Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Свинец и кадмий в окружающей среде 8
1.2. Пути поступления свинца и кадмия в растения 14
1.3. Влияние свинца и кадмия на рост и развитие растений 20
1.4. Изменение физиологических показателей растений под влиянием свинца и кадмия 26
1.5. Механизмы устойчивости растений к действию тяжелых металлов
Глава 2. Объекты и методы исследования
2.1. Объекты исследования 39
2.2. Методы исследования 40
Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение
3.1. Влияние свинца и кадмия на всхожесть семян однолетних злаков 43
3.2. Изменение ростовых показателей однолетних злаков под влиянием свинца и кадмия
3.2.1. Рост корня 47
3.2.2. Рост побега 52
3.2.3. Рост и дифференциация стеблевых апикальных меристем 62
3.3. Влияние свинца и кадмия на развитие однолетних злаков на ранних этапах онтогенеза 69
3.3.1. Фенологическое развитие 70
3.3.2. Темпы органогенеза 76
3.4. Влияние свинца и кадмия на листовой аппарат однолет них злаков на ранних этапах онтогенеза 82
3.4.1. Площадь листовой пластинки 84
3.4.2. Оводненность тканей листа 86
3.4.3. Содержание зеленых пигментов 89
3.4.4. Интенсивность фотосинтеза и дыхания, чистая продуктивность фотосинтеза 95
Заключение 103
Выводы 107
Список литературы 109
- Пути поступления свинца и кадмия в растения
- Механизмы устойчивости растений к действию тяжелых металлов
- Изменение ростовых показателей однолетних злаков под влиянием свинца и кадмия
- Влияние свинца и кадмия на листовой аппарат однолет них злаков на ранних этапах онтогенеза
Введение к работе
Актуальность темы. В последние десятилетия в связи с быстрым развитием промышленности во всем мире наблюдается значительное возрастание содержания тяжелых металлов в окружающей среде. Наиболее токсичными среди них считаются свинец и кадмий (Алексеев, 1987). Во всех международных документах, посвященных проблемам биосферы и окружающей среды, эти два металла неизменно называются особо опасными загрязнителями (Нестерова, 1989). Несмотря на то, что кадмий не является необходимым для жизнедеятельности растений элементом, а свинец нужен лишь в очень малых концентрациях для работы некоторых ферментов, эти металлы активно поглощаются растениями. Их опасность усугубляется тем, что свинец и кадмий сохраняют свои токсические свойства в течение продолжительного времени и обладают кумулятивным действием (Минеев и др., 1982). В связи с этим, изучение реакции растений на присутствие повышенных концентраций тяжелых металлов в окружающей среде вызывает большой научный и практический интерес.
Следует отметить, что влиянию свинца и кадмия на растения посвящено довольно большое количество публикаций как зарубежных (Bazzaz et al., 1974; Foy et al., 1978; Lee et al., 1985; Salim et al., 1995; Vassilev et al., 1995; Wojcik, Tukendorf, 1997; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), так и отечественных (Ковда и др., 1979; Первунина и др., 1981; Алексеева-Попова, 1983; Алексеев, 1987; Нестерова, 1989; Ягодин, 1989; Мельничук, 1990; Ильин, 1991; Титов и др., 1995; Таланова и др., 1999 и др.) авторов. Однако, несмотря на это многие аспекты их действия на растительный организм остаются недостаточно изученными. В частности, в последнее время появился ряд работ, посвященных анализу
влияния тяжелых металлов на апикальные меристемы корней (Brescle, 1991; Бессонова, 1991; Серегин, 1999). Действие же металлов на апикальные меристемы стебля, судя по известным нам литературным данным, не изучалось вообще. Недостаточно внимания уделяется и вопросам изменения металлоустойчивости растений в процессе их развития, хотя известно, что степень устойчивости к неблагоприятным факторам среды может значительно изменяться в онтогенезе. Практически не раскрыт вопрос о влиянии свинца и кадмия на сам процесс развития. Работы в этой области ограничиваются главным образом наблюдением за изменением под влиянием тяжелых металлов фенологических фаз, что далеко не во всех случаях дает объективную и точную картину.
