CC BY
8УДК 526055028206-590222-59028603
DOI: 10.25680/S19948603.2022.129.22
ВЛИЯНИЕ АУКСИНА НА ТРАНСЛОКАЦИЮ МЫШЬЯКА В ЛЕКАРСТВЕННЫХ РАСТЕНИЯХ
2Е.В. Любунь, К.6.Н.,12А.Н. Шумилина, 3А.Э. Шумихин, ЕЛ. Малыш
1 ВНИИАгрохимии
127434, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 31а, тел. (499) 976-37-50, E-mail: lyubunfayniia -pr.ru 2Институт биохимической технологии и нанотехнологии РУДН 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 10, к. 2 3ФБУН «ФНЦГ им. Ф. Ф. Эрисмана» Роспотребнадзора 141014, Московская область, г. Мытищи, ул. Семашко, д. 2
Получение экологически безопасных фармакологически значимых растений и продуктов питания - важная задача. В исследовании использовали широко распространенные растения, технология выращивания которых хорошо отработана: лен, расторопша, подсолнечник. Установлено, что обработка семян фитогормоном ауксинового ряда индол-3-уксусной кислотой увеличивает содержание мышьяка в растительной биомассе. Обработка семян растений биопрепаратом, содержащим бактерии рода Azospirillum, влияет на уровень накопления мышьяка в биомассе и развитие растений.
Ключевые слова: мышьяк, биоаккумуляция, ростостимулирующие ризобактерии, фитогормоны, лекарственные растения.
Для цитирования: Любунь Е.В., Шумихина А.Н., Шумихин А. Э., Малыш Е.В. Влияние ауксина на транслокацию мышьяка в лекарственных растениях// Плодородие. - 2022. - №6. - С. 87-89. DOI: 10.25680/S19948603.2022.129.22.
Мышьяк широко распространен в окружающей среде. Хотя следовые количества мышьяка встречаются в литосфере повсеместно, его концентрация, в результате природных процессов и деятельности человека, может быть значительно выше установленных значений. Во многих частях мира загрязнение сельскохозяйственных почв, грунтовых и поверхностных вод представляет серьезную опасность для окружающей среды и здоровья населения. Источники загрязнения включают природные процессы (например, в Бангладеш и на юге Индии) [1], а также деятельность человека, такую как широкое применение неорганических Ав-гербицидов, дефолиантов, осушителей, инсектицидов и фунгицидов [2]; добычу полезных ископаемых [3].
Проблема загрязнения сельскохозяйственных почв тесно связана с производством экологически безопасных продуктов питания и здоровьем человека. Наличие неорганического мышьяка в пищевых продуктах провоцирует развитие злокачественных новообразований внутренних органов и других проблем со здоровьем, в том числе рака кожи и диабета |4|. Повышенная биоаккумуляция Ав в биомассе лекарственных растений может быть опасной для человека при использовании в традиционных медицинских целях [5].
В последнее десятилетие проводили интенсивные исследования и использование высших растений для восстановления почв [6]. Важнейшим этапом процесса, называемого фиторемедиацией, является поиск растений, типичных для конкретных почвенно-климатических условий и видов загрязнения, растений, характеризующихся хорошей всхожестью, высокими темпами роста, относительно большой биомассой, устойчивостью к высоким концентрациям поллютантов и способностью эффективно снижать содержание загрязняющих веществ [7].
В большинстве случаев степень очистки почвы зависит от доступности металла для растения и от устойчивости выбранного растения. Снижение фитотоксично-сти и повышение устойчивости растений достигают за счет внесения в почву органических и минеральных
удобрений, обработки растений биопрепаратами, инокуляции растений стимулирующими рост растений ри-зобактериями (РСРЯ). многие из которых активны в продуцировании фитогормонов [8].
Лен-долгунец, расторопша пятнистая и подсолнечник - ценные сельскохозяйственные культуры, широко используемые в текстильной, пищевой и химической промышленности. Из растительного сырья льна и рас-торопши получают лекарства, питательные субстраты и компоненты технических смесей. Оставшиеся после переработки льняной шрот и жмых употребляют на корм для животных.
Для повышения толерантности растений, стимуляции роста растений и повышения биоаккумуляции использовали и сравнивали эффекты индол-3-уксусной кислоты (ИУК, фитогормона ауксинового ряда) и биоудобрения, содержащего азотфиксирующие микроорганизмы рода . \zospinllum. которые способны синтезировать ИУК в физиологически значимых для растений концентрациях [9].
Цель исследований - сравнить эффект стимуляции роста растений индол-3-уксусной кислотой (ИУК) и биоудобрения, содержащего азотфиксирующие микроорганизмы рода АховртИит, способные синтезировать ИУК в физиологически значимых для растений концентрациях.
Методика. В опыте использовали лен-долгунец, рас-торопшу пятнистую и подсолнечник.
Почва дерново-подзолистая тяжелосуглинистая с содержанием гумуса в пахотном слое 1,7%, рН 5,3. Фоновое содержание Ав составляло 2,8 мг/кг почвы. Образцы почвы (по 20 кг) взяты с 13 площадок, расположенных через расстояние на площади 100 х 100 м каждая. Уровень, цвет и структура почвы на всех участках были одинаковыми. Почву извлекали из верхнего слоя (глубина 10-20 см) и перемешивали после удаления включений. Перед высадкой растений в почву вносили водный раствор арсенита натрия из расчета 25 и 50 мг Ав на кг"1 почвы (чистый Ав).
Семена калибровали по размеру, очищали детергентом в течение 5 мин для удаления загрязнений и тщательно промывали водопроводной водой. Затем их помещали в чашки Петри на фильтровальную бумагу, добавляли 5 мл водопроводной воды и оставляли для прорастания на 24 ч. По истечении этого времени проросшие семена помещали в бактериальную суспензию препарата A/ospirillum (Govinda Agro Tech. Ltd., Nagpur) на 2 ч, после чего высевали.
Для изучения действия ИУК 3-дневные проростки растений обрабатывали водными растворами ИУК (Fluka) в течение 24 ч, с концентрацией 1(Г5 г/л, затем высевали.
Растения выращивали в климатической камере с контролируемыми условиями в течение 30 сут. Световой период составлял 13 ч, а темновой -11ч. Растения непрерывно освещали комплектом ламп мощностью 250 Вт (расстояние 1 м). Относительная влажность составляла 60%. После выращивания растений отбирали пробы почвы и собирали растительную биомассу для анализа на мышьяк. По окончании опытов степень извлечения поллютанта оценивали как отношение исходной и конечной (после обработки растений) концентрации поллютанта в почве.
Содержание общего мышьяка в почве и растениях анализировали с помощью атомно-абсорбционной спектроскопии (GF-AAS; серия Solaar M; Thermo Elemental). Все параметры для измерения взяты из внутреннего программного обеспечения прибора.
Пробоподготовку почвы и растительного материала проводили с помощью микроволновой печи (Mars Express, СЕМ). В тефлоновые контейнеры помещали 200 мг растительного материала или почвы, добавляли 3 мл HN03 (Suprapur; Merck) и 2 мл Н202 (30%, ЧДА). Затем образцы обрабатывали в микроволновой печи. Была применена оптимизированная программа минерализации растительного материала (5 мин при 40 psi + 35 мин при 120 psi). После разложения образца полученный минерализат доводили водой (18,2 MQxcm"1) до 20 мл и анализировали содержание общего мышьяка.
Данные каждого эксперимента представляют собой среднее арифметическое трех повторных образцов, каждый из которых состоит из 20 растений. Данные обрабатывали с использованием наименьшей значимой разницы Фишера при Р = 0,05. Расчёты выполнены в программе Excel 2003 (Microsoft Corp., США).
Результаты и их обсуждение. Ауксиновые фито-гормоны широко применяют в растениеводстве для увеличения скорости роста и регуляции корнеобразова-ния растений [9]. Предыдущие работы показали, что оптимальный диапазон концентраций арсенита натрия для опытных растений в пересчете на чистый мышьяк не превышает 100 мг/кг сухой почвы, а более высокие концентрации сильно подавляют рост растений. Была установлена возможность применения ИУК для интенсификации подсолнечником почв [10].
Использовали почву, содержащую оптимальную концентрацию мышьяка - 50 мг/кг. После выращивания растений на загрязненной почве в течение 30 сут измеряли конечную концентрацию мышьяка в образцах растительной биомассы и почвы, определяли степень извлечения поллютанта при различных обработках ИУК. Результаты представлены в таблице 1.
Эффект иммобилизации мышьяка был наиболее значительным (степень извлечения 4,2) при обработке
подсолнечника ИУК в концентрации 10"5г/л ИУК. Основу используемого биопрепарата составляют бактерии азоспириллы, которые хорошо известны как фиксаторы атмосферного азота, что приводит к повышению урожайности культур [10]. Широкое распространение азоспирилл в почве и их способность продуцировать фитогормоны - важнейший фактор, лежащий в основе улучшения роста и развития растений. Кроме того, бактерии могут изменять валентность мышьяка, например окисляя арсенит до более фитодоступного арсената или используя пятивалентный мышьяк как терминальный акцептор электронов для анаэробного дыхания, что приводит к восстановлению его до арсенита [11].
1. Степень извлечения мышьяка из почв при различных _обработках ИУК_
ИУК, г/л Подсолнечник Лен Расторопша
0 1,5 1,4 1,6
10"9 2,0 1,5 1,8
10"7 2,4 2,2 2,4
ю-5 4,2 3,0 3,9
ю-3 1,6 1,5 1,5
Существует взаимосвязь между утилизацией триптофана и образованием ИУК, предполагая, что бактерии катаболизируют триптофан из корневых экссудатов растений до ИУК в присутствии мышьяка. Поскольку накопление зависит от состояния и уровня развития корневой системы растений, сравнили накопление арсенита натрия растениями, обработанными ИУК в концентрации Ю-5 г/л, и растениями, обработанными биопрепаратом. Необработанные растения служили контролем. Начальная концентрация мышьяка - 25 мг/кг почвы.
Загрязнение мышьяком ингибировало всхожесть необработанных семян, а в некоторых случаях и приживаемость растений, произрастающих на загрязненной почве. Однако все растения, обработанные ауксином и инокулированные бактериями, показали хорошую всхожесть и силу роста.
РвРЯ также усиливают закладку боковых корней, что дает растениям лучший доступ к питательным веществам почвы. Такое влияние на морфологию корней характерно для ауксинов, в том числе ИУК. Синтез ауксина играет важную роль в стимуляции роста растений, а бактерии рода АгозртПит, составляющие основу используемого биопрепарата, являются известным продуцентом заметных количеств неклеточной ИУК в культуральных средах, дополненных предшественником ИУК триптофаном [12].
При оценке накопления мышьяка в растительной биомассе обнаружено, что больше всего мышьяка накапливали растения, семена которых обработаны раствором ауксина. Результаты представлены в таблице 2.
2. Концентрация мышьяка в почве и сухой биомассе растений, _полученной при различных обработках_
Растения Вариант As
мг/кг почвы мг/кг сухой растительной биомассы
Лен Без обработки 15,01 13,45
ИУК 10,14 20,55
Биопрепарат 13,03 12,51
Расторопша Без обработки 17,32 15,34
ИУК 11,52 19,17
Биопрепарат 13,16 10,92
Подсолнеч- Без обработки 17,87 14,28
ник ИУК 7,58 22,50
Биопрепарат 10,50 17,64
Растения подсолнечника, обработанные ризобакте-риями, характеризовались хорошей биомассой и накапливали мышьяка на 25 % больше, чем необработанные контрольные растения, но меньше, чем обработанные ауксином растения. Наибольшее снижение содержания общего мышьяка в почве (70 %) наблюдалось в варианте подсолнечник и ИУК.
При обработке бактериальным препаратом семян расто-ропши содержание мышьяка в растительной ткани меньше на 30 % по сравнению с контролем. У льна при обработке биопрепаратом, снижение составило 14%. Однако количество мышьяка в почве в этих двух вариантах было снижено на 50% от исходного содержания мышьяка (25 мг/кг), причем оно было больше, чем на контроле. Скорее всего, такое снижение уровня загрязнения при одновременном уменьшении тканевого накопления связано с большой растительной биомассой в этих вариантах и с более высокой устойчивостью растений к загрязнению, вызванной инокуляцией. Ранее, на примере яровой пшеницы было показано, что растения, инокулированные азоспириллами, накапливают мышьяка меньше, чем поверхностно стерилизованные не-инокулированные [11].
Заключение. Это исследование продемонстрировало, что РСРЯ-бактсрии препарата А/с^ртПшп и продукты их вторичного метаболизма могут влиять на уровень накопления мышьяка в биомассе и развитие льна, расторопши и подсолнечника. Обработка ИУК в дозе 10~5 мг/л увеличивает содержание мышьяка в растительной биомассе, что можно использовать в процессах восстановления почв. Обработка биопрепаратом положительно влияет на развитие растений, увеличивает биомассу, но не усиливает транслокацию мышьяка растениями, что важно при использовании биопрепаратов в производстве фармакологической и сельскохозяйственной продукции.
JIumepamypa
1. Raju N. J. Arsenic in the geo-environment: A review of sources, geo-chemical processes, toxicity and removal technologies //Environmental research. - 2022. - T. 203. - C. 111782.
2. Punshon T., Jackson B. P.. Meharg A. A.. Warczack T., Schecke1 K. Guerinot M. L. Understanding arsenic dynamics in agronomic systems to predict and prevent uptake by crop plants //Science of the Total Environment. - 2017. - V. 581. - P. 209-220.
3. Mkandawire M. and E. G. DudeL Accumulation of arsenic in Lemna gibba L. (duckweed) in tailing waters of two abandoned uranium mining sites in Saxony, Germany // Sei. Total Environ. - 2005. - V. 336. - P. 8189.
4. Shraim A. M. Rice is a potential dietary source of not only arsenic but also other toxic elements like lead and chromium //Arabian Journal of Chemistry. - 2017. - V. 10. - P. S3434-S3443.
5. Vaculik M., Jurkovic £., Matejkovi, P., Molndrov M., Lux A. Potential risk of arsenic and antimony accumulation by medicinal plants naturally growing on old mining sites //Water, Air, & Soil Pollution. - 2013. - V. 224. -№. 5.-P. 1-16.
6. Ali H., Khan E., Ilahi I. Environmental chemistry and ecotoxicology of hazardous heavy metals: environmental persistence, toxicity, and bioaccumulation //Journal of chemistry. - 2019. - V. 2019.
7. Ali H., Khan E., Sajad M. A. Phytoremediation of heavy metals— concepts and applications //Chemosphere. - 2013. - V. 91. - №. 7. - P. 869-881.
8. Majeed A., Muhammad Z., AhmadH. Plant growth promoting bacteria: role in soil improvement, abiotic and biotic stress management of crops //Plant cell reports. - 2018. - V. 37. - №. 12. - P. 1599-1609.
9. Bashan Y.. De-Bashan L. E. How the plant growth-promoting bacterium Azospirillum promotes plant growth—a critical assessment //Advances in agronomy. - 2010. - V. 108. - P. 77-136.
10. Lyubun Ye. K. Kosterin P. K. Zakharova E. A.. Shcherbakov A. A., and Fedorov E. E., "Arsenic-contaminated soils: phytotoxicity studies with sunflower and sorghum'7/J. Soils Sediment -2002. - V. 2.— P. 143147.
11. Lyubun Ye. K. Fritzsche A.. Chernyshova M. P.. Dudel E. G.. and Fedorov E. E.. Arsenic transformation by Azospirillum brasilense Sp245 in association with wheat (Triticum aestivum L.) roots // Plant Soil. -2006.-V. 286-P. 219-227.
12. Baldani V. L. D.. Baldani J. I.. Döbereiner J. Inoculation of field-grown wheat (Triticum aestivum) with Azospirillum spp.//Brasil. Biol. Fertil. Soils - 1989 -V. 4 - P. 37-40.
EFFECT OF AUXIN ON ARSENIC TRANSLOCATION IN MEDICINAL PLANTS
12 Lyubun E. V. PhD,12 Shumikhina A. N., 3Shumikhin AK, 'Malysh E V. 1 nVIIAgrokhimii 127434, Moscow, st. Pryanishnikova, 31a, tel (499) 976-37-50, E-mail: lyuhunCavniia-pr.ru 2Institute of Biochemical Technology and Nanotechnology, Peoples' Friendship University of Russia, 117198, Moscow, st. Miklukho-Maklaya, 10, building 2 3FBUN "FNTSG im F. F. Erisman "Rospotrebnadzor, 141014, Moscow region, city of Mytishchi, Semashko street, 2
Obtaining ecologically pure pharmacologically significant plants and food products is an important task. In this work, we used plants whose cultivation technology is well developed and widely distributed: flax, milk thistle, and sunflower. This work demonstrated that seed treatment with the auxin phytohormone, indole-3-acetic acid, increased the content of arsenic in plant biomass. The treatment of plant seeds with a biological product containing bacteria of the genus Azospirillum affects the level of arsenic accumulation in the biomass and the development of plants.
Keywords: arsenic, bioaccumulation, growth-promoting rhizobacteria, phytohormones.
УДК 633:57.045 DOI: 10.25680/S19948603.2022.129.23
ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ НА ПОГЛОТИТЕЛЬНУЮ СПОСОБНОСТЬ КОРНЕВОЙ СИСТЕМЫ РАСТЕНИЙ (15N)
JI.B. Осипова, д.б.н., T.JI. Курносова, к.б.н., И.А. Быковская, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии имени Д.Н. Прянишникова» (ФГБНУ «ВНИИ агрохимии») 127550, Россия, г. Москва, ул. Прянишникова, 31А E-mail: legos4(a)yandex.ru
Установлена реакция растений на изменение обеспеченности основными элементами, предпосевную обработку семян (ПОС) соединениями селена и кремния при действии абиотического стресса. Показано, что поглотительная функция корневой системы находится в соответствии с общей направленностью метаболизма.
Ключевые слова: ячмень, 15N, поглотительная способность корневой системы, продуктивность, малоновый ди-альдегид (МДА), фотосинтетические пигменты.
Плодородие №6*2022 89
