Исследование морфогенеза проростков при прорастании семян вики в присутствии ионов никеля

Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2012. Вып. 2. С. 246-252

Биология

УДК 581.1: 577.1

Исследование морфогенеза проростков при прорастании семян вики в присутствии ионов никеля

Э. А. Абрамова, В. В. Иванищев

Аннотация. Исследовано влияние различных концентраций ионов никеля на развитие проростков вики. Установлено, что ингибирующее действие хлорида никеля на растение зависит не только от концентрации иона металла в среде, но и от продолжительности его воздействия.

Ключевые слова: никель, вика, прорастание семян, морфогенез.

Введение

Проблема загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами является одной из важнейших в этом столетии [1]. Однако ряд из них обладает физиологической значимостью, что доказано экспериментально. Одним из металлов этой группы является никель. Согласно литературным источникам он служит незаменимым микроэлементом для высших растений, поскольку включён в активный центр фермента уреазы, обеспечивающего метаболизм азотсодержащих соединений [3, 6]. Кроме того, было установлено, что N1 является элементом, в отсутствие которого растение не может завершить свой жизненный цикл. Недостаток никеля также приводил к снижению способности формировать нормальные зародыши жизнеспособных семян [6].

В литературе явно недостаточно сведений об особенностях роста и развития растений в присутствии этого металла. Особый интерес в этом аспекте представляет изучение зернобобовых культур, запасающих белок в семенах. Поэтому цель работы состояла в изучении прорастания семян и формирования проростков вики в присутствии ионов никеля.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования служили семена и проростки вики сорта Орловская-84, которые промывали в растворе марганцовокислого калия в течение 0,5-1 минуты, затем трижды промывали проточной водой и 1 раз дистиллированной. Растение вики выращивали в виде водной культуры,

используя дистиллированную воду в контрольном варианте и с добавлением ионов металла (NiCb) в опытных пробах. Для получения проростков по 20 семян помещали в чашки Петри, наливали воду или раствор соли, закрывали для минимизации испарения и проращивали при температуре 20-230С. Для оценки действия ионов Ni на растение на третьи, седьмые и двенадцатые сутки после начала инкубации измеряли длину корня и проростка. Подсчет проросших зерновок проводили на 3-и сутки по окончании фазы прорастания у контрольных растений [б].

Эксперименты проведены в трех-пяти биологических повторностях по три аналитические повторности в каждой. Результаты экспериментов обработаны статистически с использованием программ Excel, Advanced Grapher. На рисунках приведены только средние величины. Уровень значимости результатов < 0,05.

Результаты и их обсуждение

Исследование прорастания семян вики в присутствии ионов никеля показало следующую картину (рис.1).

100f

80

і?

1 60

u

S S

5 40 « a. о a.

С

20

-К 0 1 2 3 4

концентрации N1012

Рис. 1. Влияние концентрации ионов никеля на прорастание семян вики

В ходе эксперимента происходило постепенное уменьшение числа проросших семян. При этом падение всхожести наблюдали при концентрации 10_5 М и ниже. После концентрации 10_3 М снижение показателя было более резким, но всё-таки сохранялось на минимальном уровне даже при такой высокой концентрации соли никеля, как 10_2 М.

О реакции проростков на действие №2+в ходе морфогенеза судили по изменению размеров корня и побега Ута ваЬта Ь. Установлено, что ход развития корневой системы вики на третьи, седьмые и двенадцатые сутки принципиально не менялся (рис.2).

1,ц концентрации N102 I.” кон цен грации №С12 1.« копией фации №02

а б в

Рис. 2. Влияние ионов никеля на длину главного корня растений вики на третьи (а), седьмые (б) и двенадцатые (в) сутки прорастания (К —

контроль)

Следует отметить, что до концентрации примерно 540_5-10_4 М наблюдали более высокие, чем в контроле, или близкие к нему показатели роста и развития корневой системы. Возможно, что это связано с активацией уреазы, обеспечивающей метаболизм токсичных соединений азота, образующихся при метаболизме запасных белков семян вики. При этом стимуляцию наблюдали в течение всего периода эксперимента — на третий, седьмой и двенадцатый дни прорастания. Кроме увеличения длины главного корня происходило нормальное развитие боковых корней и их ветвление. Боковые корни у проростков, инкубированных в присутствии N1012 в нелетальных концентрациях, спустя первые трое суток эксперимента появлялись в то же время, что и у корней в контрольных пробах.

