Влияние эндофитных бактерий Bacillus subtilis на содержание фотосинтетических пигментов в растениях пшеницы при воздействии никеля

Введение. Среди тяжелых металлов никель занимает особое положение, так как относится к элементам, необходимым для роста и развития растений. Он входит в состав ряда ферментов (глиоксилаза I, Ni-супероксиддисмутаза, гидрогеназа, уреаза и др.), без которых невозможен нормальный метаболизм растительного организма [9, с. 18571]. Естественное содержание никеля в окружающей среде невелико, в большинстве почв обнаруживаются только следы этого металла [7, с. 1048]. Тем не менее, в последние десятилетия концентрация Ni²⁺ в окружающей среде значительно увеличивается в результате деятельности человека. Антропогенными источниками Ni²⁺ являются горнодобывающие предприятия, металлургические комбинаты, сточные воды, кроме того, металл поступает в окружающую среду при сжигании угля и нефти, применении фосфорных удобрений и пестицидов [7, с. 1048]. Избыток Ni²⁺ в почве вызывает различные физиологические изменения в растительном организме, в том числе нарушение процесса фотосинтеза. Пигменты растений, являются необходимой составной частью фотосинтезирующей системы, нарушение их структуры или уменьшение их количества ведёт к значительному снижению фотосинтетической способности растений и, как следствие, – снижению скорости роста и урожайности. [3, с. 297]. Снижение содержания фотосинтетических пигментов используют в качестве индикаторной реакции повреждения, происходящего под действием загрязняющих веществ, например тяжелых металлов.

Известно, что некоторые микроорганизмы, живущие в сообществе с растениями (ризосферные, эндофитные) способны не только стимулировать рост, но и повышать устойчивость растений к действию неблагоприятных факторов среда, в том числе тяжелых металлов. Так, бактерии рода Bacillus, считаются перспективными агентами биологического контроля и обладают протекторным эффектом при действии на растения различных тяжелых металлов. Одним из важных аспектов при изучении токсического влияния тяжелых металлов на растения является их фотосинтетическая активность [1, с. 118; 3, С. 685].

Целью настоящей работы явилось изучение влияния эндофитных штаммов бактерий Bacillus subtilis на содержание фотосинтетических пигментов в тканях побегов растений пшеницы мягкой (Triticum aestivum L.) сорта Омская 35 при воздействии никеля.

Методика исследований. Семена перед посевом в почву тщательно промывали мыльным раствором и стерилизовали 96%-ым этанолом. Для инокуляции семян использовали 20-часовую культуру бактерий Bacillus subtilis 26Д (ВНИИСХМ, №128) и 11ВМ (ВНИИСХМ, №519), выращенную на мясо-пептонном агаре при +37^оС. Обработку семян клетками эндофитов проводили в стерильных условиях, в ламинар-боксе. Для получения препарата B. subtilis, бактерии отмывали 0,001 М раствором KCl, затем концентрацию суспензии доводили до 10⁶ кл./мл по оптической плотности. Расход препарата составил 20 мкл на 1 г семян. Семена контрольных растений в том же объеме обрабатывали дистиллированной водой. После обработки семена Triticum aestivum выдерживали в закрытых сосудах до полного подсыхания, затем использовали в экспериментах.

Для выращивания растений использовали пластиковые вегетационные сосуды (20 × 20 см) с выщелоченным черноземом. Эксперименты проводили в лабораторных условиях при искусственном освещении (12 кЛк, 16-часовом фотопериод) при температуре 18–20°С в течение 30 суток. Для имитации загрязнения почвы никелем, металл вносили в виде раствора соли Ni(NO₃)₂*6H₂O, однократно после посева семян, рассчитывая соответствующую концентрацию ионов металла (10, 200 мг/кг почвы). Контрольные растения поливали дистиллированной водой. Экстракцию и определение содержания пигментов в растительных тканях проводили по методике, предложенной А.А. Шлык с соавторами (1971) [6, с. 154-170]. Содержание суммы хлорофиллов a и b, каротиноидов определяли в спиртовой вытяжке (80% этанола), измеряя величину оптической плотности при длине волны 665, 649 и 440 нм. Эксперименты проводили не менее чем в трех биологических повторах и четырех аналитических повторностях.

Результаты исследований. В ходе экспериментов было установлено, что при воздействии никеля в низких концентрациях (10 мг/кг почвы), происходило стимулирование роста побегов пшеницы, при увеличении содержания металла в почве до 200 мг/кг наблюдали угнетение роста (табл. 1). Торможение роста является общим проявлением токсичности тяжелых металлов для растений, что связано в первую очередь с их прямым действием на деление и растяжение клеток [4, с. 55].

