Устойчивость растений Sisymbrium lipskyi к цинку и их фиторемедиационный потенциал

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Изучено влияние повышенных концентраций цинка на рост, минеральный состав, содержание хлорофиллов и каротиноидов у северокавказского вида гулявника Липского Sisymbrium lipskyi N. Busch. Растения выращивали в песчаной культуре в присутствии 80, 160 и 320 мг Zn/кг субстрата. Показана относительно высокая устойчивость S. lipskyi к токсическому действию цинка при дозах 80 и 160 мг/кг, проявляющаяся в отсутствии значимого уменьшения накопления сухой биомассы, достоверных изменений в содержании и соотношении хлорофиллов (a/b) и сохранении водного статуса. Существенное ингибирующее воздействие цинка на рост и развитие сеянцев наблюдалось лишь при его концентрации 320 мг/кг субстрата и сопровождалось значимым снижением биомассы и содержания хлорофилла b. Обнаружено нарушение баланса минеральных элементов, связанное в значительной степени со снижением транслокации элементов из корней в надземные органы сеянцев. Преимущественное накопление цинка в корневой системе (за исключением варианта 320 мг) характеризует S. lipskyi как вид, способный ограничивать поступление цинка в надземные органы, о чем свидетельствуют низкие значения величины фактора транслокации. Эта особенность минерального обмена, наряду с относительно высокой устойчивостью к цинку, позволяет рассматривать S. lipskyi как перспективный вид для фитостабилизации почв при средних уровнях загрязнения.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. В. Дроздова

Ботанический институт им. В.Л. Комарова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: IDrozdova@binran.ru
Россия, Санкт-Петербург

И. Б. Калимова

Ботанический институт им. В.Л. Комарова Российской академии наук

Email: IDrozdova@binran.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. И. Беляева

Ботанический институт им. В.Л. Комарова Российской академии наук

Email: IDrozdova@binran.ru
Россия, Санкт-Петербург

Г. А. Пожванов

Ботанический институт им. В.Л. Комарова Российской академии наук; Санкт-Петербургский государственный университет; Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена

Email: IDrozdova@binran.ru
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Н. В. Алексеева-Попова

