Литературные данные свидетельствуют о том, что соли кадмия влияют на морфологические параметры и метаболизм растительного организма. Например, показано влияние ионов кадмия на изменение морфологических показателей овса (AvenasativaL.), на клеточное деление и рост растений, на синтез белка и нуклеиновых кислот при прорастании семян пшеницы, кукурузы и гороха - достоверно либо повышается, либо уменьшается содержание нуклеиновых кислот и белков, на активность ферментов азотного метаболизма растений пшеницы /1-5/. Согласно исследованиям Гомеса и др. (2001 г.), при обработке солями кадмия - CdCl2 и Cd(NO3)2 значительно увеличивается, по сравнению с контролем индукция частоты изменений сестринских хроматид у конских бобов (ViciafabaL.) Коэффициент корреляции для CdCl2 составлял 0,91, а для Cd(NO3)2 - 0,90 /6/.
По способности к аккумуляции тяжелых металлов выделяют две контрастные группы растений: исключатели, у которых поглощаемые тяжелые металлы задерживаются в корневой системе и практически не поступают в побеги, и гипераккумуляторы, у которых они накапливаются в больших количествах в надземных органах без видимого нарушения метаболизма /7/.
Установлено, что обработка семян СdСl2 индуцирует у мягкой пшеницы изменения, которые выражаются в появлении в первом поколении (М1) мощных растений с продуктивными селекционно-ценными признаками – удлиненные колосья, более крупные зерновки, по массе зерна с главного колоса, массе 1000 зерен и др. Эти растения, обладали характерными признаками исходного сорта, но по ряду количественных признаков превосходили контрольные варианты. Признаки измененных форм стабильно передаются в поколениях М2 - М4 /8/.
В связи с этим представляло интерес изучить влияние 0,01% водного раствора СdСl2 на изменчивость количественных показателей внутренней анатомической структуры пшеницы.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Экспериментальным материалом служили 14-дневные проростки двух сортов мягкой пшеницы (ТriticumaestivumL.) местной селекции: сорт Казахстанская 3 и сорт Женис. Для этого семена пшеницы замачивали в 200 мл 0,01% водного раствора СdСl2 в течение 5 ч. при температуре 25о С. Обработанные семена промывали 30 мин в проточной воде, затем по 5 мин. трижды стерильной водой. Семена помещали в пластиковые чашки Петри и проращивали 48 часов на смоченной водой фильтровальной бумаге в термостате при температуре 25оС. Через 48 часов проростки проращивали при комнатной температуре на свету. В процессе проращивания проростки поливали проточной отстойной водой. Контролем служили необработанные семена пшеницы.
Для анатомических исследований вегетативные органы растений фиксировали по общепринятым методикам /9,10/. Срезы материала проводили на микротоме с замораживающим устройством ТОС-2. Микрофотографирование объектов исследования проводили на микроскопе Axioskop 40, Carl Zeiss. Статистическая обработка проведена согласно Рокицкому П.Ф. /11/.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Известно, что кадмий, как тяжелый металл, обладает мутагенным и токсическим действием /12/. Однако практически нет сведений о том, какими морфофизиологическими особенностями определяется способность растений накапливать тяжелые металлы в надземных органах, либо в корнях.
В данном исследовании при гистологическом анализе выявлено, что 0,01% водный раствор СdСl2 изменяет анатомическую структуру вегетативных органов пшеницы. Выявлено, что сорт Казахстанская 3 более чувствителен к действию соли кадмия, чем сорт Женис.
Результаты исследований влияния хлористого кадмия на рост и развитие внутренней анатомической структуры стебля мягкой пшеницы представлены в таблице 1 и рисунках 1, 2.
Таблица 1 - Влияние CdCl2 на морфометрические показатели стебля пшеницы
|
Сорт |
Варианты |
Толщина эпидермиса, мкм |
Толщина выполненной части, мкм |
Площадь проводящих пучков, x10-3 мм2 |
Площадь ксилемных сосудов, x10-3 мм2 |
|
Казахстанская 3 |
Контроль |
25,05±1,59 |
149,91±4,72 |
70,04±8,85 |
2,43±0,33 |
|
Опыт |
27,57±1,18 |
175,14±3,52*** |
51,91±2,86 |
2,99±0,13 |
|
|
Женис |
Контроль |
31,21±0,96 |
177,10±16,23 |
75,37±6,35 |
2,20±0,25 |
|
Опыт |
25,79±1,65** |
175,05±7,17 |
39,79±2,71*** |
2,47±0,30 |
|
|
**- при Р<0,01; *** - при Р<0,001 |
|||||
Рисунок 1 - Влияние CdCl2 на анатомическое строение стебля сорта Казахстанская 3
Стебель пшеницы представлен соломиной цилиндрической формы, внутри полый или выполненный, состоит из узлов и междоузлий. В строении стебля различают следующие ткани: эпидермис, гиподерму, зеленую ассимиляционную паренхиму, бесцветные участки паренхимы и сосудисто-волокнистые проводящие пучки. К эпидермису прилегает механическая ткань – гиподерма. Ассимиляционная ткань размещается островками в склеренхимной гиподерме и состоит из тонкостенных паренхимных клеток с хлоропластами /13/.
