Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

RESPONSE REACTION OF BARLEY IN ONTOGENESIS FOR POLLUTION BY COPPER

Tsygvintsev P.N. 1 Goncharova L.I. 1 Rachkova V.M. 1
1 Russian Institute of Radiology and Agroecology
Copper is one of the biologically significant and irreplaceable microelements for plants, however, at elevated concentrations it can cause toxic effects. Studies of the effect of copper on growth and various biochemical parameters of plants are carried out, as a rule, in aquatic or hydroponic culture, in a simplified model system compared to the natural habitat for most plants. The aim of the study was the response research of barley plants in ontogenesis under the influence of different copper concentrations in a vegetation experiment on two types of soils. Control of the oxidation-reduction plant homeostasis during the experiment showed that the introduction of copper into sod-podzolic soil and chernozem in concentrations of 200 and 400 mg / kg, respectively, did not cause significant stress in barley. It is established that the reaction of plants to the copper influence depends on the phase of development, the concentration of the metal and the type of soil. The introduction of copper into the soil caused a significant delay in the development of plants, in comparison with the control group. A direct dependence of the duration of organogenesis on the copper content in the soil is noted, most pronounced for sod-podzolic soil. For the development of plant biomass on sod-podzolic soil, the range of 50–150 mg / kg of copper content in the soil turned out to be stimulating. When this level is exceeded, starting from the early stages of plant development (30 days), a sharp predominant increase in root biomass and a decrease in aboveground biomass was observed. For plants cultivated on chernozem, a decrease in both above-ground and root biomass, depending on the level of copper content in the soil, was observed, when the content of copper in the soil exceeded 150 mg / kg.
barley
ontogeny
copper
soils
growth and biochemical indicators

Медь является одним из биологически значимых и незаменимых микроэлементов для растений [1], однако при повышенных концентрациях может вызывать токсическое действие [2–4]. Медь, входя в состав ферментов, регулирует фотосинтез и концентрацию ингибиторов роста, водный обмен и перераспределение углеводов [5]. Недостаток меди вызывает у растений задержку роста [6]. Избыток меди вызывает ответную реакцию антиоксидантной защиты. В результате индуцируемого медью оксидативного стресса происходит усиленное образование свободных радикалов и активных форм кислорода, вызывающих перекисное окисление липидов (ПОЛ), инактивацию энзимов и нарушение в структуре ДНК. В реализации защитного потенциала растений от избытка тяжелых металлов (ТМ) важная роль отводится системе антиоксидантной защиты (синтез низкомолекулярных соединений, индукция пероксидаз, свободного пролина и т.д.). При высоком содержании меди в почве отмечается снижение роста и продуктивности как диких [7–9], так и культурных растений [10–12].

Исследования влияния меди на рост и различные биохимические показатели растений проводятся, как правило, в водной или гидропонной культуре, в упрощенных по сравнению с естественной средой обитания для большинства высших растений модельных системах. В литературе нет единого мнения о механизмах действия меди на растения при выращивании на различных типах почв. Эффективность действия ТМ на сельскохозяйственные культуры зависит от степени окультуренности почв, возраста растений и т.д. [13]. Наибольшее значение для формирования урожая растений имеет фаза их интенсивного роста, когда происходит закладка продуктивных органов и основное накопление биомассы растений.

Цель работы: изучение ответных реакций растений ячменя в онтогенезе на фазе интенсивного роста при воздействии различных концентраций меди.

Материалы и методы исследования

В вегетационном опыте объектом исследований служил ячмень Hordeum vulgare L., сорта Зазерский 85. Использовали два типа почв – дерново-подзолистую супесчаную и чернозем выщелоченный тяжелосуглинистый. Агрохимические характеристики почв составили соответственно: pHKCl 5,47 и 5,53; гумус – 1,7 % и 4,8 %; обменный K2O – 64,7 и 134,3 мг/кг; подвижный P2O5 – 805 и 214 мг/кг; гидролитическая кислотность – 2,7 и 3,0 мг-экв/100 г; сумма обменных оснований – 7,6 и 31,7 мг-экв/100 г. В контроле валовое содержание меди в почвах составляло 3,8 и 9,1 мг/кг. Для посева растений использовали вегетационные сосуды диаметром 22 см, высотой 20 см, с дренажем. За десять дней до посева медь добавляли в почву в виде водных растворов соли Cu(NO3)2 х 3H2O в концентрациях, соответствующих её содержанию: в дерново-подзолистой супесчаной почве – 50; 100; 150; 200 мг/кг; в черноземе выщелоченном тяжелосуглинистом – 100; 150; 300; 400 мг/кг, что с учетом валового содержания давало превышение ориентировочно допустимой концентрации (ОДК) [14] от 1,6 до 6,2 раза. Фон азота в разных вариантах опыта после добавления нитрата меди выравнивали внесением NH4NO3 до 200 мг/кг почвы по азоту. Полив растений осуществляли дистиллированной водой через дренажную трубку по мере высыхания почвы с контрольным взвешиванием сосудов. Ячмень выращивали в течение 60 суток. Плотность посева – 13 растений на сосуд, повторность опыта пятикратная.

