Влияние повышенных концентраций цинка в субстрате на рост и фотосинтетический аппарат горчицы белой

Ангелина Константиновна Задворная, Наталья Мстиславовна Казнина, Екатерина Станиславовна Холопцева, Angelina Zadvornaya, Natalia Kaznina, Ekaterina Kholoptseva

Аннотация


В условиях контролируемой среды изучено влияние повышенных концентраций цинка (1, 2.5 и 5 М) на рост и фотосинтетический аппарат (ФСА) горчицы белой (Sinapis alba L.). Обнаружено, что при воздействии цинка в концентрациях 1 и 2.5 М у растений увеличивается площадь листовых пластинок настоящих листьев, повышается содержание хлорофиллов и каротиноидов, возрастает устьичная проводимость. Достоверных изменений соотношения хлорофиллов (а/b) и активности фотосистемы II (ФС II), определяемой по показателю Fv/Fm, характеризующему потенциальный квантовый выход фотохимической активности ФС II, не выявлено. Все это позволило растениям опытных вариантов сохранить скорость фотосинтеза на уровне контрольных растений, а также обеспечило их успешный рост и накопление сухой биомассы в этих условиях. Лишь увеличение концентрации цинка до 5 М приводило к торможению роста корня и побега и полной остановке развития растений в фазе семядольных листьев. Полученные результаты свидетельствуют об относительно высокой устойчивости горчицы белой к избытку цинка в субстрате, а также о возможности и перспективности ее использования для восстановления и повышения плодородия почв сельскохозяйственного назначения, загрязненных цинком.


Ключевые слова


Sinapis alba L.; цинк; рост; фотосинтетический аппарат; фиторемедиация

Полный текст:

PDF

Литература


Алексеева-Попова Н. В., Игошина Т. И., Косицин А. В., Ильинская М. Л. Устойчивость к тяжелым металлам (Pb, Zn, Cu) отдельных видов и популяций естественных фитоценозов из района медноколчеданных рудопроявлений // Растения в экстремальных условиях минерального питания. Л.: Наука, 1983. С. 22–42.

Белоус Н. М. Влияние плодородия на урожайность сельскохозяйственных культур и накопление 137CS // Вестник БГСХА, Брянск, Отдельный вып., 2005. С. 30-34.

Василев А., Керин В., Йорданов И. Фотосинтетическая характеристика растений ячменя (Н. vulgare L., H. distichon L.), выращенных в среде с кадмием // Известия ТСХА. 1995. Вып. 1. С. 207–213.

Иванова Е. М., Холодова В. П., Кузнецов Вл. В. Биологические эффекты высоких концентраций солей меди и цинка и характер их взаимодействия в растениях рапса / Физиология растений. 2010. Т. 57, № 6. С. 864–873

.

Казнина Н. М. Физиолого-биохимические и молекулярно-генетические механизмы устойчивости растений семейства Роасеае к тяжелым металлам: Автореф. дис. ... докт. биол. наук. СПб., 2016. 48 с.

Казнина Н. М., Титов А. Ф., Лайдинен Г. Ф., Таланов А. В. Устойчивость щетинника зеленого к повышенным концентрациям цинка // Известия РАН. Серия биологическая. 2009. № 6. С. 677–684.

Постников Д. А. Фитомелиорация и фиторемедиация почв сельскохозяйственного назначения с различной степенью окультуренности и экологической нагрузки: автореферат дис. ... доктора сельскохозяйственных наук: 03.00.16 / Брянск, 2009. 42 с.

Прасад М. Н. Практическое использование растений для восстановления экосистем, загрязненных металлами / Физиология растений. 2003. Т. 50, № 5. С. 768–780.

Рубин А. Б. Биофизика фотосинтеза и методы экологического мониторинга // Технологии живых систем. 2005. Т. 2. С. 47–68.

Рубин A. Б., Kренделева Т. Е. Регуляция первичных процессов фотосинтеза // Успехи биол. химии. 2003. Т. 43. С. 225–266.

Серегин И. В., Кожевникова А. Д., Грачева В. В., Быстрова Е. И., Иванов В. Б. Распределение цинка по тканям корня проростков кукурузы и его действие на рост // Физиология растений. 2011. Т. 58, № 1. С. 85–94.

Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н. М., Лайдинен Г. Ф. Устойчивость растений к тяжелым металлам. Петрозаводск: Карельский НЦ РАН, 2007. 170 с.

Caldelas C., Dong S., Araus J. L., Weiss D. J. Zinc isotopic fractionation in Phragmites australis in response to toxic levels of zinc // Journal of Experimental Botany. 2011. V. 62. N 6. P. 2169–2178.

Durand T. C., Hausman J. F., Carpin S. Zinc and cadmium effects on growth and ion distribution in Populus tremula x Populus alba // Biol. Plant. 2010. V. 54, N 1. P. 191–194.

Gabrielli R., Pandolfini T., Vergnao O., Palandizi M. Comparison of two serpentine species with different nickel tolerance strategies // Plant and Soil. 1990. V. 122. N 2. P. 271–277.

Gall J. E., Rajakaruna N. The physiology, functional genomics, and applied ecology of heavy metal-tolerant Brassicaceae. In: Lang M (ed) Brassica: characterization, functional genomics and health benefits // Nova, New York, 2013. Р. 121–148.

Khudsar T., Mahmooduzzafar, Iqbal M. Cadmium-induced changes in leaf epidermis, photosynthetic rate and pigment concentrations in Cajanus cajan // Biol. Plant. 2001. V. 44, N 1. P. 59–64.

Khudsar T., Mahmooduzzafar, Iqbal M., Sairam R. K. Zinc-induced changes in morpho-physiological and biochemical parameters in Artemisia annua // Biol. Plant. 2004. V. 48, N 2. P. 255–260.

Krupa Z. Cadmium-induced changes in the composition and structure of the lightharvesting chlorophyll a/b protein complex II in radish cotyledons // Physiol. Plant. 1988. V. 73. P. 518–524.

Lefèvre I., Marchal G., Corréal E., Zanuzzi A., Lutts S. Variation in response to heavy metals during vegetative growth in Dorycnium pentaphyllum Scop. // Plant Growth Regul. 2009. V. 59. P. 1–11.

Misra A., Srivastava A. K., Srivastava N. K., Khan A. Zn-acquisition and its role in growth, photosynthesis, photosynthetic pigments, and biochemical 168 changes in essential monoterpene oil(s) of Pelargonium graveolens // Photosynthetica. 2005. V. 43, N 1. P. 153–155.

Mourato M. P., Moreira I. N., Leitᾶo I., Pinto F.R., Sales J. R, Martins L. L. 2015. Effect of Heavy Metals in Plants of the Genus Brassica // Internal Journal of Molecular Sciences. V. 16. N 8. P. 17975–17998.

Nouairi I., Ammar W. B., Youssef N. B., Daoud D. B. M., Ghorbal N. H., Zarrouk M. Comparative study of cadmium effects on membrane lipid composition of Brassica juncea and Brassica napus leaves // Plant Sci. 2006. V. 170. N 3. P. 511–519.

Ouni Y., Mateos-Naranjo E., Abdelly C., Lakhdar A. Interactive effect of salinity and zinc stress on growth and photosynthetic responses of the perrenial grass, Polypogon monspeliensis // Ecol. Engineer. 2016. V. 95. P. 171–179.

Panda S. K., Chaudhury I., Khan M. H. Heavy metals induce lipid peroxidation and affect antioxidants in wheat leaves // Biol. Plant. 2003. V. 46. P. 289–294.

Punz W. F., Sieghardt H. The response of roots of herbaceous plant species to heavy metals // Environ. Exp. Bot. 1993. V. 33. P. 85–98.

Sagardoy R., Vázquez S., Florez-Sarasa I. D., Albacete A., Ribas-Carbó M., Flexas J., Abadia J., Morales F. Stomatal and mesophyll conductances to CO2 are the main limitations to photosynthesis in sugar beet (Beta vulgaris) plants grown with excess zinc // New Phytologist. 2010. V. 187. P. 145–158.

