WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Эколого-физиологические аспекты воздействия фосфорорганических ксенобиотиков на яровую пшеницу и кукурузу

На правах рукописи

Матвеева Наталия Юрьевна

ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ

ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИХ КСЕНОБИОТИКОВ

НА ЯРОВУЮ ПШЕНИЦУ И КУКУРУЗУ

03.00.16 – экология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Саратов - 2006

Работа выполнена в научно-исследовательской лаборатории Саратовского

военного института радиационной, химической и биологической защиты

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор

Степанов Сергей Александрович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор

Завьялов Евгений Владимирович

кандидат биологических наук

Белоногова Юлия Владимировна

Ведущая организация:

Саратовский филиал Института проблем

экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН

Защита состоится « 14 » сентября 2006 г. в 1300 на заседании диссертационного совета Д 212.243.13 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет им. Н.Г.Чернышевского» по адресу: 410012, г.Саратов, ул.Астраханская, 83. E-mail: biosovet@sgu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный университет им. Н.Г.Чернышевского».

Автореферат разослан « 11 » августа 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат биологических наук С.А.Невский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из серьезных экологических проблем является загрязнение окружающей среды веществами абиогенного происхождения – ксенобиотиками, к числу которых относятся фосфорорганические отравляющие вещества (зарин, зоман, вещество типа Vx), широко применяемые пестициды и др. Уничтожение химического оружия на специально предназначенных объектах предполагает разработку и реализацию комплекса мероприятий по обеспечению безопасных условий труда и охраны окружающей среды. К числу таких мероприятий относится оценка влияния отдельных фосфорорганических ксенобиотиков на различные биологические объекты.

Недостаточное внимание со стороны исследователей до настоящего времени уделялось оценке влияния фосфорорганических ксенобиотиков на растительные организмы. Существующие на сегодня сведения имеются в отношении влияния ксенобиотиков на отдельные морфофизиологические и биохимические параметры растений, активность отдельных ферментов, преимущественно дикорастущих видов. В то же время известно, что основными уязвимыми звеньями формирования биомассы растений являются фотосинтез, рост и развитие растений (Мокроносов, 1983).

В последние годы заметно возросла активность исследователей в изучении экологических эффектов малых доз химических соединений. Стало известно, что высокотоксичные вещества могут оказывать серьезное влияние на организм животных и человека в подпороговых дозах, не способных вызывать сиюминутные эффекты. Полагают, что в результате воздействия сверхмалых доз веществ развивается состояние, обозначаемое в настоящее время как повышенная чувствительность к множеству химических веществ — «множественная химическая чувствительность.

Экологический мониторинг в зонах хранения и уничтожения химоружия предполагает в комплексе других мероприятий увеличение числа чувствительных тест-объектов на фосфорорганические ксенобиотики и специфические компоненты их деструкции в дополнение к существующим биотестам – микрорганизмам, некоторым беспозвоночным животным (инфузории, дафнии), микроводорослям (Иванов, Быстрова, 1993). Учитывая, что объекты по уничтожению химического оружия нередко располагаются в районах интенсивного сельскохозяйственного использования, то целесообразно проводить такие исследования на культурных злаковых растениях, в том числе наиважнейших из них – пшенице и кукурузе. В то же время в зерновке пшеницы зародыш проростка наиболее развит по сравнению с другими группами растений, включая злаковые виды. Каждая из структур, имеющаяся в зародыше зерновки, различается по степени дифференциации клеток, тканей и норме реакции на стресс, что позволяет оценивать действие какого-либо экзогенного фактора сразу по нескольким параметрам (Степанов, 2001).

Цель и задачи исследования. Целью работы являлось определение эколого-физиологических аспектов влияния фосфорорганических ксенобиотиков на культурные злаковые растения – пшеницу и кукурузу. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучить влияние фосфорорганических ксенобиотиков Vx и зомана на рост и развитие проростков пшеницы и кукурузы.

2. Установить действие фосфорорганического ксенобиотика карбофоса на рост и развитие проростков пшеницы.

3. Определить влияние Vx и зомана на содержание пигментов фотосинтеза в листьях пшеницы.

4. Выявить действие карбофоса на содержание пигментов фотосинтеза в листьях разных метамеров побега пшеницы.

5. Исследовать влияние карбофоса на морфологию растений и структуру урожая пшеницы.

Научная новизна работы. В работе впервые показана различная реакция на низкие концентрации Vx и карбофоса cо стороны колеоптиля, главного зародышевого корня, верхней и нижней пары корней пшеницы. Установлено, что низкие концентрации зомана влияют на рост и развитие главного зародышевого корня кукурузы. Выявлено уменьшение содержания пигментов фотосинтеза в листьях пшеницы при наличии в воде Vx или зомана в предельно допустимой концентрации или меньше. Определена метамерная специфичность в содержании пигментов фотосинтеза в пластинках листьев пшеницы на воздействие карбофосом в начале развития проростков растений. Установлено, что действие фосфорорганического ксенобиотика карбофоса в начале развития проростков проявляется в онтогенезе пшеницы в изменении морфологии растений и структуры урожая.

