Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 8
1.1. Состояние окружающей среды и проблемы ее загрязнения в связи с изменением природной экологии 8
1.1.1 Характеристика антропогенного воздействия на природные процессы, регулирующие состояние окружающей среды 8
1.1.2. Проблема загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами... 10
1.2. Кадмий, как один из основных элементов загрязнения природной среды тяжелыми металлами 18
1.2.1. Источники поступления кадмия в окружающую среду 18
1.2.2. Поведение кадмия в системе почва-растение 22
1.2.3. Основы механизма токсичности кадмия 30
1.2.4. Пути снижения токсического действия кадмия различными методами 33
1.2.5. Перспективные методы селекции растений на устойчивость к тяжелым металлам 39
1.3. Влияние повышенных концентраций кадмия на анатомическое строение растений 46
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ 52
2.1. Биологические особенности культуры 52
2.2. Характеристика исходных сортов 52
2.3. Культивирование льна-долгунца в условиях in vitro 53
2.3.1. Экспланты и среды 53
2.3.2. Клеточная селекция 54
2.4. Лабораторные и вегетационные опыты 55
2.5. Анатомическое строение стебля 56
2.5.1. Световая микроскопия 56
2.5.2. Электронная микроскопия 57
2.6. Анализ элементного состава зеленой массы льна-долгунца 58
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ И БИОХИМИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ЛЬНА-ДОЛГУНЦА В ПРИСУТСТВИИ КАДМИЯ 59
3.1. Влияние ионов кадмия на рост и развитие растений Льна-долгунца в условиях вегетационного опыта 59
3.2. Содержание тяжелых металлов в растениях льна, культивируемых в условиях присутствия кадмия 63
3.3. Влияние ионов кадмия на формирование проростков в условиях лабораторного опыта 65
ГЛАВА 4. ИЗУЧЕНИЕ МЕЗО- И УЛЬТРАСТРУКТУРЫ СТЕБЛЯ ЛЬНА-ДОЛГУНЦА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ КАДМИЯ 68
ГЛАВА 5. ИЗУЧЕНИЕ УСЛОВИЙ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ЛЬНА- ДОЛГУНЦА В УСЛОВИЯХ IN VITRO 79
ГЛАВА 6. КЛЕТОЧНАЯ СЕЛЕКЦИЯ ЛЬНА-ДОЛГУНЦА НА УСТОЙЧИВОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ПОВЫШЕННЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ КАДМИЯ В СУБСТРАТЕ 87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102
ВЫВОДЫ 106
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 108
- Состояние окружающей среды и проблемы ее загрязнения в связи с изменением природной экологии
- Характеристика исходных сортов
- Влияние ионов кадмия на рост и развитие растений Льна-долгунца в условиях вегетационного опыта
Введение к работе
В последние годы уделяется особое внимание проблеме загрязнения окружающей природной среды тяжелыми металлами. Эти вещества поступают из различных антропогенных источников. Рассеиваясь, они попадают в почву, а затем в растения и оказывают отрицательное действие как на биоту, так и на живые организмы. Среди тяжелых металлов выделяется кадмий, который является наиболее опасным и одним из самых распространенных элементов-загрязнителей данной группы. В настоящее время разрабатываются различные приемы ведения сельского хозяйства в условиях поступления поллютантов, снижающие риск дальнейшего загрязнения окружающей среды. Актуальность данной проблемы выражается и в том, что исключить присутствие тяжелых металлов невозможно, поэтому необходимо использовать разрабатываемые способы для ведения сельского хозяйства в условиях повышенного содержания данных элементов-загрязнителей.
Для достижения поставленной задачи используют различные мелиоративные приемы, направленные на максимальное физико-химическое связывание тяжелых металлов в почве, что позволяет снизить их миграцию в грунтовые воды. К таким приемам относится известкование, внесение органических и минеральных удобрений, использование цеолитов и других сорбентов, а также, в экстремальных случаях, нанесение почвенного слоя. Помимо данных способов, определенный интерес представляют биологические методы деконтаминации загрязненных почв при помощи растений. Такие приемы основаны на способности некоторых видов и генотипов растений извлекать из почвы тяжелые металлы. Исключив возможность дальнейшего загрязнения почв и занимая поля техническими культурами, а также растениями, дающими экологически безопасную продукцию, можно постепенно снизить содержание тяжелых металлов за счет естественных процессов самоочищения в результате выноса элементов растениями. Для достижения этой цели необходимы растения, естественно ус-
тойчивые к повышенному содержанию тяжелых металлов в почвенном растворе, поэтому важно создавать такие растения.