Ботанический институт им. В.Л. Комарова Российской академии наук

Email: Drozdova@binran.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Kabata-Pendias A., Pendias H. Trace elements in soils and plants. Boca Raton: CRC Press LLC, 2001. 432 p.
  2. Плеханова И.О., Бамбушева В.А. Экстракционные методы изучения состояния тяжелых металлов в почвах и их сравнительная оценка // Почвоведение. 2010. Т. 9. С. 1081.
  3. Marschner H. Marschner’s Mineral nutrition of higher plants. London: Elsevier Ltd., 2012. 651 p.
  4. Bonnet M., Camares O., Veisseire P. Effect of Zinc and influence of Acremonium lolli on growth parameters, chlorophyll a fluorescence and antioxidant enzyme activity of ryegrass // J. Exp. Bot. 2000. V. 51. P. 945. http://doi.org/10.1093/jxb/51.346.945
  5. Broadley M.R., White P.J., Hammond J.P., Zelko I., Lux A. Zinc in plants // New Phytol. 2007. V. 173. P. 677. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2007.01996.x
  6. Reeves R.D., Baker A.J.M., Jaffré T., Erskine P.D., Echevarria G., Van Der Ent A. A global database for plants that hyperaccumulate metal and metalloid trace elements // New Phytol. 2017. V. 218. P. 407. http://dx.doi.org/10.1111/nph.14907
  7. McIntyre T. PhytoRem: A Global CD-ROM database of aquatic and terrestrial plants that sequester, accumulate, or hyperaccumulate heavy metals. Hull, Quebec: Environment Canada, 2001.
  8. Azizi M., Faz A., Zornoza R., Martinez-Martinez S., Acosta J.A. Phytoremediation potential of native plant species in mine soils polluted by metal(loid)s and rare earth elements // Plants. 2023. V. 12. P. 1219. http://doi.org/10.3390/plants12061219
  9. Whiting S.N., Reeves R.D., Richards D., Johnson M.S., Cooke J.A., Malaisse F., Paton A., Smith J.A.C., Angle J.S., Chaney R.L., Ginocchio R., Jaffré T., Johns R., McIntyre T., Purvis O. et al. Research priorities for conservation of metallophyte biodiversity and their potential for restoration and site remediation // Restor. Ecol. 2004. V. 12. P. 106. https://doi.org/10.1111/j.1061-2971.2004.00367.x
  10. Pollard A.J., Powell K.D., Harper F.A., Smith J.A.C. The genetic basis of metal hyperaccumulation in plants // Crit. Rev. Plant Sci. 2002. V. 21. P. 539. https://doi.org/10.1080/0735-260291044359
  11. Drozdova I., Alekseeva-Popova N., Kalimova I., Bech J., Roca N. Research of reclamation of polluted mine soils by native metallophytes: some cases // Geochemistry: Exploration, Environment, Analysis. 2019. V. 19. P. 164. https://doi.org/10.1144/geochem2018-037
  12. Kozhevnikova A.D., Erlikh N.T., Zhukovskaya N.V., Obroucheva N.V., Ivanov V.B., Belinskaya A.A., Khutoryanskaya M.Y., Seregin I.V. Nickel and zinc effects, accumulation and distribution in ruderal plants Lepidium ruderale and Capsella bursa-pastoris // Acta Physiol. Plant. 2014. V. 36. P. 3291. http://doi.org/10.1007/s11738-014-1697-3
  13. Repkina N., Nilova I., Kaznina N. Effect of zinc excess in substrate on physiological responses of Sinapis alba L. // Plants. 2023. V. 12. P. 211. https://doi.org/10.3390/plants12010211
  14. Дорофеев В.И. Brassicaceae Burnett, nom. cons., nom. alt. (Cruciferae Juss., nom. cons.). Конспект флоры Кавказа / Под ред. А.Л. Тахтаджяна. СПб.-М.: Товарищество научных изданий КМК. 2012. С. 371.
  15. Потапенко Ю.Я. Геология Карачаево-Черкесии. Карачаевск: Карачаево-Черкесский государственный университет. 2004. 154 с.
  16. Lichtenthaler H.K., Buschmann C. Chlorophylls and carotenoids: Measurement and characterization by UV‐VIS spectroscopy // Current protocols in food analytical chemistry. 2001. P. F4.2. http://doi.org/10.1002/0471142913.faf0403s01
  17. Mahmoudi H., Salah I.B., Zaouali W., Zorrig W., Smaoui A., Ali T., Gruber M., Ouerghi Z., Hosni K. Impact of zinc excess on germination, growth parameters and oxidative stress of sweet basil (Ocimum basilicum L.) // Bull. Environ. Contam. Toxicol. 2021. V. 106. P. 899. http://doi.org/10.1007/s00128-021-03188-6
  18. Kholodova V.P., Volkov K.S., Kuznetsov Vl.V. Adaptation of the common ice plant to high copper and zinc concentrations and their potential using for phytoremediation // Russ. J. Plant Physiol. 2005. V. 52. P. 748. http://doi.org/10.1007/s11183-005-0111-9
  19. Marichali A., Dallali S., Ouerghemmi S., Sebeia H., Hosni K. Germination, morpho-physiological and biochemical responses of coriander (Coriandrum sativum L.) to zinc excess // Ind. Crops Prod. 2014. V. 55. P. 248. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2014.02.033
  20. Yahaghi Z., Shirvani M., Nourbakhsh F., Pueyo J.J. Uptake and effects of lead and zinc on alfalfa (Medicago sativa L.) seed germination and seedling growth: Role of plant growth promoting bacteria // South African Journal of Botany. 2019. V. 124. P. 573. https://doi.org/10.1016/j.sajb.2019.01.006
