Распределение цинка, меди и кадмия в корневой системе фасоли обыкновенной в условиях разных сред произрастания

УДК 581.522.5

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЦИНКА, МЕДИ И КАДМИЯ В КОРНЕВОЙ СИСТЕМЕ ФАСОЛИ ОБЫКНОВЕННОЙ В УСЛОВИЯХ РАЗНЫХ СРЕД ПРОИЗРАСТАНИЯ

© 2010 Ю.В. Макарова1

С помощью гистохимического дитизонового метода установлены закономерности поглощения, локализации и транслокации ионов Zn, Cu и Cd в тканях разных морфологических типов корней у фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris L.), исследованы концентрационные и средовые зависимости перечисленных процессов.

Ключевые слова: Phaseolus vulgaris L., корневая система, растительные ткани, гистохимический дитизоновый метод, Zn, Cu, Cd, концентрация, среда произрастания.

Введение

К настоящему времени в рамках экологической геохимии собран обширный материал, касающийся аккумуляции химических элементов группы тяжелых металлов в пищевых сельскохозяйственных растениях. Неугасающий исследовательский интерес к этой теме обусловлен практической стороной вопроса: именно растениеводческая продукция является начальным звеном в трофической цепи, по которой потенциально опасные элементы могут поступать в пищевой рацион человека и в конечном итоге определять качество его жизни. В абсолютном большинстве случаев поставленная задача решается на основе физических, химических и физико-химических аналитических методов, которые при неоспоримых достоинствах (высокий уровень избирательности, чувствительность, точность) тем не менее не могут ответить на многие частные вопросы, значимые в плане раскрытия механизмов аккумуляции и детоксикации соединений тяжелых металлов. Например, каким образом металлоионы распределяются по органам, тканям и клеткам растений, какова функциональная роль различных тканей в процессах поглощения и транслокации, насколько зависим характер распределения тяжелых металлов в растении от их концентрации в среде произрастания и, наконец, каково влияние субстрата на этот процесс. Справиться с этими вопросами, дополнить и конкретизировать результаты аналитических методов возможно средствами гистохимии. В связи с этим целью настоящих исследований являлось гистохимическое изучение особенностей поглощения, аккумуляции и транслокации в корневой системе

1Макарова Юлия Владимировна (aconithum@mail.ru), кафедра экологии, ботаники и охраны природы Самарского государственного университета, 443011, Российская Федерация, г. Самара, ул. Акад. Павлова, 1.

фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris L.), активно вовлекаемых в биологический круговорот Zn, Cu и Cd в зависимости от условий произрастания растения в модельном эксперименте.

Условия и методы исследования

В качестве объектов исследования использовали 14-дневные растения фасоли обыкновенной сорта "Щедрая". Действующим фактором являлись растворы солей ZnSO4-7H2O, CuSO4-3H2O, 3CdSO4-8H2O, которые готовили в пересчете на содержание металла в одном литре. В итоге развитие водной и субстратных культур растения [1] происходило на следующих экспериментальных концентрациях металлов: Zn - 1000,0; 100,0; 10,0 и 1,0 мг/л, Cu - 500,0; 50,0; 5,0 и 0,5 мг/л, Cd — 50,00; 5,00; 0,50 и 0,05 мг/л. В подборе концентраций руководствовались литературными данными [2], согласно которым предельно допустимая концентрация для Zn составляет 1000,0 мг/л, Cu — 500,0 мг/л, Cd — 50,0 мг/л. Обработку субстрата растворами металлов проводили единожды — в момент высадки семян. В остальное время по мере подсыхания его увлажняли дистиллированной водой. В контрольных вариантах для высадки растений (водная культура) и обработки субстрата использовали дистиллированную воду.

Субстратами для растений служили промытый, прокаленный в муфельной печи речной песок и среднесуглинистый обыкновенный чернозем с содержанием гумусовых веществ 5,9 %, актуальной кислотностью 6,7 ед. и карбонатностью 1,0-2,5 %, отобранный с фонового участка Самарской области [3]. Указанные величины ведущих почвенных характеристик являются вполне благоприятными для роста и развития анализируемого вида [4].

