Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Токсическое действие тяжёлых металлов и устойчивость к ним проростков злаков
ВАК РФ 03.00.16, Экология
Автореферат диссертации по теме "Токсическое действие тяжёлых металлов и устойчивость к ним проростков злаков"
На правах рукописи
КАЛИМОВА Ирина Борисовна
ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ И УСТОЙЧИВОСТЬ К НИМ ПРОРОСТКОВ ЗЛАКОВ
03.00.16 - Экология
Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук
1 О ДЕК 2009
Санкт-Петербург 2009
003488076
Работа выполнена в лаборатории экологии растительных сообществ Ботанического Института РАН им. В. Л. Комарова
Научный руководитель
кандидат биологических наук, вед. научный сотрудник Алексеева-Попова Наталия Вадимовна
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук Шамров Иван Иванович
кандидат биологических наук Казнина Наталья Мстиславовна
Ведущая организация
Санкт-Петербургский Государственный Университет
Защита состоится 23 декабря 2009 г в 14 ч на заседании диссертационного совета Д 002.211.02 при Ботаническом институте РАН им. В. Л. Комарова по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 2, БИН РАН тел.: (812) 234 12 37, факс (812) 234 45 12
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ботанического института им. В. Л. Комарова РАН Автореферат разослан 23 ноября 2009 г.
Учёный секретарь диссертационного совета,
кандидат биологических наук
Юдина Ольга Сергеевна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальиоеть темы. Среди загрязняющих окружающую среду химических веществ тяжелые металлы (ТМ) по опасности действия на живые организмы занимают одно из первых, мест, вследствие чего их воздействие на растения стало серьезной экологической проблемой. В связи с этим изучение динамикн накопления тяжелых металлов растениями, с каждым годом приобретает все большую актуальность. Роль растений важна не только в геохимическом круговороте элементов, но и в поступлении загрязнителей в пищевые цепи (Papassiori et all, 1999. Sinha, 1999, Ермаков, 2008). Повышение уровня в среде Cu, Ми, Ni, микроэлементов, необходимых для растений представляет значительную опасность. Изучение стрессовых реакций, вызванных действием ТМ, является важным для развития представлений об ответных реакциях растений на воздействие неблагоприятных условий среды. Оно необходимо также для разработки эффективных методов оценки возрастающего промышленного загрязнения окружающей среды. Выявление механизмов устойчивости растений к ТМ на уровне растительной клетки открывает широкие перспективы для развития селекции, биотехнологий и фиторемедиации загрязнённых территорий.
Цель ц задачи исследования. Цель работы - изучение структурно-функциональных особенностей проростков злаков в условиях повышенного содержания тяжелых металлов в среде и выявление механизмов их токсического действия на рост и развитие. В связи с этим были поставлены следующие задачи:
1. Сравнить устойчивость к повышенным концентрациям Mil. Cu и Ni разных сортов Avena sativa L. и Hordeum vulgare L.
2. Определить специфичность токсического действия ТМ на рост, уровень фотосинтетических пигментов, минеральный состав проростков отличающихся по металлоустойчивости сортов Avena sativa и Hordeum vulgare.
3. Выявить наиболее чувствительный процесс морфогенеза (рост, пролиферация и дифференциация клеток) разных тканей и зон корня проростков Tritícum aestmmt L. под действием Ni.
4. Выяснить механизм прекращения пролиферации клеток корня под влиянием Ni.
Научная довизна работы состоит в сравнительном изучении и установлении специфичности токсического действия нескольких ТМ (Mn, Си и Ni) на организменном, тканевом и клеточном уровнях организации. Впервые в модельных опытах на одних и тех объектах получен комплекс данных о действии повышенных концентраций Cu, Ni и Ми на уровень содержания фотосинтегических пигментов, гомеостаз минерального состава, ростовые процессы и структуру клеток меристемы корней проростков злаков. Получены новые сведения о межвидовых и внутривидовых различиях устойчивости к избытку Mn, Си и Ni в среде, свидетельствующие о высоком адаптационном потенциале высших растений. Впервые, на примере Ni, столь подробно изучена динамика процессов морфогенеза корня при действии ТМ. Установлено, что в корнях Т. aestivum процесс инициации примордиев боковых корней устойчив к воздействию Ni. Установлены тканеспецифические нарушения структуры ядра в клетках корня. Впервые установлено, что наиболее ранним проявлением токсического действия Ni на клетки корня является ингибирование перехода клеток меристемы к синтезу ДНК, что приводит к постепенному прекращению пролиферации клеток. Выход клеток меристемы из клеточного цикла в Gi-фазе под действием стрессового фактора различной природы является адаптационным механизмом сохранения меристематических клеток способности к возобновлению пролиферации.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные разносторонние сведения о реакции растений на повышенные содержания в среде Cu, Ni, Mn представляют теоретический интерес и вносят вклад в понимание специфичности токсического действия ТМ на растения. Полученные данные по динамике роста, пролиферации, дифференциации клеток корня и инициации примордиев боковых корней под воздействием Ni вносят существенный вклад в более глубокое понимание процессов морфогенеза корня. Обширный материал по устойчивости к приоритетным загрязнителям среды Си и Ni, полученный на разных видах и
сортах, важен для выбора объектов мониторинга экологического состояния окружающей среды. Практическое применение могут найти фактические данные о различной устойчивости определенных сортов A. sativa и Н. vulgare к Mil, что особенно важно в условиях кислых почв. Апробация работы. Материалы работы представлены на Международной конференции по анатомии и морфологии растений, С-Петербург, 1997, VII Молодёжной конференции ботаников, С.-Петербург, 2000. Международной научной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений», Минск. 2001, Международной конференции по анатомии и морфологии растений, С.-Петербург, 2002, Международной конференции «Проблемы физиологии растений Севера», Петрозаводск, 2004, ГУ Международной научной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений», Минск, 2005, V Международной научной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений», Минск, 2007, XII съезде РБО «Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале XXI века», Петрозаводск, 2008, 6-th International Symposium on Ecosystem Behavior Biogeomon, Helsinki, 2009 и на научных семинарах лаборатории экологии растительных сообществ БИН РАН.
Публикаипп. По материалам диссертации опубликовано 20 работ, из них 3 статьи в рецензируемых журналах.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста, включая 16 таблиц, 28 рисунков и приложения. Библиография содержит 223 источника, из них 108 на иностранных языках.
Глава 1. Литературный обзор.
В обзоре рассмотрены работы, посвященные эколого-физиологическим аспектам влияния ТМ на растения и формированию у них механизмов устойчивости на разных уровнях организации.
Глава 2. Объекты и методы исследования Работу проводили на модельных объектах которыми являлись проростки Avena sativa L. (4 сорта), Hordeum vulgare L. (4 сорта) и ТгШситп aestivum L. (2 сорта). Модельные опыты. 7 суточные проростки растущие на растворе смеси солей 5х 1 CP М Ca(NOj)2 и 1хЮ"5 М KCl служили контрольный вариантом, в опытных вариантах к этой смеси добавляли растворы сернокислых солей ТМ в концентрациях: Мп 2*10~3 М и З*10~3 М, Ni 5*10"5 М и 1х10~4 М. Си 1х10"? М и 5xl0"s М. Прирост корня измеряли ежедневно. Металлоустойчивоеть проростков определяли методом корневого теста, па основании индекса устойчивости (/,), который определяется как отношение прироста корня и/или побега растения в опытном варианте к приросту на контроле за один и тот же промежуток времени (Wilkins, 1978; Косицин, 1983). На 6 сутки опыта отбирали навески листьев для измерения содержания фотосинтетических пигментов и минерального состава. Количественное содержание хлорофиллов (а и Ъ) определяли спектрофотометрически (Шлык, 1968; Маслова и др., 1986), каротиноиды (ß-каротин. лютеин и виолоксантин) определяли методом бумажной хромотографии (Пигменты пластид... под ред. Д. И. Сапожникова, 1964). Содержание минеральных элементов в листьях определяли в азотнокислой вытяжке атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре AAS-IN. Влияние ТМ на структуру клеток кончика корня проростков изучали на «давленых» препаратах. Исследование процессов роста, пролиферации и дифференциации клеток корневой системы проводили на проростках Т. aestivum. 5 сут проростки переносили на раствор Арнона, в опытных вариантах добавляли растворы сернокислых солей Ni в концентрациях lxl О"6 М и 1 "10"4 М. Измеряли длину центрального корня проростков через 2 сут и перед началом опыта. Для изучения динамики процессов роста, пролиферации и дифференциации клеток корневой системы 3 сут проростки переносили на раствор Арнона, в опытный вариант добавляли раствор сернокислого Ni в концентрации lxlO"4 М. Измеряли длину корней перед начатом опыта и через каждые 6 ч первых суток опыта и 12 ч вторых, а также через 72 ч у опытных проростков. В одном из повторов опыта в эти сроки корни помещали на 30 мин в раствор метил-'Нр тимидина в концентрации 80 кБк/мл. Сегменты корней с меристемой в конце каждого опыта фиксировали по Навашину. Готовили постоянные препараты с серией срезов толщиной 7 мкм
для исследования характера роста клеток вдоль продольной оси корня. Определяли расстояние на котором происходит начало дифференциации клеток. Анализировали влияние Ni на деление и синтез ДНК в клетках корня и инициацию ЛБК с использованием метода авто ради о гра ф ни (Жинкин, 1959). Опыты проводили в 3-х кратной повторности. Статистическую обработку данных проводили с помощью пакетов стандартных программ Microsoft Excel 2007 и Statistica 6. В таблицах и на рисунках представлены средние значения и стандартные отклонения. Достоверность различий между парными значениями оценивали по г -критерию Стьюдента при Р<0.05. Проведен корреляционный анализ взаимосвязи содержания минеральных элементов и фотосинтетических пигментов в листьях проростков.
Глава 3. Токсическое действие маргаипа. меди и никеля на рост и структуру клеток апикальной зовы корня проростков Arena sativa L. и Hordeum vulgare L. 3.1. Специфичность действия повышенных концентраций ТМ на прирост корней и листьев проростков. Наиболее ярко проявились межвидовые особенности в устойчивости к воздействию повышенного содержания Мп Проростки Н. vulgare оказались более чувствительны к Мп. чем A. sativa (Табл. 1). Для всех показателей в таблицах 1 - 4 представлены средние для 4 сортов каждого вида. В то же время реакция отдельных сортов отличалась. Уже на вторые сутки опыта I, корней резко снижался, особенно у неустойчивого сорта Неван Н. vulgare (/, составил 0.26±0.09 и 0.21±0.07 при действии 2х10"3 M и 3*10~:' M соответственно). В литературе известны данные о существенной внутривидовой вариабельности H. vulgare в зависимости от факторов среды (Головко и др.. 2004). В то же время в первые трое суток опыта при действии Мп происходило стимулирование роста корней A. saiiva (у сорта Чиж на третьи сутки опыта 1, = 1.24±0.11 и 1.1±0.09). К 6-м суткам опыта значения I, корней A. sativa снижались до 0.17-0.27, а рост корней Н. vulgare был практически остановлен (Табл. 1). При одинаковом содержании в среде (5x10" М) Си оказывала большее ингибирукяцее действие на рост корней проростков обоих видов по сравнению с Ni. При более длительной экспозиции на растворах Си и Ni заметнее проявились межвидовые различия в устойчивости к ТМ и специфичность их действия. В целом, It корней при действии Си были ниже в среднем в 1.5 раза, чем при действии Ni (Табл. 1), что еще раз подтверждает большую токсичность Си по сравнению с Ni. Полученные данные показали, что Мп сильнее ингибировал рост корней проростков H. vulgare по сравнению с A. sativa, особенно при большей концентрации. Си и Ni оказывали более токсический эффект на рост корней проростков при существенно более низких концентрациях, чем Мп. Экспериментально установлены различия в устойчивости разных сортов модельных видов злаков к действию повышенных концентраций Мп, Си, Ni в среде. На примере двух сортов A. sativa показана разная устойчивость к Си и Ni (Рис. 1). Угнетающее действие ТМ на рост надземной части проростков обоих видов к шестым суткам опыта не выявлено.