Лен - одна из важнейших исконно российских технических культур комплексного использования. Продукты переработки льна-долгунца востребованы во многих отраслях промышленности. В то же время селекция льна, проводимая на основе традиционных методов, остается трудоемким процессом, требующим длительного времени и определенных навыков. Следует отметить, что на сегодняшний день биотехнологические методы выращивания этой культуры с целью получения новых форм и генотипов освоены слабо. В настоящее время помимо селекции на качество (тонковолокнистость, структурный состав волокнистой части, состав масла), устойчивость к полеганию и комплексу болезней, семенную продуктивность и дружность созревания растений, важно вести селекцию на экологическую устойчивость с учетом экологических особенностей региона будущего возделывания сорта и характер последующей переработки продукции льна. Учитывая широкий ареал возделывания данной культуры, включая страны центральной и северной Европы, следует отметить неодинаковую экологическую обстановку в регионах возделывания данной культуры. Так, в России, Украине и Белоруссии наблюдается значительное загрязнение почв тяжелыми металлами. В связи с этим целесообразно использовать данную культуру для рекультивации земель с возможностью последующего получения волокна и продуктов его переработки.
Поскольку экспериментов по изучению культивирования льна-долгунца в условиях in vitro с последующим получением форм растений, устойчивых к тяжелым металлам, не проводилось, то целью данной работы являлось получение методами клеточной селекции форм растений льна-долгунца, устойчивых к кадмию, а также изучение влияния данного металла на процесс формирования лубяных пучков стебля льна. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
изучить условия культивирования каллусной ткани льна-долгунца in vitro с последующей оптимизацией питательных сред, обеспечивающих получение растений-регенерантов;
разработать и провести клеточную селекцию льна-долгунца in vitro на устойчивость к кадмию;
изучить влияние кадмия на рост и развития растений льна-долгунца в условиях вегетационного и лабораторного опытов;
сравнить содержание кадмия и других тяжелых металлов в диких и культурных растениях льна, выращиваемых в условиях повышенного содержания кадмия;
изучить влияние кадмия на мезо- и ультраструктуру стебля льна.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые была разработа
на и проведена клеточная селекция на устойчивость к кадмию in vitro. Показано,
что присутствие кадмия в питательной среде в концентрации 25 и 35 мг/л при
водило к быстрому ингибированию всех изучаемых процессов. Поэтому эти
концентрации не целесообразно использовать в работах по клеточной селекции.
Концентрация кадмия в питательной среде 15 мг/л позволяет проводить отбор
клеток, и получать растения-регенеранты, устойчивые к металлу. В результате
работ in vivo было показано влияние кадмия на мезо- и ультраструктуру стебля
льна. Установлено, что кадмий воздействует на строение лубяных пучков, сни
жая в них число элементарных волоконец и приводя к образованию нитевидных
лубяных пучков толщиной в 1-2 клетки, а также к некомпактному расположе
нию клеток элементарных волоконец в пучке. Изменений различных слоев кле
точной стенки, пластид, цитоплазмы и ядра при воздействии кадмия не было
выявлено. Сравнительный анализ по накоплению хрома, никеля и кадмия у
культурных и диких растений льна позволил установить, что культурные виды
льна накапливают кадмий, не концентрируя при этом в вегетативной массе хром
и никель, тогда как дикие виды льна, напротив, не накапливают кадмия в расте
ниях, но концентрируют хром и никель.
V»,
Практическая значимость работы заключается в том, что линии, полученные при помощи методов селекции биотехнологии, в дальнейшем могут быть использованы для рекультивации земель в качестве культур, очищающих почву от соединений токсичных элементов, или в качестве сырья для получения различной продукции, не употребляемой человеком в пищу, такой как технических масла, прядильное волокно и др.