Через 20, 30, 45 и 60 суток от даты всходов проводили анализ ростовых и биохимических показателей растений. Этапы органогенеза определяли по Ф.М. Куперман [15]. Массу надземной (без учета веса колоса) и корневой частей растений оценивали гравиметрическим методом для воздушно-сухого состояния. Спектрофотометрическим методом на приборе UNICO-1200 (Санкт-Петербург, РФ) определяли интенсивность ПОЛ по содержанию малонового диальдегида (МДА) и накопление свободного пролина согласно методике [16], повторность трехкратная. Данные в таблице приведены в виде средних и их стандартных ошибок. Достоверность различий вариантов устанавливали на основе двустороннего t-критерия для средних.

Результаты исследования и их обсуждение

Следует отметить, что внесение меди в почву вызвало заметную задержку в развитии растений, по сравнению с контролем (рис. 1). Можно отметить прямую зависимость длительности органогенеза от содержания меди в почве, наиболее выраженную для дерново-подзолистой почвы. VIII этап органогенеза (колошение) в данном случае наступал на 7–9 дней позже, чем у контроля, и данное отставание в развитии накапливалось постепенно, во все этапы органогенеза. Наблюдаемые закономерности хорошо согласуются с динамикой накопления меди корнями и наземной биомассы данных растений [17]. Однако наблюдаемый эффект зависит не только от содержания меди в растениях, но и от типа почвы, возможно в данном случае проявление эффекта задержки развития обусловлено также количеством гумуса в почве или другими агрохимическими характеристиками почвы.

Контроль окислительно-восстановительного гомеостаза растений в ходе эксперимента показал, что внесение меди в почву в данных концентрациях не вызывает заметного стресса у ячменя (рис. 2). Содержание МДА в листьях на раннем этапе развития растений находилось в пределах, 40–60 нМоль/г, снизившись в дальнейшем до 20–30 нМоль/г, и не зависело от концентрации меди. На позднем этапе роста растений (фаза цветения – колошения) можно отметить достоверное (p < 0,05) увеличение (до 50 нМоль/г) содержания МДА в листьях растений, культивируемых на дерново-подзолистой почве при содержании меди в ней 100 мг/кг и выше, и на черноземе при концентрации меди 400 мг/кг (рис 2, А, Б).

cigvin1.wmf

А)

cigvin1b.wmf

Б)

Рис. 1. Задержка в наступлении этапов органогенеза (по Ф.М. Куперман) в зависимости от валового содержания меди в дерново-подзолистой (А) почве и черноземе (Б)

cigvin2a.wmf cigvin2b.wmf

А) Б)

cigvin2c.wmf cigvin2d.wmf

В) Г)

Рис. 2. Окислительно-восстановительный гомеостаз растений ячменя на различных типах почв при внесении различных доз меди: А) содержание МДА, нМоль/г (дерново-подзолистая почва); Б) содержание МДА, нМоль/г (чернозем); В) содержание пролина, мкМоль/г (дерново-подзолистая почва); Г) содержание пролина, мкМоль/г (чернозем)

Концентрация пролина в листьях растений не зависела от содержания меди в почве и в течение всего эксперимента находилась в пределах 0,5–0,7 мкМоль/г (рис. 2, В, Г). Активизация в накоплении пролина у растений в ответ на неблагоприятные факторы является особенностью биосинтеза и метаболизма этого соединения для поддержания клеточного гомеостаза и может проходить независимо от возраста растений. Поэтому относительно стабильный и не зависимый от концентрации меди в растениях уровень пролина свидетельствует об отсутствии стресса растений и подтверждает, что закономерности накопления меди ячменем, представленные в работе [17], получены на фоне нормального физиологического состояния растений.

В таблице приведены данные динамики биомассы надземной и корневой части растений ячменя в онтогенезе. Для дерново-подзолистой почвы можно отметить рост надземной биомассы растений по сравнению с контролем при валовом содержании меди в почве в районе 50– 100 мг/кг и ее угнетение при уровне меди 200 мг/кг почвы. На черноземе эффекта увеличения надземной биомассы не наблюдалось, но отмечено достоверное ее снижение по сравнению с контролем на ранних (до 30 суток) и поздних (60 сутки) этапах роста растений, при этом выраженность эффекта зависела от содержания меди в почве и отмечалась при уровнях 300–400 мг/кг почвы.

