Анализ эффектов последействия в фитотестах при микроэлементном загрязнении окружающей среды

Анализ эффектов последействия в фитотестах при микроэлементном загрязнении окружающей среды

Р.Ф. Гарипова, к.биол.н., Оренбургский ГАУ

Тяжелые металлы являются биологически активными агентами и в относительно небольших концентрациях могут представлять опасность как мутагены слабой интенсивности. Такие вещества способствуют снижению иммунитета, ускорению старения, индуцируют предмутационные события в клетках, наследуемую клеточную летальность. Малые дозы мутагенов, вызывающие летальность в клеточных поколениях, в зародышевых клетках создают основу для формирования дефектов развития (тератогенез), в зрелом организме — некротических изменений тканей органов, а также новообразований [1]. На растениях негативные последствия от воздействия мутагена малой интенсивности выражаются в снижении всхожести семян, в увеличении количества химер и морфозов, наблюдаемых в ранних фазах развития [2]. Для того чтобы проследить за отдаленными патологиями воздействия агента на животных и человека, необходим определенный длительный промежуток времени между моментом воздействия и искомым эффектом. Специфика растительных объектов такова, что морфозы, не приводящие к гибели организма, после исключения внешнего воздействия прекращают выявляться во вновь образуемых органах растения. То есть благодаря особенностям органообразования и клеточной репопуляции быстроделящихся тканей, растения оказываются удобным объектом для экспресс-анализа потенциальной способности вещества вызывать дистрофические изменения в тканях и органах многоклеточных.

Сточные воды Оренбургского газохимического комплекса (ОГХК) проявляют слабую мутагенность в различных тест-системах [1], при этом их химический анализ не выявляет оснований для запрета использования этих вод для полива кормовых культур. В течение 30 лет утилизации промышленных стоков предприятия на земледельческих полях орошения (ЗПО) почвы получили мик-роэлементное загрязнение. Целью исследований являлся анализ эффектов последействия сточных вод ОГХК и его компонентов в фитотестах. Особый интерес представляла комбинация эффектов солей-антагонистов на разных этапах развития проростков, а также зависимость числа и разнообразия морфозов от стимулирующего действия мутагенного фактора на рост и развитие растений.

Методика. В качестве фитотеста использовали пшеницу сорта Оренбургская 2. Оценивали

токсичность смешанных сточных вод предприятия из 45 отборов каждого уровня: средний уровень емкости сезонного регулирования ОГХК — точка 2, придонный уровень — точка 3. В модельном эксперименте исследованы концентрации солей: меди углекислой — 5 мг/л; никеля углекислого — 7; двухлористого цинка — 10; комбинация из трех солей — в соотношении растворов равном 1:1:1. Эти концентрации в 1000 раз превосходят содержание компонентов в сточных водах ОГХК, но соответствуют валовому содержанию металлов в почвах ЗПО. В основном и модельном эксперименте использовали по 150 семян в опыте и в контроле, в четырехкратной повторности. Семена проращивали в чашках Петри на фильтрованной бумаге в условиях смачивания исследуемым раствором. Определяли всхожесть семян, массу стебля, наблюдали особенности развития колеоптиля и первого настоящего листа, морфозы. В контроле использовали дистиллированную воду. Статистическая обработка включала определение среднего значения показателей и уровня значимости их различий.

Результаты исследования. Под влиянием сточных вод снизилась масса стебля растений, при этом всхожесть семян была приближена к контролю. Растения пшеницы под действием сточных вод формировали необратимые морфозы, ведущие к гибели растений, и обратимые, ведущие к появлению растений с нормальной морфологией, среди них морфоз «спираль» — нарушение синхронного развития колеоптиля и первого настоящего листа (рис. 1). Внешне данное изменение выглядело как образование первым листом спирали внутри колеоптиля, затем наблюдали разрыв колеоптиля и высвобождение деформированного первого листа. В норме колеоптиль разворачивается без нарушения целостности ткани и деформации первого настоящего листа. Нами предполагается связь между разнообразием мор-фозов и эффектами стимуляции-ингибирования биологически активных растворов солей металлов. В основном и модельном эксперименте использовали режим хронического воздействия веществ на семена пшеницы. Целью модельного эксперимента было определение доли участия никеля, меди и цинка в формировании морфо-зов и влиянии на развитие первого листа и колеоптиля.

Развитие органов проростка — колеоптиля и первого листа — происходит из различных источников питания: колеоптиль формируется преиму-

у \^

Рис. 1 — Фото. Морфоз — «спираль». На снимках показано место разрыва колеоптиля и высвобождение листа, скрученного в спираль

щественно из базы эндосперма, первый лист развивается, прежде всего, за счет развития корневой системы. Нами сделано предположение о том, что на различных этапах формирования проростка в зависимости от путей поступления проницаемость тяжелых металлов различна. Отсюда и наблюдаемая в морфозе «спираль», асин-хронность развития колеоптиля и первого листа. К анализу результатов подошли, разбив процессы, происходящие в развивающемся растении, в зависимости от основных источников питания, на три условных состояния (рис. 2).

Основные события I состояния отражены в показателях выживаемости. Пробы с точки 2 сточных вод ОГХК и раствор соли меди оказались наиболее токсичными для семян пшеницы (таблица). Соль меди вызывала увеличение числа необратимых морфозов, приводящих к гибели проростков. Пробы с точки 2 вызывали увеличение числа обратимых морфозов в 2 раза (в том числе и морфозов «спираль»). Соли никеля и цинка проявили умеренную токсичность по отношению к прорастающим семенам; ни цинк, ни никель не индуцировали морфоза «спираль». В комбинации — соли никеля, меди, цинка — снижена токсичность меди относительно числа погибших семян и морфозов. Таким образом, аддитивность повреждающего действия трех металлов в I условном состоянии не обнаружена. Скорее, здесь надо сделать заключение о компенсаторном антагонизме никеля и цинка по отношению к

Этапы органообразования Источник питания

Рис. 2 — Схема принятых в эксперименте условных состояний

меди. Во II условном состоянии статически достоверно (Р=0,95), что рост колеоптиля ингибируется только в варианте — соль никеля. Слабую тенденцию к торможению роста и разворачивания колеоптиля, помимо соли никеля, проявили пробы с точек 3 (Р=0,80) и соль цинка (Р=0,60). На гистограммах этих трех вариантов выявляется сдвиг в сторону меньших длин колеоптиля (рис. 3). Тенденцию к стимуляции роста при (Р=0,90) колеоптиля проявила медь (таблица). На гистограмме в вариантах: соль меди, комбинация — соли никеля, меди, цинка, а также пробы с точки 2, распределение длин колеоптиля сохранены аналогично контролю, небольшой сдвиг в сторону увеличения длин колеоптиля наблюдался в вариантах — соль меди (Р=0,90), комбинация — соли никеля, меди и цинка (Р=0,80). В III состоянии статистически достоверно ингибируется рост проростков в вариантах — соль никеля (Р=0,99) пробы с точек 2 (Р=0,99) и 3 (Р=0,95). Тенденцию к стимуляции данного признака проявляет медь (Р=0,95). По диаграмме в вариантах соль меди и комбинация соли никеля, меди и цинка — прослеживается тенденция к стимуляции ростовых процессов первого листа.

На гистограмме показано, что реакция на некоторые растворы типична. В частности, можно разделить на следующие группы наблюдаемые распределения признаков по двум последним условным состояниям:

II состояние по длине колеоптиля:

1 группа — 1) соль меди и комбинация — соли никеля, меди, цинка;

2 группа — 2) соль цинка и пробы с точки 3;

III состояние по длине первого листа:

3 группа — 1) соль меди и комбинация — соли никеля, меди, цинка;

4 группа — 2) соль цинка и пробы с точки 3;

5 группа — 3) соль никеля и пробы с точки 2.

