Качество семенного потомства ячменя сорта «Зазерский 85» выросшего на почвах загрязненных нитратом цинка

The quality of the seed progeny of barley "Zazersky 85" grown on soils contaminated with zinc nitrate


УДК 631.416.8

09.01.2018
 258

Выходные сведения:
Васильев Д. В. Качество семенного потомства ячменя сорта «Зазерский 85» выросшего на почвах загрязненных нитратом цинка // Аэкономика: экономика и сельское хозяйство, 2018. №1 (25). URL: http://aeconomy.ru/science/agro/kachestvo-semennogo-potomstva-yachm/

Авторы:
Васильев Д. В.
К.Б.Н., С.Н.С. ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и экологии, г. Обнинск, Российская Федерация. E-mail: treworqwert@mail.ru

Authors:
Vasilyev D.V.
K.B.N., SNS. FGBNU All-Russian Scientific Research Institute of Radiology and Ecology, Obninsk, Russian Federation. E-mail: treworqwert@mail.ru

Ключевые слова:
ячмень, цинк, качество семенного потомства, всхожесть, хромосомные аберрации.

Keyword:
Barley, zinc nitrate, quality of seeds, chromosomal aberrations.

Аннотация: 
Рост концентраций тяжёлых металлов (ТМ) в почвах аграрных экосистем ведет к снижению урожайности и ухудшению качества сельскохозяйственной продукции, уменьшению микробиологической активности почв [1, 2]. Особое место среди тяжелых металлов занимает цинк, являющийся необходимым для растений микроэлементом и в тоже время очень токсичным веществом, активно накапливающимся в окружающей среде. И если непосредственное влияние повышеных концентраций цинка в почвах на растения уже достаточно хорошо изучено, то о последствиях такого воздействия на семенное потомство растений пока известно мало. Данное исследование показало, что большие концентрации цинка в почве (превышающие в 10 - 30 раз значения ПДК) способны оказывать негативное влияние на семенное потомство ячменя. Увеличивается частота цитогенетических нарушений в корневой меристеме проростков семян, снижается всхожесть. Но поскольку цинк является необходимым для нормального развитя растений микроэлементом, то его относительно невысокие концентрации в почве (превышающие значения ПДК в 1-2 раза), могут способствовать повышению всхожести семян. Величина влияния цинка на качество семенного потомства зависит от типа и агрохимических свойств почв. На дерново-подзолистых почвах цитогенетические эффекты и изменение всхожести семенного потомства происходит при меньших концентрациях цинка, чем на черноземе и торфяной почве. Это связано с тем, что дерново-подзолистые почвы имеют более низкое содержание гумуса, значительную обменную кислотность, низкую емкость поглощения и степень насыщенности основаниями [1, 3, 4].

Annotation: 
The growth of heavy metal concentrations in soils of agrarian ecosystems leads to a decrease in yield and deterioration in the quality of agricultural products, a decrease in the microbiological activity of soils [1, 2]. A special place among heavy metals is zinc, which is a necessary microelement for plants and at the same time a very toxic substance that actively accumulates in the environment. And if the direct influence of increased zinc concentrations in soils on plants has already been sufficiently studied, then little is known about the consequences of such an effect on the seed progeny of plants. This study showed that large concentrations of zinc in the soil (exceeding the MAC values by 10 - 30 times) are able to negatively affect the seed progeny of barley. The frequency of cytogenetic disorders in the root meristem of seedlings of seeds increases, the germination rate decreases. But since zinc is necessary for the normal development of plants with a microelement, its relatively low concentrations in the soil (exceeding the MPC values 1 - 2 times) may contribute to an increase in the germination of seeds. The magnitude of the influence of zinc on the quality of seed progeny depends on the type and agrochemical properties of the soils. On sod-podzolic soils, cytogenetic effects and changes in the germination of seed offspring occur at lower zinc concentrations than on chernozem and peat soils. This is due to the fact that sod-podzolic soils have a lower humus content, a significant exchange acidity, a low absorption capacity and a degree of saturation with bases [1, 3, 4].

Качество семенного потомства ячменя сорта «Зазерский 85» выросшего на почвах загрязненных нитратом цинка


Введение

Одной из причин экономических потерь в сельском хозяйстве является снижение качества сельскохозяйственной продукции вследствие загрязнения окружающей среды и в частности загрязнения почв тяжелыми металлами - самыми токсичными химическими элементами, способными по пищевым цепям поступать в организм человека и животных [5, 6, 7]. Среди тяжелых металлов особое место занимает цинк, относящийся к веществам 1-го класса опасности [8] и за счет высоких темпов накопления, в окружающей среде, считающийся одним из наиболее значимых её загрязнителей [5].