Цель и задачи исследований. Целью нашей работы явилось изучение влияния свинца и кадмия на процессы роста, развития, а также некоторые физиологические показатели и процессы, связанные с работой листового аппарата, у растений однолетних злаков на ранних этапах их онтогенеза.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
исследовать влияние свинца и кадмия на всхожесть семян однолетних злаков;
установить характер изменения ростовых показателей однолетних злаков в присутствии свинца и кадмия в зависимости от фазы развития растений;
изучить с помощью морфофизиологического метода влияние свинца и кадмия на рост и дифференциацию апикальных меристем стебля однолетних злаков;
оценить влияние свинца и кадмия на темпы органогенеза однолетних злаков;
- исследовать влияние свинца и кадмия на некоторые физиологические показатели и процессы однолетних злаков, связанные с работой листового аппарата.
Научная новизна работы. Проведено комплексное исследование влияния ионов свинца и кадмия на рост и развитие однолетних злаков на ранних этапах онтогенеза (с момента прорастания семян до фазы 3-х настоящих листьев). Выявлена способность семян ячменя и овса успешно прорастать при наличии в субстрате достаточно высоких концентраций свинца и кадмия. Показано ослабление ингибирующего действия свинца и кадмия (при их одноразовом внесении в субстрат) в отношении основных ростовых показателей растений однолетних злаков в процессе онтогенеза. С помощью морфофизиологического метода впервые установлено отрицательное влияние свинца и кадмия на рост и дифференциацию стеблевых апикальных меристем, а также на темпы органогенеза однолетних злаков. Обнаружены различия в изменении под влиянием свинца и кадмия ряда физиологических процессов и показателей, связанных с работой листового аппарата злаков: в зависимости от концентрации металлов отмечена их стимуляция, отсутствие реакции или подавление активности. Установлены летальные концентрации кадмия в корнеобитаемой среде (используемого в форме уксуснокислой соли), приводящие не только к полной остановке роста и развития однолетних злаков, но и к их гибели.
Практическая значимость работы. Полученные экспериментальные данные дополняют и расширяют современные представления об адаптивных возможностях высших растений по отношению к неблагоприятным факторам среды, в частности, к избытку тяжелых металлов в корнеобитаемой среде и могут быть использованы при чтении курса и спецкурсов по физиологии растений в ВУЗах. Результаты исследований
позволяют предложить использование морфофизиологического метода и таких показателей как длина конуса нарастания и степень его дифференциации для оценки металлоустойчивости растений однолетних злаков на ранних этапах их онтогенеза.
Пути поступления свинца и кадмия в растения
Важное место при разработке мероприятий по охране природной среды от загрязнения тяжелыми металлами занимает изучение их поглощения растениями. С этой точки зрения все тяжелые металлы можно разделить на две группы: 1) необходимые для метаболизма растений (Fe, Си, Мп, Мо), которые становятся токсичными, если их содержание превышает необходимый для растений уровень, и 2) металлы, не участвующие в метаболизме растений (Pb, Cd, Hg), которые токсичны даже в очень малых концентрациях (Siedlecka, 1995).
Растения могут поглощать свинец и кадмий из двух источников -почвы и воздуха (Парибок и др., 1981; Виноградов, 1985 и др.; Smith, 1973; Czanowska, 1974). Механизмы поступления металлов в растения корневым путем включают как пассивный (неметаболический) перенос ионов в соответствии с градиентом их концентрации, так и активный (метаболический) процесс поглощения клеткой против градиента концентрации (Hughes et al., 1980; Grilling, Peterson, 1981). Пассивное поступление происходит в соответствии с законами осмоса и диффузии, с транспирационным током. Активное - с затратой энергии и сопровождается селективным поглощением элементов из раствора. Соотношение пассивного и активного механизмов поступления веществ во многом зависит от условий внешней среды. Отмечено, что при содержании металлов в микроколичествах (в пределах фонового уровня) основной вклад вносит активное метаболическое поглощение (Loneragan, 1975). При наличии во внешней среде высоких концентраций металлов поглощение носит преимущественно не метаболический характер, а является результатом их диффузии в свободное пространство корня (Culter, Rains, 1974).
