The influence of germination temperature and ultra-low doses of benzotriazole on morpho-physiological parameters of onions of different species in model experiments

Cover Page

Abstract


The adaptation of plants is manifested in the preservation of their physiological functions when exposed to various extreme environmental factors. In model experiments, we examined the influence of the combined action of such factors as alcohol solutions of benzotriazole in low concentrations (0,00001; 0,0001; 0,001 mg/ml) and contrasting positive temperatures (+12°C and +22°C) on germinating ability and growth processes of three species of onions ( Allium sulphur , Allium fistulosum and Allium schoenoprasum ) differing in various adaptive capabilities. It was found that, regardless of the germination temperature, with an increase in the concentration of benzotriazole solutions in a selected concentration range, stimulation of seed germination is observed for all studied species compared to the control. Benzotriazole had the maximum stimulating effect at a concentration of 0,001 mg/ml when germinating seeds at a temperature of +12°C. The effect on growth processes was determined by the average length of the roots of onions on the fifth day of growth. It was found that the length of the roots of onions of all studied species when germinating in benzotriazole solutions at a temperature of +12°C does not significantly differ from that in the control. When germinating seeds at +22°C, the root length of only two species ( Allium cepa , Allium fistulosum ) was higher than in the control. Possible mechanisms of the observed phenomenon are discussed.

