1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Биология внутренних вод
  4. № 3, 2022

Биология внутренних вод, 2022, № 3, стр. 324-327

Влияние никеля и меди на развитие проростков череды лучистой Bidens radiata

Е. Г. Крылова *

Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина Российской академии наук
пос. Борок, Некоузский р-н, Ярославская обл., Россия

* E-mail: panova@ibiw.ru

Поступила в редакцию 09.11.2020
После доработки 15.12.2021
Принята к публикации 20.12.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Изучено влияние сульфатов никеля и меди в различных концентрациях на рост и развитие проростков Bidens radiata Thuill. Показано, что соль никеля токсичнее соли меди и их влияние в большей степени сказывается на корневой системе. Проведено сравнение устойчивости к токсическому действию никеля и меди B. radiata с изученными ранее B. tripartita, B. cernua и B. frondosa. Уточнены ряды устойчивости представителей рода Bidens к токсическому действию тяжелых металлов: для никеля – B. tripartita > B. frondosa > B. radiata > B. cernua; для меди – B. radiata > B. tripartita > B. cernua > B. frondosa.

Ключевые слова: сульфат никеля, сульфат меди, Bidens radiata, развитие проростков, морфометрические показатели

Растения относятся к важным компонентам водных экосистем и выявление их устойчивости к загрязнению ТМ – приоритетная задача в современной биологии (Devi, Prasad, 2005; Singh, Malik, 2011; Малева и др., 2012). Способность высших водных растений накапливать ТМ в значительных количествах, образуя нетоксичные комплексы, открывает широкие перспективы для использования их при мониторинге в качестве тест-объектов и в целях фиторемедиации (Malec et al., 2009; Maleva et al., 2009; Verbruggen et al., 2009; Zohra et al., 2014).

Большой интерес вызывает токсическое действие эссенциальных ТМ, например никеля и меди, которые в высоких концентрациях токсичны для роста и жизнеспособности растений, вызывая нарушения физиолого-биохимических процессов в клетках (Devi, Prasad, 2005; Chen et al., 2009; Ху и др., 2009; Yruela, 2013). Устойчивость растений к их воздействию зависит от видовой принадлежности, экотипа, стадии роста, жизненной стратегии, а также концентрации и времени действия токсиканта (Yruela, 2009; Косицына и др., 2010; Yusuf et al., 2011; Малева и др., 2012).

Ранее была показана высокая устойчивость на начальных этапах онтогенеза Bidens tripartita L., B. cernua L. и B. frondosa L. к действию ТМ (Крылова, Васильева, 2011а, 2011б; Крылова и др., 2015; Крылова и др., 2018; Крылова, 2020). Ареал обитания представителей рода широк (Восточное и Северное полушария), они встречаются в долинах рек и заполнивших их водохранилищ Евразии, в том числе на всей территории России (Ковальчук и др., 2013; Vinogradova et al., 2014). В продолжение изучения адаптационных возможностей широко распространенных видов рода Bidens была исследована череда лучистая, обитающая на обсыхающих мелководьях водохранилищ, рек и влажных лугах (Лисицына и др., 2009; Маевский, 2014).

Семянки череды лучистой были собирали в Ярославской обл. на мелководьях р. Чеснава в 2019 г. После холодной влажной стратификации при температуре 4–8°С в течение 4–5 мес семянки по 30 шт. на чашку Петри проращивали в люминостате при 20–25°С на фильтровальной бумаге, смоченной растворами NiSO4·7Н2О и CuSO4·5Н2О в разных концентрациях 0.1, 1, 10, 25, 50 мг/л никеля и меди. Контролем служила дистиллированная вода. Опыты проводили в трехкратной повторности при освещенности 3200 λκ и фотопериоде 9/15, продолжительность опытов 15 сут. По окончании опыта у 10 проростков каждого варианта измеряли длину главного корня, гипокотиля, семядолей, первого настоящего листа, ширину семядолей и количество придаточных корней. Данные представляли в виде средних и их стандартных отклонений (x ± SD). Нормальность распределения определяли в программе Statistica 8.0. Достоверность различий величин оценивали по t-критерию Стьюдента при уровне значимости p ≤ 0.05.