Данные многих исследований позволяют считать, что основная часть поступивших в корни тяжелых металлов транспортируется в надземные органы по апопласту (Broyer et al., 1972). Однако возможен и сим-пластический транспорт металлов, что представляет опасность с точки зрения возможности их отложения в клетках стеблей и листьев (Нестерова, 1989). Существует также мнение, что в вегетативные части растения ионы металлов поступают главным образом апопластически, а в репродуктивные органы - симпластически (Алексеев, 1987; Большаков и др., 1993; Jonathan et al., 1998).
В целом, как описано А.Н. Нестеровой (1989), основной путь ионов свинца и кадмия в корнях можно представить следующим образом: двухэтапное поглощение, транспорт по апо- и симпласту до эндодермы и в базальные участки корня. В дальнейшем происходит их проникновение в центральный цилиндр через молодую эндодерму со слаборазвитыми поясками Каспари, а также частично через избирательно проницаемые мембраны протопласта в эндодерме. И далее осуществляется поступление части ионов или комплексных соединений металлов по ксилеме в надземные органы.
Важно отметить, что корни растений являются мощным барьером на пути транспорта тяжелых металлов в надземные части растений. Он включает в себя слой клеток протодермы с прилегающими клетками меристемы, эндодерму и клетки центральной части апикальной меристемы (Lane, Martin, 1977; Wierzbicka, 1987; Серегин, Иванов, 1997). Помимо корневого у растений существуют еще как минимум два физиологических барьера, где возможно связывание тяжелых металлов: на границе корень-стебель и стебель-соцветие (Haghiri, 1973; Ковда и др., 1979; Скрипниченко, Золотарева, 1981; Ильин, 1991).
На поступление металлов из почвы в растения влияют такие почвенные факторы как тип почвы, концентрация, форма нахождения тяжелого металла, рН почвы и ее гранулометрический состав, содержание органических веществ, емкость поглощения катионов в почве (Большаков и др., 1978). Способность растений к поглощению металлов варьирует в зависимости от видовых особенностей, а также от фазы развития. Известно, что наиболее активно металлы поглощаются на ранних фазах онтогенеза (Ильин, 1991), а у злаков - еще и в период созревания семян (Скрипниченко, Золоторева, 1981).
Значительное воздействие на растения может оказывать и поступление свинца и кадмия из воздушных источников через листья. Оно состоит из двух фаз: 1) неметаболического проникновения через кутикулу (которое рассматривается как главный путь поступления) и 2) метаболического переноса ионов через плазматические мембраны и протоплазму клеток, т.е. их накопление против градиента концентрации (Kannan, 1980). Металлы, поглощенные листьями, могут переноситься в другие органы и ткани растения, включая и корни (Levi et al., 1973; Парибок и др., 1983). Часть металлов, захваченная листьями, может быть вымыта дождевой водой (Козаренко, Козаренко, 1996). Для разных элементов характерна неодинаковая степень вымываемости. Например, свинец легко удаляется с поверхности листа, так как он, очевидно, присутствует в виде осадка (Roberts et al., 1974). Напротив, малая доля смываемого кадмия указывает на значительное проникновение его в листья (Kabata-Pendias, 1969).
Выделить вклад корневого и воздушного поглощения в концентрацию тяжелых металлов в растительных тканях довольно трудно, так как прямой зависимости между концентрацией металла в окружающей среде и в растениях, как правило, не существует.
Свинец. Наибольшее количество свинца, поглощенного корнями, откладывается в клеточных стенках (Zimdahl, 1976). Считают, что там он связывается полиуроновыми кислотами полисахаридов (Bazzaz et al., 1974; Foy et al., 1978) или SH-группами белков клеточных оболочек (Smith, 1973). С помощью электронной микроскопии установлено, что в коре корня свинец преимущественно передвигается по апопласту, в стеле его распределение носит внутриклеточный характер. Имеются сведения о существовании как ксилемного транспорта свинца из корней в надземные органы, так и транспорта по флоэме (Lane, Martin, 1982). Перемещение свинца по растению весьма ограничено, однако на ранних стадиях развития барьерная роль эндодермы корня выражена слабо и в силу этого свинец проникает в ксилему, а оттуда в надземные части растений (Нестерова, 1989).