Основными источниками поступления цинка в почвы земель сельскохозяйственного назначения является промышленность, транспорт, калийные удобрения и сточные воды [1, 4, 9]. Несмотря на то, что цинк является важным для растений микроэлементом, в тоже время, он, достигнув токсических концентраций способен влиять на рост и развитие растений, вызывать некроз листьев, снижать урожаи зерновых [1, 10, 11]. При этом подвижность цинка и его доступность растениям в значительной мере определяется агрохимическими свойствами почв [1, 3, 4].

Рост количества доступных живым организмам форм цинка делает актуальным изучение его биологического влияния, в особенности на сельскохозяйственные растения - основной источник продуктов питания. Поэтому целью данной работы была оценка качества семенного потомства (всхожесть семян) и частоты цитогенетических нарушений в корневой меристеме проростков семян ячменя, выращенного на почвах в которые был внесен в возрастающих концентрациях нитрат цинка.

 

Материалы и методы

Для оценки индуцированного металлами мутагенеза наиболее адекватными считаются цитогенетические тест-системы, а в качестве интегральных критериев оценки токсичности, как правило, используют показатели нарушения роста растений [12, 13]. При проведении исследований мы изучали всхожесть и цитогенетические эффекты в корневой меристеме проростков семенного потомства ячменя (Hordeum vulgare L.) сорта «Зазерский 85» выращенного в вегетационном эксперименте на трех типах почв, в которые вносился водный раствор нитрата Цинка. В дерново-подзолистые супесчаные окультуренные почвы нитрат цинка был внесен в концентрациях 25 50 100 150 и 250 мг/кг воздушно-сухой почвы. В чернозем типичный тяжелосуглинистый в концентрациях 50, 100, 250, 500 и 750 мг/кг воздушно-сухой почвы. В торфяную болотную низинную почву в концентрациях 250, 500 и 1000 мг/кг воздушно-сухой почвы.

Семена проращивали в термостате при температуре 21°С, на смоченной дистиллированной водой фильтровальной бумаге, в чашках Петри. Всхожесть семян определяли на 7 сутки после начала проращивания.

Для фиксации клеток в первом митозе использовали проросшие корешки длиной 1-1,5 см, которые фиксировали в ацето-алкоголе. Окрашивание временных давленых препаратов проводилось ацетоорсеином.

В приготовленных препаратах определяли количество клеток с цитогенетическими нарушениями (анализировали все ана-телофазные клетки, в среднем 3 - 6 тысяч ана-телофаз на вариант). Клетки, имеющие сложные, (неподдающиеся распознаванию) аберрации из анализа были исключены. Отметим, что анафазным методом в клетках корневой меристемы проростков семян регистрируются нарушения, которые возникли в период от образования гамет до созревания и сбора семян, так как индуцированные на вегетативной стадии (до цветения) хромосомные перестройки элиминируются в мейозе за исключением не регистрируемых этим методом симметричных инверсий и транслокаций.

Статистический анализ проводили в редакторе MS Excel. Для анализа использовали методы вариационной статистики. Оптимальный объем выборки, необходимый для получения оценок изучаемых параметров с фиксированной относительной погрешностью при заданной доверительной вероятности, определяли методом статистического анализа эмпирических распределений [14]. Экспериментальные данные проверялись на наличие выбросов, которые из дальнейшего рассмотрения исключали. Достоверность отличий оценивали по критерию Стьюдента.

 

Результаты

Наиболее ранние эффекты воздействия тяжелых металлов на растения можно выявить на клеточном уровне организации живого. Проведенный цитогенетический анализ позволил обнаружить статистически значимый рост числа хромосомных аберраций в корневой меристеме проростков семян урожая ячменя выросшего на черноземе и дерново-подзолистых почвах с высокими концентрациями цинка в 10 - 33 раза превышающих ПДК [15]. На торфяной болотной низинной почве наблюдается тенденция к увеличению числа клеток с цитогенетическими нарушениями при высоких концентрациях цинка в почве (рис. 1).

Надо отметить, что рост цитогенетических нарушений у семян, полученных на дерново-подзолистых почвах, начинается при значительно меньших концентрациях цинка, чем у семян ячменя выросшего на черноземе или торфяной почве (рис. 1). Это может быть связано со свойствами почв. Известно, что присущая дерново-подзолистым почвам повышенная кислотность, низкое содержание органического вещества и малый объем катионного обмена по сравнению с черноземом и торфяной почвой, способствует более быстрому накоплению растениями цинка в токсичных концентрациях [1, 3, 4].


