Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 9
1.1 Функциональная анатомия корня 9
1.2 Поступление кадмия и свинца в растения 18
1.3 Влияние различных факторов на поступление Cd и РЬ 21
1.4 Распределение кадмия и свинца между различными органами растения 24
1.5 Распределение свинца по тканям растений 29
1.6 Транспорт кадмия и свинца по растению 33
1.7 Внутриклеточная локализация кадмия и свинца в растительных тканях 36
1.8 Влияние кадмия и свинца на активность ферментов 42
1.9 Влияние кадмия и свинца на водный обмен, транспирацию и другие процессы 46
1.10 Влияние кадмия и свинца на поглощение других катионов и анионов 52
1.11 Влияние кадмия и свинца на рост и морфологию корней 56
1.12 Действие кадмия и свинца на деление и растяжение клеток 61
1.13 Общие вопросы устойчивости растений к кадмию и свинцу и
пути ее возможной эволюции 66
1.14 Задачи работы 73
Глава 2. Материал и методы исследования 76
Глава 3. Результаты 88
3.1 Морфологические изменения проростков под влиянием кадмия и свинца 88
3.2 Гистохимические методы изучения распределения кадмия и свинца в растениях 104
3.2.1 Разработка новых гистохимических методов определения Cd и РЬ 104
3.2.2 Локализация свинца и кадмия в живых тканях растений 105
3.2.3 Количественное определение содержания РЬ в побегах и различных участках корней проростков 113
3.2.4 Распределение Cd и РЬ в прорастающих зерновках кукурузы 116
3.3 Роль эндодермы в устойчивости ветвления корней под воздействием кадмия и свинца 118
3.4 Передвижение ионов кадмия и свинца по тканям корня 121
3.4.1 Закономерности передвижения Cd и РЬ при локальном воздействии высокими концентрациями 121
3.4.2 Локализация кадмия и свинца между плазмалеммой и клеточной стенкой 132
3.5 Изучение характера отмирания клеток под воздействием
кадмия и свинца 136
Глава 4. Обсуждение результатов 140
4.1 Влияние Cd иРЬ на морфологию проростков 140
4.2 Распределение кадмия и свинца в проростках кукурузы 144
4.3 Является ли барьерная роль эндодермы единственной причиной устойчивости ветвления корня к действию Cd и РЬ? .150
4.4 Закономерности транспорта Cd и РЬ по тканям корня при различных условиях эксперимента 152
Заключение 157
Выводы 161
Список литературы 163
- Функциональная анатомия корня
- Материал и методы исследования
- Морфологические изменения проростков под влиянием кадмия и свинца
- Влияние Cd иРЬ на морфологию проростков
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами становится все более и более актуальной. Среди них наиболее распространены Cd и РЬ [Алексеев, 1987; Бингам и др., 1993; Кабата-Пендиас, Пендиас,1989], изучение действия которых на корни было темой настоящей работы.
Загрязнение среды РЬ и Cd обусловлено в основном четырьмя видами хозяйственной деятельности человека: 1) сжиганием жидкого и твердого топлива, сопровождающимся выбросами в атмосферу, 2) металлоплавильным производством, 3) сбрасыванием сточных вод, в которых РЬ и Cd содержатся в повышенных количествах и 4) внесением в почву химикатов, в том числе удобрений [Cannon, Bowles, 1962; Добровольский, 1987; Садовникова, 1989; Dorr et al., 1990; Христофорова,1994].
В организм человека и животных большая часть Cd и РЬ поступает из растительной пищи.
Многие растения аккумулируют металлы в концентрациях, во много раз превышающих концентрацию металлов в почве. Способность растений накапливать тяжелые металлы является отраже-нием их индивидуальных особенностей, которые еще мало изучены. Даже рядом растущие растения из разных семейств или даже виды одного рода могут различаться по способности аккумулировать тяжелые металлы [Козаренко,1987].
Аккумуляция тяжелых металлов растениями с успехом используется для разных целей. Были предложены различные технологии очистки окружающей среды от тяжелых металлов при помощи растений: фиторемедиация -высокоэкономичная технология для очистки почвы и воды от тяжелых металлов. Фитоэкстракция - использование специально выведенных сортов растений и определенных обработок почвы для переноса элемента-загрязнителя в надземные части растения, которые затем скашиваются. Фитофильтрация - использование корней взрослых растений (ризо-фильтрация) и проростков (бластофильтрация), выращенных в аэрированном питательном растворе. Фитоволитализация - использование растений для экстрагирования летучих веществ из почвы. Фитостабилизация -использование растений для перевода веществ в безопасные соединения. [Kumar et al.,1995; Dushenkov et al.,1995; Ensley et al.,1995; Salt et al.,1995a; Huang etal., 1997].