Влияние сульфата никеля на рост и развитие проростков. Важно было изучить токсическое действие различных концентраций сульфатов никеля и меди на рост и развитие проростков аборигенного гигрофита Bidens radiata Thuill и сравнить с устойчивостью к ним изученных ранее B. tripartita, B. cernua и B. frondosa

В результате эксперимента выявлено, что начиная с концентрации 1 мг/л, наибольшее токсическое действие никель оказал на длину главного корня B. radiata (табл. 1). Угнетение развития главного корня при 50 мг/л ранее было обнаружено и для других видов череды – B. tripartita, B. frondosa, B. cernua (Крылова, Васильева, 2011а).

Таблица 1.  

Морфометрические показатели проростков Bidens radiata, выращенных при различных концентрациях сульфатов никеля (над чертой) и меди (под чертой) в среде

Показатель Концентрации сульфатов никеля и меди, мг/л
0 0.1 1 10 25 50
Длина главного корня, мм 60.4 ± 5.7 $\frac{{65.3 \pm 5.4}}{{47.7 \pm 4.1}}$ $\frac{{11.9 \pm 1.3*}}{{33.2 \pm 2.8*}}$ $\frac{{1.8 \pm 0.1*}}{{4.0 \pm 0.5*}}$ $\frac{{0.6 \pm 0.07*}}{{1.5 \pm 0.2*}}$ $\frac{0}{{1.2 \pm 0.1*}}$
Число придаточных корней, шт. 1.7 ± 0.5 $\frac{{1.6 \pm 0.3}}{{1.4 \pm 0.3}}$ $\frac{{2.7 \pm 0.3}}{{2.4 \pm 0.3}}$ $\frac{0}{{6.6 \pm 0.2*}}$ $\frac{0}{{10.1 \pm 0.8*}}$ $\frac{0}{{6.2 \pm 0.6*}}$
Длина гипокотиля, мм 22.3 ± 0.9 $\frac{{22.4 \pm 1.4}}{{22.9 \pm 1.4}}$ $\frac{{25.6 \pm 1.7*}}{{22.7 \pm 1.4}}$ $\frac{{15.9 \pm 0.6*}}{{17.5 \pm 0.9*}}$ $\frac{{5.3 \pm 0.2*}}{{11.1 \pm 0.9*}}$ $\frac{0}{{5.0 \pm 0.4*}}$
Длина семядоли, мм 6.4 ± 0.4 $\frac{{5.8 \pm 0.3}}{{7.5 \pm 0.3*}}$ $\frac{{6.3 \pm 0.4}}{{8.3 \pm 0.3*}}$ $\frac{{6.1 \pm 0.3}}{{7.7 \pm 0.2*}}$ $\frac{{5.3 \pm 0.2*}}{{6.5 \pm 0.3}}$ $\frac{{0.5 \pm 0.1*}}{{4.7 \pm 0.2*}}$
Ширина семядоли, мм 2.6 ± 0.1 $\frac{{2.6 \pm 0.2}}{{2.4 \pm 0.1}}$ $\frac{{2.4 \pm 0.2}}{{2.9 \pm 0.4}}$ $\frac{{2.7 \pm 0.2}}{{2.7 \pm 0.1}}$ $\frac{{2.6 \pm 0.1}}{{2.7 \pm 0.05}}$ $\frac{{0.3 \pm 0.05*}}{{2.1 \pm 0.05*}}$
Длина 1-го листа, мм 1.4 ± 0.1 $\frac{{1.6 \pm 0.2}}{{1.2 \pm 0.1}}$ $\frac{{1.4 \pm 0.1}}{{1.3 \pm 0.2}}$ $\frac{{0.5 \pm 0.1*}}{{1.5 \pm 0.9}}$ $\frac{0}{{1.5 \pm 0.2}}$ $\frac{0}{{0.5 \pm 0.01*}}$

* Достоверные различия с контролем при р < 0.05.