При изучении влияния соли кадмия на анатомическое строение стебля мягкой пшеницы сорта Казахстанская 3 установлено, тяжелый металл изменяет только толщину выполненной части на 16% (175,14±3,52 мкм) в сравнении с контролем (149,91±4,72 мкм).
Рисунок 2 - Влияние CdCl2 на анатомическое строение стебля пшеницы сорта Женис
При изучении действия CdCl2 на стебли сорта Женис показано, что уменьшается на 48% площадь проводящих пучков (39,79±2,71 x10-3 мм2) по сравнению с контролем (75,37±6,35 x10-3 мм2) и утончается толщина эпидермиса на 18% (25,79±1,65 мкм) по сравнению с контрольным вариантом (31,21±0,96 мкм). При этом CdCl2 не влияет наплощадь ксилемных сосудов стебля. Вероятно, различия в морфометрических показателях стебля зависят от реакции генотипов исследуемых сортов на действие соли тяжелого металла.
Распределение различных металлов в побегах имеет свои особенности. Это зависит от физико-химических свойств их ионов, а также определяется принадлежностью растений к типу исключателей или гиперакумуляторов. Кадмий и свинец поступают в надземные органы растений-исключателей в ограниченном количестве. В побегах эти металлы обнаружены в проводящих тканях и эпидермисе /14/.
Во внутренней структуре листовых пластинок пшеницы под воздействием CdCl2 также наблюдается изменение морфометрических показателей: толщины эпидермальных клеток и листовой пластинки, площади проводящих пучков и сосудов ксилемы (таблица 2, рисунки 3, 4).
Листовые пластинки пшеницы плоские, верхняя и нижняя стороны ровные или слаборебристые. Главная жилка простая, на нижней поверхности листовой пластинки образует небольшой, тупой выступ. Между крупными жилами расположено по две-три средних и мелких жилки. Вокруг крупных и средних сосудистых пучков имеются склеренхимные обкладки. Клетки, примыкающие к верхнему и нижнему эпидермису, образуют палисадную ткань /13/.
Выявлено, что при действии CdCl2 у сорта Казахстанская 3 изменяется толщина как верхнего (27%), так и нижнего эпидермиса (18%), толщина листовой пластинки (44%) и площадь ксилемных сосудов (22%). У листовых пластинок опытного варианта сорта Женис увеличивается площадь ксилемных сосудов (17,5%).
Таблица 2 – Влияние CdCl2 на морфометрические показатели листьев пшеницы
|
Сорт |
Вари- ант |
Толщина эпидермиса, мкм |
Толщина листовой пластинки, мкм |
Площадь проводящих пучков, x10-3мм2 |
Площадь ксилемн. сосудов, x10-3мм2 |
|
|
верхний |
нижний |
|||||
|
Казах- станская 3 |
Контроль |
18,97±0,80 |
18,22±1,00 |
99,81±8,73 |
39,76±5,00 |
2,79±0,20 |
|
Опыт |
4,21±0,70*** |
21,68±0,70** |
143,93±4,50*** |
37,47±1,60 |
2,19±0,10* |
|
|
Женис |
Контроль |
29,25±1,30 |
27,66±1,57 |
137,38±3,50 |
55,82±3,00 |
2,74±0,10 |
|
Опыт |
30,0±1,90 |
26,26±0,88 |
146,26±3,00 |
51,39±1,80 |
3,22±0,10** |
|
|
*- при Р< 0,05; **- при Р<0,01;*** - при Р<0,001 |
||||||
Действие CdCl2 вызывает некоторые изменения внутренней структуры корней растений (таблица 3, рисунки 5, 6 ).
Корень пшеницы снаружи покрыт ризодермой, поверхность которой сильно увеличена
за счет образования корневых волосков. За ризодермой образуется первичная кора, основную массу которой составляют живые паренхимные клетки. Внутренний слой коры представлен клетками эндодермы, которая состоит из живых несколько вытянутых в длину тонкостенных клеток. Проводящая система корня представлена радиальным пучком, в которой элементы флоэмы чередуются с элементами ксилемы /13/.