Рисунок 1. Частота цитогенетических нарушений в корневой меристеме проростков семян ячменя.

* - отличие от контроля статистически значимо p <5%.

 

Действительно ли именно повышенные концентрации цинка сказались на частоте цитогенетических нарушений в корневой меристеме семян ячменя. О природе фактора вызывающего цитогенетические нарушения можно судить по спектру нарушений. Этот подход основан на том фундаментальном факте, что ни один из техногенных поллютантов не способен создать новые биологические феномены, т.е. новые типы мутаций, которые не наблюдались бы и в контроле. Но вот соотношение типов мутаций при действии факторов разной природы может меняться весьма значительно [16, 17]. Считается, что тяжелые металлы и в частности цинк способны увеличивать долю геномных аберраций [18, 19, 20]. Проведенный анализ спектра цитогенетических нарушений действительно выявил тенденцию к росту числа геномных нарушений, по мере увеличения концентрации цинка в исследуемых почвах. Причем, при концентрации цинка 250 мг/кг воздушно-сухой дерново-подзолистой почвы число геномных нарушений статистически значимо отличается от фонового уровня. Таким образом, повышенные концентрации цинка в почвах в период от образования гамет, до созревания семян ячменя и то количество цинка, которое было накоплено в семенах, способно оказывать мутагенное влияние на семенное потомство ячменя полученное на почвах с высоким содержанием цинка.

Сказываются ли повышенные концентрации цинка в почвах на посевных качествах семян урожая ячменя? Одним из эффектов воздействия тяжелых металлов на семенное потомство растений является снижение их всхожести [21]. В нашем исследовании было установлено, что всхожесть семян ячменя выросшего на почвах загрязненных нитратом цинка, имеет тенденцию к немонотонному снижению (r=0,51-0,59) с ростом концентрации цинка во всех трех типах почв (рис. 2). Однако небольшие концентрации цинка (25-250 мг/кг воздушно-сухой почвы), способны вызывать рост всхожести семян. У семян ячменя выросшего на дерново-подзолистой и торфяной почве этот рост статистически значим. Увеличение всхожести семян ячменя выросшего на почвах с низким уровнем загрязнения может быть объяснено тем, что цинк в небольших концентрациях необходим для растений. Являясь важным микроэлементом, он принимает участие в обменных и окислительных процессах, входит в состав более чем 200 ферментов, участвует в синтезе ДНК, РНК, хлорофилла, а также оказывает влияние на формирование генеративных органов и семян [3, 22, 23]. Токсичным цинк становится, только превысив определенный для каждого вида растений критический уровень [3].

     

Надо отметить, что изменения всхожести, как и статистически значимое увеличение частоты цитогенетических нарушений, у семенного потомства ячменя, выросшего на дерново-подзолистой почве, наступает при значительно меньших концентрациях цинка, чем на двух других типах почв (Рис. 1). Это также можно объяснить большей доступностью цинка для растений на дерново-подзолистых почвах.

 

Заключение

На основании полученных результатов можно сказать, что небольшое превышение уровней ПДК содержания цинка в почвах на которых был получен урожай ячменя, может положительно сказываться на всхожести полученных семян, поскольку цинк является важным микроэлементом, необходимым для растений. Однако превышение ПДК содержания цинка в почве более чем в 10 раз, уже может ухудшать всхожесть семян и вызывать повышенную частоту цитогенетических нарушений в их проростках.

Токсическое действие цинка на семенное потомство ячменя зависит от типа и агрохимических свойств почв, на которых был получен урожай. На дерново-подзолистых почвах цитогенетические эффекты и изменение качества семенного потомства происходит при меньших концентрациях, чем на черноземе и торфяной почве. Это связано с тем, что дерново-подзолистые почвы имеют более низкое содержание гумуса, значительную обменную кислотность, низкую емкость поглощения и степень насыщенности основаниями [1, 3, 4], что способствует большей доступности цинка для растений.