Теоретическое и практическое значение. Представленные в работе данные вносят вклад в решение вопросов, связанных с действием подпороговых концентраций фосфорорганических отравляющих веществ (Vx и зомана) и их миметика (карбофоса) на процессы деления, растяжения и дифференциации клеток корня пшеницы и кукурузы, содержание пигментов фотосинтеза в пластинках листьев пшеницы. Полученные в результате работы сведения расширяют представления о физиологии устойчивости важнейшей сельскохозяйственной культуры – пшеницы, морфологических аспектах адаптации растений к сверхмалым концентрациям фосфорорганических ксенобиотиков.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на итоговых научных конференциях студентов и аспирантов биологического факультета Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского (апрель 2004, апрель 2006), VII Международной конференции по морфологии растений, посвященной памяти И.Г. и Т.И. Серебряковых (г. Москва, сентябрь 2004), научных конференциях Саратовского военного института радиационной, химической и биологической защиты (Саратов, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 136 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов. Работа содержит 55 рисунков и 2 таблицы. Список цитированной литературы включает 236 источников, из них 77 иностранных авторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Низкие концентрации фосфорорганических ксенобиотиков (Vx, зоман, карбофос) влияют на рост и развитие проростков пшеницы и кукурузы.

2. Действие низких концентраций Vx и зомана отражается в содержании пигментов фотосинтеза листьев пшеницы.

3. В онтогенезе пшеницы наблюдается физиологическая и морфологическая адаптация к воздействию фосфорорганическим ксенобиотиком карбофосом в начале развития проростков растений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования, отмечается теоретическая и практическая значимость работы, сформулированы основная цель и задачи исследования.

Глава 1. ВЛИЯНИЕ ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИХ КСЕНОБИОТИКОВ

НА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РАСТЕНИЙ

(обзор литературы)

Проведен анализ литературных данных о фосфорорганических ксенобиотиках и их влиянию на биологические объекты, роли холинэргической системы регуляции в реакции на ФОС. Проанализировано действие производного ФОВ, метилфосфоновой кислоты, на растения, в том числе пигменты фотосинтеза. Приводятся особенности пигментов фотосинтетического аппарата пшеницы. Показана возможность использования для оценки влияния фосфорорганических ксенобиотиков закономерностей деления, растяжения и дифференциации клеток корня, морфогенетического анализа растений.

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Все исследования проводились как в лабораторных условиях, так и в полевых мелкоделяночных экспериментах в период 2003–2005 гг. Объектом изучения являлись виды и сорта яровой пшеницы, Triticum monococcum – сортообразец 30090, Triticum durum – Саратовская 57, Triticum aestivum – Саратовская 36, Саратовская 52, Нададорес 63, а также кукуруза (Zea mays L.) – Березка. В качестве фосфорорганических ксенобиотиков использовали Vx, зоман и карбофос разной концентрации.

Для определения влияния ксенобиотиков на рост и развитие корней пшеницы простерилизованные семена (10–15 шт.) замачивались в течение суток в дистиллированной воде, а затем в стерильных условиях переносились в чашки Петри с различной концентрацией водных растворов: Vx (2·1014–2·108 мг/мл), карбофоса (6,61·107– 6,61 мг/мл). В контроле проростки росли в чашках Петри с дистиллированной водой (10 мл). Температура проращивания в термостате +22°С. На 4 сутки с использованием МБС – 9 осуществляли основные измерения – длины колеоптиля, зародышевых корней, зоны элонгации главного зародышевого корня, длины корневых волосков и их числа.

Для изучения влияния зомана на рост и развитие корней кукурузы простерилизованные семена (10–15 шт.) замачивались в течение 2-х суток в дистиллированной воде, а затем в стерильных условиях переносились в чашки Петри с различной концентрацией водных растворов зомана: 5·1014 – 5·108 мг/мл. В контроле проростки росли в чашках Петри с дистиллированной водой (10 мл). Температура проращивания в термостате +24°С. На 5 сутки осуществляли основные измерения – длины колеоптиля, зародышевого корня, зоны элонгации корня, толщины корня, длины корневых волосков и их числа. Все исследования проводили в трёхкратной повторности.

Для оценки влияния фосфорорганического ксенобиотика Vx и зомана на содержание пигментов фотосинтеза использовались растения, выращиваемые в грунте до фенофазы второго листа. Полив растений осуществлялся: в контроле – дистиллированной водой, в опытных вариантах - водными растворами Vx и зомана. Концентрация Vx составляла: 1 вариант – 2·10-13, 2 – 2·10-11, 3 – 2·10-9 мг/мл. Концентрация зомана составляла: 1 вариант – 5·10-13, 2 – 5·10-11, 3 – 5·10-9 мг/мл. Для определения содержания пигментов фотосинтеза использовали среднюю часть пластинок листьев массой 0,07-0,08 г, тщательно растирали в фарфоровой ступке с небольшим количеством 100% ацетона (2–4 мл), кварцевого песка и мела. После настаивания (3–4 мин) экстракт переносили на стеклянный фильтр № 3 и фильтровали в колбу Бунзена, соединенную с вакуумным насосом KNF-UN 035.3 TTP (США). Вытяжку выливали в мерную колбу на 25 мл, объем вытяжки доводили чистым растворителем до метки (Гавриленко, Жигалова, 2003). Содержание хлорофиллов а, b и каротиноидов определяли в полученной вытяжке пигментов без предварительного их разделения (Lichtenrhaler, 1987). Для этого измеряли оптическую плотность экстракта (Е) на спектрофотометре HP (США). Концентрацию (С) пигментов рассчитывали по уравнениям:

С хл.а = 9,784 · Е 662 0,990 · Е 644

С хл.b = 21,426 · Е 644 4,650 · Е 662

С каротиноиды = (1000 · Е 470 1,9 · С хл.а 63,14 · С хл.b) / 214

Содержание пигментов в исследуемом материале рассчитывали с учетом объема вытяжки и веса пробы: А = С V / Р 1000, где С — концентрация пигментов в мг/л; V — объем вытяжки пиг­ментов в мл; Р — навеска растительного материала в г; А — содержание пигмента в растительном материале в мг/г свежего веса. Все процедуры количественного определения пигментов проводили не менее 3 раз.