Дальнейшее увеличение концентрации ионов никеля приводило к снижению исследуемого показателя, вероятно, из-за токсического действия металла. При концентрации соли никеля выше чем 5-10-4 М корни останавливали свой рост в течение первых 7 суток. В то же время его ветвление не замедлялось, несмотря на ингибирование роста главного корня. Развитие боковых корней в меньшей степени зависело от присутствия тяжелого металла. Такие результаты согласуются с данными исследований других авторов, которые показали, что ветвление корней более устойчиво к действию тяжелых металлов и других токсических веществ. Это показано, например, для проростков кукурузы [9].

Наибольшее ингибирование роста главного корня наблюдали при концентрациях соли никеля, близких к летальным. При этом на растворах с концентрациями N10125 • 10_3 и 10_2 М зародышевый корень растений развивался очень плохо или совсем не развивался. На седьмой день при этих концентрациях соли никеля корни растений теряли тургор и часто были окрашены в бурый цвет, что указывает на гибель клеток этого органа. Корневые волоски были не различимы. Боковые корни практически не развивались.

Наряду с влиянием на рост и развитие корня, никель способен оказывать тормозящее действие на рост и развитие побегов [8]. Как показали наши исследования, реакция побегов Ута ваЬта Ь. на действие хлорида никеля так же как и корня зависела от концентрации и продолжительности воздействия раствора соли (рис.3).

1^» концентрации №С12 Ьй концентрации №С12 концентрации N102

а б в

Рис. 3. Влияние ионов никеля на длину эпикотиля растений вики на третьи (а), седьмые (б) и двенадцатые (в) сутки прорастания (К —

контроль)

Так, в присутствии хлорида никеля на третий день наблюдали снижение исследуемого показателя при всех концентрациях. К седьмому дню стимулирующий эффект наблюдали при минимальных концентрациях в 10_6 М и 5-10_6 М, и на уровне контроля — при концентрациях хлорида никеля, равных 10_4-10_5 М. К двенадцатому дню эксперимента величина эпикотиля находилась на уровне контроля или близко к нему (при концентрациях хлорида никеля менее, чем 10_4 М). Для более высоких концентраций наблюдали резкое снижение исследуемого показателя. При концентрации 5*10_3 М на 7 день происходила остановка роста эпикотиля, а на 12 день — его полное отгнивание. При максимальной концентрации N1012 в 10_2 М эпикотиль не развивался вообще.

Известно, что рост корня растений более чувствителен к присутствию в среде тяжёлых металлов, чем рост эпикотиля, т.к. металлы накапливаются в основном в корнях [4, с.422]. Полученные результаты показывают, что похожая картина наблюдалась для проростков вики на седьмой и двенадцатый дни прорастания. Однако резких различий в динамике развития признаков не наблюдали, что может быть связано с известной высокой подвижностью ионов никеля при проникновении в растения [4, с.400].

Регуляция роста и развития разных органов с точки зрения перераспределения ресурсов между разными частями растений обсуждается в научной литературе [4]. В качестве причины, характеризующей устойчивость растений к тяжелым металлам и степень токсичности

последних, используют индекс толерантности (отношение длины корня (побега) растения, выращенного в присутствии металла, к длине корня (побега) контрольного растения, выраженное в %) [4]. Проведённые расчёты показали более высокий индекс толерантности для эпикотиля, чем корневой системы (рис.4).

концентрации МС12 1-^ концентрации №02

а б

Рис. 4. Определение индекса толерантности проростков

Представленные данные подтверждают, что развитие корневой системы растений вики менее устойчиво к присутствию в среде ионов никеля, что заметно по более резкому падению показателя при концентрации выше, чем 10-4 М.

Интегральной характеристикой роста и развития растений является накопление биомассы (и/или урожая). Поэтому представляло интерес проведение исследования по накоплению органического вещества эпикотиля и корневой системы. Установлено, что присутствие хлорида никеля в среде по-разному влияло на образование биомассы эпикотиля и корневой системы (рис.5).