  21. Liščáková P., Namaz A., Molnárová M. Recipropal effects of copper and zinc in plants // Int. J. Environ. Sci. Technol. 2022. V. 19. P. 9297. http://doi.org/10.1007/s13762-021-03854-6
  22. Алексеева-Попова Н.В., Моченят К.И. Внутрипопуляционные различия реакции Salvia stepposa на избыток цинка в среде // Устойчивость к тяжелым металлам дикорастущих видов / Под ред. Н.В. Алексеевой-Поповой. Ленинград: Лениздат, 1991. С. 47.
  23. Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН. 2014. 194 с.
  24. Лаврентьева Г.В. Поведение тяжелых металлов Co, Cu, Zn, Cd и радионуклидов 60Co, 65Zn в системе твердая фаза почв – почвенный раствор – растение. Дис. … канд. биол. наук. Обнинск. 2008. 148 с.
  25. Tripathy B.C., Pattanayak G. Chlorophyll biosynthesis in higher plants // Photosynthesis / Eds. J.J. Eaton-Rye et al. Springer. 2012. P. 63. http://doi.org/10.1007/978-94-007-1579-0_3
  26. Lefévre I., Vogel-Mikuš K., Jeromel L., Vavpetič P., Planchon S., Arčon I., T. Van Elteren J., Lepoint G., Gobert S., Renaut J., Pelicon P., Lutts S. Differential cadmium and zinc distribution in relation to their physiological impact in the leaves of the accumulating Zygophyllum fabago L. // Plant, Cell Environ. 2014. V. 37. P. 1299. http://doi.org/10.1111/pce.12234
  27. Давыдова В.Н., Моченят К.И. Накопление и распределение металлов у Phlomis tuberosa при избытке цинка в среде // Устойчивость к тяжелым металлам дикорастущих видов / Под ред. Н.В. Алексеевой-Поповой. Ленинград: Лениздат. 1991. С. 80.
  28. Иванов Ю.В., Савочкин Ю.В., Марченко С.И., Иванов В.П. Анализ ростовых процессов Pinus sylvestris L. на ранних стадиях онтогенеза в условиях хронического действия цинка // Лесной журнал. 2011. Т. 2. С. 12.
  29. Glińska S., Gapińska M., Michlewska S., Skiba E., Kubicki J. Analysis of Triticum aestivum seedling response to the excess of zinc // Protoplasma. 2016. V. 253. P. 367. https://doi.org/10.1007/s00709-015-0816-3
  30. Cornu J.-Y., Deinlein U., Horeth S., Braun M., Schmidt H., Weber M., Persson D.P., Husted S., Schjoerring J.K., Clemens S. Contrasting effects of nicotianamine synthase knockdown on zinc and nickel tolerance and accumulation in the zinc/cadmium hyperaccumulator Arabidopsis halleri // New Phytol. 2015. V. 206. P. 738. https://doi.org/10.1111/nph.13237
  31. Ibiang Y.B., Mitsumoto H., Kazunori S. Bradyrhizobia and arbuscular mycorrhizal fungi modulate manganese, iron, phosphorus, and polyphenols in Soybean (Glycine max (L.) Merr.) under excess zinc // Environ. Exp. Bot. 2017. V. 137. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2017.01.011
  32. Kaur H., Garg N. Zinc toxicity in plants: a review // Planta. 2021. V. 253. P. 129. http://doi.org/ 10.1007/s00425-021-03642-z
  33. Jain A., Srivastava S., Solomon S., Shrivastava A.K. Impact of excess zinc on growth parameters, cell division, nutrient accumulation, photosynthetic pigments and oxidative stress of sugarcane (Saccharum spp.) // Acta Physiol. Plant. 2010. V. 32. P. 979. http://doi.org/10.1007/s11738-010-0487-9
  34. Tani F.H., Barrington S. Zinc and copper uptake by plants under two transpiration rates. Part II. Buckwheat (Fagopyrum esculentum L.) // Environmental Pollution. 2005. V. 138. P. 548. http://doi.org/10.1016/j.envpol.2004.06.004
  35. Ouni Y., Mateos-Naranjo E., Abdelly C., Lakhdar R. Interactive effect of salinity and zinc stress on growth and photosynthetic responses of the perennial grass, Polypogon monspeliensis // Ecological Engineering. 2016. V. 95. P. 171. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2016.06.067
  36. Cambrollé J., Mancilla-Leytón J.M., Muñoz-Vallés S., Luque T., Figueroa M.E. Zinc tolerance and accumulation in the salt-marsh shrub Halimione portulacoides // Chemosphere. 2012. V. 86. P. 867. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2011.10.039
  37. Andrejić G., Gajić G., Prica M., Dželetović Ž, Rakić T. Zinc accumulation, photosynthetic gas exchange, and chlorophyll a fluorescence in Zn-stressed Miscanthus × giganteus plants // Photosynthetica. 2018. V. 56. P. 1249. https://doi.org/10.1007/s11099-018-0827-3
  38. Задворная А.К., Казнина Н.М., Холопцева Е.С. Влияние повышенных концентраций цинка в субстрате на рост и фотосинтетический аппарат горчицы белой // Труды КарНЦ РАН. Сер. Экспериментальная биология № 3 / Под ред. В.А. Илюха. Петрозаводск: Институт биологии КарНЦ РАН, 2021. С. 68.http://doi.org/10.17076/eb1392
  39. СанПин 4266-87. Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами. Москва: Министерство здравоохранения СССР, 1987. 25 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Содержание подвижных форм Zn в субстрате после 2-месячного произрастания сеянцев Sisymbrium lypskyi. Разными буквами обозначены значимые различия между вариантами опыта при P < 0.05.