 


Библиографический список


1. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях: Перевод с англиского. М.: Мир, 1989. 439 с.
2. Агроэкология / под ред. В.А. Черникова, А.И. Чекереса. М.: Колос, 2000. 536 с.
3. Siedlecka, A., Some aspects of interactions between heavy metals and plant mineral nutrients. Acta Soc. Bot. Pol., 1995., V. 64, P. 65–272.
4. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропромиздат, ЛО, 1987. 142 с.
5. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва – растение. / Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1991. 151с.
6. Villiers F., Ducruix C., Hugouvieux V. et al. Investigating the plant response to cadmium exposure by proteomic and metabolomic approaches // Proteomics. 2011. V. 11. P. 1650–1663.
7. Wood J. M. Diologicalcicles for toxic elements in the invironment // Science 1974. Vol. 183. P. 1049-1059.
8. ГОСТ 17.4.1.02-83 Охрана почв. Классификация химических веществ для контроля загрязнения. Ростехрегулирование. Москва, 2003. С. 1-5.
9. Цинк и кадмий в окружающей среде /Под ред. В.В. Добровольского. М.: Наука, 1992. 200 с.
10. Макарова В.Г., Цыганов А.Р., Кирюшин В.А., Коновалов О.В., Вильдфлуш И.Р., Можайский Ю.А., Персикова Т.Ф., Желязко В.И. Экологические и медико-социальные аспекты охраны природной среды и здоровья населения – Минск: БИТ «Хата», 2002. 114с .
11. Воскресенская О.Л.; Чернавина И.А.; Аксенова В.А. Влияние избытка цинка в среде произрастания на поглощение металлов растениями овса. Физиология устойчивости растений Нечерноземной зоны РСФСР, 1987, - С. 34-41
12. Grant W.F., Owens E.T. Lycopersicon assays of chemical/radiation genotoxicity for the study of environmental mutagenesis // Mutation research. 2002. V. 511. Suppl. 3. P. 207-237.
13. Kovalchuk I., Kovalchuk O., Hohn B. Biomonitoring the genotoxicity of environmental factors with transgenic plants // Trends in Plant Science. 2001. V. 6. P. 306-310.
14. Гераськин С.А., Фесенко С.В., Черняева Л.Г., Санжарова Н.И.Статистические методы анализа эмпирических распределений коэффициентов накопления радионуклидов растениями // Сельскохозяйственная биология. 1994. № 1. С. 130-137.
15. ГН 2.1.7.2041-06 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве». / Москва, 2006. С. 1-6.
16. Фогель Ф., Мотульски А. Генетика человека. Т. 2. М.: Мир, 1990. 378 с.
17. Geraskin S.A., Dikarev V.G., Dikareva N.S., Vasiliyev D.V., Oudalova A.A., Alexakhin R.M., Zimina L.M., Zimin V.L., Blinova L.D. Bioindication of the anthropogenic effects on micropopulations of pinus sylvestris, l. in the vicinity of a plant for the storage and processing of radioactive waste and in the Chernobyl NPP zone // Journal of Environmental Radioactivity. 2003. Т. 66. No 1-2. P. 171-180.
18. Micieta K., Murin G. Three species of genus Pinus suitable as bioindicators of polluted environment // Water, Air, Soil Pollution. 1998. V. 104. P. 413-422.
19. Бессонова В.П. Состояние пыльцы как показатель загрязнения среды тяжелыми металлами // Экология. 1992. № 4.С. 45-50.
20. Алиева И.Б., Воробьев И.А. Поведение клеток и распределение центриолей при многополюсном митозе, индуцированном действием нокодазола // Цитология. 1989. Т. 31. № 6. С. 633-641.
21. Munzuroglu O. Geckil H. Effects of metals on seed germination, root elongation and coleoptile and hypocotyl growth in Triticumaestivum and Cucumissativus // Archives of Environmental Contamination and Toxicology. 2002. V. 43. P. 203-213.
22. Lindsay, W. L., Zinc in soils and plant nutrition. Adv. Agron., T. 24, P. 147, 1972
23. Яковенко Н.В., Марков Д.С., Молодцева А.А., Туркина Е.П. Факторы окружающей среды в формировании здоровья населения ивановской области (атмосферный воздух) // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 5. С. 461.

References


1. Kabata-Pendias A., Pendias H. Mikroehlementy v pochvah i rasteniyah: Perevod s angliskogo. M.: Mir, 1989. 439 s.
2. Agroehkologiya. Pod red. V.A. CHernikova, A.I. CHekeresa. M.: Kolos, 2000. P. 536.
3. Siedlecka, A., Some aspects of interactions between heavy metals and plant mineral nutrients. Acta Soc. Bot. Pol., 1995., V. 64, Pp 65–272.
4. Alekseev Y.V. Tyazhelye metally v pochvah i rasteniyah. L.: Agropromizdat, LO, 1987. P.142.
5. Il'in V.B. Tyazhelye metally v sisteme pochva – rastenie. Novosibirsk: Nauka. Sib. Otd-nie, 1991. P. 151.
6. Villiers F., Ducruix C., Hugouvieux V. et al. Investigating the plant response to cadmium exposure by proteomic and metabolomic approaches Proteomics. 2011. V. 11. Pp 1650–1663.
7. Wood J. M. Diologicalcicles for toxic elements in the invironment Science 1974. V. 183. Pp 1049-1059.
8. GOST 17.4.1.02-83 Ohrana pochv. Klassifikaciya himicheskih veshchestv dlya kontrolya zagryazneniya. Rostekhregulirovanie. Moskva, 2003. P. 1-5.
9. Cink i kadmij v okruzhayushchej srede Pod red. V.V. Dobrovol'skogo. M.: Nauka, 1992. P. 200.
10. Makarova V.G., Cyganov A.R., Kiryushin V.A., Konovalov O.V., Vil'dflush I.R., Mozhajskij YU.A., Persikova T.F., ZHelyazko V.I. EHkologicheskie i mediko-social'nye aspekty ohrany prirodnoj sredy i zdorov'ya naseleniya – Minsk: BIT «Hata», 2002. P. 114 .
11. Voskresenskaya O.L.; CHernavina I.A.; Aksenova V.A. Vliyanie izbytka cinka v srede proizrastaniya na pogloshchenie metallov rasteniyami ovsa. Fiziologiya ustojchivosti rastenij Nechernozemnoj zony RSFSR, 1987, - P. 34-41
12. Grant W.F., Owens E.T. Lycopersicon assays of chemical/radiation genotoxicity for the study of environmental mutagenesis Mutation research. 2002. V. 511. Suppl. 3. Pp. 207-237.
13. Kovalchuk I., Kovalchuk O., Hohn B. Biomonitoring the genotoxicity of environmental factors with transgenic plants Trends in Plant Science. 2001. V. 6. Pp. 306-310.
14. Geras'kin S.A., Fesenko S.V., CHernyaeva L.G., Sanzharova N.I.Statisticheskie metody analiza ehmpiricheskih raspredelenij koehfficientov nakopleniya radionuklidov rasteniyami Sel'skohozyajstvennaya biologiya. 1994. № 1. Pp. 130-137.
15. GN 2.1.7.2041-06 «Predel'no dopustimye koncentracii (PDK) himicheskih veshchestv v pochve». Moskva, 2006. Pp. 1-6.
16. Fogel' F., Motul'ski A. Genetika cheloveka. T. 2. M.: Mir, 1990. P. 378.
17. Geraskin S.A., Dikarev V.G., Dikareva N.S., Vasiliyev D.V., Oudalova A.A., Alexakhin R.M., Zimina L.M., Zimin V.L., Blinova L.D. Bioindication of the anthropogenic effects on micropopulations of pinus sylvestris, l. in the vicinity of a plant for the storage and processing of radioactive waste and in the Chernobyl NPP zone Journal of Environmental Radioactivity. 2003. Т. 66. No 1-2. Pp. 171-180.
18. Micieta K., Murin G. Three species of genus Pinus suitable as bioindicators of polluted environment Water, Air, Soil Pollution. 1998. V. 104. Pp. 413-422.
19. Bessonova V.P. Sostoyanie pyl'cy kak pokazatel' zagryazneniya sredy tyazhelymi metallami EHkologiya. 1992. No 4.Pp. 45-50.
20. Alieva I.B., Vorob'ev I.A. Povedenie kletok i raspredelenie centriolej pri mnogopolyusnom mitoze, inducirovannom dejstviem nokodazola Citologiya. 1989. T. 31. No 6. Pp. 633-641.
21. Munzuroglu O. Geckil H. Effects of metals on seed germination, root elongation and coleoptile and hypocotyl growth in Triticumaestivum and Cucumissativus Archives of Environmental Contamination and Toxicology. 2002. V. 43. Pp. 203-213.
22. Lindsay, W. L., Zinc in soils and plant nutrition. Adv. Agron., 1972, T. 24, P. 147
23. Jakovenko N.V., Markov D.S., Molodceva A.A., Turkina E.P. Faktory okruzhajushhej sredy v formirovanii zdorov'ja naselenija ivanovskoj oblasti (atmosfernyj vozduh). Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. 2013. No 5. P. 461.

Возврат к списку