УДК 581.1 Влияние цинка на физиологические показатели

УДК 581.1
ВЛИЯНИЕ ЦИНКА НА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ МОЛОДЫХ
РАСТЕНИЙ HELIANTHUS ANNUUS L.
Нюкалова М.А.
научный руководитель док. биол.наук Гаевский Н.А.
Сибирский федеральный университет
Тяжелые металлы влияют на рост и развитие растений и оказывают
множественное негативное действие на различные физиологические процессы, такие
как, минеральное питание и водный обмен. Некоторые металлы, например, медь, цинк,
молибден являются незаменимыми для биохимических процессов на уровне деления
клетки. Они могут оказывать положительное и отрицательное влияние на процессы,
происходящие в организме растений при внесении в высоких концентрациях.
В процессе развития при единичном внесении незаменимых тяжелых металлов в
питательную среду они оказывают стимулирующий действие на ряд физиологических
параметров, связанных с активацией защитно-приспособительных механизмов и
клеточного деления. Только использование очень высоких концентраций этих металлов
приводит к необратимому нарушению всех ростовых процессов у растений и в
дальнейшем к их гибели. Это связано с нарушением действия механизмов
детоксикации тяжелых металлов.
Растения по степени накопления тяжелых металлов делят на индикаторы,
показывающие уровни концентрации металлов почве, на аккумуляторы
накапливающие ионы металлов в побегах, на исключители, поступление металлов, в
организм которых ограничено. Для исследователей представляет интерес такое
свойство, как накопление ионов тяжелых металлов в больших концентрациях и
обеспечение их переноса по биогеохимическим трофическим сетям. Способность к
гипераккумуляции тяжелых металлов у растений определяется механизмами
поглощения и транспорта тяжелых металлов, а их устойчивость к избытку металла –
механизмами их детоксикации.
Целью данной работы является изучение воздействия различных концентраций
цинка на физиологические показатели подсолнечника однолетнего (Helianthus annuus
L.).
Растения подсолнечника Helianthus annuus L сорта Чернянка 66 получены из
коммерческих семян. Семена растений предварительно были простерилизованы
разведенным водой 1:1 раствором «Белизна» в течение 15 минут. Семена были
промыты проточной водой в течение 3 минут. Стерилизованные семена были
пророщены в чашке Петри, на влажной фильтровальной бумаге. Через 24 часа
проклюнувшиеся семена были помещены в рулон из влажной туалетной и белой
плотной бумаги и оставлены на сутки.
После этого растения были помещены в стеклянные, защищенные от света
емкости на раствор Хогланда – Снайдерса, разведенный в 10 раз, где содержались в
идентичных условиях, при температуре около 27-30°С под люминесцентными лампами
без фотопериода в течении 2 суток.
В экспериментах с добавления цинка использовали среду Хогланда–Снайдерса,
разбавленную в 5 раз, железо лимоннокислого было добавлено отдельно, раствор
готовили на дистиллированной воде.
Цинк вносили в форме ZnSO₄×7H₂O в питательный раствор объемом 25 мл в
следующих концентрациях: 1 - 0,12 мг/л (610¯⁶ моль/л); 2 - 0,2 мг/л (10¯⁵ моль/л); 3 0,6 мг/л (3×10¯⁵ моль/л); 4 - 1,2 мг/л (6×10¯⁵моль/л); 5 - 2 мг/л (10¯⁴ моль/л); 6 - 6 мг/л
(3×10¯⁴ моль/л). В контроле цинк не вносили. Каждый вариант изучали в четырех
повторностях. В каждой пробирке находилось одно растение. Было проведено два
эксперимента, первый длился 77 часов, второй 51 час.
В конце каждого опыта измеряли объем и электропроводность питательного
раствора (кондуктометр N5721, Венгрия), сырую и сухую массу корня и побегов,
поглотительную емкость корней. Дополнительно проводили исследования для
определения поправки на испарении в определении объема раствора. Взвешивание
проводилось на аналитических весах (ВПР-200).
Поглотительную емкость определяли на основании окраски корней раствором
метиленового синего в концентрации 69,4 мг/л в течение 3 минут. Высушенные в
эксикаторе в течении 2 суток над CaCl2 корни с известной сухой массой растерали в
ступке с битым стеклом, переносили в мерные пробирки с добавлением 0,9%-го
раствора CaCl₂. Полученные растворы были процентрифугированы (CentrifugeMPW
340) в течение 7 минут при 2800 об/мин. Оптическую плотность измеряли на
фотоэлектроколориметре (КФК-2 УХЛ 42) при длине волны 670 нм в кювете шириной
0,5 см. За контроль брали дистиллированную воду. после этого взвешивалась сырая
масса подземной части растений.
В обоих экспериментах установлено наличие определенных изменений в
корневых системах исследуемых проростков (рисунок 1). В обоих экспериментах при
концентрации цинка 10-4 моль/л отмечено уменьшение количества боковых корней,
потемнение поверхности корней и изменение листовой пластинки (пожелтение,
появление бурых пятен).
Рисунок 1. Внешний вид молодых
растений подсолнечника после 77
часовой экспозиции в растворах с
различным содержанием цинка (первый
эксперимент).
В первом эксперименте, при наблюдении за растениями, пребывающими в
повышенных концентрациях цинка, начиная от 3×10-5 моль/л, заметно уменьшение
сырой и сухой массы растений, как корней, так и побегов. Отношение массы побега к
массе корня начиная с этой концентраций увеличивается, что указывает на
преимущественное уменьшение массы и разветвленности корней по сравнению с
массой побегов.