В 1 группе общая направленность распределения признака длина колеоптиля объясняется тем, что в растворах содержание меди приближенно к концентрации, необходимой для индукции статистически достоверного эффекта стимуляции. В комбинациях трех элементов функцио-

нально явно доминирует медь. Во 2 группе идентичность распределения, вероятно, связана с тем, что в пробах с точек 3 активность проявляют компоненты, обладающие способностью индуцировать эффекты подобно цинку в данной концентрации. Например, свойство уплотнять ткань и ингибировать митоз, что приводит к подавлению роста и развития колеоптиля. В 3 и 4 группах причины аналогии реакций те же, что и во II состоянии. В 5 группе при характерном распределении признака некоторое различие между вариантами обнаруживается, вероятно, по причине большей токсичности раствора никеля — концентрация его является достаточной для ингибирования роста первого листа. Отличия реакций проростков наблюдались только между I и II-

III состояниями. Медь проявляла токсичность в I состоянии, а во П—Ш — тенденцию к стимуляции роста и развития колеоптиля и первого листа. В I состоянии цинк и никель проявляли умеренную токсичность, а во П—Ш — усиливали токсический эффект. Антагонистические компенсаторные отношения между медью, цинком и никелем отмечены в I состоянии снижением токсичности меди, но доминирование эффектов меди наблюдали во всех состояниях. Нами предполагается, что морфоз «спираль» выявляется при участии, как минимум, двух компонентов в определенных соотношениях в условиях, когда один из факторов направляет свое действие на блокирование разворачивания колеоптиля (как, напри-

мер, никель или цинк) и фактора, направляющего действие на стимуляцию роста первого настоящего листа (например, медь).

Мы считаем, что часть наблюдаемых в природе морфозов является следствием аномального ускорения развития, результатом несоответствия между программой генома и условиями его реализации. Обычно воздействие вещества на семя растений опосредовано через эндосперм, который является источником питания при прорастании семян. При попадании семени в токсичный субстрат изменяется состав эндосперма, снижается биологическая активность ряда компонентов первичной питающей среды, что приводит к гибели зародышей семян. Если воздействующее вещество является слабым мутагеном и в эндосперме сохраняется относительный баланс питательных веществ, то наблюдается стимуляция прорастания. Малая, но ингибирующая доза мутагена вызывает снижение показателя всхожести. Морфозы могут наблюдаться при любых дозах токсичного агента. Разнообразие же морфозов часто совпадает со стимулирующей дозой. Морфоз «спираль» у пшеницы, по нашим наблюдениям, может быть индуцирован агентом, вызывающим ингибирование развития колеоптиля при нормальном развитии первого настоящего листа, или агентом, вызывающим стимуляцию первого листа при обычном развитии колеоптиля. Таким образом, использованная техника отождествления реакций растений по группам

Контроль Точка № 2 Точка № 3 Соль Соль Соль Комбинация

никеля меди цинка солей никеля,

_ меди и цинка

длина колеоптиля Ц длина проростков

Г- Г-

Рис. 3 — Влияние сточных вод, растворов солей никеля, меди, цинка, комбинации солей на линейный рост проростков пшеницы

помогает выявить характерное функциональное преобладание тех или иных компонентов сточных вод в зависимости от уровня взятой пробы. По нашим наблюдениям, колеоптиль оказался более защищенным от внешнего токсичного раствора, чем первый лист. В индукции морфофизиологических аномалий основную роль выполняла медь. Гибель точки роста необходимо отнести эффектами токсичного эндосперма. Токсичность окружающего раствора для колеоптиля и первого настоящего листа с развитием корневой системы

снижается. К эффектам последействия можно отнести морфоз «спираль», так как основное событие, ведущее к деформации первого настоящего листа, происходит в зародыше семени.

Литература

1. Москалев, Ю. И. Отдаленные последствия ионизирующих излучений / Ю. И. Москалев. — М.: Медицина, 1991. — С. 15.

2. Тарасенко, Н. Д. Экспериментальная наследственная изменчивость у растений / Н. Д. Тарасенко // Новосибирск: Наука, 1980. - С. 35.

3. Гарипова, Р. Ф. Токсикогенетпческая оценка сточных вод газоперерабатывающей промышленности: автореф. дис. ... канд. биол. наук / Р. Ф. Гарипова. — Оренбург, 1998. — 16 с.