Скачать (89KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Влияние Zn на всхожесть (1) и рост (2) сеянцев Sisymbrium lipskyi. Обозначения статистической значимости различий приводятся отдельно для показателей всхожести и роста. Разными буквами обозначены значимые различия между вариантами опыта при P < 0.05.

Скачать (83KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Влияние 2-месячного воздействия Zn на накопление сухой биомассы надземных органов сеянцев Sisymbrium lypskyi. Приведены данные для нормально развитых растений. Разными буквами обозначены значимые различия между вариантами опыта при P < 0.05.

Скачать (70KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Содержание Zn в корнях (1) и листьях (2) сеянцев Sisymbrium lypskyi после 2-месячного произрастания при разных уровнях Zn в субстрате. Обозначения статистической значимости различий приводятся отдельно для корней и листьев. Звездочкой обозначены статистически значимые различия между корнями и листьями для каждого из вариантов опыта. Приведены данные для нормально развитых растений. Разными буквами обозначены значимые различия между вариантами опыта при P < 0.05.

Скачать (89KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Влияние 2-месячного воздействия Zn на содержание хлорофилла a (1), хлорофилла b (2) и каротиноидов (3) в листьях сеянцев Sisymbrium lypskyi. Обозначения статистической значимости различий приводятся отдельно для хлорофилла a, хлорофилла b и каротиноидов. Приведены данные для нормально развитых растений. Разными буквами обозначены значимые различия между вариантами опыта при P < 0.05.

Скачать (106KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Отношение содержания Zn в листьях сеянцев Sisymbrium lypskyi к его содержанию в субстрате (коэффициент биологического накопления) (а) и отношение содержания Zn в листьях к его содержанию в корнях (фактор транслокации) (б) после 2-месячного произрастания при разных уровнях Zn в субстрате. Разными буквами обозначены значимые различия между вариантами опыта при P < 0.05.

Скачать (137KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024