Придаточные корни B. radiata отсутствовали при 10–50 мг/л никеля, что совпадает с действием никеля на B. cernua. Более устойчивой оказалась корневая система у B. tripartita, придаточные корни не развивались только при 50 мг/л (Крылова, Васильева, 2011а). Достоверное отличие длины гипокотиля B. radiata при 1–25 мг/л от контрольных значений и угнетение его развития при 50 мг/л сходно с действием никеля на B. cernua. У остальных видов этот показатель изменялся незначительно. Выявлены достоверные отличия морфометрических показателей семядолей B. radiata при 25 и 50 мг/л от таковых в контроле. Отсутствие семядолей при 50 мг/л никеля в более ранних экспериментах отмечено только у B. frondosa. При 25 и 50 мг/л у B. radiata угнеталось развитие настоящих листьев, значительные изменения их длины при этих же концентрациях были характерны для B. cernua. У B. tripartita и B. frondosa этот процесс зарегистрирован при 50 мг/л. Таким образом, концентрации 10–50 мг/л сульфата никеля вызывают значительное угнетение развития проростков B. radiata и по его влиянию сходны с действием на рост и развитие проростков B. cernua. Уточнен ряд устойчивости к токсическому действию ионов никеля для роста и развития проростков разных видов череды, выявленный нами ранее: B. tripartita > B. frondosa > B. radiata > B. cernua.

Влияние сульфата меди на рост и развитие проростков. В отличие от никеля, главный и придаточные корни В. radiata развивались при всех концентрациях сульфата меди (табл. 1). Однако, при 10–50 мг/л их морфометрические показатели достоверно различались с контрольными значениями, и, если длина главного корня значительно уменьшалась, то количество придаточных корней увеличивалось. Это свидетельствует о стимулировании защитной реакции растения за счет увеличения общей площади придаточных корней и, таким образом, о снижении влияния меди. Совершенно иное наблюдали при действии меди на остальные виды череды. У B. tripartita при концентрации 25 и 50 мг/л сульфата меди полностью угнеталось развитие главного корня, у B. cernua главный корень не развивался при 10–50 мг/л, у B. frondosa резко уменьшалась длина главного корня при 25 и 50 мг/л и отсутствовали придаточные корни при 50 мг/л (Крылова, Васильева, 2011б).

Развитие гипокотиля у B. radiata при всех концентрациях и достоверное отличие его размеров от таковых в контроле при 10–50 мг/л сходно с действием меди на другие виды череды. Достоверное изменение размеров семядолей B. radiata при 50 мг/л сходно с действием на B. cernua. Некоторые концентрации меди вызывали увеличение размеров семядолей у всех изученных видов. Достоверное уменьшение длины настоящего листа при 50 мг/л характерно и для других видов череды. Таким образом, к влиянию меди самым устойчивым был B. radiata, только у него при 50 мг/л отмечено наличие главного корня и в ряду устойчивости он занимает лидирующую позицию: B. radiata > B. tripartita > B. cernua > B. frondosa.

Внешние проявления токсического действия сульфата никеля. При концентрации 10 мг/л у проростков B. radiata начинался частичный некроз главного корня, как и у B. tripartita и B. frondosa. У B. cernua при этой концентрации отмечали полный некроз корней. Некроз придаточных корней не выявлен. Никель, быстро поступая в центральный цилиндр корня наземных растений, ингибирует клеточное деление и останавливает ветвление корня (Серегин и др., 2003; Boominathan, Doran, 2003). Подобным образом никель действует и на растения влажных мест обитания, включая представителей рода Bidens. Аналогичное действие свойственно также другим тяжелым металлам, например, кадмию (Shi, Cai, 2009).

