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"

РГБ ОД

И OKI 1333

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

Работа выполнена в лаборатории регуляторов роста развития сельскохозяйственных растений Московской сел1 ск'охозяйствчшюй академии имени К. А. Тимирязева.

Научный руководитель — доктор биологических нау П. Б. Курапов.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, пр< фесоор Н. Н. Новиков; кандидат биологических наук, доцен В. Т. Старикова..

Ведущее учреждение — Всероссийский паучно-исследов; телыжнй институт сельскохозяйственной биотехнология.

Защита состоятся « » . . . . 1999

в » часов на заседании диссертационного совет

Д.120.35.07 в Московской сельскохозяйственной академг имени К- А. Тимирязева.

Адрес: 127550, Москва, Тимирязевская ул., 49. Учень совет МСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ МСХА.

Автореферат разослан « . . 1999

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат сельскохозяйственных наук

Н. П. Карсункина

ОГпцан характеристика работы

Актуальность темы. Нсвязи с ишенсивной деятельностью человека и бурным развитием промышленности наблюдаемся значительное увеличение объема химических отходов, сбрасываемых в воздух, воду и на поверхность почвы, которые предстанлякм собой реальную угро!у л.тя живого мира планеты и, в частности, для расгепий.

Ото антропогенное явление породило новый, раннее не свойственный растениям вид стресса. 'Зтог вид стрессового воздействия имеет свои особенности. В отличие о г таких достаточно хорошо изученных "естественных" стрессовых факторов как засуха, затопление, низкие или высокие температуры, которые нося г сравнительно краткосрочный характер и, как правило, не затрагиваю! весь период вегетации растений, накопление тяжелых металлов в почве происходит постепенно (¡а исключением достаточно редких крупных раюных ныбросов). Стресс, вызванный тяжелыми металлами, косит продолжительный затяжной характер и затрагивает все стадии развития растения от "семени до семени". Растение развивается в угиониях постоянного и достаючно ранномерпою экологического давления, имея время на запуск адаптационных и компепсаюрных механизмов, одним из которых может быть изменение его гормонального баланса и формирование различных физио.ю! (»-биохимических защитных механизмов,

препятствующих поступлению юксичных темен юв.

Повышенные концентрации |яжелы.х металлов мо!уг приводить к общим малоспецифическим физиологическим и биохимическим изменениям. В качестве наиболее общих проявлений стресса, обусловленного избытком тяжелых металлов, выделяются. повреждение мембран, изменение активности ферментов, ингибирование роста корней. Отмеченные нарушения ведут к целому ряду вторичных эффектов, таких как юрмональный дисбаланс, дефицит необходимых химических тлеменюв, ингибирование фотосинтеза, нарушение передвижения фотоассимилятон, изменение водного режима и другие, которые в свою очередь юрмогят рост и снижают эффективность семенного размножения растений.

Растения в первую очередь защищают от внешних воздействий репродуктивные органы, полому в нашей работе мы уделили значительное внимание действию тяжелых металлов па пыльцу растений, ра!витие плода, формирование семян.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы являлось изучение реакции растений » условиях "затяжного" стресса, вызванной действием тяжелых металлов.

В задачи исследовании входило:

1. Изучение накопления тяжелых металлов в растениях томата.

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

3. Изучение динамики гормональною баланса раоений томата в условиях "затяжного" стресса

]

4. И »учение влияния 1яжелм\ металлов на прорастание и рост пыльцевой i рубки в условник.

- действия тяжелых мааллов и процессе роста пыльцевой трубки;

- действия тяжелых mci аллов па стадии созревания пыльцевого зерна;

- формировании пыльцевого jepita при постоянном воздействии тяжелых мет аллов.

5. Изучение влияния тяжелых металлов на семенную продуктивность

томатов.

Научная ноитпа. Н раСю/с внерчыс показано, чи> создаваемый 1яжелыми металлами .хишельный eipecc специфическим образом меняет гормональный баланс и оказывает в лияние на различные opiaiiia растения, в юм числе и на репродуктивные (пыльца, семя, плод).

Показано, что у растения функционирует несколько зон защиты, препятствующих проникновению и действию тяжелых ме/аллов, причем максимальная защита осуществляется на уровне репродуктивных органов, особенно пыльцы, для которой установлена повышенная чувствительность к действию загрязнителей.

