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.