Полученные результаты были доложены на IV Международной конференции "Регуляторы роста и развития растений" (Москва, 1997), VII Международной конференции "Биология клеток растений in vitro, биотехнология и сохранение генофонда" (Москва, 1997), на V Международной конференции "Регуляторы роста и развития растений" (Москва, 1999), на Научной конференции МСХА (Москва, 7-Ю декабря, 1999).
Вся экспериментальная работа была выполнена на кафедре сельскохозяйственной биотехнологии ТСХА под руководством академика РАСХН Шевелухи B.C. и кандидата биологических наук Калашниковой Е.А.
Состояние окружающей среды и проблемы ее загрязнения в связи с изменением природной экологии
К настоящему времени интенсивная промышленная деятельность человека и недостаточное применение мероприятий по охране окружающей среды привело к тотальному загрязнению почвы, мирового океана, а так же растительного и животного мира. В окружающую среду выбрасывается сотни миллионов тонн в год различных продуктов антропогенной деятельности человека (85). При этом остро встает проблема резкого ухудшения состояния окружающей среды и истощения природных ресурсов в возрастающих масштабах.
Ареалы неблагоприятных экологических ситуаций выделяются на основании научных и хозяйственных оценок природоохранной проблемы местности и подразделяются на сложные, переходные и простые в зависимости от количества и видов природоохранных проблем. В выделенных ареалах возникают сложно устранимые, иногда необратимые изменения природы и ландшафтов (78, 85).
Возникновение сложных ареалов обусловлено взаимовлиянием загрязняющих воздействий промышленных центров, горных разработок, сельскохозяйственного производства и очень высокой плотностью населения. К сложным ареалам относят Донбасс, Куйбышевский промышленный узел, Кузбасс, промышленную зону восточного Урала, Ферганскую долину, Закавказье. Главная проблема этих ареалов - загрязнение воздуха и воды, усугубленная высокой плотностью населения, а также деградация и разрушение природных ландшафтов.
Для переходных ареалов характерны истощение или утрата водных, лесных, биологических, земельных ресурсов, причем по остроте проблем экологии данные ареалы находятся на уровне сложных. К этой группе отнесены ареалы горных разработок (Кольский полуостров, северо-восток Сибири); загрязнения вод, атмосферного воздуха (Норильск); деградации лесов (Прибайкалье).
Простые ареалы характеризуются истощением и утратой определенных видов естественных ресурсов. Это территории с интенсивными лесоразработками; сильно загрязненные и частично утратившие свое ресурсное значение водные объекты (Азовское, Черное, Белое, частично Каспийское моря, Онежское и Ладожское озера); сильно эродированные пахотные и пастбищные земли (центрально-Черноземная область, Северный Казахстан), деградированные пастбища Калмыкии, а также территории, где существуют угроза генофонду и потери уникальных природных ландшафтов, которые сложно восстановить (78, 80, 85). Для этих регионов также характерны значительные потери биологической продуктивности и плодородия почв.
Значительный вклад в загрязнение окружающей среды вносят металлургическая, химическая промышленность, сельскохозяйственное производство, коммунальное хозяйство. Известно также, что с выхлопными газами автомобильного и авиационного транспорта в атмосферу попадают сотни миллионов тонн газообразных, жидких и твердых продуктов, причем некоторые из них обладают высокой токсичностью для человека, животных, растений (78, 85).
При этом важно отметить, что растения и вода являются основной и постоянной составляющей "пищевых цепей" в природе. Их состав обусловлен составом почв и применяемыми удобрениями, поэтому особенно важно комплексно изучать проблемы загрязнения растительного мира во взаимодействии круговорота элементов в системе человек - окружающая среда в различных аг-роэкологических районах. Необходимо исследовать и пути снижения поступления загрязняющих элементов в растительную продукцию, а, следовательно, в организм животных и человека.