Song A., Li P., Fan F., Li Z., Liang Y. The Effect of Silicon on Photosynthesis and Expression of Its Relevant Genes in Rice (Oryza sativa L.) under High-Zinc Stress // Plos one. 2014. DOI:10.1371/journal.pone.0113782.

Tiecher T. L., Tiecher T., Ceretta C. A., Ferreira P. A. A., Nicoloso F. T., Soriani H. H., Tassinari A., Paranhos J. T., De Conti L., Brunetto G. Physiological and nutritional status of black oat (Avena strigosa Schreb.) grown in soil with interaction of high doses of copper and zinc // Plant Physiology and Biochemistry. 2016. V. 106. P. 253–263.

Van Ginneken L., Meers E., Guisson R., Ruttens A., Elst K., Tack M. G. F, Vangronsveld J., Diels L., Dejonghe W. Phytoremediation for heavy metal – contaminated soils combined with bionergy production // JEELM – 2007. V. 9. N 4. P. 227–236.

Vassilev A., Tsonev T., Yordanov I. Physiological response of barley plants (Hordeum vulgare L.) to cadmium contamination in soil during ontogenesis // Environ. Pollut. 1998. V. 103. P. 289–297.

Vassilev A., Nikolova A., Koleva L., Lidon F. Effects of Excess Zn on Growth and Photosynthetic Performance of Young Bean Plants // Journal of Phytology. 2011. V. 3. N 6. P. 58–62.

References

Alekseeva-Popova N. V., Igoshina T. I., Kositsin A. V., Il'inskaya M. L. Ustoychivost' k tyazhelym metallam (Pb, Zn, Cu) otdel'nykh vidov i populyatsiy estestvennykh fitotsenozov iz rayona mednokolchedannykh rudoproyavleniy [Resistance to heavy metals (Pb, Zn, Cu) of certain species and populations of natural phytocenoses from the region of copper pyrite ore occurrence] // Rasteniya v ekstremal'nykh usloviyakh mineral'nogo pitaniya. [Plants under extreme conditions of mineral nutrition]. L.: Nauka, 1983. P. 22–42.

Belous N. M. Vliyanie plodorodiya na urozhaynost' sel'skokhozyaystvennykh kul'tur i nakoplenie 137CS [Influence of fertility on crop yield and 137CS accumulation] // Vestnik BGSKhA [VESTNIK of the Bryansk State Agricultural Academy], Bryansk, Otdel'nyy vyp., 2005. P. 30-34.

Vassilev A., Kerin V., Yordanov I. Fotosinteticheskaya kharakteristika rasteniy yachmenya (N. vulgare L., H. distichon L.), vyrashchennykh v srede s kadmiem [Photosynthetic characteristics of barley plants (H. vulgare L., H. distichon L.) grown in a medium with cadmium] // Izvestiya TSKhA [Bulletin of the Timiryazev Agricultural Academy]. 1995. V. 1. Р. 207–213.

Ivanova E. M., Kholodova V. P., Kuznetsov Vl. V. Biologicheskie effekty vysokikh kontsentratsiy soley medi i tsinka i kharakter ikh vzaimodeystviya v rasteniyakh rapsa [Biological effects of high concentrations of copper and zinc salts and the nature of their interaction in rape plants] / Fiziologiya rasteniy [Plant Physiology]. 2010. Vol. 57. N 6, P. 864–873.

Kaznina N. M. Fiziologo-biokhimicheskie i moleku-lyarno-geneticheskie mekhanizmy ustoichivosti rastenii semeistva Poaceae k tyazhelym metallam [Physiological-biochemical and molecular-genetic mechanisms of Poaceae plants resistance to heavy metals]: Summary of PhD (Cand. of Biol.) thesis. St. Petersburg, 2016. 48 p.