Таблица 1.

Ростовые показатели T. aestivum сорта Омская 35 при воздействии никеля, см

* Примечание. Различия между показателями обработанных и необработанных бактериями растений достоверны при Р≤0,05

Инокулированные бактериями растения пшеницы имели более высокие ростовые показатели, чем неинокулированные, как при воздействии никеля, так и в отсутствии металла. Известно, что исследуемые штаммы бактерий B. subtilis являются эндофитными микроорганизмами и способны стимулировать рост растений, повышая в их тканях уровень фитогормонов, содержание доступных для растения питательных веществ в ризосфере, подавляя размножение фитопатогенов и др. [5, с. 177].

Известно, что никель в токсичных концентрациях ингибирует процесс фотосинтеза, т.к. снижает синтез фотосинтетических пигментов и нарушает ультраструктуру хлоропластов [4, с. 57]. Нами было показано, что при воздействии никеля во всех исследованных концентрациях содержание хлорофиллов и каротиноидов в растительной ткани снижалось (табл. 2). Так при концентрации металла 10 мг/кг почвы содержание хлорофиллов и каротиноидов было ниже на 37 и 30%, соответственно, по сравнению с проростками, выросшими в чистой почве; при концентрации металла 200 мг/кг – на 50 и 35%, соответственно. Снижение содержания каротиноидов в растениях при воздействии никеля может способствовать более интенсивному развитию окислительного стресса, так как известно, что вспомогательные пигменты фотосинтеза являются частью неферментативной антиоксидантной системы растительной клетки.

Таблица 2.

Содержание фотосинтетических пигментов в побегах T. aestivum, выращенных в почве, загрязнённой ионами никеля, мг/г сырого веса

* Примечание. Различия между показателями обработанных и необработанных бактериями растений достоверны при Р≤0,05

У растений, семена которых были инокулированы клетками B. subtilis, уровень суммарного содержания хлорофиллов и каротиноидов был выше при воздействии никеля, чем у необработанных растений (табл. 2). Так при концентрации никеля в почве 200 мг/кг, содержание хлорофилла в побегах растений, обработанных бактериями, было выше, чем у необработанных в 1,8-2 раза. Аналогичное повышение наблюдали и в содержании каротиноидов.

Выводы. Таким образом, инокуляция семян клетками B. subtilis снижала токсический эффект никеля, что проявлялось в сохранении фотосинтетической активности и лучших показателях роста растений.

Результаты работы могут представлять интерес при разработке методик выращивания сельскохозяйственных культур на почвах, загрязненных солями ТМ.

Список литературы:
1. Использование ассоциативных бактерий для инокуляции ячменя в условиях загрязнения почвы свинцом и кадмием / А.А. Белимов, А.М. Кунакова, В.И. Сафронова и др. // Микробиология. – 2004. – Т. 73. – С. 118-125.
2. Курамшина З.М., Смирнова Ю.В., Хайруллин Р.М. Повышение толерантности Triticum aestivum к кадмий-стрессу с помощью эндофитных штаммов Bacillus subtilis // Физиология растений. – 2016. – Т. 63. – № 5. – С. 679-687.
3. Серегин И.В., Кожевникова А.Д. Физиологическая роль никеля и его токсическое действие на высшие рас-тения // Физиология растений. – 2006. – Т. 53. – № 2. – С. 285-308.
4. Устойчивость растений к тяжелым металлам / А.Ф. Титов, В.В. Таланова, Н.М. Казнина, Г.Ф. Лайдинен. – Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. – 172 с.
5. Фосфат-мобилизующая активность эндофитных штаммов Bacillus subtilis и их влияние на степень микори-зации корней пшеницы / А.А. Егоршина, Р.М. Хайруллин, М.А. Лукьянцев и др. // Научный журнал Сибир-ского федерального университета. – 2011. – № 1. – С. 172-182.
6. Шлык А.А. Определение хлорофилла и каротиноидов в экстрактах зеленых листьев // Биохимические ме-тоды в физиологии растений / Под ред. О.А. Павлиновой. – М.: Наука, 1971. – С. 154-170.
7. Gill M. Heavy metal stress in plants: a review. International Journal of Advanced Research. 2014. Vol. 2 (6). Р. 1043-1055.
8. Ohkama-Ohtsu N., Wasaki J. Recent Progress in Plant Nutrition Research: Cross-Talk Between Nutrients, Plant Physiology and Soil Microorganisms. Plant Cell Physiol. 2010. Vol. 51. P. 1255-1264.
9. Ragsdale S.W. Nickel-based enzyme systems. J. Biol. Chem. 2009. Vol. 284. P. 18571-18575.