пыльцевых трубок в большинстве случаев находилось на уровне кош роля. С увеличением концентрации тяжелых металлов в растворах наблюдается подавление росга пыльцевых трубок, особенно это касается вариантов с /п и РЬ.

Н процессе роста пыльцевых трубок в вариантах с Си, /п и РЬ (100 и 1000 мг/л) на первых этапах выращивания пыльцы наблюдались различные аномалии: изгибы, шюпорообразнос закручивание, вздутия. Спустя 180 мин. после посева пыльцы в этих вариантах происходило разрушение апекса пыльцевой трубки, начинающееся с образования буффа и последующим его разрывом. Спустя 24 часа после посева пыльцы наблюдалось очень интересное явление: оставшиеся жизнеспособные пыльцевые зерна интенсивно росли, доходя в большинстве случаев до уровня контроля, и в.отдельных случаях отмечалось стимулирование роста пыльцевых трубок.

Рис 8 Влияние тяжелых металлов на скорость роста пыльцевых трубок сливы 1996г

Рис 9 Влияние тяжелых металлов на скорость роста пыльцевых труЬок вишни, 1996Г

120 мин 100 мин 240 мин 24 ч^са время

СО мин 120 мин 1У0 мин 18 часов время

Мы предпопаысм чк> 1ш 1111 мегалии находились » мембранах пи 1ьцы которые и.ш.шуя н качни«. аккуму шрукшшх моал юн систем, мшу г представлять сооои о шн и» шинных мсчанщион восстановление росы ньпьцевых фуоок чсрс! опрс 1с конное время но<можни происходило иэ-И вымывания (чиффч ШН| 1Я/КС 1ЫХ ЧеЫЛЛОВ Н 1Ш1ЛС1Ы1\К> среду (рис 6 с\сча 2)

Мри изучении мтяжног о стрсСса вы «канною гяжс ними металлами на проран ание и рост ни н.цепыч трубок сопвстии томата нами было показано ню пыльца является самой чунегвте 1ЫШ11 частью рас 1 сини к »а1рязнению

Гяжепые метал1ы на уровне ИДК 10 ПДК и 100 1ЩК ока<ывалн разное действие на длину пмльцевых |рубок (рис 10) При концсшрацин металлов на уровне ПДК не 01 мечено иметною влияния при 10 ПДК уже имеются рамичия в росте по варилиам и при 100 ПДК мы наблюдали полное иш ибирование роста пыльцевых трубок

При прорастании пыльцы томатов выращенных на фоне высоких концентрации тяжечых метол юн также как в случаях с пы 1ыюн нишни и сливы наблюдаются раишчные аномалии

Ингибирование роста пыльцевых трубок продолжалось до конца наблюдения, что говорит не только о накоплении 1яже1Ых металлов внутри пыльцевого )ерна, но и о влиянии гяжс >ыч металлов на процессы, свя)анныс С обраюванием пьпьцы (рис Г> схема V)

В растениях вюрого ноко ген им прорастание пыльцы и рост пыльцевых трубок также существенно ра1 шчанлен но карпам гам опыта (рис 11)

Наибольший иш ибирукицин )ффект выяв юн в втришпч с /п и С(1 (на 11-ом и 111-м соцветиях)

Рис. 10. Влияние разных концентраций тяжелых металлов на скорость роста пыльцевых трубок гомата, 1996 г.

60 мин 120 мин время

120 мин время

Рис II В ШЯ11И1 ГИА1 IM\ MtrdJIJItt» ( 10 ll/UO iui Ikopiillb pt4.r>! пыльцсвыч фубок растении iomuiu И пока iuuih ivl<\ i I соцветие

— контроль -РЬ -Zn -Си -Cd

90 мин 115 мин 140 мин 165 мин 190 мин 215 мин 240 мин 265 мин

время

90 мин 115 мин 140 мин 165 мин 190 мин 215 мин

время

240 мин 265 мин

Медь положительно влияла па рост пыльцевых трубок томата. На 1-ом и 11-ом соцветиях она заметно стимулировала рост пыльцевых трубок, и на 111-м соцветии длина пыльцевых трубок находилась на уровне контроля.

Одним из вариантов объяснения зтого явления может быть адаптация растений томата к тяжелым металлам.

Эксперименты, проведенные с пыльцой, показали, что тяжелые металлы оказывают влияние на прорастание пыльцевых черен и рост пыльцевых трубок а, следовательно, на оплодотворение и на эффективность семенною размножения растении. Под влиянием тяжелых металлов снижалось завязывание семян томата и число семян на 1 плод. Растения, выращенные в условиях загрязнения, были малосемейными. Свинец и кадмий отрицательно влияли на формирование плодов. На третьем соцветии в варианте с кадмием получены мелкие плоды.

Результаты проведенного нами исследования еще раз продемонстрировали отрицательное влияние высоких доз тяжелых металлов на растения второю поколения (таблица 2).

Таблица 2. Влияние тяжелых металлов (10 ПДК) на жизнеспособность пыльцы и завязывание плодов томата 11-ого поколения, 1948 г. 1авя|ы- 1 Число

мам не, : кнм«.^ % | ШТ

I Варианты

Прораст а-ние пыльцевых тереи,"/.