Переносимый по воздуху свинец может поглощаться растениями через листья. Однако в отличие от некоторых других металлов, при незначительных концентрациях он плохо проникает в лист и почти не передвигается в нем (Littlle, 1973). Видимо, барьером для него выступают эпидермис и особенно кутикула. Напротив, в условиях избытка металла таким путем в растения может попадать до половины содержащегося в атмосфере свинца (Обухов, Лепнева, 1987).
Необходимо отметить, что поступление свинца в растения как корневым, так и воздушным путем, во многом зависит от видовых особенностей растений (Ильин, 1985). Например, относительно большое количество свинца способны поглощать растения из семейств Rosaceae, Vacciniaceae и Роасеае (Обухов, 1987).
Механизмы устойчивости растений к действию тяжелых металлов
Как было сказано выше, прямым следствием действия тяжелых металлов на растения являются замедление процессов роста и развития, снижение их продуктивности, изменение скорости процессов фотосинтеза и дыхания, уменьшение оводненности тканей. Вместе с тем нельзя не отметить, что в процессе адаптации растения выработали определенные механизмы для защиты от стресса, вызванного действием тяжелых металлов.
Общепринято рассматривать металлоустойчивость как способность растительных организмов адаптироваться к воздействию тяжелых металлов без сколько-нибудь заметного нарушения физиологических функций (Кожанова, Дмитриева, 1989). Как показывают исследования разных авторов, металлоустойчивость связана с определенными изменениями, происходящими на клеточном, тканевом, органном и организ-менном уровне. Наиболее изученными являются клеточные механизмы металлоустойчивости.
Механизмы иммобилизации металлов структурными элементами клетки. Первым барьером на пути поступления ионов тяжелых металлов в клетку выступает клеточная стенка. Иммобилизация в ней ионов металлов считается важнейшим и универсальным механизмом устойчивости растений к избытку свинца и кадмия (Алексеева-Попова, 1987; Davies et al., 1991). При этом выделяют два типа иммобилизации: 1) накопление ионов металлов в свободном пространстве; 2) связывание металлов специфическими участками (Феник и др., 1995). Накопление ионов тяжелых металлов в свободном пространстве клеточной стенки определяется величиной ионообменного коэффициента, которая в значительной степени зависит от количества гидроксильных групп, размещенных на поверхности пектинов (Culter, Rains, 1974). Прочно связываясь с веществами клеточной стенки металлы действуют на ее структуру и могут снижать способность к растяжению (Lane et al., 1978). В случае роста растений на сильно загрязненных металлами почвах клеточная стенка достигает своеобразного «насыщения» (Taylor, 1991). Ее барьерные функции при этом теряются, и она уже не может защищать клетку от токсического воздействия металлов.
Существенную роль в механизмах иммобилизации тяжелых металлов играет вакуоль. Ее защитная роль заключается в накоплении и детоксикации металлов (Ernst et al., 1975; Brookes et al., 1981; Thurman, Runkin, 1982). Считается, что ионы металлов накапливаются в цитоплазме, где они связываются аминокислотами, органическими кислотами, низкомолекулярными белками и затем транспортируются в вакуоль (Malabika, 1990). Иммобилизация ионов металлов как в клеточной стенке, так и в вакуоле приводит к переводу их в неактивную форму. Согласно мнению некоторых исследователей (Turner, 1970; Ernst, Weinert, 1972), тяжелые металлы в корнях иммобилизуются в клеточной стенке, а в листьях - в вакуолях.
Мембранные механизмы металлоустойчивости. Важную роль в формировании устойчивости растений к тяжелым металлам играет плазмалемма (Dematry et al., 1984). Во-первых, она может полностью блокировать поступление токсичных ионов в клетку (Taylor, 1991), во-вторых, может снижать уровень пассивного трансмембранного транспорта токсичных ионов (Foy et al., 1978; Taylor, 1987; Wagatsuma, Akiba, 1989). Кроме того, поскольку плазматическая мембрана обеспечивает поддержание ионного баланса между клеткой и средой, то изменения в функционировании ее ионтранспортных систем (ионных каналов и АТФ разных помп) оказывают существенное влияние на ионный и энергетический обмен клетки, что также способствует формированию ее металлоустойчивости (Bonaly et al., 1980). Не менее важный механизм повышения устойчивости растений к тяжелым металлам, связанный с работой плазмалеммы, это уменьшение доступных для реагирования с ионами металлов SH-групп на наружной стороне плазмалеммы при одновременном увеличении их числа внутри клетки (Kaplan et al., 1995; Pressley, Sabatini, 1996 - пит. по Демидчик и др., 2001).
