Особенности адаптивных процессов у растений семейства Cucurbitaceae, произрастающих в условиях пестицидного загрязнения

Размещено на http://www.allbest.ru/

А.А. Нуржанова

РГП «Институт биологии и биотехнологии растений» КН МОН РК, г .Алматы, Казахстан

Установлено, что условия загрязнения почвы метаболитами ДДТ у представителей семейства Cucurbitaceae увеличивают содержание хлорофилла b и каротиноидов, интенсивность процесса транспирации и водоудерживающую способность, изменяют соотношение пигментов в листьях, повышают активность ферментов пероксидазы в корневой системе.

Ключевые слова: Cucurbitaceae, метаболиты ДДТ, хлорофилл, пероксидаза.

It was established that the conditions of soil pollution by metabolites of DDT in species of the family Cucurbitaceae increases chlorophyll b and carotenoids, the intensity of transpiration and water-holding capacity and change the ratio of pigments in leaves, and increase the activity enzyme of peroxides in the root system.

Keywords: Cucurbitaceae, metabolites of DDT, chlorophyll, peroxides.

Топыра?ты? ластану жа?дайында ДДТ метаболиттерін таныстырушы Cucurbitaceae т??ымдасы тамыр ж?йедегі пероксидаза ферментіні? белсенділігін к?тереді, жапыра?та?ы пигментті? ?атынасын ?згертеді, суды ? стап т?ру ?абілеттілігін ж?не транспирация барысын ?ар?ынды ж?ргізеді, ??рамында?ы каротиноидтар мен хлорофилл b-ны? м?лшерін ?л?айту енгізілген.

Т?йін с?здер: Cucurbitaceae, ДДТ метоболиттері, хлорофилл, пероксидаза.

Растения, как известно, представляют собой уязвимый компонент биоты, так как они являются первичным звеном в трофической цепи, выполняют основную роль в поглощении разнообразных загрязнителей и постоянно подвергаются действию загрязнителей вследствие прикрепленности к субстрату. С другой стороны естественное заселение растений приводит к образованию разнообразных растительных сообществ, растущих на почвах, загрязненных к техногенным факторам. Существование в популяции устойчивых организмов дает возможность их использовать в фиторемедиационных технологиях и определить физиологические и биохимиические основы устойчивости их к загрязнителям среды [1].

Один из ключевых моментов фиторемедиации - оптимальный состав толерантных видов растений, способных не только выжить в условиях загрязнений, но также трансформировать и обезвредить их [2, 3].

Наши исследования направлены на изучение механизма поглощения гидрофобных загрязнителей гипераккумуляторами Cucurbita Pepo ssp. pepo, с целью развития фиторемедиации почв. Выбор Cucurbita pepo L. pumpkin, как объекта исследований, связан с тем, что тыква является гипераккумулятором хлорорганических пестицидов [4, 5]. В связи с этим, на первом этапе работы нами изучено влияние метаболитов ДДТ на физиологические и биохимические параметры, определяющие эффективность фиторемедиации загрязненных почв.

Материалы и методы

Объектом исследования служили представители семейства Cucurbitaceae местной и международной селекции (Сухая, Серая, Griffe du Diable, Zquetta ornamentale, Пищевая тыква и дыня Cucumis melo).

В качестве почвенной культуры использовали искусственно-загрязненную почву и чистую почву. В качестве пестицидов использовали метаболиты 4.4'ДДТ и 4.4'ДДЭ, как основных загрязнителей почвы вокруг территории бывших хранилищ химических средств защиты растений [6].

Для этого чистую почву искусственно загрязняли 30%-ным водно-спиртовым раствором 4.4'ДДЭ и 4.4'ДДТ, таким образом, чтобы раствор покрывал почву. Продолжительность испарения водно-спиртового раствора пестицидов в почве 1 месяц. Конечная концентрация 4.4'ДДЭ равнялась 878 мкг/кг на 1 кг почвы, а 4.4'ДДТ - 547±24 мкг/кг на 1 кг почвы.

В условиях оранжереи посев семян провели в течение одного и того же дня. Масса почвенной культуры в горшке 5000 г. В качестве контроля использовали загрязненную почву без растений.

В процессе онтогенеза изучили основные закономерности роста и развития растений. Через каждые 5 дней, от начала всходов растений, измеряли высоту растений, отмечали вегетативные и генеративные фазы развития растений и учитывали их продолжительность. В период стадии цветения учитывали массу надземной и корневой части, длину корневой системы и высоту надземной части. Содержание различных форм хлорофиллов и каротиноидов в листьях растений, интенсивность транспирации, водоудерживающую способность и активность пероксидазы в вегетативных органах в процессе цветения определяли по общепринятым методам [7].

Все экспериментальные данные статистически были обработаны общепринятыми методами [8], построение диаграмм проводили с использованием компьютерной программы «Microsoft Excel».

растение почва загрязненный техногенный

Результаты и их обсуждение

При изучении влияния 4.4'ДДЭ (878 мкг/кг) и 4.4'ДДТ ( 547±24 мкг/кг) на рост и развитие представителей Cucurbitaceae (Сухая, Серая, Griffe du Diable, Zquetta ornamentale, Пищевая тыква и Cucumis melo) в процессе онтогенеза установлено, что фазы бутонизации и цветения более чувствительны к пестицидам. Хлорорганические пестициды сокращали сроки наступления генеративных фаз на 3-10 дней относительно контроля. Так, фаза настоящих листьев у пищевой тыквы наступила через 14 дней (контроль 16 дней), фаза бутонизации через 37 дней (контроль 42 дня), а фаза цветения через 55 дней (контроль 64 дня). Показано, что метаболиты ДДТ удлиняют корневую систему у изученных видов относительно контроля (за исключением Cucumis melo), повышают биомассу надземной части, но при этом оказывают незначительное влияние на высоту организма. Следует отметить, что ростовые показатели зависели от типа метаболита. Например, высота Gufte Diable, произрастающей на 4.4'ДДТ-загрязненной почве достигала 43,4±1,5 см, а на 4.4'ДДЕ - 49,6±1,7 см (контроль 47,1±1,9 см), длина корневой системы данного сорта возрастала на 7-12% относительно контроля. Биомасса растительного организма, произрастающего на 4.4'ДДТ-загрязненной почве возросла на 53%, а на 4.4'ДДЕ загрязненной почве на 120% относительно контроля.

В связи с тем, что эффективность работы фотосинтетического аппарата растений является одним из важнейших показателей, определяющих эффективность фиторемедиации [9, 10]. В связи с этим, нами изучены содержании пигментов в листьях растений в период цветения (таблице 1).

В результате проведенных исследований выявлено, что пестициды влияют на содержание пигментов, на соотношение а/в хлорофиллов и (а+в)/каратиноиды в листьях растений. Метаболиты ДДТ уменьшали содержание хлорофилла a в листьях и увеличивали долю вспомогательных пигментов - хлорофилла b и каротиноидов по сравнению с контролем, что свидетельствует об адаптивности ассимиляционного аппарата к условиям загрязненной среды.

Далее нами изучена интенсивность транспирации (показатель адаптивного ответа растительного организма, позволяющего регулировать водный обмен при действии стресс факторов) и водоудерживающая способность растений (показатель водообмена и устойчивости к неблагоприятным факторам окружающей среды). Известно, что чем выше водоудерживающая способность растений, тем оно устойчивее. Отмечено, что высокая водоудерживающая способность (96-98%) характерна для всех представителей семейства Cucurbitaceae, произрастающие на 4.4ДДТ загрязненной почве, за исключением Cucumus melo, что свидетельствует об их толерантности к данному метаболиту. Однако, при произрастании на 4.4ДДЕ загрязненной почве водоудерживающая способность снижалось (от 96 до 71%), а интенсивность транспирации, наоборот, повышалось (от 2,8 до 6,9 мг/г сырого веса в мин) относительно контроля у трех представителей семейства Cucurbitaceae (Серая, Gufte Diable и Cucumus melo).

