Влияние присутствия сульфата железа в среде на формирование проростков пшеницы

УДК 581.1

ВЛИЯНИЕ ПРИСУТСТВИЯ СУЛЬФАТА ЖЕЛЕЗА В СРЕДЕ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПРОРОСТКОВ ПШЕНИЦЫ

С.В. Ручкин, В.В. Иванищев

Представлены результаты исследования по влиянию различных концентраций сульфата железа (+3) на прорастание семян пшеницы (Triticum aestivum L.) на раннем этапе онтогенеза. Показано негативное влияние присутствия соли в концентрации 0,1 мкМ на лабораторную всхожесть семян, которая при наибольшей концентрации сульфата железа (1 мМ) снижалась до 71 %. Присутствие соли в среде приводило к увеличению только сырой массы побегов при минимальной концентрации (0,1 мкМ), в то время как для всех других показателей наблюдали ингибирующий эффект при всех изученных концентрациях сульфата железа. При этом максимальная концентрация соли (1 мМ) приводила к полному ингибированию формирования корней пшеницы. Полученные результаты представляют интерес для определения минимальных концентраций железа, которые обладали бы стимулирующим эффектом в связи с известным значением железа для физиологических и биохимических процессов и реакций в растениях.

Ключевые слова: Triticum aestivum L., проростки пшеницы, сульфат железа, длина побегов, сырая и сухая масса, относительное содержание воды.

Введение

В группе тяжелых металлов немалая роль принадлежит железу [1]. Оно является незаменимым микроэлементом практически для всех живых организмов, поскольку играет решающую роль в обменных процессах, таких, как синтез ДНК, дыхание и фотосинтез. Кроме того, многие метаболические пути активируются железом, и оно является важным составным компонентом для разных функциональных групп и множества ферментов [2]. Дисбаланс между растворимостью железа в почве и потребностью в нем со стороны растений объясняет основные причины хлороза, вызванные недостатком железа. Даже в случаях достаточного присутствия железа в почвах его биологическая активность низка, потому что оно образует различные плохо растворимые комплексы при нейтральных уровнях рН.

Железо играет значительную роль в различных физиологических и биохимических процессах в растениях. Оно служит одним из компонентов жизненно важных ферментов, например, таких, как цитохромы, которые участвуют в переносе электронов по электрон-транспортным цепям фотосинтеза и дыхания, которые, в свою очередь, обеспечивают важнейшие метаболические процессы живых организмов. В растениях железо включается в синтез хлорофилла и необходимо для обеспечения формирования структуры и функционирования хлоропластов [2, 3].

По содержанию в почвах железо занимает четвертое место среди химических элементов (4,65 %), уступая лишь кислороду, кремнию и алюминию. В почвах и горных породах оно считается макроэлементом. Для растений и животных железо имеет промежуточное положение между макро- и микроэлементами. В аэрированных почвах железо преимущественно содержится в форме Бе+3, главным образом в составе окси-гидроксидных полимеров с чрезвычайно низкой растворимостью.

Для растений железо часто является важным микроэлементом, дефицит которого представляет собой серьезную мировую сельскохозяйственную проблему. Кроме того, ионы этого металла не обладают легкой доступностью в нейтральных и слабощелочных почвах, что приводит к дефициту железа в растениях, несмотря на его обилие в почве. Тридцать процентов глобальных культивируемых почв, содержащих известковые компоненты, характеризуются низкой доступностью железа, потому что железо присутствует в них в нерастворимых окисленных формах [4].

Железо является третьим по величине ограничивающим питательным веществом для роста и метаболизма растений, в первую очередь, из-за низкой растворимости окисленной формы железа в аэробных средах. Дефицит железа является распространенным недостатком питания для многих растений, что приводит к снижению урожайности и ухудшению качества урожая [5].

Между высокой концентрацией тяжелых металлов в почве и проявлением симптомов токсичности существуют два типа взаимосвязей. С одной стороны, тяжелые металлы конкурируют с основными минеральными питательными веществами в ходе поглощения, тем самым нарушая минеральное питание растений. С другой стороны, после поглощения растением они могут накапливться в растительных тканях и клеточных компартментах, что в конечном итоге нарушает протекание нормального общего метаболизма растения [3-5].

В связи с этим изучение вопросов по влиянию разных концентраций ионов железа на формирование растений является актуальным.

В то же время изучение широкого спектра концентраций тяжелых металлов представляет интерес для развития одного из новых направлений в науке, которое обозначают термином гормезис и которое занимается пристальным изучением особенного действия низких и высоких доз фактора (здесь - содержания вещества в среде) на живые системы [6].

Поэтому цель работы состояла в изучении влияния широкого спектра доз железа (в виде соли сульфата) на процесс формирования проростков пшеницы на ранней стадии онтогенеза.

Материалы и методы исследования

В качестве объекта исследования использовали пшеницу яровую (Triticum aestivum L.). Наблюдения проводили за формированием проростков. Семена промывали в растворе перманганата калия, затем проточной водой. Растения выращивали в виде водной культуры, используя дистиллированную воду в контрольном варианте и с добавлением соли металла - Fe2(SO4)3 в дистиллированной воду (10-7; 10-5; 10-3 М) в опытных пробах.

Для получения проростков по 20 семян помещали в сосуды объемом 0,2 л, наливали воду или раствор соли в объеме 0,05 л и проращивали при температуре 20-22 °С при естественном освещении. В ходе формирования растений растворы меняли 2 раза.

На четвертые сутки определяли всхожесть семян. Для оценки токсического влияния ионов на 10 сутки после начала инкубации измеряли длину побега, а также их сырую и сухую массу.

Содержание воды рассчитывали, как описано ранее [7].

Эксперименты проведены в трех биологических повторностях. Статистическую обработку данных проводили с помощью программы Excel. На рисунках приведены средние величины. Уровень значимости результатов соответствует Р=0,05.

Результаты и их обсуждение

Изучение влияния сульфата железа (Fe3+) на всхожесть семян пшеницы показало, что присутствие низкой концентрации сульфата железа в среде приводило к небольшому увеличению процента прорастания семян (95 %), а при наиболее высокой концентрации (10-3 М) всхожесть составила только 71 % (рис. 1).

При средней концентрации 10-5 М всхожесть семян пшеницы была равна всхожести контрольного варианта и составляла 90 %. Таким образом, содержание железа в среде по-разному влияет на всхожесть семян пшеницы.

Похожие результаты были получены при прорастании семян яровой мягкой пшеницы Triticum aestivum L. В присутствии наноформ железа она составила 95 % от контрольного варианта, при воздействии Fe3O4 - 90 %, как и в присутствии Fe0 - 90 % [8].

Изучение влияния ионов Fe+3 на формирование проростков пшеницы дали следующие результаты. Максимальную длину побегов наблюдали при концентрации 10-7 М сульфата железа (рис. 2).

100

чО

и

80

60

эе

о 40

X

и

СО 20

0.0000001

0.00001

0.001

м

Рис. 1. Влияние разных концентраций сульфата железа в среде на всхожесть семян пшеницы

Рис. 2. Влияние разных концентраций сульфата железа в среде на длину побегов пшеницы

Такой показатель был выше контроля на 8 %. Дальнейшее увеличение содержания соли в среде приводило к статистически достоверному снижению изученного показателя. Так при средней концентрации сульфата железа длина побегов была на 13 % ниже контроля. Наиболее существенное снижение длины побега наблюдали при максимальной концентрации 10-3 М. Такой показатель оказался ниже контрольного на 75 %.

Исследование влияние сульфата железа на коэффициент вариации (Су) величины длины побега показало, что при увеличении концентрации соли от минимальной до максимальной происходило его возрастание. При этом при минимальной концентрации сульфата железа коэффициент вариации был ниже, чем в контрольном образце. Это говорит о положительном влиянии такой концентрации соли на сбалансированность физиологических и биохимических процессов и реакций для формирования проростков. Далее этот показатель увеличивался так, что при концентрации соли 10-3 М наблюдали существенное увеличение коэффициента вариации, который был в 2 раза выше, чем в контрольном варианте. Такие данные можно объяснить через нарушения в согласованности взаимодействия процессов, которые отражаются и на других морфофизиологических показателях проростков пшеницы. Описанное возрастающее негативное действие отражается в том числе на процессах, важных для формирования побегов пшеницы и, в частности, такого показателя, как длина.

Изучение влияния присутствия сульфата железа при изученных концентрациях показало положительное влияние на формирование сырой массы побегов, которое наблюдали только при концентрации соли, равной 10"7 М. Масса была выше контрольного варианта на 20 % (рис. 3).

Рис. 3. Влияние сульфата железа на сырую и сухую массу побегов

пшеницы

Дальнейшее увеличение содержания сульфата железа в среде приводило к достоверному снижению изученного показателя. Оно

составило 16 % для средней концентрации соли и 57 % для максимальной концентрации сульфата железа в среде.

Изучение влияния возрастающей концентрации соли на формирование проростков показало, что величина сухой массы побегов была выше в контрольном варианте, в то время как при всех концентрациях сульфата железа в среде (10-7; 10-5; 10-3 М) наблюдали величины, которые были ниже контрольного варианта (рис. 3). Достоверное уменьшение составило 31 % при минимальной концентрации соли, 38%- при средней, и самую низкую величину наблюдали при концентрации 10-3 М, которая была на 54 % ниже контрольной величины

Изучение влияния присутствия сульфата железа в среде на развитие корневой системы пшеницы показало, что сырая масса корней при минимальной и средней концентрациях соли немного (и недостоверно) отличались от величины контрольного варианта (рис. 4).

Рис. 4. Влияние сульфата железа на сырую и сухую массу корней

пшеницы

При этом снижение сухой массы корней при минимальной концентрации соли было более значительным, чем для побегов (рис. 3), и составляло здесь 61 % от контроля. При средней концентрации соли, напротив, в отличие от этого показателя для побегов, наблюдали существенное превышение в сравнении с контролем, которое составило 96 %.