Результаты исследования показали, что накопление биомассы корневой системой на уровне или выше контроля наблюдали до концентрации соли, равной 5*10—5 М. Далее происходило постепенное снижение показателя. Для эпикотиля была выявлена аналогичная зависимость, однако снижение показателя при увеличении концентрации соли никеля было менее резким, чем для корневой системы.

Сравнение полученных результатов (рис.5) с представленными выше (рис.2 и 3) позволяет придти к предположению о том, что более высокие показатели роста и развития органов вики в диапазоне концентраций хлорида никеля 5-10-5-10-4 М могли быть обусловлены относительно большим содержанием в них воды. Это свидетельствует о том, что поглощение ионов хлорида никеля меняло водный баланс формирующихся органов вики.

Ь§ концентрации N1012 1,« концентрации №С12

а б

Рис. 5. Влияние хлорида никеля на накопление сухой биомассы корневой системы (а) и проростка (эпикотиля) (б) 12-дневных проростков вики (К —

контроль)

Таким образом, эффект присутствия хлорида никеля в питательной среде зависит не только от концентрации иона металла, но и от продолжительности его воздействия. При этом похожесть ответных реакций развития эпикотиля и корневой системы в данных условиях эксперимента позволяет говорить о существенном влиянии высоких концентраций ионов исследуемого металла на формирование будущих надземных и подземных органов. Однако механизм такого влияния может иметь множественный характер: токсическое действие ионов соли, нарушение водного обмена, генерация избыточного количества активных форм кислорода и др. Поэтому дальнейшие исследования будут посвящены разработке этих вопросов.

Список литературы

1. Динамика накопления и распределения никеля в растениях овса / И.В. Андреева [и др.] // Агрохимия. 2000. №4. С.68-71.

2. Бабкин В.В., Завалин Л.Л. Физиолого-биохимические аспекты действия тяжёлых металлов на растения // Химия в сельском хозяйстве. 1995. №5. С.17-21.

3. Иванов В.Б., Быстров Е.И., Серегин И.В. Сравнение влияния тяжелых металлов на рост корня в связи с проблемой специфичности и избирательности их действия // Физиология растений. 2003. Т.50, №3. С.445-454.

4. Кошкин Е.И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур. М.: Дрофа, 2010. 638 с.

5. Кудоярова Г.Р., Веселов С.Ю., Усманов И.Ю. Гормональная регуляция соотношения биомассы побег / корень при стрессе // Журн. общей биологии. 1999. Т.60. С.633-641.

6. Семена с\х культур. Методы определения всхожести: ГОСТ 12038-84; Введен 01.07.86. М.: ИПК Изд-во стандартов. 2004. С.34-38.

7. Серегин И.В., Иванов В.Б. Физиологические аспекты токсического действия кадмия и свинца на высшие растения // Физиология растений. 2001. Т.48. С.606-630.

8. Серегин И.В., Кожевникова А.Д. Физиологическая роль никеля и его токсическое действие на высшие растения // Физиология растений. 2006. Т.53, №2. С.285-308.

9. Токсическое действие и распределение никеля в корнях кукурузы / И.В. Серегин [и др.] // Физиология растений. 2003. Т.50. С.793-800.

10. Физиология и биохимия покоя и прорастания семян / под ред. М. Г. Николаевой и Н. В. Обручевой. М.: Колос, 1982. 495 с.

Абрамова Эльвира Александровна (abramea@mail.ru), аспирант, кафедра ботаники и технологии растениеводства, Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого.

Иванищев Виктор Васильевич (avdey_VV@mail.ru), д.б.н., зав. кафедрой, кафедра ботаники и технологии растениеводства, Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого.

The study of seedlings morphogenesis during vetch seeds germination in the presence of nickel ions

E. A. Abramova, V. V. Ivanishchev

Abstract. It has been studied the nickel ions influence the development of vetch seedlings. It was established that the inhibition influence the plants of nickel chloride depends on both the metal ions concentration in the mixture and the duration of their action.

Keywords: nickel, vetch, seed germination, morphogenesis.

Abramova Elvira (abramea@mail.ru), postgraduate student, department of botany and technology of crop production, Leo Tolstoy Tula State Pedagogical University.

Ivanishchev Victor (avdey_VV@mail.ru), doctor of biological sciences, head of department, department of botany and technology of crop production, Leo Tolstoy Tula State Pedagogical University.

Поступила 23.06.2012