Установлено, чю существует /есиая взаимосвязь между прорастанием пыльцевых зерен, длиной пыльцевой трубки, завязыванием и формированием плодов. Чем меньше жизнеспособность пыльцы, тем меньше продуктивность.

Предложен экспресс-метод анализа качества воды на основе биотестирования с использованием замеров скорости прорастания пыльцы in vitro.

Практическая значимость работы. Результаты исследований дополняют современные представления о воздействии тяжелых металлов на растение, главным образом на репродуктивные органы. Выявлена роль фитогормонов и формировании адаптивных реакций растений на действие тяжелых металлов.

Принимая но внимание высокую чувствительное!/. пыльцы к загрязнениям, мы проложили использовать пыльцу в биологическом контроле качества воды.

Публикации. 11о теме диссертации опубликовано 8 научных работ.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на научных конференциях молодых ученых МС'ХА в 1996 и 1998 п. и на III и IV Международных конференциях «Регуляторы роста и развития растений» (Москва, 1995, 1997 гг ).

Струюура и объем диссертации. Работа изложена на.1.$Я.страницах, содержит 29 таблиц, 15 рисунков, состоит из введения, 3 глав, заключения, выводов Список использованной ли/сратуры включает <? 96 наименований, из ничН.б. на иностранных языках.

Условия н методика исследований. Экспериментальная работа проводилась в 1995 - 1998 п. в лабораторных и вегетационных опытах в Лаборатории регуляторов роста и развития сельскохозяйственных растений Тимирязевской сельскохозяйа венной академии

Объектами исследований служили: вишня сорта Кунвышерская ранняя, слива сорта Ренклод, настурция, томаты cop ia Белый налив.

Вегетационные опьпм проводили в сосудах Митчерлиха объемом 6 литров. Сосуд - повторное) ь в зависимости от года -15-40. Субстратом служила дерново-подзолистая помпа, перемешанная с равным количеством торфа. Комплексное удобрение вносили в количестве 6 г на сосуд (N 20 %, Р2О5 37 %, К:0 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 и возрасте 60 дней.

В период вегетации проводили морфологические наблюдения. В период цветения Ш-его соцветия измеряли параметры фотосинтеза, содержание хлорофилла и площадь листьев. Образцы для определения фигогормоиов 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 pocia и прорастания пыльцевых зерен.

Схема вегетационного опыта 1996 г. для изучения влияния разных концентраций тяжелых металлов на растение гомага следующая: 1) Контроль (без добавления тяжелых металлов), 2) Свинец: на уровне ПДК (130 мг/кг почвы), 10 ПДК, 100 ПДК, 3) Цинк: на уровне ПДК (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 мегаллов на растения томата 1 и И поколения использовали только дозы н 10 ПДК.

В 1996 г для исследования влияния тяжелых мегаллов 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 mi /ji, 100 мг/л и 10 мг/л в течение двух недель.

Влияние загрязнения тяжелыми металлами на рост пыльцевых трубок модельного растения нааурняи 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, 1 мг/л, 10 мг/л, 100 мг/л и 1000 мг/л. Контрольные пыльцевые зерна выращивали на питательной среде на основе дистиллированной волы.

Морфологические изменения проводили согласно методическим указаниям «Практикума по селекции и семеноводству овощных и плодовых культур» (М, 1998). Интенсивность фотосинтеза определяли с помощью портативной системы для измерения фотосинтеза LI-COR 6200. Хлорофилл в листьях томата определяли спектрофогометрическим методом (Практикум по физиологии растений, М, 1982). Измерение площади листьев проводили с помощью прибора t.l-COR l.i-300 Area meter. Тяжелые металлы определяли после мокрюго о юления (Обухов, Плеханова, 1991) на атомно-адсорбционном спектрофотометре Hitachi. Анализ фитогормонов проводили по методике,

рафаботаннон в Лаборшории ретулятров pool а и развития с/\ растений ТСХА (Курапов и др., 1991) с помощью иммунофсрменшото шшлша п биотестов. Влияние тяжелых мсталлои ни прорастание и роа пыльцевой ipyОки изучали в условиях in vitro на искуса немкой пшательной среде. Проращивали пыльцу в камере Ван-Тшпема но методике ').[ 1.11аушевой (19X0). Процент жизнеспособных пыльцевых icpeH устанавливали по количеству проросших. Причем подчитывали только ic пыльцевые зерна, у которых пыльцевая трубка длиннее, чем диаметр самою зерна.