В целях изучения поглощения, аккумуляции и транслокации Zn, Cu и Cd в органах и тканях растения использовали гистохимический дитизоновый метод [5], чувствительность которого в отношении перечисленных ионов составляет 10~5 М/л. Из-за невозможности хранения реактив, состоящий из 3 мг дитизо-на, 6 мл ацетона, 2 мл дистиллированной воды и 1-2 капель ледяной уксусной кислоты, готовили непосредственно перед началом работы. Сделанные при помощи острой бритвы прижизненные срезы главного корня (базальный участок зоны ветвления) и отходящих от него здесь же боковых корней (базальные участки) обрабатывали дитизоновым реактивом и исследовали под световым микроскопом при сменном увеличении до 400 раз, отмечая локализацию и интенсивность окраски структурных элементов по балльной шкале (0 — отсутствие окрашивания, 1 — очень слабое окрашивание, 2 — слабое окрашивание, 3 — окрашивание средней интенсивности, 4 — окрашивание высокой интенсивности, 5 — окрашивание очень высокой интенсивности).

Результаты исследования и их обсуждение

Качественная окраска срезов свидетельствует о присутствии Zn, Cu и Cd во всех тканях корневой системы фасоли независимо от их содержания в средах произрастания. Не являются исключением и контрольные варианты, что может быть обусловлено как первоначальным включением анализируемых химических элементов в структуры покоящегося семени растения, так и процессом их поглощения непосредственно из сред произрастания — песка и почвы (см. рисунок).

Содержание элементов в тканях корневой системы, как правило, определяется их концентрацией в субстрате. При этом корни растений, развивающихся на водных растворах металлов, в силу большей доступности для поглощения аккумулируют Zn, Си и Cd активнее, чем на песке и почве. Экспериментальной особенностью является интенсификация процесса поглощения и, соответственно, накопления химических элементов в корневой системе в вариантах с внесением в субстрат минимальных концентраций металлов (1,0 мг/л Zn, 0,5 мг/л Си, 0,05 мг/л Cd) по сравнению с вариантами, где концентрация металлов в субстрате была на порядок выше (10,0 мг/л Zn, 5,0 мг/л Си, 0,5 мг/л Cd). Выявленная тенденция оказалась несвойственной только для растений, вегетирующих на водных растворах Cd, у которых содержание элемента в тканях главного и боковых корней увеличивается пропорционально росту его концентрации в растворе (см. рисунок). Таким образом, полученные нами данные иллюстрируют не только многократно отмеченное разными авторами и обусловленное возрастанием сосущей силы корневой системы явление усиления поступления ионов металлов в растение при синхронном росте их концентрации в среде произрастания, но и возможность поглощения ионов корневой системой с наибольшей скоростью в случае низких их концентраций в субстрате [6].

60

ВодаПесокрочв; Контроль

ВодаПесоКПочв; 0.05 мг/л Сс1

Вода ПесоКПочваВодаресоКПочва 0.50 мг/л СС 5.00 мг/л СС

Вода ПесокПоч ва 50.00 мг/л СС

Ризодерма ЭЭндодерма

Первичная флоэма Ш Пучковый камбий 0 Первичная ксилема

0 Экзодерма  Перицикл ЕЗ Вторичная флоэма 0 Межпучковый камбий ЕЭ Протоксилема

0 Паренхима первичной коры Н Основная паренхима Ш Флоэма

Вторичная ксилема Ш Метаксилема

Рис. Суммарное содержание и распределение Cd по тканям главного и боковых корней фасоли обыкновенной в условиях разных сред произрастания

Уровень аккумуляции металлов в корнях фасоли, принадлежащих к разным морфологическим типам, неодинаков. Практически во всех вариантах на песчаном и почвенном субстрате, а также на водных растворах Cd содержание анализируемых химических элементов в тканях главного корня выше, чем в тканях боковых корней (см. рисунок). Разница между количественным содержанием металлов в этих органах может быть обусловлена рядом причин [7-11].