Во втором эксперименте время экспозиции было значительно уменьшено.
Возможно, благодаря этому было установлено, что сырая и сухая масса корней и
побегов значимо уменьшались с концентраций раствора 10-5моль/л. Концентрация
6×10-6 моль/л оказывала стимулирующее действие на прирост биомассы. Это
отображено на рисунках 2(А, Б) и 3(А, Б) для первого и второго эксперимента
соответственно.
1,8
6
1,6
Cырая масса, г
1,2
4
1
3
0,8
0,6
2
0,4
Все растение
Корень
Побег
побег/корень
0
0
0,0001 0,0002 0,0003
Концентрация цинка, моль/л
8
1,2
7
6
1
5
0,8
4
0,6
1
0,2
9
1,4
Cырая масса, г
5
1,4
1,6
3
0,4
2
0,2
1
0
0
0,0004
0
0,0001 0,0002 0,0003 0,0004
Концентрация цинка, моль/л
0
А
Все растение
Корень
Побег
Побег/корень
Б
0,10000
0,09000
0,08000
0,07000
0,06000
0,05000
0,04000
0,03000
0,02000
0,01000
0,00000
0
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0,0001 0,0002 0,0003 0,0004
Концентрация цинка, моль/л
Все растение
Корень
Побег
Побег/корень
Cухая масса, г
Cухая масса, г
Рисунок 2. Сырая биомасса растений. (А) - первый эксперимент, (Б) - второй
эксперимент.
0,16
16
0,14
14
0,12
12
0,1
10
0,08
8
0,06
6
0,04
4
0,02
2
0
0
А
Все растение
Корень
Побег
Побег/корень
0
0,0001 0,0002 0,0003 0,0004
Концентрация цинка, моль/л
Б
Рисунок 3. Сухая биомасса растений. (А) - первый эксперимент, (Б) - второй
эксперимент.
При изучении содержания влаги в растении, в обоих экспериментах наблюдали
значительное снижение значений этого параметра. Из этого мы можем заключить, что
происходит насыщение растений ионами цинка и ухудшение работы поглощающей
системы проростков, из-за нарушения проводящей функции корня.
Поглотительная емкость корней (рисунок 4(А, Б)) определяется вместимостью
проводящей системы корня, способностью поглощать микроэлементы из питательной
среды. В данной работе, в первом эксперименте, мы наблюдали уменьшение ее
параметров при небольшом увеличении концентраций раствора до 10-5 моль/л и далее
наблюдали повышение значений вместимости корневой системы при нормировании,
как на сухую, так и на сырую массу. Во втором эксперименте происходило колебание
поглотительной способности на диапазоне концентраций от 6×10-6 до 6×10-5моль/л и
значительное повышение емкости поглощения. Возможно, это связано с тем, что при
уменьшении всасывающей поверхности корня происходит активация механизмов
детоксикации, и включение в работу остаточных механизмов защиты растений.
В первом и во втором экспериментах (рисунок 5А, 5Б) наблюдали сначала
понижение, а затем при концентрации 3×10-5 моль/л и выше постепенное усиление
работы поглотительной системы корня. При этом в растении происходило уменьшение
массы и содержания метиленового синего в корнях растений. Можно сказать, что тот
же объем занятый цинком, обеспечивает большую поглощающую силу растения.
Увеличение эффективности работы поглотительной системы корня связано с тем, что
Значения нормирования на массу
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
0,0002
0,0004
Концентрация цинка, моль/л
Нормирование на
сырую массу
Нормирование на
сухую массу
Значения нормирования на массу
активировались дополнительные более действенные механизмы поступления воды и
питательных веществ в корни проростков подсолнечника.
Из сравнения результатов двух экспериментов можно предположить, что при
кратковременной экспозиции корней в растворах, содержащих цинк, механизмы
детоксикации этого тяжелого металла работают эффективнее. С позиции минерального
питания цинк становится токсичным, если его содержание превышает определенный
уровень.
0,6
7
0,5
6
5
0,4
4
0,3
3
0,2
2
0,1
1
0
0
А
Нормирование на
сырую массу
Нормирование на
сухую массу
0
0,0001 0,0002 0,0003 0,0004
Концентрация цинка, моль/л
Б
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
0 0,00010,00020,00030,0004
Концентрация цинка, моль/л
Нормирование на
количество краски
Нормирование на
сырую массу
Нормирование на
сухую массу
Значения нормирования
Значения нормирования
Рисунок 5. Значения емкости поглотительной способности корней растений.(А) первый эксперимент, (Б) - второй эксперимент.
600
2500
500
2000
400
1500
300
1000
200
100
0
А
500
Нормирование на
количество краски
Нормирование на
сухую массу
Нормирование на
сырую массу
0
0 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004
Концентрация цинка, моль/л
Рисунок 6. Значения поглотительной способности корней растений. (А) - первый
эксперимент, (Б) - второй эксперимент.
Выводы
Для подсолнечника однолетнего Helianthus annuus L сорта Чернянка 66 близкой
к критической, является концентрация ZnSO₄×7H₂O равная 3×10-4 моль/л. При этой
концентрации раствора в корнях наблюдаются существенные изменения,
выражающиеся в уменьшении количества боковых корней, заметном искривлении и
потемнении главного корня, существенном понижении поглощающей способности
корнями в отношении воды и питательных веществ.
Цинк в малой концентрации (6×10-6 моль/л) оказывал стимулирующий эффект
на растение подсолнечника, проявившийся в активации физиологических показателей.
Б