Химические анализы проводили в 3-4 повтрностях для не менее чем трех биологических проб Ошибка методов определения во всех случаях не превышала 20 %. Экспериментальные данные статистически обрабатывались с использованием программ Slalgrat", Stray и Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВЛ1 )ИЙ

Действе знааммх металлов на рост н разните растений Накопление тяжелых металлов в растении томата

Анализ распределения тяжелых металлов па уровнях: контроль, ПДК, 10 IЩК и 100 ПДК показал, ню поглощение тяжелых металлов растениями зависит от металла п меняется не прямо пропорционально уровню металла в почве (рис. 1). При увеличении концентрации »лементов содержание меди и цинка в растениях возрастает в несколько раз медленнее, чем свинца и кадмия. 11о скорости накопления и растениях томата с ростом концентрации элемента в почве, тяжелые металлы составляют следующий ряд: Cd > Pb ■ Zn > Си.

Рис. 1.Накопление iчаслыч металлов в растении TOMaia по органам в зависпмосз н 01 леи металла, мкг/г сухой массы (1996 г.)

свинец

1400

П рс.ть 1200

□ на уров ПДК i 3

О Ю ПДК о 1000

■ 10о ПДК 3

•S 800

о

К 600

м О

Гн А 00

11 а 200

Пи___В 0

корень пист стебель плод

корень лист стебель плод

корень пист стебель плод

В 1-ой Jone защитные механизмы растения в значительной степени блокируют поступление тяжелых металлов в растение. В Пчш зоне начинается активное поступление тяжелых металлов. Тяжелые металлы распределяются по всему растению. В Ш-ей зоне вступают в действие защитные механизмы на уровне клеток органа. Растение в первую очередь активно защищает репродуктивные органы (поступление тяжелых металлов в соцветие и плоды минимально). В случае отката внешних и внутренних механизмов защиты при высоких концентрациях металла возможна гибель (IV зона) не только отдельных органов, но и целых растении.

Рис. 3. Схема ответной реакции растений на затяжной стресс, вызванный тяжелыми металлами.

При этом в условиях опыта возникает понятие градиента концентрации тяжелых металлов: почва/корень; корень/надземная часть; стебель-листья/репродуктивные органы.

При превышении порогового градиента защита прорывается, и начинается активное поступление тяжелых металлов в орган. Каждый металл имеет свои пороговые градиенты.

Морфологические шмененнн растений при ?а1ризненин почв тяжелыми

металлами

Тяжелые металлы вызывают серьезные физиологические и анатомические нарушения в растениях в процессе роста и развит ия.

В растениях первого поколения наблюдалась некоторая стимуляция роста в вариантах со свинцом и кадмием и некоторое йнгибирование 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% 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 растений (рис. 4). На ранних мтапах вегетации ослабленные семена лают слабые растения, которые затем адаптируются. Во

I - зона полной защиты

II - зона прорыва защиты

III - зона частичной защиты

IV - гибель растения

Л

; Концентрация металла в почве

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 полиостью деформировались листья, уменьшалась их площадь, появлялись доли Ш-го порядка, отмечалась задержка в цветении на 10-30 дней, увеличение числа цветков в 1-ом соцветии (особенно в вариантах с свинцом, медью и кадмием).

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 удержание хлорофилла и интенсивность фотосинтеза. Влияние меди на эти троцессы по годам различно: интенсивность фотосинтеза, снижается, удержание хлорофилла может как и возрастать, так и снижаться.

Общие тенденции но влиянию тяжелых металлов на содержание спорофилла и интенсивность фотосинтеза у растений второго поколения ¡охраняются, однако проявление их более глубокое.

Таблица 1. Влияние тяжелых металлов! 10 ПДК) на содержание хлорофилла и интенсивность ф<лосите!а растений

томата.