Л-

¿Хлмна пылько

нон грубкн, у. ед.

! Контроль 32,6 ! 4,3 "

1 Свинец 34,6 ! 4,8

1 Цинк 16,2* ! 4,52

Г Медь 41,9* ! 6,14*

'Кадмий 25,5 ! 4,43

[нСРсл 9,63 | 2,11

| Ком (роль 25,8 | 4,48

I Свинец 26.9 : 4,0Х

| I (инк • 10,8* ' 3,37*

! Медь 27.з ; 5,64*

| Кадмий 16,6* 1 3,29*

! ПСРм 9,03 ; 1,04

1 ! Кшироль "26,1" "1 5,56

^Свинец 21,4 ' 6,22

1 Цинк 12,0* ! 2,06*

1 Мель 18,3* [ 5,45

1 Кадмий. 9,20* 1 3,55*

'и11СР.т* ■ 7,22 '1 1,74

I соцветие

62А Т 4,65 33,X* _г

" 57,5 " Г 6,5о"

33,1* 1 ^7,30 48Л*Т 5,75 13,24 -

II соцветие

•Г"

Чнсло семян нн 1 плод,

Ш'г'

95,1 _75,9_ 51,4*' 72,6* 35.Х*

Масса 1000

ССМЧИ-

г

Средняя масса плода, г

2,Х7_ 2.43 *_ " 2,81_ 2,06 *_ 2,33*

"Г

.45,2 36,8 38,8* 36,4* 3^1

7,26 ____

III соцветие 42,1 . 26;2 12,0* 28,5* 27,4*

4,97_

5,1 о: 6,00_ 5,70

20,71

108,7 Ю3,2_

зк,о*_ 79,7*

0,15

80,5

69,1

68,3

_75г2_ 55,9*

17,2

2,71

2,03

2,34*

2,29*

6,50 _ _ 66,5* I 2,29* 25,18 .Г!?.07!

71,5

73,3

60,8

16,25

1о'

5,60 97,6 I

_ 10,2_____ 67,5* 1 • - - - г

13.0 116,0

5,70 67,0* '

-____ 18^

1,62*

1,89* 1,86*

0,19

33,0

43,8

16,5'

54,9*

26,9

15,10

• различия существенны при 95 % уровне значимости.

В присутствии тяжелых металлов отмечается снижение процента завязывания плодов томата, уменьшение числа семян на I плод и средней массы нлода. Максимальный ингибируший эффект на жизнеспособность пыльцевых зерен, завязывание и продуктивность томата оказывают кадмий н цинк. При этом следует указа 1ь, что на 111-ем соцветии наличие цинка в среде привело к формированию бессемянных плодов. В ним же варианте отмечается и низкий процент прораоания пыльцевых зерен, минимальная длина пыльцевых трубок, а также самый низкий процент завязывания плодов. -

Таким образом, существует тесная взаимосвязь между прорастанием пыльцевых зерен, длиной пыльцевой I рубки и завязыванием и формированием плодов. Чем меньше жизнеспособное! ь пыльцы, тем меньше продуктивиость.

Состояние пыльцы как пока га гель загрязнения тяжелыми металлами.

Анализ литературных и собсзвенных данных но изучению действия тяжелых металлов на рост ш \ilro пыльцы настурции, вишни, сливы и томата, показал, что наличне за/рязни гелей в среде сказывается на жизнеспособности пыльцы, скорости роста и длине пыльцевой трубки.

Принимая во внимание высокую чувствительность пыльцы по литературным данным и результатам наших исследований, мы провели серию опытов по использованию пыльцы в биологическом контроле качества воды. На основании этих исследовании разработан экспресс-метод определения содержания загрязнителей неорганического и органического характера в воде. В качестве тест-объекта выбрили пыльцу настурции. Пыльца этого растения обладает высокой чувствительностью к загрязнителям, хорошо хранится доступна.

В 1997 году для определения чистоты поды, используя пыльцу как показатель загрязнения, мы анализировали образцы воды, взятые и» реки Днепр и Каховского водохранилища в пределах Херсонской области.

Метод биотесгировання является очень чувствительным и надежным для валовой оценки качества, воды. Из-за короткого времени анализа и низких затрат можно рекомендовать а о для анализов больших количеств проб воды.

Данные по прорастанию пыльцы хорошо коррелируют с анализом воды, проведённым физико-химическими методами.

Заключение

Показано, что тяжелые металлы отрицательно влияют на основные физиологические процессы в растениях и, в частности, на формирование репродуктивных органов (пыльна,, семя, плод). Тяжелые металлы специфическим образом изменяют интенсивность фотосинтеза, содержание хлорофилла и гормональный баланс растений.. . •

Анализ накопления тяжелых металлов в растениях, томата показал существование, нескольких .защитных .механизмов: на уровне почва/корень; корень/стебель-лист: стебель-лист/репродуктивные органы.

Впервые щучено влияние различных концентрации тяжелых металлов на формирование, созревание пыльцы, прорастание и рост пыльцевой трубки.

