Pigment content in leaves of an invasive species – Sosnowski's hogweed under conditions of soil contamination with mobile forms of lead

Full Text

Введение

Фотосинтезирующий аппарат растений способен реагировать на неблагоприятные факторы внешней среды изменяя содержание пигментных комплексов. Содержание хлорофиллов считаются одним из самых информативных показателей, характеризующих состояние фотосинтезирующего аппарата растений [1; 2]. Данные о количестве и соотношении хлорофиллов a и b и другие изменения пигментной системы являются чувствительным показателем физиологического состояния растений, а также позволяют выявить особенности адаптации видов, обеспечивающие их успешное существование в антропогенно нарушенных местообитаниях, приближающихся к экстремальным [3; 4]. Изучение содержания фотосинтезирующих пигментов различных видов растений относится к актуальным исследования и активно проводятся в нашей стране [5–10].

Борщевик Сосновского (Heracleum sosnowskyi Маndеn) – чужеродный вид, который входит в перечень самых опасных инвазионных видов России, представляющих угрозу для природных экосистем и здоровья населения [11]. Вид характеризуется высокой экологической пластичностью, способен обитать в широком диапазоне экологических условий, активное и стремительное распространения в России приравнивается к экологическому бедствию [12]. В Ивановской области борщевик Сосновского стал выращиваться как силосная культура с первой половины 1970-х гг., в конце 1980-х гг. началось его активное распространение. В последнее десятилетия он встречается во всех муниципальных районах области в различных типах антропогенных экотопов, а также в природных сообществах [13], в том числе активно заселяет местообитания, почвы которых содержат тяжёлые металлы. Исследования загрязненности почв тяжёлыми металлами, проводимые в 2012–2020 гг. позволили установить загрязнённые участки региона [14; 15]. Наиболее опасными загрязнителями среди тяжёлых металлов считаются ртуть, свинец, кадмий, цинк, но т.к. свинец имеет наибольший период выведения из системы «почва–растение», вопрос изучения его влияния на растения является наиболее актуальным [16]. Степень накопления свинца в почвах и растениях оказывает влияния на биохимические процессы, ионы свинца подавляют рост растений, нарушают поглощение минеральных элементов, водный баланс, воздействуют на структуру и проницаемость мембран, интенсивность фотосинтеза [17; 18].

Целью данных исследований явилось изучение содержания пигментов (хлорофиллов и каротиноидов) в листьях борщевика Сосновского в зависимости от загрязнения почв подвижными формами свинца.

Методика работы

Полевые исследования поводились в июне 2024 г. в различных природных и антропогенных местообитаниях с участием борщевика Сосновского, на участках с почвами, загрязненными подвижными формами свинца. На основании исследований прошлых лет [15; 16] было выбрано 8 площадок, с почвами, загрязненными подвижными формами свинца, на которых были заросли борщевика Сосновского: сбитый луг у д. Белино – Б; пустырь в центральной части г. Иваново – К; придорожная луговина у ж.-д. переезда ст. Текстильный – Ж; старые зарастающие золоотвалы ТЭЦ-2 в г. Иваново – З; поляна в смешанном лесу в окрестностях с. Якшино – Я; поляна в смешанном лесу близ Уводского водохранилища – У; граница пашни у пос. Чернореченский – Ч; залежь у д. Шульгино – Ш.

В каждом участке были отобраны листья борщевика Сосновского для лабораторных экспериментов, которые проводились на базе кафедры биологии ИвГУ. Оптическую плотность пигментов определяли на спектрофотометре (КФК-3-«ЗОМЗ», Россия) в спиртовых вытяжках с длинами волн: 665 нм (Chl a), 649 нм (Chl b), 470 нм (Car), каждое измерение проводилось 3-кратнной последовательности. Затем рассчитывали концентрацию и содержание каждого пигмента по формулам (С – концентрация, D – оптическая плотность):

Ca mg/l = 13,7 D₆₆₅ – 5,76 D₆₄₉

Cb mg/l = 25,8 D₆₄₉ – 7,6 D₆₆₅

Ccar mg/l = (1000 D₄₇₀ − 3,27 Ca − 100 Cb) / 229

После установления концентрации пигментов в экстракте, рассчитывали их количественное содержание в листьях (A, мг/г) по формуле:

A = VC/1000P,

где V – объем спиртового экстракта, мл; С – концентрация пигмента в спиртовом растворе, мг/л; P – навеска, г.

Полученные данные были обработаны статистически с использованием пакетов компьютерных программ OpenOffice и Jamovi.

Результаты исследований и их обсуждение

Результаты определения содержания пигментов в листьях борщевика Сосновского на 8 исследованных площадках, загрязненных подвижными формами свинца приведены в табл. 1. Концентрация подвижных форм свинца в почве (Pb_mov, мг/кг) ни на одной из площадок не превысило ПДК (6 мг/кг), но разница между данными на площадках значительна и составляет более чем двукратную между наименее и наиболее загрязнённой.