Варианты

Контроль' Лнсг под ! соцветием

Лист между I и И соцветиями Лист между И и Ш соцветиями Сумма

[свинец. Лист поя 1 соцветием

Лист между I н I] соцветиями I Лист между 11 и 111 соцветиями

Сумма

Цинк

1.--------

i Медь

Лист пол 1 соцветием Лист между 1 и 11 соцветиями Лист между И и Ш соцветиями Сумма

Лист под 1 соцветием Лист между I и II соцветиями Лист между II и III соцветиями Су мча

Кадмий Лист под I соцветием

Лист между I п II соцветиями

Лист между И и Ш соцветиями

НСР05

Влияние тяжелых мсшлло» на гормональный баланс растений

гомага

Гормональная система pacieiim't являося одной из главных составляющих регуляторнмх механизмов, обеспечивающих согласованное функционирование клеток, тканей, органов и рааения в целом. Фитогормоны выполняют также peí улягорную функцию в процессах адаптации растений к внешним воздействиям. Практически любое внешнее воздействие приводит к изменению содержания эндогенных фигогормонон в растении. Увеличивая или уменьшая биосинтез отдельных фитогормонон, растение адаптируется к внешнему воздействию.

В связи с этим мы изучали изменение содержания свободных ауксинов, гиббереллинов, цитокиминов, абцшовоп кислом и этилена в различных органах растений томагов под воздействием тяжелых металлов (рис. 5).

Проведенные нами исследовании показали, что тяжелые металлы влияют не только на рост и развитие, 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 стимуляцию прорастания пыльцы и рост пыльцевых трубок.

Сопоставление данных о содержании отдельных эндогенных регуляторов роста по органам показывав, чю количество фигогормонов-стимуляторов (ауксины, гмббереллннм и циюкиннны) изменяется по-разному в зависимости ог металла и от органа растения, а фигоюрмона-иигибигора (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 гканей, способствуя стабилизации клеток и стимулируя накопление стрессовых форм белкой и пролипа. 'Jth изменения метаболизма растений имеют большое значение для повышения его устойчивости к дейст вию различных стресс-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. 5, Влияние тяжелых металлов па содержание гормонов в растениях томата, 1997 г. (отношение к контролю!.

I стебель

корень

□ кадмий

□ свинец .□цинк

' В медь

60 1 s

50 |

40 1 j > 1

30 1

20 | 10 jn i 1

0 I Я , г- й

□ кадмий О свинец О цинк ■ медь

60 50 I 40 30 20 10 0

. во

: 70 Г- 60 50 I 40 30 20 10 О

Л__EL

□ кадмий Т

□ свинец

□ цинк ■ : В медь

лист меяту I и II соцветием

□ кадмий

□ свинец О цинк В медь

35

; зо ; 25 20

I

: 15 ' 10 5

: о

лист между П и III соцветием

□ кадмий

□ свинец

□ цинк В медь

1

JX

гп ■

4

г- i -соцветие

'□ кадмий □ свинец •: Оциик 1 В медь

rlL-.Jkn

60 50 40 ЗО 20 10 о

верхушка

ОъЛ

'□кадмий

□ свинец ¡I

□ цинк j: ' В медь 1;

Л-

... ■ к

I i ' ■ □ кадмий ц - □ свинец

I Иц'лнк 3 В медь

■ if СОЦВЛТИв"

1. цитокинины; 2. Ауксина; 3. Абсцшовая кислота; 4 Гиббереллины; 5. Этилен.

III соцоетие

И__

□ кадмий 1

О свинец |,

О цинк |

в медь •

Влннине тжслых металлов на нрарасглние и скорости рост IIМЛ М1СВЫV I руГюк*

Нами изучено влияние тяжелых металлом на рост пыльцы в трех разных условиях, представленных на схемах (рис. 6).

В первом случае изучали рост чистой пыльцы настурции на средах с различной концентрацией свинца. В данном случае свинец поступает в пыльцу путем пассивною транспорта и нарушает рост клеток.

Рис. 6.

схема I

Среда с тяжелыми металлами.

схема 2

Чистая среда (лисI«ллирон.шная вода)

схема 3

Читая срелл (дистиллированная вода).