Действие фосфорорганического ксенобиотика карбофоса на содержание пигментов фотосинтеза и морфогенез пшеницы оценивалось на растениях, выращиваемые в полевых мелкоделяночных опытах, повторность опытов трёхкратная. В фенофазу 2 листьев опытные растения два раза (через сутки) обрабатывали раствором карбофоса (3,3 ·103 мг/мл). Морфогенетический анализ растений проводился по З.А.Морозовой (1988) по 12 признакам: число боковых побегов, масса боковых побегов, масса главного побега, масса колоса, длина колоса, длина стебля, число колосков, число зерновок в колосе и их масса, длина и диаметр междоузлий, урожай зерна. Построение и анализ вариационных кривых элементов продуктивности побегов осуществляли по методике З.А. Морозовой (1983).

Статистическую обработку результатов исследований проводили по Н.Л. Удольской (1976) и Б.А.Доспехову (1985) с использованием пакета программы Excel Windows 2000 Pentium 4.

Глава 3. ВЛИЯНИЕ ФОСФОРГАНИЧЕСКИХ КСЕНОБИОТИКОВ

НА РОСТ И РАЗВИТИЕ ПРОРОСТКОВ ПШЕНИЦЫ И КУКУРУЗЫ

Как показали исследования с Vx, во всех вариантах опыта отмечается стимуляция роста зародышевых, верхних придаточных корней. Наибольшая стимуляция наблюдалась при концентрации Vx 2·109 (ПДК) и 2·108 мг/мл. Меньший стимулирующий эффект выявлен в отношении главного зародышевого корня. Длина колеоптиля при некоторых концентрациях Vx была меньше (2·1014, 2·1011 и 2·109мг/мл), в остальных – больше, чем у контрольных растений (см. рис.1). При всех концентрациях Vx в опыте наблюдается увеличение длины зоны элонгации главного зародышевого корня пшеницы. Под влиянием Vx значительно изменялась число и длина корневых волосков. При некоторых концентрациях Vx их число составляло 18% (2·108 мг/мл), 4% (2·1010 мг/мл) от контрольных растений (рис.2).

В экспериментах с зоманом на проростках кукурузы во всех вариантах опыта отмечается угнетение роста главного, зародышевого корня. Наибольшее угнетение наблюдалась при концентрации зомана 5·1012 мг/мл (рис.3). В большинстве вариантов опыта также отмечалось угнетение роста колеоптиля, причем при некоторых более низких концентрация зомана в растворе угнетающий эффект на рост колеоптиля проявлялся сильнее. При всех концентрациях зомана в опыте, как правило, наблюдается увеличение толщины корня (122,2 – 124,7% от контроля) в большинстве вариантов опыта (рис. 3).

 Влияние Vх на морфогенез проростков пшеницы Саратовская 36 -0

Рис. 1. Влияние Vх на морфогенез проростков пшеницы Саратовская 36

 Влияние Vх на развитие главного зародышевого корня пшеницы-1

Рис. 2. Влияние Vх на развитие главного зародышевого

корня пшеницы Саратовская 36

________

* - Здесь и далее разница между опытом и контролем достоверна при Р 0,05

В присутствии зомана в растворе воды существенно уменьшается число корневых волосков, составляя 5,7 и 5,9% от контроля при концентрациях зомана 5·108 и 5·1011 мг/мл соответственно (рис.3).

В диапазоне концентраций зомана в растворе 5·1011 - 5·108 мг/мл наблюдалось существенное уменьшение длины корневых волосков, тогда как при меньших концентрациях зомана, наоборот, длина корневых волосков была больше, чем в контроле. Во всех вариантах опыта установлено увеличение длины зоны элонгации корня. Наиболее существенное возрастание этой зоны корня отмечено при концентрациях зомана 5·1012 и 5·1011мг/мл - соответственно 192,1 и 196,6 % по сравнению с контролем (см. рис. 3).

В экспериментах с карбофосом во всех вариантах опыта отмечался стимулирующий эффект на рост колеоптиля, главного корня, нижней и верхней пары зародышевых корней пшеницы. Наибольший стимулирующий эффект отмечен при низких концентрациях карбофоса: 6,6110-7 - 6,6110-3 мг/мл. Карбофос оказывал влияние и на процессы растяжения и дифференциации клеток корня, в частности корневых волосков. При низкой концентрации карбофоса наблюдалось незначительное увеличение длины волосков, а затем их последовательное уменьшение, особенно значительных при высоких концентрациях карбофоса.

