Сравнительный анализ устойчивости растений рода Brassica на начальном этапе онтогенеза к избытку меди

ФИЗИОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ РАСТЕНИЙ

УДК 581.1

Х.Х. Алобайди1, Е.Б. Башмакова2, В.П. Холодова2

1Российский университет дружбы народов

2Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ РОДА Brassica НА НАЧАЛЬНОМ ЭТАПЕ ОНТОГЕНЕЗА К ИЗБЫТКУ МЕДИ

Материалы опубликованы в рамках проекта ФЦП «Организационно-техническое обеспечение проведения международной научной школы «Перспективные направления физико-химической биологии и биотехнологии»

(ГК № 14.741.12.0153 от 07 июня 2011 г.).

Исследована устойчивость растений 3 видов рода Brassica (В. juncea L.,

В. niger и B. alba) к избыточной концентрации ионов меди в среде. Отсутствие токсичного влияния различных концентраций меди (10, 25, 50, 100, 200 и 300 цМ) оценивалось по прорастанию семян и росту корня проростков. Установлена высокая устойчивость проростков B. alba к токсичным концентрациям сульфата меди, что делает этот вид перспективным для фиторемедиации.

Ключевые слова: растения р. Brassica; B. alba; В. juncea; B. niger; фиторемедиация; медь.

Введение

Медь - эссенциальный элемент, являющийся кофактором таких ферментов, как супероксиддисмутаза и лакказа, и входящий в состав важнейших функциональных белков, например пластоцианина. Вместе с тем в избыточных концентрациях в среде ионы меди оказывают негативное действие на растения [1-3], занимая одно из первых мест по токсичности среди тяжелых металлов. Основными источниками загрязнения почв медью являются, с одной стороны, горнодобывающая и перерабатывающая промышленность, а с другой - агропромышленное производство, использующее препараты меди для борьбы с болезнями и вредителями. В связи с этим остро стоит задача очистки почв сельскохозяйственного назначения и городских территорий от избытка меди [4]. Известно, что эффективными для фиторемедиации являются растения, обладающие выраженной устойчивостью к меди и хорошо развитой надземной биомассой. К такого рода растениям относятся представители рода Brassica. Таким образом, целью работы являлась оценка устойчивости трех видов горчицы, потенциально перспективных для фиторемедиации с избыточным содержанием меди в почве.

Материалы и методики исследования

Работа выполнена на растениях 3 видов рода Brassica, из которых В. juncea L. культивируется в России преимущественно в условиях аридных зон, семена В. niger и B. alba дикого типа получены из Багдадского региона Ирака. Для определения влияния меди на прорастание семена дезинфицировали слаборозовым раствором перманганата калия и после промывки дистиллированной водой помещали на фильтровальную бумагу в стерильные чашки Петри, содержавшие в контроле дистиллированную воду, в опытных вариантах - сульфат меди (CuSO4) в концентрациях 10, 25, 50, 100, 200 и 300 цМ. Семена проращивали при 20-22°C; через трое суток с момента постановки эксперимента подсчитывали число проросших семян и измеряли длину корня проростка. Статистическая обработка данных проведена с помощью пакета прикладных программ StatSoft STATISTICA 6.0. Результаты экспериментов представлены в виде средних арифметических со стандартными ошибками. Статистическая значимость различий р < 0,05.

Результаты исследования и обсуждение

Установлено, что повышенные концентрации меди негативно влияли на прорастание семян всех исследованных видов Brassica, полная потеря всхожести семян происходила при 300 цМ CuSO4. Различия в реакции видов на присутствие меди в среде проявлялись уже при 10 цМ: прорастание B. niger и B. juncea заметно подавлялись, но растения вида B. alba по всхожести и длине корня практически не отличались от проростков в контрольном варианте. Однако отсутствие значительной разницы по всхожести семян для разных видов от контрольного варианта не позволяло подробно изучить механизм влияния избытка меди на рост и развитие проростков растений рода Brassica. Для уточнения полученных значений и более подробной оценки был проведен пересчет действия меди по отношению к прорастанию в контрольном варианте каждого из видов (рис. 1). Высокую устойчивость B. alba можно отметить не только при 10 цМ, но и при 100 и 200 цМ CuSO4. B. niger при умеренных концентрациях меди (25 и 50 цМ) не уступал по устойчивости B. alba, но присутствие меди в среде в количестве 100-200 цМ значительно сильнее снижало прорастание B. niger по сравнению с двумя другими видами.