 

Таблица 1 – Концентрация пигментов в листьях борщевика Сосновского на исследованных площадках

Площадки	Концентрация пигментов, мг/г							Pb_mov, мг/кг
	Chl a	Chl b	Car	Chl (a + b)	Chl (a + b) + Car	Chl a / Chl b	Chl (a + b) / Car
Ч	1,32 ± 0,08 1,16–1,48	0,46 ± 0,03 0,40–0,52	0,37 ± 0,02 0,33–0,41	1,80 ± 0,11	2,17 ± 0,13	2,83 ± 2,6	4,85 ± 0,11	0,16 ± 0,01
Я	6,64 ± 0,71 6,21–9,07	2,72 ± 0,19 2,338–3,10	1,94 ± 0,18 1,57–2,31	9,37 ± 0,905	11,31 ± 1,08	2,81 ± 0,37	4,81 ± 0,91	0,17 ± 0,01
У	3,68 ± 0,20 3,26–4,09	1,45 ± 0,08 1,27–1,62	0,91 ± 0,07 0,76–1,05	5,13 ± 0,21	6,04 ± 0,28	2,53 ± 0,23	5,65 ± 0,21	0,19 ± 0,01
Ш	4,49 ± 0,30 3,89–5,09	1,29 ± 0,10 1,08–1,51	1,39 ± 0,08 1,22–1,57	5,79 ± 0,41	7,19 ± 0,49	3,46 ± 0,3	4,14 ± 0,41	0,22 ± 0,01
Б	2,15 ± 0,18 1,78–2,52	0,54 ± 0,03 0,48–0,60	0,81 ± 0,07 0,66–0,95	2,70 ± 0,218	3,51 ± 0,31	3,96 ± 0,080	3,33 ± 0,21	0,24 ± 0,02
З	2,54 ± 0,16 2,22–2,86	0,86 ± 0,06 0,72–0,99	0,63 ± 0,04 0,5–0,7	3,41 ± 0,23	4,04 ± 0,27	2,95 ± 0,58	5,33 ± 0,23	0,27 ± 0,01
К	1,69 ± 0,16 1,364–2,02	0,51 ± 0,03 0,45–0,58	0,55 ± 0,03 0,48–0,61	2,21 ± 0,2	2,76 ± 0,234	3,27 ± 0,49	4,01 ± 0,2	0,31 ± 0,02
Ж	4,98 ± 0,43 5,10–6,85	2,33 ± 0,12 2,09–2,58	1,45 ± 0,09 1,25–1,64	7,32 ± 0,56	8,77 ± 0,65	2,55 ± 0,28	5,05 ± 0,56	0,35 ± 0,02
V%	53,57	67,51	53,29	56,85	55,97	20,29	16,487	28,35

Примечание. V% – коэффициент вариации.

 

В результате анализа полученных данных было установлено, что концентрация пигментов в листьях борщевика Сосновского варьирует в широком диапазоне. Концентрация Chl a варьирует от 1,32 до 6,98 мг/г; концентрация Chl b – от 0,46 до 2,72 мг/г, концентрация каротиноидов – от 0,37 до 1,45 мг/г. Причем рассчитанные коэффициенты вариации показывают более значительную изменчивость концентрации хлорофилла b (Chl b). Концентрации пигментов хлорофиллов a, b и каротиноидов в листьях борщевика Сосновского на 8 изученных площадках наглядно показано на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – Концентрации хлорофиллов a, b и каротиноидов листьев борщевика Сосновского на 8 изученных площадках

 

Общее значение суммы хлорофиллов Chl (a + b) оказываются более стабильными, для всех показателей характерна умеренная изменчивость. Величина отношения содержания хлорофилла a к хлорофиллу b (Chl a / Chl b) характеризуется низкой изменчивостью, значений, на всех площадках значения этого показателя близки к среднему (рис. 2).

 

Рисунок 2 – Общее содержание хлорофиллов a, b и каротиноидов в листьях борщевика Сосновского на 8 изученных площадках

 

Определение отношения сумм хлорофиллов и каротиноидов важно при характеристике работы фотосинтетического аппарата, этот показатель чутко реагирует на изменения условий и указывает на степень приспособленности растений к неблагоприятным факторам [6; 8]. Полученные значения отношений суммы содержания хлорофиллов к содержанию каротиноидам (Chl (a + b) / Car) в листьях борщевика Сосновского на исследуемых площадках варьируют незначительно (от 3,33 мг/г до 5,65 мг/г). Это свидетельствует о хорошей адаптации фотосинтетического аппарата данного вида к условиям среды с повышенным содержанием свинца в почвах.

Проведенный корреляционный анализ демонстрирует статистически достоверные отрицательные связи между концентрацией изучаемых пигментов и концентрацией подвижных форм свинца в почве. При повышении в почве подвижных форм свинца, концентрация всех пигментов (Chl a, Chl b, Car) в листьях борщевика Сосновского на изученных площадках снижается (p < 0,01). Для более детальных оценок концентраций пигментов и их соотношений, были построены групповые гистограммы с графиком накопления концентрации подвижных форм свинца в почве (рис. 3, 4).

 

Рисунок 3 – Распределение концентраций хлорофилла a, b и каротиноидов в листьях у борщевика Сосновского в соответствии с содержанием подвижных форм свинца в почве на 8 изученных площадках

 

Рисунок 4 – Распределение концентраций суммы хлорофиллов a, b и каротиноидов в листьях борщевика Сосновского в соответствии с концентрацией подвижных форм свинца в почве на 8 изученных площадках

 

Показано, что экземпляры борщевика Сосновского, произрастающие на менее загрязнённых свинцом почвах, имеют более высокую концентрацию всех пигментов в листьях. Уменьшение общего содержания хлорофиллов под действием растворов свинца, концентрации которых превышали ПДК, установлено в экспериментах на примере некоторых культурных растений [16–18]. Однако, y некоторых у древесных растений в городской среде в условиях накопления в почвах тяжёлых металлов отмечено увеличение содержания хлорофиллов и каротиноидов в листьях [19; 20]. Специальные изучения содержания пигментов в листьях березы повислой не показали заметной корреляции их с содержанием свинца в городских условиях [21].

Величина отношения количества хлорофилла a к хлорофиллу b (Chl a / Chl b) в листьях растений борщевика Сосновского на менее загрязненных свинцом участках оказался ниже, чем у растений с повышенным содержанием свинца в почве. Хотя уменьшение величины (Chl a / Chl b) считается показателем стресса у растений [17; 22].

Статистически достоверной разницы значений отношения суммы концентраций хлорофиллов a и b к концентрации каротиноидов (Chl (a + b) / Car) не было выявлено. Возможно, это связано с высокой адаптационной способностью фотосинтетического аппарата борщевика Сосновского к подвижным формам синца. Но возможно, при высоком содержании тяжёлых металлов в почвах ионы свинца накапливаются в ризосфере или в корнях растений, поступление их в листья ограничивается специальными защитными механизмами. Также установлено, что часть подвижных форм тяжёлых металлов под действием корневых выделений может переходить в менее активное состояние [17; 18]. У некоторых природных видов, например, у осоки острой, установлено отрицательное влияние высоких концентраций свинца и кадмия на содержание пигментов фотосинтеза в листьях, что связано с наличием биохимического барьера, который позволяет этому виду не поглощать ионы свинца из почвы [23].

Исследования изучения пигментов листьев борщевика Сосновского следует продолжить, прежде всего, изучить концентрацию пигментов в листьях на участках, не загрязненных тяжёлыми металлами. Полученные материалы могут служить основой для дальнейшего изучения пигментов фотосинтетического аппарата инвазионного растения – борщевика Сосновского в условиях разной степени антропогенного воздействия на территории Ивановской области и смежных регионов.

Заключение

Таким образом, изучение содержания фотоситезирующих пигментов в листьях борщевика Сосновского в экотопах с разной степенью загрязнённости почвы подвижными формами свинца на территории Ивановской области позволило установить, что концентрация пигментов варьирует в широком диапазоне (концентрация Сhl a – от 1,32 до 6,98 мг/г; концентрация Chl b – от 0,46 до 2,72 мг/г, концентрация каротиноидов – от 0,37 до 1,45 мг/г). Содержание хлорофиллов и каротиноидов в листьях борщевика в целом снижается при увеличении концентрации подвижных форм свинца в почве, а величина соотношения количества Chl a / Chl b повышается. Величина соотношения суммы хлорофиллов (Chl a + Chl b) к содержанию каротиноидов (Car) остаётся стабильной. Статистически достоверной разницы значений отношения суммы концентраций хлорофиллов a и b к концентрации каротиноидов (Chl (a + b) / Car) не выявлено. Полученные данные в целом свидетельствуют о высокой адаптационной способности борщевика Сосновского к подвижным формам свинца в почве. Исследования следует продолжить, прежде всего, изучить концентрацию пигментов листьев борщевика Сосновского на участках, не загрязненных тяжёлыми металлами.

About the authors

Alexey Nikolaevich Sivukhin

Ivanovo State University

Author for correspondence.
Email: ecobiota@mail.ru

senior lecturer of Biology Department

Russian Federation, Ivanovo

Elena Anatolyevna Borisova

Ivanovo State University

Email: floraea@mail.ru

doctor of biological sciences, associate professor, head of Biology Department

Russian Federation, Ivanovo

References

Supplementary files