Влияние оптимизации кремниевого питания на устойчивость ДНК ячменя

ЭКОЛОГИЯ

УДК 632.915

ВЛИЯНИЕ ОПТИМИЗАЦИИ КРЕМНИЕВ0Г0 ПИТАНИЯ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ДНК ЯЧМЕНЯ

Е.А. Бочарникова, Е.П. Пахненко, В.В. Матыченков, И.В. Матыченков

Многочисленные исследования по применению кремниевых удобрений свидетельствуют об их положительном влиянии на устойчивость растений к биогенным и абиогенным стрессам, однако механизм воздействия изучен крайне слабо. В микрополевых экспериментах, проведенных на севере Московской обл. на культуре ячменя, в качестве эталона кремниевого удобрения применяли тонкодисперсный аморфный диоксид кремния. Показано, что при дозах SiO2 50, 500 и 1000 кг/га, которые обеспечивали более высокие, по сравнению с другими дозами, концентрации монокремниевой кислоты в почве и, следовательно, лучшее кремниевое питание ячменя, происходит укрепление молекул ДНК. Таким образом, внесение кремния повышает жизнеспособность растений на уровне генома и усиливает их природную устойчивость в агроценозе.

Ключевые слова: кремниевые удобрения, ДНК, ячмень, стрессоустойчивость.

Введение

Ухудшение экологической обстановки вследствие повышения концентрации тяжелых металлов и органических поллютантов в почве, деградация почвенного плодородия, глобальное изменение климата снижают устойчивость сельскохозяйственных растений к неблагоприятным условиям роста на генетическом уровне. В свою очередь все это сказывается на качестве и количестве урожая. Культивирование трансгенных растений могло бы способствовать решению данных проблем, однако под вопросом остаются возможные отрицательные последствия их употребления для здоровья человека. Поэтому необходим поиск альтернативных путей повышения устойчивости растений без вмешательства в генный аппарат.

В ряде исследований показано, что оптимизация кремниевого питания повышает стабильность молекул ДНК и РНК [1,4]. Возможно, что атом кремния как аналог фосфора может встраиваться в нуклеиновые кислоты и таким образом повышать их устойчивость к неблагоприятным условиям [3]. Экспериментально доказано, что этот элемент способен влиять на устойчивость растений к абигенным и биогенным стрессам на уровне генетического аппарата растений [7—9]. Однако доказательств повышения устойчивости растений на уровне ДНК или РНК до сих пор не получено.

Основная цель наших исследований — изучение влияния кремния на биохимические и цитологические параметры зерна ячменя.

Объекты и методы исследования

На территории агробиостанции «Чашниково» на окультуренной дерново-подзолистой почве прове-

ден полевой эксперимент с ячменем (Hordeum vulgare L., сорт Московский). Кремниевое удобрение в виде аморфного диоксида кремния («Аэросил» марки А-30) вносили в дозах: 0 (контроль), 30, 50, 100, 500, 700 и 1000 кг/га. Размер учетной делянки — 100 м2, ширина защитных полос — 5 м, повторность каждого варианта 4-кратная. Выращенные на делянках зерна исследовали на прорастание (по 100 зерен в чашках Петри) и цитофотометрически. Через 48, 72 и 100 ч подсчитывали проросшие семена, измеряли длину колеоптилей и корней.

Цитофотометрический анализ зерен отражает увеличение или снижение жизнеспособности на уровне ДНК при действии на их родительские растения какого-либо фактора. В ходе эксперимента вначале проращивали зерна до достижения длины корешков 0,5—1,0 см, фиксировали их в уксусном альдегиде в течение 1,5—2 ч, гидролизовали в 1 н. HCl при 60° 10 мин., в результате чего освобождались альдегидные группировки дезоксипентозы молекул ДНК; затем промывали в течение 10 мин. и красили реактивом Шиффа, который взаимодействует с освободившимися альдегидными группами. Реакцию проводили в темноте в течение 1,5 ч. Окрашенный материал промывали сначала сернистой, затем проточной дистиллированной водой.