Во-первых, по сравнению с позже развивающимися боковыми корнями главный корень обладает большей поглощающей поверхностью. С учетом того, что количественное содержание металлов в тканях корня складывается не только за счет их непосредственного поступления из субстрата по радиусу корня, но и за счет вертикального транспорта по паренхиме первичной коры и ксилеме из нижележащих областей, главный корень, обладая хорошо выраженной, обширной паренхимой первичной коры, более высокоорганизованной проводящей системой и, соответственно, более протяженной поверхностью деятельной части, способен поглощать и накапливать в тканях анализируемого участка Zn, Си и Cd количественно больше, чем боковые корни.

Во-вторых, причиной активизации метаболических явлений в тканях главного корня может являться процесс "зарождения" боковых корней, требующий усиленного притока веществ извне. Нами зафиксировано, что рядом с местом разрыва эндодермы примордием бокового корня содержание металлов в тканях центрального цилиндра (вплоть до первичной ксилемы) возрастает, а сам примордий аккумулирует максимально возможное их количество.

В-третьих, преобладание металлоионов в главном корне может быть связано с деятельностью боковых корней, которые массово образуются именно на анализируемом участке главного корня, а также характеризуются повышенной метаболической активностью в силу меньшего возраста.

В-четвертых, более развитая проводящая система главного корня обеспечивает возможность большего передвижения воды с растворенными в ней веществами к надземным частям растения, способствуя их развитию. Увеличение надземной фитомассы приводит к возрастанию сосущей силы, которая, действуя на главный корень, ускоряет транспорт веществ от поверхностных тканей к сосудам ксилемы. В свою очередь, форсированное освобождение поглощающей поверхности главного корня будет неизменно приводить к интенсификации его деятельности.

На водных растворах (кроме Cd) и в вариантах с внесением в почву 0,5 мг/л Си и 1 мг/л Zn поглотительная активность главного и боковых корней фасоли практически сходна. Такое распределение металлов между морфологически разными типами корней обусловлено, с одной стороны, их низким содержанием в субстрате, физико-химические и микробиологические характеристики которого (почва) могут дополнительно снижать растворимость соединений и доступность составных элементов для поглощения растению, а с другой — замедлением темпов роста и развития надземной фитомассы вследствие разобщения вещественно-энергетических связей с корневой системой, происходящим на фоне последовательно возрастающих концентраций металлов в водной среде [12].

Гистохимический анализ поперечных срезов корневой системы выявил в ней ряд тканей, поглощающих и накапливающих ионы Zn, Си и Cd наиболее активно. К тканям приоритетного улавливания металлов в главном корне относятся экзодерма, пучковый камбий, ксилема, в боковых корнях — ризодерма, экзодерма, ксилема (см. рисунок).

Причины преимущественного накопления анализируемых металлов в клетках ризодермы вполне очевидны: именно эта ткань является первой на пути их проникновения в корневую систему растения, и именно она, по сравнению с остальными тканями, обладает более развитой и более активной системой мембранных транспортных механизмов [13]. Непосредственный контакт тканей друг с другом обуславливает перемещение ионов Zn, Си и Cd из ризодермы в экзодерму практически в неизменном количестве.

Высокая поглотительная способность пучкового камбия связана не только с интенсивно протекающими в его клетках метаболическими процессами, вызванными возрастной дифференциацией тканей, но и с его близостью к проводящим тканям растения, особенно к ксилеме, обладающей мощной аттрагирующей способностью. Значительное содержание металлов в структурах последней (клетки паренхимной обкладки, стенки сосудов, пасока) может быть предопределено расположением анализируемого участка у основания корня, "запас" элементов в котором создается благодаря их разнонаправленному транспорту.

