Содержание к диссертации
Введение
1. ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА РАСТИТЕЛЬНЫЕ ОРГАНИЗМЫ 13
1.1. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ЕСТЕСТВЕННЫХ И ИСКУССТВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМАХ 13
1.2. ВЛИЯНИЕ ЗАКИСЛЕННЯ ВОД НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ПОВЕДЕНИЕ МЕТАЛЛОВ... 19
1.3. ДЕЙСТВИЕ ЖЕЛЕЗА И АЛЮМИНИЯ НА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ 21
1.3.1. Особенности биологического действия железа 21
1.3.2. Роль железа в образовании свободных радикалов в биологических системах 23
1.3.3. Особенности биологического действия алюминия 26
1.3.4. Комбинированное действие ионов металлов на растения 32
1.3.5. Генетическая детерминация устойчивости растений к действию ионов металлов 33
1 А. МЕХАНИЗМЫ ДОТОКСИКАЦИИ МЕТАЛЛОВ ПРИ ПОСТУПЛЕНИИ В РАСТЕНИЯ 34
1.5. ОБОСНОВАННОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЭФФЕКТОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА РАСТИТЕЛЬНЫЕ ОБЪЕКТЫ 36
1.6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 39
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 40
2.1. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 40
2.1.1. Ячмень, как объект для фитотоксических и цитогенетических исследований 40
2.1.2. Традесканция, как объект для определения мутагенных и токсических эффектов факторов окружающей среды 41
2.1.3. Отрезки колеоптилей пшеницы 44
2.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАСТЕНИЙ ПРИ ДЕЙСТВИИ ИОНОВFE, СОHNI 46
2.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ АНОМАЛИЙ РОСТА И НАРУШЕНИЕ РЕПРОДУКТИВНОЙ СПОСОБНОСТИ КЛЕТОК ПРИ ДЕЙСТВИИ СОЛЕЙ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА КЛОН 02 TRADESCANTIA 47
2.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИТОТИЧЕСКОГО ИНДЕКСА И МИТОТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ КЛЕТОК КОРНЕВОЙ МЕРИСТЕМЫ РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ ЯЧМЕНЯ 48
2.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТЫ И СПЕКТРА ХРОМОСОМНЫХ АБЕРРАЦИЙ В КЛЕТКАХ КОРНЕВОЙ МЕРИСТЕМЫ РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ ЯЧМЕНЯ 49
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 52
3.1. ОЦЕНКА ФИТОТОКСИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА, КОБАЛЬТА И НИКЕЛЯ 52
3.1.1. Определение параметров морфофизиологического развития проростков семян растений 52
3.1.2. Изменение длины прироста отрезков колеоптилей при действии железа, кобальта и никеля 55
3.2. ОЦЕНКА ГЕНОТОКСИЧНОСТИ ЖЕЛЕЗА, КОБАЛЬТА И НИКЕЛЯ 56
3.2.1. Цитогенетическое влияние железа, кобальта и никеля на растения ячменя 56
3.2.2. Цитогенетические изменения в клетках традесканции при действии железа, кобальта и никеля 59
3.3. КОМБИНИРОВАННОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА И АЛЮМИНИЯ НА РАСТЕНИЯ64
3.3.1. Морфометрические показатели семян ячменя 64
3.3.2. Цитогенетические показатели корневой меристемы проростков ячменя 66
3.3.3. Растяжение клеток колеоптилей пшеницы 70
3.4. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ ЯЧМЕНЯ К РАЗДЕЛЬНОМУ И КОМБИНИРОВАННОМУ ДЕЙСТВИЮ ИОНОВ АЛЮМИНИЯ И ЖЕЛЕЗА 71
3.4.1. Фито- и генотоксические проявления действия железа и алюминия у различных сортов ячменя 71
3.4.2. Различия в чувствительности к раздельному и комбинированному действию эюелеза и алюминия исследуемых сортов ячменя 74
3.5. ВЛИЯНИЕ ЦИТРАТА НАТРИЯ НА РАЗВИТИЕ ТОКСИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ МЕТАЛЛОВ НА РАСТЕНИЯ ЯЧМЕНЯ 78
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 83
ВЫВОДЫ : 87
ЛИТЕРАТУРА 89
ПРИЛОЖЕНИЕ 105
- Особенности биологического действия алюминия
- Традесканция, как объект для определения мутагенных и токсических эффектов факторов окружающей среды
- Растяжение клеток колеоптилей пшеницы
Введение к работе
Тяжелые и другие металлы являются неотъемлемой частью биосферы. Некоторые из них необходимы как растениям, так и животным в относительно больших количествах (калий, кальций), другие востребованы живыми организмами в микроколичествах, но при этом жизненно необходимы (кобальт, цинк, железо, медь). И, наконец, третья часть этих химических элементов даже в крайне малых концентрациях токсична для всего живого (алюминий, кадмий, никель, свинец). В настоящее время нет четкого определения понятия «тяжелые металлы». Например, алюминий относят к «тяжелым элементам», но многие авторы объединяют такие элементы в группу под общим названием «тяжелые токсичные металлы».
Увеличенное содержание тяжелых металлов (ТМ) в почве ведет к возрастанию их концентрации в растениях. Об этом свидетельствуют многочисленные факты, полученные при изучении ответных реакций действия ТМ на растительные организмы. Актуальность вопросов качества продукции растениеводства вполне объяснима, поскольку накопление тяжелых металлов в организме человека осуществляется в основном за счет потребления продуктов питания и в меньшей степени - ингаляционным путем. Среди пищевых продуктов одними из наиболее загрязненных являются продукты растительного происхождения. Следует отметить, что динамика развития реакций растений на химические стрессоры (избыток содержания микроэлементов) достаточно лабильна. Однако у растений в ходе эволюции и в течение жизни вырабатываются механизмы, приводящие к адаптации, обусловленной изменением чувствительности к нарушению баланса химических элементов в окружающей среде (Пономарева И.Н., 1978; Ильин В.Б., 1997, Романов Г.Г., Симцина С.Е., 2000).
Физиологические свойства, механизмы действия и токсичность металлов для живых организмов интенсивно изучаются. Наибольшее внимание
исследователей до последнего времени было обращено на пару таких элементов, как цинк и кадмий, которые, обладая сходными физико-химическими свойствами, тем не менее находятся на противоположных полюсах своего биологического действия: цинк является необходимым элементом многих биологических структур и функций клеток (входя в активные центры 70-ти ферментов и реализуя сигнал трансдукции в клетках), а кадмий - даже в малых концентрациях в окружающей среде очень токсичен для всего живого.
Не менее интересны для изучения элементы триады железа (железо, кобальт, никель), которые, характеризуясь одинаковыми химическими свойствами, в то же время, подобно цинку и кадмию, обладают различным биологическим влиянием на клетки и ткани растений и животных: железо крайне необходимо (и в больших количествах) для животных и растений; кобальт является кофактором ферментов растений и входит в состав витаминов у животных, а никель, напротив, токсичен для растений и животных (Зигель X., Зигель А.,1980; Farago М.Е., Cole М., 1988; Gamzikova O.L., Barsukova B.S., 1994).
Кроме этого, особое внимание уделяется проблеме токсичности металлов, в частности алюминия (Авдонин Н.С., 1969; Kochian L.V., 1995; Сынзыныс Б.И. и др., 2002). Токсичность алюминия связана с многообразием химических форм, его миграционной способностью в почвенной и водной средах (Орлов Д.С., 1994). Свободные ионы алюминия в токсических концентрациях наносят большой вред сельскохозяйственным растениям. Установлено, что при выпадении "кислотных дождей" токсичность алюминия повышается. По мнению Э.Л. Климашевского и L.V. Kochian, токсичность алюминия является главной причиной недобора урожая зерновых злаковых культур, возделываемых на кислых почвах, которые составляют около 40 % всех обрабатываемых земель (Климашевский Э.Л., Чернышева Н.Ф., 1980; Kochian L.V., 1995). Для понимания механизмов токсического действия алюминия на
всех уровнях организации растительных организмов важное значение имеет изучение механизмов ингибирующего действия этого металла на цитогенетическом уровне (Foy CD. ,1978; Климашевский Э.Л, 1982, 1983; Freda J., 1991; Буланова Н.В. и др., 2002). В результате длительного воздействия на почву «кислотных осадков» происходят изменения рН почвенного раствора, что обуславливает изменения в содержании и распределении форм соединений не только алюминия, но и железа. При усилении кислотного воздействия избыток алюминия находится в растворе в виде иона А13+ или органо-минеральных комплексов в концентрации 0,5 мг/л, оказывая токсическое действие на корневые системы растений и микроорганизмы. Возможное токсическое действие ионов железа, представленных в почвенном растворе (в концентрации, равной 0,3 мг/л) преимущественно органоминеральными соединениями, в результате этих процессов также может повышается (Орлов Д.С.и др., 1994). Исходя из выше сказанного, возникает вопрос о вероятном комбинированном действии этих элементов на растения. Взаимное влияние тяжелых металлов может усиливать или уменьшать их действие на растения (Алексеев Ю.В., 1987).
В современных условиях агроэкосистемы в наибольшей степени подвергаются негативному антропогенному воздействию. В ряду отрицательных факторов, усиливающих агроэкологическое неблагополучие, особое место занимает загрязнение почв токсикантами различной природы. При этом присущие техногенным биоценозам сообщества живых организмов характеризуются изменчивостью структуры, слабой устойчивостью, случайным составом видов и неспособностью к воспроизводству (Моторина Л.В., Овчинников Н.С., 1975; Колесников Б.Г., Моторина Л.В., 1978). Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами может стать фактором, увеличивающим мутагенную нагрузку в популяциях растений, животных и человека, а также модификатором действия других мутагенных факторов (Лекаявичюс Р.Б., 1983).
При техногенном загрязнении территорий проблема чувствительности растений к биотическим и абиотическим факторам приобретает особое значение, поскольку непосредственно связана с устойчивостью агроэкосистем. Известно, что присутствие в почве тяжелых металлов в высоких концентрациях отрицательно влияет на физиолого-биохимические реакции растений, что в конечном итоге приводит к потере урожая. Наряду с этим, изменение биохимического статуса растительных организмов способно опосредованно влиять на состояние других компонентов ценоза, изменяя отношение хозяин-паразит.
Возрастающее влияние антропогенных загрязнителей на агроэкосистемы предполагает необходимость изучения состояния и оценки устойчивости наиболее значимых компонентов ценоза и поиска приемов сохранения их стабильности.
В почвенных растворах в условиях повышенной кислотности среди металлов наиболее представлены железо и алюминий (которые по содержанию в верхних слоях литосферы занимают 3 и 4 места, соответственно, после кислорода и кремния). Присутствующие в почвенном растворе ионы алюминия, а также некоторые органические комплексы, в состав которых входит алюминий, токсичны для растений. Поэтому борьба с алюминиевой токсичностью - важнейшая практическая задача. Результаты изучения физиолого-биохимических и генетических основ устойчивости растений к ионам алюминия расширят современное представление о токсическом действии металлов и позволят предложить приемы и методы борьбы с ионной токсичностью, а возможность идентифицировать наиболее устойчивые формы растений - способны привести к создания устойчивых сортов культурных растений.
Следует отметить, что сведения о комбинированном действии железа и алюминия на растения различных видов в доступной литературе отсутствуют.
Целью нашей работы явилось изучение фито- и генотоксического действия ионов железа, кобальта, никеля и алюминия, в том числе при совместном присутствии в почвенном растворе железа и алюминия на растения традесканции и ячменя.
В задачи исследования входило:
Определить фитотоксическое действие ионов металлов группы железа в зависимости от их концентрации по показателям морфофизиологического развития проростков ячменя и растяжения клеток колеоптилей пшеницы.
Определить генотоксичность ионов железа, кобальта и никеля по показателям митотического индекса, частоты и спектра хромосомных аберраций.
Выявить особенности комбинированного действия ионов железа и алюминия по морфометрическим показателям проростков ячменя и пшеницы.
Определить чувствительность различных сортов ячменя к раздельному и комбинированному действию железа и алюминия.
Оценить модифицирующее влияние цитрата натрия на развитие токсических эффектов ионов алюминия и железа у растений ячменя.
В качестве объектов исследования в данной работе использовались высшие растения: ячмень (Hordeum L.), пшеница (Triticum L.), традесканция — клон-02 (Tradescantia). Данный выбор не случаен и обусловлен несколькими причинами: во-первых, растения по уровню своей биологической организации находятся на достаточно высокой ступени эволюционной лестницы, и этим приближаются к животным. В частности, также как и у животных и человека у растений функционирует система детоксификации тяжелых металлов с помощью фитохелатинов - аналогов металлотионеинов у животных (Grill Е.,
1987). Во-вторых, для растений очень хорошо разработаны методы определения всевозможных генетических нарушений (С.А. Гераськин и др., 1996). Для определения соматических мутаций, а также морфологических аномалий и нарушения репродуктивной способности клеток идеальным объектом является традесканция клон-02 (А.Х. Сперроу, 1975). В-третьих, традесканция, проростки ячменя и пшеницы являются доступными объектами для круглогодичного наблюдения в лаборатории.
Научная новизна исследований заключается в том, что впервые показано:
изменение параметров морфофизиологического развития проростков ячменя в меньшей степени зависит от химических свойств элементов триады железа (железо, кобальт и никель), а определяется величиной концентрации ионов этих металлов в диапазоне доз от 1 до 100 ПДК;
показатель прироста отрезков колеоптилей пшеницы при концентрации ионов Fe выше 0,3 мг/л (более 1 ПДК) существенно (р<0,05) отличается от величины показателя как в контроле, так и в вариантах действия солей кобальта и никеля в тех же концентрациях, что позволяет рассматривать данный тест в качестве биоиндикатора на присутствие повышенных концентраций ионов Fe в воде или почвенном растворе;
ионы алюминия в концентрации 0,5 мг/л в клетках корневой меристемы ячменя вызывают образование всего спектра хромосомных аберраций: геномных, хромосомных и хроматидных;
присутствие ионов железа совместно с ионами алюминия способствует снятию негативного влияния последнего, что наиболее выражено у чувствительных к действию алюминию сортов ячменя;
при взаимодействии ионов алюминия с анионами лимонной кислоты процент гибельных для клеток геномных мутаций сводится к нулю.
Практическая значимость работы.
Выявленные в ходе диссертационного исследования закономерности
с раздельного и комбинированного действия алюминия и железа на растения
могут быть использованы при решении проблем охраны окружающей среды и разработке методов биотестирования, выборе сортов зерновых злаковых культур для возделывания на кислых почвах, а также при выведении новых сортов культурных растений, устойчивых к воздействию химических токсикантов.
Полученные в диссертационной работе результаты позволили
предложить биотест для разносторонней оценки генетического действия
железа, кобальта и никеля: определение мутагенной активности в волосках
тычиночных нитей традесканции может быть использовано для
прогнозирования возникновения морфологических аномалий под действием
<*, химических мутагенов в водной среде; изменение биометрических показателей
проростков семян зерновых культур коррелируют с устойчивостью к алюминию различных сортов растений.
Положения, выносимые на защиту:
Фито- и генотоксическое действие ионов металлов группы железа не определяется химическими свойствами элементов и может быть идентифицировано с помощью методов биотестирования.
Механизмы устойчивости ячменя к токсичности алюминия сложны и находятся под генетическим контролем. По отклонению показателей морфометрического развития проростков семян ячменя и
,» цитогенетическим тестам можно распределить сорта ячменя на
, чувствительные и толерантные формы.
Ионы железа способны снижать токсическое действие алюминия, при этом их модифицирующее влияние ниже, чем действие органических кислот.
Декларация личного участия автора. Основная работа над диссертацией проводилась на кафедрах биологии и экологии Государственного технического Университета города Обнинска. Автор участвовал в постановке и выполнении цели и задач исследований, в анализе и обсуждении результатов, формулировании выводов и заключения. Сбор материала проводился лично автором в течение 1996-2005 гг.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и опубликованы на научных семинарах кафедры «Биология» Обнинского Государственного технического университета атомной энергетики; на межрегиональной научно-практической конференции «Опыт и проблемы экологического образования и воспитания», Пенза, 1997; на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии на рубеже третьего тысячелетия и пути их разрешения», Брянск, 1999; на межрегиональной научно-практической конференции «Радиация и биосфера», Обнинск,2000; на международной конференции «Экология и жизнь», Пенза, 2003; на конференции Евросоюза по подземным водам в г.Штуттгарт, Германия, 2003г; на 2-ой Международной геоэкологической конференции «Геоэкологические проблеммы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами», Тула , 2004 ; на международной научно-практической конференции «Наука сельскохозяйственного производства и образования», Смоленск, 2004; на 2-ой региональной конференции «Техногенные системы и экологический риск», Обнинск, 2005.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, 3 из них в рецензируемых российских журналах.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, разделов материалов и методов, результатов и их обсуждения, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 111 страницах, включает 19 таблиц и 16 рисунков. Список литературы состоит из 182 источников, из них иностранных изданий 81.
Особенности биологического действия алюминия
Свободные ионы алюминия в токсических концентрациях наносят большой вред культивируемым растениям (Foy CD., 1974; Mudwira L.M., Elgawhary S.N., 1976; Matsumoto H., Morimura S., 1979; 1980; Сарапульцев Б.И., Гераськин C.A., 1993; Буланова H.B., Сынзыныс Б.И. и др., 2001; Сынзыныс Б.И., Буланова Н.В. и др., 2002; Сынзыныс Б.И., Никольская О.Г. и др., 2004). Этому вопросу посвящено много работ, опубликованных как в отечественной, так и в зарубежной литературе. Всевозрастающее внимание уделяется изучению механизмов ингибирующего действия этого металла на физиолого-генетическом уровне (Клмашевский Э.Л., 1960, 1966, 1974, 1982; 1983, 1991; Климашевский Э.Л., Маркова Ю.А., Малышева А.С., 1972.; Климашевский Э.Л., Дедов В.М., 1975; Foy CD., 1978, Delhaize Е., Ryan P.R., Randall P.J., 1993; Буланова H.B., Сынзыныс Б.И., 2001; Сынзыныс Б.И., Харламова О.В. и др., 2000). Количество подвижного алюминия в почвенных растворах находится в пределах 3-30 мг на 100 гр. почвы (Авдонин Н.С, 1969; Свешников А.А., 1970; Климашевский Э.Л., Чернышева Н.Ф., 1980; Тарасенко Н.Д., 1980). Алюминий является основным токсическим фактором на кислых почвах. Дикорастущие растения в условиях высокой кислотности почв накапливают алюминия больше, чем сельскохозяйственные культуры, и часто содержат его в составе пигментов листьев, цветов и плодов. Соединения, в виде которых алюминий поступает в растения и локализуется в разнообразных органах, разнообразны.
В отношении роли алюминия в жизнедеятельности растений существуют такие точки зрения: 1) алюминий стимулятор роста растений (Диви Э., 1972); 2) алюминий необходимый микроэлемент для растений, нужный в очень малых количествах, выше которых он ядовит (Ганжа Б.А., 1971; Климашевский Э.Л., 1991); 3) алюминий необходим некоторым растениям и совсем не нужен другим (Климашевский Е.А., Дедов В.М., 1975).
Хотя до сих пор нет единого мнения о роли алюминия в процессах роста и развития растений, большинство исследователей сходятся в том, что низкие концентрации его могут оказывать положительное влияние, но при их возрастании наступает гибель растений. Критические концентрации сильно варьируют у разных видов растений (Фроловская Т.П., 1966; Conner A.J., Meredith СР., 1985; Aniol А., 1985; Bersowsky W.A., Kimber В., 1986). Отрицательное действие алюминия сказывается в первую очередь на корнях: первичные корни прекращают рост в длину и разбухают, кончики становятся хрупкими и морщинистыми, общая масса и длина корней, ветвление и опушенность корневыми волосками резко уменьшаются, активная поверхность снижается (Климашевский Э.Л., 1960; Зубкова В.М., Демин В.А., 2004). Остановка роста корней вызвана прекращением деления клеток в меристеме (Mumford F.E., Jensen E.L.,1966, Климашевский Э.Л., Маркова Ю.А. и др., 1966), а также подавлением растяжения клеток (Clarkson D.T., 1965, 1969). В результате уменьшения размеров корней нарушается способность поглощать влагу и питательные вещества. Слабое развитие корневой системы — причина изменений, приводящих к снижению продуктивности растения и нередко к его гибели (Дедов В.М., 1974, Климашевский Э.Л., 1991). Но помимо истощения растений в результате слабого развития корневой системы, присутствие алюминия существенно нарушает процессы поглощения и усвоения элементов питания (Березовский К.К., Климашевский Э.Л., 1975, Pierre W.H., 1933). Таким образом, алюминий существенно нарушает корневое питание растений, подавляя поглощение жизненно необходимых элементов. Снижение поглощающей способности корней обусловлено, по-видимому, нарушением функций поверхностных клеточных мембран.
Современные представления о толерантности растений к токсичности ионов металлов сводятся к следующему: устойчивые формы растений располагают механизмами, которые позволяют в значительной мере изолировать токсические ионы от чувствительных метаболических участков (Weiss M.G., 1943; Авдонин Н.С., 1969; Clarkson D.T., 1969; Lunt O.F., 1970, Климашевский Э.Л.,1974; Климашевский Э.Л., 1974; Фенис СИ. и др., 1995;).
Предполагается существование различных механизмов детоксикации ионов (Quellett G.J., 1958; Foy CD., 1965; 1967, 1982; Lean A.A., 1966; Wagatsyma Т., 1984). Один из путей обезвреживания токсических ионов - связывание их с хелатообразующими органическими соединениями, в роль которых могут выступать органические кислоты (Jones L.H., 1961). Осуществление того или иного пути обезвреживания ионов обусловлено генотипической спецификой растений, принадлежащих к определенным систематическим группам. Эта специфика связана с анатомо-морфологическими особенностями растений вообще и их корневых систем, в частности (Pierre W.H., 1933; Haridasan М., 1982).
Растения сильно различаются по устойчивости к алюминию (Мещеряков А.И., 1937; Quellett GJ.,1958; Foy CD., 1965; Климашевский Э.Л., 1960, 1966; Маркова Ю.А., 1974; Foy CD., 1978; Supra V.T., 1982). Мещеряков А.И. расположил полевые культурные растения в следующем порядке по степени чувствительности к алюминию: сахарная свекла белая горчица лен долгунец конопля яровая пшеница яровой ячмень морковь картофель подсолнечник овес горох гречиха люпин яровая рожь (Мещеряков А.И., 1937). Однако по другим данным этот порядок может быть иным (Smoll J., 1954; Журбицкий З.И., 1963). Это связано, в первую очередь с сортовой спецификой устойчивости растений к НҐ и А13+.
Сравнительная устойчивость растений к алюминию зависит от климатических условий, типа почвы, минерального питания. Поэтому понятие устойчивости относительно. Установлено, что сорта одной культуры сильно отличаются по чувствительности к ионной токсичности, причем различия в устойчивости к алюминию между сортами нередко превышают различия видовые (Krupitz А., 1969; Farago М.Е., 1981; Амосова Н.В., Сынзыныс Б.И., 2005).
L.H. Jones и другие предложили, что одни из механизмов обезвреживания подвижных ионов алюминия - образование хелатов с органическими кислотами, выделяемыми корнями (Jones L.H., 1961). Основной визуальный признак повреждения растений избытком ионов алюминия в почвенном растворе - сильное изменение роста их корневой системы. При этом трансформируется морфология и физиология поглощающих органов. Токсический эффект действия почвенной кислотности, обусловленный ионами Н , гораздо меньше по сравнению с действием подвижных форм алюминия (Потутаева Ю.П., 1964; Авдонин Н.С., 1969). Ионы алюминия обладают высоким сродством к большинству хелатообразующих агентов. В большинстве случаев хелаты металлов менее токсичны, чем их соли. Наряду с данными о безвредности органических комплексов алюминия имеются и сведения, указывающие на обратный эффект. Так, алюминий, стабилизированный в растворе яблочной кислотой токсичен (Hampp R., Schnabl Н., 1975; Blair L.M., Taylor G.J., 1997). Одни комплексы с алюминием токсичны, / другие являются транспортной формой металла в протопласт, где ингибирующе действующие ионы переходят из связанного состояния в зо свободное (Орлов Д.С, 1985; Осипов А.Н., Якутова Э.Ш. и др., 1993; Орлов Д.С, Васильевская В.Д., 1994).
Традесканция, как объект для определения мутагенных и токсических эффектов факторов окружающей среды
Традесканция принадлежит к семейству Коммелиновых (Commelinaceae). Клон 02 (2п=12) был впервые обнаружен в 1958 году профессором W.V. Brown среди коллекции традесканции, произрастающей на открытом воздухе в окрестностях университета штата Техас в Остине (рис.2.1). Принято считать, что данный клон является гибридом между Tradescantia occidentalis и T.ohiensis, тем не менее, в точности родительские формы не известны. Взрослые растения достигают 60 см в высоту. Каждое соцветие состоит приблизительно из 50 цветков. В цветке 3 лепестка и 3 чашелистика, 6 тычинок и 1 пестик. Каждая сформировавшаяся тычинка имеет 40-60 волосков. Волосок представляет собой меристематические последовательно расположенные клетки, развивающиеся из одной эпидермальной клетки посредством деления терминальных и субтерминальных клеток. Изменение последовательности расположения клеток (изгибы, разветвления) и их формы (карликовые, гигантские) учитываются как морфологические аномалии. Дикий тип окраски клеток - голубой - является доминантным. Розовый - рецессивным.
Изменение голубой окраски клеток волосков тычиночных нитей на розовую, рассматривается как истинные соматические мутации в гетерозиготных по окраске клетках волосков тычиночных нитей (Mericle L.W., Mericle R.P., 1967; Underbrink A.G., 1973).
При воздействии различных факторов внешней среды может наблюдаться потеря репродуктивной способности клеток. Для определения волосков, остановившихся в росте, необходимо установить число клеток в волоске. Остановка деления клеток может происходить во всех волосках по всей длине тычинки. Однако средняя длина волоска в верхней трети тьиинки приблизительно равна 16 клеткам, в то время как волоски в середине и у основания могут быть более длинные. У традесканции (клон 02) 95% волосков в верхней части тычинки состоит из 12 или более клеток. Поэтому такие волоски оцениваются как оставшиеся в живых. Волоски с меньшим количеством клеток называют stunted (низкорослые) и считаются невыжившими (Ichikawa S., Sparrow А.Н., Thompson К.Н., 1978; Gill B.S., Sandhu R., 1992; Евсеева Т.И., Зайнулин В.Г., 2000)
Традесканция является удобным объектом для изучения действия факторов различной природы. К достоинствам этого объекта можно отнести: высокую чувствительность к внешним воздействиям при низком спонтанном уровне мутаций; низкую индивидуальную изменчивость; длительный период цветения; простоту в культивировании растений благодаря их неприхотливости; точность и доступность регистрации маркеров, характеризующих внешнее воздействие. Исключительно важно, что возможность применения данного тест-объекта и точность данных по загрязнению окружающей среды, получаемых с его помощью, официально подтверждены многими лабораториями мира (США, Канада, Китай, Япония).
Отмечено широкое использование традесканции в радиобиологических исследования. В работах А.Х. Сперроу и Л.А. Шейрера (Сперроу А.Х., Шейрер Л.А., 1975) показано, что методы, используемые для изучения генетических или цитогенетических эффектов физических мутагенов, могут быть полностью применимы к изучению возникновения мутаций, индуцируемых химическими веществами. Результаты, полученные при изучении действия ионизирующей радиации, могут быть использованы как основа для сравнения эффектов химических и физических мутагенов ( Сперроу А.Х., Шейрер Л.А., 1975). В диссертационной работе мы использовали традесканцию для выявления морфологических аномалий и нарушения репродуктивной способности клеток под действием ионов железа, кобальта и никеля.
Растяжение клеток колеоптилей пшеницы
Ионы Fe3+ несущественно подавляли рост отрезков колеоптилей пшеницы: 2,4 мм против 3,1 мм в контроле (различие недостоверно). Под влиянием ионов А1 + прирост отрезков колеоптилей достоверно уменьшался в 3 раза, а при комбинированном действии ионов Fe3+ и А13+ составлял 1,62 мм (рис. 3.11).
Полученные результаты свидетельствуют о том, что фитотоксическое действие ионов А13+ в присутствии ионов Fe3+ уменьшается. О механизме этого явления, пока можно высказать следующие предположения. Во-первых, в клетках корней ячменя при действии ионов Fe3+, возможно, индуцируется синтез белков, аналогичных трансферрину или лактоферрину у животных, которые могут связываться с ионами А13+, делая их неактивными и не влияющими на процессы деления клеток меристемы. Во-вторых, ионы Fe3+, вероятно, индуцируют образование в клетках органических кислот, которые связывают свободный алюминий как в прикорневой зоне, так и межклеточном или внутриклеточном пространстве корней ячменя (Сынзыныс Б.И., Николаева О.Н., Рухляда Н.Н., 2004). В-третьих, ионы Fe3+, проникая в клетки корней ячменя могут индуцировать в них синтез белков-фитохелатинов, некоторые из которых так же, как и аналоги ферритина, связываются с ионами А13+ делая их функционально неактивными, подобно тому, как это наблюдается у растений, предварительно перед облучением подвергнутых действию ионов кадмия (Данилин И.А., Дикарев В.Г., Гераськин С.А., 2004). Возможны и другие объяснения данного феномена. Так или иначе, эти механизмы обеспечивают защиту растений от губительного действия ионов алюминия.
Отрицательное влияние ионов алюминия на продуктивность растений известно достаточно давно и одной из причин уменьшения продуктивности растений на кислых почвах является присутствие свободного алюминия (Foy CD., 1965, 1974; Foy CD., Chaney R.L. and White M.C, 1978; Taylor G.L., 1991; Kochian L.V., 1995). Установлено, что развитие ответных реакций растений на действие алюминия может зависеть от сортовых особенностей культур (Климашевский Э.Л., 1991; Сынзыныс Б.И., Николаева О.Н. и др., 2004), однако единого методологического подхода к определению устойчивости растений к изменению кислотности не существует, а планирование экспериментальных исследований и последующий анализ результатов проводится без учета существующих межсортовых различий к ионной токсичности, которая в ряде случаев бывает даже более выраженной, чем видовые отличия (Климашевский Э.Л., 1974; Чернышева Н.Р., 1976).
По мере усиления кислотной нагрузки на почву, наряду с алюминием, в ее верхних горизонтах накапливается подвижное железо (Sampson M.D., Clarkson D.T., 1965), обуславливая комбинированное воздействие ионов этих элементов на различные компоненты ценоза. При этом повышенное содержание ионов алюминия и железа в зоне корневого всасывания индуцирует разнонаправленные реакции у различных сортов растений (Reid D.A., 1971), механизм развития которых до конца неясен.
Оценка результатов анализа морфометрических и цитогенетических показателей разных сортов семян ячменя свидетельствует о том, что ионы железа в выбранной концентрации (0,3 мг/л - 1 ПДК) не оказывали существенного влияния на отклонение этих показателей от значений в контроле.
Под действием ионов алюминия в концентрации 0,5 мг/л -1 ПДК (как при раздельном, так и совместном присутствии с ионами железа) отмечены различные по величине изменения, как энергии прорастания семян, так и МИ, и частоты хромосомных аберраций 2-х суточных проростков ячменя. У сортов Биос, Ратник и Зевс величина показателя энергии прорастания при проращивании ячменя в растворе А1 составляла в среднем 16,6 % , что в 4,8 раза меньше по сравнению с контрольными значениями (табл. 3.4, табл. 3.6); а МИ - 2,9 %, что в 2,9 раза меньше по сравнению с контролем (табл. 3.5, 3.6). У сортов Горинский, Гетман, Маргрет и Гонар изменения показателей были незначительные: в среднем энергия прорастания была в 1,6 раза меньше, чем контрольные значения, а МИ уменьшался в 1,2 раза.