 Влияние зомана на развитие зародышевого корня кукурузы Проведенные-2

Рис. 3. Влияние зомана на развитие зародышевого корня кукурузы

Проведенные исследования позволяют, на наш взгляд, определить правомочность использования проростков пшеницы и кукурузы в качестве биотеста на фосфорорганические ксенобиотики. Однако наличие у пшеницы главного, нижней и верхней пары зародышевых корней позволяет более четко определить действие ксенобиотиков. В то же время корни кукурузы, являясь крупными по сравнению с корнями пшеницы, что значительно удобно в практическом плане для биоиндикации ФОС.

Глава 4. ВЛИЯНИЕ ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИХ КСЕНОБИОТИКОВ НА СОДЕРЖАНИЕ ПИГМЕНТОВ ФОТОСИНТЕЗА

Как показали исследования, при поливе растений пшеницы водными растворами, содержащими Vx разной концентрации, отмечается уменьшение содержания хлорофиллов а и b, каротиноидов у мягкой пшеницы Саратовская 36. В частности, по сравнению с контрольными растениями, содержание хлорофилла а в пластике первого листа Саратовской 36 составляло: 210-13 мг/мл – 0,41мг/г сырого веса (74,8% от контроля), 210-11 мг/мл – 0,425 мг/ г сырого веса (77,5% от контроля), 210-9 мг/мл - 0,299 мг/ г сырого веса (54,6% от контроля). Несколько меньше снижалось содержание хлорофилла b. Содержание каротиноидов в пластинке первого листа Саратовской 36 составляло: 210-13 мг/мл – 80,1%, 210-11 мг/мл – 85,1%, 210-9 мг/мл –54,7 % от контроля. Менее выраженное влияние Vx отмечено в отношении твердой пшеницы Саратовской 57. В частности, отмечено достоверно значимое снижение содержания хлорофилла а и b только при концентрации 210-11 мг/мл – соответственно 0,335 и 0,157 мг/г сырого веса (74,8 и 85,8% от контроля). Содержание каротиноидов у Саратовской 57 несколько возрастало при концентрации 210-13 мг/мл и уменьшалось при 210-11 и 210-9 мг/мл – соответственно 75,6% и 94,8% от контроля.

Возможное влияние Vx на биосинтез пигментов отражалось на величине отношения содержания хлорофиллов а к b. В наших экспериментах наблюдалось уменьшение этого отношения: при концентрации 210-13 и 210-9 мг/мл у мягкой пшеницы Саратовская 36, во всех вариантах опыта – у твердой пшеницы Саратовская 57. У мягкой и твердой пшеницы при концентрации 210-9 мг/мл, а у твердой пшеницы при 210-11 мг/мл увеличение отношения содержания хлорофиллов а и b к содержанию каротиноидов.

Таким образом, для каждого вида пшеницы отмечены некоторые различия в реакции на действие Vx, проявляемые в содержание хлорофиллов а и b, отношению между ними, содержании каротиноидов относительно хлорофиллов.

Почти одинаковая реакция исследуемых видов пшеницы отмечалась в отношении зомана. По сравнению с контрольными растениями у обоих видов в опытных вариантах наблюдалось уменьшение содержания хлорофиллов а, b, каротиноидов, изменение соотношения между пигментами фотосинтеза (рис. 4, 5). В частности, у мягкой пшеницы содержание хлорофилла а составляло: при концентрации 510-13 мг/мл – 83,4%, 510-11 мг/мл – 80,9%, 510-9 мг/мл – 67% относительно контроля. Более выраженная реакция на зоман отмечалась у твердой пшеницы Саратовская 57. По содержанию хлорофилла b более выраженная реакция на зоман также отмечалась у Саратовской 57.

 Влияние зомана на содержание хлорофиллов а+b в пластинке первого-3

Рис. 4. Влияние зомана на содержание хлорофиллов а+b в

пластинке первого листа пшеницы

Суммарное содержание хлорофиллов а и b у обоих видов пшеницы устойчиво снижалось во всех вариантах опыта, причем максимальная реакция отмечалась со стороны твердой пшеницы Саратовская 57. При концентрации 510-13 мг/мл содержание хлорофиллов достигало 83,3% и 87,7% относительно контроля, при 510-11 мг/мл – 71,2% и 79,5% относительно контроля, при 510-9 мг/мл – 65,4% и 71,3% относительно контроля у Саратовской 57 и Саратовской 36 соответственно (см. рис.4).

 Влияние зомана на отношение содержания хлорофиллов к каротиноидам -4

Рис.5. Влияние зомана на отношение содержания хлорофиллов

к каротиноидам

Содержание каротиноидов составляло: у Саратовской 57 при концентрации 510-13 мг/мл – 85,6%, 510-11 мг/мл – 82,5%, 510-9 мг/мл - 77,5%; у Саратовской 36 при концентрации 510-13 мг/мл– 86,2%, 510-11 мг/мл – 97,4%, 510-9 мг/мл – 92,8% относительно контрольных растений.

Несколько иная реакция на зоман по сравнению с Vx наблюдалась по величине отношения содержания хлорофиллов к каротиноидам. При концентрации 510-11 и 510-9 мг/мл отмечено снижение содержания хлорофиллов относительно каротиноидов. При 510-13 мг/мл у мягкой пшеницы Саратовская 36 выявлено незначительное увеличение отношения хлорофиллов к каротиноидам (см. рис.5).