В последние годы рядом исследователей развивается гипотеза о формировании металлоустойчивости за счет повышения содержания ненасыщенных жирных кислот (Демидчик и др., 2001). Однако не ясно, связан ли этот эффект с ростом общей текучести мембраны (повышением ее упорядоченности) или с увеличением числа мембранных мишеней для металлов. Имеются единичные сведения (Fodor et al., 1995) о том, что при действии кадмия повышается упорядоченность липидного бислоя на всей его глубине. Подобная модификация мембраны способствует ее меньшей чувствительности к прямому действию кадмия.
Изменение ростовых показателей однолетних злаков под влиянием свинца и кадмия
Приспособительные реакции растений, обеспечивающие их устойчивость к стрессам, во многом связаны с ингибированием ростовых процессов (Жученко, 1988). Характерным ответом растения на повышение во внешней среде концентрации тяжелых металлов также является замедление роста. Несмотря на то, что влияние ионов этих металлов, в частности, свинца и кадмия на рост растений изучается давно (Ковда и др., 1979; Алексеева-Попова, 1990; Bazzaz, 1974; Foy, 1978; Vassilev et al., 1996 и многие др.), ряд вопросов требует дальнейших исследований. В частности, недостаточно полно изучена устойчивость растений к высоким концентрациям металлов. Кроме того, действие тяжелых металлов на растения обычно рассматривалось только в зависимости от их концентрации в окружающей среде, без учета фазы развития. Хотя известно, что характер ответной ростовой реакции растений на стресс может заметным образом изменяться в онтогенезе (Жученко, 1988). В связи с этим одной из задач наших исследований было изучение влияния различных (в том числе и очень высоких) концентраций свинца и кадмия на ростовые показатели ячменя и овса в процессе их онтогенеза.
Известно, что корни растений являются первым барьером на пути транспорта тяжелых металлов, в частности, свинца и кадмия в растение (Jordan, 1975; Ковда и др., 1979; Нестерова, 1997 и др.). Начиная с ранних этапов развития и на протяжении всего онтогенеза именно корень берет на себя основную функцию по аккумуляции и детоксикации металлов.
Наши исследования влияния свинца и кадмия на рост корня однолетних злаков показали, что в целом действие обоих металлов оказалось однотипным: с увеличением концентрации в субстрате у растений уменьшалась (по отношению к контролю) длина корня, снижалось накопление биомассы. Вместе с тем, торможение роста корня в присутствии кадмия начиналось при более низкой концентрации, чем в присутствии свинца. Аналогичный эффект отмечался и в работах других авторов (Devit, Verbeken, 1978; Нестерова, 1991; Salim et al., 1995 и др.), однако их исследования проводились лишь в одну определенную фазу развития, чаще всего в фазу проростков.
Изучая влияние свинца и кадмия на рост корня в процессе развития злаков (с момента прорастания до фазы 3-х листьев) мы выяснили, что ингибирующий эффект металлов в отношении роста корня (при одноразовом внесении металлов в субстрат) уменьшается в онтогенезе растений (рис. 1). К примеру, в фазу проростков достоверное снижение длины корня в присутствии свинца наблюдалось при использовании концентраций уксуснокислой соли от 400 мг/кг и выше, а в фазы 2-х и 3-х листьев - от 600 мг/кг и выше, в присутствии кадмия эти дозы были ниже - начиная от 200 мг/кг и 400 мг/кг, соответственно. Эксперименты также показали, что использование таких высоких концентраций ацетата кадмия, как 800 и 1000 мг/кг приводило к полной остановке роста корня злаков уже в фазу проростков.
