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

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.

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

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.

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

Проведенный полный двухфакторный дисперсионный анализ показал, что все исследованные виды по-разному приспосабливаются к положительно низкой температуре (+12°C) (р < 0,001).

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

Email: catana7@yandex.ru

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

Maria Olegovna Gryaznova

Author for correspondence.
Email: russanarmo@gmail.com

student of Biology Faculty

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1 - Effect of benzotriazole (BzTr) in different concentrations on seed germination of different onion species at different temperatures. A. c. - Allium cepa, A. s. - Allium schoenoprasum, A. f. - Allium fistulosum

Download (39KB)

Indexing metadata

3. Figure 2 - Effect of low and ultralow doses of benzotriazole on the average root length of onion during germination of seeds at different temperature regimes. A. c. - Allium cepa, A. s. - Allium schoenoprasum, A. f. - Allium fistulosum

Download (38KB)

Indexing metadata