По сравнению с вышеперечисленными тканями, наименьшее содержание металлов в корневой системе фиксируется в срединной и внутренней области паренхимы коры (главный и боковые корни), в первичной флоэме (главный корень) (см. рисунок). При этом распределение Zn, ^ и Cd по срезу коровой паренхимы у абсолютного большинства вариантов имеет градиентный характер: содержание металлов, максимум которого приходится на два-четыре внешних ряда клеток, постепенно снижается в центростремительном направлении. Отмеченная закономерность нарушается в вариантах с минимальными (в главном корне при 0,05 мг/л Cd и 1,0 мг/л Zn в песке, в боковых корнях при 0,5 мг/л ^ в воде) и высокими (в главном корне при 5,00 и 50,00 мг/л Cd в воде, в боковых корнях при 0,50-50,00 мг/л Cd в воде, в главном и боковых корнях при 500,0 мг/л ^ и 1000,0 мг/л Zn в воде) концентрациями металлов в субстрате, в результате чего окраска ткани становится однородной, что свидетельствует о равномерном распределении элементов по всей ее толще. Уточним, что если в первом случае (минимальные концентрации) кора может быть отнесена к тканям приоритетного накопления, то во втором (высокие концентрации) — значительное содержание металлов в паренхиме коры является лишь отражением общего высокого уровня токсикантов в анализируемом органе. Полученные нами данные вполне согласуются с представлениями о коре как основной ассимиляционной емкости корня, обладающей свойствами буфера, регулирующего транспортный поток веществ по растению [13] и, как мы видим, способного осуществлять свои функции только при невысоком содержании металлов в субстрате.

Как показано на рисунке, все остальные ткани корневой системы фасоли составляют промежуточную по содержанию Zn, ^ и Cd группу. Остановимся подробнее на особенностях аккумуляции металлов в этих тканях.

В наших исследованиях барьерная функция эндодермы выражена слабо, что, по-видимому, связано не только с действием на растение используемых концентраций металлов, но и с достаточно продолжительной экспозицией тест-объектов на металлосодержащих средах. В итоге нарушение функциональной активности эндодермы приводит к неограниченному поступлению металлов в центральный цилиндр и создает предпосылки для высокого уровня их накопления в этих тканях.

Содержание металлоионов в перицикле, как правило, невелико. Лишь высокие концентрации металлов в средах (1000,0 мг/л Zn и 50,0-500,0 мг/л ^ в воде и песке, 0,50-50,00 мг/л Cd в воде и 50,00 мг/л Cd в песке) обуславливают значительный их переход в клетки перицикла, одновременно замедляя или полностью останавливая процесс ветвления корневой системы [12]. По сравнению с главным корнем, уровень аккумуляции металлов в перицикле боковых корней понижен.

В характере распределения металлов между пучковым и межпучковым камбием также есть свои особенности. В вариантах с невысоким содержанием металлов в воде и песке (0,5 мг/л ^ в воде и 0,5-5,0 мг/л ^ в песке, 1,0-10,0 мг/л Zn в воде и песке, 0,05 мг/л Cd в воде и 0,05-0,50 мг/л Cd в песке) пучковый камбий

накапливает элементы интенсивнее, чем камбий межпучковый. Дальнейшее увеличение концентрации металлов в этих средах приводит к необратимому росту их содержания во всех тканях корня, устраняя частично или полностью существующее между камбиальными участками различие.

Кардинально иная ситуация складывается на почве. Именно невысокие концентрации Zn, ^ и Cd обуславливают относительно равномерное распределение химических элементов по камбию, а увеличение доли металлов в субстрате (за исключением сопровождается их активным накоплением в клетках пучкового камбия.

Отсутствует "единая линия" и в процессе аккумуляции металлов в проводящих тканях фасоли. В частности, если для боковых корней свойственно равномерное распределение ионов между прото- и метафлоэмой, то содержание Zn, ^ и Cd в первичной флоэме главного корня, как правило, ниже, чем во вторичной флоэме. Накопление металлов в элементах ксилемы главного и боковых корней в абсолютном большинстве вариантов сходно; в остальных случаях более поздние по времени заложения структуры ткани аккумулируют металлы интенсивнее ранних. В целом суммарное содержание металлов во флоэме зачастую ниже, чем в ксилеме.