Отмеченное в наших опытах ингибирование роста корней под влиянием свинца и кадмия, по-видимому, является результатом замедления клеточного деления (Gabbrielli et al., 1990; Сергеев, Иванов, 1991; Punz, Sieghardt, 1993). Причем предполагается, что при загрязнении среды свинцом оно, связано с действием ионов металла на микротрубочки (Wierzbicka, 1988), тогда как ионы кадмия блокируют клеточное деление вследствие нарушения цитокенеза (Ваулина, 1978; Мельничук, 1990). Помимо задержки клеточного деления возможными причинами замедления роста корней в присутствии избытка свинца и кадмия могут быть: нарушение металлами процессов растяжения клеток (Lane et al., 1978; Алексеева-Попова, 1983), изменение гормонального баланса, в частности, увеличение количества АБК (Poshienrieder, et al., 1990; Таланова и др., 2000), ингибирование клеточного метаболизма (Кабата Пендиас, Пендиас, 1989). В присутствии очень высоких концентраций ацетата кадмия (800 и 1000 мг/кг) клеточное деление в корне, очевидно, блокировалось, но за счет растяжения корень еще продолжал какое-то время расти. В дальнейшем под влиянием указанных концентраций происходила гибель растений.
Уменьшение ингибирующего действия металлов в отношении роста корня в процессе развития растений, по-видимому, обусловлено разными причинами. Во-первых, снижением скорости поступления свинца и кадмия в клетки корня (Ковда и др., 1979). Во-вторых, уменьшением количества токсичных ионов в результате действия механизмов детоксикации (Нестерова, 1989; Prasad, 1998). В-третьих, способностью клеток корневой меристемы к регенерации (Гуральчук, 1991).
В качестве одного из показателей металлоустойчивости растений принято рассматривать накопление биомассы корнями. Результаты наших исследований показали, что повышение концентрации свинца и кадмия приводит к уменьшению этого показателя. Причем, степень ингибирования накопления биомассы (рис. 2) изменялась в зависимости от токсичности металла, его концентрации, вида растения, а также от фазы развития практически в тех же пределах, что и длина корня. Эти данные согласуются с наблюдениями других исследователей, которые проводили свои эксперименты в лабораторных условиях (Barcelo, Poshenrieder, 1990; Бессонова, 1991; Титов и др., 1995 и др.).
Влияние свинца и кадмия на листовой аппарат однолет них злаков на ранних этапах онтогенеза
Анализ литературных данных, а также наши собственные исследования показывают, что общими проявлениями токсического действия тяжелых металлов на растения являются торможение роста и задержка развития. Эти симптомы могут быть вызваны как прямым действием металлов на клеточное деление и растяжение, так и их косвенным влиянием, связанным с изменением метаболизма, нарушением в протекании основных физиологических процессов, таких, например, как фотосинтез и дыхание.
Неслучайно влияние тяжелых металлов на процессы фотосинтеза и дыхания и связанные с этим изменения листового аппарата довольно активно изучаются. Вместе с тем многие аспекты этого вопроса остаются еще не до конца выясненными. Например, в литературе существуют значительные расхождения во мнениях относительно влияния различных концентраций металлов на эти процессы. Одни авторы (Padmaja et al., 1990; Moreno-Casseles et al., 2000) указывают на снижение количества пигментов и угнетение интенсивности фотосинтеза уже при незначительных дозах металлов (до 10 мг/л), тогда как другие (Huang et al., 1974; Carlson et al., 1975; Vassilev et al., 1998; Oncel, 2000) считают, что только очень высокие концентрации могут оказывать ингибирующее воздействие на эти процессы. Уровень дыхания листьев, по мнению ряда исследователей, в присутствии металлов может увеличиваться (Lee et al., 1976), хотя другие авторы, отмечают только ингибирующее их действие на этот процесс (Strickland, Chaney, 1979). Такие расхождения, возможно, связаны с использованием разных концентраций металлов, различиями в экспозициях, разными растительными объектами, а также и с особенностями постановки экспериментов.
Для выяснения влияния различных концентраций свинца и кадмия на физиологическое состояние растений овса и ячменя нами были проведены специальные вегетационные опыты, в которых изучались показатели, характеризующие функциональную активность фотосинтетического аппарата: площадь листьев, оводненность тканей листа, содержание пигментов, интенсивность фотосинтеза и его чистая продуктивность, а также скорость дыхания.