сорта Чиж Фаленекий 3 Чиж Фаленский 3
Cii!ziG.<M OiSsIO-W falsl6-5M Г11 îzlO-SM HiíirlíMM ИПП-4М NifxliMM NillUM
□ i 2 O- 3 4 сутки опыта Рис. 1. Внутривидовые различия и специфичность токсического действия Си и Ni на прирост
корней проростков A. sativa
Таким образом, на основе метода корневого теста показано, что токсичность ТМ для обоих видов злаков убывает в ряду: Cu>Ní>Mn, причем последний металл оказывает стимулирующее действие на начальных этапах роста корней A. sativa. Полученные данные согласуются с результатами, полученными другими авторами (Vassilev et all, 1995; Титов, и др. 1995; Казнина. 2003).
Табл. 1, Средние значения индекса устойчивости (/,) корней проростков A. sativa (I)
и Н. vulgare (2) в опытах с внесением Mil. Ni и Си в среду
Сутк п опы та Мв 2*1 (Г1 М Мп 3x10"' М Ni 5x10 5М NilxWr'M Cu lxlО"5М Си 5x10 5 М
1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2
2 1.18 ±0.12 0.66 ±0.15 1.17 ±0.18 0.52± 0.14 0.54 ±0.10 0.69 ±0.22 0.41 ±0.11 0.46 ±0.16 0.89 ±0.21 0.81 ±0.06 0.43 ±0.15 0.45 ±0.04
3 1.12 ±0.13 0.39 ±0.08 0.95 ±0.16 0.31 ±0.06 0.35 ±0.07 0.57 ±0.04 0.27 ±0.03 0.31 ±0.05 0.64 ±0.18 0.56 ±0.12 0.22 ±0.05 0.2± 0.07
4 0.80 ±0.13 0.29 ±0.0.3 0.80 ±0.20 0.15 ±0.04 0.28 ±0.03 0.33 =0.08 0.22 ±0.03 0.25 ±0.07 0.58 ±0.19 0.61 ±0.21 0.16 ±0.04 0.29 ±0.08
5 0.69 ±0.18 0.18 ±0.03'* 0.53 ±0.21 0.11 ±0.03-* 0.20 ±0.06 0.16 ±0.06 0.11 ±0.05 0.12 ±0.05 0.60 ±0.24 0.35 ±0.20* 0.12 ±0.07 0.13 ±0.06
6 0.27 ±0.10 0.10 ±0.02 0.17 ±0.02 0.04 ±0.01 0.03 ±0.01 0.12 ±0.06 0.01 ±0.01 0.03 ±0.02 0.14 ±0.07 0.19 ±0.11 0.04 ±0.02 0.02 ±0.02
Примечание: * - значения, достоверно различающиеся между видами при Р<0.05, ** - при Р<0.001
3.2. Влияние ТМ ни структуру клеток апикальной зоны корня проростков A. sativa и
If. vulgare, отличающихся по металлоустойчнвостп. Одной из первых реакций клеток корневой меристемы на токсическое действие повышенного содержания ТМ в среде является изменение митотической активности (Breskle, 1991; Серёгин. Иванов, 2001). Установлено, что в клетках корня проростков Н. vulgare при действии lxlO"1 М Ni и 5*10° М Си снижение доли делящихся клеток по сравнению с A. sativa происходило раньше. С увеличением времени экспозиции на растворах исследуемых металлов в клетках корня появлялись изменения в структуре ядра, которые приводили к ослаблению его окрашивания и диффузной структуре, а позднее наблюдали плазмолиз, которому предшествовала вакуолизация цитоплазмы. В корнях A. sativa эти повреждения наступали позже, и проявлялись в меньшей степени. Повреждения ядра при действии Ni было отмечено и в других работах (Liu et al., 2003). Уже на вторые сугки опыта в клетках кончиков корней проростков Я. vulgare митотический индекс (МИ) достоверно снижался во всех вариантах опыта по сравнению контрольным. Выявлена специфичность действия различных металлов на митотическую активность клеток корня: в вариантах с внесением Си и Ni МИ продолжал постепенно снижаться, в то время как при 3*10° М Ми в среде происходило увеличение значения МИ в клетках меристемы корней проростков Н. vulgare, особенно у устойчивого сорта Торос (Рис. 2). Возможно вследствии увеличения времени прохождения фазы митоза (Powell et al., 1986).
1«,0 i........................................................................................- -.............."¿Путан......................
14.0 ¡..... Г ттт...................-........................................И З сутки
ЫЫ -с ^4 сттки опыта
11 « ......................jjj=..........................................................-..................................
10,0 г
111 ilrñ-fi
Контроль Mn Ni C'u
Рис. 2. Динамика МИ в корнях Я. vulgare при действии ТМ
Глава 4. Влияние марганца, меди ц никеля на фпчиолого-бвохнмическче цокачатели проростков.!, sativa и H. vid gare отличающихся по металлоустойчивости сортов. 4.1. Влияние повышенных концентраций I NI на уровень фотосинтетических пигментов в листьях проростков A. sativa и II vulgare. Показана разная степень токсического влияния Мп, Cil и Ni на уровень накопления хлорофилла а, хлорофилла Ь и каротиноидов: /?-каротина, лютеина и виолоксантина в листьях проростков злаков. Наиболее токсическое действие на среднее содержание хлорофилла а и хлорофилла b в листьях 4 сортов обоих видов злаков J оказывал Kin, а уровень содержания каротиноидов в листьях обоих видов наиболее чувствителен к Ni (Табл. 2). В то же время. Ni оказывал наименьшее угнетающее воздействие на содержание хлорофилла а и хлорофилла b в листьях проростков A. sativa. Накопление хлорофилла а и хлорофилла Ь в листьях К vulgare и исследуемых каротиноидов в листьях обоих видов злаков было наиболее устойчиво к Си. Выявлена сходная реакция каротиноидов на токсическое действие ТМ у проростков обоих видов. На основании полученных данных можно сказать, что фотосинтетические пигменты группы каротиноидов в листьях Я vu/gare и A. saliva более устойчивы к токсическому действию Си, чем Ni и Мп. По степени чувствительности к токсическому действию Си пигменты можно расположить в следующем порядке: /¿-каротин > лютеин > виолоксантин. Не отмечено значительных различий в степени угнетающего действия Ni и Мп на уровень /»'-каротина в листьях обоих видов. Но на уровень лютеина и виолоксантина Ni оказывал более токсическое действие, чем Мп (Табл. 2). Наряду с отмеченными различиями чувствительности к ТМ фотосинтетических пигментов сравниваемых видов были выявлены также достоверные различия между сортами, отличающимися по металлоустойчивости (Рис. 3). Показана большая вариабельность содержания /?-карогина у неустойчивого сорта Фаленский J, особенно при действии Мп и Ni, и специфичность действия разных металлов. Большая устойчивость каротиноидов возможно связана с их защитной ролью (Таланова, 2001).
Табл. 2. Влияние Мп. Ni и Си на содержание фотосинтетических пигментов в листьях
A.sativa (I ) и Я. vulgare (2)
Пог игягы Контроль Mu 2*10"'M Mn3*10'M XI Sx 10* M Ni 1-10'M Co 1x10 -' M C u 5s 10 5 M
1 2 I 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2
Хлоро фнлл а 1.33± 0.(15 0.83 ±0.05 0.99± 0.05" 0.51 ± 0.03" 0.92± 0.03" 0.40± 0.01** 1.15± 0.03" 0.63± 0.06** 1.0 7± 0.03" 0.57± 0.05" lOSi 0.03" 0.8 i ± 0.05 0.94± 0.04*« O.Wi 0.05**
Хлоро ||И.п b 0.49± 0.02 0.31 ±«.02 0.39± 0.02** o.m 0.01** 0.38± 0.04** 0.15± 0.003" 0.44± 0.02** 0.23± 0.03** 0.40± 0.01" 0.2U± 0.02** 0.41± 0.01** 0.27± 0.01" 0.36± (1.(12** ll.26± 0.02"
в-кщт ТИП 0.17* 0.01 0.10 10.01 0.12± 0.01** 0.07± 0.0!** 0.11± 0.01" 0.07 0.01±"" 11.13± 0.01*" 0.080± 0.01*" O.lli 0.01** 0.08± 0.01** 0.16± 0.01 0.09± 0.01 0.141 0.01** 0.08± 0.01"
O.lOi 0.О1 lí.06 ±0.01 0.07± 0.01" 0.04± 0.005"" 0.05± 0.01" 0.03A 0.004*" 0.0SA 0.004" 0.03± 0.003" Û.03± 0.004" 0.031. 0.004" o.iu 0.004" O.071 0.003" 0.10± 0.003 O.Ofe O.0U2
Вши» савгян 0.05± 0.003 о.оз ±0.002 0.03± 0.003" 0.02± 0.002" 0.02± 0.002** 0.01± 0.002" 0.02± 0.002" 0.0J± 0.003** o.oii 0.002** o.ou 0.003" 0.07.± 0.ÖÜ3" 0.04± 0.003" 0.06=t 0.Ш" 0.04± 0.1ЮЗ-*
Примечание: значения достоверно отличающиеся от контроля * - при Р<0.05, ** - при Р<0.001
-_-_i_______—J„L______._._._J
jnw-e. Mn3r1D-3M Ni 10-< M Cu5*lQ.5M (ftj ЭхЩ-Э Р.* Ni ifM M CuSilD-SM
Mn 2*1Ö-3M Ni M Cu 10 5 M №W34 f*S*10-SM СиЮ-5М
Рис. 3. Влияние TM на содержание /3-каротина (мг/гсыр. биомассы) в листьях Н. vulgare Результаты корреляционного анализа выявили ряд закономерностей взаимосвязи содержания минеральных элементов в листьях и уровня фотосинтетических пигментов в контрольных и опытных вариантах. В ряде случаев найдена тесная взаимосвязь между уровнем отдельных пигментов и уровнем металлов в опытных вариантах: так, у A.sativa при внесении ЗхЮ'^М Си обнаружена положительная корреляция (г=0.89, Р<0.001) между содержанием хлорофилла а и уровнем Ni, а у Н. vulgare положительная корреляция (г=0.75, Р<0.001) с содержанием Zn. В то же время у A.sativa установлена отрицательная корреляция (г= - 0.92, Р<0.001) между накоплением Zn и содержанием /í-каротина. В вариантах с внесением IxlO^M Ni у проростков обоих видов не найдена корреляция между содержанием хлорофилла а и Ь и изменением минерального состава листьев. Хотя известно, что все элементы минерального питания тесно связаны между собой участием в единых метаболических процессах, роль каждого из них строго специфична.