Таким образом, повышенные концентрации сульфата меди в среде заметно снижали длину корней проростков всех трех видов. При этом, учитывая значительно более быстрый рост корней проростков B. juncea и B. niger по отношению к B. alba, для улучшения восприятия при сравнении экспериментальные данные представлены в виде относительных величин в % от контрольных показателей для каждого из видов (рис. 2). Представленные в таком виде показатели роста и развития растений отчетливо иллюстрируют, что растения вида B. alba на ранних этапах своего развития менее всего восприимчивы к избыточным концентрациям меди в среде: значимое снижение их роста от-

мечено только с 50 мкМ CuSO4, и даже при максимальной из использованных концентраций рост корня снизился до 40% от контроля, тогда как у растений видов B. juncea и B. niger - не превышал 15-20% от контроля.

CuSO4 (М

Рис. 1. Действие CuSO4 на прорастание семян (% проросших семян от контроля для каждого варианта): 1 - B. alba; 2 - B. juncea; 3 - B. niger

25 50

CuSO4 (М

Рис. 2. Действие CuSO4 на рост корня проростка.

Обозначения см. на рис. 1

Заключение

Таким образом, представленные результаты позволяют заключить, что на начальном этапе онтогенеза проростки B. alba, в отличие от проростков B. juncea и B. niger, показали высокую устойчивость к токсичным концентрациям CuSO4, что делает этот вид перспективным для использования в целях фиторемедиации.

1 2 3

Литература

1. Иванова Е.М., Холодова В.П., Кузнецов Вл.В. Биологические эффекты высоких кон-

центраций солей меди и цинка и характер их взаимодействия в растениях рапса // Физиология растений. 2010. № 6. С. 864-873.

2. Kholodova V., Volkov K., Kuznetsov Vl. Plants under Heavy Metal Stress in Saline Environ-

ments // Soil Heavy Metals. Series «Soil Biology». 19, Heidelberg, Dordrecht. London ; New York : Springer-Verlag, 2010. P. 163-183.

3. Куликова А.Л., Холодова В.П., Кузнецов В.В. Актин вовлекается в ранние ответные ре-

акции растений на действие тяжелых металлов и ассоциирует с молекулярными ша-перонами в условиях стресса // Доклады АН. 2009. Т. 424. С. 426-429.

4. Xiong Z-T., and Wang H. Copper toxicity and bioaccumulation in Chinese cabbage (Bras-

sicapekinensis Rupr.) // Wiley Periodicals, Inc. Environ Toxicol. 2005. № 20. С. 188-194.

Поступила в редакцию 17.06.2011 г. Tomsk State University Journal of Biology. 2011. № 4 (16). P. 92-95

Khalid Hashem Alobadi1, Elena B. Bashmakova1, Valentina P. Kholodova2

1Peoples ’Friendship University of Russia, Moscow, Russia

2Timiryazev Institute of Plant Physiology, Russian Academy of Science, Moscow, Russia

A COMPARATIVE ANALYSIS OF RESISTANCE OF THREE SPECIES OF THE GENUS Brassica TO EXCESS COPPER CONCENTRATION AT THE INITIAL STAGE OF ONTOGENESIS

The main sources of soil contamination with copper are on one hand, mining and processing industry, and on the other hand, the agro-industry, using copper drugs to combat diseases and pests. In connection with this problem is acute treatment of soil for agricultural purposes and urban areas of excess copper.

The purpose of this study was to search for plants that have expressed resistance to copper and a well-developed aerial biomass. This species ofplants are members of the genus Brassica. This study assessing the sustainability of an excess of Cu in 3 kinds of mustard which are potentially promising for phytoremediation.Work was performed on

3 species of plants genus, Brassica B. juncea, B. niger, and B. alba. We have studied the germination of seeds depending on the concentration of copper (10, 25, 50, 100, 200 and 300 pM). Seeds were germinated at 20-22 ° C; for 3 days, counted the number of germinated seeds and measured the length of seedling roots. Elevated concentrations of copper negatively affected the germination of all Brassica species studied, a complete loss of germination occurred at 300 pM CuSO. Differences between species became obviously already at 10 pM while B. alba did not differ from controls, but germination of B. niger, and B. juncea significantly suppressed. However, a strong difference in seed germination of different species in the control variants, without the influence of copper, not strictly allowed comparing the effect on them of excess copper. For this conversion was carried out of the copper in relation to germination in the control of each species. High stability of the B. alba can be noted not only at 10 pM, but at 100 and 200 pM CuSO. B. niger at moderate concentrations of copper (25 and 50 pM) did not shows the stability of B. alba, but the 100-200 pM CuSO4 significantly more reduced germination of B. niger in comparison with the other two species.Elevated concentrations of CuSO significantly decreased the length of seedling roots of all three species. In this case, given the much more rapid growth of seedling roots B. juncea and B. niger in relation to B. alba, to compare the relative values are presented as % of controlfor each species.

Thus, the presented results suggest that early in ontogeny seedlings of B. alba, in contrast to B. juncea and B. niger, showed high resistance to toxic concentrations of CuSO, which makes this species a promise for use in phytoremediation.

Key words: B. alba; B. juncea; B. niger; phytoremediation; copper.

Received June 17, 2011