В последние годы наиболее широко разрабатываются методы очистки водоемов и почвы от тяжелых металлов путем выращивания растений, способных их концентрировать: водяного гиацинта Eichornia crassipes [От et al.,1987; Nir et al.,1990; Karel, Karel, 1990], Helianthus annuus и Brassica juncea, причем последний вид наиболее эффективно накапливал Pb [Kumar et al.,1995; Dushenkov et al.,1995; Ensley et al.,1995]. Степень удаления Cd в случае использования водяного гиацинта колебалась от 70 до 92%, причем Cd накапливался как в корнях, так и в листьях.
Растения могут также использоваться для индикации загрязнения почвы тяжелыми металлами. В последние годы в этих исследованиях широко используются мхи и лишайники. При оценке содержания Cd, Pb, Ni, Си, Zn и S у 16 видов мхов было установлено, что хорошими индикаторами загрязнения окружающей среды являются Aulacomiumpalustre, A.turgidium, Hylocomium splendens, Sanionia uncinata, Tortula ruralis и Pleurozium schreberi [Grodzinska, Godzik,1991; Godzik, Szarek,1993; Grodzinska et al., 1993], что позволяет использовать мхи как индикаторы загрязнения окружающей среды [Козаренко,1987].
Особенностью современных исследований является их преимущественная ориентация на изучение распределения металлов между различными органами растения, их влияние на метаболизм клеток, а также исследование биохимических механизмов устойчивости растений к тяжелым металлам. Практически неизученным остается вопрос о закономерностях аккумуляции и мобильности данных металлов по тканям растений в зависимости от времени экспозиции и концентрации их в окружающей среде.
До сих пор до конца не выяснена функциональная роль различных тканей корня в транспорте Cd и РЬ. В последнее время появляется все больше работ, посвященных барьерной роли эндодермы в транспорте различных соединений. Однако, остается невыясненным, определяется ли ограниченное поступление ионов металлов в ткани центрального цилиндра только барьерной ролью эндодермы. Кроме того, остается неясным вопрос об особенностях клеток ризодермы и коры, определяющие их способность накапливать и «транспортировать» ионы тяжелых металлов от ризодермы к центральному цилиндру.
Использование корней проростков кукурузы в качестве тест-объекта было обусловлено особенностями анатомического строения и роста главных корней проростков, важным сельскохозяйственным значением культуры, а также возможностью воспроизводства материала в удобное для эксперимента время. Выбор объекта исследования, заданные условия модельного эксперимента, а также разработка новых гистохимических реакций для определения Cd и РЬ в живых тканях растений позволили получить принципиально новые данные о закономерностях распределения и транспорта данных металлов по тканям растений.
Цель и задачи исследования. Изучение функциональной роли отдельных тканей в поглощении, накоплении и транспорте ионов кадмия (Cd2+) и свинца (РЬ +) было целью данного исследования.
Для достижения цели предстояло решить следующие задачи: выбор условий проведения экспериментов и разработка новых гистохимических реакций для выявления Cd и РЬ в живых тканях растений; определение закономерностей распределения и транспорта Cd и РЬ по корню в зависимости от концентрации металлов в растворе и времени экспозиции; сравнение результатов гистохимического анализа с распределением отмерших клеток корня; сравнение относительной подвижности этих металлов по тканям корня при различных условиях эксперимента; исследование функциональной роли коры и эндодермы в транспорте Cd и РЬ по растению; анализ влияния различных концентраций солей Cd и РЬ на прорастание зерновок кукурузы и изучение роли перикарпия в аккумуляции тяжелых металлов.
Научная новизна работы. Предложены новые методы гистохимического определения Cd, РЬ и ряда других тяжелых металлов, основанные на использовании дитизона и диазосоединений, которые ранее не использовались в гистохимии. До сих пор для определения Cd не было гистохимических методов. С помощью разработанных в данной работе методов установлены закономерности постепенного накопления Cd и РЬ в разных тканях корня и побега при инкубации проростков в разных условиях. Предложены также новые приемы для анализа роли эндодермы как барьера транспорта ионов и показано, что низкая проницаемость эндодермы для тяжелых металлов не является единственной причиной устойчивости ветвления корня к тяжелым металлам. Установлены новые закономерности транспорта ионов Cd и РЬ по растению и продемонстрирована большая подвижность Cd при локальной обработке корней растворами с высокими концентрациями. Выяснена причина устойчивости прорастания зерновок кукурузы к действию тяжелых металлов - непроницаемость перикарпия для ионов Cd и РЬ.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработка новых гистохимических реакций для выявления Cd и РЬ в живых тканях растений открывают перспективы для исследования накопления и передвижения тяжелых металлов в разных органах и тканях растений. Это является необходимым звеном для понимания реакции растений на тяжелые металлы. Кроме того, определение содержания тяжелых металлов имеет важное значение для экологического мониторинга.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Международной конференции по анатомии и морфологии растений (С.-П. 2-6 июня 1997), на Международном симпозиуме «Структура и функции корня» (Slovakia, 1998), на семинарах лаборатории физиологии корня ИФР РАН (1998), на заседании кафедры ботаники МПГУ (1999).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 190 страницах машинописного текста и состоит из введения, 4 глав, заключения и выводов. Список литературы включает 266 источников, из них 220 иностранных авторов. Работа содержит 21 таблицу и 34 рисунка.
Функциональная анатомия корня
Анатомическое строение корня было рассмотрено в целом ряде монографий [Данилова, 1974; Кларксон, 1978; Эзау, 1980]. В настоящем обзоре мы более подробно остановимся на анатомии корней кукурузы, которые являлись объектом наших исследований и имеют типичное для однодольных анатомическое строение (рис.1).
Апикальная часть корня кукурузы (0-2 мм) включает корневой чехлик и меристему. Корневой чехлик представляет собой довольно сложное образование и состоит из нескольких специализированных комплексов клеток. Центральная зона чехлика (колумелла или корпус) состоит из упорядоченно расположенных клеток, содержащих крупные амилопласты (примерно 35 на одну клетку) и отличающихся хорошо выраженной полярностью в расположении клеточных органелл. Эти особенности строения клеток колумеллы связывают с георецепторной функцией этого участка корневого чехлика.
По мере того как клетки колумеллы отодвигаются к периферии более молодыми производными калиптрогена, они увеличиваются в объеме, исчезает их поляризация, уменьшается количество амилопластов и возрастает число диктиосом и мелких вакуолей. Наблюдения показывают, что обособление наружных клеток чехлика является автономным процессом, который не зависит от условий роста корня. Уникальная структура аппрата Гольджи (АГ) в периферической зоне корневого чехлика, а также интенсивный углеводный обмен свидетельствуют о специализации этих клеток на секреции слизи [Данилова, 1974; Эзау,1980; Данилова и др., 1983, 1990; Уоринг, Филлипс,1984]. Рис.1. Поперечные срезы корней кукурузы, иллюстрирующие две стадии развития центрального цилиндра. А. Первые ситовидные трубки полностью дифференцированы; Б. Дифференцированы все клетки корня.
1 - перицикл; 2 - ситовидные трубки; 3 - эндодерма; 4 - сосуды метаксиле-мы; 5 - протоксилема; 6 - флоэма; 7 - сердцевина [Эзау, 1980].
Слизь состоит главным образом из высокомолекулярных полисахаридов, которые содержат фукозу, рибозу, галактозу, глюкозу, маннозу, ксилозу и часто арабинозу [Morel et al.,1986]. В слизи корней кукурузы содержатся также белки , уроновые кислоты и фенолы [Mench et al.,1987].
Через покрытую слизью область корня поступает значительная часть ионов и воды, хотя в последнее время на примере кукурузы было также продемонстрировано, что большая часть воды и ионов поступает в корень через голые, не покрытые слизью участки [McCully, Canny, 1988].
Меристематические клетки обладают относительно крупными ядрами и ядрышками, плотной цитоплазмой, заполненной свободными рибосомами. Структура митохондрий отличается узкими небольшими кристами. Вакуолярныи аппарат представлен провакуолями, как правило с плотным содержимым [Данилова и др., 1983].
Самое апикальное положение в кончике корня занимает так называемый покоящийся центр, который, находясь на границе с чехликом, включает всего 1-2% от общего числа клеток меристемы. В цитоплазме клеток покоящегося центра имеется мало рибосом, слабо выражен эндоплазмати-ческий ретикулум (ЭР), структура АГ имеет небольшие размеры и число их невелико, число митохондрий минимально. При обычных условиях клетки покоящегося центра делятся примерно в 10 раз реже большинства клеток меристемы. Функции покоящегося центра еще мало изучены. Однако, известно, что его существование делает рост корня более устойчивым к различным повреждающим воздействиям, так как его клетки меньше повреждаются, чем клетки основной меристемы и в ряде случаев могут переходить к активным делениям когда деление остальных клеток подавлено. Другие возможные функции покоящегося центра подробно рассмотрены в монографии В.Б.Иванова (1974).
Самой внешней из корневых тканей является ризодерма. Она состоит главным образом из удлиненных, плотно упакованных клеток, расположенных в один слой. В настоящее время считается установленным, что ризодерма является функционально поглотительной тканью и получает из среды больше ионов не только потому, что «первой стоит в очереди» за ними, но и потому, что обладает большей «покупательной способностью» 12
более развитой или более активной системой мембранных транспортных механизмов [Вахмистров,1991].
Как и у большинства паникоидных злаков, все клетки ризодермы кукурузы способны к образованию корневых волосков. Растущий корневой волосок, как и каждая активно растущая клетка, характеризуется богатой органеллами цитоплазмой. Преимущественного развития достигает АГ, за счет активности которого происходит нарастание поверхности корневого волоска. Этот процесс сопровождается обильным выделением слизи как самими волосками, так и атрихобластами [Данилова и др., 1983, 1990].
Корневые волоски позволяют корню освоить больший объем почвы и увеличить скорость поступления ионов в ткани корня, так как диффузия ионов в почве происходит крайне медленно [Вахмистров,1991]. Трихобла-сты и атрихобласты клетки играют различную роль в поступлении ионов в корень. Так, у водного растения Trianea bogotensis К+ поступает, главным образом, через корневые волоски, а у наземного растения Raphanus sativus -как через трихобласты, так и через атрихобласты [Vakhmistrov,1981; Вахмистров, 1991]. Эти различия авторы объясняют существенным увеличением количества плазмодесм на тангентальных стенках трихобла-стов у Trianea bogotensis по сравнению с Raphanus sativus [Kurkova, 1981; Вахмистров, 1991].
Большую часть площади поперечного сечения корня занимают клетки коры. На их долю (вместе с ризодермой) приходится около 85% площади главного корня проростков. Основной объем клеток коры занимает центральная вакуоль. Слой цитоплазмы местами не превышает толщины клеточных стенок. Клеточные органеллы в цитоплазме представлены в небольшом числе. Из анатомических особенностей, характеризующих клетки коры, обычно отмечают наличие системы крупных межклетников, отсутствующих в тканях центрального цилиндра [Данилова, Дертева, 1964; Данилова, Стамболцян, 1975]. Часто различают наружную и внутреннюю кору, отличающуюся по величине клеток и межклетников. При развитии этой ткани четко прослеживается градиент дифференциации от внешних слоев к более внутренним [Данилова и др., 1983,1990].
Ясно, что кора значительно увеличивает диаметр корня, а стало быть, и площадь поверхности корня, что может играть важную функциональную роль. В настоящее время установлено, что клетки коры, омываемые раствором свободного пространства1, не играют существенной роли в снабжении растения питательными веществами. Предполагается, что кора, с одной стороны, является основной «ассимиляционной емкостью корня», а с другой стороны та же объемность коры позволяет ей выполнять функцию «буфера», регулирующего транспортный поток по радиусу корня [Vakhmistrov, 1981; Вахмистров, 1991 ].
Материал и методы исследования
В экспериментах использовались следующие сорта кукурузы (Zea mays L.): Диамант, Стерлинг, Краснодарский 303.
Выращивание и обработка растений растворами тяжелых металлов. Зерновки кукурузы, предварительно обработанные в течение 20 минут слабым раствором формалина, выкладывали в эмалированные кюветы на стекло, обернутое фильтровальной бумагой. Кюветы вровень с поверхностью стекла заполняли водопроводной водой, накрывали вторым стеклом и выдерживали в темном термостате в течение двух суток при температуре 27 С. Проростки с длиной главного корня 20 - 30 мм использовали как однородный материал для дальнейших экспериментов.
Проростки пересаживали или в сосуды (0.6 л) с растворами нитратов Cd или РЬ в дистиллированной воде (рН 6.0), или в чашки Петри диаметром 150 мм на фильтровальную бумагу, смоченную растворами этих солей (15 мл) в дистиллированной воде. В последнем случае в каждую чашку Петри помещали по 5 проростков. Контролем служила дистиллированная вода. Сосуды и чашки выдерживали в темном термостате при температуре 27 С.
Выбор азотнокислых солей обусловлен тем, что во-первых, анион NCb образует хорошо растворимые соли с Cd и РЬ, во-вторых, данный анион считается наименее токсичным и не оказывает самостоятельного токсического действия при использованных концентрациях и небольшом времени экспозиции. Все эти свойства нитратов Cd и РЬ определяют традиционное их использование в работах различного направления [Lane, Martin, 1982; Нестерова, 1989; Wierzbicka,1994; Kocjan et al.,1996; Gzyl et al.,1996; Samardakiewicz et al.,1996 и др.]. В целях определения диапазона действующих концентраций и выбора рабочих концентраций для последующих экспериментов был проведен ряд опытов с серией разведения солей Cd и РЬ.
Токсическое действие Cd и РЬ оценивалось по ингибированию прироста корня и колеоптиля через 24 и 48 часов после начала инкубации, который измерялся с точностью до 1 мм.
В результате данных экспериментов было определено, что концентрации, полностью ингибирующие рост главного корня в течение первых суток экспозиции были следующими: 10 "4 М и 10 "2 М Pb(N03)2; Ю"5 М и 5x10 "4М Cd(NOj)2x4H20 для сосудов и чашек Петри, соответственно. В качестве не летальных концентраций были выбраны концентрации, ингибирующие рост главного корня примерно на 50% на вторые сутки после начала инкубации. Для Pb(N03)2 эти концентрации составляли 10 "5М и 1,5x10 "3М, тогда как для Cd(N03)2x4H20 - 10 "6М и 10 "4 М для сосудов и чашек Петри, соответственно.
Для оценки токсического действия Cd и РЬ на характер развития корневой системы проростков было изучено влияние этих элементов на время образования боковых корней (7б.к.). Для этого проростки инкубировались в чашках Петри в течение 96 часов на растворах Cd(N03)2 х 4Н20 (10" 4М), Pb(N03)2 (Ю 3 М), Ca(N03)2 х 4 Н20 (ЗхЮ"3М) и на растворах, содержащих Cd и Са, РЬ и Са или Cd, РЬ и Са при тех же концентрациях солей. Время развития боковых корней ( от возникновения примордия до выхода из материнского корня ) оценивали путем измерения длины зоны боковых корней на 3 сутки после начала инкубации и вычисляли по формуле:
Морфологические изменения проростков под влиянием кадмия и свинца
Рост контрольных проростков.
В контрольных вариантах опытов корни были окрашены в белый цвет. Корневые волоски на корнях проростков, инкубированных в чашках Петри, были хорошо заметны на расстоянии 8-10 мм от апекса. Они распределялись равномерно и разрушались в базальной части корня. Изгибы корней наблюдались только при инкубации проростков в чашках Петри при соприкосновении корней с их стенками. Эти изгибы легко распрямлялись при отделении корня от фильтровальной бумаги.
Таблица 13. Прирост главного корня проростков кукурузы, инкубировавшихся в течение двух суток в присутствии не летальных концентраций нитрата Cd в сосудах и чашках Петри.
Исходная Прирост за Прирост за
Вариам \ длина корня. 24 часа. 24-48 часов.
п / /
опыта \ М m о М m О (%) М m о (%)
Контроль (сосуды) ! 34.8 1.4 4.9 48.9 2.6 9.1 100 48.8 1.3 4.6 100
Cd (сосуды) 10"6МІ 35.5 1.8 4.9 40.2 1.9 6.7 82 24.8 1.2 4.0 51
Контроль (чашки) ! 31.2 1.3 4.4 44.6 2.4 8.1 100 60.1 5.6 8.6 100
Cd (чашки) 10_4М ! 31.5 0.9 3.7 39.5 2.7 9.9 89 30.1 2.0 7.4 50
Cd (чашки) 10 "5МІ 30.7 1.5 3.9 45.7 2.3 6.2 101 69.7 2.3 6.0 115
М - среднее значение (мм); m - стандартное отклонение; а - среднее квадратичное отклонение; / - процент от контроля. Прирост главного корня контрольных проростков был проанализирован в сериях из 14 и 12 экспериментов для сосудов и чашек Петри, соответственно. Результаты наиболее типичных опытов приведены в таб. 13.
Таблица 14. Сводная таблица результатов опытов по изучению влияния растворов Cd и РЬ на рост корня.
Прирост за Прирост за 24 часа. 24-48 часов.
Вариант \ Колич. опыта І опытов \ М m ст 1 M m а
Контроль (сосуды) 14 41.6 1.2 І 4.6 1 48.8 0.9 3.3
Контроль \(чашки) 12 ! 48.9 1.5 5.3 І 61.8 2.6 1 9.1
Cd(l6-6M)i(сосуды) 12 і 32.9 1.5 ! 5.1 і 25.9 1.3 1 4.5
Cd(10"4M)(чашки) 9 39.7 1.6 1 4.7 1 29.8 1.2 3.6
РЬ(Ї0"5М)і(сосуды) 5 32.2 0.6 і 1.3 і 31.2 2.7 6.1
Pb(l6"3M) і(чашки) 5 J 38.4 2.7 1 6.1 1 32.0 1.1 1 2.5
Прирост корня за 24-48 часов экспозиции либо оставался постоянным, либо несколько увеличивался по сравнению с приростом после 24 часов инкубации (таб.13), причем резких различий в приросте корня в сосудах и чашках Петри после первых суток инкубации обнаружено не было (таб. 13,14). Однако, прирост корня за 24-48 часов в чашках Петри обычно превышал прирост корня в сосудах (таб.13), что подтверждается также данными, полученными при анализе средних величин прироста корня во всей серии опытов (таб.14).
Влияние Cd иРЬ на морфологию проростков
Сравнительный анализ морфологических изменений проростков кукурузы в диапазоне действующих концентраций ионов Cd и РЬ показал, что существуют определенные морфологические проявления токсичного действия данных тяжелых металлов. Одним из наиболее ярких признаков токсичного влияния Cd и РЬ является ингибирование роста главного корня. По степени этого ингибирования можно легко судить о концентрации стрессора в среде и устойчивости к нему данного вида растения.
Токсическое действие металла на рост корня зависит как от его концентрации в среде, так и от площади соприкосновения корня с раствором.
Оказалось, что для достижения одинаковых эффектов в чашках Петри при инкубации корней на фильтровальной бумаге необходимы примерно в 100 раз большие концентрации растворов солей тяжелых металлов, чем при инкубации корней в сосудах. По-видимому это объясняется разной площадью контакта корней с растворами и слабой диффузией ионов тяжелых металлов по слизи корня.
Это подтверждается нашими гистохимическими данными, которые показали, что концентрация Cd и РЬ на стороне корня, контактирующей с бумагой были выше, чем на верхней стороне.
Ratsch Н.С. и Johndro D. (1986) сравнивали эффекты на рост корней ряда соединений при выращивании корней в растворах и фильтровальной бумаге, смоченной тем же раствором. Концентрации, вызывающие одинаковый эффект были на бумаге значительно выше, чем в растворах для ионов тяжелого металла (Ag), тогда как для незаряженных молекул неэлектролитов они были одинаковы. Кроме того, при выращивании корней на фильтровальной бумаге они изгибались, за счет чего площадь их контакта с раствором уменьшалась. Как отмечалось выше (стр.94), уже после 24 часов экспозиции проростков в чашках Петри было отчетливо видно, что растущая часть корня « уходит » из раствора, что позволяет корням поглощать конденсат, в котором содержание металлов ниже.
Повреждая поверхностные ткани корня, растворы тяжелых металлов, вызывают пассивную хемотропическую реакцию [Филиппенко, 1997, Filippenko, 1998], благодаря которой уменьшается контакт корней с фильтровальной бумагой, смоченной токсическим раствором.
В задачу настоящей работы не входило изучение механизма токсического действия тяжелых металлов. Однако, полученные данные позволяют оценить избирательность действия ионов металла на рост и отдельные процессы роста - деление и растяжение клеток.
Вещества, обладающие избирательным действием ( как, например, гербициды ) начинают ингибировать рост при концентрациях, далеких от летальных. Соединения с неспецифическим действием подавляют рост при концентрациях, близких к летальным [Ivanov,1994]. Наш анализ показал, что диапазон концентраций солей обоих изученных металлов, при которых они ингибируют рост, достаточно узкий. Летальные концентрации примерно на порядок были больше тех, при которых наблюдали достоверное торможение роста корней. Это позволяет предполагать общетоксический механизм действия металлов при высоких концентрациях и отсутствие избирательного действия на рост клеток. Аналогично другим соединениям, не обладающим избирательным действием на рост, Cd и РЬ примерно в равной степени ингибируют деление и растяжение клеток [Hammet,1926; Иванов В.Б.,1974; Ivanov, 1994, Нестерова, 1989; Obroucheva et al.,1998; Ivanovetal.,1998].
Проявление токсического действия Cd и РЬ может быть крайне многообразно. Это связано с множественным действием этих металлов на метаболизм растений (стр.46 ) (таб.10). Однако, различные виды растений и даже популяции одного вида могут обладать разной устойчивостью к Cd и РЬ. Это определяется многими факторами: генотипом, жизненной формой, способностью изолировать тяжелые металлы, синтезировать устойчивые формы ферментов, металлсвязывающие соединения и т.д. (стр.66 ).
В наших опытах при одинаковых концентрациях Cd ингибировал рост сильнее, чем РЬ. Это противоречит данным, полученным другими авторами для ячменя [Neiboer et al.,1980], райграса [Wong et al.,1982], пшеницы [Karataglis et al.,1987] (таб.12). Вероятно, эти различия могут объясняться различной устойчивостью разных видов растений, а также это может быть следствием различных условий проведения эксперимента.
Одним из ярких примеров токсического действия Cd и РЬ является изменение архитектуры корневой системы, что может быть следствием уменьшения расстояния между боковыми корнями, либо увеличения числа примордиев [Arduini et al.,1994].
Заложение боковых корней сопровождается активными клеточными делениями. Из этого можно предположить, что время развития боковых корней должно существенно снижаться при действии Cd и РЬ. Однако, в наших экспериментах время развития боковых корней оказалось почти одинаковым во всех вариантах эксперимента, даже при комбинированном воздействии Cd, РЬ и Са, когда рост главного корня был практически полностью ингибирован. Эти данные согласуются с результатами более ранних исследований, которые показали, что ветвление корней очень устойчиво к действию тяжелых металлов и других токсикантов [Ivanov,1994; Ivanov et al.,1998]. Длина зоны боковых корней при этом была значительно меньше по сравнению с контролем, что объясняется ингибиро-ванием роста корня при неизменном времени образования боковых корней.
В результате устойчивости ветвления корней к действию тяжелых металлов образуется более компактная корневая система, что, как уже упоминалось выше (стр.59), является важным адаптационным изменением в стратегии выживания растений при воздействии тяжелых металлов [Breckle,1991; Arduini et al., 1994; Hagemeyer, Breckle, 1996].
Наши данные о более сильном ингибировании роста корня тяжелыми металлами по сравнению с ростом побега согласуются с ранее опубликованными данными [Титов и др.,1995; Titov et al.,1996; Ivanov et al.,1998a]. Наши гистохимические данные (стр.105) и результаты химического определения содержания РЬ (стр.113) показали, что в побегах его накапливается значительно меньше, чем в корнях. По-видимому, благодаря этому рост побегов тормозится в меньшей степени. Таким образом, корневая система играет барьерную функцию, защищая в значительной степени побег от поступления в него тяжелых металлов (Sobotik et al.,1998).
Из всего вышеизложенного вытекает вывод о наличии общетоксичного действия ионов Cd и РЬ на рост корня. Однако, развитие боковых корней (даже при комбинированном действии) и рост колеоптиля менее чувствительны к действию данных металлов, что выражается в меньшем ингибировании роста побега по сравнению с ростом корня и постоянным значением Гб к даже при полном ингибировании роста главного корня.
Рассмотрим более подробно, какую роль играют отдельные ткани корня в накоплении и транспорте ионов Cd и РЬ и в какой степени барьерная роль отдельных тканей определяется их анатомическими особенностями.
Похожие диссертации на Функционально-анатомическое изучение токсического действия кадмия и свинца на корень проростков кукурузы