На окрашенных дитизоном срезах главного и боковых корней хорошо видно, что за исключением ризодермы и экзодермы, для клеток которых свойственно одинаково высокое содержание металлов как в клеточных стенках, так и в протопластах, ионы Zn, ^ и Cd сконцентрированы, главным образом, в клеточных стенках. На преимущественное связывание металлов клеточными стенками указывают результаты не только гистохимического дитизонового метода [5; 14-16], но и родизонатного метода [17], рентгенфлуорисцентного анализа [18].

Протопласты клеток эндодермы и тканей центрального цилиндра (особенно паренхимы, расположенной вблизи крупных сосудов ксилемы), как правило, накапливают анализируемые металлы в большем количестве, чем клетки коровой паренхимы. Содержание химических элементов в протопластах, а также в стенках сосудов и пасоке ксилемы находится в прямо пропорциональной зависимости от их концентрации в субстрате.

Помимо существующих между вариантами различий в характере распределения и в уровне аккумуляции металлов в тканях на песчаном (0,05-50,00 мг/л Cd) и почвенном (5,00 и 50,00 мг/л Cd) субстратах в срединной области первичной коры главного корня нами зафиксировано отмирание отдельных клеток или значительно чаще — их групп. Возникающие полости пространственно разделены между собой живыми паренхимными клетками, организованными в радиально ориентированные тяжи.

В качестве главной причины этого явления классически называют рост корней в условиях затрудненной аэрации, когда образуемые растением полости служат резервуарами необходимого для дыхания тканей кислорода [19]. Но в связи с тем, что в эксперименте развитие полостей происходит только в вариантах с внесением в песчаный и почвенный субстрат одного элемента — Cd, с большей долей вероятности можно говорить об их образовании как о приспособительной реакции растения на действие высокотоксичного вещества [20]. Накапливаясь во внут-рикорневых полостях и диффундируя из них в прикорневую область субстрата, молекулы кислорода могут принимать участие в реакциях окисления соединения Cd, снижая его негативное воздействие на рост и развитие растительного организма.

"Уникальность" действия Cd, широта диапазона его концентраций в условиях разных сред произрастания свидетельствуют, что на процесс образования полостей в структуре паренхимы первичной коры влияют не только химическая природа элемента и его концентрация в среде, но и физико-химические характеристики субстрата, в частности, обусловленная присутствием глинистых минералов и органического вещества его обменная емкость.

Заключение

Таким образом, весомую роль в процессах накопления и распределения Zn, ^ и Cd по тканям корневой системы фасоли обыкновенной играют как внешние по отношению к растению факторы (физико-химические свойства среды произрастания, содержание металлов в среде, их химическая природа), так и внутренние, обусловленные особенностями самого растения ("видовая" потребность в поступающих веществах, морфофункциональная организация корня, степень выраженности донорно-акцепторных связей корня с надземными органами).

К тканям приоритетного улавливания и накопления Zn, ^ и Cd в главном корне можно отнести экзодерму, пучковый камбий, ксилему, а в боковых корнях — ризодерму, экзодерму, ксилему. Наименьшее содержание металлов фиксируется в срединной и внутренней области паренхимы коры главного и боковых корней, в первичной флоэме главного корня. Эндодерма, перицикл, основная паренхима главного и боковых корней, межпучковый камбий и вторичная флоэма главного корня, прото- и метафлоэма боковых корней составляют промежуточную по содержанию тяжелых металлов группу тканей.

Ионы Cd, Zn и ^ локализованы в симпласте тканей центрального цилиндра и в апопласте внешнего по отношению к нему кольца тканей. В случае значительного содержания металлов в среде произрастания их активное поступление в центральный цилиндр происходит и по апопласту, и по симпласту.

Литература

[1] Практикум по агрохимии / под ред. В.Г. Минеева. М.: Изд-во МГУ, 2001. 689 с.

[2] Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I-IV групп / под ред. В.А. Филонова. Л.: Химия, 1988. 512 с.

[3] Прохорова Н.В., Матвеев Н.М., Павловский В.А. Аккумуляция тяжелых металлов дикорастущими и культурными растениями в лесостепном и степном Поволжье. Самара: Изд-во "Самарский университет", 1998. 131с.