Влияние меди на биомассу надземной и корневой части растений ячменя

Показатель

Внесено меди в почву, мг/кг

Время вегетации, сутки

20

30

45

60

Дерново-подзолистая супесчаная почва

Надземная

биомасса, г

0

1,17 ± 0,09

1,76 ± 0,07

4,27 ± 0,04

9,96 ± 0,04

50

1,36 ± 0,02

2,19 ± 0,06*

5,12 ± 0,04*

11,18 ± 0,50

100

1,42 ± 0,11

2,16 ± 0,03*

5,10 ± 0,05*

14,4 ± 0,52*

150

1,43 ± 0,01

2,02 ± 0,02*

4,76 ± 0,07*

9,62 ± 0,05

200

1,22 ± 0,06

1,57 ± 0,11

2,91 ± 0,03*

7,94 ± 0,54*

Масса корней, г

0

0,18 ± 0,03

0,21 ± 0,02

0,43 ± 0,04

0,7 ± 0,06

50

0,18 ± 0,04

0,38 ± 0,05

0,39 ± 0,06

0,8 ± 0,04

100

0,18 ± 0,01

0,38 ± 0,01*

0,44 ± 0,02

1,15 ± 0,09*

150

0,24 ± 0,01

0,64 ± 0,07*

1,16 ± 0,01*

1,2 ± 0,01*

200

0,26 ± 0,02

0,48 ± 0,11*

1,36 ± 0,10*

1,54 ± 0,20*

Чернозем выщелоченный тяжелосуглинистый

Надземная

биомасса, г

0

1,69 ± 0,02

2,68 ± 0,05

5,14 ± 0,18

13,5 ± 0,23

100

1,46 ± 0,05

2,46 ± 0,04

4,55 ± 0,08

14,3 ± 0,11

150

1,36 ± 0,10*

2,36 ± 0,02*

5,10 ± 0,28

10,6 ± 0,62

300

1,34 ± 0,02*

2,15 ± 0,04*

5,23 ± 0,16

9,03 ± 0,09*

400

1,38 ± 0,07

2,14 ± 0,25*

5,04 ± 0,07

8,56 ± 0,31*

Масса корней, г

0

0,18 ± 0,02

0,34 ± 0,01

0,53 ± 0,06

1,16 ± 0,02

100

0,17 ± 0,01

0,28 ± 0,01

0,44 ± 0,02

1,25 ± 0,11

150

0,16 ± 0,01

0,3 ± 0,02

0,48 ± 0,03

0,95 ± 0,08*

300

0,16 ± 0,01

0,24 ± 0,02

0,42 ± 0,03

0,62 ± 0,08*

400

0,19 ± 0,02

0,32 ± 0,01

0,55 ± 0,07

0,64 ± 0,03*

Примечание. Различия с контролем значимы при: *p < 0,05.

Аналогичная картина снижения биомассы при уровнях содержания меди 150–400 мг/кг чернозема наблюдалась и для корневой системы ячменя на позднем этапе роста (60 сутки). В то же время на дерново-подзолистой почве с увеличением концентрации меди до 150–200 мг/кг происходит увеличение коневой биомассы, до 2–3 раз, по сравнению с контролем. Данный, зависимый от содержания меди в почве, рост корней растений ячменя возможно следует рассматривать как адаптивную реакцию, направленную на снижение концентрации меди в корневой системе за счет эффекта «разбавления». Однако на черноземе при тех же концентрациях меди в корнях ячменя [17] данный эффект не наблюдается.

Отмеченные возрастные особенности формирования надземной и корневой части биомассы ячменя в зависимости от концентрации меди на изученных типах почв, по-видимому, обусловлены различиями в барьерных функциях, развивающихся в условиях загрязнения ТМ почв, обладающих различными буферными свойствами и уровнем плодородия [13].

Выводы

1. Ответная реакция растений ячменя в ходе онтогенеза на возрастающие концентрации меди в почвах зависит от фазы развития и концентрации металла и в наибольшей степени проявляется на поздних этапах роста (фаза цветения и колошения).

2. Внесение меди в почву вызвало заметную задержку в развитии растений, по сравнению с контролем. Отмечена прямая зависимость длительности органогенеза от содержания меди в почве, наиболее выраженная для дерново-подзолистой почвы.

3. Контроль окислительно-восстановительного гомеостаза растений в ходе эксперимента показал, что внесение меди в дерново-подзолистую почву и чернозем в концентрациях соответственно до 200 и 400 мг/кг, не вызвал заметного стресса у ячменя. На позднем этапе роста растений (фаза цветения-колошения) можно отметить достоверное (p < 0,05) увеличение содержания МДА в листьях растений (с 20 до 50 нМоль/г), культивируемых на дерново-подзолистой почве при содержании меди в ней 100 мг/кг и выше и на черноземе при концентрации меди 400 мг/кг.

4. Особенности формирования надземной и корневой части биомассы ячменя в условиях повышенной концентрации меди в почве могут существенно зависеть не только от содержания меди в растениях, но и от типа почвы. Данные адаптивные реакции, по-видимому, обусловлены различиями в барьерных функциях, развивающихся в условиях загрязнения ТМ почв, обладающих различными буферными свойствами и уровнем плодородия.