Во втором случае мы выдерживали побеги вишни и сливы в течение 2-х недель в воде, содержащей тяжелые металлы. 1} этом случае в процессе созревания пыльцы тяжелые металлы активно двигались по ксилеме к цветкам. В связи с тем, что при поступлении воды с тяжелыми металлами в срезанные побеги отсутствует механизм, препятствующий поступлению тяжелых металлов в растение на границе почва-корень и корень-стебель, в данном случае пыльца накапливает тяжелые металлы в тех частях пыльцевого зерна, которые находятся на стадии формирования, а именно в оболочке.

В третьем случае мы рассматриваем рост пыльцы разных соцветий томата, которая н течение всего периода формирования находится под влиянием тяжелых металлов и стресса, вызванною зтими тяжелыми металлами.

По данным о накоплении тяжелых металлов в цветках видно, что содержание ил в репродуктивных органах .минимально. Однако все отрицательное влияние, вызванное 1яжелыми металлами в период роста и

м

разни/ия растений. отражаем си в пы.и.цс, полому в данном случае мы рассматриваем poci ф/п/юлогически неполноценной пыльцы.

Воздействие рашых кон цен i раций РЬ на длину пыльцевой трубки настурции неодинаково. Наличие в среде 14) в исследуемых концентрациях впло/ь до 10 мг/л не снижало длину пыльцевых трубок (рис. 7), напротив, РЬ при низких кон цен грациях (0,001-1,0 мг/л) значительно симулировал рост ныльненых трубок. А пало/ ичные данные получены В.Л. Лихым и А.И. Сорокой (1996) на древесных растениях. С увеличением концентрации l'b в среде (100 мг/л) наблюдали уменьшение длимы пыльцевых трубок и даже полное um ибировапие их роста (мри 1000 мг/л).

При этом Boi.'iciiciнио тяжелых мсал.юв может происходить из-за изменения проницаемости мембран вследствие поступления 1яжелых металлов вместе с водой в пыльцевое зерно и их накопления в диктиосомах (рис. 6, схема 1).

3,5

з

«¿2,5 >. 2 3Í1.5 5 i

о ь о

20 мин

Рис. 7. Влияние свинца на скорость роста пыльцевых трубок настурции, 19&6 г.

контроль » РЬ 1000 мг/л -л-РЬ 100 мг/л -■«--РЬ Ю мг/л -*- РЬ 0,1 мг/л » - ,--о-

120 мин 140 мин

60 мин

80 мин

время

100 мин

В условиях за/рязнения тяжелыми металлами жизнеспособность пыльцы вишни и сливы также снижается, и чем выше накопление, тем более низок уровень прорастания пыльцы

Изменение длины пыльцевой /рубки под влиянием тяжелых металлов у вишни и сливы было сходным (рис. 8 и 9). Действие нтких концентраций тяжелых металлов ни длину пыльцевых трубок в большинстве случаев находилось на уровне кон/роля. С увеличением концентрации тяжелых меIаллов в растворах наблюдается подавление роста пыльцевых трубок, особенно это касае/ся вариантов с /п и РЬ.

В процессе роста пыльцевых iрубок в вариантах с Си, /.п и РЬ (100 и 1000 мг/л) на первых -лапах выращивания пыльцы наблюдались различные аномалии: изгибы, штопорообразное закручивание, вздутия. Спустя 180 мин. после посева пыльцы в э/их 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 болы urn lei не случаен до уроипч контроля, и и отдельных случаях отмечалось стимулирование роста пыльцевых трубок.

Рис. 3. Влияние тяжелых металлов на скорость роста пыльцевых трубок сливы, 1996г.

10 !

9 I

в

47 ф'

<9

ь

1 ! о I

Рис. 9. Влияние тяжелых

металлов «а скорость роста пыльцевых трубок вишни, 1996г.

--контроль

—-РЬ 1000 мг/п -*-РЬ 100 мг/л —»-РЬ 10 мг/л -•-2п 1000 мг/л —«-¿п 100 мг/л • •- 2п 10 мг/л

120 мим

180 мин 240 мим время

120 мин 160 мин 16 чесов оремя

Мы предполагаем, что (яжслые металлы находились, в мембранах пыльцы, которые, действуя к качестве аккумулирующих металлов систем, могут представлять собой один из -одшыных механизмов. Восстановление роста пыльцевых трубок мере! определенное время возможно происходило из-и вымывания (диффузии) тяжелых металлов н питательную среду (рис. 6, схема 2).

При изучении затяжного стресса, вызванною тяжелыми металлами на прорастание и рост пыльцевых трубок соцветии томата, нами было показано, что пыльца является самой чувствительной частью растения к загрязнению.

Тяжелые металлы на уровне ПДК, 10 ПДК н 100 ПДК оказывали разное действие на длину пыльцевых (рубок (рис. 10). При концентрации металлов на уровне ПДК не отмечено заметного влияния, при 10 ПДК уже имеются различия в росте но вариантам и при 100 ПДК мы наблюдали полное ингибирование роста пыльцевых грубок.

При прорастании пыльцы томатов, выращенных на фоне высоках концентраций тяжелых металлов, также как в случаях с пыльцой нншни и сливы наблюдаются различные аномалии.

Ингибирование роста пыльцевых трубок продолжалось до конца наблюдения, что говорит не только о накоплении тяжелых металлов внутри пыльцевого зерна, но и о влиянии тяжелых металлов на процессы, связанные с образованием пыльцы (рис. 6, схема л).

В растениях второго поколения прорастание пыльцы и рост пыльцевых трубок также существенно различают ся по вариантам опыта (рис. ! 1).

Наибольший ингибирующин эффект выявлен в вариантах с /п и Сд (на 11-ом и 111-м соцветиях).

Рис. 10. Влияние разных коицепграцшпяжелых металлов на скорость росла пыльцевых трубок юмат, 1996 г.

60 мин КО мин

ьремм

24 часа

I соцветие

- контроль

¡опдк

3.5 3

с!

«2,5 2

' Г'5 1

0,5

о

II соцветие

120 мин 24 часа время

I соцветие

-контроль

100 пдк

II соцветие

60 мин

120 мин время

24 часа

Рис. 11. влияние тяжелых металлов (IUI 1Д1С) на скорое п. poeta пыльцевых трубок растений rowuia II поколения. 199S г.

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 240 мин 265 мин

время

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

время

Мель положи icMi.no влияла на рое! пыльцсиых трубок томата. На 1-ом и 11-ом соцветиях она )амет но стимулировали рост пыльцевых трубок, и на 111-м соцнсгии длина пыльцевых трубок находилась на уровне контроля.

Одним из вариантов объяснения тгою явления может быть адаптация расIенийтомата к тяжелым металлам.

Эксперименты, проведенные с пыльцой, покатали, что тяжелые металлы оказывают влияние на прорастание пыльцевых черен и рост пыльцевых трубок а, следовал ельно, па оплодотворение и на эффективность семенною размножения рааений. Под влиянием тяжелых металлов снижалось 1авя<ыпанне семян томат и число семян на 1 плод. Растения, выращенные в условиях цн ряшения, были малосемейными. Свинец и кадмии шрицателыю влияли на формирование плодов. На третьем сонно ни в варианте с кадмием получены мелкие плоды

Результаты проведенного нами исследования еще раз продемонстрировали огршипельнос влияние высоких дот тяжелых меиылов на растения второю поколения (таблица 2).

Таблица 2. влияние тяжелых металлов (.10 ПДЮ на жизнеспособность

пыльцы и та в я шванне плодов томата Н-ою поколения, 1998 г.

Проран я- ,1.т||иа )авм|ы ' Число Число Масса Средняя

ние ны.и.- пыльце- ванне. ■ камер ссммп 1000 масса

> Варианты ЦСН1.11 вой )шт ни 1 ССМН11 плода.

черен,"/» 1 рубки, у. ед. плод лг г 1

| 1 еоц»е1ие

| Контроль 32,6 4.3 62,3 Т 4,65 95,3 2,87 80,5

Свинец 34,6 4,8 33,8* 5,96 75,9 2,43*~Н 69,1

: 1 [пик 16,2* 4,52 57,5 > 6,50 51,4* 2,81^ 68,3

| Медь 41,9* 6,14* 33,1* ! 7,30 72,0* 2,06* 75,2

!Кадмий 25,5 4,43 48,7* 5,75 35,8* 2,33* 55,9*

! ИС1\л 9,63 2,11 13,24 20,71 0,15 П 17,2

II соцветие

; Кон I роль 25,8 4,48 45,2 ; 4,97 108,7 2,71 71,5

| Свинец 26.9 4,08 36,8 ' 5.10 103,2 2,03* 73,3

| Цинк 10,8* 3,37* 38,8* : 6.00_ 38,0* 2,34* 34,3*

Медь 27,3 5,64* 36,4* 1 5,70 79,7* 2,29* 60,8

Калмнй 16,6* 3,29* 39,1 6,50 1 66,5* ¡2,29* 54,4*

НП'пч 9,03 1,04 7,26 - Г 25,18 1 0,07 16,25

1 III соивешс

! Контроль 26,1 5,56 42,1 1 5,60 97,6 2,27 33,0

; Свинец 21,4 6,22 26,2 10,2 67,5* 1,62* 43,8

! i 1,1111 к 12,0* 2,06* 12,0* 1 - - 16,5*

1 Мель 18,3* 5,45 28,5* 1 13.0 116,0 1,89* 54,9*

! Кадмии 9,20* 3,55* 27,4* ' 5.70 67,0* 1 "1" ! ,86* 26,9

[ НСР.л 7,22 1/74 10,-И ... 18,73 0,19 15,10

* - различия существенны при 95 % уровне значимости.

В присутствии тяжелых метилов отмечастея снижение процента завязывания плодов томата, уменьшение числа семян на ! плод и средней массы плода. Максимальный ишибирутий »ффекг на жизнеспособность пыльцевых зерен, завятыкание и продуктивность томата окатывают кадмий и цинк. При этом следует указа) ь. что на 1И-ем соцветии наличие цинка в среде привело к формированию бессемянных плодов. I! ном же нариаше отмечается и низкий процент прорастания пыльцевых зерен, минимальная длина пыльцевых трубок, а кжже самый низкий процент завяшнания плодов.

Таким обраюм. существует кчпая нгаимоснмзь между прорастанием пыльцевых зерен, длиной пыльцевой iрубки и завязыванием и формированием плодов Чем меньше жтннеснособность пыльцы, тем меньше продуктивность.

Состояние пы.п.кы как- пока ¡а км ь тигрмзнсния тяжелыми металлами.

Анализ .'uncpaiypiibix и собственных данных по и (учению действия [яжелых металлов на рост in vitro пыльцы настурции, »шипи, сливы и томата, показал, что наличие загрялинелей в среде сказывается на жизнеспособности пыльцы, скорости роста н длине пыльцевой трубки.

Принимая во внимание высокую чувствительность пыльны по литературным данным и результатам наших исследований, мы провели серию опытов но использованию пыльцы в биологическом контроле качества воды. На основании этих исследований разработан жспресс-мстод определения содержания загрязни iелей неорганическою и органическою характера в воде. (5 качестве тест-объекта выбрали пыльцу настурции. Пыльца зтого растения обладает высокой чувспинелыюстмо к (агрязшпедям, хорошо хранится я доступна.

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

Метод биотестиронатш является очень чуиспппельным к надежным для валовой оценки качества воды Из-за короткого времени анализа и низких затрат можно рекомендовать етдля анализов больших количеств проб воды.

Данные по прорастанию пыльцы хорошо коррелирую! с анализом воды, проведенным физико-химическими методами.

Заключение

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

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

[¡первые (пучено влияние различных копаем фации тяжелых металлов на формирование, созревание пыльцы, нрораошше и рост пыльцевой трубки.

Высокие конной рации (яже.тых мечаллои приводя! к снижению процент завязывания, средней массы плода и уменьшению, числа семян.

Вевязи с 1ем, <по наиболее чувствительным органом к действию тяжелых меюллов являемся пыльца. Обоснована возможное!ь использования пыльцы в биологическом кош роле качест ва воды, разработан зкспресс-тест на загрязнители в воде. Метод является очень чувствительным, простым, быстрым и надежным. Гло можно рекомендовав для шишка большого количества проб иолы.