Kaznina N. M., Titov A. F., Laydinen G. F., Talanov A. V. Ustoychivost' shchetinnika zelenogo k povyshennym kontsentratsiyam tsinka [Setaria viridis tolerance of high zinc concentrations]// Izvestiya RAN [Bulletin of the Russian Academy of Sciences]. Seriya biologicheskaya [Biological series]. 2009. N 6. P. 677–684.

Postnikov D. A. Fitomelioratsiya i fitoremediatsiya pochv sel'skokhozyaystvennogo naznacheniya s razlichnoy stepen'yu okul'turennosti i ekologicheskoy nagruzki [Phytomelioration and phytoremediation of agricultural soils with varying degrees of cultivation and environmental load].: avtoreferat dis. ... doktora sel'skokhozyaystvennykh nauk : 03.00.16 / Bryansk, 2009. 42 p.

Prasad M. N. Prakticheskoe ispol'zovanie rasteniy dlya vosstanovleniya ekosistem, zagryaznennykh metallami [Practical use of plants to restore metal-polluted ecosystems] / Fiziologiya rasteniy [Physiology of Plant]. 2003. V. 50, N 5. P. 768–780.

Rubin A. B. Biofizika fotosinteza i metody ekologicheskogo monitoringa [Biophysics of Photosynthesis and Methods of Ecological Monitoring] // Tekhnologii zhivykh system [Technologies of living systems]. 2005. V. 2. P. 47–68.

Rubin A. B., Krendeleva T. E. Regulyatsiya pervichnykh protsessov fotosinteza [Regulation of primary photosynthesis processes] // Uspekhi biol. khimii. [Advances in modern chemistry]. 2003. V. 43. P. 225–266.

Seregin I. V., Kozhevnikova A. D., Gracheva V. V., Bystrova E. I., Ivanov V. B. Raspredelenie tsinka po tkanyam kornya prorostkov kukuruzy i ego deystvie na rost [Zinc distribution in the root tissues of corn seedlings and its effect on growth]. // Fiziologiya rasteniy. [Physiology of Plant]. 2011. V. 58, N 1. P. 85–94.

Talanova V. V., Titov A. F., Boeva N. P. Vliyanie svintsa i kadmiya na prorostki yachmenya [The effect of lead and cadmium on barley seedlings] // Fiziologiya i biokhimiya kul't. rasteniy. [Physiology and biochemistry of cultivated plants]. 2001a. V. 33, N 1. P. 33–37.

Titov A. F., Talanova V. V., Kaznina N.M., Laydinen G. F. Ustoychivost' rasteniy k tyazhelym metallam. [Plant resistance to heavy metals]. Petrozavodsk: Karel'skiy NZ RAN, 2007. 170 p.

Caldelas C., Dong S., Araus J. L., Weiss D. J. Zinc isotopic fractionation in Phragmites australis in response to toxic levels of zinc // Journal of Experimental Botany. 2011. V. 62. N 6. P. 2169–2178.

Durand T. C., Hausman J. F., Carpin S. Zinc and cadmium effects on growth and ion distribution in Populus tremula x Populus alba // Biol. Plant. 2010. V. 54, N 1. P. 191–194.

Gabrielli R., Pandolfini T., Vergnao O., Palandizi M. Comparison of two serpentine species with different nickel tolerance strategies // Plant and Soil. 1990. V. 122. N 2. P. 271–277.

Gall J. E., Rajakaruna N. The physiology, functional genomics, and applied ecology of heavy metal-tolerant Brassicaceae. In: Lang M (ed) Brassica: characterization, functional genomics and health benefits // Nova, New York, 2013. Р. 121–148.

Khudsar T., Mahmooduzzafar, Iqbal M. Cadmium-induced changes in leaf epidermis, photosynthetic rate and pigment concentrations in Cajanus cajan // Biol. Plant. 2001. V. 44, N 1. P. 59–64.

Khudsar T., Mahmooduzzafar, Iqbal M., Sairam R. K. Zinc-induced changes in morpho-physiological and biochemical parameters in Artemisia annua // Biol. Plant. 2004. V. 48, N 2. P. 255–260.

Krupa Z. Cadmium-induced changes in the composition and structure of the lightharvesting chlorophyll a/b protein complex II in radish cotyledons // Physiol. Plant. 1988. V. 73. P..518–524.

Lefèvre I., Marchal G., Corréal E., Zanuzzi A., Lutts S. Variation in response to heavy metals during vegetative growth in Dorycnium pentaphyllum Scop. // Plant Growth Regul. 2009. V. 59. P. 1–11.

Misra A., Srivastava A. K., Srivastava N. K., Khan A. Zn-acquisition and its role in growth, photosynthesis, photosynthetic pigments, and biochemical 168 changes in essential monoterpene oil(s) of Pelargonium graveolens // Photosynthetica. 2005. V. 43, N 1. P. 153–155.

Mourato M. P., Moreira I. N., Leitᾶo I., Pinto F. R., Sales J. R, Martins L. L. 2015. Effect of Heavy Metals in Plants of the Genus Brassica // Internal Journal of Molecular Sciences. V. 16. N 8. P. 17975–17998.

Nouairi I., Ammar W. B., Youssef N. B., Daoud D. B. M., Ghorbal N. H., Zarrouk M. Comparative study of cadmium effects on membrane lipid composition of Brassica juncea and Brassica napus leaves // Plant Sci. 2006. V. 170. N 3. P. 511–519.

Ouni Y., Mateos-Naranjo E., Abdelly C., Lakhdar A. Interactive effect of salinity and zinc stress on growth and photosynthetic responses of the perrenial grass, Polypogon monspeliensis // Ecol. Engineer. 2016. V. 95. P. 171–179.

Panda S. K., Chaudhury I., Khan M. H. Heavy metals induce lipid peroxidation and affect antioxidants in wheat leaves // Biol. Plant. 2003. V. 46. P. 289–294.

Punz W. F., Sieghardt H. The response of roots of herbaceous plant species to heavy metals // Environ. Exp. Bot. 1993. V. 33. P. 85–98.

Sagardoy R., Vázquez S., Florez-Sarasa I. D., Albacete A., Ribas-Carbó M., Flexas J., Abadia J., Morales F. Stomatal and mesophyll conductances to CO2 are the main limitations to photosynthesis in sugar beet (Beta vulgaris) plants grown with excess zinc // New Phytologist. 2010. V. 187. P. 145–158.

Song A., Li P., Fan F., Li Z., Liang Y. The Effect of Silicon on Photosynthesis and Expression of Its Relevant Genes in Rice (Oryza sativa L.) under High-Zinc Stress // Plos one. 2014. DOI:10.1371/journal.pone.0113782.

Tiecher T. L., Tiecher T., Ceretta C. A., Ferreira P. A. A., Nicoloso F. T., Soriani H. H., Tassinari A., Paranhos J. T., De Conti L., Brunetto G. Physiological and nutritional status of black oat (Avena strigosa Schreb.) grown in soil with interaction of high doses of copper and zinc // Plant Physiology and Biochemistry. 2016. V. 106. P. 253–263.

Van Ginneken L., Meers E., Guisson R., Ruttens A., Elst K. , Tack M. G. F. , Vangronsveld J., Diels L., Dejonghe W. Phytoremediation for heavy metal – contaminated soils combined with bionergy production // JEELM – 2007. V. 9. N 4. P. 227–236.

Vassilev A., Tsonev T., Yordanov I. Physiological response of barley plants (Hordeum vulgare L.) to cadmium contamination in soil during ontogenesis // Environ. Pollut. 1998b. V. 103. P. 289–297.

Vassilev A., Nikolova A., Koleva L., Lidon F. Effects of Excess Zn on Growth and Photosynthetic Performance of Young Bean Plants // Journal of Phytology. 2011. V. 3. N 6. P. 58–62.




DOI: http://dx.doi.org/10.17076/eb1392

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


© Труды КарНЦ РАН, 2014-2019