На основании проведенных экспериментов следует заключить, что реакция на низкие концентрации ФОВ, их типы, проявляемая по содержанию пигментов фотосинтеза, соотношению между ними в пластинках листьев пшеницы может явиться чувствительным биоиндикатором состояния окружающей среды. Однако учитывая отмеченное нами различие видов и сортов пшеницы по уровню реакции, следует предположить о разной чувствительности видов растений, включая другие виды пшеницы, к низким концентрациям ФОВ.

Как показали наши исследования, у мягкой пшеницы сорта Саратовская 36, растущей в полевых условиях, содержание хлорофилла а у контрольных растений составляло от 0,744 до 1,618 мг/г. Минимальное содержание хлорофилла а отмечено в пластинке второго листа, максимальное – в пластинке седьмого, флагового листа. При этом выявлено, что от второго к пятому листу содержание хлорофилла а неуклонно увеличивается, затем, в шестом листе, уменьшается, возрастая снова в пластинке седьмого листа. У растений пшеницы, подвергнутых двухкратной обработке раствором карбофоса в фенофазу 2-х листьев, содержание хлорофилла а изменялось – оно возрастало в третьем и четвертом листьях, и уменьшалось в остальных пятом – седьмом.

Содержание хлорофилла b в пластинке листьев контрольных растений варьировало от 0,292 до 0,532 мг/г. Так же как и в отношении хлорофилла а, минимальное содержание хлорофилла b отмечено в пластинке второго листа, максимальное – в пластинке седьмого, флагового листа. Однако, в отличие от хлорофилла а, наблюдалось возрастание содержания хлорофилла b от второго к четвертому листу, затем небольшое уменьшение в пятом листе, и снова его содержание возрастало в шестом – седьмом листьях. У растений пшеницы, подвергнутых обработке раствором карбофоса, содержание хлорофилла b изменялось – оно возрастало только в пластинке третьего листа, и уменьшалось в пластинках остальных листьев побега Саратовской 36.

Общее содержание хлорофиллов в пластинке листьев Саратовской 36, растущей в полевых условиях, составляло от 1,037 до 2,15 мг/г сырого веса. Минимальное содержание хлорофиллов отмечено в пластинке второго листа, максимальное – в пластинке седьмого, флагового листа. Содержание хлорофиллов у растений, подвергнутых обработке раствором карбофоса, существенно изменялось - возрастало в пластинках третьего и четвертого листьев, уменьшалось в пластинках листьев пятого – седьмого метамеров побега пшеницы (рис. 6). Таким образом, несмотря на то, что обработка карбофосом производилась в фенофазу двух листьев, его влияние отражалось на содержании пигментов в других листьях, рост которых первоначально осуществлялся за счет первых двух листьев, выступающих как доноры.

Отношение содержания хлорофиллов а к b составляло от 2,004 до 3,041. Минимальное отношение содержания этих хлорофиллов отмечено в четвертом листе, максимальное – в пластинке седьмого листа. В целом, для каждого из листьев отношение хлорофилл а к b являлось специфичным. Под влиянием карбофоса величина отношения хлорофилла а к b, также как и в отношении их содержания, изменялась – она уменьшалась в третьем, пятом и седьмом листьях, и возрастала – в четвертом и шестом листьях.

Содержание каротиноидов в пластинке листьев Саратовской 36 составляло от 0,233 до 0,508 мг/г сырого веса. Опять, как и в отношении содержания хлорофиллов а и b, нами отмечено минимальное содержание каротиноидов в пластинке второго листа и возрастание - в пятом – седьмом листьях. У растений, подвергнутых обработке карбофосом, содержание каротиноидов возрастало в пластинке третьего и четвертого листьев, имело примерно то же значение, что и в контроле, в пятом листе, и затем уменьшалось в шестом и седьмом листьях побега.

 Содержание хлорофиллов в пластинке листьев Саратовская 36 Отношение-5

Рис. 6. Содержание хлорофиллов в пластинке листьев Саратовская 36

Отношение содержания хлорофиллов к каротиноидам у контрольных растений изменялось от 3,264 в пластинке седьмого листа до 4,538 в пластинке третьего листа. Отмечено, что максимальное отношение хлорофиллов к каротиноидам наблюдается в пластинках листьев нижних метамеров побега – первый – четвертый, затем оно становится меньше у пятого-шестого листьев, возрастая только у седьмого листа (рис. 7).

 Отношение содержания хлорофиллов к каротиноидам в пластинке-6

Рис. 7. Отношение содержания хлорофиллов к каротиноидам

в пластинке листьев Саратовская 36

Выявлено, что содержание хлорофилла а, в процентах от общего содержания пигментов, специфично для каждого из листьев побега пшеницы, варьируя в пределах от 54,5% до 61,1%. У растений, подвергнутых обработке карбофосом, содержание хлорофилла а в процентах от суммарного содержания пигментов изменялось – оно уменьшалось в пластинке третьего, пятого листьев и седьмого листьев, и увеличивалось – в пластинке четвертого и шестого листьев. Специфично и содержание хлорофилла b в пластинке каждого из листьев, составляя от 19,7% до 27,2% от суммарного содержания пигментов фотосинтеза. У растений, которые были обработаны карбофосом, содержание хлорофилла b, в процентах от суммарного содержания пигментов, также изменялось. Оно возрастало в пластинке третьего, пятого листьев, и уменьшалось – в пластинке четвертого и шестого листьев; в седьмом листе содержание хлорофилла b в процентах от суммы пигментов было примерно одинаковым у контрольных и опытных растений.