На основании таких результатов можно говорить о том, что ионы железа при минимальной концентрации имеют большее значение для формирования побегов, чем корней, что можно объяснить использованием этого металла для процессов и реакций, протекающих как в митохондриях, так и хлоропластах, о чем упоминалось ранее [2-4]. Существенное увеличение сухой массы корневой системы пшеницы при средней концентрации соли в среде можно объяснить избыточной сорбцией металла в этом органе. Однако такое объяснение требует постановки специального эксперимента.

Различия в полученных результатах сырой и сухой массы, а также их изменения в зависимости от концентрации сульфата железа в среде зависят от водного режима, который создается в заданных условиях среды. Поэтому изучение содержания воды в проростках пшеницы представляет интерес в условиях опыта.

Изучение относительного содержания воды в корнях показало, что при низкой концентрации железа в среде происходило повышение показателя в сравнении с контролем на 15 % (рис. 5).

Рис. 5. Относительное содержание воды в корнях и побегах пшеницы в зависимости от концентрации сульфата железа в среде

При этом при средней концентрации соли в среде содержание воды было ниже, чем в контроле, и оно было меньше на 27 %.

Относительное содержание воды в побегах существенно не менялось с повышением концентрации соли в среде. Наибольшие отклонения составили примерно 3 % от контрольного варианта (рис. 5).

Представленные результаты говорят о том, что присутствие сульфата железа при изученных концентрациях по-разному влияли на водный баланс корней и побегов. При этом присутствие соли в среде оказывало более значительное воздействие на корневую систему, чем на побеги. Возможно, что торможение развития корневой системы было, в первую очередь, связано с негативным действием соли на состояние водного режима клеток корней в ходе их образования через соответствующие молекулярные механизмы.

Таким образом, проведенное исследование показывает, что минимальное содержание сульфата железа в среде в концентрации 1G"7 М оказывается существенной и важной для формирования как побегов, так и корней пшеницы. При этом более высокие концентрации оказывали негативное влияние на формирование проростков, причем присутствие самой высокой концентрации соли в среде приводило к торможению ростовых процессов таким образом, что корневая система вообще не развивалась.

Список литературы

1. Иванищев В.В. Новые аспекты в изучении адаптации растений к воздействию металлов // Тульский экол. бюллетень, Тула: Гриф и К, 2GGV. С. 2V4-2VV.

2. Физиология растений / Н.Д. Алехина [и др.] М.: Академия, 2GG5.

3. Rout G.R., Sahoo S. Role of iron in plant growth and metabolism // Reviews in Agricultural Science. 2G15. V. 3. P. 1-24.

4. Mori S. Iron acquisition by plants // Curr. Opin. Plant Biol. 1999. V. 2. P. 25G-253.

5. Connolly E.L., Guerino M.L. Iron stress in plants // Genome Biol. 2GG2. V. 3(8): reviews1G24.1-reviews1G24.4.

6. Hormesis: A revolution in biology, toxicology and medicine / Mattson M.P., Calabrese E.J., eds. New York, Dordrecht, Heidelberg, London: Springer, 2G1G.

V. Gonzalez A., Chumillas V., del Carmen Lobo M. Effect of Zn, Cd and Cr on growth, water status and chlorophyll content of barley plants (H. vulgare L.) // Agricultural Sciences. 2G12. Vol. 3. № 4. P. 5V2-581.

8. Влияние различных форм железа на прорастание семян Triticum aestivum L. / Кудрявцева Е.А., Анилова Л.В., Кузьмин С.Н., Шарыгина М.В // Вестник Оренбургского государственного университета. 2G13. № 6 (155). C. 46-48.

Ручкин Сергей Владимирович, студент, ragingsmile@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,

Иванищев Виктор Васильевич, д-р биол. наук, проф., зав. кафедрой, avdey_VV@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого

EFFECT OF THE PRESENCE OF FERROUS SULFATE ON THE FORMATION OF WHEAT SEEDLINGS

S.V. Ruchkin, V.V. Ivanishchev

The paper presents the results of a study on the effect of various concentrations of ferrous sulfate (+3) on the germination of wheat seeds (Triticum aestivum L.) at the early stage of ontogenesis. The negative effect of the presence of salt at a concentration of 0.1 jM on the laboratory germination of seeds was shown, which decreased to 71% at the highest concentration of ferrous sulfate (1 mM). The presence of salt in the medium led to an increase in only the wet weight of shoots at a minimum concentration (0.1 jM), while for all other indicators an inhibitory effect was observed for all studied concentrations of ferrous sulfate. The maximum salt concentration (1 mM) resulted in complete inhibition of the formation of wheat roots. The results obtained are of interest for determining the minimum concentrations of ferrous ions, which would have a stimulating effect in connection with the known significance offerrous for physiological and biochemical processes and reactions in plants.

Key words: Triticum aestivum L., wheat seedlings, ferrous sulfate, shoot length, wet and dry weight, relative water content

Ruchkin Sergey Vladimirovich, student, ragingsmile@gmail.com, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,

Ivanishchev Viktor Vasilyevich, Doctor of Biology, Professor, Head of the Department, avdey_VV@mail.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University