[4] Лебедева Г.Ф. Пособие по растениеводству для почвоведов. Зерновые и зерновые бобовые культуры: в 2 ч. М.: Изд-во МГУ, 1982. Ч. 2. 137 с.

[5] Серегин И.В., Иванов В.Б. Передвижение ионов кадмия и свинца по тканям корня // Физиология растений. 1998. Т. 45. № 6. С. 899-905.

[6] Воробьев Л.Н. Регулирование мембранного транспорта в растениях // Итоги науки и техники. Физиология растений. 1980. Т. 4. С. 1-77.

[7] Колосов И.И. Поглотительная деятельность корневых систем растений. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 338 с.

[8] Сытник К.М., Книга М.Н., Мусатенко Л.И. Физиология корня. Киев: Наукова думка, 1972. 356 с.

9] Нестерова А.Н. Действие тяжелых металлов на корни растений. 1. Поступление свинца, кадмия, цинка в корни, локализация металлов и механизмы устойчивости растений // Биологические науки. 1989. № 9. С. 72-86.

10] Трапезников В.К., Иванов И.И., Тальвинская Н.Г. Локальное питание растений. Уфа: Гилем, 1999. 260 с.

11] Физиология растений / под ред. И.П. Ермакова. М.: Издательский центр "Академия", 2007. 640 с.

12] Макарова Ю. В. Изменчивость морфометрических показателей фасоли обыкновенной при краткосрочном воздействии кадмия, цинка и меди // Вестник СамГУ. Естественнонаучная серия. 2009. № 6 (72). С. 160-171.

13] Вахмистров Д.Б. Пространственная организация ионного транспорта в корне // 49-е Тимирязевские чтения. М.: Наука, 1991. С. 48.

14] Серегин И.В., Иванов В.Б. Физиологические аспекты токсического действия кадмия и свинца на высшие растения // Физиология растений. 2001. Т. 48. № 4. С. 606-630.

15] Башмаков Д.И. Аккумуляция тяжелых металлов некоторыми высшими растениями в разных условиях местообитания // Агрохимия. 2002. № 9. С. 66-71.

16] Кожевникова А.Д. Распределение никеля, кадмия, свинца и стронция в прорастающих зерновках кукурузы // VIII молодеж. конф. ботаников: тез. докл. СПб.: СПбГУТД, 2004. С. 127-128.

17] Серегин И.В. Кожевникова А.Д. Транспорт, распределение и токсическое действие стронция на рост проростков кукурузы // Физиология растений. 2004. Т. 51. № 2. С. 241-248.

18] Wierzbiska M., Antosiewicz D. How lead can easily enter the food chain a study of plant roots // Sci. Total Environ. Suppl. 1993. № 1. P. 423-429.

19] Березина Н.А., Афанасьева Н.Б. Экология растений. М.: Издательский центр "Академия", 2009. 400 с.

20] Эзау К. Анатомия семенных растений: в 2 кн. М.: Мир, 1980. 558 с.

Поступила в редакцию 15/VT/2010; в окончательном варианте — 15/VT/2010.

CONCERNING THE DISTRIBUTION OF ZINC, COPPER AND CADMIUM IN THE ROOT SYSTEM OF KIDNEY BEAN UNDER DIFFERENT GROWTH MEDIA

© 2010 Ju.V. Makarova2

Using the histochemical dithizonic method the patterns of absorption, localization and translocation of Zn, Cu and Cd ions were studied in different morphological tissues of the kidney bean (Phaseolus vulgaris L.) roots. These processes were also investigated in connection with the concentration and media composition parameters.

Key words: Phaseolus vulgaris L., root system, plant tissues, histochemical dithizonic method, Zn, Cu, Cd, concentration, growth media.

Paper received 15/VI/2010. Paper accepted 15/VI/2010.

2Makarova Julia Vladimirovna (aconithumamail.ru), the Dept. of Ecology, Botany and Environmental Protection, Samara State University, Samara, 443011, Russian Federation.