Для микроскопирования готовили «давленый» препарат. Измерение относительной концентрации ДНК в клетках зоны деления корней проводили на световом микроскопе со встроенным спектрофотометром МИР-5 (свыше 500 определений ДНК для каждого варианта опыта). Полученные данные использовали для построения гистограмм и вычисления средних значений концентрации ДНК. Гистограммы делили на три

периода: 01 — пресинтетический, £ — синтетический и 02 — постсинтетический. Увеличение 01-периода означает задержку роста корней, замедление развития растения и снижение жизнеспособности организма; сокращение — положительное влияние изучаемого фактора на растение. На это же указывает и увеличение среднего значения относительного содержания ДНК в клетках корешка [6].

В образцах почвы, отобранных за две недели до уборки ячменя, определяли содержание мономеров (актуальный кремний) и полимеров кремниевой кислоты по разработанной нами методике [5], а также содержание кислоторастворимого кремния в 0,1 н. НС1-вытяжке (потенциальный кремний) [2]. На основе полученных данных был вычислен предложенный нами ранее параметр активного кремния [5]: активный 81 = 10 • актуальный 81 + потенциальный 81.

Результаты и их обсуждение

Данные по урожайности ячменя и содержанию различных форм кремния представлены в табл. 1. Ко-

личество кислоторастворимого кремния в почве постепенно увеличивалось при повышении дозы кремниевого удобрения. В то же время максимальная концентрация монокремниевой кислоты приходилась на дозы 50 и 500 кг 8102 /га. Нелинейная зависимость ее содержания в почве от вносимой дозы объясняется процессом образования полимеров кремниевой кислоты, что обусловливает снижение количества монокремниевой [10].

Результаты полевых исследований показали, что устойчивое увеличение урожайности ячменя происходило при дозах аморфного кремнезема от 50 до 500 кг/га. При более высоких дозах этого не наблюдалось. Величина продуктивности ячменя наиболее тесно коррелирует с содержанием монокремниевой кислоты (Я = 0,86 прир = 0,01). Для активного кремния коэффициент корреляции (Я) составил 0,79, что также свидетельствует о тесной зависимости величины урожайности от данного показателя. Напротив, для величин кислоторастворимого кремния и поликремниевой кислоты коэффициенты корреляции с урожайностью были невысокими — 0,36 и 0,18 соответ-

Таблица 1

Влияние внесения SiO2 на урожай ячменя и содержание кислоторастворимого и водорастворимого кремния в почве

Доза внесения 81О2, кг/га Урожайность зерна, ц/га Кислотораствори-мый кремний, г/кг почвы Монокремниевая кислота, мг/кг почвы Поликремниевая кислота, мг/кг почвы Активный кремний, мг/кг почвы

0 43 ±3 350 ± 9 16,49 ± 0,06 15,8 ± 0,25 514,9

50 58 ± 2 350 ± 10 19,96 ± 0,07 15,3 ± 0,34 549,6

100 48 ± 3 360 ± 7 16,32 ± 0,06 18,9 ± 0,23 523,2

300 56 ± 1 370 ± 7 17,51 ± 0,07 23,5 ± 0,43 545,!

500 58 ± 2 380 ± 11 18,23 ± 0,06 26,7 ± 0,33 562,3

700 42 ± 1 380 ± 8 12,95 ± 0,06 27,2 ± 0,23 509,5

1000 59 ± 2 410 ± 9 21,53 ± 0,06 26,7 ± 0,32 625,3

Таблица 2

Динамика прорастания семян ячменя

Доза внесения 81О2, кг/га Длина корешков, см Длина колеоптилей, см Прорастание семян, %

48 ч 72 ч 110 ч 48 ч 72 ч 110 ч 48 ч 72 ч 110 ч

0 16,7 25,2 37,6 6,6 20,8 49,3 17,3 39,2 69,6

30 19,2 23,7 35,4 6,6 21,7 52,7 20,0 40,0 60,0

50 19,8 23,3 31,3 6,8 20,0 54,7 24,0 45,2 72,0

100 16,3 25,9 42,9 6,8 16,8 48,9 24,6 53,2 90,3

300 18,4 29,2 39,5 8,3 21,6 57,3 24,6 49,2 90,3

500 18,8 27,8 36,8 9,0 21,4 54,2 24,6 49,2 73,2

700 19,5 23,1 41,0 9,5 17,8 44,6 25,1 50,2 90,6

1000 20,0 26,7 36,9 6,5 20,1 50,2 22,0 44,0 68,0

НСР05 1,5 1,5 1,5 0,4 0,4 0,4 1,5 1,5 1,5

Таблица 3

Статистические данные цитофотометрического анализа жизнеспособности растений ячменя (п = 500) при внесении разных доз удобрения, кг SiO2/га

Период роста корня Количество клеток, % от их общего количества

0 50 100 300 500 700 1000

Й1 (пресинте-тический) 20,0 17,3 20,3 19,3 18,6 20,1 15,6

5 (синтетический) 54,5 53,8 53,6 60,9 57,7 55,8 54,5

й2 (постсинтетический) 25,5 28,9 26,1 19,7 23,7 24,1 29,9

ственно. Таким образом, только монокремниевая кислота напрямую влияла на урожайность ячменя.

Полученные в полевом эксперименте зерна ячменя исследовали на энергетику прорастания. Как показали результаты (табл. 2), при внесении в почву аморфного диоксида кремния семена обладали лучшей всхожестью и энергией роста. При увеличении дозы кремниевого удобрения до 700 кг/га наблюдалась тенденция к увеличению длины корешков и ко-леоптилей. Доза 1000 кг/га была несколько менее эффективна. Ингибирующего воздействия высоких доз кремния на растения отмечено не было.

Цитофотометрический анализ позволяет изучить изменение количества ДНК в интерфазных ядрах клеток зоны деления корешка. Средние значения содержания ДНК и анализ получаемых гистограмм дают информацию о степени жизнеспособности растений. При внесении аморфного кремнезема было выявлено уменьшение ^-периода и увеличение средних значений концентрации ДНК (табл. 3). При дозе 30 кг/га аморфного кремнезема среднее содержание ДНК составило 80,5 ± 0,7 (в контроле 76,5 ± 0,8), 50 кг/га — 114,4 ± 0,8, 1000 кг/га — 117,0 ± 0,8 по сравнению с113,2±0,8в соответствующем контроле. При других дозах наблюдалось некоторое увеличение пресинтети-ческого периода и уменьшение содержания ДНК до величин 110,6 ± 0,8; 107,0 ±0,8; 108,8 ±0,8и104,8 ±0,8 при дозах 100, 300, 500 и 700 кг/га аморфного кремнезема соответственно по сравнению с 113,2 ± 0,8

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алёшин Н.Е., Авакян Э.Р., Лебедев Е.В. Стабилизация митохондрий риса кремнием // Докл. ВАСХНИЛ. 1990. № 2.

2. Барсукова А.Г., Рочев В.А. Влияние кремнегельсо-держащих удобрений на подвижность кремнекислоты в почве и доступность ее растениям // Контроль и регулирование содержания макро- и микроэлементов в почве и растениях на Среднем Урале (Тр. Свердл. СХИ). 1979. Т. 54.

3. Бочарникова Е.А., Матыченков В.В., Матыченков И.В. Кремниевые удобрения и мелиоранты: История изучения, теория и практика применения // Агрохимия. 2011. № 7.

Таблица 4

Коэффициенты корреляции между содержанием кремния в различных вытяжках из почв и количеством клеток в разные периоды роста корня ячменя

Период роста корня Кислотора-створимый кремний Монокремниевая кислота Поликремниевая кислота Активный кремний

й1 (пресин-тетический) -0,56 -0,89 -0,19 -0,92

5 (синтетический) 0,16 -0,11 0,46 0,01

й2 (постсинтетический) 0,16 0,54 -0,26 0,46

в контроле. Наибольшее уменьшение содержания ДНК отмечено при дозе SiO2 700 кг/га.

На основе данных цитофотометрического анализа (табл. 3) и данных по содержанию разных форм кремния в почве (табл. 1) вычислены коэффициенты корреляции (табл. 4). Установлено, что наиболее четкая обратная корреляция прослеживается между содержанием активного кремния в почве и величиной Й1-периода (коэффициент корреляции составил —0,92), между содержанием монокремниевой кислоты и величиной й^-периода (Я = —0,89). Все другие зависимости были выражены слабо.

Выводы

Проведенные исследования показали положительный эффект влияния активных форм кремния на продуктивность и качество зерен ячменя. Показано, что дозы SiO2 50, 500 и 1000 кг/га обеспечивали более высокие по сравнению с другими дозами концентрации монокремниевой кислоты в почве. Величина продуктивности ячменя тесно коррелирует с содержанием монокремниевой кислоты в почве (Я = = 0,86 при р = 0,01). Оптимизация кремниевого питания растений привела к улучшению всхожести полученных зерен ячменя и укреплению молекул ДНК в них. Таким образом, внесение активных форм кремния повышает жизнеспособность растений на уровне генома и усиливает их природную устойчивость в агроценозе.

4. Воронков М.Г., Зелчан Г.И., Лукевиц А.Ю. Кремний и жизнь. Рига, 1978.

5. Матыченков В.В. Градация почв по дефициту доступного растениям кремния // Агрохимия. 2007. № 7.

6. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. М., 1970.

7. Belanger R.R. Understanding the benefits of silicon feeding in plants through transcriptomic analyses // Proc. 4th Intern. Conf. Silicon in Agriculture. South Africa, 2008.

8. Gong H.J., Chen K.M., Zhao Z.G. et al. Effects of silicon on defense of wheat against oxidative stress under

drought at different development stages // Biol. Plant. 2008. Vol. 52, N 3.

9. Ma J.F. Role of silicon in enhancing the resistance of plant to biotic and abiotic stresses // Soil Sci. Plant Nutr. 2004. Vol. 50.

10. Matichenkov V.V., Bocharnikova E.A. The relationship between silicon and soil physical and chemical properties // Silicon in Agriculture / Ed. by L.E. Datnoff, G.H. Snyder, G.H. Korndorfer. Amsterdam, 2001.

Поступила в редакцию 21.01.2013

INCREASING DNA STABILITY OF BARLEY PLANTS

UNDER OPTIMIZATION OF SILICON NUTRITION

E.A. Bocharnikova, E.P. Pakhnenko, V.V. Matychenkov, I.V. Matychenkov

Numerous studies on the use of silicon fertilizers show their positive impact on plant resistance to biogenic and abiogenic stress. However, the mechanisms of action of silicon on the plants studied very poorly. In microfield experiments conducted in the north of Moscow Region on the culture of barley finely divided amorphous silica was used as a reference silicon fertilizer. It is shown that at doses of SiO2 of 20, 50, 500 and 1000 kg/ha, which provide higher compared to the other doses of monosilicic acid in the soil, and consequently better silicon nutrition of barley, the straightening of DNA molecules occurs. Thus, the introduction of silicon increases the viability of the plant at the level of the genome and enhances the natural resistance of plants in agricultural lands.

Key words: silicon fertilizers, DNA, barley, stress.

Сведения об авторах

Бочарникова Елена Афанасьевна, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН. E-mail: mswk@rambler.ru. Пахненко Екатерина Петровна, докт. биол. наук, профессор каф. агроинформатики ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Матыченков Владимир Викторович, докт. биол. наук, ст. науч. сотр. Института фундаментальных проблем биологии РАН. E-mail: vvmatichenkov@rambler.ru. Матыченков Иван Владимирович, аспирант каф. агроинформатики ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. E-mail: kwsm@rambler.ru.