Возникновение природоохранных проблем связано с неправильным экстенсивным подходом к использованию природных ресурсов. При этом не уделяется должного внимания особенностям ландшафтов, устойчивости к антропогенной нагрузке. В совокупности данные причины приводят к расширению ареалов загрязнения и появлению новых природоохранных проблем. Следует отметить, что ареалы всех групп подвержены воздействию промышленного загрязнения, которое также имеет ряд слагаемых: промышленные выбросы в атмосферу, загрязнение почв сточными водами, поступление в окружающую среду отходов металлургической, химической промышленности и т.д. В связи с этим важно изучение составляющих промышленных выбросов во взаимодействии с компонентами окружающей среды и растительным миром для комплексного подхода к решению проблем очищения уже загрязненных ареалов и препятствию возникновения новых, экологически неблагополучных, очагов.
Характеристика исходных сортов
Культура лен-долгунец (Linum Usitatissimum) относится к роду Linum семейства Linacea. Это однолетнее двудольное травянистое растение. От остальных разновидностей он отличается большей длиной стебля, ветвящейся только в верхней части. Листья льна ланцетовидные, сидячие, расположенные на стебле поочередно по винтовой линии. Соцветие промежуточное между зонтиком и кистью. Корневая система растения слабо развита. Длинный стержневой корень тонкий, поэтому не обеспечивает большой площади контакта с почвой, боковые корешки развиты слабо и располагаются только в верхнем горизонте почвы. Такие особенности развития корневой системы отрицательно влияют на способность корней льна усваивать элементы питания из более глубоких слоев почвы. В период жизненного цикла льна-долгунца различают следующие фазы: всходы, "елочка", быстрого роста, переходящая и продолжающаяся в период бутонизации, цветение, созревание (зеленая, ранняя желтая, желтая, полная спелость). Продолжительность каждой фенофазы, как и всего жизненного цикла льна-долгунца, зависит от сортовых особенностей и условий выращивания. В среднем его вегетационный период составляет 80-90 дней. Основной продуктивный орган льна-долгунца - стебель. К настоящему времени анатомическое строение стебля льна-долгунца хорошо изучено, поскольку анатомическая картина поперечного среза позволяет оценить количество и качество волокна и в некоторой степени свойства устойчивости растений к полеганию (43,46).
Влияние ионов кадмия на рост и развитие растений Льна-долгунца в условиях вегетационного опыта
Исходя из того, что визуальные наблюдения и метрические измерения (высота стебля) контрольных и опытных образцов не имели ярко выраженных различий, то в таблице 5 представлены данные по сортам опытного варианта. Визуальные наблюдения позволили выявить сходство в развитии растений льна- долгунца в фазе "елочки" в опытных вариантах и в контроле. Растения имели по 7-8 пар листьев правильной морфологии, расположенных на стебле поочередно по спирали. У всех растений преобладал линейный рост стебля. Анализируя данные таблицы 5, следует отметить, что при внесении кадмия некоторые измеряемые показатели (высота растений) несколько отличались от представленных в литературе данных. Так, из литературных источников было установлено, что высота растений в фазу "елочки" составляет 5-10 см, тогда как полученные опытные данные колебались в пределах от 10,59 до 16,58 см. Это можно объяснить влиянием погодных условий в течение вегетации, что обуславливает особенности роста растений в каждой отдельной фазе развития, а также длительность самой фазы. Соответственно и другие измеряемые показатели по общей и сухой массам несколько выше представленных в литературе (43, 50, 79).
Хотя фаза "елочки" характеризуется активным ростом корневой системы и медленным - надземной части, показатель роста последней несколько варьировал в опыте. Как видно из таблицы, наибольшей высотой стебля в анализируемой фазе отличался сорт ВНИИЛ 11, наименьшей - Псковский 359, хотя оба генотипа относятся к среднеспелым. Возможно, данные различия связаны с сортовыми особенностями, определяющими физиологическое развитие растений. Остальные анализируемые генотипы, включая дикий вид льна, характеризовались равномерностью роста растений, что касается, соответственно, и других показателей.
Поскольку морфологические показатели растений в опытных и контрольных вариантах в фазе "елочки" были схожи, для установления различий по анализируемым вариантам был проведен вегетационный опыт с двумя генотипами льна-долгунца в динамике роста растений. Фаза "быстрого роста" характеризуется активным ростом стебля льна-долгунца, что способствует выявлению различий между контрольным и опытным вариантом при воздействии кадмия.