Различного рода нарушения ассимиляционного аппарата, происходящие под влиянием тяжелых металлов, визуально проявляются в изменении размеров листовой пластинки и хлорозах листьев. Листья -главный фотосинтезирующий орган - составляют около половины надземной биомассы злаков. Поэтому их размеры оказывают большое влияние на фотосинтетическую деятельность растений. При меньшей величине этой поверхности, даже интенсивно работающей, общее количество ассимилятов уменьшается (Мокроносов, 1981), что, в дальнейшем, может служить причиной многих отрицательных последствий у растений, возникающих под влиянием тяжелых металлов.
Рядом авторов отмечалось негативное воздействие металлов на площадь листьев, но чаще всего эти исследования ограничивались изучением только первого листа растений (Бессонова, 1990; Караваев, 2001; Кшра, Siedlecka, 1995; Kastori et al., 1998; и др.).
В результате наших наблюдений за изменением площади листовых пластинок 1-го, 2-го и 3-го листьев злаков в присутствии свинца и кадмия в корнеобитаемой среде было выяснено, что достоверное снижение этого показателя происходит при использовании ацетата свинца в концентрациях 400 и 800 мг/кг, кадмия - 200 и 400 мг/кг (рис. 18). Отметим также, что степень ингибирования площади листовых пластинок 1-го, 2-го и 3-го листьев в присутствии металлов была практически одинаковой независимо от яруса листа.
Согласно литературным данным основными причинами уменьшения площади листа являются негативное воздействие тяжелых металлов на процессы деления и растяжения клеток. Некоторые авторы (Barcelo et al., 1986а) связывают это также с изменениями водного режима. Они предполагают, что нарушение водного баланса вызывает снижение эластичности клеточной стенки и тургорного потенциала, что приводит к формированию мелких клеток и уменьшению объемов межклеточного пространства.
Как показывает анализ литературы, не только размеры ассимиляционной поверхности, но и сохранение активности фотосинтетического аппарата в условиях повышенного содержания металлов в окружающей среде зависит от способности растений поддерживать оптимальные параметры водного режима листьев. Известно, что при неблагоприятных условиях среды содержание воды в листьях, как правило, держится относительно стабильно на высоком уровне. Очевидно, значительный водный запас необходим растению для нормального протекания большинства метаболических процессов. Поэтому, даже незначительные на первый взгляд колебания в оводненности тканей зачастую вызывают довольно сильный эффект в физиологических реакциях, внешним выражением которого является задержка роста (Емельянов, Сидорова, 1973).
Рядом авторов (Косицын, 1987; Barcelo et al., 1986; Barcelo, Poschenrieder, 1990; Kastori et al., 1992; Costa, Morel, 1994) отмечалось снижение оводненности тканей листа и увеличение процента сухого вещества при действии на растения избытка тяжелых металлов. Считается, что причиной снижения оводненности тканей может быть ингибирование роста корня и уменьшение числа корневых волосков (Barcelo, Poschenrieder, 1990), а также уменьшение числа и диаметра сосудов и трубочек (Kastori et al., 1992), нарушение мембранной проницаемости (Barcelo et al., 1986), отложение металлов в клеточных стенках сосудов (Сливинская, 1992).
Мы в своих исследованиях изучали влияние свинца и кадмия на оводненность тканей разных листьев (1-го, 2-го и 3-го) у злаков по мере их формирования. Опыты показали, что оводненность тканей в условиях нашего эксперимента практически не изменяется и остается на уровне контрольного варианта даже при использовании высоких концентраций металлов (табл. 3, 4). По мнению Барсело и Пошенридера (Barcelo, Poshenrieder, 1990), такого рода результаты могут быть объяснены тем, что при действии тяжелых металлов вместе со снижением всасывания снижаются и темпы транспирации, поэтому общий водный баланс растений не меняется.
Наши результаты подтверждают мнение ряда авторов (Vassilev, 1995; Wojcik, Tukendorf, 1999) о высокой устойчивости параметров водного режима растений к действию тяжелых металлов. Следовательно, можно предположить, что изменение оводненности не является одной из главных причин отмеченного нами сильного негативного действия свинца и кадмия в отношении ростовых показателей. Хотя нельзя исключить, что при действии на растения очень высоких концентраций металлов снижение оводненности тканей также может приводить к торможению их роста и развития.