Частичный некроз гипокотиля B. radiata наблюдали при концентрации 25 мг/л сульфата никеля. Таковой, отмечавшийся ранее при этой концентрации у B. tripartita, B. frondosa и B. cernua, начинался уже при 10 мг/л.

Частичное обесцвечивание и некроз семядолей (с 25 мг/л сульфата никеля) и листьев (при 10 мг/л B. radiata) сходно с влиянием никеля на проростки B. cernua. При низких концентрациях никеля (0.1 и 1 мг/л) хлороз семядолей и листьев у проростков всех исследуемых видов не выявлен, что свидетельствует об отсутствии подавления фотосинтеза.

Внешние проявления токсического действия сульфата меди. Как и у других видов рода Bidens (Крылова, Васильева, 2011б), некроза главного корня проростков B. radiata не наблюдали, однако при 10–50 мг/л зарегистрирован некроз придаточных корней, отмечавшийся ранее у B. tripartita и B. cernua. Не обнаружен некроз гипокотиля, как и при действии меди на проростки B. tripartita и B. frondosa. Выявлен частичный некроз семядолей при максимальной концентрации меди, однако хлороза семядолей и листьев у проростков всех исследуемых видов не наблюдали, т.е. подавление фотосинтеза не происходило.

Выводы. Сульфат никеля токсичнее сульфата меди для роста и развития проростков B. radiata, о чем свидетельствует существенное изменение морфометрических показателей проростков вида при 10–50 мг/л. Токсический эффект обоих металлов в большей степени сказывается на уменьшении главного корня, что характерно и для других представителей рода Bidens. К действию меди B. radiata устойчивее других видов рода, а устойчивость к никелю находится между устойчивостью к нему B. frondosa и B. cernua.

Список литературы

  1. Ковальчук И.А., Тохтарь В.К., Шевера М.В. 2013. Особенности распространения видов рода Bidens (Asteraceae) в сопредельных областях России и Украины // Фундаментальные исследования. Т. 11. № 5. С. 939.

  2. Косицына А.А., Макурин О.М., Нестеров В.Н., Розенцвет О.А. 2010. Влияние ионов меди и кадмия на пигментный комплекс растений семейства Hydrocharitaceae // Изв. Самарского науч. центра РАН. Т. 12. № 1. С. 156.

  3. Крылова Е.Г., Васильева Н.В. 2011а. Действие сульфата никеля на начальные этапы онтогенеза растений трех видов рода Bidens (Asteraceae) // Растительные ресурсы. Т. 47. Вып. 1. С. 65.

  4. Крылова Е.Г., Васильева Н.В. 2011б. Прорастание семян и развитие проростков представителей рода Bidens (Asteraceae) в растворах сульфата меди // Вестник Томского гос. ун-та. № 352. С. 207.

  5. Крылова Е.Г., Лапиров А.Г., Бердник К.А. 2015. Устойчивость начальных этапов онтогенеза Bidens cernua (Asteraceae) к действию ацетатов никеля и меди // Вестник Северного (арктического) федерального университета. № 4. С. 66. https://doi.org/10.17238/issn2227-6572.2015.4.66

  6. Крылова Е.Г., Васильева Н.В., Иванова Е.С. 2018. Устойчивость проростков нативного и чужеродного видов рода Bidens (Asteraceae) из разных географических популяций к действию тяжелых металлов // Biosystems Diversity. № 26(4). С. 287. https://doi.org/10.15421/011845

  7. Крылова Е.Г. 2020. Влияние анионов солей тяжелых металлов на их токсичность для высших водных растений // Трансформация экосистем. Т. 3. № 1. С. 1. https://doi.org/10.23859/estr-190418

  8. Лисицына Л.И., Папченков В.Г., Артеменко В.И. 2009. Флора водоемов волжского бассейна. Определитель сосудистых растений. Москва: Товарищество науч. изданий КМК.

  9. Маевский П.Ф. 2014. Флора средней полосы европейской части России. Москва: Товарищество науч. изданий КМК.