Таблица 1 - Содержание пигментов в листьях растений, произрастающих на искуственно-загрязненной почве в период цветения

Пероксидаза - широко распространенный фермент в живых организмах. Будучи по своей природе полифункциональным, этот фермент участвует во многих процессах жизнедеятельности растений: физиологических и детоксикационных процессах [11]. Установлено, что активность пероксидазы в вегетативных органах растений зависит от концентрации пестицидов (рисунок 1).

Рисунок 1 - Активность пероксидазы в вегетативных органах растений, произрастающие на загрязненной метаболитами ДДТ почве

Чем выше доза пестицидов в почве, тем больше активность пероксидазы в корневой системе. Так, у сорта Серая, произрастающего на 4.4'ДДЕ-загрязненной почве, активность пероксидазы в корневой системе составляла 833,1 ед.актив/г сырой массы, а в листьях - 312,4 ед.актив/г сырой массы. У данного сорта, произрастающего на 4.4'ДДТ-загрязненной почве активность фермента в корневой системе составляла 614,7 ед.актив/г сырой массы, а в листьях - 228,2 ед.актив/г сырой массы. Предполагаем, что повышение активности пероксидазы в корневой системе является одним из механизмов, обеспечивающих биохимическую адаптацию видов к пестицидам, связанных с детоксикационным потенциалом растений.

Таким образом, представители семейства Cucurbitaceae (Сухая, Серая, Griffe du Diable, Zquetta ornamentale, Пищевая тыква), за исключением Cucumus melo обладают адаптивными свойствами к метаболитам ДДТ. Основными биоиндикаторными показателями толерантности растительного организма к метаболитам ДДТ являются увеличение содержание хлорофилла b и каротиноидов, изменение соотношение хлорофиллов в листьях и повышение водоудерживающей способности. В связи с тем, представители семейства Cucurbitaceae толерантны к хлорорганическим пестицидам они могут успешно использоваться в фиторемедиационных технологиях загрязненных почв.

Литература

1. Cunningham S.D., Ow D.W. Promises and Prospects of Phytoremediation // Plant Physiol. - 1996. - Vol. 110. - P. 715-719.

2. Frazar C. The Bioremediation and Phytoremediation of Pesticide-contaminated Sites // National Network of Environmental Studies (NNEMS) Fellow. - 2000. http://www.clu-in.org.

3. Гончарова Н.В. Фиторемедиация новая стратегия использования растений для очистки почвенного покрова // Экологический вестник: научно-практический журнал. - 2010. - № 4 (14). - С. 5-14.

4. White J.C. Different bioavailability of field-weathered p,p-DDE to plants of the Cucurbita and Cucumes genera // Chemosphere. - 2002. - Vol. 49. - P. 143-152.

5. White J.C., Mattina M.J.I., Lee W.Y., Eitzer B.D., Iannucci-Berder W. Role of organic acids in enhancing the desorption and uptake of weathered p,p'-DDE by Cucurbita pepo // Envir. Pol. - 2003. - №. 124. - P.71-80.

6. 6Нуржанова А., Седловский А., Калмыков Е. Анализ содержания хлорорганических пестицидов в почвах некоторых объектов Алматинской и Акмолинской областей // Биотехнология. Теория и практика. - 2004 . - № 3. - С. 99-105.

7. Гавриленко В.Ф., Ладыгина М.Е., Хандобина Л.М. Большой практикум по физиологии растений. - М.: Высшая школа, 1975. - С. 392.

8. Рокицкий П.П. Биологическая статистика. - Минск: Вышейшая школа, 1976. - 250 с.

9. Вяль Ю.А., Дюкова Г.Р., Леонова И.Н., Хрянин В.Н. Адаптация фотосинтетического аппарата подроста широколиственных деревьев в условиях города // Физиология растений. - 2007. - № 1. - С. 61-72.

10. Bauer I., Grill D. ZurProblematikderPigmentanalysealsRauchschadens-diagnose // Angew. Bot. - 1977. - № 51. - P. 241-250

Размещено на Allbest.ur