Содержание каротиноидов в процентах от суммарного содержания пигментов составляло у контрольных растений пшеницы от 18 % до 22,1%. Максимальное содержание каротинодов выявлено в пластинке пятого и шестого листьев. У растений, подвергнутых обработке карбофосом, процентное содержание каротиноидов как правило возрастало.

Таким образом, полученные результаты по абсолютному (мг/г сырой массы) и относительному (в процентах) содержанию пигментов фотосинтеза, как и отношению между ними, свидетельствуют: о метамерной специфичности побега пшеницы по данным признакам; зависимости содержания пигментов от действия стресс-факторов на отдельных этапах развития растений. Основанием для метамерной специфичности и зависимости отдельных физиологических процессов, включая синтез пигментов фотосинтеза, от того или иного стресс-фактора, является подвижный баланс донорно-акцепторных отношений в системе целого растения (Мокроносов, 1981; Степанов, 2001).

Глава 5. ВЛИЯНИЕ ФОСФОРОРГАНИЧЕСКОГО КСЕНОБИОТИКА КАРБОФОСА НА МОРФОЛОГИЮ РАСТЕНИЙ И

СТРУКТУРУ УРОЖАЯ ПШЕНИЦЫ

Как показали проведенные исследования, наибольшее число боковых побегов у контрольных растений в расчёте на одно растение характерно для сортообразца К30090 Tr. monococcum (1,68), наименьшее для сортов Tr. aestivum Саратовская 36 и Саратовская 52 (0,2 шт. на одно растение). Под воздействием карбофоса число боковых побегов у Саратовской 57 и сортообразца Tr. monococcum К 30090 существенно не изменялось. Однако у сорта Саратовская 36 и Саратовская 52 их число возрастало в 2-3 раза. Иная тенденция была отмечена у Нададорес 63, у которого число боковых побегов, наоборот, значительно уменьшалось – примерно в 3 раза.

Наибольшая масса боковых побегов контрольных растений отмечена у сортообразца Tr. monococcum К 30090 (>1,4 г на одно растение), меньшая – у Саратовской 57 (Tr.durum) и Саратовской 36 (<0,2 г на одно растение). При воздействии карбофосом масса боковых побегов существенно уменьшалась у сортообразца Tr. monococcum К 30090 (примерно в 2 раза) и Нададорес (примерно в 5 раз). У всех остальных сортов установлено возрастание массы боковых побегов, наиболее значимое у Саратовской 36 и Саратовской 52 (рис.8).

 Сухая масса боковых побегов пшеницы, 2004 г. Наибольшее значение-7

Рис. 8. Сухая масса боковых побегов пшеницы, 2004 г.

Наибольшее значение массы стебля главного побега контрольных растений отмечено для сорта саратовской селекции Саратовская 36 (> 1 г на одно растение). Для других сортов мягкой пшеницы – Саратовская 52 и Нададорес 63 – масса стебля была > 0,8 г, но < 0,9 г на одно растение. Менее 0,8 г на одно растение масса стебля наблюдалась у Саратовской 57 (Tr. durum) и сортообразца Tr. monococcum К 30090. При обработке растений карбофосом масса стебля главного побега значимо возрастала (при Р0,05) у Саратовской 52, Саратовской 57 и сортооборазца Tr. monococcum К30090. В тоже время у Нададорес 63 выявлено уменьшение массы стебля главного побега.

По массе колоса в контроле лидером среди сортов мягкой пшеницы в условиях 2004 г. являлся модельный сорт Саратовская 52 (1,65 г на одно растение). Наименьшая масса колоса отмечена для сортообразца Tr. monococcum К30090 (0,7864 г на одно растение), что в 2 раза меньше относительно Саратовской 52. При воздействии карбофосом установлено уменьшение массы колоса главного побега у Нададорес 63 и Саратовская 57. Для остальных сортов и сортообразец Tr. monococcum существенно значимых различий между контрольными и опытными растениями не выявлено.

По длине колоса побега контрольных растений пшеницы проявлялось то же ранжирование, что и в отношении массы колоса, что свидетельствует о решающем вкладе в развитие данного признака первичных морфогенетических процессов, т.е. заложения метамеров генеративной зоны побега на 14 –22 день с момента посева семян. При воздействии карбофосом существенное уменьшение длины колоса отмечено у Нададорес 63 и Саратовской 36, для остальных сортов и сортообразца Tr. monococcum эти различия были не существенны.

По длине стебля контрольных растений лидерами являлись сорт мягкой пшеницы Саратовская 36 (717 мм) и сорт твердой пшеницы Саратовская 57 (712 мм). Существенно меньшая длина отмечена у Нададорес 63 и Саратовская 52, что является проявлением генов короткостебельности у этих сортов. При обработке карбофосом наблюдалось уменьшение длины стебля у Нададорес 63, Tr.monococcum (К 30090), Саратовской 36 и Саратовской 57. Исключение от этой тенденции отмечено у опытных растений Саратовской 52, у которых длина стебля возрастала.

Таким образом, в зависимости от видовой или сортовой специфичности может наблюдаться активирование или ингибирование карбофосом процесса образования боковых побегов, растяжения междоузлий стебля, что является отражением его влияния на клеточном и тканевом уровнях на процессы деления и растяжения клеток.

По числу колосков в колосе контрольных растений пшеницы лидером являлся сортообразец Tr. monococcum К30090. Примерно близкие значения отмечены для сортов мягкой пшеницы – Саратовская 36, Саратовская 52 и Нададорес 63. Однако по числу неозерненных колосков явно выделялся сорт твердой пшеницы Саратовская 57 (24,2%). Меньшее число неозерненных колосков наблюдалось у Саратовской 36, что характерно для данного сорта в разные годы репродукции, и Нададорес 63. При воздействии карбофосом общее число колосков уменьшалось только у Нададорес 63, для остальных сортов наблюдаемые различия были статистически недостоверны. Однако иная картина отмечена в отношении числа неозерненных колосков в колосе пшеницы. Наблюдалось возрастание числа неозерненных колосков у Нададорес 63, Саратовской 36 и сортообразца Tr. monococcum К 30090. У остальных сортов – Саратовская 52, Саратовская 57 установлено уменьшение числа неозерненных колосков.

По числу зерновок в колосе контрольных растений пшеницы превосходство относительно других сортов отмечено у Нададорес 63 и Саратовской 36 (соответственно 29,64 и 29,04 шт. на один колос). Существенно меньшие значения этого признака структуры урожая наблюдались у сортообразца Tr. monococcum К 30090 – 18,16 шт. на один колос. При обработке растений карбофосом отмечено уменьшение числа зерновок в колосе Нададорес 63, Саратовская 57. У сортообразца Tr. monococcum (К 30090), наоборот, наблюдалось увеличение числа зерновок в колосе. Для других сортов наблюдаемые различия по числу зерновок в колосе были статистически недостоверны.

Итоговая составляющая сбалансированности морфогенетических процессов на этапе закладки метамеров вегетативной и генеративной зон побега и их реализации в последующем онтогенезе пшеницы отражается в массе зерновки колоса. Среди контрольных растений большая масса зерновки выявлена у Саратовской 52 (42,8 мг). Меньшая масса зерновки была установлена у сортообразца Tr. monococcum К30090 – 29,9 мг. В целом, следует отметить, что условия налива зерна в 2004 г. были благоприятны и зерно не было щуплым, что, как правило, значительно снижает массу зерновки (Кумаков, 1985; Степанов, 2001). Среди опытных растений масса зерновки была существенно меньше у Нададорес 63 и больше - у сортообразца Tr. monococcum К30090. Для остальных сортов наблюдаемые различия были не столь выражены.

Наиболее контрастно выражена значимость первичных морфогенетических процессов, т.е. заложение и формирование метамеров вегетативной и генеративной зоны побега пшеницы, при анализе структуры урожая по вариационным кривым элементов продуктивности побегов (Морозова, 1988). У всех сортов, включая Саратовскую 57, максимальные значения отдельных элементов продуктивности – число колосков и зерновок, масса зерновок, отмечались в разных классах вариационных рядов (рис. 9).

Для контрольных растений Саратовской 57 число побегов с числом колосков 3 класса составляло более 40%, по числу зерновок 2 класса достигало более 40%, по массе зерновки 3 и 4 класса – свыше 25% соответственно. У опытных растений число побегов с числом колосков 4 класса составляло более 45%, по числу зерновок 3 класса - свыше 40%, по массе зерновки 3 класса - также более 40% (см. рис.9).

Проведенный анализ вариационных кривых элементов продуктивности побегов контрольных и опытных растений показал, что при обработке карбофосом у всех сортов и сортообразца Tr. monococcum К 30090 наблюдается их изменение с различным распределением растений по числу побегов с определяемыми уровнями развития признаков продуктивности – по числу колосков, числу и массе зерновок. Учитывая, что обработка растений карбофосом осуществлялась на ранних этапах роста и развития (в фенофазу 2 листа), следует заключить, что его влияние осуществлялось системно через изменение баланса донорно-акцепторных отношений на каждом из этапов онтогенеза.

 Вариационные кривые элементов продуктивности побегов Саратовской-8

Рис. 9. Вариационные кривые элементов продуктивности побегов

Саратовской 57, 2004 г.

Обработка растений карбофосом отражалась также в изменениях других морфологических признаков растений - длины и диаметра междоузлий стебля.

ВЫВОДЫ

1. Установлена различная реакция на низкие концентрации Vx cо стороны колеоптиля, главного зародышевого корня, верхней и нижней пары корней пшеницы. Во всех вариантах опыта отмечается стимуляция роста зародышевых верхних придаточных корней. Меньший стимулирующий эффект выявлен в отношении главного зародышевого корня. Под действием Vx наблюдается увеличение длины зоны растяжения корня пшеницы, но уменьшается число корневых колосков и их длина.

2. Под действием зомана отмечается угнетение роста главного, зародышевого корня и колеоптиля кукурузы, но при этом возрастает длина зоны растяжения корня, его толщина, существенно уменьшается число корневых волосков и, за некоторым исключением, их длина.