  10. Малева М.Г., Некрасова Г.Ф., Борисова Г.Г. и др. 2012. Влияние тяжелых металлов на фотосинтетический аппарат и антиоксидантный статус элодеи // Физиол. растений. Т. 59. № 2. С. 216.

  11. Серегин И.В., Кожевникова А.Д., Казюмина Е.М., Иванов В.Б. 2003. Токсическое действие и распределение никеля в корнях кукурузы // Физиол. растений. Т. 50. № 5. С. 793.

  12. Ху Ж.Ч., Пей Д.Л., Лиан Ф., Ши Г.С. 2009. Влияние загрязнения воды кадмием на рост растений Sagittaria sagittifolia // Физиол. растений. Т. 56. № 5. С. 759.

  13. Boominathan R., Doran P.M. 2003. Organic acid complexation, heavy metal distribution and the effect of ATPase inhibition in hairy roots of hyperaccumulator plant species // J. Biotechnol. V. 101. № 2. P. 131. https://doi.org/10.1016/s0168-1656(02)00320-6

  14. Chen C., Huang D., Liu J. 2009. Functions and toxicity of nickel in plants: recent advances and future prospects. Review: Clean. V. 37. № 4–5. P. 304. https://doi.org/10.1002/clen.200800199

  15. Devi S.R., Prasad M.N.V. 2005. Antioxidant activity of Brassica juncea plants exposed to high copper concentrations // Plant Physiology. V. 52. № 3. P. 233.

  16. Malec P., Maleva M.G., Prasad M.N.V., Strzałka K. 2009. Identification and Characterization of Cd-Induced Peptides in Egeria densa (Water Weed): Putative Role in Cd Detoxification // Aquat. Toxicol. V. 95. P. 213. https://doi.org/10.1016/j.aquatox.2009.09.007

  17. Maleva M.G., Nekrasova G.F., Malec P. et al. 2009. Ecophysiological Tolerance of Elodea canadensis to Nickel Exposure // Chemosphere. V. 77. P. 392. https://doi.org/10.1016/j.chemosp

  18. Shi G., Cai Q. 2009. Cadmium tolerance and accumulation in eight potential energy crops // Biotechnology Advances. V. 27. P. 555. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2009.04.006

  19. Singh Y., Malik C. 2011. Phenols and their antioxidant activity in Brassica juncea seedlings growing under HgCl2 stress // J. Microbiol. Biotechnol. V. 1. P. 124.

  20. Verbruggen N., Hermans C., Schat H. 2009. Mechanisms to cope with arsenic or cadmium excess in plant // Current Opinion in Plant Biology. V. 12. P. 364. https://doi.org/10.1016/j.pbi.2009.05.001

  21. Vinogradova Y.K., Galkina M.A., Mayorov S.R. 2014. Variability of the taxa of the Bidens L. Genera and the problem of hybridization // Rus. J. Biological Invasions. V. 5. № 1. P. 1–11. https://doi.org/10.1134/S2075111714010111

  22. Yruela I. 2009. Copper in Plants: Acquisition, Transport and Interactions // Funct. Plant Biol. V. 36. № 5. P. 409. https://doi.org/10.3390/ijms13067828

  23. Yruela I. 2013. Transition metals in plant photosynthesis // Metallomic. V. 5. № 9. P. 1090.

  24. Yusuf M., Fariduddin Q., Hayat S., Ahmad A. 2011. Nickel: an overview of uptake, essentiality and toxicity in plants // Bull. Environ. Contam. Toxicol. V. 86. № 1. P. 1.https://doi.org/10.1007/s00128-010-0171-1

  25. Zohra B.S., Xavier L., Ahamed A. et al. 2014. Metal accumulation and distribution in the organs of Reeds and Cattails in a constructed treatment wetland (Etueffont, France) // Ecol. Engineering. V. 64. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2013.12.027

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Биология внутренних вод

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал