CC BY
53
№ 12 (54)
UNIVERSUM:
ХИМИЯ И БИОЛОГИЯ
декабрь, 2018 г.
ВЛИЯНИЕ ЭНДОФИТНЫХ БАКТЕРИЙ BACILLUS SUBTILIS НА СОДЕРЖАНИЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ПИГМЕНТОВ В РАСТЕНИЯХ ПШЕНИЦЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НИКЕЛЯ
Смирнова Юлия Васильевна
канд. биол. наук, доцент кафедры биологии Стерлитамакского филиала ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет»,
РФ, г. Стерлитамак E-mail: [email protected]
Курамшина Зиля Мухтаровна
д-р биол. наук, зав. кафедрой биологии Стерлитамакского филиала ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет»,
РФ, г. Стерлитамак E-mail: kuramshina_zilya@mail. ru
Гомоненко Ольга Викторовна
магистрант Стерлитамакского филиала ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет»,
РФ, г. Стерлитамак
THE EFFECT OF ENDOPHITIC BACTERIA BACILLUS SUBTILIS ON THE CONTENT OF PHOTOSYNTHETIC PIGMENTS IN WHEAT PLANTS UNDER THE EXPOSURE OF NICKEL
Yulia Smirnova
Candidate of biological sciences, associate professor of Biology chair, Sterlitamak branch
of the Bashkir State University, Russia, Sterlitamak
Zilya Kuramshina
Doctor of Biological Sciences, Professor of Biology chair, Sterlitamak branch of the Bashkir State University,
Russia, Sterlitamak
Olga Gomonenko
master student, Sterlitamak branch of the Bashkir State University,
Russia, Sterlitamak
АННОТАЦИЯ
Изучено влияние инокуляции семян клетками эндофитных штаммов бактерий Bacillus subtilis на рост и содержание хлорофилла а и b, каротиноидов в побегах растений Triticum aestivum L при стрессе, вызванном ионами никеля. Показано, инокуляция семян клетками B. subtilis снижала токсический эффект никеля, что проявлялось в сохранении фотосинтетической активности и лучших показателях роста растений.
ABSTRACT
The effect of seed inoculation by cells of endophytic strains of Bacillus subtilis bacteria on the growth and content of chlorophyll a and b, carotenoids in Triticum aestivum L plant shoots under stress caused by nickel ions was studied. It was shown that seed inoculation with B. subtilis cells reduced the toxic effect of nickel, which was manifested in the preservation of photosynthetic activity and the best indicators of plant growth.
Ключевые слова: тяжелые металлы; никель; хлорофилл; каротиноиды; фитостресс.
Keywords: heavy metals; nickel; chlorophyll; carotenoids; phytostress.
Введение. Среди тяжелых металлов никель зани- необходимым для роста и развития растений. Он вхо-мает особое положение, так как относится к элементам, дит в состав ряда ферментов (глиоксилаза I, №-
Библиографическое описание: Смирнова Ю.В., Курамшина З.М., Гамоненко О.В. Влияние эндофитных бактерий Bacillus subtilis на содержание фотосинтетических пигментов в растениях пшеницы при воздействии никеля // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн. 2018. № 12(54). URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/6661
№ 12 (54)
UNIVERSUM:
ХИМИЯ И БИОЛОГИЯ
декабрь, 2018 г.
супероксиддисмутаза, гидрогеназа, уреаза и др.), без которых невозможен нормальный метаболизм растительного организма [9, с. 18571]. Естественное содержание никеля в окружающей среде невелико, в большинстве почв обнаруживаются только следы этого металла [7, с. 1048]. Тем не менее, в последние десятилетия концентрация Ni2+ в окружающей среде значительно увеличивается в результате деятельности человека. Антропогенными источниками Ni2+ являются горнодобывающие предприятия, металлургические комбинаты, сточные воды, кроме того, металл поступает в окружающую среду при сжигании угля и нефти, применении фосфорных удобрений и пестицидов [7, с. 1048]. Избыток Ni2+ в почве вызывает различные физиологические изменения в растительном организме, в том числе нарушение процесса фотосинтеза. Пигменты растений, являются необходимой составной частью фо-тосинтезирующей системы, нарушение их структуры или уменьшение их количества ведёт к значительному снижению фотосинтетической способности растений и, как следствие, - снижению скорости роста и урожайности. [3, с. 297]. Снижение содержания фотосинтетических пигментов используют в качестве индикаторной реакции повреждения, происходящего под действием загрязняющих веществ, например тяжелых металлов.
Известно, что некоторые микроорганизмы, живущие в сообществе с растениями (ризосферные, эндо-фитные) способны не только стимулировать рост, но и повышать устойчивость растений к действию неблагоприятных факторов среда, в том числе тяжелых металлов. Так, бактерии рода Bacillus, считаются перспективными агентами биологического контроля и обладают протекторным эффектом при действии на растения различных тяжелых металлов. Одним из важных аспектов при изучении токсического влияния тяжелых металлов на растения является их фотосинтетическая активность [1, с. 118; 3, С. 685].
Целью настоящей работы явилось изучение влияния эндофитных штаммов бактерий Bacillus subtilis на содержание фотосинтетических пигментов в тканях побегов растений пшеницы мягкой (Triticum aestivum L.) сорта Омская 35 при воздействии никеля.
Методика исследований. Семена перед посевом в почву тщательно промывали мыльным раствором и стерилизовали 96%-ым этанолом. Для инокуляции
семян использовали 20-часовую культуру бактерий Bacillus subtilis 26Д (ВНИИСХМ, №128) и 11ВМ (ВНИИСХМ, №519), выращенную на мясо-пептон-ном агаре при +37оС. Обработку семян клетками эн-дофитов проводили в стерильных условиях, в лами-нар-боксе. Для получения препарата B. subtilis, бактерии отмывали 0,001 М раствором KCl, затем концентрацию суспензии доводили до 106 кл./мл по оптической плотности. Расход препарата составил 20 мкл на 1 г семян. Семена контрольных растений в том же объеме обрабатывали дистиллированной водой. После обработки семена Triticum aestivum выдерживали в закрытых сосудах до полного подсыхания, затем использовали в экспериментах.
Для выращивания растений использовали пластиковые вегетационные сосуды (20 х 20 см) с выщелоченным черноземом. Эксперименты проводили в лабораторных условиях при искусственном освещении (12 кЛк, 16-часовом фотопериод) при температуре 18-20°С в течение 30 суток. Для имитации загрязнения почвы никелем, металл вносили в виде раствора соли Ni(NÜ3)2*6H2O, однократно после посева семян, рассчитывая соответствующую концентрацию ионов металла (10, 200 мг/кг почвы). Контрольные растения поливали дистиллированной водой. Экстракцию и определение содержания пигментов в растительных тканях проводили по методике, предложенной А.А. Шлык с соавторами (1971) [6, с. 154170]. Содержание суммы хлорофиллов a и b, кароти-ноидов определяли в спиртовой вытяжке (80% этанола), измеряя величину оптической плотности при длине волны 665, 649 и 440 нм. Эксперименты проводили не менее чем в трех биологических повторах и четырех аналитических повторностях.
Результаты исследований. В ходе экспериментов было установлено, что при воздействии никеля в низких концентрациях (10 мг/кг почвы), происходило стимулирование роста побегов пшеницы, при увеличении содержания металла в почве до 200 мг/кг наблюдали угнетение роста (табл. 1). Торможение роста является общим проявлением токсичности тяжелых металлов для растений, что связано в первую очередь с их прямым действием на деление и растяжение клеток [4, с. 55].
Таблица 1.
Ростовые показатели Т. aestivum сорта Омская 35 при воздействии никеля, см
Концентрация Ni2+, мг/кг Вариант
Без обработки B. subtilis 26Д B. subtilis 11BM
корни побеги корни побеги корни побеги
0 23,7±1,2 36,3±0,9 46,8±1,3* 46,6±0,7* 31,7±0,9* 46,4±0,6*
10 27,1±1,0 44,9±1,1 41,0±0,9* 44,2±1,0 35,4±1,3* 45,6±1,0
200 20,6±1,4 34,5±0,8 32,5±1,2* 44,3±0,8* 32,0±1,2* 46,9±0,9*
* Примечание. Различия между показателями обработанных и необработанных бактериями растений достоверны при Р<0,05
Инокулированные бактериями растения пшеницы имели более высокие ростовые показатели, чем неинокулированные, как при воздействии никеля,
так и в отсутствии металла. Известно, что исследуемые штаммы бактерий В. subtilis являются эндофит-ными микроорганизмами и способны стимулировать
№ 12 (54)
UNIVERSUM:
ХИМИЯ И БИОЛОГИЯ
декабрь, 2018 г.
рост растений, повышая в их тканях уровень фито-гормонов, содержание доступных для растения питательных веществ в ризосфере, подавляя размножение фитопатогенов и др. [5, с. 177].
Известно, что никель в токсичных концентрациях ингибирует процесс фотосинтеза, т.к. снижает синтез фотосинтетических пигментов и нарушает ультраструктуру хлоропластов [4, с. 57]. Нами было показано, что при воздействии никеля во всех исследованных концентрациях содержание хлорофиллов и каротиноидов в растительной ткани снижалось (табл.
2). Так при концентрации металла 10 мг/кг почвы содержание хлорофиллов и каротиноидов было ниже на 37 и 30%, соответственно, по сравнению с проростками, выросшими в чистой почве; при концентрации металла 200 мг/кг - на 50 и 35%, соответственно. Снижение содержания каротиноидов в растениях при воздействии никеля может способствовать более интенсивному развитию окислительного стресса, так как известно, что вспомогательные пигменты фотосинтеза являются частью неферментативной антиоксидантной системы растительной клетки.
Таблица 2.
Содержание фотосинтетических пигментов в побегах X, aestivum, выращенных в почве, загрязнённой
ионами никеля, мг/г сырого веса
Концентрация Ni2+ в почве, мг/кг Вариант Содержание хлорофилла а+b Содержание каротиноидов
0 Без обработки 0,85±0,03 14,81±0,02
B. subtШs 26Д 0,86±0,02 13,95±0,01
B. subtms 11ВМ 0,86±0,03 16,14±0,03*
10 Без обработки 0,53±0,03 10,48±0,01
B. subtШs 26Д 0,98±0,02* 19,22±0,03*
B. subtms 11ВМ 0,61±0,01* 12,10±0,01*
200 Без обработки 0,42±0,03 09,73±0,02
B. subtШs 26Д 0,85±0,01* 19,83±0,03*
B. subtms 11ВМ 0,78±0,02* 18,08±0,02*
* Примечание. Различия между показателями обработанных и необработанных бактериями растений достоверны при Р<0,05
У растений, семена которых были инокулированы клетками B. уровень суммарного содержания
хлорофиллов и каротиноидов был выше при воздействии никеля, чем у необработанных растений (табл. 2). Так при концентрации никеля в почве 200 мг/кг, содержание хлорофилла в побегах растений, обработанных бактериями, было выше, чем у необработанных в 1,8-2 раза. Аналогичное повышение наблюдали и в содержании каротиноидов.
Выводы. Таким образом, инокуляция семян клетками B. subtilis снижала токсический эффект никеля, что проявлялось в сохранении фотосинтетической активности и лучших показателях роста растений.
Результаты работы могут представлять интерес при разработке методик выращивания сельскохозяйственных культур на почвах, загрязненных солями ТМ.
Список литературы:
1. Использование ассоциативных бактерий для инокуляции ячменя в условиях загрязнения почвы свинцом и кадмием / А.А. Белимов, А.М. Кунакова, В.И. Сафронова и др. // Микробиология. - 2004. - Т. 73. - С. 118-125.
2. Курамшина З.М., Смирнова Ю.В., Хайруллин Р.М. Повышение толерантности Triticum aestivum к кадмий-стрессу с помощью эндофитных штаммов Bacillus subtilis // Физиология растений. - 2016. - Т. 63. - № 5. -С. 679-687.
3. Серегин И.В., Кожевникова А.Д. Физиологическая роль никеля и его токсическое действие на высшие растения // Физиология растений. - 2006. - Т. 53. - № 2. - С. 285-308.
4. Устойчивость растений к тяжелым металлам / А.Ф. Титов, В.В. Таланова, Н.М. Казнина, Г.Ф. Лайдинен. -Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. - 172 с.
5. Фосфат-мобилизующая активность эндофитных штаммов Bacillus subtilis и их влияние на степень микориза-ции корней пшеницы / А.А. Егоршина, Р.М. Хайруллин, М.А. Лукьянцев и др. // Научный журнал Сибирского федерального университета. - 2011. - № 1. - С. 172-182.
6. Шлык А.А. Определение хлорофилла и каротиноидов в экстрактах зеленых листьев // Биохимические методы в физиологии растений / Под ред. О.А. Павлиновой. - М.: Наука, 1971. - С. 154-170.
7. Gill M. Heavy metal stress in plants: a review. International Journal of Advanced Research. 2014. Vol. 2 (6). Р. 1043-1055.
8. Ohkama-Ohtsu N., Wasaki J. Recent Progress in Plant Nutrition Research: Cross-Talk Between Nutrients, Plant Physiology and Soil Microorganisms. Plant Cell Physiol. 2010. Vol. 51. P. 1255-1264.
9. Ragsdale S.W. Nickel-based enzyme systems. J. Biol. Chem. 2009. Vol. 284. P. 18571-18575.