Высокие концентрации тяжелых мечаллои приводят к снижению процента завязывании, средней массы плода и уменьшению числа семян.

Всвязи с тем, чю наиболее чувствительным органом к действию тяжелых металлов является пыльца. Обоснована возможность использования пыльцы в биологическом кош роле качес тва воды, разработан эксиресс-тест на загрязнители в воде. Метод является очень чувствительным, простым, быстрым и надежным. Ню можно рекомендовать для анализа большого количества проб поды.

Выводы

1. Летально изучено поступление тяжелых металлов в органы томата при выращивании растении на почвах, загрязненных высокими дозами меди, цинка, кадмия и свинца. Выявлена специфики накопления этих тяжелых металлов в растениях. Обосновано наличие трех основных защитных зон при поступлении тяжелых металлов н растение: почва/корень; корень/надземная часть; стебель, листья/ренродуктивпые органы.

2. Морфологические итменения указывают на то, что все изученные нами тяжелые металлы оказывают влияние на рост растений, площадь и строение листьев, а характер »того влияния различен ;и>я разных металлов. Особенно сильно ли различия проявляются у растений второго поколения, выращенных из семян полученных на фоне тех же тяжелых металлов. В растениях второго поколения отмечена полная дезорганизация их структуры.

3. Показано, что тяжелые металлы оказывают неоднозначное воздействие на содержание хлорофилла и интенсивность фотосинтеза. Характер этого воздействия определяется как характером металла, так и его концентрацией.

4 Детально изучен уровень фнтогормонов в растениях томата при затяжном стрессе, вызванном действием тяжелых металлов. Показано, что в этих условиях формируется специфический гормональный баланс, существенно отличный от характерного для кратковременнот-о стресса. Тяжелые металлы но степени влияние на гормональный баланс растений юмага располагаю!си в следующей последовательности: Cd>Pb>Zn>Cu. 5. Проанализировано поведение репродуктивных органов (пыльца, завязь, ' плод) при действии тяжелых металлов. И опытах на вишне, сливе, настурции и томате установлена прямая зависимость между концентрацией тяжелых металлов и жизнеспособностью пыльцы. В условиях загрязнения тяжелыми металлами прорастание пыльцы в большинстве случаев снижается, что в свою очередь понижает заня зываемоегь и продуктивность томата. 6 Высокая чувствительность пыльны к различным загрязнителям позволила предложить оригинальный'и эффективный экспресс-метод биологической оценки качества воды. Это г тест был использован при оценке качества воды

в Каховском водохранилище и Днепре в upe te tax Херсонской области, ыводских стоков и по 1ИВН14Х вод рисовых чеков

Данные биотеста совпадаю! с peí) платами фтико-химического аналиш

1 БоГщенюк ЛИ, Калашников ДВ, Рикечьме Хорхе Кураноп IIБ Гормональная регуляция процессов оплодотворения // ! ci докл III международно!! конференции «Peiy 1яторы роста и раинпия растений» M , 1995, с 9-1(1

2 Рикельме Хорхе, Фи nina О 11. Ктюсв II А Куранов Г1 Ь Метод бишестирования при шал тс качества но 1ывных под // Ici докл II межвузовский конф OpexoBo-iycBo, 199Л е 10-11

3 Ьойценюк Л И Калашников Д В , Рике |ьме Хорхе, Куранов П Б Влияние фишческнх химических и гормональных |[мкюроп на рост пыльцевых фмюк HacivputiH iri vitro//Док !а.1Ы 1С. XA 1996, выи 267, с 26-40

4 Ьойценюк ЛИ, Калашников ДВ, Рикечьме Хорхе Впияние фиторе!утяторов на нсмаровы (слепне и урожаи вишни и фсчиха // Ичеюводетво 1996 N 4, с 20 i

ч Бойценкж Л И , Рике 1Ьме Хорхе. Куранов ИЬ, Калашников Д В Влияние фшоюрмонов на формирование плодов перекрестно опыляемых культур ч Гет докл IV международной конференции «Регуляторы роста и ражития растении» M . 1997, с 1^2-133

6 Ьойценюк ЛИ Рике 1ьме Хорхе, Калашников ДВ В «аимоылияние пыльцевых icpcti при прорастании на фоне раишчных фшоюрмонов // 1er докл IV международной конференции «Peiy шторы роста и развития растении» M 1997, с 264

7 Рикельме Хорхе Ьойценюк ЛИ, Куранов ИЬ, Киоек К А, Филина ОН Влияние iяжсты\ металлов на качес1Во пыльцы // Iei докл IV международной конференции «Регу 1яторы роста и рашития раысний» M , 1997, с 274

8 Рикельме Хорхе, Куранов 11 Ь Сальникова! И,Сн\шеваАГ Влияние тяжелых металлов на юрмональный баланс соцветии томата сорта Ьелый налив И I ei док i V международной конференции «Регуляторы роста и pajBiuiiM растений» M , 1999, с ^

Список рабо1, опубликованных по теме iHccepiянии:

Обгеч 1 25 п л

Заказ 432

Тираж 1Л)

Типография Издательства МСХА 127550, Москва И 550 Тимирязевская VI, 44