Full Text

Введение Последствия загрязнения биосферы широко используемыми химическими веществами интенсивно изучаются, однако многие вопросы, связанные с проблемами выживания организмов, подвергшихся их воздействию, остаются на сегодняшний день невыясненными. Особый интерес вызывают малые и сверхмалые дозы ксенобиотиков, попадающих в окружающую среду, потому что их действие мало изучено в лабораторных экспериментах. Между тем антропогенные поллютанты, попадая в биосферу в малых дозах, могут взаимодействовать с различными факторами окружающей среды, что приводит к неожиданным последствиям для организмов. В экспериментальных исследованиях часто обнаруживается влияние неконтролируемых факторов, так называемого экологического «шума». Именно воздействие этого «шума» приводит к разбросу данных при оценке реакции организмов на ксенобиотик. Факторы, входящие в состав «шума», трудно определить из-за очень кратковременного воздействия или очень малых доз. В связи с этим все большую актуальность для прогнозирования возможных последствий загрязнения биосферы антропогенными соединениями приобретают исследования биологических эффектах поллютантов, попадающих в экосистемы в малых и сверхмалых дозах. По мнению некоторых авторов, проблема сводится к выяснению особенностей взаимодействия доза - объект [1]. Для понимания последствий взаимодействия поллютантов в малых и сверхмалых и дозах и различных факторов окружающей среды необходимы специальные модельные эксперименты, с использованием тест-объектов, давно используемых в экотоксикологии, например виды рода Allium. Однако даже внутри этого рода разные виды обладают разными адаптационными возможностями, поэтому в модельных экспериментах необходимо исследование разных видов. Модельные антропогенные поллютанты, для анализа взаимодействия факторов окружающей среды с ксенобиотиками, должны обладать изученной токсичностью, а также давно и широко использоваться в различных отраслях человеческой деятельности. В связи с этим очень удобно использовать бензотриазол. Бензотриазол и его производные широко применяются как антикоррозийные средства [2-5], UV-фильтры [6] и лекарственные препараты [7]. Попадая в окружающую среду, бензотриазол и его дериваты способны накапливаться в организмах, влияя на их метаболизм и наследственность. Нам показалось интересным исследовать влияние данного поллютанта еще в более низких концентрациях при разных температурах проращивания, так как ранее было обнаружено, что использование бензотриазола в малой концентрации - 0,0001 мг/мл - при температуре +22°C стимулировало всхожесть семян и рост корней у Allium fistulosum [8, с. 107, 108]. Целью исследования был анализ реакций трех видов луков на организменном уровне (всхожесть семян, рост корней) на проращивание их при двух контрастных температурах: +12°C и +22°C в спиртовых растворов бензотриазола трех концентраций 0,00001; 0,0001; 0,001 мг/мл. Материалы и методы Объекты исследования: Allium cepa (сорт Данилевский), Allium fistulosum (сорт Чиполлино), Allium shoenoprasum (сорт Чемал). Сорта были выбраны за высокую, по сравнению с другими сортами, всхожесть семян. Использовали спиртовые растворы бензотриазола в концентрациях: 0,00001; 0,0001; 0,001 мг/мл. Растворителем служил 0,5% изопропиловый спирт. Было поставлено 2 серии экспериментов. 1 серия. Семена исследуемых видов помещали на фильтровальную бумагу, пропитанную исследуемым раствором, и проращивали в термостате при +22°C. В каждую чашку Петри помещали по 30 семян. Всего было по 3 повтора для анализа токсичности каждой концентрации бензотриазола. Контролем служили смена, проращиваемые в растворителе. 2 серия. Эксперимент проводился, как и в первой серии, но температура проращивания была +12°C. Влияние факторов: растворы разных концентраций бензотриазола и контрастные температуры оценивали по двум показателям: всхожесть семян (%), средняя длина корней на 5 день роста (см). Достоверность различий между сериями экспериментов и между разными видами оценивали с помощью двухфакторного дисперсионного анализа [9]. Результаты исследований и их обсуждение Результаты анализа влияния спиртовых растворов бензотриазола в разных концентрациях на всхожесть семян луков исследуемых трех видов при разных температурных режимах проращивания представлены на рис. 1. Из полученных результатов видно, что все виды лука достоверно (р < 0,000001) по-разному реагируют на бензотриазол при разных температурах проращивания. Однако обнаруживаются общие негативные тенденции, выражающиеся в снижении всхожести при проращивании при температуре +12°C. Проращивание при температуре +22°C в растворе бензотриазола 10-5 мг/мл показало слабое ингибирование всхожести, но при росте концентрации бензотриазола в диапазоне от 10-5 до 10-³ мг/мл достоверно растет (р < 0,001) стимулирующее действие бензотриазола. Проращивание семян при низкой положительной температуре (+12°C) обнаруживает достоверное стимулирование всхожести при повышении концентрации с 10-5 до 10-³ мг/мл для 2-х видов: A. cepa и A. fistulosum. Вид A. shoenoprasum, отличившийся