Загрязнение почв тяжелыми металлами, самыми токсичными химическими элементами [1–3], является одной из основных причин снижения качества сельскохозяйственной продукции. Цинк, являясь тяжелым металлом, относится к веществам 1-го класса опасности [4], а благодаря быстрому накоплению в окружающей среде, он также считается одним из наиболее значимых её загрязнителей [1]. Достигая в растениях токсичных концентраций, цинк негативно влияет на их рост, развитие, объем и качество урожая. В то же время недостаток цинка как необходимого для растений микроэлемента оказывает негативное влияние на углеводный и белковый обмен, окислительные процессы, синтез ДНК, РНК, хлорофилла, формирование и развитие генеративных органов растений [5–7]. Так как недостаток или избыток цинка в почвах может стать лимитирующим фактором, определяющим урожайность сельскохозяйственных растений и качество их семенного потомства, то актуально выявление оптимального и максимально допустимого уровня содержания цинка в почвах.

В связи с этим целью представленной работы является оценка влияния различных концентраций цинка в разных типах почв на семенное потомство ячменя.

Материалы и методы исследования

Для оценки токсичности обычно используются показатели нарушения развития и роста растений [8], а методы цитогенетического анализа считаются наиболее эффективными для оценки уровня мутагенеза, вызванного тяжелыми металлами. В данном исследовании изучалась энергия прорастания, всхожесть и цитогенетические аберрации в клетках апикальной меристемы проростков семенного потомства ячменя (Hordeum vulgare L., сорт «Зазерский 85»), полученного в вегетационном эксперименте на трех типах почв с разной степенью загрязнения цинком. Водный раствор нитрата цинка вносился в дерново-подзолистую супесчаную окультуренную почву в концентрациях: 25; 50; 100; 150; 250 мг/кг воздушно-сухой почвы. В чернозем типичный тяжелосуглинистый в концентрациях: 50; 100; 250; 500; 750 мг/кг воздушно-сухой почвы. В торфяную болотную низинную почву в концентрациях: 250; 500; 1000 мг/кг воздушно-сухой почвы.

Полученный урожай семян хранился в бумажных пакетах в сухом помещении в течение нескольких месяцев. Затем семена проращивались в термостате, при температуре 21 °С, в чашках Петри на фильтровальной бумаге, смоченной дистиллированной водой. Во время проращивания семян оценивали их энергию прорастания на 3 сутки, а также всхожесть на 7 сутки от момента замачивания.

Чтобы получить клетки первого митоза, проросшие корешки, имеющие длину 1–1,5 см, фиксировались ацетоалкоголем. Для окрашивания препаратов использовался ацетоорсеин.

В приготовленных временных давленых препаратах определялось число клеток с цитогенетическими аберрациями (на вариант исследовали в среднем от 3 до 6 тысяч клеток находящихся на стадии ана-телофазы). Клетки с нераспознаваемыми нарушениями из анализа исключались. Применение анафазного метода позволяет регистрировать в клетках корневой меристемы проростков семян аберрации, появившиеся в период от образования гамет до созревания семян, так как возникшие на вегетативной стадии (до цветения) хромосомные нарушения элиминируются в мейозе (кроме нерегистрируемых данным методом симметричных инверсий и транслокаций).

Рассчет митотического индекса (MI) проводился по формуле

где P – число клеток на стадии профазы; М – число клеток на стадии метафазы; А – число клеток на стадии анафазы; Т – число клеток на стадии телофазы; I – число клеток на стадии интерфазы.

Статистическая обработка полученных результатов осуществлялась методами вариационной статистики в редакторе MS Excel. Необходимый объем выборки для оценки изучаемых параметров рассчитывался методом статистического анализа эмпирических распределений [9]. Полученные в ходе эксперимента выборки проверялись на наличие выбросов, которые исключали из рассмотрения. Оценка статистической значимости отличий исследуемых показателей проводилась по критерию Стьюдента.

Результаты исследования и их обсуждение

Наибольшая вероятность обнаружить ранние эффекты негативного влияния цинка на семенное потомство существует на клеточном уровне. Применение методов цитогенетического анализа позволило выявить статистически значимое (p < 0,05) увеличение числа хромосомных нарушений в корневой меристеме проростков семян полученных на черноземе и дерново-подзолистых почвах имеющих высокие концентрации цинка, в 4–7 раз превышающие значения ОДК для данных типов почв [10]. У проростков семян, полученных на торфяной болотной низинной почве, при высоких концентрациях цинка наблюдается тенденция к увеличению числа клеток с цитогенетическими аберрациями (таблица).

Также надо отметить, что статистически значимый рост частоты хромосомных аберраций у семян, выращенных на дерново-подзолистых почвах, начинается при значительно меньших концентрациях металла, чем у семян, выращенных на черноземе или торфяной почве (таблица). Это, вероятно, связано с тем, что повышенная кислотность, характерная для дерново-подзолистых почв, низкое содержание органического вещества и малый объем катионного обмена в сравнении с черноземом и торфяной почвой, способствует большей доступности Zn для растений и его последующему накоплению в токсичных концентрациях [5].

Считается, что в случаях, когда не известен фактор, индуцирующий повышенную частоту цитогенетических нарушений, о его природе можно судить по соотношению регистрируемых типов аберраций. Хоть техногенные поллютанты и не способны создавать новые виды хромосомных аберраций, которые не наблюдались бы и в контроле, но соотношение разных типов индуцируемых нарушений может зависеть от природы действующего фактора [11]. Считается, что тяжелые металлы, в том числе и цинк, могут повышать долю геномных нарушений [12]. Анализ соотношения зарегистрированных в ходе исследования разных видов цитогенетических нарушений действительно позволил обнаружить тенденцию к росту доли геномных аберраций, по мере увеличения содержания Zn в почвах. Причем число геномных нарушений статистически значимо превышало контрольный уровень при концентрации Zn 250 мг/кг воздушно-сухой дерново-подзолистой почвы.

Устойчивость растений к воздействию неблагоприятных факторов во многом определяется способностью их меристем сохранять клеточный состав и поддерживать нормальные темпы деления клеток. Цинк, как и другие тяжелые металлы, способен снижать митотическую активность клеток [13]. В исследовании статистически значимое снижение митотической активности было выявлено у проростков семян, полученных на дерново-подзолистой почве (рис. 1). На других типах почв с ростом концентрации цинка митотическая активность клеток статистически значимо не изменялась.

О влиянии различных концентраций Zn в почвах на посевные качества семян урожая ячменя можно узнать с помощью анализа всхожести и энергии прорастания семян. В исследовании было установлено, что при концентрациях Zn 100 – 225 мг/кг энергия прорастания семян, полученных на дерново-подзолистой почве, статистически значимо снижалась по сравнению с контролем (рис. 2). В других вариантах также наблюдается тенденция к снижению энергии прорастания (r = 0,51–0,53) по мере роста концентрации цинка.

Всхожесть семян имеет тенденцию к снижению (r = 0,51–0,59) с ростом концентрации металла во всех исследованных типах почв. Но при невысоких концентрациях (в зависимости от типа почвы – 25÷250 мг/кг) всхожесть может увеличиваться (рис. 3). У семян, полученных на дерново-подзолистой и торфяной почве увеличение всхожести статистически значимо. Повышение всхожести семян, полученных на почвах с низким загрязнением, вероятно, связано с потребностью растений в Zn, как важном микроэлементе, влияющем на формирование и развитие семян и генеративных органов. Цинк токсичен только при превышении определенного критического для каждого вида растений уровня.

Рис. 3. Всхожесть семян. Примечание. * – статистически значимое отличие от контроля

Заключение

Результаты исследования показали, что невысокое (не более чем в 1–2 раза) превышение установленных уровней ОДК содержания цинка в почвах способно положительно сказываться на всхожести полученного семенного потомства ячменя. Более значительное превышение уровня значений ОДК (более чем в 4 раза) уже способно снижать энергию прорастания семян, митотическую активность клеток корневой меристемы проростков и индуцировать в них повышенную частоту цитогенетических нарушений. Вероятность токсичного действия Zn на семенное потомство определяется типом и агрохимическими свойствами почв, на которых был получен урожай семян. На торфяной почве и черноземе рост частоты цитогенетических нарушений и изменение качества семенного потомства происходит при больших концентрациях цинка, чем на дерново-подзолистой почве, за счет меньшей доступности цинка для растений [5].

Автор благодарит лабораторию № 14 ФГБНУ ВНИИРАЭ за предоставленные семена.