Таблица 3 – Влияние CdCl2 на морфометрические показатели корня пшеницы
|
Сорт |
Варианты |
Толщина первичной коры, мкм
|
Диаметр центрального цилиндра, мкм |
Толщина эндодермы, мкм |
Площадь ксилем- ных сосудов, x10-3мм2 |
|
Казахстанская 3 |
Контроль |
168,13±6,67 |
194,39±5,84 |
26,92±6,41 |
2,73±0,23 |
|
Опыт |
149,16±11,31 |
175,05±3,86** |
22,06±0,74 |
2,71±0,14 |
|
|
Женис |
Контроль |
162,99±7,43 |
141,49±2,06 |
19,16±0,51 |
1,97±0,09 |
|
Опыт |
153,18±9,08 |
141,22±1,80 |
18,79±1,25 |
2,03±0,08 |
|
|
**- при Р < 0,01 |
|||||
Следует отметить, что CdCl2практически не оказывает влияния на анатомическую структуру корневой системы пшеницы. Однако, наблюдаются незначительные уменьшение толщины слоя клеток первичной коры и толщины эндодермы как у сорта Казахстанская 3, так и Женис. При этом статистически достоверно уменьшается диаметр центрального цилиндра корня от 194,3±5,8 мкм до 175,0±3,8 мкм. Согласно литературным данным, большую часть площади поперечного сечения корня занимают клетки коры, которые могут накапливать Cd, Pb, Sr. У растений, в частности у кукурузы, кадмий, как, и свинец накапливается главным образом в ризодерме и коре, содержание этих металлов в эндодерме было ниже, чем в клетках прилегающего к эндодерме слоя коры /14,15/.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что CdCl2 изменяет статистически достоверно количественные показатели в тканях стебля (толщину эпидермиса и выполненной части, а также площадь проводящих пучков), листьев (толщину верхнего и нижнего эпидермиса, толщину листовой пластинки и площадь ксилемных сосудов), корня (диаметр центрального цилиндра). Изменение анатомической структуры вегетативных органов при действии тяжелого металла зависит от генотипа растительного организма: сорт Женис более устойчив к действию к CdCl2,чем сорт Казахстанская 3.
ЛИТЕРАТУРА
1. Казнина Н.М., Лайдинен Г.Ф., Титов А.Ф.. Шибаева Н.А. Изменение морфологических показателей Avenasativa под действием кадмия // Тез. докл. Межд. конф. “Проблемы сохранения биоразнообразия в наземных и морских экосистемах Севера”.- Апатиты- 2001.
2. Мельничук A.П. Влияние ионов кадмия на клеточное деление и рост растений. - Киев: Наук. Думка, 1990. - 148 с.
3. Stolt P., Asp H., Hultin S. Genetic variation in wheat cadmium accumulation on soils with different cadmium concentrations // Journal of agronomy and crop science.- 2006.- Vol.192, № 3.- Р. 201-208.
4. Лишко А.К. Действие кадмия на процессы синтеза белка и нуклеиновых кислот на ранних этапах прорастания семян // Авт. канд. диссертации, Тбилиси, 1985.
5. Омирбекова Н.Ж. Особенности азотного метаболизма генотипов мягкой пшеницы (TriticumaestivumL.), полученных с помощью слабого мутагена CdCl2 // Вестник КазНУ (серия биологическая), 2008, № 1 (36), С. 179-181.
6. Gomes-Arroyo S., Cortes-Eslava J., Bedolla-Cansino R.M. and all. Sister chromatid exchanges induced by heavy metals in Vicia faba // Biologia Plantarum. - 2001. - 44 (4). - P. 591-594.
7. Baker A.J.M. Accumulators and Excluders-Strategies in Response of Plants to Heavy Metals //J. Plant Nutr. - 1981. - V. 3. - P.643-654.
8. Чунетова Ж.Ж., Омирбекова Н.Ж., Шулембаева К.К. Морфогенетическая изменчивость сортов мягкой пшеницы индуцированная CdCl2 // Генетика. 2008 – №11. - С. 1503-1507.
9. Пермяков А.И. Микротехника. – М.: МГУ, 1988. – 58 с.
10. Барыкина Р.П. и другие. Справочник по ботанической микротехнике. Основы и методы. – М.: МГУ, 2004. – 312 с.
11. Рокицкий П.Ф. Биологическая статистика. М.Колос, 1973. 327 с
12. Селезнева Е.М., Гончарова Л.И., Белова Н.В. Влияние ионов кадмия на некоторые морфофизиологические и биохимические показатели ячменя //Агрохимия. - 2008. - № 4.- С. 82-86.
13. Носатовский А.И. Пшеница. Биология. М.: Колос., 1965.- 568 с.
14. Серёгин И.В., Иванов В.Б. Гистохимические методы изучения распределения кадмия и свинца в растениях // Физиология растений. – 1997. - Т. 44. - С. 915-921.
15. Серёгин И.В., Шпигун Л.К., Иванов В.Б. Распределение и токсическое действие кадмия и свинца на корни кукурузы // Физиология растений. – 2004. - Т. 51. - С. 582-591.