самой низкой всхожестью при температуре +22°C, продемонстрировал падение всхожести при температуре +12°C с ростом концентрации бензотриазола в избранном диапазоне концентраций. Можно предположить, что столь низкие концентрации бензотриазола вызывают парадоксальные биологические ответы у всех исследуемых видов, выражающиеся в стимуляции всхожести в растворах бензотриазола при температуре +12°C по сравнению с контролем. Для многих видов известно резкое понижение всхожести семян при положительно низких температурах [10, с. 25; 11, с. 29]. Авторы предположили, что низкие положительные температуры вызывают недоразвитие зародыша и впоследствии гибель организма. Прорастание семян является одним из малоизученных процессов с точки зрения биохимии и физиологии. Наиболее значимыми факторами, запускающими прорастание, служат влажность, температура почвы, аэрация и освещение [12]. Часто семена подвергаются холодовой стратификации, что повышает их всхожесть [13, с. 16]. Ранее было показано, что оксидазные и оксигеназные системы в прорастающих семенах очень чувствительны к внешним факторам. Обработка примесью водорода во время предпосевной обработки семян активирует антиоксидазные системы, что связано с тем, что при понижении температуры все метаболические процессы в семенах замедляются, в том числе и выработка антиоксидантов, что приводит к повышению повреждения тканей кислородом. Понижения активности пероксидаз можно избежать, используя низкомолекулярные соединения в предпосевных обработках пшеницы [14]. Предпосевная обработка семян душицы и календулы, обработанных препаратом Нано-Гро (фунгицид) повышало их всхожесть при температуре +14°C [15, с. 237]. Исследование влияния низких положительных температур на семена гречихи выявило активацию ферментов антиоксидантной защиты [16]. Многие авторы полагают, что чувствительные к охлаждению виды часто имеют пониженную антиоксидантную систему ферментов по сравнению с устойчивыми видами [17]. Мы предположили, что бензотриазол в используемых нами сверхмалых дозах стимулирует антиоксидантные системы, повышая всхожесть семян, обеспечивая им выживаемость и ростовые процессы. Для того чтобы оценить действие сверхмалых доз бензотриазола, мы проанализировали средние длины корней исследованных видов лука, пророщенных при контрастных температурах. Результаты представлены на рис. 2. Проведенный полный двухфакторный дисперсионный анализ показал, что все исследованные виды по-разному приспосабливаются к положительно низкой температуре (+12°C) (р < 0,001). Рисунок 1 - Влияние бензотриазола (BzTr) в разных концентрациях на всхожесть семян разных видов лука при разных температурах. A. c. - Allium cepa, A. s. - Allium schoenoprasum, A. f. - Allium fistulosum Рисунок 2 - Влияние малых и сверхмалых доз бензотриазола на среднюю длину корней лука при проращивании семян при разных температурных режимах. A. c. - Allium cepa, A. s. - Allium schoenoprasum, A. f. - Allium fistulosum У A. shoenoprasum длина корней не изменилась под действием факторов бензотриазола, температурный режим проращивания также не повлиял на рост корней (рис. 2). Ростовые процессы A. cepa оказались более чувствительны к проращиванию при разных температурных режимах. При температуре +12°C длина корней оказалась всего 0,6 см и не отличалась от контроля при этой же температуре, в то время как при температуре +22°C в контроле длина корней была 1,62 см. Мы обнаружили, что с ростом концентрации от 10-5 до 10-³ мг/мл бензотриазола растет его стимулирующее действие на рост корней этого вида (р < 0,01). Ростовые процессы A. fistulosum оказались наименее чувствительными к разным температурам проращивания, но выявилась слабая тенденция стимуляции роста корней с ростом концентрации бензотриазола. Абиотические факторы окружающей среды всегда влияют на жизнь растений. Особое значение для роста корней играют температура и химический состав почвы [18]. Виды растений, как правило, неспособные справиться со стрессорной нагрузкой, погибают. Известно, что часто внешние факторы при взаимодействии оказывают менее фатальное действие на живые организмы, чем каждый из них в отдельности [19; 20]. Полученные нами результаты говорят, что малые и сверхмалые дозы бензотриазола позволяют семенам исследованных видов лука справиться с проблемами прорастания при положительно низкой температуре (+12°C).Выводы 1. Спиртовые растворы бензотриазола в концентрации с 10-5 до 10-³ мг/мл способствуют увеличению всхожести семян: A. cepa и A. fistulosum и в меньшей степени у A. shoenoprasum при температурном режиме +12°C. 2. Проращивание семян при температуре +22°C стимулирует всхожесть семян A. fistulosum и А. shoenoprasum. Для A. cepa с ростом концентрации бензотриазола растет его стимулирующее действие. 3. Средняя длина корней луков вида A. cepa и А. shoenoprasum, пророщенных при температуре +12°C в исследованных растворах бензотриазола, не отличалась от таковой в контроле. 4. Проращивание при температуре +22°C стимулирует ростовые процессы в растворах бензотриазола у видов A. fistulosum и A. cepa.

About the authors

Ekaterina Sergeevna Selezneva

Samara National Research University


candidate of biological sciences, associate professor of Biochemistry, Biotechnology and Bioengineering Department

Maria Olegovna Gryaznova

Samara National Research University


student of Biology Faculty

References

  1. Булатов В.В., Хохоев Т.Х., Дикий В.В., Заонегин С.В., Бабин В.Н. Проблема малых и сверхмалых доз в токсикологии. Фундаментальные и прикладные аспекты // Российский химический журнал. 2002. Т. XLVI, № 6. С. 58-62.
  2. Агафонкин М.О. Ингибирование коррозии черных и цветных металлов в нейтральных средах 1,2,3-бензотриазолом и его композициями с солями карбоновых кислот: автореф дис. … канд. хим. наук. М., 2011. 20 с.
  3. Скрыпникова Е.А., Калужина С.Л., Провоторова Ю.И. Ингибирующее действие бензотриазола на локальную активацию меди в щелочно-нитратном растворе при различных температурах // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2013. Т. 18, вып. 5. С. 2321-1324.
  4. Hong Y., Devarapalli V.K., Roy D., Babu S.U. Synergistic roles of dodecyl sulfate and benzotriazole in enhancing the efficiency of CMP of copper // Journal of the Electrochemical Society. 2007. Vol. 154 (6). P. H444-H453.
  5. Кузнецов Ю.И., Андреева Н.П., Агафонкин М.О. Адсорбция и защитные свойства 1,2,3-бензотриазола на сплаве МНЖ 5-1 в нейтральных растворах // Электрохимия. 2014. Т. 5, № 10. С. 1100-1105.
  6. Zhang Z., Ren N., Li Y.F., Kunisue T., Gao D., Kannan K. Determination of benzotriazole and benzophenone UV filters in sediment and sewage sludge // Environmental Science and Technology. 2011. Vol. 45 (9). P. 3909-3916.
  7. Ren Y., Zhang L.M., Zhou C.H., Geng R.H. Recent development of benzotriazole-based medicinal drugs // Medicinal Chemistry. 2014. Vol. 4. P. 640-662.
  8. Селезнева Е.С. Анализ влияния бензотриазола на некоторые морфо-физиологические показатели Allium fistulosum // Самарский научный вестник. 2019. Т. 8, № 1 (26). С. 105-109.
  9. Лакин Г.Ф. Биометрия. М.: Высшая школа, 1990. 352 с.
  10. Балеев Д.Н., Бухаров А.Ф. Влияние температурного фактора на прорастание семян овощных зонтичных культур // Вестник РУДН. Серия Агрохимия и животноводство. 2013. № 1. С. 19-28.
  11. Михалик Т.А., Суницкая Т.В., Мохань О.В. Влияние температурного режима на всхожесть и энергию прорастания семян риса // Региональные проблемы. 2018. Т. 21, № 4. С. 28-31.
  12. Стронг И.Г. Общее семеноведение полевых культур. М.: Колос. 1966. 155 с.
  13. Бурченко Т.В., Лазарев А.В. Особенности прорастания семян Geum urbanum L. // Научные ведомости. Серия: Естественные науки. 2010. № 3 (74), вып. 10. С. 13-18.
  14. Верхотуров В.В. Взаимное влияние пероксидазы и низкомолекулярных антиоксидантов при прорастании семян пшеницы: автореф дис. … канд. биол. наук. Иркутск, 1999. 20 с.
  15. Куркина Ю.Н., Пшеничная О.Г. Посевные качества семян лекарственных растений с противогрибковыми свойствами // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Естественные науки. 2011. № 9 (104), вып. 15. С. 234-237.
  16. Шиленков А.В. Действие импульсного давления и низких температур на физиологические и биохимические процессы и урожай растений гречихи: дис. … канд. биол. наук. Нижний Новгород, 2006. 128 с.
  17. Костин В.И., Федорова И.Л., Чуваева С.С. Физиолого-биохимические аспекты ростовых процессов озимой пшеницы под влиянием ORGANIKALIFE // Вестник Ульяновской сельскохозяйственной академии. 2017. № 3 (39). С. 63-69.
  18. Максимова Е.А., Косицына А.Л., Макурина О.Н. Влияние антропогенных факторов химической природы на некоторые эколого-биохимические характеристики растений // Вестник СамГУ. Естеств. серия. 2007. № 8 (58). С. 146-152.
  19. Жуйкова Т.В., Безель В.С., Позолотина В.М., Северюхина О.А. Репродуктивные возможности растений в градиенте химического загрязнения среды // Экология. 2002. № 6. С. 432-437.
  20. Чурюкин Р.С., Гераськин С.А. Проявление эффекта гормезиса у растений ячменя (Hordeum vulgare L.) в контрастных условиях произрастания при γ-облучении семян // Сельскохозяйственная биология. 2017. Т. 52, № 4. С. 820-829.

Statistics

Views

Abstract - 38

PDF (Russian) - 9

Cited-By


PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2020 Selezneva E.S., Gryaznova M.O.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies