Формирование проростков пшеницы в присутствии сульфата цинка в среде

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 581.1

ФОРМИРОВАНИЕ ПРОРОСТКОВ ПШЕНИЦЫ В ПРИСУТСТВИИ

СУЛЬФАТА ЦИНКА В СРЕДЕ

В.В. Мазов, В.В. Иванищев

Представлены результаты исследования по влиянию различных концентраций сульфата цинка на прорастание семян пшеницы (ТтШсит авзИшт Ь.) на раннем этапе онтогенеза. Показано положительное влияние присутствия соли в концентрации 0,1 мМ на такие показатели, как длина побега, сырая и сухая масса побегов и корней. Отмечено полное ингибирование формирования корневой системы при концентрации 10 мМ сульфата цинка в среде. Показано незначительное влияние присутствия соли в среде на величину относительного содержания воды в проростках пшеницы. Полученные результаты представляют интерес для уточнения границы концентраций соли, при которой процессы стимуляции меняются на негативные для формирования проростков пшеницы.

Ключевые слова: ТтШсит ав^^уит Ь., проростки пшеницы, сульфат цинка, длина побегов, сырая и сухая масса, относительное содержание воды.

Введение

Цинк относят к группе тяжелых металлов, которые в незначительных количествах являются абсолютно необходимыми для обеспечения ряда физиологических и биохимических процессов и реакций [1, 2]. Например, считается, что в растениях этот металл влияет на объем поглощаемой воды и ее транспорт [3], уменьшает негативные эффекты коротких периодов теплового воздействия [4] и солевого стресса [5]. Он также участвует в синтезе нуклеиновых кислот, метаболизме углеводов и липидов, а также оказывает влияние на функционирование ДНК и РНК, образуя с ними комплексы [6]. Кроме того, цинк необходим для синтеза триптофана [7], который является предшественником индолилуксусной кислоты (ауксина), важнейшего ростового гормона растений [8].

Отмечена роль цинка для обеспечения молекулярных процессов. Так, сообщалось о его участии в работе сигнальной системы клетки с участием митоген-активируемых протеинкиназ [9]. Роль цинка в поддержании целостности мембраны может включать структурную ориентацию макромолекул и поддержание ионных транспортных систем, поскольку он взаимодействует с фосфолипидами и сульфидрильными группами мембранных белков. Важная роль этого металла состоит в контроле генерации и детоксикации свободных радикалов кислорода, которые могут разрушать мембранные липиды и белки, благодаря чему происходит поддержание функциональной и структурной целостности мембран [7]. В то же время существуют доказательства того, что цинк вовлечен в окислительную стресс-индуцируемую экспрессию генов,

кодирующих антиоксидантные защитные ферменты, такие, как аскорбатпероксидаза и глутатионредуктаза, удаляющие избыточные количества пероксида водорода [10].

Наиболее известное значение цинка состоит в том, что его ионы входят в состав простетических групп ряда внутриклеточных ферментов, таких как, дегидрогеназы, альдолазы, изомеразы, трансфосфорилазы, РНК-и ДНК-полимеразы [11], в том числе, связанные с процессами поддержания кислотности среды, синтеза белков и выработки энергии.

При этом высокие концентрации цинка в среде, напротив, вызывают ряд негативных процессов [2], несмотря на то, что на внутриклеточном уровне он может переводиться в недоступную форму путем образования комплексов с органическими лигандами или фосфором

[7].

С другой стороны, изучение широкого спектра концентраций тяжелых металлов представляют 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 [12].

Поэтому цель работы состояла в изучении влияния широкого спектра доз цинка (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 - ZnSO4 (10-6; 10-4; 10-2 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 [13].

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 ионов Zn2+ на всхожесть семян пшеницы показало, что при самой низкой концентрации сульфата цинка (10-6 М) она составляла примерно такую же величину, как в контрольном варианте и была равной 95 %. В присутствии наиболее высокой концентрации сульфата цинка (10-2 М) всхожесть составляла 91,7 %. При этом максимальное количество проросших семян наблюдали при средней концентрации соли (10-4 М): при таких условиях всхожесть составила 100 %.

Близкие результаты были получены ранее и для семян горох посевного (Pisum sativum L.) сорта «Фараон» [14] в присутствии в среде сульфата цинка. Увеличение концентрации сульфата цинка в среде приводило к незначительному снижению прорастания семян (97 %), а при наиболее высокой концентрации соли (10 мМ) всхожесть составляла 90 %. Аналогичные результаты зафиксированы в присутствии в среде сульфата или хлорида цинка для многих других растений, причем максимальная степень ингибирования составляла 62% (0,17 мМ сульфата цинка) [2]. При этом пограничная концентрация ионов цинка находится в пределах 0,22 мМ, в присутствии которой происходило снижение всхожести семян разных растений.

Изучение влияние возрастающих концентраций сульфата цинка на формирование побегов пшеницы показало увеличение длины побегов на 8 и 23 % против контроля при минимальной и средней концентрациях, соответственно (рис. 1).

Рис. 1. Влияние разных концентраций сульфата цинка в среде на длину

побегов пшеницы

Значительное снижение этого показателя наблюдали при максимальной концентрации соли (10-2 М), при которой степень ингибирования составила примерно 5 раз. В качестве возможного механизма негативного влияния многие авторы считают, что цинк нарушает деление и растяжение клеток, за счет чего происходит ингибирующее влияние на ростовые показатели. Кроме того, при больших концентрациях этого металла в растениях наблюдаются нарушения в водном обмене, минеральном питании и фотосинтезе растений [1].

Сравнение с результатами исследований других авторов показало, что концентрации 10-4-10-5 М часто оказывали стимулирующие эффект, а более высокие - ингибирующий [1, 2, 14].

Исследование влияние сульфата цинка на коэффициент вариации (Су) длины побега формирующихся растений пшеницы показало, что при увеличении концентрации соли от 10-6 до 10-4 М происходило заметное его снижение. Но при концентрации соли (10-2 М) наблюдали существенное увеличение коэффициента вариации, который все же был ниже, чем для контроля. Снижение коэффициента вариации можно объяснить положительным влиянием этих концентраций ионов цинка на формирование проростков пшеницы, что может быть связано с повышением сбалансированности и эффективности путей метаболизма, обеспечивающих этот процесс через оптимизацию активности ферментов, стимулируемых ионами цинка, в том числе ключевых для фотосинтеза ферментов: карбоангидразы и рибулозо-1,5-бисфосфат-карбоксилазы-оксигеназы [7].

Для высшей в нашем эксперименте концентрации сульфата цинка (10-2 М), напротив, наблюдали повышение коэффициента вариации для длины побегов, что может быть связано с негативным действием избыточных количеств этого металла для процессов, важных для формирования побегов. Это нашло свое отражение, в первую очередь, в пятикратном снижении длины побегов пшеницы (рис. 1).

Определение сырой биомассы проростков показало, что в присутствии в среде возрастающих концентраций сульфата цинка (до 10-4 М) в среде, стимулирующий эффект был более заметным для побегов, чем для корней (рис. 2).

Для побегов он составил - 18 % при концентрации 10-6 М и 49 % при концентрации 10-4 М, по сравнению с контролем. Для корней получились следующие результаты: 10 % при концентрации 10-6 М и 31 % при концентрации 10-4 М. При этом существенное снижение сырой массы побегов происходило при наиболее высокой концентрации соли (10-2 М) в сравнении с контролем. Оно составило - 62 %. В то же время корневая система в этих условиях вообще не сформировалась.

Рис. 2. Сырая масса побегов и корней пшеницы в зависимости от концентрации сульфата цинка в среде

В результате определения сухой биомассы проростков было выяснено, что в присутствии возрастающих концентраций сульфата цинка (до 10-4 М) в среде стимулирующий эффект был более заметным для корней, чем для побегов (рис. 3).

Для побегов получились следующие результаты: стимуляция - 14 % при концентрации 10-6 М и 114 % - при концентрации 10-4 М. При этом существенное снижение сухой массы побегов происходило при наиболее высокой концентрации соли (10-2 М) в сравнении с контролем. Ингибирующий эффект при максимальной концентрации сульфата цинка в среде составил 43 %.

Рис. 3. Сухая масса побегов и корней пшеницы в зависимости от концентрации металла в среде

Для корней стимулирующий эффект составил - 67 % при концентрации 10-6 М и 100 % - при концентрации 10-4 М, по сравнению с контролем. При максимальной концентрации соли в среде, как было уже отмечено, корневая система вообще не сформировалась.

Для большинства видов растений, изученных другими авторами, установлено, что стимулирующие концентрации ионов цинка в отношении данного показателя ограничены пределами 0,005-0,05 мМ. Ингибирующее влияние наблюдалось при более высоких концентрациях [1, 2, 14].

Сравнение величин сырой и сухой массы побегов и корней говорят о том, что присутствие сульфата цинка в среде влияло на содержание воды в органах растений. Поэтому далее определяли ее количество в побегах и корнях пшеницы.

Исследование показало, что при минимальной концентрации соли в среде (10-6 М) в побегах пшеницы происходило незначительное (и недостоверно отличающееся) повышение содержания воды в сравнении с контролем с некоторым снижением при более высоких концентрациях соли в среде (рис. 4).

Рис. 4. Относительное содержание воды в побегах и корнях пшеницы в зависимости от концентрации сульфата цинка в среде

Для корней было показано, что по мере увеличения концентрации сульфата цинка происходило снижение (недостоверное по показателям статистики) относительного содержания воды в корнях пшеницы.

Таким образом, было показано, что присутствие возрастающей концентрации сульфата цинка в среде по-разному влияло на изученные характеристики проростков пшеницы. Стимулирующее влияние было

обнаружено при концентрации соли, равной 10-4 М, причем стимулирующий эффект проявлялся в большей степени для побегов, чем корней. Особенно это отражалось на формировании сухой массы органов пшеницы. В то же время показано полное ингибирование формирования корневой системы пшеницы при максимальной концентрации соли в среде. Отчасти такие эффекты можно объяснить через изменение водного баланса. Полученные результаты представляют интерес для дальнейших исследований с целью обнаружения границы концентраций соли цинка, соответствующих оптимальным потребностям семян пшеницы для их прорастания в условиях эксперимента.

Список литературы

1. P-type ATPase heavy metal transporters with roles in essential zinc homeostasis in Arabidopsis / D. Hussain, M.J. Haydon, Y.Wang [et al.] // Plant Cell. 2004. V. 16. P. 1327-1339.

2. Иванищев В.В., Минайчев В.В., Кузнецов Д.А. Проектная деятельность в школе по биологии растений (монография). Саарбрюккен: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2016. 111с.

3. Disante K.B., Fuentes D., Cortina J. Response to drought of Zn-stressed Quercus suber L. seedlings // Env. Exp. Bot. 2010. V. 70. P. 96-103.

4. Peck A.W., McDonald G.K. Adequate zinc nutrition alleviates the adverse effects of heat stress in bread wheat // Plant Soil. 2010. V. 337. P. 355374.

5. Zinc alleviates salt stress and increases antioxidant enzyme activity in the leaves of pistachio (Pistacia vera L. 'Badami') seedlings / V. Tavallali, M. Rahemi, S. Eshghi [et al.] // Turk. J. Agr. Forest. 2010. V. 34(4). P. 349-359.

6. Tsonev T., Lidon F.J.C. Zinc in plants - An overview // Emir. J. Food Agric. 2012. V. 24(4). P. 322-333.

7. Alloway B.J. Zinc in Soils and Crop Nutrition // Publ. of International Zinc Association. URL: http://www.iza.com/Documents/Communications/Publi cations/ALLOWAY PRINT.pdf. 2004

8. Brennan R. F.. Zinc Application and Its Availability to Plants. Ph. D. dissertation. School of Environmental Science, Division of Science and Engineering, Murdoch University. 2005. URL: https://www.researchgate.net/publication/43979995 Zinc application and its a vailability_to_plants

9. Lin C.W., Chang H.B., Huang H.J. Zinc induces mitogen-activated protein kinase activation mediated by reactive oxygen species in rice roots // Plant Physiol. & Biochem. 2005. V. 43. P. 963-968.

10. Cakmak I. Possible roles of zinc in protecting plant cells from damage by reactive oxygen species // New Phytol. 2000. V. 146. P. 185-205.

11. Lopez-Millan A.F., Ellis D.R., Grusak M.A. Effect of zinc and manganese supply on the activities of superoxide dismutase and carbonic anhydrase in Medicago truncatula wild type and raz mutant plants // Plant Sci. 2005. V. 168. P. 1015-1022.

12. Hormesis: A revolution in biology, toxicology and medicine / Mattson M.P., Calabrese E.J., eds. New York, Dordrecht, Heidelberg, London: Springer, 2010.

13. 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. 2012. V. 3 (4). P. 572-581.

14. Влияние ионов цинка и никеля на формирование проростков Pisum sativum L. / Минайчев В.В., Кузнецов Д.А., Сиголаева Т.Е. [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2015. Вып. 3. С. 292-304.

Мазов Владислав Владимирович, студент, mazoff2014@yandex.ru, 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

FORMATION OF WHEAT SEEDLINGS IN THE PRESENCE OF ZINK SULFATE IN THE MEDIUM

V.V. Mazov, V.V. Ivanishchev

The paper presents the results of a study on the effect of different concentrations of zinc sulfate on the germination of wheat seeds (Triticum aestivum L.) at the early stage of ontogenesis. The positive effect of the presence of salt at a concentration of 0.1 mM on such indicators as shoot length, wet and dry weight of shoots and roots is shown. A complete inhibition of the formation of the root system was noted at a concentration of 10 mM zinc sulfate in the medium. The insignificant influence of the presence of salt in the medium on the value of the relative water content in wheat seedlings is shown. The results obtained are of interest to clarify the limits of salt concentrations, at which the stimulation processes change to negative ones for the formation of wheat seedlings.

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

Mazov Vladislav Vladimirovich, student, mazoff2014@yandex.ru, 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