Нмноды

I. Детально изучено поступление тяжелых металлов в органы томата при выращивании раеюний па почвах, загрязненных высокими дозами меди, цинка, кадмия и свинца. Выявлена специфика накопления них тяжелых металлов в раешнннх. Обосновано наличие трех основных защитных зон при нос I у илек 1ИI тяжелых металлов в растение: иочва/корень; корень/надземная часть; оебель, листья/репродуктивные ор!'аны. 2 Морфологические изменения укашваюг на то, что все щученные нами тяжелые металл!,I оказываю! влияние на роет растений, площадь и строение листьев, а характер нот влияния различен для разных металлов. Особенно сильно ли различия проявляются у растений нюрого поколения, выращенных из семян полученных на фоне тех же тяжелых металлов. В растениях шорою поколения отмечена полная дезорганизация их сфуьтуры.

3. Покашно, что тяжелые металлы оказывают неоднозначное воздействие на содержание хлорофилла п интенсивность фотосинтеза Характер этого воздействия определяется как хараюером металла, так и ею концентрацией. 4 Детально изучен уровень фитогормопов » растениях томата при затяжном стрессе, вызванном дейеншем шжелых меишюн. Показано, что в этих условиях формируется специфический гормональный баланс, существенно отличный от .характерною для кражоврсмснного стресса. Тяжелые металлы по сгепени влияние па гормональный баланс растений юмата располагаю 1ся в следующей последовательности. СЧ1>РЬ>2п>Си. 5. Проанализировано поведение репродуктивных органов (пыльца, завязь, плод) при действии 1яжелых металлои. В опытах на вишне, сливе, настурции и томате установлена прямая зависимость между концентрацией тяжелых металлов и жишсснособностыо пыльцы. В условиях загрязнения тяжелыми металлами прорасшиие пыльцы в болшшнеше случаен снижается, что в свою очередь понижает зунязываемость и продуктивность томата. 6 Высокая чувствшелыюсгь пыльцы к ра¡личным зшрязпнтелям позволила предложить оршинальный и эффективный 'жспресс-метод биологической оценки качества воды. ')[ш тест был использован при оценке качества воды

и Каховском водохранилище и Днепре н пределах. Херсонской области, заводских стоков и поливных вод рисовых чеков.

Данные биотеста 'совпадаю! с результатами фшико-.чнмнчссного анализа.

Список* рябо i, опубликованных по теме лиссер! »нни:

1. Бойценюк Л.И., Калашников Д.В., Рикельме Хорхе, Курапо» 11.Б. Гормональная регуляция процессов оплодотворения // 'Геч. докл. 111 международной конференции «Peí уляторы роста и развитии растений». М, 1995,с. 9-U!.

2 Рикельме Хорхе, Фитина ОК., Клюев П.Д., Кураиов ПК. Метод биогестнровшшя при анализе качества полынных под П Теч. докл. 11 межвузовский конф , Орехоно-Зуено, 1996, с. 10-11.

3. КоГтценюк ЛИ, Каланмшкон Д.В, Рикельме Хорхе, Кураиов П.К. Влияние физических, химических и гормональных факторов на рост пыльцевых трубок настурции in vitro //Доклады 'ICXA, 1996; вып. 267, с. 26-40.

4. Войиенюк Jl.ll, Калашников ДВ, Рикельме Хорхе. Влияние фиторегулятров на некгарокыделенпе и урожай впиши и трсчиха // 1 (человодс) но, 1996; Л» 4, с. 20.

5. Войненюк Л.И, Рикельме Хорхе, Курапов IIb., Калашников Д.В. Влияние фшогормонои на формирование плодов перекрестно опыляемых культур ,'/ Теч. докл. ¡V международной конференции «Регуляторы роста и ратвития растений». М, 1997, с. 152-153.

6. Ьойценюк ЛИ, Рикельме Хорхе, Калашников Д.В. Втаимовлияние пыльцевых черен при прорастании на фоне различных фпгогормоиов // Тез. докл. IV международной конференции «Регуляторы роста и развития растений». М., 1997, с. 264.

7. Рикельме Хорхе, Войиенюк ЛИ., Кураиов IIb., Клюев H.A., Филина О.Н. Влияние 1яжелы.х металлов на качество пыльцы // Геч. докл. IV международной конференции «Регуляторы роста и развития растений)». M., 1997, с. 274.

S. Рикельме Хорхе, Кураиов 11.Б., Сальникова Н И,, Сиушева Л.Г. Влияние тяжелых металлов на гормональный баланс соцветий томата сорта Белый налив // Те), докл. V международной конференции «Регуляторы роста и развития растений». M , 1999, с. 55.