4.2. Влияние ТМ на минеральный состав листьев проростков A. sativa и Н. vulgare. Анализ минерального состава листьев проростков исследуемых видов показал видоспецифичность действия повышенного содержания mn, Си или Ni в среде на их накопление (табл. 3,4). Большей стабильностью отличался макроэлементами состав листьев проростков Н. vulgare по сравнению с A. sativa. В листьях проростков последнего содержание К достоверно снижалось во всех вариантах опыта с внесением ТМ, а у II. vulgare - только при повышенном содержании Ni в среде (табл. 3,4). Уровень накопления Ca в листьях обоих видов злаков достоверно снижался лишь а вариантах с внесением Мп. что, по-видимому, обусловлено антагонизмом в поглощении указанных металлов. Содержание Mg в листьях обоих видов варьировало незначительно. Характер изменения содержания К и Ca при действии ТМ во многом зависит от видовой принадлежности (Титов и др.. 2007). Достоверные изменения уровня физиологически необходимых микроэлементов Fe и Zn в листьях проростков обоих видов не отмечены. Усиление поступления Ni в вариантах с внесением Мп также отмечено только у A. sativa. При одинаковом содержании (5x10° М) Ni или Си в среде концентрация Ni в листьях обоих видов злаков возрастала более чем в 10 раз по отношению к ее контрольному значению, а концентрация Си - лишь в 2-3 раза. Это свидетельствует о более быстром передвижении Ni в надземную часть проростков по сравнению с Си (Тэмп. 1991; Лянгузова. 2005). В присутствии повышенных концентраций Мп особенно ярко проявились межвидовые различия в аккумулятивной способности проростков A. sativa и Н. vulgare. В вариантах с внесением 2~ ЗхЮ" М Мп его концентрация в листьях A. sativa была меньше примерно в 2 раза, чем у Н. vulgare. В листьях последнего содержание этого элемента возрастало в среднем более чем в 70 раз, в то время как в листьях A. saliva в среднем в 10 раз. Возможно это может являться причиной большей устойчивости A. sativa к повышенным содержанию Мп в среде, что подтверждают наши данные по /( корней. Показано, что изменение минерального состава в присутствии ТМ связано с замедлением роста корней (Godbold, Knetter. 1991). Но надо отметить, что сорта A. sativa значительно больше различались по уровню аккумуляции Мп. Стимулировал поступление Мп в листья Н. vulgare и Ni в низкой концентрации. При внесении в
среду 5x10"5 М и lxlO^MNi отмечалась обратная закономерность: его содержание в листьях проростков A. sativa было примерно в 2 раза больше по сравнению с Я vulgare. Выявлена специфичность поглощения Ni - степень накопления этого металла в листья A. sativa и Я. vulgare была одинаковой. Так, при концентрации Ni 5x10'5 М содержание листьях увеличивалось в среднем в 12 раз, а при концентрации Ni lxlO"4 М - в среднем в 20 раз у проростков обоих видов (табл. 3,4).
Табл. 3. Содержание минеральных элементов в листьях проростков Я. vitlgare при действии
Mn, Ni и Cu
Вариант % от сухой биомассы мг/кг сухой биомассы
опыта Ca К Mg Fe Мп Zn Ni Cu
Контроль OJ6±O.OÍ 4.31 ±0.90 0jlt0.02 92Л±17-3 31.5±2.2 37J±3.7 6АМ.1 9.4±2.8
Мл 2*10® М 0.29±0.07* 3.52±1.06 0.21±0.01 87.9±12Л 2340±152** 38.5±5.4 7.9±0.6** 7.2±2.6
Мл 3*ioJ м 0.27±0.06* 3.60±1.04 0.23:fc0.02 102-2±19.2 2440±173** 42.1±5.9 7.4±0.4" 9.8±3.1
Ni 5x105M 0.35±0.08 3,4ͱ0.71* 0.25УЮ.03» 71.8±9.4* 57.9*7.8** 38.7±4.1 71.2±12.1** 4.5±1.5*
М 1*10'М 0.30±0.06 3.12±0,71* 0.23:t0.02 69.3*9.2» 25.6±2.1* 29AU.1* 124.9±16.4** 6M2.7
Си 1х105.М С05±0.07 4.4S±0J6 0.24:10.02* 77.1±83« 31.1Ш.6 33.6tí.S 9.5±1.1" 9.143.2
Си 5x10 !М 0jl±0.09 3.48±0.74 0.2&Ю.03* 64.7±7.7** 29.7±3.5 45.1±3.9* 10.4±1.1" 21.1±3.7*
Примечание: * - значения, достоверно отличающиеся от контроля при Р<0.05, ** - при Р<0.001
Табл. 4. Содержание минеральных элементов в листьях проростков A. sativa при действии Ми,
Ni и Си
Вариант % от сухой биомассы мг/кг сухой биомассы
опыта Ca К Mg Fe Mn Zn N1 Си
Контроль 0.66±0.08 3.80±0jl 0j5±0.02 71.S±16.2 124*31 40.5±6.7 14.1*3.1 6.7*0.4
Мл 2xl0J M 0.40±0.07" 2.61±0J3** 0.25*0.03 65.8*12.3 1190*327** 36.4±6.3 17.2±3.9 8.7*0.5**
Мл 3xlO J M 0J4±0.0S** 3.32±0J6* 0.29*0.03* 54.1*9.1* 1385*415** 40.7*6.3 18.S±6.l 9.5*0.5**
N15x10 5М 0.5б±0.14 3.15±0.31" 0.24*0.02 59.5*10.4 147*38 29.2*6.1* 172*37** 6.3*0.5
Nll^lO^M 0.56±0.14 2.54*0.27** 0.22±0.»3* 57_>±12.2 1M*J4 286*48** S,7*0.6S*
Си 1x10 5 М 0.ÍW0.16 3.71±0.43 o.::4±o.o2 60.5*11.9 135*37 42.8*7.0 20.1*7.6 10.7*1.0"
Ca 5x10 5 м 0.79±0J1 3.20*0.29* 0.25*0.02 63.0*12.4 121*36 43-3±7.4 13.8*2.8 22.4*2.4**
Примечание: * - значения, достоверно отличающиеся от контроля при Р<0.05,
** - при Р<0.001
Глава 5. Влияние никеля па развитие корневой системы проростков ТИНсит аехГггит Ь. 5.1. Влияние никеля на морфологию и структуру корневой системы. При концентрации 1 х 10-6 М № через двое суток опыта не оказывал влияния на развитие корневой системы проростков по сравнению контрольными, в то время как 1410"'1 М № ингибировал рост материнского и боковых корней. При действии № 1*10"6 М происходило нарушение связей между группами близкородственных клеток в рядах клеток ризодермы меристемы материнского и боковых корней, что стимулировало деления клеток в экзодерме, которое приводило к формированию дополнительных слоев клеток этой ткани. (Рис. 6а). № в концентрации 1* Ю"4 М не вызывал подобны:* нарушений, хотя ингибировал прирост материнского корня на 80% (Рис. 4)
|||
начап* опыте, ч
Рис. 4. Прирост корней Т.аехгтип при действии 1* 10'4М №
5.2. Влияние никеля на деление и характер роста клеток корня. Анализ распределения митозов в тканях корней при действии № 1*10" М показал, что клетки ризодермы, экзодермы и средних слоев коры, кроме дистальных клеток рядов этих тканей, а также периферические клетки калиптрогена через двое суток опыта прекращали деление. В эндодерме, перицикле, стелярной паренхиме и спутниках протофлоэмы ещё встречались делящиеся клетки. Некоторые клетки покоящегося центра и дистальные клетки рядов тканей центрального цилиндра, и инициальные клетки колумеллы ещё сохраняли способность к делению, но частота встречаемости делящихся клеток снижалась. В центральном ряду метаксилемы (ЦРМ) митозы отсутствовали. После прекращения клеточных делений происходила вакуолизация клеток. Для оценки действие № на изменение характера роста измеряли длины клеток в ЦРМ и ризодерме вдоль продольной оси кончика корня. Длина инициальных клеток в корнях контрольных и опытных растений не различались. Из этого следз7ет, что инициальные клетки рядов в корнях опытных растений продолжали пролиферацию. Соотношение длин клеток коры в апикальной половине участка 0-699 корней опытных и контрольных растений было таким же. как и у клеток метаксилемы на участке 0-199 мкм. где клетки этой ткани в контрольных корнях делились. Таким образом, относительная скорость роста клеток под влиянием № в меристеме не изменялась, но она могла быть существенно ниже, чем в контроле. Присутствие № в среде влияло на рост клеток меристемы и в радиальном направлении, что вызывало уменьшению диаметра корня меристемы с 362 ±5 (в контроле) до 336±6 мкм. В корнях контрольных и опытных растений на расстоянии 700-899 мкм от инициальных клеток начиналось растяжение клеток, из чего следует, что уменьшение длины меристемы не происходило.
5.3. Влияние никеля на дифференциацию клеток и развитие боковых корней. В присутствии 1Х10"4 М № начинало формирования вторичных утолщений клеточных стенок в протоксилеме через двое суток опыта завершалось ближе к кончику корня (1680±50 мкм, при 2680±30 мкм у контрольных) а корневые волоски в апикальном сегменте корня длиной 4 мм отсутствовали (в контрольнвх корнях - на расстоянии 2750±40 мкм). Дифференциация протофлоэмы завершалась на большем расстоянии от кончика корня (587±11 мкм, при 494=ь8 мкм в контроле). На расстоянии 2.2-3.8 мм от кончика корня происходил некроз клеток сначала в эндодерме и внутренних слоях коры, а затем и перицикле (Рис. 66). В корнях проростков при воздействии 1*10"4 М№ примордии боковых корней (ПБК) первого порядка находились ближе к кончику корня. Первые деления клеток в стелярной паренхиме и перицикле, в связи с началом
инициации ПБК встречались уже на расстоянии 2.2-2.3 мм от границы чехлика и тела корня. В ПБК и боковых корнях деление клеток не было ингибировано (Рис. 5а). В боковых корнях первого порядка уже начиналось формирование ПБК второго порядка. В участке корня где находились эти примордии появлялись гипертрофированные корневые волоски и клетки всех тканей имели значительно меньшую длину (Рис. 56).
Глава 6. Динамика роста, пролпфераппч п дпфферепппапип клеток корневой системы проростков Г. аеяПуит при действии нпкеля ■ . / - .
6.1. Дннампкя роста п начала дпфферепциаппп клеток корпя при действии никеля. Чц~>ез 24 ч длина клеток в корнях опышых проростков под влиянием N1 заметно снизилась на протяжении большей части зоны растяжения, что и обусловило уменьшение длины ■завершивших растяжение клеток (Рис. 8в). Расстояние от кончика корня, на котором происходило начало дифференциации клеток протоксилемы. было меньшим, чем в контрольных корнях. В опытных корнях начало роста корневых волосков появлялись на участке, расположенном выше по корню (на 600 мкм), чем участок, где начиналось формирование вторичных утолшений в клетках протоксилемы (Рис. 8в). Через 36, 48 и 72 ч опыта наблюдалась тенденция к увеличению длины клеток корней опытных растений в апикальной половине зоны деления клеток. Формирование вторичных утолщений в клетках протоксилемы продвигалось к кончику корня, а расстояние от кончика корня до зоны начата роста корневых волосков увеличивалось. К 36 ч формирование вторичных утолщений клеток протоксилемы начиналось на расстоянии 1700 мкм от инициальной клетки центрального ряди метаксилемы, а через 48 ч - 1600 мкм. Первые корневые волоски к 36 ч опыта находились ш расстоянии 3500 мкм. а к 48 ч на расстоянии 3600 мкм. Начато дифференциации клеток метаксилемы п метафлоэмы, а также инициация приморднев боковых корней приближались к кончику корня (Рис. Вт).
6.2. Дипампка синтеза ДНК п деления клеток в разных тканях н участках корпя под воздействие»! ппкеля. В корнях опытных растений уже к 6 ч от начала воздействия Iх 10"4 М № величина индекса меченых 'Н-тимидшюм клеток, синтезирующих ДНК. (ИМК) во всех изучаемых тканях корня (ЦРМ, ризодерма, ПЦ, клетки чехлика) заметно снизилась (рис.9). В последующие сроки ИМК резко снижался. Через 48 ч в чехлике и ризодерме встречались лишь единичные меченые клетки, а через 72 ч такие отсутствовали. В метакенлеме, в течение 18-48 ч ИМК изменялся незначительно, но к 72 ч опыта уже встречались единичные меченые клетки (Рис. 9в). Большая часть меченых клеток находилась в батальной половине зоны деления (100199 мкм). В корнях опытных растешш резкое уменьшение ИМК в клетках покоящегося центра происходило через 12 ч от начала опыта, с последующим его постепенным снижением. К 36 ч ИМК составлял 0.7±0.2% и все синтезирующие ДНК клетки были иншшалями рядов различных тканей. Через 48 и 72 ч синтезирующих ДНК клеток в покоящемся центре не обнаружено. Ингибирование синтеза ДНК в клетках корней под влиянием ТМ было отмечено и ранее (ОопсЪега а1 а1, 2005). Заметное уменьшение величины МИ в тканях корней опытных растений происходило через 12 ч. В последующие сроки МИ постепенно снижался, но менее резко, чем ИМК. Даже через 72 ч в чехлике и ризодерме некоторых корней встречались делящиеся клетки (Рис. 9а, б). В корнях опытных растений величина МИ в ПЦ увеличивалась уже через 6 ч от напала опыта. К 18 ч величии МИ резко уменьшалась. Заметных нарушений структуры ядра клеток ПЦ не наблюдалось (Рис. 7в). К 36 ч и в последующие ерики фиксации корней делящиеся клетки встречались вблизи ПЦ(Рис. 7г).
6.3. Влияние ппкеля па пппциаппю а развитое прпмордпев боковых корпей. Через 18 ч первые возобновившие синтез ДНК клетки стелярной паренхнмы (Рис. 7а) в корнях опытных растений при действии I * 10'4 М № наблюдались ближе к кончику корня, чем в контрольных, а доля корней с такими клетками в стелярной паренхиме резко увеличилась. В конце сегмента корпя встречались не только синтезирующие ДНК клетки пернцикла, но и делящиеся клетки стелярной паренхимы и перицикла, то есть началась инициация примордия бокового корня (ИПБК). Через 24 ч первые возобновившие сшпе1 ДНК клетки появились в эндодерме и коре. К 36 ч опыта во всех исследованных корнях наблюдались ПБК и ИПБК, которая происходила ещё
ближе к кончику корня. Через 48 ч ИПБК продолжалась, клетки перицикла синтезировали ДНК и делились (Рис. 76). Меченые "Н-тимидином клетки видны не только в ходе ИПБК, но в и близлежащих клетках хсоры. Позже, в ходе формирования ПБК, меченые клетки в примордии не выявляются, поскольку тимидин не проникает через чехол, образованный из сжатых оболочек клеток коры. Через 72 ч во всех 5 исследованных корнях наблюдались ПБК и делящиеся клетки в меристеме.
6.4. Структурные изменения в клетках под воздействием никеля. Все структурные изменения встречались только в клетках, проходивших растяжение под воздействием никеля, и проявлялись после прекращения их растяжения. В завершивших растяжение клетках ризодермы уже через 24 ч увеличивалась частота встречаемости разветвленных корневых волосков. К 36 ч в некоторых корнях в начале зоны растяжения в клетках ризодермы наблюдался хроматолизис ядра: в этих клетках ядро слабо окрашивалось реактивом Шиффа. Затем хроматолизис распространялся до клеток внутренних слоев коры, а в клетках эндодермы происходил пикноз ядра. В некоторых клетках центрального ряда метаксилемы (ЦРМ) нарушалась структура ядра, появлялись гантелевидные ядра. Через 72 ч в клетках коры, расположенных около растущего примордия, встречались не только нормальные митозы, но и многополюсные. Ингибирование роста корна и нарушение клеток меристемы при действии ТМ отражено и в других работах (Robertson. 198.5; Sresty, i 999; Довгалюк, 2001).
11 т w l
Ii 1
i
34500 «ООО
Л
500 tOCO ISO» ZOOQ 2500 ¿ООО ЗЗОО 4000
Расстояние от инициальной клетки ряда, мкм
Рис 8. Динамика роста клеток ЦРМ в корнях Т. аеэишт при действии 1 х 10"4 М N1 а, б, в, г - 12, 18, 24, 48 ч от начала опыта, начало формирования корневых волосков (У), начало формирования вторичных утолщений стенок протоксилемы (
Ряс. 5. Развитие боковых корней Т. ае.?п'\>шп при действии [х 10' М № через 48 ч воздействия
(а) - в боковых корнях деление клеток не ингибируется.
(б) -в боковых корнях первого порядка уже начинается формирование ПГ,Г< второго порядка. Масштабная линейка - 50 мкм
у- е^йм
I ЭК1 . *э «
У ' > >
** * ^ * а п
* ^ ' .....■» ^ « Г О
^ .....*
г*»
(я) ь Г" - -. X - • ' ■ -V .. .. .
Рпс. 6. Нарушения в тканях корня Т. аехИгчт через 48 ч от начала опыта
(а) - нарушение межклеточных связей в ризодермы при действии 1х 10"° М № (экз - экзодерма).
(б) - некроз клеток эндодермы и периникла при действии 1 х 10 4 М №. Масштабная линейка - 50 мкм
♦ с
ЩА
#тч
• щ 0ГЧ1
* 1
(в)
в Кая.
Коп
4
«ж
к Ц
ип 2
! (г)
А» <
1
Рпс. 7. Автографы срезов корня Т. аезЧчит при действии Iх Ю" М N1 через
18 (а) и 48 (б) ч от начала опыта (▼) - делящиеся и (|) - синтезирующие ДНК клетки перицикла
структура ядра в клетках ПЦ через 36 ч (в) - структура ядра не нарушена,
через 72 ч (г) - делящиеся клетки к инициалях рядов (4Г).
Масштабная линейка - 20 мкм
«я!
16 12 В 4
о
1
О 6 12 18 24 36 48 72
МИ
(ЗД
1, 1 ЩГ.Н
П „
в г. ;; .1« ¡'л
время от начала опыта, ч
| |контроль
N1 ЬКГМ
Рис 9. Динамика индексов меченых "'Н-тимидином клеток (ИМК) и митотического индекса (МИ) в разных тканях корня Т. ае$Ч\'шп при дейсгвии 1 х 10"4 М N1 (а - чехлик. б - ризодерма, в - ксилема, г - ГЩ)
МИ 10 • . 8 16 .....—. 12
У г ¡V, ¡а л 18 %\ .■& ?2 8 \П п в П 4о
50 1 Ж Ж Л. Я У - 0 6 12 18 24 3« 48 72 время от начала опыта, ч
Таким образом, проведенные исследования показали специфичность токсического действия повышенных концентраций Cu, Ni и Мп на рост и развитие проростков злаков. В основе этого лежит разная химическая природа ТМ, неодинаковые пороговые концентрации ТМ (Ковальский, 1974; Безель, 2006). Прирост корня проростков оказался наиболее чувствительным показателем, позволившим оценить устойчивость разных ендов и выявить внутривидовую изменчивость. Особенности ответной реакции на тяжелые металлы изучены на разных уровнях организации. Впервые установлено, что основным механизмом прекращения пролиферации клеток меристемы в присутствии Ni является ингибированне перехода клеток к синтезу ДНК.
Выводы.
1. Методом корневого теста установлен ряд токсичности исследуемых тяжелых металлов для двух видов злаков Hordeum wlgare и Avena sativa: Cu>Ni>Mn. Разные сорта каждого из исследуемых видов разлтаются по структурно-функциональным показателям роста и развития, фотосинтетического аппарата и минерального состава проростков.
2. Выявлена видоспепифичность накопления металлов в надземной части проростков двух исследуемых видов. Наибольшее содержание Мп по сравнению с другими металлами накапливается в надземных частях проростков обоих видов, особенно у Н. vulgare: в среднем в 70 раз выше, чем в контроле. У A. salira в отличие от Н. vulgare концентрация Си в надземных частях проростков достоверно увеличивается при обеих дозах Си в среде. Показана относительная стабильность уровня макроэлементов у H vulgare.
3. Установлен ряд токсичности ТМ для хлорофилла а и хлорофилла b в листьях проростков Н. vulgare: Mil > Ni > Cu; в листьях проростков A. sativa: Мп > Cu > Ni. Ряд токсичности для каротиноидов в листьях проростков обоих видов: Ni > Мп > Си. По степени токсического действия Си каротинонды располагаются в следующем порядке: /?-каротин > лготенн > виолоксантин.
4. У сортов, отличающихся по устойчивости к токсическому действию ТМ, время возникновения и степень проявления нарушений структуры клеток корня значительно различались. Установлено повышение МИ в корнях Н. vulgare в присутствии повышенных доз Мп в среде.
5. При воздействием Ni в корнях наиболее чувствительным процессом морфогенеза по сравнению с ростом и дифференциацией оказывается пролиферация клеток в меристеме Г. aestivwn.
6. Основным механизмом прекращения пролиферации клеток меристемы в присутствии Ni является ингибированне перехода клеток к синтезу ДНК. Выход клеток в Gi-фазе клеточного цикла является механизмом сохранения способности меристематических клеток к возобновлению пролиферации. В ткапях, участвующих в инициации примордиев боковых корней, переход клеток к синтезу ДНК не подавляется.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ В РЕЦЕНЗИРУЕМЫХ ЖУРНАЛАХ
1. Демченко НП: Калимова И.Е, Демченко КН. Влияние никеля на рост, пролиферацию и дифференциацию клеток корневой системы проростков Triticum aestivum L. // Физиология Растений. 2005, Т.52, № 2, С. 250-258.
2. Демченко Н.П., Калимова И.Б. Динамика роста и деления клеток и структурные изменения в корнях пшеницы под воздействием высокой концентрации никеля // Физиология Растений, 2008, Т. 55, №6. С.874-885.
3. Беляева А.И., Калимова И.Б. Метадлоустойчивость двух видов рода Lupinas (Fabaceae) II Растительные ресурсы, 2008, вып. 4, С. 56-65.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
4. Калимова И.Б., Алексеева-Попова Н.В. Влияние избытка никеля, меди, марганца на корневые меристемы Hordeum vulgare и Avena sativa i! Труды международной конференции по анатомии и морфологии растений. С-Петербург, 1997, С. 261-262.
5. Alexeeva-Popova N.V, Beljaeva A.I., Drozdova I.V., Igoshiiia T.I., Ka lim ova LB., Cataeva M.N. Species of serpentine flora of Polar Ural - natural bioaccumulators of heavy metals. Fist Russian Setak symposium on risk assesment for environmental contamination. St. Petersburg, 1998, pp 4445.
6. Алексеева-Попова H.B., Беляева А.И., Виролайиен A.B., Дроздова И.В., Игошина Т.П., Калимова И.Б. Сравнительная оценка токсичности никеля, меди и марганца для растений по физиологическим, цитологическим и оптическим характеристикам // Труды III Международной конференции по устойчивому развитию «Проблемы индустриальных регионов: менеджмент и экология». Запорожье, 1998, С. 78-81.
7. Беляева А.И., Игошина Т.И., Калимова И.Б, Некоторые физиологические характеристики проростков злаков при действии тяжёлых металлов // Труды II Съезда Русского Ботанического Общества «Проблемы ботаники на рубеже XX - XXI веков». С.-Петербург. 1998, Т. 1, C.149-I50.
8. Калимова И.Б., Беляева А.И. Изменчивость химического состава растений в связи с устойчивостью к тяжёлым металлов /У Материалы III Российской биогеохимической школы «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы». Горноалтайск, 2000, С. 263-364.
9. Алексеева-Попова Н.В., Калимова И.Б., Беляева А.И. Межвидовые различия устойчивости растений к стрессовым минерального питания // Материалы Всероссийской научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения А.Д. Фурсаева. Саратов, 2000, С. 199.
10. Калимова И.Б. Сравнительные физиологические характеристики растений, отличающиеся по устойчивости к тяжёлым металлам // Материалы VII Молодёжной конференции ботаников. С.-Петербург, 2000, С. 199.
П.Алексеева-Попова Н.В., Беляева А.И., Калимова И.Е. Влияние тяжёлых металлов на ионный гомеостаз растений // Флористические и экологические исследования растительности природных зон. Саратов, 2000, С. 85-88.
12. Демченко НП, Калимова И.Б, Демченко КН, Влияние никеля на развитие корневой системы проростков пшеницы П Тезисы 2-ой Международной научной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений». Минск, 2001, С. 59-60.
13. Калимова И.Б, Демченко НП, Демченко КН.. Тканевая реакция корней проростков Triticum aestivum на действие избытка никеля в среде П Труды II Международной конференции по анатомии и морфологии растений. С.-Петербург, 2002, рр 283.
14. Demclienko N.I', Kalimova I.B, Demehenko K.N.. Nickel effects on root system development of Triticum aestivum L. seedlings: growth, cell proliferation, and differentiation, 6th International Symposium on Structure and Function of Roots - Plant Root Development and Adaptation to Stresses. Stara Lesna, Slovakia, 2003, pp 68.
15. Демченко Н.П., Калпмова И.Б, Демченко К.Н. Влияние никеля на рост, пролиферацию и дифференциацию клеток корневой системы проростков Tritiaim aestivmn L. // Тезисы докладов Международной конференции «Проблемы физиологии растений Севера». Петрозаводск, 2004, С. 58.
16. Демченко НП, Калпмова И.Б, Демченко КН.. Динамика прекращения роста и деления клеток н структурные изменения в корнях пшеницы под воздействием высокой концентрации никеля /' IV Международная научная конференция «Регуляция роста, развития и продуктивности растений». Минск, 2005. С. 70
17. Калпмова П.Б. Физиологическое действие возрастающих концентраций марганца на проростки некоторых видов и сортов бобовых и злаков. // V Международная научная конференция «Регуляция роста, развития и продуктивности растений». Минск, 2007, С. 87.
18. Демченко Н.П.. Калпмова И.Б, Рост, пролиферация и тканеспецифическне изменения структуры ядра в растягивающихся клетках корней пшеницы при воздействии на них высокой концентрация никеля .7 V Международная научная конференция «Регуляция роста, развития и продуктивности растений». Минск, 2007, С. 47.
19. Демченко Н.П., Калпмова И.Б., Влияние никеля на процессы морфогенеза корневой системы // Русское Ботаническое общество XII съезд Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале XXI века. Петрозаводск, 2008, С. 179-181.
20. Irina В. Kalimova. Natalia V. Alexeeva-Popova Specific features of toxic effect of heavy metals excess in nutrient medium on cereal seedlings /7 YI International Symposium on ecological behavior. Programme and abstracts. 2009. Helsinki, P.358.
Подписано в печать «22» ноября 2009 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,3- Тираж 100 экз. Заказ №_
Типография «Восстания -1» 191036, Санкт-Петербург, Восстания, 1.
Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Калимова, Ирина Борисовна
Введение.
Глава 1. Обзор литературы
1.1.Токсическое действие тяжёлых металлов на ростовые и физиолого-биохимические процессы растений.
1.2.Механизмы металлоустойчивости растений.
1.3.Токсическое действие тяжёлых металлов на рост и развитие корневой системы.
Глава 2. Объекты и методы исследования
2.1 Методика постановки вегетационных опытов.
2.2. Физиолого-биохимические методы.
2.3.Методы приготовления препаратов сегментов корней для цитологических и анатомических исследований.
Глава 3. Токсическое действие марганца, меди и никеля на рост проростков Avena sativa L. и Hordeum vulgare L. и структуру клеток корня в связи с их устойчивостью
3.1. Специфичность действия повышенных концентраций ТМ на прирост корней и листьев проростков разных сортов A. sativa и Н. vulgare в связи с их устойчивостью.
3.2. Влияние ТМ на структуру клеток апикальной зоны корня проростков A. sativa и
Н. vulgare, отличающихся по металлоустойчивости сортов.
Глава 4. Влияние марганца, меди и никеля на физиолого-биохимические показатели проростков A. sativa и Н. vulgare, отличающихся по металлоустойчивости сортов
4.1. Влияние повышенных концентраций марганца, меди и никеля на уровень фотосинтетических пигментов в листьях проростков A. sativa и Н. vulgare.
4.2. Влияние повышенных концентраций марганца, меди и никеля на минеральный состав листьев проростков A. sativa и Н. vulgare.
4.3. Влияние повышенных концентраций тяжелых металлов на рост, цитологические и физиолого-биохимические показатели растений (обсуждение результатов).
Глава 5. Влияние никеля на развитие корневой системы проростков Triticum aestivum L.
5.1. Влияние никеля на морфологию и структуру корневой системы.
5.2. Влияние никеля на деление и характер роста клеток корня.
5.3. Влияние никеля на дифференциацию клеток и развитие боковых корней.
Глава 6. Динамика роста, пролиферации и дифференциации клеток корневой системы проростков Т. aestivum при действии никеля
6.1. Динамика роста и начало дифференциации клеток корня при действии никеля.
6.2. Динамика синтеза ДНК и деления клеток разных тканей корня под воздействием никеля.
6.3. Влияние никеля на инициацию и развитие примордиев боковых корней.
6.4. Структурные изменения в клетках корня под воздействием никеля.
6.5. Влияние никеля на развитие корневой системы растений (обсуждение результатов).
Выводы.
Введение Диссертация по биологии, на тему "Токсическое действие тяжёлых металлов и устойчивость к ним проростков злаков"
В настоящее время всё более усиливающееся антропогенное загрязнение окружающей среды, становится одним из ведущих экологических факторов, существенно влияющим на жизнедеятельность растений, животных и человека. Оно не только наносит значительный вред естественным местообитаниям животных и растительных организмов, изменяет природные ландшафты, вызывает деградацию существующих биогеоценозов, но и осложняет экологическую и санитарную обстановку в населенных пунктах (Кулагин, Шагиева, 2005). Среди техногенных загрязнителей одними из наиболее токсичных являются тяжелые металлы. Экологические проблемы, вызванные промышленной деятельностью человека, в значительной степени обусловлены включением тяжелых металлов в миграционные биогеохимические потоки всех основных цепей. Это объясняется их сродством с физиологически важными органическими соединениями, с возможностью их инактивировать, а также со способностью к постепенному накоплению в организме, которое вызывает нарушения в ультраструктуре клеток тканей, физиолого-биохимических процессах и как следствие, вызывает нарушения роста и развития.
На сегодняшний день к тяжелым металлам (ТМ) относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц: V, Сг, Мп, Бе, Со, N1, Си, Хп, Мо, Сс1, Эп, Нд, РЬ, В! и др. С химической точки зрения термин о тяжелые металлы» используется для элементов, имеющих плотность более 5 г/см . Одним из основных свойств, которое характеризует ТМ, является их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях и способность к биоаккумуляции. Многие из перечисленных металлов являются физиологически необходимыми элементами, активно участвуют в биологических процессах и входят в состав многих ферментов. Токсическое воздействие ТМ на биологические системы в первую очередь обусловлено тем, что они легко связываются с сульфгидрильными группами белков (в том числе и ферментов), подавляя их активность и, тем самым, нарушая обмен веществ в организме.
Возрастание содержания тяжёлых металлов в окружающей среде, вследствие промышленной деятельности человека, приводит к неуклонному накоплению их растениями, в том числе и культурами, имеющими сельскохозяйственное значение. Благодаря неодинаковым химическим свойствам, концентрации и продолжительности действия тяжёлых металлов, их особенности влияния на генетически отличающиеся растения и функционирование экосистем в целом, существенно различаются и не достаточно полно изучены. Особую значимость изучению воздействия различного рода поллютантов, в частности повышенного содержания тяжёлых металлов в окружающей 4 среде, придаёт тот факт, что в отличие от многих природных стрессов, действующих в течение ограниченного периода времени (пожары, заморозки, очаги размножения вредителей), проявление антропогенного загрязнения территорий продолжается в течение многих десятилетий (Алексеев В.А., 1990). Механизмы устойчивости растений к промышленным поллютантам и их адаптационный потенциал исследованы недостаточно и определяются многими факторами. Пути миграции загрязнителей окружающей среды в биосфере многочисленны, но они всегда проходят через уровень продуцентов. Относительная устойчивость живых организмов, прежде всего растений, к повышенным концентрациям ТМ и их способность накапливать высокие концентрации металлов могут представлять большую опасность для здоровья людей, поскольку допускают проникновение загрязняющих веществ в пищевые цепи.
Одной из основных экологических задач является оценка загрязнения окружающей среды с помощью различных методов: физических, химических, биологических. Все более существенную роль приобретают биологические методы на основе биоиндикации и биоаккумуляции, использование биологических тестов и технологий как для общего экологического анализа, так и для решения задач локального характера. Многие биологические методы, основанные на биотестировании, используются для индикации поллютантов. Основа биоиндикации - селективная способность живых организмов, в том числе растений, аккумулировать химические элементы.
Растения обладают уникальным набором реакций на действие факторов внешней среды, поскольку не имеют возможности избегать их воздействие. В связи с этим выяснение стратегии формирования функциональных взаимоотношений растений с окружающей средой, обеспечивающих их рост, репродукцию и распространение в условиях антропогенной нагрузки, является одним из актуальнейших на сегодня направлений биологии и экологии растений.
Цель и задачи исследования. Цель работы - изучение структурно-функциональных особенностей проростков злаков в условиях повышенного содержания тяжелых металлов в среде и выявление механизмов их токсического действия на рост и развитие.
В связи с этим были поставлены следующие задачи:
1. Сравнить устойчивость к повышенным концентрациям Mn, Си и Ni разных сортов Avena sativa L. и Hordeum vulgare L.
2. Определить специфичность токсического действия TM на рост, уровень фотосинтетических пигментов, минеральный состав проростков отличающихся по металлоустойчивости сортов Avena sativa и Hordeum vulgare.
3. Выявить наиболее чувствительный процесс морфогенеза (рост, пролиферация и дифференциация клеток) разных тканей и зон корня проростков Triticam aestivum L. под действием Ni.
4. Выяснить механизм прекращения пролиферации клеток корня под влиянием Ni.
Научная новизна работы состоит в сравнительном изучении и установлении специфичности токсического действия нескольких ТМ (Mn, Си и Ni) на организменном, тканевом и клеточном уровнях организации. В модельных опытах на отличающихся по металлоустойчивости объектах получены оригинальные данные о действии повышенных концентраций Cu, Ni и Мп на уровень содержания фотосинтетических пигментов, гомеостаз минерального состава, ростовые процессы и структуру клеток меристемы корней проростков злаков. Получены новые сведения о межвидовых и внутривидовых различиях устойчивости к избытку Mn, Си и Ni в среде, свидетельствующие о высоком адаптационном потенциале высших растений. Впервые столь подробно изучена динамика процессов морфогенеза корня под влиянием Ni и показано, что в корнях Т. aestivum процесс инициации примордиев боковых корней устойчив к воздействию Ni. Установлены тканеспецифические нарушения структуры ядра в клетках корня. Впервые установлено, что наиболее ранним проявлением токсического действия Ni на клетки корня является ингибирование перехода клеток меристемы к синтезу ДНК, что приводит к постепенному прекращению пролиферации клеток.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные разносторонние сведения о реакции растений на повышенные содержания в среде Cu, Ni, Mn представляют теоретический интерес и вносят вклад в понимание специфичности токсического действия ТМ на растения. Представленные данные по динамике роста, пролиферации, дифференциации клеток корня и инициации примордиев боковых корней под воздействием Ni вносят существенный вклад в более глубокое понимание процессов морфогенеза корня. Полученные оригинальные данные используются в спецкурсах при подготовке магистров по специальностям 03.00.16 - экология растений, 03.00.12 физиология и биохимия растений, 25.00.36 - геоэкология. Обширный материал по устойчивости к приоритетным загрязнителям среды Си и Ni, полученный на разных видах и сортах, важен для выбора объектов мониторинга экологического состояния окружающей среды. Метод биоиндикации может быть широко использован в мониторинговых наблюдениях для прогнозирования состояния окружающей среды при загрязнении тяжелыми металлами. Практическое применение могут найти фактические данные о различной устойчивости определенных сортов A. sativa и Н. vulgare к Мп, что особенно важно в условиях кислых почв.
Апробация работы. Материалы работы представлены на Международной конференции по анатомии и морфологии растений, С-Петербург, 1997, VII Молодёжной конференции ботаников, С.-Петербург, 2000, Международной научной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений», Минск, 2001, Международной конференции по анатомии и морфологии растений, С.-Петербург, 2002, Международной конференции «Проблемы физиологии растений Севера», Петрозаводск, 2004, IV Международной научной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений», Минск, 2005, V Международной научной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений», Минск, 2007, XII съезде РБО «Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале XXI века», Петрозаводск, 2008, 6-th International Symposium on Ecosystem Behavior. Biogeomon 2009. Helsinki и на научных семинарах Лаборатории экологии растительных сообществ БИН РАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 работ, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста, включая 16 таблиц, 28 рисунков и приложение. Библиография содержит 223 источника.