3. Выявлен стимулирующий эффект низких концентраций карбофоса на рост колеоптиля, главного корня, нижней и верхней пары зародышевых корней пшеницы. Под действием карбофоса возрастает протяженность зоны растяжения корня, но уменьшается длина трихобластов.

4. Зародышевые корни пшеницы и кукурузы можно использовать в качестве биотеста на фосфорорганические ксенобиотики. В то же время корни кукурузы, являясь более крупными по сравнению с корнями пшеницы, удобны в практическом плане для проведения подобного рода исследований.

5. Наблюдается уменьшение содержания хлорофиллов а, b и каротиноидов, изменение соотношения между ними при поливе растений пшеницы водными растворами, содержащими Vx или зоман в предельно допустимой концентрации или меньше. Отмечается видоспецифичность пшеницы на действие фосфорорганических ксенобиотиков по содержанию пигментов фотосинтеза.

6. Установлена метамерная специфичность в абсолютном и относительном содержании пигментов фотосинтеза в пластинках листьев пшеницы Саратовская 36, растущей в полевых условиях. Абсолютное содержание пигментов составляет: для хлорофилла а - от 0,744 мг/г до 1,618 мг/г, хлорофилла b - от 0,292 мг/г до 0,532 мг/г, каротиноидов - от 0,233 мг/г до 0,508 мг/г сырого веса. Относительное содержание пигментов варьирует: для хлорофилла а - от 54,5 до 61,1%, хлорофилла b - от 19,7 до 27,2%, каротиноидов - от 18 до 22,1% от общего их количества.

7. Обработка растений водным раствором карбофоса в концентрации 3,3 ·103 мг/мл в начале развития проростков приводит к изменениям абсолютного и относительного содержания пигментов, соотношения между ними в зависимости от положения листьев в системе метамеров побега пшеницы.

8. Воздействие фосфорорганического ксенобиотика карбофоса в начале развития проростков пшеницы в дальнейшем проявляется в изменении морфологии и элементов продуктивности побегов. Выявлено различное распределение растений по числу побегов с определяемыми уровнями развития признаков продуктивности – числу колосков, количеству и массе зерновок, что, как правило, приводит к уменьшению урожая зерна.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Матвеева Н.Ю., Меринова Н.В., Конешов С.А., Степанов С.А. Влияние фосфорорганического ксенобиотика Vx на рост и развитие проростков Triticum aestivum // Бюллетень Бот. сада СГУ. Вып.3. Саратов: «Научная книга», 2004. С.159-162.

2. Матвеева Н.Ю., Меринова Н.В., Панферова Л.Ю., Степанов С.А. Влияние карбофоса на содержание пигментов фотосинтеза листьев пшеницы // Вопросы биологии, экологии, химии и методики обучения: Сб. науч. ст. Вып. 7. Саратов, 2004. С.133-136.

3. Меринова Н.В., Матвеева Н.Ю., Панферова Л.Ю., Степанов С.А. Действие фосфорорганического ксенобиотика зомана на рост и развитие проростков кукурузы // Вопросы биологии, экологии, химии и методики обучения: Сб. науч. ст. Вып. 7. Саратов, 2004. С.140-143.

4. Темниханов Т.Р., Матвеева Н.Ю. Влияние ацетилхолина на рост и развитие проростков Triticum aestivum L. // Студенческие исследования в биологии. Саратов: СГУ, 2004. С. 61-65.

5. Матвеева Н.Ю., Меринова Н.В., Панферова Л.Ю., Степанов С.А. Морфологические изменения проростков Triticum aestivum при действии фосфорорганического ксенобиотика Vx // Труды VII Международной конференции по морфологии растений, посвященной памяти И.Г. и Т.И. Серебряковых /Под ред. А.Г.Еленевского. М.: МПГУ, 2004. С.160 - 161.

6. Панферова Л.Ю., Меринова Н.В., Матвеева Н.Ю., Конешов С.А., Степанов С.А. Влияние фосфорорганических ксенобиотиков на содержание пигментов фотосинтеза листьев пшеницы // Сборник научных трудов СВИРХБЗ. Вып.5.– Саратов: СВИРХБЗ, 2005. С.176-179.

7. Меринова Н.В., Матвеева Н.Ю., Панферова Л.Ю., Конешов С.А., Степанов С.А. Использование зародышевых корней пшеницы в качестве тест-объектов на наличие ФОВ // Сборник научных трудов СВИРХБЗ. Вып.5. – Саратов: СВИРХБЗ, 2005. С. 173 - 176.

8. Матвеева Н.Ю., Меринова Н.В., Панферова Л.Ю., С.А.Конешов С.А., Степанов С.А. Морфогенетические аспекты адаптации пшеницы к действию карбофоса // Сборник научных трудов СВИРХБЗ. Вып.5. – Саратов: СВИРХБЗ, 2005. С.179-183.

9. Меринова Н.В., Матвеева Н.Ю., Панферова Л.Ю., Горюнов А.А., Степанов С.А. Влияние карбофоса на рост и развитие корней пшеницы // Вопросы биологии, экологии, химии и методики обучения: Сб. науч. ст. Вып.8. Саратов, 2005. С.124 - 126.

Выражаю глубокую признательность к.т.н. Мандычу В.Г., к.х.н. Конешову С.А., к.х.н. Конешовой Е.Ю., Мериновой Н.В. и Панферовой Л.Ю. за плодотворное обсуждение результатов работы.



 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.