Загрязнение почвы — это одна из главнейших проблем современной экологии, которая особенно обострилась во второй половине ХХ века. Развитие промышленности и использование человечеством разнообразных машин, безусловно, сделало жизнь людей более комфортной и удобной. Но неизбежная расплата за это — ухудшение экологической обстановки, в том числе и снижение плодородных свойств почвы. Российские ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Института фундаментальных проблем биологии РАН и Российского государственного аграрного заочного университета выяснили, какие изменения происходят с растениями, растущими на почвах, загрязненных таким тяжелым металлом, как свинец. Результаты своей работы они опубликовали в недавнем номере Journal of Plant Physiology.

Почва — тонкий верхний слой земной коры, дающий жизнь растениям. Из почвы берут питательные вещества деревья, кустарники, и другая растительность, которую едят животные. Именно благодаря почве человек может возделывать сельскохозяйственные культуры. Но промышленное производство и активное использование человеком автомобильного транспорта приводит к ухудшению экологической обстановки, в частности к загрязнению почвы, в том числе и тяжелыми металлами такими, как свинец. Всем известно, что на загрязненных почвах, растения и дикие и культивируемые человеком, растут хуже. В чем же причина ухудшения этого роста? Для выяснения этого вопроса ученые выращивали одну из самых популярных сельскохозяйственных культур — пшеницу мягкую (Triticum aestivum) на почвах с различным уровнем загрязнения свинцом в условиях нормального освещения и увлажнения. Недавние исследования показали, что применение при выращивании растений микроэлемента селена в небольших дозах повышает их устойчивость к заморозкам, засухам и воздействию тяжелых металлов. Поэтому исследователям также было интересно проверить, как будет расти пшеница на почвах, обработанных разными сочетаниями концентраций свинца и селена.

Оказалось, что растения, выращенные на почвах с повышенным содержанием свинца, теряли свою нормальную окраску, становились белыми или, применяя научную терминологию, этиолированными. Такими растения обычно становятся при отсутствии освещения. Нормальный зеленый цвет наблюдали только на кончиках листьев пшеницы, при этом ученые отмечали также ощутимое замедление роста этих растений по сравнению с контрольной группой, выращенной на почве, не содержащей свинец.

«Изучение ультраструктуры мезофильных клеток этиолированных листьев показало, что в них нарушен механизм образования предшественников хлоропластов — органелл зеленых растений, содержащих пигмент хлорофилл» — рассказывает старший научный сотрудник Лаборатории механизмов организации биоструктур ИТЭБ РАН, кандидат биологических наук Галина Алексеевна Семенова. Именно в хлоропластах под воздействием солнечного света происходит фотосинтез — образование органических веществ из углекислого газа и воды с выделением кислорода. Вместо хлоропластов у проростков растений, выращенных на почве со свинцом, образуются этиопласты, в которых отсутствует хлорофилл. Эти растения почти не могут выделять кислород, зато в них накапливается перекись водорода — индикатор окислительного стресса. Совершенно другую картину исследователи наблюдали, изучая пшеницу, выращенную на почве, содержащую селен в небольшой концентрации (высокие дозы селена также токсичны для растений).

Фотография растений, выращенных на почве без до...

Фотография растений, выращенных на почве без добавления тяжелых металлов (а), с добавлением селена в небольшой концентрации (б), и с добавлением большой дозы селена (в). В последнем заметно угнетение роста растений.

Эта группа растений продемонстрировала усиленный рост и увеличение биомассы по сравнению с контрольной. Интересно, что экспериментальная группа растений пшеницы, выросшей на почве, сочетающей свинец в токсичной дозе и селен в небольшой концентрации, статистически достоверно не отличалась от контрольной группы по показателям роста и биомассы.

Фотография растений, выращенных на почвах, загр...

Фотография растений, выращенных на почвах, загрязненных свинцом 50 мг в 100 г. почвы. а — пшеница на почве со свинцом. б — пшеница на почве, сочетающей свинец в токсичной дозе и селен в небольшой концентрации. Листья имеют нормальную окраску и хорошо развиваются. в — пшеница на почве, сочетающей свинец в токсичной дозе и селен в увеличенной концентрации. Наблюдается этиоляция листьев и угнетение роста растений.

Такой «терапевтический» эффект селена ученые подтвердили, сравнивая не только внешний вид растений, но и их функциональные характеристики, в том числе содержание хлорофилла, — его количество не уменьшилось в испытуемых растениях. Но уже при двухкратном увеличении содержания свинца в почве добавление селена не могло компенсировать его негативное действие.

Фотография растений, выращенных на почвах, загр...

Фотография растений, выращенных на почвах, загрязненных свинцом больше чем на 50 мг в 100 г. почвы. а — пшеница с этиолированными листьями и угнетением роста. б — пшеница на почве, сочетающей свинец и селен в небольшой концентрации. Добавление селена не компенсирует негативное действие свинца. в — пшеница на почве с высоким содержанием свинца и селена. Сильное угнетение роста растений.

Изучение ультраструктуры клеток растений, выращенных в таких условиях, показало не только замену хлоропластов на этиопласты, но и нарушения в структуре других жизненно важных частей клетки — цитоплазме и митохондриях. Из-за таких серьезных сбоев в развитии жизненно важных тканей эти растения практически не растут.

Ультраструктура мезофильных клеток листьев Trit...

Ультраструктура мезофильных клеток листьев Triticum aestivum L. cv. Проростки пшеницы, выращенные на почве с селеном в низкой концентрации (Pb1 + Se1) а и в, и с селеном в высокой концентрации (Pb1 + Se2) с и d. а- фрагмент мезофильных клеток с хлоропластами; б — хлоропласты, содержащие хорошо развитую гранулярную систему с небольшим отеком и уменьшенным количеством тилакоидов в гранах; с — фрагмент мезофильных клеток, содержащие как хлоропласт, так и этиопласты; заметны разрывы мембраны вакуоли (тонопласта) и нарушения в структуре цитоплазмы. Стрелки указывают на этиопласты. d — этиопласт, содержащий одиночную мембрану, зерна крахмала (st) и ДНК хлоропласта (n). Шкала :1 мкм (a, c); и 0,5 мкм (b, d)

Из этих экспериментов ученые сделали вывод: свинец и селен влияют на меристему — образовательную ткань растений, из которой образуются новые клетки, оказывая на них диаметрально противоположное действие. Селен, даже в небольшой концентрации стимулирует развитие, как отдельных фотосинтезирующих клеток, так и растения в целом. Свинец же не дает предшественникам фотосинтезирующих клеток правильно развиваться, из-за чего угнетается и рост растений. Низкие концентрации селена в почве, содержащей свинец до 50 мг в 100 г. почвы, могут компенсировать дефекты развития растений, выращиваемых в таких условиях.

Источник: Galina A. Semenova, Irina R. Fomina, Anatoly A. Kosobryukhov, Valery Yu. Lyubimov, Ekaterina S. Nadezhkina, Tamara I. Balakhnina. Мesophyll cell ultrastructure of wheat leaves etiolated by lead and selenium. J Plant Physiol. 2017; 219:37-44

Фотографии предоставлены Семеновой Г.А.

Материал подготовила:

Татьяна Перевязова

Пресс-служба ИТЭБ РАН, iteb-press@yandex.ru,

Пресс-релизы ИТЭБ РАН: http://web.iteb.psn.ru/press-release.htm