Заключение Диссертация по теме "Экология", Калимова, Ирина Борисовна
Результаты исследования воздействия N1 в концентрации 1x10"6 М, на корневую систему проростков пшеницы показали, что существенного влияния на рост материнского и боковых корней, а так же на пролиферацию клеток меристемы корня проростков никель в данной концентрации не оказывал. В то время как при более высокой исследуемой концентрации 1 хЮ4М, N1 действовал на развитие корневой системы проростков угнетающе. Исследовали динамику изменений, происходящих в корнях проростков Т. аезйшт (сорт Московская 37) при действии 1ХЮ"4 М №. За 48 ч опыта длина контрольных корней увеличилась в среднем на 29 мм, а опытных - на 12 мм. В течение первых суток опыта в контрольных корнях была обнаружена 12-ти часовая ритмика прироста корня. Так, наименьший прирост корня был через 6 и 18 ч, а наибольший - через 12 и 24 ч опыта, и составил в среднем 3.4 и 5.6 мм за 6 часов опыта соответственно (Рис. 17).
6 12 18 24 36 48 время от начала опыта, ч
Рис. 17. Прирост корней Т. аеьИуит под влиянием 1 хЮ"4 М №. 1 - контроль, 2 -№.
В течение вторых суток скорость роста корней проростков снижалась: за сутки прирост корней составил в среднем 13.1 мм. В среде с содержанием 1 х 10"4 М № прирост корней значительно снижался уже через 12 ч опыта и составил в среднем 3.3 мм за 6 ч, в течение последующих 12 - 24 ч опыта рост корней резко тормозился и составил в среднем 1.8 мм за 6 ч. Через 24 ч рост корней опытных проростков практически прекращался, и в течение 24 - 48 ч опыта прирост корней составил в среднем 0.9 мм. В присутствии N1 в среде ритмику прироста корня не наблюдали. Через 24 ч от начала опыта на поверхности некоторых опытных корней на расстоянии 3 - 7 мм от кончика корня появлялись потемнения бурого цвета. У более длинных корней эти тёмные участки находились на большем расстоянии от кончика корня. Через 48 ч практически все корни опытных проростков имели подобные участки. В течение следующих суток опыта на некоторых листьях опытных растений появлялся пятнистый хлороз.
В корне Т. агЕйхит длина меристемы составляет около 900 мкм, а инициация корневых волосков и начало формирования вторичной клеточной оболочки в протоксилеме происходит на том же удалении от кончика корня, что и завершение растяжения клеток. Так как в корне отсутствует скользящий рост клеток (Иванов, 1984), проследив характер изменения длины клеток, от инициальной клетки ряда вдоль меристемы и зоны растяжения в какой либо ткани, можно судить об изменении характера роста корня в целом. Для этой цели в нашем исследовании была также проанализирована динамика изменений длины клеток центрального ряда метаксилемы и клеток ризодермы в корнях контрольных проростков и под влиянием N1 в концентрации 1x10 М.
Для удобства анализа и сравнения данных об изменении длины клеток вдоль продольной оси кончика корня исследуемый сегмент разделили на участки принятые в предыдущих опытах. Инициальные клетки ряда были также выделены в отдельную группу. Далее ряд разделили на те же участки: 0-99,100 -199,200 - 299, 300 - 499, 500 -699, 700 - 899, 900 - 1299, 1300 - 11699, 1700 - 2099, 2100 - 2899, 2900 - 3699, 3700 -4499 мкм от инициальной клетки ряда. Анализ длины клеток центрального ряда метаксилемы в разных участках меристемы корней контрольных растений показал, что в течение опыта длина клеток в каждом её участке варьировала незначительно (Табл. 8). Незначительная вариабельность длины клеток могла быть обусловлена синхронностью прохождения клетками митотического цикла. В течение вторых суток происходило сокращение длины меристемы в связи с более ранним переходом клеток к растяжению. По сравнению с первыми сутками опыта, в конце меристемы, на участке 700 - 899 мкм от кончика корня, длина клеток центрального ряда метаксилемы к 48 ч опыта увеличивается в среднем в 1,4 раза. Длина завершивших растяжение клеток изменялась с интервалом в 12 ч. Так, через 6 и 18 ч от начала опыта (при освещении) их длина была наименьшая. На момент начала опыта, а так же через 12 ч (при освещении) и 24 ч (в темноте) длина завершивших растяжение клеток была наибольшая. Через 36 ч (при освещении) длина завершивших растяжение клеток практически совпадала с длиной таких клеток через 12 ч, а через 48 ч (в темноте) — с длиной клеток через 24 ч. В темноте в течение обоих суток опыта клетки завершали растяжение при большей длине. Увеличение длины закончивших рост клеток происходило в результате некоторого увеличения длины зоны растяжения как без изменения длины меристемы (24 ч Табл.8), так и с уменьшением её длины за счёт более раннего, то есть ближе к кончику корня, перехода клеток к растяжению (36 и 48 ч Табл. 8). Только через 12 ч от начала опыта присутствие № в среде вызывало некоторое
78
Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Калимова, Ирина Борисовна, Санкт-Петербург
1. Алексеев В.А. Чувствительность растений и стандарты на загрязнение атмосферы. — В кн.: Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение. Л.: Наука, Ленинградское отделение, 1990, с.33-38.
2. Алексеева-Попова Н.В. Клеточно-молекулярные механизмы металлоустойчивости растений // Устойчивость к тяжелым металлам дикорастущих видов / Под ред. Алексеевой-Поповой Н.В. Л.: Ленуприздат, 1991. С. 5-15.
3. Андреева И.В., Говорина В.В., Виноградова С.Б., Ягодин Б.А. Никель в растениях // Агрохимия. 2001. № 3. С. 82-94.
4. Барсукова B.C. Физиолого-генетические аспекты устойчивости растений к тяжелым металлам: Аналит. обзор / СО РАН. ГПНТБ, Ин-т почвоведения и агрохимии.-Новосибирск, 1997. 63 с. (Сер. "Экология". Вып. 47).
5. Безель В. С., Жуйкова Т. В. Химическое загрязнение среды: вынос химических элементов надземной фитомассой травянистой растительности // Экология. 2007. - N 4. — С.259-267.
6. Бингам Ф.Т. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов / Под ред. Зигель X, Зигель A.M.: Мир, 1993. 366 с.
7. Вахмистров Д.Б. Пространственная организация ионного транспорта в корне. 49-е Тимирязевское чтение. М.: Наука. 1991. 48 с.
8. Гриф В.Г. Применение коэффициента температурной зависимости при изучении митотического цикла у растений. // Цитология 1981, т. 23, № 2, с. 166-173.
9. Гриф В.Г., Иванов В.Б. Временные параметры митотического цикла у цветковых растений. // Цитология 1975, т. 17, № 6, с. 694-717.
10. Гриф В.Г., Иванов В.Б. Данные о временных параметрах митотического цикла у цветковых растений. // Цитология — 1980, т. 22, № 2, с. 107-120.
11. Гриф В.Г., Иванов В.Б. Параметры митотического цикла у цветковых растений. // Цитология 1995, т. 37, № 8, с. 723-743.
12. Гудков И.Н. Клеточные механизмы пострадиационного восстановления растения. Киев: Наукова думкаю 1985. 224 с.
13. Демидчик В.В., Соколик А.И., Юрин В.М. Токсичность избытка меди и толерантность к нему растений // Успехи современной биологии. 2001. Т. 121, № 5. С. 511-525.
14. Демченко К.Н., Демченко Н.П., Данилова М.Ф. Инициация и развитие примордиев боковых корней у проростков Triticum aestivum (Hjaceae) и Cucurbita pepo (Cucurbitaceae) // Ботанический журнал. 2001. T.86. С. 14 30.
15. Демченко Н.П. Изменения структуры популяции клеток эпидермиса, эндодермы и перицикла в ходе их развития в корне пшеницы. // Цитология 1987, т. 29, № 2, с. 174-181.
16. Демченко Н.П. Продолжительность митотического цикла, его периодов и митоза у клеток дерматогена и периблемы корней пшеницы. // Цитология 1976а, т. 18, № 1, с. 16-21.
17. Демченко Н.П. Структура клеточной популяции покоящегося центра корня пшеницы. // Цитология -1985, т. 27, № 8, с. 895-899.
18. Демченко Н.П., Демченко К.Н. Возобновление синтеза ДНК и деления клеток в корнях пшеницы в связи с инициацией боковых корней // Физиология растений. 2001. Т. 48, № 6. С. 869-878.
19. Демченко Н.П., Иванов В.Б. Зависимость продолжительности митотического цикла и Ог-периода у сестринских клеток меристемы корня пшеницы от соотношения их длин // Онтогенез. 1978. Т. 9. С. 278-287.
20. Демченко Н.П., Калимова И.Б., Демченко К.Н. Влияние никеля на рост, пролиферацию и дифференциацию клеток корневой системы проростков Triticum aestivum // Физиология растений. 2005. Т. 52. С. 250-258.
21. Демченко Р.П., Калимова И.Б. Динамика роста, пролиферация и дифференциация клеток корней пшеницы под воздействием никеля в высокой концентрации // Физиология растений. 2008, т. 55, № 6, с. 874-885.
22. Ермаков И.В., Копцик Г.Н Загрязнение и восстановление почв лесных экосистем в зоне влияния горно-металлургического комбината Международная Школа-конференция молодых ученых «Биотехнология будущего», Москва 2006, с 26-27
23. Жинкин JI.H. Применение радиоактивных изотопов в гистологии // Радиоактивныеиндикаторы в гистологии. Ленинград: ИЭМ АМН СССР. 1959. С. 5-33.
24. Жученко A.A. Экологическая генетика культурных растений (адаптация,рекомбиногенез, агробиоценоз). Кишинев.: Штиинца. -1980. -587 с.
25. Зайцева И.И. Экспериментальное изучение влияния тяжелых металлов напланктонные водоросли //Ботанический журнал. -1999, №8 (с.33-39).
26. Последовательность перехода к митозу сестринских клеток в кончике корняiпроростка кукурузы // Онтогенез. 1971. Т. 2. С. 524-535.
27. Иванов В.Б., Быстрова Е.И., Серегин И.В. Сравнение влияния тяжелых металлов на рост корня в связи с проблемой специфичности и избирательности их действия // Физиология растений. 2003. Т. 50, № 3. С. 445-454.
28. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва растение. Новосибирск: Наука, 1991. 150 с.
29. Йорданов И. Т., Меракчийска М. Т. Влияние на оловото върху интензивносттана фотосинтезата, распределението на С 14, състава на структурните белтъцина хлоропластите и спектралните свойства. — Физиология на растенията. 1976, т. 2, № 3, с. 3—7.
30. Казнина Н.М. Влияние свинца и кадмия на рост, развитие и некоторые другие физиологические процессы однолетних злаков (ранние этапы онтогенеза): Автореф.дис. канд. биол. наук. Петрозаводск, 2003. 23 с.
31. Кожевникова А. Д. Распределение никеля в проростках кукурузы и его ингибирующее действие на рост // Автореф. дисс. канд. биол. наук. Москва. 2006. 18 с.
32. Ковальский B.B. Геохимическая экология. М. 1976. 299 с.
33. Литвин Ф. Ф., Беляева О. Б., Игнатов Н. В. Биосинтез хлорофилла и формирование реакционных центров фотохимических систем фотосинтеза Успехи биологической химии, т. 40, 2000, с. 3—42
34. Лянгузова И.В., Комалетдинова Э.М. Влияние загрязнения почвы никелем и медью на всхожесть семян и развитие всходов трёх видов P. Vaccinium L. в условиях вегетационного опыта. // Раст. Ресурсы, вып. 3, 2003.
35. Лянгузова И.В., Чертов О.В. Химический состав растений при атмосферном и почвенном загрязнении // Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение. Л., 1990. С. 75-86.
36. Макурина О.Н., Удиванкин A.B. .Вестник СамГУ Естественнонаучная серия. 2006. №7(47).стр. 134-138
37. Маслова Т.Г., Попова И.А., Попова О.Ф. Критическая оценка спектрофотометрического метода количественного определения каротиноидов // Физиол. растений. 1986. Т. 33, вып. 3. С. 615-619.
38. Мельничук Ю.П. Влияние ионов кадмия на клеточное деление и рост растений. Киев: Наукова Думка, 1990. 148 с.
39. Мерзляк М.Н. Пигменты, оптика листа и состояние растений Соросовский образовательный журнал № 4,1998, стр. 19-24
40. Налимова A.A., Попова В.В., Цоглин Л.Н., Пронина H.A. Влияние меди и цинка на рост Spirulina и аккумуляция клетками тяжелых металлов // Физиология растений. Т.52, № 2, с. 259-265.
41. Нестерова А.Н. Воздействие ионов свинца, кадмия и цинка на клеточную организацию меристемы и рост корней проростков кукурузы: Автореф. дисс. канд. биол. наук. М.: МГУ, 1989. 27 с.
42. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. Москва: "Колос", 1970. 255 с. Пигменты пластид зеленых растений и методика их исследования / Под ред. Д.И. Сапожникова. M.-JL: Наука, 1964. 120 с.
43. Рубин А.Б. Биофизика фотосинтеза и методы экологического мониторинга // Технология живых систем 2005 Т.2 стр.47-68.
44. Серёгин И.В., Иванов В.Б. Гистохимические методы изучения распределения кадмия и свинца в растениях // Физиология растений. 1997а. Т. 44, № 6. С. 915 921.
45. Серегин И.В., Кожевникова А.Д. Транспорт, распределение и токсическое действие стронция на рост проростков кукурузы // Физиология растений. 2004. Т. 51, № 2. С. 241-248.
46. Серёгин И.В., Шпигун Л.К., Иванов В.Б. Распределение и токсическое действие кадмия и свинца на корни кукурузы // Физиология растений. 2004. Т. 51, № 4. С. 582591.
47. Таланова В.В., Титов А.Ф., Боева Н.П. Влияние возрастающих концентраций тяжелых металлов на рост проростков ячменя и пшеницы // Физиология растений. 2001. Т. 48, № 1.С. 119-123.
48. Темп Г.А. Никель в растениях в связи с его токсичностью // Устойчивость к тяжелым металлам дикорастущих видов / Под ред. Алексеевой-Поповой H.B. JL: Ленуприздат, 1991. С. 139-146.
49. Темп Г.А., Лянгузова И.В. Особенности поступления и распределения никеля при повышенном содержании его в среде // Устойчивость к тяжелым металлам дикорастущих видов / Под ред. Алексеевой-Поповой H.B. JL: Ленуприздат, 1991. С. 146-153.
50. Титов А.Ф., Таланова В.В., Боева Н.П., Минаева C.B., Солдатов С.Е. Влияние ионов свинца на рост проростков пшеницы, ячменя и огурца // Физиология растений. 1995. Т. 42, № 3. С. 457-462.
51. Усманов И.Ю., Рахманкулова З.Ф., Кулагин AJO. Экологическая физиология растений: Учебник. — М.: Логос, 2001. 224 с.
52. Чиркова Т. В. Физиологические основы устойчивости растений // СПб: С.-Петерб. унта. 2002. 244 с.
53. Шлык A.A. О спектрометрическом определении хлорофиллов аий //Билхимия. 1968. Т. 3, вып. 2. С. 275-279.
54. Abdel-Basset R, Issa A.A, Adam M.S. Chlorophyllase activity: effects of heavy metals and calcium. Photosynthetica 1995; 31:421-425.
55. Ankel-Fuchu D, Thauer RK. Nickel in biology: Nickel as an essential trace element. In: Lancaster JR, ed. The Bioinorganic Chemistry of Nickel. Weinheim, Germany: VCH, 1988:93-110.
56. Antosiewicz D.M. Adaptation of Plants to an Environment Polluted with Heavy Metals // Acta. Soc. Bot. Pollon. 1992. V. 61. P. 281-299.
57. Asencio C. I., Cedeno-Maldonado A. Effects of cadmium on carbonic anhydrase and activities dependent on electron transport of isolated chloroplasts. — i. Agricult. Univers. Puerto Rico, 1979. Vol. 63. N 2. P. 195 201.
58. Baker A. M. Ecophysiological aspects of zinc tolerance in Silene maritima With // New Phytol. 1978. Vol. 80. N 3. P. 635 642.
59. Barlow P.W. Mitotic cycles in root meristems. In: The cell cycle in development and differentiation. Eds. M. Balls, F. S. Billett. Cambridge: Cambridge University Press. — 1973, pp. 133-165.
60. Barlow P.W. Regeneration of the Cap of Primary Roots of Zea Mays II New Phytol. 1974. V. 73. P. 937-954.
61. Barlow P.W. The nuclear endoreduplication cycle in metaxylem cells of primary roots of Zea mays L. // Ann. Bot. 1985, v. 55, № 3, p. 455-457.
62. Boominathan R, Doran PM. Ni-induced oxidative stress in roots of the Nihyperaccumulators, Alyssum bertolonii. New Phytol. 2002; 156:205-215.
63. Breckle S.-W. Growth under Stress: Heavy Metals // Plant Roots: The Hidden Half / Eds Waisel Y., Eshel A., Kafkafi U. New York, Basel, Hong Kong: M. Dekker Inc., 1991. p. 351-373.
64. Brookes A., Collins J.C., Thurman D.A. The mechanism of zinc tolerance in grasses //
65. J.Plant Nutr. 1981. Vol. 3, N 1-4. P. 695 705.nz
66. Clowes F.A. The promeristem and the minimal constructional centre in grass apices. // New. Phytol. 1954, v.53, № 1, p. 108.
67. Clowes F.A.L. Nucleic Asid in Root Apical Meristems of Zea Mays II New Phytol. 1956. V. 55. P.29-35.
68. Clowes F.A.L. Origin of root apices. In Apical meristems. Ed. W.O. James. Oxford: Blackwell. 1961, pp. 161-167.
69. Clowes F.A.L. The DNA Content of the Cells of the Quiescent Centre and Root Cap of Zea Mays II New Phytol. 1968. V. 67. P. 631-639.
70. Clowes F.A.L. The Immediate Respons of the Quiescent Centre to X-rays // New Phytol. 1970. V.69. P. 1-18.
71. Clowes F.A.L., Juniper B.E. The Fine Structure of the Quiescent Centre and Neighbouring Tissues in Root Meristems // J. Exp.Bot. 1964. V. 15. P. 622 630.
72. Clowes F.A.L., Stewart H.E. Recovery from Dormancy in Roots // New Phytol. 1967. V.66. P.115-123.
73. Clowes F.A.L., Wadekar R. Instability in the Root Meristem of Zea mays L. During Growth // New Phytol. 1989. V. 111. P. 19 24.
74. Clows F.A.L. Duration of mitotic cycle in meristem. // J. Exp. Bot. 1961, v. 12, № 35, p. 283-293.
75. Clows F.A.L. The difference between open and closed meristem. // Ann. Bot. 1981, v. 48, № 6, p. 761-767.
76. Cox R. M., Hutchinson T.C. Multiple metal tolerances in the grass Deschampsia cespitosa (L.) Beauv. From the Sudbury smelting area // New Phytol. 1980. Vol. 84, N 8. P. 631-647.
77. Cox R. M., Thurman D. A. Inhibition by zinc of soluble and cell wall acid phosphatases of zinc-tolerant and non-tolerant clones of Anthoxantum odoratum II New Phytol. 1978. Vol. 80. N 1. P. 17- 22.
78. Cox R. M., Thurman D. A., Brett M. Some properties of the soluble acid phosphatases of roots of zinc-tolerant and non-tolerant clones of Anthoxantum odoratum II New Phytol. 1976. Vol. 77. N 3. P. 547- 552.
79. Dabin P., Marafante E., Mouny J.M., Myttenaere C. Absorbtion, distribution and binding of cadmium and zinc in irrigated rice plants // Plant a. Soil. 1978. V. 50, N 2. P. 329 -341.
80. Dolan L., Janmaat K., Willemsen V., Linstead P., Poethig S., Roberts K., Scheres B. Cellural Organisation of the Arabidopsis thaliana Root // Development. 1993. V. 119. P. 7184.
81. Doncheva S., Amenos M., Poschenrieder C., Barcelo J. Root Cell Patterning: a Primary Target for Aluminium Toxicity in Maize // J. Exp. Bot. 2005. V. 56. P. 1213-1220.
82. Eija Pa'tsikka", Eva-Mari Aro h Esa Tyystja'rvi Increase in the Quantum Yield of Photoinhibition Contributes to Copper Toxicity in Vivo Plant Physiol. (1998) 117: 619-627.
83. Ernst W.H.O. Effects of Heavy Metals in Plants at the Cellular and Organismic Level // Ecoloxicology. Ecological Fundamentals. Chemical Exposure and Biological Effects / Ed. Schuurmann G. Heidelberg: Makert B.Wiley. 1998. P. 587 620.114
84. Ernst W.H.O., Verkleij J.A.C., Schat H. Metal Tolerance in Plants // Acta Bot. Neerl. 1992. Y.41.P. 229-248.
85. Fargasova A., J. Pastieroval, K. Svetkova2 Effect of Se-metal pair combinations (Cd, Zn, Cu, Pb) on photosynthetic pigments production and metal accumulation in Sinapis alba L. seedlings Plant Soil Environ., 52, 2006 (1): 8-15).
86. Foy C.D., Chaney R.L., White M.C. The physiology of metal toxicity in plants // Ann. Rew. Plant Physiol. 1978. Vol. 29. P. 511-566.
87. Gajewska, E.;Sklodowska, M.;Slaba, M.;Mazur, J. Effect of nickel on antioxidative enzyme activities, proline and chlorophyll contents in wheat shoots. Biologia Plantarum, Volume 50, Number 4, December 2006 , pp. 653-659.
88. Gerendas J., Polacco J.C., Freyermuth S.K., Sattelmacher B. Significance of Nickel for Plant Growth and Metabolism. // J. Plant Nutr. Soil Sci. 1999. V. 162. P. 241-256.
89. Gerresten FC. Manganese in relation to photosynthesis. III. Uptake of oxygen by illuminated crude chloroplasts suspensions. Plant Soil 1950; 2:323-342.
90. Horst W.J., Wagner A., Marschner H. Mucilage protects root meristems from aluminium injury // Z. Pflanztnphysiol. 1982. Bd. 105, Hf. 5. S. 435-444.
91. Kabata-Pendias A., Pendias H. Trace elements in soil and plants N.-Y., 1984. 315 p.
92. Kaneta M., Hikichi H., Eudo S., Sugiyama N. Isolation of a cadmium-binding protein from cadmium-treated rice plants (Oryza saliva L.) // Agr. a. Biol. Chem. 1983. Vol. 47, N2. P. 417 — 418.
93. Karataglis S.S., McNeilly T., Bradshaw A.D. Lead and Zink Tolerance of Agrostis capillaris L. and Festuca rubra L. across a Mine Pasture Boundary at Minera, North Wales//Phyton. 1986. V. 26. P. 65-72.
94. Kocik H., Wojciechowska B., Liguzinska A. Inverstigations on the cytotoxic influence of zinc on Allium cepa L. roots // Acta soc. Bot. pol. 1982. Vol. 51. N 1. P. 3 9.
95. Kocjan G., Samardakiewicz S., Wozny A. Regions of Ltad Uptake in Lemna minor Plants and Localization of This Metal within Selected Parts of the Root // Biol. Plant. 1996. V. 38. P. 107-117.
96. Kolesnichenko V.V. The influence of high Cd concentrations on winter wheat (Triticum aestivum L.) and canola {Brassica napus L.) etiolated shoots Journal of Stress Physiology & Biochemistry, Vol. 5, No. 1-2, 2009, pp. 16-31.
97. Körner L.E., Mollen I.M., Jensen P. Effects of Ca and other Divalent Cations on Uptake of Ni2+ by Excised Barley Roots // Physiol. Plant. 1987. V. 71. P. 49-54.
98. Krupa, Z.A., W. Siedlecka, IC. Malsymiec, T. Baszynski, 1993. In vivo responses Of photosynthetic apparatus of Phaseollis vulgaris L. to nickel toxicity. Journal of Plant Physiology, 142: 664-668.
99. Huiller L., d'Auzac J., Durand M., Michaud-Ferriere N. Nickel Effects on Two Maize (Zea mays) Cultivars: Growth, Structure, Ni Concentration, and Localization. // Can. J. Bot. 1996. V. 74. P. 1547-1554.
100. Madhav Rao KV, Sresty TVS. Antioxidative parameters in the seedlings of pigeonpea (Cajanus cajan L. Millspaugh) in response to Zn and Ni stresses. Plant Sci. 2000; 157:113128.
101. Maier R. Die Wirkunq von Blei auf die NAD+ -abhanqiqe Malat-Dehydrogenase in Medicago sativa L. und Zebrina pendula Schnizl // Z. Pflanzenphysiol. 1977. Bd. 85, Hf. 4. S.319-326.
102. Maier R. Untersuchungen zur Wirkunq von Blei auf die Saure Phosphatase in Zea mays// Z. Pflanzenphysiol. 1978. Bd. 87, Hf. 4. S.347-354.
103. Maksymiec W, Bednara J, Baszynski R. Responses of runner bean plants to excess copper as a function of plant growth stages: effects on morphology and structure of primary leaves and their chloroplast ultrastructure. Photosynthetica 1995; 31(3):427-435.
104. Maksymiec W, Russa R, Urbanik-Sypniewska T, Baszynski T. Effect of excess Cu on the photosynthetic apparatus of runner bean leaves at two different growth stages. Physiol. Plant. 1994; 91:715-721.
105. Marschner, H. 1995. Functions of mineral nutrients. Micro nutrients, mineral nutrition of higher plants. New York. Academic Press., 324-333.
106. Mathys W. Enzymes of heavy metal-resistant and non-restistant populations of Silene cucubalus and their interectijn with some heavy metals in vitro and in vivo // Physiol. Plantar. 1975. Vol. 33. N 2. P. 161-165.
107. Mishra AN, Biswal UC. Changes in chlorophylls and carotenoids during aging of attached and detached leaves and of isolated chloroplasts of wheat seedlings. Photosyhthetica 1981; 15:75-79.
108. Mishra D., Kar M. Nickel in Plant Growth and Metabolism // Botanical Review. 1974. V. 40. P. 395-452.
109. Molas J. Changes in morphological and anatomical structure of cabbage {Brassica oleracia L.) outer leaves and in ultrastructure of their chloroplasts caused by an in vitro excess of nickel. Photosynthetica 1997; 34:513- 522.
110. Mumtaz Hussain, Muhammad Sajid Aqeel Ahmad and Abida Kausar Effect of lead and chromium on growth, photosynthetic pigments and yield components in Mash bean Vigna mungo (L.) Hepper. Pak. J. Bot, 38(5): 1389-1396, 2006.
111. Ouzounidou G. The use of photoacoustie spectroscopy in assessing leaf photosynthesis under copper stress: correlation of energy storage to photosystem II fluorescence parameters and redox change of P700. Plant Sci. 1996; 113:229-237.
112. Ouzounidou, G. Change in chlorophyll fluorescence as a result of copper treatment: Doseresponse relations in Silcne and Thlaspi. Photosynthetica, 1993. 29: 455-462.
113. Pancaro L., Htlosi P., Vergnano G.O., Galoppini C. Ulteriori indagini sul rapport tranichel e acidi malice e malonico in Alyssum II G.Bot. Ital. 1978. Vol. 112, N3. P. 141 146.
114. Pandolfini T., Gabbrielli R., Comparini C. Nickel Toxicity and Peroxidase Activity in Seedlings of Triticum aestivum L. // Plant Cell Environ. 1992. V. 15. P. 719-725.
115. Patsikka, E., Aro, E-M. and Tyystjarvi, E. Increase in the quantum yield of photoinhibition contributes to copper toxicity in vivo. Plant Physiol. 1998. 117, 619-627.
116. Pelosi P., Fiorentini R., Galoppini C. On the nature of nickel compounds in Alyssum bertolonii Desv. // Agric.Biol.Chem. 1976. Vol.40. P. 1641 1642.
117. Petersson P.J. The distribution of Zinc-65 in Agrostis tenuis Sibth. and A. stolonifera L. tissues // J. Exp. Bot. 1969. Vol. 20, N 65. P. 863 875.
118. Powell M.J., Davies M.S., Francis D. The Influence of Zinc on the Cell Cycle in the Root Meristem of Festuca rubra L. // New Phytol. 1986. V. 102. P. 419-428.
119. Prasad M.N.V. Metal-biomolecule complexes in plants: Occurrence, functions, and applications Analusis Magazine, 1998, 26, № 6. P. 25-28.
120. Qastler H., Sherman F.G. Cell population kinetics in the intestinal epitelium of mouse. // Exp. Cell. Res. 1959, v. 17 N, 3, p. 420-438.
121. Quartacci MF, Pinzino C, Sgherri CLM, Dalla Vecchia F, Navari-Izzo F. Growth in excess copper induces changes in the lipid composition and fluidity of PSII-enriched membranes in wheat. Physiol. Plant. 2000; 108:87-93.
122. Rafia Azmat and Sehrish Hasan Photochemistry of light harvesting pigments and some biochemical changes under aluminium stress Pak. J. Bot., 40(2): 779-784, 2008.
123. Romeu-Moreno A., Mas A. Effects of Copper Exposure in Tissue Cultured Vitis vinifera J. Agric. Food Chem., 1999, 47 (7), pp 2519-2522.
124. Rosen J.A., Pike C.S., Golden M.L. Zinc, iron and chlorophyll metabolism in zinc toxic corn //Plant Physiol. 1977. Vol. 59, N 6. P. 1085-1087.
125. S. Venkatesan, K. V. Hemalatha and S. Jayaganesh Characterization of Manganese Toxicity and its Influence on Nutrient Uptake, Antioxidant Enzymes and Biochemical Parameters in Tea Research Jomnal of Phytochemistry 1 (2): 52-60, 2007.
126. Samantaray S., Rout G.R., Das P. Toltrance of Rice to Nickel in Nutrient Solution // Biol. Plant. 1997/98. V. 40. P. 295 298.
127. Sandmann G, Boger P Copper-mediated lipid peroxidation processes in photosynthetic embranes. Plant Physiol. 1980. 66 797-800.
128. Shainberg O, Rubin B, Rabinowitch HD, Tel-Or E Loading beans with sublethal levels of copper enhances conditioning to oxidative stress. J. 20. Plant Physiol. 2001. 158:1415-1421.
129. Sheoran I.S., Singal H.R., Singh R. Effect of Cadmium and Nickel on Photosynthesis and the Enzymes of the Photosynthetic Carbon Reduction Cycle in Pigeonpea (Cajanus cajan L.) // Photosynth. Res. 1990. V. 23. P. 345-351.
130. Simon E., Lefebvre C. Aspects de tolerance aux metaux lourds chez Agrostis tenuis Sibth., Festuca ovina L. et Armería marítima (Mill.) Willd. // Oecol. Plantar. 1977. Vol. 12. N 2. P. 95-110.
131. Smidle K.W. Heavy-Metal Accumulation in Crops Grown on Sevage Sludge Amended with Metal Salts // Plant Soil. 1981. V. 62. P. 3-14.
132. Stiborová, M., Doubravová, M. Brezinová, A. and Friedrich, A. Effect of heavy metal ions on growth and biochemical characteristics of maize ("Zea mays L.). Biología, 1986. 20, 418425.
133. Stolt P., Asp H., Hultin S. (2006) Genetic variation in wheat cadmium accumulation on soils with different cadmium concentrations. Journal of Agronomy and Crop Science 192 (3), 201-208.
134. Tartar E, Mihucz VG, Varga A, Zaray G, Cseh E. Effect of lead, nickel and vanadium contamination on organic acid transport in xylem sap of cucumber. Inorg. Biochem. 1999; 75:219-223.
135. Thurman D.A., Rankin G.A. The role of organic acid in zinc tolerance in Deschampsia cespitosa II New Phytol. 1982. V. 91, N 5. P. 629-632.
136. Tripathy BC, Bhatia B, Mohanty P. inactivation of chloroplast photosynthetic electron transport activity by Ni2io. Biochim. Biophys. Acta 1981; 638:217-224.
137. Tukendorf A. Copper binding in roots byscytozol proteins in vitro // J. Plant Physiol. 1987. V. 130, N. 2-3. P. 202-209.
138. Tukendorf A., Baszynski T. Partial purification and characterization of copperbinding protein from roots of Avena sativa grown on excess copper // J.Plant Physiol. 1985. V. 120, N1. P. 57-63.
139. Tukendorf A., Lyszcz S., Baszynski T. Copper binding proteins in spinach tolerant to excess copper // J. Plant Physiol. 1984. V. 115, N 5. P. 351 360.
140. Van Assche F. Inhibition of photosynthesis by heavy metals. Photosynth Res 1985. 7: 31-40.4
141. Vassilev A., Berowa M., Zlatev Z. (1998): Influence of Cd on growth, chlorophyll content,and water relations in young barley plants. Biol. Plant., 41: 601-606.
142. Wagner G.J., Trotter M.M. Inducible cadmium-binding complexes of cabbage and tobacco // Plant Physiol. 1982. V. 69, N 4. P. 804 809.123
143. Wainwright S.J., Woolhouse H.W. Inhibition by zinc of cell wall acid phosphatases from roots in zinc-tolerant and non-tolerant clones of Agrostis tenuis Sibth. \\ J. Exp. Bot. 1978. Vol. 29, N 109. P.525-531.
144. Wainwright S.J., Woolhouse H.W. Some physiological aspects of copper and zine in Agrostis tenuis Sibth.: cell elongation and membrane damage \\ J. Exp. Bot. 1977. Vol. 28, N 105. P.1029-1036.
145. Weigel H.J., Jager H.G/ Different effects of cadmium in vitro and in vivo on enzymeactivities in bean plants (Phaseolus vulgaris L. c. v, Sankt Andreas) Z. Pflanzenphysiol. 1980. Bd. 97. Hf. 2. S. 103-113.
146. Wierzbicka, M 1994. The resumption of metabolic activity in Allium sepa L. root tips during treatment with Lead salt. Env. Exp. Bot., 34:173-180.
147. Wilkins D.A. A technique for the measurement of lead tolerance in plants // Nature. 1957. Vol. 180, N4575. P. 37-38.
148. Wilkins D.A. The measurement of tolerance to edaphic factors by means of root growth // New Phytol. 1978. Vol. 80, N 3. P. 623-633.
149. Wilkinson RE, Ohki K. Influence of manganese deficiency and toxicity on isoprenoid synthesis. Plant Physiol. 1988; 87:841-846.
150. Wozny A., Zatorska B., Mlodzianowski F. Influence of Lead on the Development of Lupin Seedlings and Ultrastructural Localization of This Metal in the Roots // Acta Soc. Bot. Pollon. 1982. V. 51. P. 345-351.
151. Yang X.E., Long X.X., Ye H.B., He Z.L., Calvert D.V., Stoffella P.J. Cadmium Tolerance and Hyperaccumulation in a New Zn-Hyperaccumulating Plant Species {Sedum alfredii Hance) // Plant Soil. 2004. V. 259. P. 181-189.
-
Калимова, Ирина Борисовна
-
кандидата биологических наук
-
Санкт-Петербург, 2009
-
ВАК 03.00.16
- Участие агглютинина зародыша пшеницы в формировании устойчивости пшеницы к токсическому действию кадмия
- Изучение ремедиационного потенциала сельскохозяйственных, дикорастущих и декоративных растений
- МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗЕРНОВОК СОРТОВ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ (TRITICUM AESTIVUM L.)
- МЕХАНИЗМЫ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ АГГЛЮТИНИНА ЗАРОДЫША ПШЕНИЦЫ НА РОСТОВЫЕ ПРОЦЕССЫ РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ
- Распределение никеля в проростках кукурузы и его ингибирующее действие на рост
